掛面干燥工藝能耗分析

魏益民 王振華，2 于曉磊 武 亮王 杰 張影全 張 波 郭波莉

(中國農業科學院農產品加工研究所；農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室1, 北京 100193) (北京工商大學北京食品營養與人類健康高精尖創新中心2，北京 100048)

干燥是掛面生產的重要工藝過程，是控制生產成本的主要單元，也是目前工藝過程自動化遇到的關鍵技術問題。掛面干燥的目的是使產品的水分含量達到安全儲藏要求。掛面干燥工藝能力影響產品的產量、質量和效益。掛面干燥工藝受干燥設備、被干燥物料的理化性質、產品目標特性和操作參數影響。當掛面干燥設備、干燥對象、產品目標設定后，干燥特性受介質溫度、濕度、風速、以及物料比表面積等因素影響[1-5]。因此，在保證產量和質量的前提下，分析干燥工藝的關鍵控制點，提高熱能利用效率，減少污染物排放，是生產企業和環境管理部門關注的主要問題[6]。

目前，生產上使用的掛面干燥工藝及設施按烘房結構和掛面移動方式可分為索道式、隧道式和改良索道式。20世紀80年代，掛面生產企業規模均較小，多為單線生產，主要采用索道式烘房。20世紀末，為滿足企業提高產量、減少烘房空間的要求，業界設計了隧道式烘房或多排隧道式烘房[2,7-10]。由于環境保護政策對企業使用能源的要求，生產者對掛面干燥成本的考慮，業界對兩種烘房熱能效率差異的系統分析要求日漸提高。

近年來，作者團隊和掛面制造及設備制造企業合作，對兩種烘房的產量、質量、損耗、能耗，以及操作穩定性和簡便性做了測試比較。本文以掛面制造企業生產線為調查和測試對象，采用定性和定量分析相結合的方法，分析干燥工藝過程的關鍵控制點；研究掛面干燥過程熱能利用效率；討論了3種形式掛面干燥烘房的特點；為掛面干燥工藝及設備的優化設計提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

樣品為企業生產用面粉制造的掛面，或烘房生產線上的掛面。樣品經現場取樣后，在企業實驗室測定含水率。

1.2 設備

DHG- 9140A電熱恒溫鼓風干燥箱, Perten DA7200谷物質量近紅外分析儀, 179A-TH智能溫濕度記錄儀, Kestrel 4500便攜式氣象儀, Testo 875-2i紅外熱像儀。

1.3 方法

測試在河北金沙河面業集團沙河廠區和南和廠區生產車間實施。測試生產企業同時使用的3種掛面干燥生產線，連續3 d為一個測試分析單元。具體測定產品含水率、掛面產量、失落率；采用智能溫濕度記錄儀、便攜式氣象儀、紅外熱像儀等設備，在線測定干燥過程環境氣象要素；分析和評估單位產品能耗。對測試期間供熱鍋爐使用的燃煤進行稱重計量，折算成標準煤耗(煤耗kg/掛面T)。

2 結果分析

2.1 干燥工藝的類型及結構

目前，生產上使用的掛面干燥工藝及結構按烘房結構和掛面移動方式可分為索道式烘房、隧道式烘房和改良索道式烘房[6,9,11,12]。

索道式烘房為單一空間，空間干燥介質控制參數基本一致。掛面上桿后，為單排運行模式，依靠鎖鏈拉動，從一側入口進入烘房，在空間內做“蛇型”往復移動；從另一側的出口出烘房，進入切斷工序(圖1a)。

隧道式烘房為單一空間，空間干燥介質控制參數不同。掛面上桿后，以單排或數排并列的形式，依靠鎖鏈拉動，從一側入口進入烘房，在空間內做“直線型”移動，從另一側的出口出烘房，進入切斷工序(圖1b)。

改良索道式烘房為相對隔離的多個空間，空間干燥介質控制參數不同。掛面上桿后，以單排或兩排的形式，依靠鎖鏈拉動，從一側入口進入第一空間；在第二空間內做“蛇型”往復移動；然后進入第三空間；最后從出口出烘房，進入切斷工序(圖1c)。

干燥工藝能耗分析和過程優化是提升企業生產效率的重要環節。目前，由于工業實驗和工業現場測試操作的艱巨性，在線測定設備的局限性，以及設備制造企業能力的限制，至2013年前，有關3種掛面干燥工藝、干燥過程的溫度、濕度、風速、排風量變化，及熱能利用效率等企業關心問題，無論學術界還是產業界，都缺少較為系統性的在線定量分析結果或公開報道，給掛面企業的烘房設計，或類型選擇帶來不確定性或難度。

2.2 干燥工藝的關鍵控制點

通過對索道式、隧道式掛面干燥烘房干燥過程掛面含水率檢測，對干燥環境氣象因子的在線監測(179A-TH智能溫濕度記錄儀、Kestrel 4500便攜式氣象儀)，關鍵控制因子含水率的逐步回歸，以及關鍵控制點的分析驗證，結果表明，主干燥結束時的掛面含水率是掛面干燥工藝控制的關鍵點，如3種掛面干燥烘房示意圖所標注的實線箭頭位置(圖1)；該點掛面的含水率應控制在≤(18.0±0.5)%[11,12]。實驗室掛面干燥動力學研究也支持該結果[1,3,4-6]。依據此結果設計的改良索道式掛面干燥工藝，其干燥工藝控制的關鍵點也為主干燥結束時段。這說明研究結論具有普遍性。而且，改良索道式掛面干燥工藝還具有很高的穩定性、工藝忍耐性和易操作性。這一烘房設計已在產業上得到應用和驗證。另外，該研究結果可以用一個關鍵控制點控制干燥整個過程，必將大大減少干燥烘房自動控制的檢測探頭，也將極大地節省檢測設備和管理投入。

2.3 干燥設備類型的能效分析

利用生產企業2003年至今使用的多種類型掛面干燥工藝和設備，借助179A-TH智能溫濕度記錄儀、Kestrel 4500便攜式氣象儀、Testo 875-2i紅外熱像儀等儀器設備，初步對不同類型掛面烘房，或改進型烘房的產量、損耗、能耗，以及操作穩定性和簡便性做了定量或定性測定，初步揭示了掛面烘房類型的能耗特點和能耗差異[6]。例如，以企業2013年投產的1000型掛面生產線改進型隧道式烘房(2排130 m)和原隧道式烘房(5排60 m)作比較，前者產量增加了22.81%，比煤耗降低了17.94%，掛面干燥落桿損耗降至3‰以下(見表1)。在此基礎上，依據實驗室對掛面干燥動力學的研究結果及新的認識，對同一條生產線進一步優化后，再次測定結果顯示，產量在原基礎上又增加了20.10%，比煤耗再次降低了6.62%，干燥時間縮短了12.50%(見表2)。

注：虛線箭頭表示掛面的運動方向或軌跡，實線箭頭為關鍵控制點參考位置。圖1 3種掛面干燥烘房示意圖

表1 隧道式烘房改造后的產量和能耗效率分析

技術參數舊烘房(60 m)新烘房(130 m)差值比例/%煤耗/kg/d1 2801 290100.78掛面產量/t/d38.4047.168.7622.81比煤耗/kg/t33.3327.35-5.98-17.94除水量/t/d9.1010.571.4716.15有效熱耗比例/%66761015.15單位除水量煤耗/kg/kg0.140.12-0.02-14.29

表2 優化前后的產量和能耗效率分析

依據掛面干燥動力學和不同烘房的能耗分析結果，本課題組提出了改良索道式烘房的設計思路。在付諸于工業生產后，明顯地提升了干燥工藝的穩定性和易操作性，解決了干燥過程易出現 “酥面”的現象。該烘房可利用中溫干燥條件，使用地源熱泵、空氣能熱泵，或太陽能作為補充能量，也能達到較高的干燥產量[13]。同時，干燥時間顯著縮短，產品質量明顯提升。對此，以掛面最終含水率14.5%為標準，僅給出工業現場測試和實驗室初步研究的定性結果(見表3)。

表3 不同掛面干燥工藝及結構性能比較

3 討論

SB/T 10072—1992《掛面生產工藝技術規程》從烘房的結構出發，給出了掛面干燥烘房區域劃分的區間概念(預干燥區、主干燥區、完成干燥區)，及各區間相應的技術參數[14]。陸啟玉[2]論述了掛面的干燥過程，從掛面的干燥特性出發，將掛面的干燥過程分為三個階段：預備干燥階段，主干燥階段(依序又分內蒸發和全蒸發階段)，最后干燥階段；并系統介紹了各階段的工藝控制要求、參數范圍、注意事項，及易發生的質量缺陷等。這些技術、規程和概念對促進我國掛面工業化生產發揮了重要作用，至今仍具有現實指導意義。通過研究證實，掛面干燥過程“三段論”劃分有其干燥過程溫度傳導、水分運移規律和工業控制需求的實驗數據支撐；從干燥時段可分為預干燥階段(0～30 min),主干燥階段(31～180 min),最后干燥階段(181～240 min至300 min)[1,3-5]。另外，最后干燥階段的起點應以目標含水率確定[11,12]。由于新設計的掛面干燥生產線預干燥階段相對濕度可以保證在85%以上，主干燥階段相對濕度可以達到或接近飽和狀態，理論上完全可以保證掛面干燥過程對空氣濕度的要求。因此，沒有必要額外增加補充干燥濕度的外部設備。

多種類、多次烘房干燥特性監測結果均證明，主干燥結束時的掛面含水率是掛面干燥工藝控制的關鍵點，其含水率應≤18.0%。這是因為，進入最后干燥區時，干燥速率趨于穩定，掛面內部的水分主要以均勻擴散傳遞方式運動，加熱的作用十分有限；只有逐漸降濕度和溫度，保持適量的風速，才能逐步降低水分，達到目標含水率。索道式烘房不設干燥區間，隧道式烘房設計的干燥區間難以實現物理隔離，這些都給間歇式干燥或不同區間設計不同的干燥參數帶來工藝控制或操作方面的困難。然而，根據實驗數據設計的改良隧道式掛面烘房則很好地兼顧各自的優缺點，很好地解決了主要矛盾或問題。

日本學者研究了溫度和濕度對日本烏冬面干燥動力學特性的影響[15]。歐美學者研究了溫度和濕度對意大利面干燥動力學的影響[16,17]。中國學者研究論了溫度、濕度、原料特性等對中國掛面干燥動力學的影響[1,3,4]。然而，要實現干燥工藝控制過程的智能化，首先是設計合理的干燥烘房結構，確定干燥工藝的關鍵控制要素和關鍵控制點；其次是實現溫度濕度與掛面在線含水率測定結果的聯動控制，以及掛面在線含水率監測設備穩定性和環境耐受性。而對掛面干燥動力學、熱力學的系統研究和認識，是干燥工藝智能化的基礎和前提[18,19]。目前，生產上干燥設備的非封閉性，干燥介質的流體性質，監測點的高溫高濕環境，控制因素的種類及其相互影響，以及多因素多點控制系統的研發，企業對成本的承受能力等，使掛面干燥工藝的智能化控制在實踐上還面臨一定的挑戰。

4 結論

掛面干燥工藝一般采用間接加熱、對流干燥方式；干燥過程的三階段劃分和設計不同的干燥過程控制參數，符合節能、高效和保證產品質量的生產目標。

合理的干燥工藝及結構，優化的干燥過程控制參數，可顯著提高產量，降低干燥能耗，縮短干燥時間，還可保障產品質量。

實現干燥工藝控制過程的智能化，首先是設計合理的干燥烘房結構，確定干燥工藝的關鍵控制要素和關鍵控制點；其次是實現溫度濕度控制與掛面在線含水率測定結果的聯動，以及提升掛面在線含水率監測設備的穩定性和環境耐受性；而對掛面干燥動力學、熱力學的系統研究，是干燥工藝智能化的基礎和前提。