我國糧食烘干倉儲技術裝備研究應用現狀與趨勢

何豪杰,張銀平,,龔魁杰,李蘊慧,萬 鑫

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255049;2.山東省農業科學院作物研究所,濟南 250100 ;3.淄博博大鋼板倉有限公司,山東 淄博 255000 )

0 引言

糧食安全是國家重大戰略,尤其是在當前疫情全球爆發、極端天氣頻現和國際形勢緊張的大背景下,更應該“把飯碗端在自己手里”。長期以來,提高糧食產量是農業不斷追求的目標。我國糧食產量已實現十八連增,但損失嚴重,每年在儲藏、運輸、加工環節的糧食損失量達350億kg以上,全產業鏈總損耗率約為12%[1],在糧食持續增產難度越來越大的情況下,減少損失成為增加產量的重要措施。烘干是糧食生產全程機械化的最后環節,也是薄弱環節,烘干設備利用率低,區域烘干能力不平衡,糧食烘干率不足10%;倉儲作為糧食產后減損的關鍵未得到足夠的重視,農戶儲糧設施簡陋、缺少科學儲糧知識等問題突出,每年因為晾曬方式不當及存儲等因素造成蟲害、鼠害、霉變、發芽,糧食損失在5%左右[2]。2021年9月10日,國際糧食減損大會召開,山東省出臺《糧食減損行動方案》并開展糧食減損行動[3],明確提出“廣泛開展糧食清理、烘干、儲存等服務,實施綠色倉儲提升行動,開發綠色儲糧新型設備,積極推動農戶科學儲糧。”因此,分析烘干倉儲裝備的研究應用現狀,提高烘干倉儲機械裝備的技術水平,對增加糧食產量、保證糧食安全具有重要意義。

1 烘干倉儲機械發展概述

1960～1990年,我國糧食烘干機經歷了仿制國外產品到研制適合國情的中小型產品的過程,使農村經濟和生產力得到快速發展[4]。進入21世紀,國內開始大面積流轉土地,農業規模化經營,糧食集中收獲,對烘干設備的需求激增;2015-2017年期間達到鼎盛時期,生產烘干設備的企業達400多家,但規模較小,缺乏核心技術,研發能力薄弱,缺乏競爭力。此后,烘干機行業走下坡路,現有烘干機械功能單一、效率低、成本高、利用率低等仍是其發展的弊端[5]。

我國的倉儲機械技術在新中國成立初期處于空白狀態,大多是寺廟改造的簡易倉庫[6]。20世紀50-60年代,隨著國家糧食部科研機構的成立,糧倉機械研究開始起步,借鑒前蘇聯的建倉經驗,確定了蘇式糧倉為我國的標準倉,后來以實現儲糧的某一環節機械化作業為主,對糧食輸送、入倉、上囤等作業進行試驗。20世紀70年代,糧倉機械處于科技成長期,移動式輸送機在此時期研發量最多,被廣泛應用在糧食出入倉,能夠實現專業化規模化生產,同時研發出糧食出倉機和灌包機。20世紀80年代,糧倉機械開始有序發展,糧倉機械的研究主力轉入研究院所、大專院校和生產企業,研究重點由平房倉轉為立筒庫、鋼板倉,同時開發了配套的斗式提升機、埋刮板輸送機、網帶式初清篩等[7]。20世紀90年代,倉儲機械技術進入研發成熟期,重點建設機械化糧庫和糧食流通設施,完成了250億kg倉容的中央糧庫[8],并配有糧情檢測系統。21世紀后,隨著土地規模化流轉,大型的農業經營主體對糧倉的需求越來越大,原來主要應用于面粉廠、飼料廠、糧食收購組織等的大型鋼板倉開始應用于新型農業經營主體,且糧倉機械技術隨著科技的發展進入了持續進步階段,糧倉機械已經從大型糧倉的建設工作轉移到對糧倉技術的精細化研究和提高儲糧品質上,并研發出與糧倉新發展相匹配的新技術和新裝備,部分大型鋼板倉內配有了日趨完善的成套自動化系統,從進出倉系統經過干燥系統、料位系統進入倉內,內部有測溫系統和通風熏蒸系統,最后還能夠通過糧情智能監控系統實時顯示鋼板倉內糧食的溫度變化[9-10],讓管理更加高效,儲糧品質有了保障。

2 烘干倉儲技術研究現狀

2.1 烘干機

依照谷物流向與熱空氣流的方向,烘干機可分為橫流式、順流式、逆流式和混流式4種。橫流式干燥方式中,糧食的溫度和水分可以在糧食流動方向和高溫空氣流動方向上改變,稱作二維干燥,如圖1(a)所示。順流式和逆流式只能改變谷物流動方向上的溫度和水分,故稱為一維干燥,如圖1(b)、(c)所示。混流式則是結合橫流、順流、逆流的優點,將其相互結合的一種干燥方式[11],如圖1(d)所示。

圖1 糧食干燥方式Fig.1 The method of grain drying

2.1.1 橫流烘干機

橫流式糧食烘干機是我國最早引進的機型之一,工作時糧食從儲糧段逐漸流向烘干段,通過對空氣加熱使熱空氣橫穿梁柱[12]。橫流式烘干機制造簡單,成本低,效率高,主要結構是圓柱或者是方塔狀篩孔結構,糧食干燥不均勻,單位熱量消耗大,無法干燥多種谷物,作業品質很難達到要求,內外篩孔需頻繁清理。

2.1.2 順流式烘干機

順流式糧食烘干機大部分是塔式結構,烘干作業時物料和熱氣流運動方向相同,濕物料與高溫低濕熱氣流接觸,熱交換急劇,干燥速度快;隨著物料與熱氣流在烘干機內前進,物料水分逐漸減少,溫度逐漸升高,在接近卸料端時熱氣流的濕含量和相對溫度增大,氣體溫度已降低,此時干燥速率已很慢,故能保證熱敏性強的物料的烘干成品的外觀與品質[13]。順流式烘干機最高段溫度可達200℃,降水幅度可達10%～15%,單位熱量消耗少,生產率較高,適合對含水量大的谷物和種子進行干燥[14];但結構復雜,導致順流式烘干機在制造成本上比混流式更高,且如果烘干的糧食層較厚,需要較大的風機功率。

2.1.3 逆流烘干機

逆流式糧食烘干機作業時熱風和糧食的流動方向相反,潮濕的糧食從上喂入往下流動,熱風從底部往上,穿過糧食層從上部排出,流到底部接近烘干好的高溫低濕物料與高溫低濕空氣接觸,而上部剛進入烘干倉的高濕物料與低溫高濕空氣接觸,糧食干燥較均勻;但烘干效率低、降水幅度小,只適合初水分含量不高的物料干燥。因此,單獨使用純逆流烘干機的較少,一般結合混流式烘干機以提高干燥能力[15]。

2.1.4 混流烘干機

混流式糧食烘干機一般為塔式結構,為了提高烘干性能多采用三角或者五角盒交錯排列[16]。烘干時,谷物不是連續暴露在高溫氣流中,而是受高低溫氣流的交替作用,故糧食烘干后品質好,裂紋率和熱損傷相對較少,糧食和種子均能烘干,又易于清潔不易混種;但是其結構復雜,產能相同下成本較高[17]。

無論采用什么干燥方式,保證烘干均勻性、提高烘干效率及減少能耗是烘干領域的研究重點。姜志富[18]等人發明了分區順逆流糧食烘干機,采用倒正八棱錐設計,糧食向下均勻流動,依次經過高溫區、中溫區、低溫區,中溫和低溫烘干區用順流烘干,最后通過冷卻區排出,解決了糧食堵塞和烘干不均勻的問題。董邦超[19]等人發明了循環式糧食烘干機,在烘干箱的底部安裝了提升裝置,可將落在底板上的糧食進行提升,使其再次對糧食進行烘干,以保證烘干的均勻性。為了降低橫流式烘干機的能耗,張仲欣[20]等人設計了一種左右倉串流的谷物烘干機,一倉為低濕糧食烘干,另一倉為高濕糧食烘干,熱風在穿過地濕糧層后溫度仍較高再穿過高濕糧層,從而實現節能。黃若忱[21]通過增加換熱管數量增加換熱面積,在塔內各個風段設置導流板,以達到降低能耗的目的。

在糧食烘干的過程中,水分、溫度的檢測和控制是實現干燥均勻性的關鍵及影響烘干糧食品質的主要因素。蔡有杰[22]等人設計了順流式烘干機水分檢測和控制系統,在對塔內糧食水分有效檢測的同時,保證了烘干溫度在安全溫度之內,在排糧口控制排糧的轉速來控制烘干的時間。針對烘干塔中熱風不規律、非線性且控制滯后的缺陷,郭利進[23]等人對利用Smith自適應控制算法代替傳統PID控制器,對滯后進行補償,并提出了一種自適應積分滑模面,用以消除誤差和抖振,為糧食溫度控制提出了一種新的方法。駱恒光[24]等人設計了水分自動檢測烘干機,糧食從入料口進入緩蘇段,經紅外輻射均勻預熱,進入閃蒸干燥段和逆混流干燥段干燥,然后經水分檢測合格則排除干燥機,不合格再由底部排糧裝置和提升機送至塔內,循環干燥,為設計優質高效節能的干燥裝置提供了參考。

2.2 倉儲機械

我國糧食倉儲一般為平房倉、地下糧倉和鋼板倉。其中,平房倉容量大,儲藏種類廣,但隔熱性能差,容易受潮,導致糧食發霉,產生蟲害;從地窖發展而來的地下糧倉,具有儲糧效果好、低溫節能的優點,但建倉易受地形、地貌的影響,存在容積小、占地面積大、機械化程度低等問題,限制了地下糧倉的推廣應用。近年來,鋼板倉由于耗材低、裝配簡單,儲糧過程機械化程度高等優點逐漸成為新型農業經營主體的儲糧選擇。鋼板倉的型式主要分為以下4種[25]:

1)鉚接式:這種鋼板倉是由6～12mm的鋼板用鉚釘連接而成,但由于設計理論、材料技術不成熟等原因,導致鉚接式鋼板倉的倉容小,雖然連接之后強度較高,但消耗時間,制造效率低,規模小,推廣起來較為困難,現已被淘汰。

2)焊接式:隨著焊接技術的積極發展,焊接鋼板倉應運而生,所采用的鋼板的厚度一般為4～12mm。焊接倉庫牢固,單個倉庫容可以用萬噸來衡量。焊接鋼板倉具有氣密性好、倉壁較厚的特點[26],可以用于港口等有鹽類腐蝕的地方,使用壽命通常長達50年。這種倉應用廣泛,維護成本低,建設速度快,運轉效率高。

3)薄壁倉:通常見到的主要是螺栓裝配式波紋鋼板倉。波紋板是輥壓法逐次成型,內應力小,成品質量好。大多數板材由鍍鋅板制成,經過機械沖孔,穿插高強螺栓連接形成裝配倉體。這種倉環保、組裝方便、質量輕、成本低;不過,當內外溫差較大時會發生結露,應配備相應的測溫系統,且密封性能不足,使用壽命通常在30年左右,儲存量可達1000t/倉。裝配式鋼板倉是用較薄的波紋板作為倉壁,雖然減少了用鋼量,但是也帶來了倉壁容易失穩損壞的問題。

4)螺旋式鋼板倉(利浦倉):該技術是從德國引進的,將展平的板材卷到所需弧度,咬邊機將上下板材咬制成一個整體,達到所需高度之后切割并吊離,移動到所需位置,下落倉體與預埋件連接。倉體外有螺旋型的咬合凸邊,加上內壁上下對稱加筋肋,能較好地保證倉的高強度、剛度和穩定性。咬邊由機械完成,不需要人力投入,制作時間短,設計樣式簡潔,制作工藝巧妙,糧倉密閉性好。

在對糧食倉儲機械的優化中,鋼板倉壁的承載能力是鋼板倉研究的重點。鋼板倉組合剪力墻是一種新型的抗側力結構,由兩側的鋼板和中間支撐的圓管組成,并在其空腔內裝填混凝土。郁有升[27]等人對該結構內的圓管支撐數量、軸壓比、含剛率和高寬比進行建模分析,分析得出其具有較高的承載能力和變形能力。

2.3 烘儲一體機

現有的烘干設備多為塔式烘干機,功能單一,設備投資大、利用率低,且現有的倉儲機械主要功能為糧食儲存,兼有通風功能,無烘干功能,高濕糧食無法直接入倉,增加了晾曬或烘干成本,也增加了產后損失。烘儲一體化技術可實現高濕糧食就倉干燥,減少產后晾曬損失、防止鼠害、節約設備投入,是今后烘干倉儲技術裝備的發展趨勢。閆文璽等人[28]設計了小麥智能烘干倉儲一體機,能夠對蠟熟期含水率為20.38%的小麥進行就倉干燥,并定期通風儲藏,具有明顯的減損效果。李浩權[29]等人以熱泵干燥機在工作時既產生熱量又產生冷量為基礎,以熱量輸出對稻谷進行烘干,用冷氣對稻谷進行低溫儲藏,實現了烘干倉儲一體化,減少了稻谷的晾曬環節。

3 儲糧中霉變、蟲害防治方法

在儲糧過程中,霉變和蟲害是降低糧食品質的主要原因,控制糧倉溫度和使用殺蟲技術是解決霉變和蟲害的主要途徑[30-31]。

3.1 糧倉控溫技術

目前,糧倉控溫技術主要包括隔熱、通風和制冷補冷等。其中,隔熱技術一般通過在外倉面涂刷反光隔熱材料[32]、內倉面粘貼聚苯乙烯泡沫板或PEF隔熱板使糧堆密閉,或在倉頂噴涂聚氨酯發泡層隔熱、在糧堆的表面采取蓋壓密閉的方法降低外界高溫對糧倉溫度的影響,有效控制糧溫的上升[33]。機械通風技術是目前儲糧倉中普遍使用的控溫技術,通過風機和通風管道給糧倉定期通風,將糧食的熱量帶走,達到降低糧溫的目的。但是,機械通風控溫能力有限,尤其是夏季高溫季節,如果想達到低溫或準低溫狀態,只靠機械通風并不能達到想要的溫度環境,這就需要制冷技術來對糧食進行降溫并維持一定的低溫狀態。制冷技術包括空調、制冷機組和谷物冷卻機[34]。夏季主要是靠空調和谷物冷卻劑對糧食補充冷源,降低糧溫;冬季向糧倉內部通入外界冷風,維持糧倉低溫狀態;當外界溫度升高時,糧堆表層溫度會上升,內部的溫度會維持在較低的狀態,則可利用內環流技術將冬季糧倉內部的冷氣通過管道進行氣流循環,保持整體的低溫狀態,主要的技術有整倉環流控溫技術、膜下環流控溫技術以及局部環流控溫技術[35]。

3.2 殺蟲技術

殺蟲處理主要有化學、物理處理方法和生物防治方法。

化學方法主要是化學熏蒸殺蟲,是我國糧食倉儲行業常用的害蟲治理技術。熏蒸的載體絕大多數以化學藥品(如磷化氫、溴甲烷)為主[36]。白春啟[37]通過在高大平房磷化氫熏蒸方法的基礎上,通過風機的進出口調換改變熏蒸方向,優化硫化氫熏蒸工藝,達到較好的殺蟲效果。但是,由于磷化氫毒性大、溴甲烷破壞環境,該工藝將逐漸被淘汰[38],無毒無害的熏蒸方法成為當前綠色儲糧的研究重點。陸馳宇[39]提出八角茴香油的主要成分茴香腦對赤擬谷盜有極好的熏蒸效果;山東省農業科學院的張守娜[40]等發現植物精油中的肉桂精油和牛至精油對小麥存儲期間抑制真菌的效果最好;程昉[41]等人用牛尾蒿、灰苞蒿、紅足蒿、白蓮蒿和華北米蒿揮發油對煙草甲和嗜卷書虱進行趨避活性試驗,表明這5種植物揮發油對倉儲害蟲居于明顯的趨避作用。為了減少植物精油無效揮發延長有效期,洪鑫發[42]等人用異佛樂酮二異氰酸鹽和二乙烯三胺為膜材,研制了含有植物精油的微膠囊,顯著提高了植物精油的藥效持久期。

相比于化學熏蒸技術,物理殺蟲是無毒無害的綠色殺蟲技術,包括氣調殺蟲、臭氧殺蟲、控溫抑蟲、真空技術及微波殺蟲等[37]。充氮氣調是通過調節倉內的氣體濃度改變倉內有害生物的生存和繁殖條件,一般是將氮氣濃度調節到96%左右,將氧氣的濃度調節到3%左右[43],這種濃度下的倉內氣體環境已經破壞了倉內有害生物的生存和繁殖條件(如害蟲霉菌等),能有效達到防治效果,且其環保安全,因而成為國內外倉儲害蟲防治領域的研究熱點。臭氧對于倉儲害蟲也具有良好的防治效果,目前臭氧熏蒸殺蟲也有廣泛應用。相關研究指出[44-45]:在臭氧濃度為120×10-6的環境條件處理24h即可將玉米象殺死,在此條件下處理45h即可將赤擬谷盜完全致死。孟憲兵[46]利用臭氧環流熏蒸方式對糧食進行殺蟲滅菌處理,能將玉米象、谷蠹、赤擬谷盜、銹赤扁谷盜等全部殺死,具有較好的殺蟲效果。低溫防控是將倉內的環境溫度調節到一種對害蟲和霉菌生存造成影響甚至可以將其殺死的溫度條件,并且能保障在對糧食品質沒有影響的條件下對害蟲進行防治,從而達到安全倉儲的目的[47]。張會娜[48]指出,害蟲的生存和活動狀態會隨著溫度的下降而受到抑制。溫度低時會產生休眠,當低溫狀態超過害蟲的冷卻點時則會將害蟲體內的水分析出,進而殺死害蟲。同樣,高溫環境也對防治害蟲有著顯著的效果。鐘建軍[49]指出,高溫瞬間加熱后,會對煙草甲的幼蟲、卵、蛹和成蟲都會產生不利影響;李葦[50]指出,當以較快的速率(0.5℃/min)將倉內溫度從46℃上升到52℃時對殺死玉米象有著顯著的效果,而以較低的速率(0.1℃/min)升溫時效果則明顯有所減弱,因為對空氣進行較低速率加熱時玉米象會產生適應性,從而降低了殺蟲效果。微波殺蟲同樣具有殺蟲效果好、能耗低、無殘留污染物等優點。王殿軒[51]指出,在微波320W的條件下25s能將赤擬谷盜的成蟲和幼蟲100%殺死, 800W條件下25s可將赤擬谷盜的卵殺死。

4 糧情監控技術

糧情數據主要包括了倉內溫濕度與外界環境溫濕度的監測、倉儲糧食數量檢測、氣體濃度檢測及倉內自動通風控制等[52]。曹磊[53]在對糧情數據進行分析整合的基礎上,研發了電腦智能數據分析系統,通過對數據進行智能分析給出符合糧食儲藏的建議,節省了時間,減少了由于人為判斷準確性低而引起的糧食倉儲損失。陳龍[54]對圖像化儲糧糧情智能分析系統進行了研究,通過電腦軟件進行編程,建立分析模型,對糧情數據進行分析;通過圖表將數據整合比對,對糧食儲藏情況進行合理的預測,對不合理的數據進行預警,及時控制以避免損失。糧情檢測技術能通過直觀的表格數據了解到糧情演變的過程,減少人工分析數據的難度和誤差,為糧食的倉儲作業提供了準確性的分析,提高了效率,增強了人機交互性。師亞祥[55]設計了一種糧倉檢測智能管理平臺,糧倉信息監測終端采集數據,通過ZigBee無線網絡發送到本地的數據采集主機匯總,采集主機通過RS232數據端口與無線匯總節點通信,數據經過處理后存儲到SQL Server數據庫中。糧倉遠程監控平臺主要由云服務器和云數據組成,可以為管理者提供人機交互界面和數據查詢。

目前,除國家儲備糧庫和較大的糧食收購代儲機構在糧情檢測上應用了信息化管理技術外,糧情監控技術在一般農業經營主體的糧倉中還未普及,仍然依靠肉眼統計霉變和鼠害、蟲害等,工作效率低,每年因為霉變、鼠害、蟲害沒有做出及時處理而造成大量糧食損失。

5 結論

隨著土地的規模化流轉,農業合作社、家庭農場等新型農業經營主體成為我國農業生產的主力軍,而糧食集中收獲帶來的晾曬和儲藏問題制約了新型農業經營主體的發展[56],故解決烘干和倉儲技術問題對促進農業規模化生產、應對氣候變化、減少糧食損失和保證糧食安全等方面具有重要的意義。通過對糧食烘干和倉儲機械裝備以及安全儲糧技術現狀的分析可知:當前糧食烘干技術與裝備相對成熟,混流式烘干機是目前烘干機械的主流機型;鋼板倉在新型農業經營主體中也有部分應用,但單一功能的烘干機或鋼板倉投資高、利用率低;儲糧過程中的霉變、鼠害、蟲害的預防和糧情檢測技術在國家糧庫、大型糧食收購代儲機構應用較多,在新型農業經營主體中應用相對較少,新型農業經營主體的糧食烘干倉儲損失仍然嚴重。因此,發展智能、多功能的烘干倉儲一體化設備或烘干倉儲設備群組,應用綠色高效的安全儲糧方法提高設備的利用率、減少糧食損失是解決新型農業經營主體安全儲糧的發展方向。