斜床式種子干燥機適用性分析與干燥工藝優(yōu)化

許才花,韓長生,佟 童,高東航,彭 博,武維昭,李 震

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

種子是農(nóng)業(yè)種植業(yè)的重要基礎(chǔ)資源,種子的品質(zhì)直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和產(chǎn)出品質(zhì),對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益影響很大。處理工藝對種子加工的質(zhì)量影響很大,對于大部分的農(nóng)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(chǎn)生發(fā)芽或發(fā)霉,需要進行干燥處理才能避免出現(xiàn)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(yōu)質(zhì)處理的重要評定因素。

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

1 種子干燥基本原理

現(xiàn)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(shè)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(nèi)部溫度,由于整體溫差的影響,會產(chǎn)生熱擴散現(xiàn)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(huán)境持續(xù)干燥,種子表面的水分率先被蒸發(fā),種子整體水分失去平衡,由于表面含水率和內(nèi)部含水率的差異性影響,種子水分產(chǎn)生濕擴散現(xiàn)象,使水分由含水率高的部位向含水率低的部位轉(zhuǎn)移。無論是種子產(chǎn)生熱擴散還是濕擴散,其內(nèi)部的水分均不斷向表面轉(zhuǎn)移并不斷散發(fā)到周圍環(huán)境中,因此,為保持種子內(nèi)部水分在最佳的條件和效率下散失,應(yīng)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(huán)境之間的濕熱交換過程,要保證種子內(nèi)部的水分不斷擴散到外部環(huán)境中,在烘干技術(shù)的角度來看,最好要保持恒定溫度的空氣持續(xù)在種子附近流動,避免空氣介質(zhì)因種子擴散產(chǎn)生的水分而產(chǎn)生飽合,使干燥環(huán)境與種子之間在達到干燥目標之前始終保持穩(wěn)定的含水率差,這是保證種子穩(wěn)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(yǎng)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(jié)構(gòu)簡單的干燥設(shè)備,與傳統(tǒng)的平床干燥機結(jié)構(gòu)類似,其糧層平鋪的方向與水平地面呈一定角度,這種結(jié)構(gòu)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(fēng)利用率。斜床式種子干燥機主要利用干燥的熱空氣為介質(zhì),通常將空氣加熱升溫至40 ℃左右后,利用風(fēng)機驅(qū)動熱空氣形成氣流,穿過斜床孔板與糧層持續(xù)接觸,糧層厚度通常在35～40 cm范圍,根據(jù)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(yǎng)便捷、建設(shè)成本低,受到農(nóng)業(yè)從業(yè)者的青睞。

3 適用性分析

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

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢

首先,斜床式種子干燥機的斜度可以根據(jù)烘干種子特性或?qū)嶋H需要進行自由調(diào)節(jié),進而實現(xiàn)對種子在斜床上停留時間的調(diào)整,利用簡單的結(jié)構(gòu)調(diào)整就能實現(xiàn)對烘干效率和最終含水率的調(diào)節(jié),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(jié)構(gòu)相對簡單,與臥床式種子干燥機的技術(shù)特征類似,但生產(chǎn)能力相應(yīng)增強且占地面積減小,物料流動性更好。整體的建設(shè)成本和占地面積相對更低,生產(chǎn)過程的成本投入和維修投入也相應(yīng)降低。

再次,將斜床式結(jié)構(gòu)與流化床技術(shù)相整合,與普通臥式流化床烘干設(shè)備相比,其熱傳導(dǎo)系數(shù)明顯增強,種子之間的熱效率效率顯著增加,最佳熱傳導(dǎo)系數(shù)可達5 000～7 000 W·(m3·℃)-1,可實現(xiàn)在更小的空間內(nèi)處理更大的物料。此外,與傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),會導(dǎo)致在烘干種子的過程中存在以下問題。第一,對于形狀規(guī)則的圓形或橢圓形種子在斜床結(jié)構(gòu)上受到重力的影響會存在一定的聚堆或返混問題,導(dǎo)致局部位置的種子烘干質(zhì)量不均勻,出現(xiàn)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(jié)的種子適用性不好,由于斜床結(jié)構(gòu)會造成種子局部粘結(jié)成塊,或種子粘結(jié)在烘干設(shè)備表面而造成堵塞;第三,由于烘干效率較高,對于部分穩(wěn)定性不好的種子不適用,易造成種子在烘干過程中出現(xiàn)爆裂變形等損壞問題;第四,若采用斜床干燥結(jié)合流化床技術(shù),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(zhì)量會有所降低。

4 干燥工藝優(yōu)化

4.1 種子特征分析

盡管農(nóng)作物種子的類型、體積、外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定的差異性,但從烘干的角度來看,其與內(nèi)部水分散失相關(guān)的特征大致相同。

首先,種子內(nèi)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(zhì)、磷脂等緊密結(jié)合在一起的水分,這部分水分與其它物質(zhì)結(jié)合成膠體的形式存在,占比相對較低,稱之為結(jié)合水,在烘干過程中通常不會蒸發(fā);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(huán)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(nèi)部養(yǎng)分和活力的保持[5]。

其次,種子中的含水率與周邊的環(huán)境均存在明顯的影響關(guān)系,在干燥的環(huán)境中,種子的含水率會逐漸降低,但在潮濕的環(huán)境中種子也很容易吸濕回潮。此外,若環(huán)境溫度較高,種子內(nèi)部的水分運動更為活躍,水分散失效率相應(yīng)提升。反之,環(huán)境溫度較低時,種子內(nèi)部的水分運動不活躍,種子內(nèi)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(nèi)部的游離水已經(jīng)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(xué)成分和生態(tài)結(jié)構(gòu)影響導(dǎo)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(shù)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(yōu)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(nèi)部的工作流程為預(yù)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(yù)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(yù)處理

干燥前種子的品質(zhì)對于干燥后種子的品質(zhì)有直接影響,因此,在進行種子干燥前應(yīng)做好前期種子預(yù)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(jié)合人工挑選去除種子中混雜的石子、秸稈等雜質(zhì),去除已經(jīng)破損或發(fā)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(zhì)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(fā)排出,并保留全部的結(jié)合水,干燥工藝可從以下幾方面進行優(yōu)化。

4.3.1 干燥邏輯優(yōu)化

首先,應(yīng)充分結(jié)合播種種子的類型特點,分析種子的物理化學(xué)特性,根據(jù)干燥過程種子的水分蒸發(fā)性能進行歸類。需要考慮以下的關(guān)鍵參數(shù):1)內(nèi)部水分擴散速度。通常與種子表皮結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,內(nèi)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(huán)過程可進行簡化;大豆、水稻等種子內(nèi)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(fù)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(yīng)具有多種烘干溫度可選,根據(jù)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(shù),充分考慮干燥過程內(nèi)外壓力情況,避免出現(xiàn)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(shù)之間的協(xié)同。對于熱敏感的種子,應(yīng)采用低溫大風(fēng)力的烘干模式;對于常規(guī)種子,在保持谷粒內(nèi)部水分擴散速度與其表面蒸發(fā)速度相一致的墻體下,可將熱風(fēng)溫度盡量設(shè)置到接近最高溫度。

4.3.2 傳統(tǒng)工藝優(yōu)化

應(yīng)重點從以下幾方面進行優(yōu)化:1)提升預(yù)熱效率。預(yù)熱過程對于整體的烘干效率影響較大,通常情況下,預(yù)熱是對種子層進行初步升溫,使種子達到水分蒸發(fā)轉(zhuǎn)移的溫度條件的過程,在此過程中種子內(nèi)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(nèi)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(fēng)干燥功能,在種層逐漸增厚的過程中實現(xiàn)一定程度的升溫。2)加強干燥參數(shù)監(jiān)測。當種子層的干燥速率達到穩(wěn)定狀態(tài),應(yīng)對種子的水分蒸發(fā)速度進行傳感器監(jiān)測和數(shù)據(jù)預(yù)判,及時判定干燥速度由等速向減速的轉(zhuǎn)變接點,此時適當降低溫度并增加熱風(fēng)風(fēng)速,配合內(nèi)部水分則向表面轉(zhuǎn)移,并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷后期的循環(huán)重復(fù)干燥次數(shù),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(nèi)外部溫度均衡傳遞,使種子內(nèi)部和表層的水分含量趨于平衡,緩蘇階段應(yīng)持續(xù)監(jiān)測含水率變化情況,作為判斷是否進入冷卻階段的數(shù)據(jù)依據(jù)。4)在傳統(tǒng)通風(fēng)冷卻技術(shù)基礎(chǔ)上,將風(fēng)機與傳感器建立聯(lián)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(jié)語

綜上所述,斜床式種子干燥機應(yīng)進一步與現(xiàn)代化的控制技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合,利用優(yōu)化干燥控制流程促進干燥質(zhì)量、干燥效率的提升,實現(xiàn)傳統(tǒng)機型的優(yōu)化升級。除在控制邏輯及工藝上進行優(yōu)化外,還應(yīng)充分考慮種子在干燥過程的狀態(tài),斜床式的結(jié)構(gòu)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。