遠紅外糧食烘干設備發(fā)展現(xiàn)狀*

杜元杰，謝煥雄，魏海，顏建春，徐效偉，陳文明

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014； 2. 南京工程學院，南京市，211167)

0 引言

我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)國，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2020年全國糧食總產(chǎn)量達到669 490 kt，其中谷物產(chǎn)量616 740 kt[1]。近年來為保障糧食安全，國家大力發(fā)展糧食烘干產(chǎn)業(yè)，但糧食干燥機械化水平仍較低，不到10%。每年因水分不達貯藏標準而導致浪費的糧食高達總產(chǎn)量的5%[2]。現(xiàn)有的干燥方法眾多，如熱風干燥、真空干燥、微波干燥、冷凍干燥和遠紅外干燥等[3]。

目前市場上主流干燥方式為熱風干燥，其技術(shù)成熟、成本低，但是粉塵污染嚴重、能耗高且無法保證烘干品質(zhì)。

為響應國家節(jié)能減排號召，提高糧食質(zhì)量，越來越多的研究人員和企業(yè)開始將目光投向遠紅外干燥技術(shù)。遠紅外干燥速率快、能耗低且能有效殺死谷物中的蟲卵和霉菌，極大提高產(chǎn)品品質(zhì)[3-4]。遠紅外干燥技術(shù)的發(fā)展對促進農(nóng)業(yè)增效具有重要意義。

本文綜述了近15年紅外干燥技術(shù)及遠紅外烘干機械的相關(guān)文獻，總結(jié)國內(nèi)外遠紅外烘干研究進展；同時探討以石墨烯紅外輻射板為新熱源的柵欄型紅外烘干設備的優(yōu)點，為發(fā)展新材料新熱源提供新思路；最后分析行業(yè)發(fā)展前景，為保障糧食安全，完善綠色烘干體系作出展望。

1 紅外干燥技術(shù)理論及原理

1.1 波長分布與加熱機制

熱傳遞的三種主要方式：傳導、對流和輻射，其中熱輻射一般以電磁波方式進行傳遞[5]。紅外輻射是電磁波的一種，介于可見光和微波之間，波長在0.75～1 000 μm之間。根據(jù)不同的標準，對紅外波長有著不同的劃分，表1描述了目前比較公認的紅外輻射波長分類[6]。

表1 紅外輻射波長分類Tab. 1 Infrared radiation wavelength classification

紅外干燥與傳統(tǒng)的熱風干燥原理不同，如圖1所示，紅外干燥熱量由內(nèi)向外傳導。

(a) 熱風干燥示意圖

當電磁波照射到食物表面時，會導致其內(nèi)部分子運動狀態(tài)發(fā)生變化。在穿透食物材料后，紅外線以60 000～150 000 MHz的頻率振動內(nèi)部分子，從而分子間摩擦而產(chǎn)生熱量[7]，物料內(nèi)部快速升溫。在溫度差作用下，水分由內(nèi)而外傳遞出來，完成干燥過程[8]。

1.2 常見紅外輻射源

日常生產(chǎn)和生活中，常利用電加熱或燃氣發(fā)電機兩種方式產(chǎn)生紅外能量。在電加熱輻射器[9]中，電流通過激發(fā)特定發(fā)射元件產(chǎn)生紅外能量。例如反射型紅外白熾燈(白熾真空燈、充氣燈、鎢鹵素燈等)、石英管紅外發(fā)射器、陶瓷紅外發(fā)射器等都是電加熱原理來產(chǎn)生紅外能量。燃氣紅外發(fā)射器[10]內(nèi)含一個穿孔板(金屬或耐火材料)，穿孔板表面被氣體火焰加熱時，穿孔板溫度升高發(fā)射紅外能量。常見的燃氣紅外發(fā)射器有催化燃氣發(fā)射器、陶瓷燃燒器、直接火焰紅外輻射器、金屬纖維燃燒器和高強度多孔燃燒器。電加熱紅外發(fā)射器的轉(zhuǎn)換效率(78%～85%)高于燃氣紅外發(fā)射器(40%～46%)[7]。目前市場上也多采用電加熱紅外發(fā)射器。

1.3 紅外輻射與各種營養(yǎng)成分之間的關(guān)系

水和有機化合物是食物的主要成分，食物的每種成分都吸收特定的范圍波長。在食品成分中，氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和核酸分別處于3～4 μm和6～9 μm 的兩個強吸收帶中。油脂對紅外輻射的強吸收帶分別位于3～4 μm,6 μm及9～10 μm區(qū)間。糖類對紅外的吸收集中在3 μm和7～10 μm波長范圍內(nèi)。水分對2～12 μm波長范圍內(nèi)的電磁輻射均可有效吸收[11-14]。依據(jù)上述營養(yǎng)成分對紅外輻射的吸收特性，如表2所示，許多研究人員使用波長為2～100 μm 的紅外輻射，即中遠紅外來干燥農(nóng)產(chǎn)品[14]。其中液態(tài)水的寬紅外吸收光譜在干燥食品的過程中起著重要的作用。

表2 食物中主要成分加熱的紅外吸收帶Tab. 2 Infrared absorption bands heated by the main ingredients in food

1.4 遠紅外烘干技術(shù)分類

單一的紅外干燥已成功應用于胡蘿卜、土豆、蘑菇、茄子等多種物料。然而，單獨紅外干燥不適用于熱敏性食品，隨著大眾對產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，單一干燥技術(shù)已經(jīng)難以滿足需求[2]。目前市場上大多采用聯(lián)合干燥技術(shù)，即根據(jù)物料的特性，綜合兩種或多種干燥方式而形成的聯(lián)合干燥技術(shù)。遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)優(yōu)勢突出，其干燥能效高、烘干時間短、干燥后谷物品質(zhì)高、谷物脫水率大且爆腰率低[15]。目前市場上主要有遠紅外熱風干燥、遠紅外真空干燥、遠紅外微波干燥、遠紅外流化床干燥、遠紅外冷凍干燥等多種遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)。

2 國外遠紅外烘干研究進展

國外較早對紅外線進行研究，早在1800年英國物理學家赫胥爾在研究各種色光時，就發(fā)現(xiàn)了紅外線。但直到1938年，紅外光才第一次被使用在工業(yè)領(lǐng)域[16]。

隨著學者對遠紅外線的不斷研究，其應用領(lǐng)域也從工業(yè)領(lǐng)域擴大到農(nóng)業(yè)，甚至醫(yī)療領(lǐng)域。目前，國外文獻對遠紅外烘干理論層面的研究較深，對于干燥模型建立、數(shù)學模擬分析以及最佳烘干工藝等方面研究比較多[17-20]。

2.1 遠紅外干燥模型及遠紅外干燥工藝的研究

國外的遠紅外烘干主要朝著兩方面發(fā)展，其一是對遠紅外烘干過程進行建模分析，包括有干燥模型的建立和數(shù)學建模分析，基于前人大量的數(shù)據(jù)，目前主要有9種常見的干燥模型[21]，如表3所示。除此之外，科學家還根據(jù)不同的物料和烘干方式研究擬合度更高的干燥模型，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎。其二便是對紅外干燥和紅外輔助干燥進行工藝優(yōu)化，尋找最合適的工藝參數(shù)，研究人員對紅外功率、產(chǎn)品厚度、曝光時間、熱源與物料的接觸距離等參數(shù)進行研究，得出最優(yōu)搭配，為產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)提供方案。

表3 常見9種干燥模型的表達式Tab. 3 Expressions of 9 drying models

早在1990年，Dostie等[17]建立厚層多孔物料干燥模型，研究了持續(xù)對流加熱與間歇紅外加熱綜合應用，說明了紅外對流聯(lián)合加熱所用時間比單獨對流加熱縮短50%。2009年，Swasdisevi等[18]對遠紅外真空干燥香蕉片進行數(shù)學模擬分析，得到一個數(shù)學模型來預測含水率和溫度的變化對香蕉片吸收遠紅外能力的影響程度，經(jīng)過驗證，該模型吻合度非常好。2017年，Mitrevski等[19]研究了幾種蔬菜水果遠紅外真空干燥的干燥動力模型，研究表明，Aghbashlo模型對干燥試

2015年，Somkiat等[22]研究了遠紅外干燥對龍眼果皮品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)對比熱風干燥，遠紅外干燥的產(chǎn)品質(zhì)量更好。同年，Rattapon等[23]采用微波真空干燥法(MVD)和遠紅外輻射輔助微波真空干燥法(FIR-MVD)對鮮紅辣椒進行干燥。研究了微波功率、絕對壓力和遠紅外干燥功率等干燥條件對干燥特性和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著絕對壓力的降低，微波功率和遠紅外干燥功率的增加均能加快干燥速率。2017年，Alwi等[24]研究了真空遠紅外干燥對木香葉片顏色變化、元素含量及水分去除效果的影響，得出在溫度為50 ℃，壓力為60 kPa的條件下，干燥過程最佳。2020年，Sakare等[7]對近幾年來對谷物、水果、蔬菜的遠紅外烘干試驗進行評述，歸納了紅外及紅外輔助干燥方法工藝參數(shù)的影響，如表4所示，為遠紅外干燥的研究提供了大量理論依據(jù)。

表4 紅外及紅外輔助干燥工藝參數(shù)的影響Tab. 4 Effect of process parameters of infrared and infrared-assisted drying methods

2.2 國外遠紅外烘干設備現(xiàn)狀

目前國外市場上還是以傳統(tǒng)熱風干燥機器為主，歐洲國家主要以混流式糧食干燥機為主，美國主要采用橫流式糧食干燥機。隨著環(huán)保理念深入人心，綠色節(jié)能的遠紅外烘干設備逐漸進入市場，國外主要是日本、美國等國家對遠紅外烘干機器進行研究[24-26]。

日本耕地面積稀少，推廣的主要是小型烘干機械，其購置成本低，且足以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。自1998年遠紅外循環(huán)式烘干機械開發(fā)出來以后[27]，逐年被大量使用，目前用戶新上的烘干機70%左右都是遠紅外型，也代表了日本烘干機的發(fā)展方向。日本某公司生產(chǎn)了一款遠紅外烘干爐，該裝置采用遠紅外線陶瓷加熱器(PLC-322)作為熱源，通過遠紅外線加熱器和熱吹風進行高效率加熱，使用溫度范圍為40 ℃～230 ℃，精度可達±3.0 ℃。目前已在日本市場廣泛使用，國內(nèi)也逐漸引進。

國外專家對于遠紅外干燥機理的探究較為成熟，很多企業(yè)也投入大量資金生產(chǎn)遠紅外烘干機器。現(xiàn)有遠紅外烘干機械大多采用高溫熱源，耗電量大，存在安全隱患且難以滿足熱敏材料的烘干需求，離批量生產(chǎn)占據(jù)市場主流仍有一定距離。但可以預測，在能源日益緊缺和環(huán)境污染日益嚴峻的情況下，大力發(fā)展高效節(jié)能的遠紅外輻射干燥技術(shù)具有重要意義。隨著研究深入，遠紅外烘干機器勢必成為烘干市場主流。

3 國內(nèi)遠紅外烘干研究進展

國內(nèi)對遠紅外干燥的研究主要集中在三個方面，一是對遠紅外干燥工藝條件的探究，例如李武強等[28]對胡蘿卜遠紅外干燥進行了工藝優(yōu)化得到了超聲頻率、超聲功率及超聲處理時間的最優(yōu)參數(shù)組合；二是對遠紅外干燥機理的研究，多集中在遠紅外干燥過程中對物料內(nèi)部水份遷移規(guī)律的探究[29]，較少涉及遠紅外射線的研究，比如劉宗博等[30]應用低場核磁共振技術(shù)對遠紅外干燥過程中雙孢菇內(nèi)部水分狀態(tài)進行分析，探尋雙胞菇所含3種狀態(tài)水與厚度、干燥溫度的關(guān)系，得出水分遷移規(guī)律；三是遠紅外結(jié)合其他干燥技術(shù)的拓展，比如熱泵-遠紅外聯(lián)合干燥工藝，李哲等[31]利用熱泵遠紅外聯(lián)用技術(shù)對金銀花進行干燥處理，干燥時間較熱泵干燥縮短了52.1%，外觀品質(zhì)及活性成分含量也有所提升。

前兩個方面主要是針對工作機理進行研究，國外對此研究較深，國內(nèi)發(fā)展仍有一定差距；后者則是重點研究遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，為聯(lián)合干燥設備的產(chǎn)生提供技術(shù)支持。針對遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，國內(nèi)專家提出多種烘干方案，目前主要有遠紅外熱風干燥、遠紅外真空干燥、遠紅外微波干燥、遠紅外流化床干燥及遠紅外冷凍干燥等多種方案，各種方案優(yōu)劣分明，針對不同的物料選用合適的聯(lián)合干燥技術(shù)將是研究的重點。下面以遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)為切入點，展開論述各類遠紅外聯(lián)合干燥設備。

3.1 遠紅外熱風聯(lián)合干燥設備

遠紅外熱風聯(lián)合干燥是指將物料通過熱風運輸?shù)竭h紅外輻射段進行烘干。有研究表明，遠紅外對流聯(lián)合換熱是節(jié)能干燥的最佳方法之一[32]。2013年，汪喜波等[33]自行設計并制作了一款直熱式、以電加熱為熱源的紅外輻射與對流聯(lián)合干燥試驗臺，試驗臺采用400 ℃～500 ℃中溫SiC板式遠紅外輻射器作為紅外熱源，其輻射波長約為4.0 μm，輻射器與物料表面距離在50～300 mm之間。試驗表明:在遠紅外輻射與對流聯(lián)合干燥過程中，輻射強度是影響稻谷干燥指標的最重要因素。2014年，劉春山[16]研制一種遠紅外對流谷物干燥換熱效果試驗臺，如圖2所示，該試驗臺利用噴涂紅外材料的不銹鋼換熱管作為紅外熱源，工作時，換熱管加熱至500 ℃以上，發(fā)出紅外射線對谷物進行烘干。研究發(fā)現(xiàn)，遠紅外對流組合干燥不僅利用了紅外線輻射速率高、干燥效果好的特點，而且利用了對流干燥成本低的特點，達到高干燥品質(zhì)和低生產(chǎn)成本的理想效果，但是高溫的換熱管和熱風容易使谷物爆腰，而輻照距離又對干燥效果影響較大，如何協(xié)調(diào)兩者關(guān)系來干燥熱敏材料是一個挑戰(zhàn)。曲文娟等[15]將滾筒催化紅外干燥設備與熱風干燥設備聯(lián)合使用對核桃進行干燥，考察了變溫滾筒催化紅外—熱風干燥處理后核桃油、蛋白結(jié)構(gòu)、多酚的變化，并與單一熱風干燥和恒溫滾筒催化紅外—熱風干燥相比較。最后得出結(jié)論：變溫滾筒催化紅外—熱風干燥可以減緩油脂酸敗速度，改善蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高多酚含量，更有利于保護干制核桃品質(zhì)。2020年，吳敏等[34]研發(fā)一款基于溫濕度控制的紅外熱風聯(lián)合干燥機來干燥面條，該機器采用碳纖維紅外板作為紅外熱源，配備了溫濕度控制系統(tǒng)探究溫度、濕度對面條干燥特性的影響，得到紅外熱風聯(lián)合干燥在干燥溫度60 ℃、相對濕度70%下，面條干燥時間較理想。且紅外熱風干燥方式可以有效彌補單一熱風干燥效率低、速度慢的問題。

圖2 遠紅外換熱管對流組合谷物干燥換熱效果試驗臺

以上研究表明，熱風干燥結(jié)合低能耗和高效的紅外干燥，得到的遠紅外熱風聯(lián)合干燥技術(shù)具有明顯協(xié)同增效的作用，速度優(yōu)于單一干燥，其干燥效果主要與熱源的輻照強度，輻照溫度，輻照板與物料間距，對流空氣濕度有關(guān)。然而針對于熱敏類材料，遠紅外熱風聯(lián)合干燥的效果卻不太理想，若能探索出有效解決方法，遠紅外熱風聯(lián)合烘干設備的研發(fā)勢必更上一層樓。

3.2 遠紅外真空聯(lián)合干燥設備

遠紅外真空干燥是指在真空環(huán)境中利用遠紅外輻射進行干燥，這類裝置主要是通過壓力室使物料處于低壓狀態(tài)，從而降低其沸點，再進行紅外烘干。車興文等[35-36]設計了一款用于冬棗烘干的遠紅外真空干燥設備，如圖3所示，遠紅外輻射加熱裝置主要由三塊陶瓷碳纖維遠紅外加熱板組成，陶瓷包裹在碳纖維遠紅外管表面使其加熱均勻，選用旋片式真空泵，以便保持干燥室內(nèi)無污染且能快速抽出干燥室內(nèi)空氣達到所需真空度。工作時，冬棗片在壓力室內(nèi)處于負壓狀態(tài)，此時棗片中水分沸點降低，在遠紅外輻射作用下，棗片產(chǎn)生內(nèi)高外低溫度差，從而加速棗片水汽蒸發(fā)，完成干燥。

圖3 ZKT-50EB遠紅外真空干燥設備結(jié)構(gòu)簡圖

張衛(wèi)鵬等[37]將碳纖維紅外板加裝在真空脈動干燥裝置中，實現(xiàn)對茯苓丁進行聯(lián)合烘干。研究表明遠紅外真空干燥具有干燥時間短、品質(zhì)好、破碎率低的優(yōu)點，可用于茯苓丁的工業(yè)化生產(chǎn)。趙麗娟等[38]采用真空遠紅外干燥箱對枸杞進行干燥試驗，研究預處理方式、操作溫度、操作壓力對干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)預處理方式對干燥過程、干制品色澤和復水率無明顯影響。潘旭等[39]研究了遠紅外真空聯(lián)合干燥對枸杞子制干效果的影響，發(fā)現(xiàn)遠紅外真空干燥可以有效防止枸杞子氧化變質(zhì)和失色，保存VC、總黃酮和甜菜堿等有效成分。

遠紅外真空干燥技術(shù)與其他干制方式相比，具有如下優(yōu)勢：干燥效率高、干燥產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)能環(huán)保、適用性廣等。由于干燥借助內(nèi)外壓差和水分梯度差完成，無外力損傷，因而熱質(zhì)傳遞效率較高，干制品品質(zhì)極高[35-38]。真空遠紅外干燥技術(shù)經(jīng)常應用于藥用植物的干燥，不過其在果蔬、木材和醫(yī)療化工類產(chǎn)品中均可適用，適用范圍較廣[39]。盡管遠紅外真空干燥方法具有節(jié)能增效的優(yōu)勢，但干燥室壓力的調(diào)控受物料類別、狀態(tài)所限制，干燥參數(shù)難以確定。基于物料狀態(tài)變化，實現(xiàn)干燥參數(shù)的自適應調(diào)控將是未來亟需解決的問題。

3.3 遠紅外微波聯(lián)合干燥設備

微波是波長大于紅外線的電磁波，同樣也是傳熱類輻射干燥。與紅外線相比，微波具有更強的滲透性，可以干燥較難去除水分的果蔬產(chǎn)品，采用先遠紅外再微波的干燥方式可以確保產(chǎn)品水分更低。唐凌[40]發(fā)明了一種節(jié)能的智能紅外微波干燥器，如圖4所示，該機器主要利用一個智能紅外微波管實現(xiàn)熱源切換，工作時，耐熱皮帶運輸物料通過機架上端的紅外微波裝置，此時紅外微波管發(fā)出紅外線或微波對物料進行干燥。該機器可以有效縮短干燥時間，降低物料含水率。何勝生[41]運用遠紅外—微波技術(shù)烘干地瓜干，發(fā)現(xiàn)先利用遠紅外線烘干地瓜干至含水率30%以下，然后改用微波，將地瓜干水分控制在15%以下，可以有效降低能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì)。劉正懷等[42]使用加裝了SiC條瓦狀紅外輻射板的WEG-600A型微波爐干燥香菇，發(fā)現(xiàn)遠紅外干燥與微波干燥合理搭配，可以使干燥過程平均失水速率變高，干燥能耗降低。司旭[43]利用紅外微波干燥技術(shù)烘干覆盆子，發(fā)現(xiàn)采用聯(lián)合干燥的樹莓復水率和脆度優(yōu)于單一干燥技術(shù)。

圖4 節(jié)能的智能紅外微波干燥器

微波—遠紅外聯(lián)合干燥可揚長避短，充分利用兩者干燥的特點，使得遠紅外聯(lián)合干燥優(yōu)于單一干燥技術(shù)。對于需要極低含水率或較難失水的物料，遠紅外微波聯(lián)合干燥是極好的選擇，應用于果蔬干燥機前景廣大。

3.4 遠紅外流化床聯(lián)合干燥設備

流化床干燥技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型干燥技術(shù)，其工作過程是將散狀物料置于孔板上，通過在下部輸送氣體引起物料顆粒在分布板上運動，使物料顆粒與氣體產(chǎn)生混合底層，兩者充分接觸進行物料與氣體之間的熱傳遞與水分傳遞[44]。流化床憑借其優(yōu)良的傳熱特性以及處理固體粒子的優(yōu)秀能力，一直被廣泛應用于干燥領(lǐng)域中。遠紅外流化床就是將遠紅外熱源當作流化床的熱源，以實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的雙贏。

顏建春等[45]研發(fā)的一款基于石墨烯遠紅外加熱的流化床干燥機如圖5所示。該裝置在傳統(tǒng)熱風流化床基礎上改制，將熱源改為石墨烯遠紅外輻照板，工作時，濕物料進入流化床干燥器中，在風機輸送空氣流的作用下呈流化懸浮狀態(tài)。待物料填充完畢，干燥腔內(nèi)的輻照板組對物料進行加熱，使物料水分由內(nèi)而外遷移，最后隨氣流離開。干燥過程中溫濕度傳感器和風速傳感器不斷反饋信號，從而調(diào)節(jié)機械工作狀態(tài)。干燥稻谷時較傳統(tǒng)流化床干燥器相比，該裝置可以有效提高整精米率，大幅減少淀粉糊化，縮短干燥時間。

圖5 基于石墨烯遠紅外加熱的流化床干燥機

3.5 其他遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)設備

除了上述紅外干燥設備，紅外干燥還常與冷凍干燥結(jié)合使用[46]。冷凍-遠紅外聯(lián)合干燥可以縮短干燥時間、減少能源消耗。無論是采用紅外干燥技術(shù)進行預干燥還是后續(xù)處理，都可以縮短凍干時間。與單一冷凍干燥相比，紅外線冷凍干燥的能耗更低。不同遠紅外干燥技術(shù)的對比如表5所示，各種聯(lián)合干燥技術(shù)都有其優(yōu)劣，選擇適當?shù)募夹g(shù)滿足物料的需求才是重中之重。

3.6 國內(nèi)烘干設備現(xiàn)狀

國內(nèi)糧食烘干技術(shù)研究起步較晚，20世紀90年代以來才逐漸建立起完整的糧食烘干體系[47]。目前我國糧食干燥設備以低溫橫流循環(huán)烘干機為主，干燥原理為熱風干燥，干燥速率、能效相對較低。為了提高干燥效率和生產(chǎn)率，減少環(huán)境污染，越來越多的研究人員和企業(yè)開始使用遠紅外干燥技術(shù)。近年來，臺灣某公司生產(chǎn)的循環(huán)紅外線烘干機和日本獨資某公司開發(fā)的紅外線烘干機，在國內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。無錫某公司生產(chǎn)了一款RVF-700型遠紅外線烘干機，工作時物料被熱風送至干燥箱，干燥腔中的遠紅外線發(fā)射體發(fā)射遠紅外線對物料進行加熱，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)加熱溫度和熱風速率，從而滿足不同物料的需求。

表5 不同遠紅外干燥技術(shù)的對比Tab. 5 Comparison of different far infrared drying technologies

這兩個企業(yè)產(chǎn)品進入國內(nèi)市場，帶動了國內(nèi)企業(yè)紅外干燥機的研發(fā)與競爭，從而帶動了南方優(yōu)質(zhì)節(jié)能糧食烘干機械化技術(shù)的發(fā)展。在其影響下，越來越多新興企業(yè)從國內(nèi)各地涌出，例如東莞某公司研發(fā)了一款遠紅外隧道式烘干爐，如圖6所示，該機器采用遠紅外線電熱管進行加熱，可以根據(jù)印刷品及印刷用油墨種類的不同自動調(diào)整溫度及速度，實現(xiàn)對板材過油、面板噴涂后流水烘干、產(chǎn)品上油墨烘干等多種用途。

圖6 遠紅外隧道式烘干爐

我國遠紅外烘干設備研發(fā)起步較晚，技術(shù)尚不成熟，因此還未大面積推廣。遠紅外糧食烘干裝置目前存在的問題主要在兩個方面：一是工藝的配套使用，不同物料所需要的工藝參數(shù)各不相同；二是遠紅外熱源的安全性問題，多數(shù)紅外熱源都需要將溫度升到500 ℃ 以上發(fā)出遠紅外線，這使得工作環(huán)境存在安全隱患。攻克這兩大難點，遠紅外設備的普及指日可待。

4 石墨烯熱源的特點及烘干優(yōu)勢

遠紅外糧食烘干設備有著諸多的優(yōu)點，但是由于目前市場上大多采用高溫熱源進行烘干，糧食輻照時間短、瞬時強度大，對一些熱敏物料，會產(chǎn)生爆腰率高、產(chǎn)品品質(zhì)差等問題，無法完全發(fā)揮紅外干燥的優(yōu)勢。目前市場上亟需一種低溫紅外發(fā)射技術(shù)(發(fā)射源表面溫度≤60 ℃)，紅外發(fā)射體與糧食充分接觸以提高干燥品質(zhì)、效率，降低生產(chǎn)成本，同時避免糧食干燥中出現(xiàn)明火和煙氣排放，實現(xiàn)糧食加工中烘干環(huán)節(jié)的綠色生產(chǎn)。石墨烯材料可以很好的解決這個問題，為遠紅外糧食干燥機械的研發(fā)提供新思路。

4.1 石墨烯的紅外特性

單層石墨烯是自然界中一直存在的材料，但是直到2004年才被英國物理學家Andre和俄國物理學家Konstantin成功從石墨中提取出來[48]。自發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯材料就引起了國內(nèi)外研究者的極大興趣。近年來，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能在低功率密度的電力驅(qū)動下高效發(fā)射遠紅外線，其電熱轉(zhuǎn)換效率高于99%，在遠紅外光譜頻率范圍內(nèi)的發(fā)射能量占其全部發(fā)射能量的90%以上，如圖7所示，這種優(yōu)良的電熱特性使得石墨烯替代傳統(tǒng)熱源成為可能。

圖7 石墨烯與人體發(fā)射遠紅外波段圖

據(jù)國家紅外中心報告，石墨烯不僅擁有優(yōu)異的電熱特性，還對人體健康有著促進作用，石墨烯發(fā)射的遠紅外波長范圍5～15 μm，強度集中在9～10 μm，石墨烯發(fā)射的遠紅外波段與人體自然遠紅外波段完美切合，可以較好滿足人體健康需求[49]。

同時石墨烯發(fā)射的遠紅外線位于對人體健康最有益的一段遠紅外區(qū)間波段，又稱為生命光波[7]，如圖8所示。由圖可以說明，石墨烯輻射對于促進人體健康發(fā)育有著正向作用。石墨烯材料屬于綠色健康的優(yōu)秀材料，用于烘干領(lǐng)域既不會造成污染也沒有安全隱患，有著良好的發(fā)展前景。

圖8 太陽光分類

4.2 石墨烯材料的優(yōu)勢

石墨烯材料作為低溫遠紅外發(fā)射源，在糧食烘干領(lǐng)域有著顯著優(yōu)勢，其可以與糧食充分接觸發(fā)揮紅外輻射特點，如表6所示。

表6 高低溫紅外輻射源優(yōu)勢對比Tab. 6 Comparison of the advantages of high and low temperature infrared radiation sources

市面上已出現(xiàn)使用碳材料作為遠紅外發(fā)射元件的谷物烘干機，如圖9所示[3]，其工作時谷物沿著烘干機內(nèi)部的遠紅外輻射板的導流槽自然下滑，在谷物下滑同時，遠紅外輻射板發(fā)出遠紅外線進行谷物加熱干燥。得益于石墨烯在低溫下即可發(fā)射遠紅外線的特性，石墨烯柵板式遠紅外烘干機具有烘干體量大、烘干質(zhì)量好和烘干效率高等優(yōu)點。

根據(jù)研究，石墨烯遠紅外干燥機比傳統(tǒng)熱風干燥機節(jié)能30%左右；其采用的柵板結(jié)構(gòu)，可以在板間存留大量物料，增加了干燥體量；低溫遠紅外線能從谷物內(nèi)部和表面同時開始加熱，較為均勻地加熱能有效減少谷物因外層失水過快而造成的爆腰和龜裂等缺陷，保持物料的完整性[3]。以石墨烯加熱板為熱源的新型遠紅外烘干設備具有如此多優(yōu)點，且符合環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的需求，其在糧食烘干市場勢必有著不俗的競爭力。

圖9 石墨烯遠紅外谷物糧食烘干機剖面示意圖

5 總結(jié)與展望

遠紅外干燥技術(shù)是一種高效節(jié)能的技術(shù)，其在糧食烘干、果蔬干燥等領(lǐng)域都有著不俗的發(fā)展前景。本文通過對遠紅外輻射機理進行歸納，總結(jié)了國內(nèi)外近15年來對遠紅外干燥技術(shù)及糧食烘干設備的研究，梳理了幾種干燥模型、不同工藝參數(shù)的影響因素以及國內(nèi)研發(fā)的各類聯(lián)合烘干裝置。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于遠紅外烘干技術(shù)都有著深刻的研究，但由于技術(shù)原因遠紅外烘干機械的普及始終未能實現(xiàn)。國外研究側(cè)重于干燥模型的建立、數(shù)值分析及工藝優(yōu)化等方面，其裝備機械主要是日本等國進行生產(chǎn)研發(fā)，以小型烘干機械為主；國內(nèi)則是在工藝優(yōu)化、水分遷移規(guī)律研究的同時，探索遠紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，實現(xiàn)多種技術(shù)的優(yōu)勢互補，裝備機械主要以是臺灣、無錫等地區(qū)研發(fā)的循環(huán)紅外線干燥機為主。隨著節(jié)約能源和綠色環(huán)保理念的普及，遠紅外干燥技術(shù)的研究有著極其重大的意義[50]。

展望未來，遠紅外糧食烘干設備的發(fā)展方向主要有兩方面：一是聯(lián)合干燥技術(shù)的應用，目前主要有遠紅外熱風干燥、遠紅外真空干燥、遠紅外微波干燥、遠紅外流化床干燥、遠紅外冷凍干燥等多種方案，兼顧高效和節(jié)能的遠紅外聯(lián)合烘干技術(shù)可以充分發(fā)揮兩種干燥方式的優(yōu)勢，提高性價比和產(chǎn)品品質(zhì)；二是環(huán)保型烘干機的研發(fā)及清潔熱源的使用，傳統(tǒng)紅外熱源危險且無法滿足熱敏材料的烘干，近年來新材料如石墨烯輻照板等新熱源的使用，給市場注入了新的活力，其可以大大提高干燥品質(zhì)、效率，降低生產(chǎn)成本，同時避免糧食干燥中出現(xiàn)明火和煙氣排放，實現(xiàn)糧食加工中烘干環(huán)節(jié)的綠色生產(chǎn)，綜合可知新技術(shù)革新和新材料探索是未來烘干領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。