植入式苜蓿草捆熱風干燥系統的研究

胡亞強， 苑亞， 楊魯偉， 章學來， 邱少鵬， 于馨堯

（1.中國科學院理化技術研究所，北京 100190； 2.上海海事大學商船學院，上海 201306）

苜蓿（Medicago sativaL.）是一種經濟價值高、飼草品質優良且生態適應性強的豆科類優質牧草，主要分布在我國華北和西北地區，如甘肅、新疆、內蒙古、寧夏等地[1?2]。因我國地理環境問題，苜蓿在自然晾曬過程易遭受露水侵蝕，甚至雨水浸泡，導致干草的品質得不到保障[3?4]。在晾曬過程中，葉片的干燥速率要高于莖稈[5]，導致田間作業過程中葉片的碎裂和脫落，而葉片營養成分高，其損傷造成干草品質的降低[6]。2020 年我國苜蓿草種植面積達到233.45 萬 hm2[7]，但優質干苜蓿的產量僅約360 萬 t，而優質干苜蓿的進口量達135.81 萬 t[8]。因此，優質苜蓿干燥技術的研究具有重要意義。

針對田間干物質損失大和營養成分保持率低的問題，楊世昆等[9]提出了濕法收獲工藝，并對一定含水率的草捆進行太陽能熱風干燥試驗，使牧草品質損失率低于2%。錢珊珠等[10]認為，太陽能熱風干燥可以提高草捆的干燥速度并減少營養成分損失，當空氣溫度每提高10 ℃，干燥速率可以提升10%~15%。Roman等[11]對圓形草捆干燥設備進行研究和模擬，認為草捆的均勻性是影響干燥效率的關鍵因素。Khalid 等[12]認為，在正向割草、反向翻草和正向打捆作業時，苜蓿干草質量最好，其干物質和粗蛋白質損失最低。李海龍等[13]通過5HY-Ⅱ熱風實驗平臺試驗結合神經元網絡模型預測，提出小方捆的最佳的干燥工藝是熱風溫度70 ℃，風速1.5 m·s-1。目前，濕法收獲路線的研究主要應用于小草捆和圓捆，均存在高密度及密度不均勻而導致干燥不均勻和干燥速率慢的問題。

為了提高密度不均勻草捆的干燥速率，本文基于牧草烘干裝置[14]研發了一種植入式熱風干燥系統，并將苜蓿草捆作為試驗材料進行了熱風干燥試驗，通過分析干燥過程中草捆內溫濕度變化、能量利用效率、熱量分布、品質變化及能耗，以探討出較優的苜蓿植入式干燥工藝，為濕法收獲草捆的干燥和加工提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1試驗材料 紫花苜蓿刈割于甘肅省酒泉市肅南縣明花鄉前灘村種植基地，3 年期，處于第1 茬的初花期，株高均在700~800 mm。草捆尺寸1 800 mm×1 200 mm×900 mm，其密度和平均含水率分別約為275 kg·m-3和27%。

1.1.2試驗設備 植入式草捆熱風干燥系統主要由生物質熱風爐、離心風機、柴油內燃機及植入式干燥機等組成，如圖1所示。生物質熱風爐作為熱源，為干燥系統提供熱空氣；離心風機為干燥系統內部空氣的流動提供動力，由柴油內燃機驅動。植入式干燥機主要是由上下料平臺、導向立柱、液壓系統、帶孔針刺風管、風管導向板等結構組成，如圖2所示。

圖1 植入式熱風干燥系統的流程Fig. 1 Flow of implantable hot air drying system

圖2 針刺植入式烘干機Fig. 2 Acupuncture implantable dryer

1.2 試驗儀器

溫濕度變送器購自北京昆侖海岸傳感技術有限公司，其溫度和濕度量程分別為-40~120 ℃和0~100% RH，準確度分別為(±0.5) ℃和（±2%）RH；熱電偶PT-100（量程：-50~100 ℃）購自北京昆侖海岸傳感技術有限公司；Agilent 數據采集器（Keysight 34972A)購自Keysight Technologies 有限公司；UTi-165A 紅外熱成像儀購自合肥匯聯電子有限公司；牧草取樣器購自青島拓科儀器有限公司；SN-SH-10A 鹵素燈水分測定儀購自上海力辰科儀有限公司；工業電子秤（量程600 kg）購自中國凱豐集團電子秤有限公司；近紅外（near infrared, NIR）分析儀（NIRSTM DS2500，波長范圍為400~2 500 nm）購自瑞典福斯有限公司。

1.3 干燥試驗

2021 年5 月26 日，在甘肅省酒泉市肅南縣明花鄉某工廠對苜蓿草捆進行植入式熱風干燥試驗。在試驗前后對草捆進行稱重，并在試驗過程中，對草捆的含水率、品質、空氣溫濕度及內部溫度進行測定。品質和含水率的測試采取隨機多點定量取樣法[15]。采用鹵素測水儀測定物料含水率，基于烏蘭察布市的易馬飼草檢測實驗室的近紅外（NIR）分析儀NIRSTM DS2500 檢測樣本品質。

試驗過程：選取3 個苜蓿草捆作為樣本，并進行稱重和取樣；在草捆布置測試傳感器，具體的布置方式如圖3 所示，對草捆內部工況參數進行實時監測，將針管插入草捆內部，并將約3 000 m3·h-1熱風輸送到每個草捆內部；每隔10 min 對每個草捆進行取樣和標記，以備后續的含水率和品質檢測，同時用熱成像儀測試草捆內溫度分布；干燥結束后，對3 個草捆進行稱重，并對草捆進行拆包，觀察草捆內部的干燥情況。

1.4 數據測定及處理

1.4.1空氣絕對濕度 參照下列公式計算空氣絕對濕度。

式中，ρv為空氣絕對濕度，g·m?3；φ為相對濕度，% RH；ρs為同溫度下飽和空氣的絕對濕度，g·m-3。

1.4.2熱效率 熱效率用于描述干燥過程中熱風被草捆吸收的熱量與輸入熱量的比值，其計算公式如下。

式中，η為熱效率，%；qi為草捆進口空氣的熱量，kW;qo為草捆出口空氣的熱量，kW。

換熱量q的計算公式如下。

式中，c為空氣比熱容，kJ·kg-1·℃-1；m為空氣的質量流量，kg·s-1；△t為與環境溫差，℃。

根據質量守恒定律，若不考慮干燥過程中水分蒸發對空氣質量流量的影響，可認為草捆進出口空氣的質量流量相等。將式（3）帶入式（4），可得出熱效率。

式中，η為熱效率，%；ti為草捆進口空氣溫度，℃；to為草捆出口空氣溫度，℃；t為草捆溫度，℃。

1.4.3品質指標 總可消化養分（tatal digestive nutrition， TDN）和相對飼喂價值（relative feed value，RFV）根據試驗檢測的酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）計算所得，其公式分別如下。

式中，RFV 為對苜蓿中干物質的消化吸收的綜合評價指標，ADF 為ADF 含量，%；NDF 為NDF含量，%。

1.4.4苜蓿干草等級分類 參照下表對苜蓿干草進行等級分類。

1.4.5數據處理 利用軟件Origin2018 對試驗數據進行了處理與分析。

2 結果與分析

2.1 干燥過程中草捆含水率變化

在試驗過程中，草捆的平均含水率如圖4 所示?？梢钥闯?，草捆的平均干燥速率變化較小，基本處于恒速干燥階段；較高平均含水率草捆的干燥速率相對較大，但增量甚微。經過40 min 干燥加工處理，草捆的平均含水率從26.75%降到12.13%，草捆的平均含水率均滿足安全水分（14%）的要求。

圖4 干燥中草捆含水率變化Fig. 4 Change of moisture content of bale during drying

2.2 溫濕度分布

2.2.1草捆表面出風溫濕度變化 圖5 展示了干燥過程中1#草捆出口空氣的溫度和相對濕度的變化，可知在約30 ℃、20% RH 環境工況及90~100 ℃、2%~3%RH 熱風工況的條件下，草捆3 個測試點的空氣相對濕度均呈現降低趨勢，其平均值從約89%降低約45%，而對應的溫度則呈現略微升高的趨勢，其平均值從35 ℃升高到41 ℃。在干燥過程中，草捆出口空氣溫度僅比環境溫度高10~15 ℃，可知熱風中熱量用于加熱和干燥草捆，提高了出口空氣的相對濕度，相對環境工況其值提高了30%~50%。在干燥過程中，草捆3 個面中心的溫濕度變化趨于基本一致，可知草捆各個面干燥的基本保持一致。在干燥結束后，出風溫度基本在40 ℃左右，相對濕度在45%左右。

圖5 1#草捆表面出風溫度和相對濕度變化Fig. 5 Change of air outlet temperature and relative humidity on the surface of 1# bale

圖6展示了干燥過程3 個草捆的溫濕度變化曲線，可知在相同的試驗工況下，3 個草捆的干燥變化趨勢相同。隨著干燥時間推移，草捆出風溫度逐漸增加，其均值從38.22升高到51.81 ℃，而其絕對濕度逐漸降低，其均值從34.31 降低到24.50 g·m-3。在干燥前期，3個草捆出口的絕對濕度降低速率較大，隨著干燥的推移，其降低速率逐漸緩慢，可知在干燥前期草捆干燥速率降低速率較大，隨著干燥進行，其變化的速率逐漸降低。

圖6 不同草捆同一位置溫濕度變化Fig. 6 Temperature and humidity change of different bales at the same position

2.2.2草捆內部的溫度分布 圖7 顯示了干燥過程草捆內部溫度變化趨勢，草捆內部溫度呈現逐漸升高趨勢，這與出口空氣溫度的變化趨勢一致。在干燥過程中，相對于草餅間物料，草餅內物料的溫度要略微偏高，且隨著干燥加工其差值越來越大。這可能是由于草餅內物料雜亂無章，導致其空氣流通阻力偏大。溫度與離草捆上表面的間距呈負相關關系，其隨著干燥進行兩者的差值越來越大。這可能是由于草捆表面物料沒有受捆綁約束，導致其氣流阻力較小。

圖7 1#草捆內部溫度變化Fig. 7 Internal temperature change of 1# bale

2.2.3熱效率變化 圖8 為1#草捆干燥過程中不同位置的熱效率變化趨勢，可知在干燥前期各個位置的熱效率均保持恒定（其均值約92%），隨著干燥進行熱效率呈現降低趨勢，其中各個面中心位置的熱效率的均值從約92%降低到80%，這主要是由于隨著物料中水分蒸發，草捆吸收熱量的能力降低，從而導致能源利用效率緩慢降低。

圖8 草捆熱效率變化Fig. 8 Thermal efficiency change of straw bale

2.2.4干燥過程中草捆的溫度分布 由圖9 可知，隨著時間推移，熱風由針刺風管附近逐漸向其之間的物料擴散，針管附近物料的高溫范圍逐級擴大，在干燥40 min 后，草捆內部溫度均顯著提高，但仍有極少地方的溫度相對偏低。這主要是由于草捆內部存在含水率較高的物料，其導致密度相對較大，這也是濕點存在的原因。因此，在草捆密度相對均勻的條件下，該系統可實現熱風的均勻分布及草捆的均勻干燥。在干燥10 min 后，針管附近物料溫度就接近熱風溫度，因此干燥周期不易過長，否則將導致針管附近物料過度干燥和“碳化”。

圖9 干燥過程中草捆溫度分布Fig. 9 Bale temperature distribution during drying

2.3 干燥對草捆品質的影響

為研究干燥加工對苜蓿品質的影響，對干燥加工前后草捆和自然晾曬草捆進行品質檢測，具體結果見表2。經干燥加工處理，物料的粗蛋白（crude protein，CP）、酸性洗滌纖維（ADF）、中性洗滌纖維（NDF）及相對飼用價值（RFV）等參數變化甚微，可知干燥加工對物料的營養成分影響甚微。而相對于自然晾曬，熱風干燥可以顯著提高苜蓿品質，其CP 和RFV 分別相對提高了10.98%和19.72%。根據美國苜蓿干草質量檢測指標及分級標準（表1），在干燥前后草捆均處于優質級，而自然晾曬后的苜蓿干草處于普通級。因此，經干燥加工苜蓿的品質相對提高2 個等級，且熱風干燥加工對牧草的品質影響甚微。

表1 美國苜蓿干草質量檢測指標及分級指南［16］Table 1 American alfalfa hay quality inspection indicators and grading guidelines［16］

表2 不同方式干燥前后的指標測量Table 2 Index measurement before and after drying in different ways

2.4 干燥對草捆品相的影響

將干燥后的草捆拆開，發現草捆大部分都已經被干燥，達到安全含水率，葉片保存完整，葉片呈現翠綠色。但部分區域存在少許含水率較高的濕點，這是由于草捆內部存在含水率過高的苜蓿，導致在相同作業壓力下草捆密度存在局部過大的情況，這與Román 等[11]所報道的一致。但在經植入熱風干燥加工處理后，針管會在草捆內部形成氣流通道，有利于草捆內部的通風和散熱，在貯藏時可以避免草捆霉變和腐爛。

2.5 運行成本

為評價植入熱風干燥設備的經濟性，對該系統的運行成本進行了分析。該系統的生物質燃料、柴油和電能的總費用分別為53.0 元、134.6 元和20.1 元，合計207.7 元。草捆的干燥出水量如表3 所示，總除水量為234 kg，可知處理1 kg 水分的加工成本約為0.89元。

表3 草捆質量變化Table 3 Bale mass change（kg）

3 討論

本文采用濕法收獲工藝，對植入式草捆干燥機進行熱風干燥試驗研究，通過分析干燥過程中草捆內溫濕度變化、溫度分布、熱效率、品質變化及加工成本等參數，以解析植入干燥機的性能。

植入式干燥機可在40 min內將苜蓿草捆含水率從約26%降低到安全含水率（<14%）。相對于前人報道的干燥系統[9,11]，該系統的干燥周期分別降低了76.9%和84.6%，顯著提高了草捆的干燥效率。在干燥過程中，干燥熱效率基本處于80%以上，該系統的針刺處理增加了熱風與物料的接觸面積，并將熱空氣均勻分布到草捆內部，提高草捆的干燥速率和熱效率。植入式熱風干燥加工對苜蓿的品質影響甚微，干燥苜蓿葉片保存完整并呈現翠綠色，且其品質顯著優于自然晾曬的苜蓿草捆，其可極大地保留苜蓿營養價值，并減少環境因素和田間作業對苜蓿品質的破壞。