糧食烘干儲(chǔ)藏一體化技術(shù)探索與實(shí)踐

周敦國，孔愛民，錢生越，唐嘯風(fēng)

（1.南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)水務(wù)站，江蘇南京 211200；2.南京市高淳區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇高淳 211300；3.南京市農(nóng)業(yè)裝備推廣中心，江蘇南京 210029）

0 引言

民為國基，谷為民命。糧食事關(guān)國運(yùn)民生，糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，糧食干燥、貯藏安全作為糧食安全的重要組成部分，受到了黨和國家高度重視，其中，糧食機(jī)械化烘干、標(biāo)準(zhǔn)化倉儲(chǔ)在保障糧食安全方面發(fā)揮了重要的作用。但是，隨著全球新冠肺炎疫情暴發(fā)，糧食安全已經(jīng)被提到了前所未有的高度，發(fā)展更高水平、更低成本的糧食干燥、貯藏新裝備、新技術(shù)，增強(qiáng)糧食干燥、儲(chǔ)藏的科學(xué)減損能力已是大勢所趨。

1 糧食烘干儲(chǔ)藏機(jī)械化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2021年底，江蘇省糧食烘干機(jī)保有量超過3萬臺(tái)，產(chǎn)地烘干能力達(dá)到60%，處于全國領(lǐng)先水平。糧食烘干機(jī)熱源也從傳統(tǒng)的燃煤（燃油）型熱風(fēng)爐向空氣源熱泵、生物質(zhì)熱源和天然氣熱源轉(zhuǎn)型，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，保障糧食安全方面發(fā)揮了積極作用。但是，我省糧食烘干機(jī)械化的發(fā)展仍存在偏重裝備推廣和熱源升級(jí)，糧食干燥過程智能化控制技術(shù)和糧食干燥信息化技術(shù)的應(yīng)用明顯不足，依賴人工操作和人工誤操作造成設(shè)備、糧食損失成為糧食烘干機(jī)械化發(fā)展的短板。糧食倉儲(chǔ)方面，國內(nèi)針對(duì)大倉容、高糧倉的大型糧食倉庫存在傳統(tǒng)方法和單一技術(shù)不能解決溫度、水分、微生物和害蟲等多因素影響儲(chǔ)備糧品質(zhì)的問題，我國提出了將機(jī)械通風(fēng)技術(shù)、環(huán)流熏蒸技術(shù)、糧情檢測技術(shù)和谷物冷卻技術(shù)相結(jié)合的“四合一”儲(chǔ)糧新技術(shù)，破解了高大糧倉的儲(chǔ)糧難題，并在全國的大部分中央儲(chǔ)備糧庫和地方糧庫中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，使儲(chǔ)備糧宜存率從70%提高到95%以上，全國儲(chǔ)糧化學(xué)藥劑使用量減少了80%，每年節(jié)約糧食保管費(fèi)用和減少陳化損失40億元。特別是隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命興起，智能型技術(shù)替代勞動(dòng)密集型技術(shù)的特征愈發(fā)明顯，糧食倉儲(chǔ)技術(shù)也開始往智能、綠色、環(huán)保的方向發(fā)展，世界主要糧食生產(chǎn)國和貿(mào)易國都注重糧庫自動(dòng)化建設(shè)，在糧庫建設(shè)時(shí)都配套了高度機(jī)械化、自動(dòng)化的糧食倉儲(chǔ)與物流設(shè)備。

總體來看，隨著糧食干燥和儲(chǔ)藏技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大大提升了我國糧食干燥和儲(chǔ)藏的技術(shù)水平，同時(shí)也為節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)以及糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變以及人民對(duì)美好生活的向往，它們對(duì)糧食干燥和儲(chǔ)藏也提出了新的需求，主要表現(xiàn)在：一是隨著勞動(dòng)力資源緊缺加劇和人民對(duì)糧食品質(zhì)要求的不斷提升，糧食干燥和儲(chǔ)藏設(shè)施自動(dòng)化、智能化、精細(xì)化程度不高的現(xiàn)狀亟待改善。二是我國以往在糧食倉儲(chǔ)管理方面主要針對(duì)大型糧食倉儲(chǔ)，與小微糧食加工企業(yè)、家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)合作組織蓬勃發(fā)展的趨勢越來越不協(xié)調(diào)，發(fā)展適用于新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的糧食烘干儲(chǔ)藏一體化技術(shù)勢在必行。

綜上所述，糧食干燥和儲(chǔ)藏正在由機(jī)械化烘干、安全化儲(chǔ)糧向“綠色、生態(tài)、智能、高效”轉(zhuǎn)型發(fā)展。一是需要以綠色環(huán)保、智能高效為導(dǎo)向，圍繞物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息化監(jiān)管、智慧化傳感等領(lǐng)域，加快信息化數(shù)字化技術(shù)在糧食干燥和儲(chǔ)藏中的應(yīng)用。二是需要強(qiáng)化糧食倉儲(chǔ)與糧食干燥、糧食加工等產(chǎn)業(yè)鏈前后的技術(shù)融合及一體化發(fā)展，提高設(shè)備、能源利用率。三是需要轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，通過技術(shù)和模式創(chuàng)新，滿足小型糧食加工企業(yè)、家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)合作組織等新型服務(wù)主體的個(gè)性化需求。

2 糧食烘干儲(chǔ)藏一體化裝置及其工作原理

空氣能熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)綠色環(huán)保、節(jié)能安全、節(jié)本高效的技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性等方面具有明顯的優(yōu)勢。在國家對(duì)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的重視程度和投入力度日益增大的新常態(tài)下，大力發(fā)展空氣能熱泵熱風(fēng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)，對(duì)小型燃煤、燃油鍋爐實(shí)現(xiàn)清潔能源、可再生能源替代將是大勢所趨。

推進(jìn)糧食倉儲(chǔ)與糧食干燥、糧食加工等產(chǎn)業(yè)鏈前后的技術(shù)融合及一體化發(fā)展，系統(tǒng)解決小型糧食加工企業(yè)、家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)合作組織等新型服務(wù)主體開展高質(zhì)量糧食干燥、儲(chǔ)藏、高品質(zhì)大米生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，有效滿足新型服務(wù)主體開展高端、特色大米生產(chǎn)的個(gè)性化需求，為我省構(gòu)建“蘇米”品牌建設(shè)新格局，提供技術(shù)支撐。

2.1 裝置簡介

在常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組的基礎(chǔ)上，開展新型空氣源熱泵糧食干燥貯藏保鮮節(jié)能技術(shù)及裝備創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高溫尾氣和低溫冷氣高效分離回收再利用，達(dá)到增強(qiáng)空氣源熱泵系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力、提升糧食烘干效果、降低糧食貯藏制冷成本的效果。不僅可實(shí)現(xiàn)糧食儲(chǔ)藏“三低、三高”（低損耗、低污染、低成本；高質(zhì)量、高營養(yǎng)、高效益）的目標(biāo)；而且?guī)?dòng)糧食儲(chǔ)藏向著“生態(tài)”“綠色”方向發(fā)展，帶動(dòng)清潔能源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，促進(jìn)農(nóng)機(jī)化工作向著綠色節(jié)能減排、提質(zhì)增效方面的轉(zhuǎn)變。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理

空氣能糧食烘干冷藏節(jié)能一體裝置，主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、烘干設(shè)備、冷庫、冷氣回收設(shè)備等組成。冷氣回收設(shè)備包括第一風(fēng)門、第二風(fēng)門、冷氣輸出管、冷庫送風(fēng)管、冷庫回風(fēng)管、空氣輸入管；熱泵系統(tǒng)的冷氣輸出口通過第一風(fēng)門分別與冷庫送風(fēng)管、冷氣輸出管連接，冷庫送風(fēng)管連接在第一風(fēng)門和冷庫進(jìn)風(fēng)口之間，第一風(fēng)門具有第一連通狀態(tài)和第二連通狀態(tài)；熱泵系統(tǒng)的進(jìn)氣口通過第二風(fēng)門分別與空氣輸入管、冷庫回風(fēng)管連接，冷庫回風(fēng)管連接在第二風(fēng)門和冷庫回風(fēng)口之間，第二風(fēng)門具有第三連通狀態(tài)和第四連通狀態(tài)。系統(tǒng)通過增加冷氣回收裝置以實(shí)現(xiàn)冷氣回收再利用，實(shí)現(xiàn)糧食烘干與冷藏一體化的功能，達(dá)到一機(jī)多用的效果。

如圖1所示，熱泵系統(tǒng)通過熱交換以提取通過進(jìn)氣口輸入的氣體的熱能，將經(jīng)熱交換后排出的冷風(fēng)輸送至冷氣輸出口，熱風(fēng)輸送至熱風(fēng)輸出口，由出風(fēng)口送入糧食干燥機(jī)。本熱泵系統(tǒng)具有制熱和制冷兩種模式：

當(dāng)熱泵系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，熱泵系統(tǒng)通過熱交換以提取通過進(jìn)氣口輸入的氣體的熱能，將經(jīng)熱交換后排出的冷風(fēng)輸送至冷氣輸出口，熱風(fēng)輸送至熱風(fēng)輸出口。此時(shí)，空氣能熱泵熱風(fēng)機(jī)組的基本功能是為糧食的烘干設(shè)備提供熱源，該熱源能夠持續(xù)24 h不間斷自動(dòng)運(yùn)行，為烘干設(shè)備提供穩(wěn)定的熱風(fēng)；熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冷熱氣體分離，經(jīng)過熱交換系統(tǒng)后排出的冷風(fēng)直接輸送到冷庫用于糧食冷藏保鮮，實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用。

圖1 空氣能糧食烘干冷藏節(jié)能一體裝置結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)糧食不需要烘干但還需低溫冷藏通風(fēng)時(shí)，切換成“制冷”模式，熱泵系統(tǒng)將通過進(jìn)氣口輸入的氣體制冷后輸送至冷氣輸出口。此時(shí)，熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器端輸出低溫低濕冷氣通過冷氣送風(fēng)管直接送往冷庫，冷庫回風(fēng)口再通過冷庫回風(fēng)管輸至熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的入口端，最終形成一閉環(huán)系統(tǒng)。

2.3 裝置特點(diǎn)

2.3.1 采用APP智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)一鍵遠(yuǎn)程開關(guān)主機(jī)、溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守的機(jī)組進(jìn)行節(jié)能控制和安全管理，提升機(jī)組智能化、無人化水平。

2.3.2 采用數(shù)碼渦旋（類似變頻技術(shù)）壓縮機(jī)，通過數(shù)碼變頻—容量可調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)，使送風(fēng)溫度偏差達(dá)到±1℃，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

2.3.3 本熱泵系統(tǒng)具有制熱和制冷兩種模式，當(dāng)糧食烘干作業(yè)時(shí)熱泵系統(tǒng)采用制熱模式給烘干機(jī)提供熱風(fēng)，同時(shí)，收集余冷，用于糧食冷藏；在非烘干季節(jié)，需要冷氣用于糧食冷藏時(shí)，開啟制冷模式。

2.3.4 采用沙克龍+脈沖除塵組合技術(shù)，機(jī)組受灰塵影響較小、清洗頻次較低，實(shí)現(xiàn)機(jī)組長時(shí)間、高效率運(yùn)行，提高糧食烘干效率、降低烘干作業(yè)成本。

2.3.5 創(chuàng)新開發(fā)高溫廢熱、低溫冷氣回收利用功能，實(shí)現(xiàn)糧食烘干與冷藏一體化，提高機(jī)組利用率、減少能源消耗、節(jié)省糧食貯藏制冷成本，促進(jìn)節(jié)能低碳環(huán)保，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

3 示范應(yīng)用情況

依據(jù)項(xiàng)目課題組相關(guān)專利及技術(shù)研究成果，在南京市太和水稻種植專業(yè)合作社，開展了糧食烘干儲(chǔ)藏一體化技術(shù)試驗(yàn)示范，示范點(diǎn)共配置3臺(tái)12T烘干機(jī)，相應(yīng)配套3臺(tái)空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)組，其中2臺(tái)熱泵采用余熱回收方式（分別配置了沙克龍和脈沖除塵器，用于尾氣除塵）、制冷制熱雙模式控制結(jié)構(gòu)，1臺(tái)熱泵采用全熱回收閉式循環(huán)方式。由于分別采用半開式和全封閉循環(huán)方式，實(shí)現(xiàn)部分或全部廢熱回收，顯著提高空氣源熱泵能效比；同時(shí)集成創(chuàng)新了冷氣回收裝置，實(shí)現(xiàn)冷氣回收用于糧食冷藏。

采用磚混結(jié)構(gòu)建設(shè)了12個(gè)相鄰但獨(dú)立的儲(chǔ)糧倉，糧倉采用保溫結(jié)構(gòu)，有效降低糧倉與外部環(huán)境的熱量傳遞；冷氣管網(wǎng)分別通達(dá)糧倉底部，糧倉底部采用錐形結(jié)構(gòu)、雙層鋼板，內(nèi)層鋼板采用網(wǎng)孔形式，便于冷氣從糧倉底部進(jìn)入穿透糧層；糧倉頂部建有冷氣回收管網(wǎng)，用于收集冷氣進(jìn)行循環(huán)利用。糧倉內(nèi)布置有溫濕度傳感器和倉位報(bào)警器，用于探測糧倉內(nèi)溫濕度和糧倉儲(chǔ)量。

圖2 冷氣回收系統(tǒng)控制原理圖

如圖2所示，冷氣回收系統(tǒng)還包括智能調(diào)節(jié)控制器，主要由溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、風(fēng)門控制輸出通道、通信電路，以及分別與溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、風(fēng)門控制輸出通道、通信電路電連接的MCU控制電路組成。當(dāng)不需要啟動(dòng)烘干設(shè)備時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心選擇熱泵系統(tǒng)工作于“制冷”模式，熱泵系統(tǒng)控制器通過通信電路接收到工作于“制冷”模式的命令，向冷庫輸送冷氣，第一風(fēng)門切換至第一連通狀態(tài)，第二風(fēng)門切換至第三連通狀態(tài)，冷庫處于循環(huán)制冷狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)控制器不工作。當(dāng)需要啟動(dòng)烘干設(shè)備時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心選擇熱泵系統(tǒng)工作于“制熱”模式，熱泵系統(tǒng)控制器通過通信電路接收到工作于“制熱”模式的命令后，智能調(diào)節(jié)控制器開始工作。

圖3 空氣能糧食烘干冷藏節(jié)能一體裝置的智能操控方法流程圖

如圖3所示，當(dāng)智能調(diào)節(jié)控制器接收到工作命令后，進(jìn)風(fēng)口溫濕度傳感器組實(shí)時(shí)監(jiān)測熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器端排出口的冷氣溫濕度，除濕器開始工作；同時(shí)，冷庫回風(fēng)口溫濕度傳感器組實(shí)時(shí)監(jiān)測冷庫，并根據(jù)回風(fēng)口溫度值控制第一風(fēng)門和第二風(fēng)門的工作狀態(tài)。

1）當(dāng)冷庫實(shí)時(shí)溫度未達(dá)到設(shè)定要求時(shí)：第一風(fēng)門和第二風(fēng)門分別處于AC、A1C1狀態(tài)，冷庫內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)制冷，此時(shí)，熱泵系統(tǒng)為烘干設(shè)備提供的熱量來自冷庫；

2）當(dāng)冷庫的溫度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)：此時(shí)不需要冷氣，并停止向冷庫輸送冷氣，此時(shí)，第一風(fēng)門和第二風(fēng)門處于AB、A1B1狀態(tài)；同時(shí)，烘干設(shè)備仍然需要熱量，這時(shí)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器處于烘干外循環(huán)，提取大氣環(huán)境中的空氣能為烘干設(shè)備提供熱量補(bǔ)充。

3）當(dāng)冷庫的溫度低于預(yù)警溫度，例如，-3℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)工作效率下降，停止向冷庫輸送冷氣，此時(shí)，第一風(fēng)門和第二風(fēng)門處于AB、A1B1狀態(tài)；智能調(diào)節(jié)控制器通過通信電路向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行預(yù)警。

試驗(yàn)結(jié)果（見表1）表明，采用以上糧食烘干儲(chǔ)藏一體化技術(shù)建設(shè)方案，糧食干燥貯藏能耗及成本顯著降低。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

在國家對(duì)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的重視程度和投入力度日益加大的新常態(tài)下，對(duì)小型燃煤、燃油熱源實(shí)現(xiàn)清潔能源、可再生能源替代將是大勢所趨。空氣源熱泵熱風(fēng)干燥技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保、節(jié)本增效的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)化提質(zhì)增效的切實(shí)行動(dòng)，在我國推進(jìn)節(jié)能減排、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的大背景下，以及隨著《省政府關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的實(shí)施意見》（蘇政發(fā)〔2019〕46號(hào)）和《江蘇省農(nóng)機(jī)裝備智能化綠色化提升行動(dòng)實(shí)施方案》的出臺(tái)，為空氣源熱泵機(jī)組提供了巨大的市場空間。特別是具備余熱、余冷回收功能的空氣源熱泵機(jī)組，有效解決了當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)造成熱泵能效比明顯下降、升溫速度慢的問題，以及糧食儲(chǔ)藏保鮮制冷成本高昂的問題，具備廣闊市場前景，必將成為農(nóng)機(jī)化發(fā)展的新亮點(diǎn)。