斜床式種子干燥機適用性分析與干燥工藝優化

許才花,韓長生,佟 童,高東航,彭 博,武維昭,李 震

(黑龍江省農業機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

種子是農業種植業的重要基礎資源,種子的品質直接影響農作物的產量和產出品質,對于農業經濟效益和社會效益影響很大。處理工藝對種子加工的質量影響很大,對于大部分的農作物種子,其收獲后的含水率通常在35%～45%之間,含水率在此范圍的種子很容易產生發芽或發霉,需要進行干燥處理才能避免出現以上問題。因此,通過干燥機對種子進行處理,使其含水率降低至14%左右,是種子優質處理的重要評定因素。

現代化的種子批量處理過程對于干燥機的技術選擇類型選擇要求很嚴,傳統的機械烘干技術占地面積大、工作效率較低,多應用于糧食烘干,不能完全滿足種子烘干的技術要求。斜床式種子烘干機整合了傳統臥床式烘干機的技術特征,并與現代化的新型節能技術、流化床技術相整合,為保證烘干質量、提高烘干效率提供了有效保證。

1 種子干燥基本原理

現階段的種子干燥機的烘干原理與大部分谷物烘干機類似,烘干過程主要采用兩種原理,一是通過能源設備給種子加熱,使種子達到合理溫度,種子受熱后外表面首先升溫,使種子外部溫度顯著高于內部溫度,由于整體溫差的影響,會產生熱擴散現象,使水分隨熱源方向由高溫處移向低溫處;二是通過干燥的空氣流動保持種子周圍環境持續干燥,種子表面的水分率先被蒸發,種子整體水分失去平衡,由于表面含水率和內部含水率的差異性影響,種子水分產生濕擴散現象,使水分由含水率高的部位向含水率低的部位轉移。無論是種子產生熱擴散還是濕擴散,其內部的水分均不斷向表面轉移并不斷散發到周圍環境中,因此,為保持種子內部水分在最佳的條件和效率下散失,應保持合理的種子溫度并使空氣的含水率盡可能低[1-2]。

因此,種子干燥的過程可以理解為種子與外界環境之間的濕熱交換過程,要保證種子內部的水分不斷擴散到外部環境中,在烘干技術的角度來看,最好要保持恒定溫度的空氣持續在種子附近流動,避免空氣介質因種子擴散產生的水分而產生飽合,使干燥環境與種子之間在達到干燥目標之前始終保持穩定的含水率差,這是保證種子穩定且快速干燥的基本條件。在此過程中,種子的溫度控制十分重要,既要保證水分散失的熱效率,還要避免因溫度過高造成種子營養成分損壞或活性降低[3]。

2 斜床式種子干燥機

斜床式種子干燥機是一種結構簡單的干燥設備,與傳統的平床干燥機結構類似,其糧層平鋪的方向與水平地面呈一定角度,這種結構形式有利于縮小烘干機的占地面積,同時能在一定程度利用水平方向的干燥氣流,提高熱風利用率。斜床式種子干燥機主要利用干燥的熱空氣為介質,通常將空氣加熱升溫至40 ℃左右后,利用風機驅動熱空氣形成氣流,穿過斜床孔板與糧層持續接觸,糧層厚度通常在35～40 cm范圍,根據不同的種子類型,干燥時間也存在一定差異,大部分谷物種子干燥可在12～14 h完成,大豆等難于干燥的種子通常是16～18 h完成干燥[4]。斜床式干燥機在一定程度改善了平床干燥機的干燥不均勻問題,使上下層糧食的水分差異控制在3%左右,在一定程度避免了過度干燥或局部過濕問題。且整機維護保養便捷、建設成本低,受到農業從業者的青睞。

3 適用性分析

從現階段種子烘干設備的實際應用來看,斜床式種子干燥機具備良好的應用優勢,其對大部分種子的適用性較好,其應用特點主要表現在以下幾方面。

3.1 應用優勢

首先,斜床式種子干燥機的斜度可以根據烘干種子特性或實際需要進行自由調節,進而實現對種子在斜床上停留時間的調整,利用簡單的結構調整就能實現對烘干效率和最終含水率的調節,從而對難干燥或易于干燥等不同各類種子的良好適用性。

其次,斜床式種子干燥機整體結構相對簡單,與臥床式種子干燥機的技術特征類似,但生產能力相應增強且占地面積減小,物料流動性更好。整體的建設成本和占地面積相對更低,生產過程的成本投入和維修投入也相應降低。

再次,將斜床式結構與流化床技術相整合,與普通臥式流化床烘干設備相比,其熱傳導系數明顯增強,種子之間的熱效率效率顯著增加,最佳熱傳導系數可達5 000～7 000 W·(m3·℃)-1,可實現在更小的空間內處理更大的物料。此外,與傳統的機械結構相比,斜床式種子干燥機對于氣流的接受面積更大,干燥的過程相對更容易,也間接使干燥機的能耗有所降低。

3.2 不足之處

由于采用了斜床式的結構,會導致在烘干種子的過程中存在以下問題。第一,對于形狀規則的圓形或橢圓形種子在斜床結構上受到重力的影響會存在一定的聚堆或返混問題,導致局部位置的種子烘干質量不均勻,出現部分未干燥的種子隨輸送裝置一同排出烘干室之外;第二,對于表面含糖量較高或易于黏結的種子適用性不好,由于斜床結構會造成種子局部粘結成塊,或種子粘結在烘干設備表面而造成堵塞;第三,由于烘干效率較高,對于部分穩定性不好的種子不適用,易造成種子在烘干過程中出現爆裂變形等損壞問題;第四,若采用斜床干燥結合流化床技術,對于種子的大小存在一定的限制,通常顆粒大于6.5 mm或小于2.5 mm的種子烘干質量會有所降低。

4 干燥工藝優化

4.1 種子特征分析

盡管農作物種子的類型、體積、外形及內部結構存在一定的差異性,但從烘干的角度來看,其與內部水分散失相關的特征大致相同。

首先,種子內部的水分主要可分為兩種類型:一種是與種子中的糖類、蛋白質、磷脂等緊密結合在一起的水分,這部分水分與其它物質結合成膠體的形式存在,占比相對較低,稱之為結合水,在烘干過程中通常不會蒸發;另一種是以溶劑的形式存在的游離水,其功能是維持種子必須的一系列生命流動,保持種子的新陳代謝,在干燥處理的過程中,游離水很容易擴散到周圍的環境中,隨著游離水含量的減少,種子的新陳代謝逐漸降低,有利于種子內部養分和活力的保持[5]。

其次,種子中的含水率與周邊的環境均存在明顯的影響關系,在干燥的環境中,種子的含水率會逐漸降低,但在潮濕的環境中種子也很容易吸濕回潮。此外,若環境溫度較高,種子內部的水分運動更為活躍,水分散失效率相應提升。反之,環境溫度較低時,種子內部的水分運動不活躍,種子內部水分不易散失。

再次,對于大部分種子而言,必須將其含水率控制在14%以下,此時種子內部的游離水已經基本散失,而種子的貯藏能力達到最佳,但由于作物各類的不同,其實際的安全貯藏含水率也不相同,這主要是種子的化學成分和生態結構影響導致的。此外,部分種子本身貯藏性能不佳,對于烘干的要求就更嚴格,部分烘干技術的精確性可能達不到此類種子的烘干要求。

4.2 干燥流程優化

4.2.1 主體流程

斜床式種子干燥機的工作流程如圖1所示。烘干機內部的工作流程為預熱→勻速干燥→緩蘇→冷卻四大步驟,此外還包括烘干前的種子預處理、種子輸入及烘干后種子排出。

圖1 種子干燥流程

4.2.2 種子預處理

干燥前種子的品質對于干燥后種子的品質有直接影響,因此,在進行種子干燥前應做好前期種子預處理工作。首先,要保證種子的清潔,對種子進行除塵處理,并通過機械篩分結合人工挑選去除種子中混雜的石子、秸稈等雜質,去除已經破損或發霉的種子;其次,去除種子表面附著的水,通過振動輸送過程去除清潔過程種子表面粘附的水。確認種子品質達標后,可進行干燥處理。

4.3 種子干燥

種子干燥的主要目的是促進游離水的全面蒸發排出,并保留全部的結合水,干燥工藝可從以下幾方面進行優化。

4.3.1 干燥邏輯優化

首先,應充分結合播種種子的類型特點,分析種子的物理化學特性,根據干燥過程種子的水分蒸發性能進行歸類。需要考慮以下的關鍵參數:1)內部水分擴散速度。通常與種子表皮結構關系密切,內部水分擴散快,例如,小麥、玉米等禾本科種子單次(小時)烘干含水率可降低4%～5%,烘干的循環過程可進行簡化;大豆、水稻等種子內部水分不易擴散,單次(小時)烘干含水率僅降低0.5%～1%,烘干需要進行多次重復的干燥、緩蘇過程才能達到干燥目標。2)確定烘干的最佳溫度。種子干燥機應具有多種烘干溫度可選,根據不同種子的失水邏輯和耐熱性,進行分度分類,分析種子籽粒的淀粉成分、脂肪成分、籽粒尺寸等參數,充分考慮干燥過程內外壓力情況,避免出現種子爆裂等損失問題。3)確定最佳氣流流速。通常情況下,氣流流速越高,烘干的效率越高,同時更有利于將濕度較高的空氣帶離烘干室,確保烘干過程保持最佳的相對濕度差。4)做好各項參數之間的協同。對于熱敏感的種子,應采用低溫大風力的烘干模式;對于常規種子,在保持谷粒內部水分擴散速度與其表面蒸發速度相一致的墻體下,可將熱風溫度盡量設置到接近最高溫度。

4.3.2 傳統工藝優化

應重點從以下幾方面進行優化:1)提升預熱效率。預熱過程對于整體的烘干效率影響較大,通常情況下,預熱是對種子層進行初步升溫,使種子達到水分蒸發轉移的溫度條件的過程,在此過程中種子內部水分含量變化很小,使干燥的啟動階段。為進一步提高效率,可將此階段與種子輸入烘干倉的階段相整合,一方面提前開啟增溫模式,使烘干倉內保持良好的初始溫度,另一方面在送入種子的過程同步開啟熱風干燥功能,在種層逐漸增厚的過程中實現一定程度的升溫。2)加強干燥參數監測。當種子層的干燥速率達到穩定狀態,應對種子的水分蒸發速度進行傳感器監測和數據預判,及時判定干燥速度由等速向減速的轉變接點,此時適當降低溫度并增加熱風風速,配合內部水分則向表面轉移,并利用監測數據判斷后期的循環重復干燥次數,并對后期干燥邏輯進行修正。3)當種子含水率達到緩蘇標準后,必須及時進入緩蘇堆放階段,促進種子之間和種子內外部溫度均衡傳遞,使種子內部和表層的水分含量趨于平衡,緩蘇階段應持續監測含水率變化情況,作為判斷是否進入冷卻階段的數據依據。4)在傳統通風冷卻技術基礎上,將風機與傳感器建立聯動,盡量保證降溫過程的均勻性,通常情況下,冷卻過程種子含水率變化較小,降低幅度不超過0.5%。

5 結語

綜上所述,斜床式種子干燥機應進一步與現代化的控制技術、監測技術相結合,利用優化干燥控制流程促進干燥質量、干燥效率的提升,實現傳統機型的優化升級。除在控制邏輯及工藝上進行優化外,還應充分考慮種子在干燥過程的狀態,斜床式的結構在一定程度降低了種子重力對種層的壓實問題,有利于熱氣流通過種層,促進氣流與種層的全面接觸,提高干燥后種子的均勻性。