混流靜態房式谷物干燥機試驗驗證

王延宏，劉愛民，馬忠高，劉俊龍

(1.陜西省農業機械鑒定推廣總站，陜西 西安710000； 2.袁隆平農業高科技股份有限公司，湖南 長沙410125； 3.平利縣電機制造有限公司，陜西 平利725000)

0 引言

我國是傳統的農業大國，也是人口大國，糧食安全一直是國家十分重視的問題。2019年全國糧食總產量66 384萬t(其中谷物產量61 368萬t)，而我國目前糧食機械化烘干比例僅10%～15%，相比于歐美的90%和日本的92%仍有很大差距[1-2]。這也意味著我國85%以上的糧食仍是依靠人工晾曬干燥，而每年因天氣因素烘干不及時、不充分導致的發霉、發芽等各類損失高達5%左右，按2019年的全國糧食總產量換算，即有3 319.2萬t的損失[3]。谷物機械干燥技術及設備的應用和推廣，既是糧食生產全程機械化解決耕種收后的最后一個關鍵環節，也是提高糧食干燥品質，保障糧食儲藏安全的重要途徑。

近年來，隨著我國經濟的高質量發展，農業產業結構的轉型升級，以家庭為單位的小規模農業生產方式逐步被規模化的農業作業方式取代，人工晾曬受天氣、人員和場地的限制較多，糧食烘干也逐漸向規模化、集約化和標準化的機械干制方向發展。傳統觀念認為的谷物干燥機這種“小、冷”農機的重要作用也不斷凸顯。

1 谷物干燥機發展現狀及存在的問題

國外谷物干燥機械的研究起步于20世紀40年代，在50—60年代基本上實現了谷物干燥機械化；60—70年代谷物機械干燥實現了自動化；70—80年代谷物機械干燥向高效、優質、節能、降低成本和計算機控制等方向發展；在90年代以后谷物干燥設備已經達到系列化、標準化[4]。我國谷物干燥機的研制起步于新中國成立初期，以模仿前蘇聯、日本等烘干機為主，20世紀70年代后期國內一些科研機構逐步開展谷物干燥機的自主研發，主要應用于大型國有農場、糧庫及集體企業等；80年代以后，我國谷物干燥機開始向多元化方向發展，谷物干燥技術和設備不斷走向成熟和完善[5]。

目前，國內外應用的各類型谷物烘干機按照結構型式可分為立式(塔式)、臥式和房式烘干機等；按照谷物與氣流的相對運動方向可分為橫流、順流、逆流和混流等；按照烘干過程是否能一次性達到目標水分，可分為連續式干燥和循環式干燥機等。國內各類谷物干燥中，北方玉米多采用高溫干燥技術，以混流塔式干燥機應用為主；南方水稻和種子烘干則以低溫干燥為主，主要應用橫流或混流循環立式烘干機，其中雜交水稻種子由于制種本身結實率低，需在成熟度80%左右時收割，脫粒后的種子成熟度差、水分高，多采用靜態臥(箱)式烘干機[6]。

總體來說，國內應用的各類烘干機均普遍存在高溫干燥爆腰率高、低溫干燥脫水速率低、循環干燥破損率高和循環立式干燥灰塵大等問題。因此，基于上述問題本文研究一種混流靜態房式谷物干燥機，采用保溫控濕、混流通風、靜態薄層堆積及大風量持續烘干的技術方案，極大地提高了低溫烘干干燥效率低的問題，有效降低了谷物干燥爆腰率增值，烘干過程中無機械損傷和灰塵污染，烘干整體效果與晾曬級相當。

2 混流靜態房式谷物干燥機

谷物在機械化干制過程中關注點最多的是干燥爆腰問題，引起爆腰的主要原因在于烘干過程中谷物籽粒內部水分擴散與外部表面蒸發速度不一致，誘發應力集中，導致谷物籽粒產生裂紋。避免烘干過程中出現爆腰，采用的手段：適當降低表面蒸發速度，常規方法為降低熱風溫度或流速；烘干過程對谷物進行緩蘇，即暫時停止烘干，通過一定時間緩蘇，使得谷物內部水分逐漸向表面擴散，提高籽粒表面含水率。由此也說明，谷物干燥過程中引起爆腰的主要因素為熱風溫度和干燥速度。常規的谷物烘干機在保證適宜的熱風溫度和干燥速度的條件下，均設置有緩蘇段。然而，在實際應用過程中增加緩蘇段，谷物緩蘇時間與干燥時間的比值一般在5∶1～8∶1，即每1 h實際最多僅有10 min在烘干，極大地影響了整體的烘干效率[7-8]。谷物在機械化干制過程中另一個重點關注問題則是烘干過程破損率的問題，籽粒破損的發生主要為谷物在干燥過程中倒料、循環產生機械損傷及籽粒間摩擦損傷。

2.1干燥原理

如圖1所示，混流靜態房式谷物干燥機由烘干保溫房、干燥機體、熱風爐、提升倒料系統和控制系統5大部分組成。烘干保溫房與熱風爐之間下部有進風通道，上部有出風通道連通，實現熱風的循環利用。提升機與烘干保溫房的干燥機體通過轉送機構連接形成提升倒料系統，實現谷物的進出料和烘干過程中的循環倒料。控制系統主要是對烘干保溫房內部溫濕度進行有效控制，分階段控制排濕等，保證烘干全過程的控溫控濕。

該機實現了谷物干燥過程的全程“保溫控濕”，保溫即是在保證谷物在適溫下進行烘干，控濕則是對烘干過程中的排濕進行自動控制。通過保溫控濕來有效提高谷堆溫度，增加烘干房內部熱風濕度，協調谷物表面水分蒸發和內部水分擴散速度，一定程度上使得谷物籽粒內外部脫水速率一致，有效降低谷物爆腰率增值。采用“混流通風”的烘干方法，確保熱風從多個方向穿過谷物帶走籽粒表面水分，既能提高烘干效率又能確保谷物烘干均勻度。谷物在烘干機體內部采用靜態薄層堆積的方式，則是要求谷物在烘干全過程處于靜止狀態，有效地避免了烘干過程中的各種機械損傷及籽粒間摩擦損失，避免谷物在頻繁循環倒料過程中的粉塵污染。薄層堆積則進一步保障熱風能夠有效穿透谷層，提高烘干效率和效果。烘干全程采用大風量持續烘干的方式，彌補了谷物靜態堆積干燥烘干效率低于循環式烘干的不足，大大地提高烘干效率。保溫房式結構應用，實現了烘干過程中熱風的循環利用，極大地提高熱能利用率，降低了谷物干燥成本。

混流靜態房式谷物干燥機通過混流通風、薄層和大風量等方式提高了烘干效率和烘干均勻度，以靜態堆積的方式有效降低烘干損失率，以保溫控濕來減小谷物爆腰率增值，持續烘干使得烘干全程無緩蘇段，進一步提高了烘干效率。另外，該機最大的亮點在于通過保溫控濕基本解決了谷物干燥多年未解決的內外部同步脫水的問題。

2.2試驗應用

2.2.1稻谷

2017—2019年，混流靜態房式谷物干燥機在陜西省安康市平利電機制造有限責任公司先后進行了23批次同等條件下的稻谷烘干對比試驗，并根據試驗結果對干燥機進行持續改進。試驗通過晾曬、橫流循環立式干燥機和混流靜態房式谷物干燥機3種干燥方法及設備進行干燥爆腰率、破損率、干燥時長和脫水速率等對比，試驗結果如表1所示。

通過表1可知，混流靜態房式谷物干燥機干燥稻谷與橫流循環立式干燥機相比，干燥總時長減小一半左右，脫水速率提高1倍以上；爆腰率和破損率與晾曬級相當，遠低于橫流循環立式干燥機，在采用同等燃料(生物質、煤)條件下，烘干成本更低。

2.2.2雜交水稻種子

種子烘干與糧食烘干的要求不盡相同。種子烘干是要盡可能地保持種子高活力和低破損率，并且實現安全快速干燥。2019年，在袁隆平農業高科技股份有限公司海南東方市、湖南遂寧和武岡市等制種基地進行了雜交水稻種子機械化干制對比試驗。試驗分別采用橫流循環立式干燥機、靜態臥式干燥機、混流循環立式干燥機和混流靜態房式谷物干燥機對晶兩優534、廣兩優1128、夢兩優黃莉占、隆香優華占、Y兩優1928和隆兩優56等品種雜交水稻種子進行了機械化干制效果和效率測試分析。試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，各型烘干機在干燥雜交水稻種子方面其發芽率基本能夠實現與晾曬級相當，然而在干燥效率方面混流靜態房式谷物干燥機明顯優于其他類型干燥設備。

同樣，2019年在隆平高科制種基地，又進一步對混流循環立式干燥機和混流靜態房式谷物干燥機兩種干燥設備進行了烘干成本對比分析，烘干物料選取同等條件下的雜交水稻種子。其對比結果如表3所示。

由表3可以直觀地看到，混流循環立式干燥機與混流靜態房式谷物干燥機在烘干雜交水稻種子中，兩

表2 不同干燥機械干燥雜交水稻種子效率測試

表3 兩種烘干機烘干成本對比

種烘干機單位質量干燥成本基本均在(0.09±0.015) 元kg，單位脫水成本為0.005元(kg·%)。然而值得注意的是，試驗過程中混流循環立式干燥機的燃料為煤，混流靜態房式谷物干燥機的燃料為生物質，而生物質的燃燒熱值低于煤，且單價成本更低。另外，生物質燃料的著火性能優于煤，易于點火，大大縮短了火力啟動時間，其燃燒過程中對大氣污染和鍋爐腐蝕要遠低于煤，而且燃燒后的固體排放量更少更易處置。因此，在實際應用中混流靜態房式谷物干燥機采用生物質燃料進行谷物干燥即可達到其他燃煤型烘干機熱能利用率，更易受到廣大農戶的認可。

2.3客觀評價

混流靜態房式谷物干燥機是在充分研究谷物干燥技術和各類烘干設備基礎上，針對谷物機械化干燥存在的實際問題，在谷物干燥方法和設備結構上進行創新，形成的一種全新的谷物干燥設備。該干燥機在技術性能、使用效果、能源利用和節本增效等各方面均具有更為突出的表現。混流靜態房式谷物干燥機與傳統型烘干機的優勢對比如表4所示。

表4 混流靜態房式谷物干燥機優勢對比

2020年，混流靜態房式谷物干燥機經陜西省農業機械產品質量監督檢測總站進行現場檢測，其干燥谷物的籽粒脫水速率為1.3%h，爆腰率≤0.01%，籽粒破損率≤0.02%；干燥水稻種子的脫水速率為0.9%h；經湖南湘種檢驗檢測有限公司檢測，該干燥機干燥雜交水稻種子的發芽率和破損率與自然晾曬級相當。

3 結論

(1)混流靜態房式谷物干燥機采用保溫房式結構，能夠有效地對谷物干燥全過程進行保溫控濕和熱風循環利用，通過保溫控濕技術能夠快速提高谷物堆體溫度，提高籽粒脫水速率，同樣基本解決了谷物籽粒內外部同步脫水的問題，有效降低了谷物烘干爆腰率增值；熱風循環利用進一步提高了干燥機熱能利率，提高了干燥效率，降低了谷物干燥成本。

(2)混流靜態房式谷物干燥機大風量持續烘干，烘干全程無緩蘇段，極大地提高了谷物的干燥效率，同等條件下谷物干燥周期為傳統烘干機的一半。

(3)混流靜態房式谷物干燥機在烘干過程中谷物基本全程靜態堆積，有效地降低了烘干過程中谷物破損率，也避免了傳統塔式循環機內部谷物籽粒頻繁循環流動帶來的摩擦損傷和粉塵污染。

(4)混流靜態房式谷物干燥機經過與多種類型烘干機、人工晾曬進行多批次的對比試驗，并經相關第三方檢驗檢測機構檢測，其各項性能指標明顯優于同類型烘干設備。