糧食干燥綠色低碳技術現狀與展望

關鍵詞：糧食干燥；綠色低碳；智能化；糧食安全

0 引言

糧食安全是國家安全的重要基礎，始終是社會穩定、經濟發展、國家自立的重要基石。目前我國糧食生產中機械化烘干技術水平相對薄弱、能耗高、作業率較低，全國平均機械化烘干作業率不足20%。烘干后的糧食品質下降等問題仍比較突出[1]。在國家“雙碳”戰略目標下，糧食烘干行業也面臨著低碳轉型和技術升級的迫切需求，糧食綠色干燥是實現減損增效的重要途徑。本研究梳理了糧食干燥領域綠色保質干燥技術進展，以期促進糧食烘干低碳技術的推廣應用。

1 糧食機械化干燥技術現狀

糧食干燥過程的能耗水平一直是困擾行業高質量發展的瓶頸問題，現有的糧食干燥機械在作業過程中其能耗均已超過相關標準，主要有3 個方面的原因[2]。一是干燥機供熱方式與低碳技術不匹配，不同熱源為干燥系統提供能量的方式、熱效率、余熱回收等差異顯著，對節能減排技術要求也有明顯不同。二是干燥工藝與綠色保質干燥目標不符，糧食干燥技術和參數的優化方面仍有較大提升空間。三是糧食干燥機械與品質調控難協同，急需解決的是干燥機結構優化設計、智能控制方法和精準調控之間的協同關系，保障糧食干燥中水分均勻、節能減排、品質提高等。

1.1 干燥機供熱方式與低碳技術

熱風干燥仍是當前糧食干燥產業最常用的烘干供熱方式，通常由熱風爐、換熱器等組成熱風供熱系統。無論是燃煤、燃氣、燃油或者生物質熱風爐，在干燥機煙道廢氣溫度均達到110～130 °C，如不設置余熱回收裝置，不但會導致較高的熱能損失，廢氣排放也居高不下。采用煙囪廢氣熱管回收技術可回收5%～10%的余熱，用于暫存倉的糧食預熱升溫。煙氣從燃燒室回收利用技術，通過對部分煙氣的分流再次燃燒，對提高充分燃燒和提升熱量利用有一定地的作用[3]。潘保利[4] 研究了全鋼風冷式節能熱風爐廢氣回收技術，具有低溫廢氣、冷卻廢氣余熱和熱風爐煙氣余熱回收利用功能，其配套的全鋼風冷結構熱風爐換熱效率在80% 以上。熱風干燥多用于多級連續干燥或循環干燥機中，低溫高濕的廢氣回收價值低但含量高，而高溫低濕度廢氣利用價值大，因此在余熱回收技術研發上同時要結合干燥工藝和干燥參數等因素開展協同耦合技術創新。生物質熱風爐燃料以秸稈壓塊、稻殼為主，屬于零排放供熱方式，是干燥領域重要的低碳技術手段。影響生物質熱風爐熱效率的關鍵包括燃料輸送和充分燃燒技術、熱交換和熱風問題穩定控制等，未燃盡的生物質燃料中的堅殼和芒尖會對換熱器管壁產生沖刷磨損。大量研究和產品開發集中在熱風爐內進風口設計、碰撞式沉降室、反燒式熱風爐和懸浮式熱風爐等，這些設計均在一定程度上增強了稻殼充分燃燒程度，提高了熱轉化效率，減少了換熱器等煙管的磨損[5-7]。

紅外干燥技術有烘干速率快、耗能低和品質保持好的特點。紅外線作為一種電磁波，有一定的穿透性，能夠通過輻射傳遞能量。遠紅外線作用于被干燥物料時，物料內的一部分固有頻率與輻射頻率一致的分子和原子產生強烈的共振，從而將輻射的能量吸收，分子運動加劇，物料溫度迅速上升，輻射能量直接轉化為熱量，促進水分蒸發，從而實現快速干燥。因此，能引起水分子和糧食分子共振吸收的那部分紅外輻射能決定了紅外干燥的效果。用于糧食干燥的紅外發射器主要采用燃油/氣型，少量運用電加熱紅外發射器，電加熱紅外轉換效率（78%～85%）明顯高于燃油/氣型紅外發射器（40%～46%）[8]。采用紅外干燥谷物品質高，脫水率高且爆腰率低。大量研究圍繞紅外干燥對物料內部水分遷移規律和組分影響展開，提出了改進紅外發射裝置加熱均勻性、溫度穩定性等技術，并開展了紅外聯合熱風、紅外聯合熱泵等用于解決快速集熱導致的熱敏性組分破壞等問題[9-10]。紅外技術是未來高效低碳干燥的潛力技術，但用于糧食干燥仍有大量機理機制問題需要深入研究解決，也需要解決好干燥熱能轉化與糧食品質保持間的協調匹配關系。

熱泵干燥技術是一種通過消耗少量低品位熱能來制取大量高品位熱能的高效制熱系統。熱泵干燥技術正在逐步替代以煤炭燃燒方式供熱的干燥技術，成為未來主要的高質量低碳干燥手段。熱泵糧食干燥行業標準單位能耗3 200 kJ/kg，約為現有燃油、燃煤型干燥實際能耗的55%～60%，與現有燃油、燃煤干燥技術相比節能效果顯著[11]。熱泵干燥技術在果蔬、中藥材的應用十分廣泛，但在糧食領域應用仍面臨一些問題，如熱泵干燥的低溫性能差，尤其當環境溫度lt;10 °C 時，熱泵能效比明顯降低。受到工質技術限制和換熱器阻力影響，熱泵干燥技術干燥時長會增加1～2 倍[12]。吳煒等[13] 評價了稻谷烘干過程中排風熱回收應用于熱泵干燥系統的可行性，半開式系統整體性能優于開式系統。在熱泵干燥機結構改進方面也有較多研究，如設計多組熱泵循環并聯系統、設計轉換機構加強新風和回風等。從干燥經濟性角度研究表明，熱泵干燥經濟效率是燃油干燥方式的2.5～3.0 倍，品質優于傳統干燥方式。變頻式壓縮機研制和回熱技術應用在解決環境變化下壓縮機能效比下降和降低干燥能耗方面均有明顯的優勢[14]。另外，為了解決熱泵干燥初期濕度過高排濕不足等問題，有研究提出了采用組合式熱泵干燥技術，如太陽能?熱泵、熱泵?微波和熱泵?紅外技術等有效解決了熱泵和其他干燥技術的優劣，將是未來熱泵干燥用于糧食產業的一個重要方向[15-16]。

太陽能干燥技術具有綠色、清潔的特點，是人類利用太陽能應用最廣泛的一種形式，正朝著提高系統熱效率、降低系統成本的方向發展。大量研究多集中在光熱轉換效率、集熱器結構優化等方面，其中集熱器的集熱板形狀、位置及介質流入方式等結構參數均會對集熱熱效率產生重要的影響，增強流體擾動、降低傳熱邊界層厚度、增加流體換熱面積和減少流動死角等耦合技術可以優化設計高效集熱器[17]。在光熱轉化方面，目前還存在太陽能集熱器溫升與其輻射強度關系及傳熱傳質機理不清等問題，應進一步加強集熱器熱量收集與太陽輻射強度關系的量化研究，建立熱質傳遞機理模型，闡明太陽能干燥集熱效率提升機制，從而指導太陽能干燥過程中熱量與質量的遷移規律。

1.2 干燥工藝對干燥目標的影響

糧食干燥主要分為連續式和批次式干燥方式，基本干燥工藝包括順流、逆流、橫流、混流和靜置層干燥等。從工藝角度來看，目前主要的糧食干燥系統工藝存在以下3 個問題。一是能量利用工藝問題。燃燒器或供熱裝置產生的高溫介質與外界空氣混合形成熱風時，產生較大的熵增，因此在進入干燥層之前即出現大量能量貶值。二是糧食單一流動原理，使得風熱溫度始終保持一致，與科學烘干工藝并不相符。三是干燥系統的能量匹配不合理，沒有充分體現干燥系壓差?、環境介質中的客觀?對高濕糧食的作用和影響。

影響干燥效率的是干燥工藝參數，針對不同糧食作物和干燥設備系統開展干燥特性、干燥動力學和干燥模型研究。深入開展糧食干燥工藝與參數優化研究可以有效地解析干燥中糧食水分遷移規律和品質形成機理，大量的研究以現有干燥設備為對象，研究手段停留在干燥流程改進、溫度風速調整及干燥效率測定上，其谷物干燥水分遷移規律、干燥均勻性、緩蘇與爆腰等基礎理論研究仍有提升的空間，特別是如何定量建立干燥特性模型和品質量化關系成為優化調控干燥工藝的關鍵，也將指導干燥機熱量利用和綠色節能技術的應用。本研究梳理了近年來開展糧食干燥工藝研究的結果比較分析，如表1 所示。

1.3 干燥設備與控制技術

目前我國烘干機市場保有量14.42 萬臺（套），但糧食烘干機械化水平卻不足20%。大部分糧食干燥機設備技術陳舊，難以滿足我國糧食安全保障和農業強國建設要求，急需大力發展新型高效綠色糧食干燥機，并提升干燥機自動化、智能化控制水平。

李呈林等[24] 研制了一種新型混流式循環谷物干燥機，作業時干燥機內部濕糧不斷循環受熱，為減少正壓熱風造成灰塵從設備縫隙溢出，在排濕風道設置了軸流風機，及時排出灰塵和雜質，優化了產品性能。同時設計緩蘇段大截面、框架式疊加結構，在線水分檢測儀實時檢測糧食水分。張海洋等[25] 設計了一款功能完善、實用性強的5HSZ-C-50 型連續式糧食干燥機電氣控制系統，為獲取科學檢測數據設置溫濕度傳感器安裝和固定于干燥機不同位置，利用運動控制器，向通風機施加一定的風力，從而實現對攪龍轉速、運行速度已產出到位信號等信息的自動檢測和控制。趙海瑞[26] 研制了一種糧食干燥環流型除濕供熱熱泵系統，可實現將進風除濕冷卻再加熱，提供的干燥熱空氣用于循環式糧食干燥機的糧食水分蒸發，其實際運行時性能系數COP≥5.0。該機組采用壓縮機+卸載+環流風機變頻調速技術，風溫波動小，谷物烘干品質有保證。梁凱等[1] 研制的氣吸循環式糧食干燥機將原有提升機攪輪創新為氣吸提升糧食，經檢測糧食破損率≤0.1%；設計了有氧干燥全覆蓋干燥結構，實現高效脫水幅度0.6%～2.5%；發明了糧食流量自動控制系統，使大小顆粒都可實現循環提升作業。黃超等[27] 針對混流式谷物干燥機存在干燥不均勻、品質差問題，基于CFD 數值模擬技術仿真分析了角狀盒結構，提出了新的擋風板高度優化值和開孔設計方案。

農業農村部規劃設計研究院[28] 研制的太陽能高效集熱器和產業型太陽能集熱系統，攻克了多通風雙換熱太陽能高效集熱技術難關，提出了太陽能集熱器混聯式集熱方法，創建了3 串3 并的模塊化集熱設計方案，解決了太陽能供熱不穩定、干燥能耗高、熱風控制不均勻和溫濕度控制難等難題。山東沃普農業裝備科技有限公司研發制造的5HYWP-8 310 型移動式糧食烘干機采取逆風混流式新理念，熱利用率高、降水效果顯著增加[29]。中農集團農業裝備有限公司研制的5HPY-35 小型移動式烘干機采用多層加熱的燃燒煙氣能量梯度利用兩級熱交換系統，提高了燃燒能量利用效率，降低了烘干能耗，與行業標準相比烘干能耗降低15% 以上，操作穩定，技術熟化度較高[30]。

2 智能化糧食干燥技術

2.1 發展特征

我國糧食干燥機產業發展經歷了從無到有，糧食機械化烘干為我國糧食產業發展貢獻了巨大力量，提供了重要支撐。但是隨著我國農業產業和糧食產業逐步進入高質量發展，目前的糧食烘干機技術水平已經無法滿足國家糧食安全戰略的發展需求，人們對于糧食安全和質量的要求不斷提升，這對糧食機械化干燥技術水平提出了更高要求，解決糧食干燥中控制精度低、穩定性差、檢測技術落后及控制參數優化水平不足等問題愈加緊迫。

隨著信息化大數據技術的快速發展，農業與糧食生產機械裝備技術創新進入以智能化為核心的發展階段，學科交叉融合正在引發以綠色、智能、泛在為特征的群體性技術突破，裝備技術發展已經從機械替代人畜力的機械化階段、以電控技術為基礎實現的自動化階段，進入以信息技術為核心的智能化新階段，并向以人工智能技術為核心的自主智能方向發展，同時加速現代農業向智能化生產方式轉變。

糧食干燥過程具有典型的多參數多物理場耦合、強非線性、大遲滯的非穩態傳熱傳質特點，給干燥量化模型建立和智能控制系統應用帶來了巨大的困難[31]。傳熱傳質理論研究是熱風干燥的理論基礎，工程實踐中更多借助試驗結果或經驗數據實施，但智能化控制和智能算法的應用離不開基礎理論的創新與可應用量化干燥模型及大數據信息獲取，目前主要的模型有薄層干燥、深床干燥和實物干燥模型方法，其中薄層干燥是基礎試驗方法，用來獲得數據并建立模型；深層干燥和實物干燥主要用于理論和模型驗證。

2.2 發展現狀

美國Page 教授在1949 年開展了玉米薄層干燥試驗，并得出了著名的Page 模型方程，目前仍廣泛應用[32]。1967 年，Thompson 提出了模擬干燥過程的平衡模型[33]。隨著數值模擬技術和軟件的開發，大量研究人員開展了各類薄層干燥試驗仿真和數值模擬研究，建立了更為復雜多指標的干燥模型。傳統經驗和半經驗干燥模型都需要進行大量假設，包括忽略干燥中物料收縮、單粒糧內部溫度梯度和水分梯度等，這就使得構建的模型無法準確用于控制干燥工藝過程[34-35]。之后模型預測控制采用了多步預測、滾動優化、反饋校正等策略，降低了模型精度需求，比較好地改善了控制效果及魯棒性[36]。隨著國內外研究人員大量投入模型的建立與算法開發，近年來人工智能控制技術以其非線性契合性、控制簡便等性能優勢，被認為是突破糧食干燥基礎理論研究瓶頸的方法，目前常用的人工智能算法包括人工神經網絡、模糊邏輯和支持向量機等[37]。各種人工智能控制算法各有優劣，但都需要依賴大量數據，并從中提取特征進行分析預測，實際應用中會因數據獲取不全面、數據可用性差及數據冗余等問題導致結果出現偏差，無法獲得最優預測結果。本研究梳理了近年來基于人工智能的糧食智能控制算法，如表2 所示。

2.3 干燥技術與低碳發展

糧食干燥過程中信息精準感知是智能干燥的根本基礎，也是現代糧食干燥生產智能決策的重要前提。目前的大量研究仍停留在溫度、含水率和排糧速度調控等主要參數的關聯度建立方面，對于糧食干燥過程中糧情的信息，如糧溫、實時含水率、糧食流動狀態和糧食品質特征等信息的精準感知仍存在困難，一些適用于糧食干燥環節的專用傳感器和分析檢測設備短缺，獲取的糧情信息常常忽略糧食品質變化等關鍵指標，尤其要兼顧不同作物干燥過程的生物、物理、化學特性，干燥過程中品質變化形成的物質基礎，必須開展基于農業生物特性的農業信息學交叉研究，從而揭示基礎原理，厘清糧食干燥終了和過程狀態規律的精準把握[47]。

從糧食干燥系統來看，燃料能耗成本占運行總成本的80% 以上，開發智能糧食干燥系統能夠基于大量數據信息構建更優的人工智能算法，建立真正具有智能反饋機制的自適應工藝調控策略，獲得系統工藝運行優化參數，自動調控干燥機始終處于最優工作狀態，有利于實現干燥機系統的節能減排和成本有效降低。

汪庥宇[48] 提出了基于仿生監測原理的循環式干燥機作業量控制與系統構建。其創新性地提出了利用仿生學理論獲取干燥機作業過程糧情信息，結合物聯網技術和算法構建，實現了數據實時監測和干燥機性能監測。突破糧食干燥理論創新，建立糧情精準感知數據普適模型，注重糧食品質在線檢測與反饋，加強微觀層面的糧食干燥結構和組分轉化規律認知，進而建立具備自主決策能力的智能化糧食干燥智能大模型才能從根本上解決糧食烘干領域高排放和高能耗問題。

3 糧食干燥綠色低碳技術展望

3.1 多因子脅迫下糧食干燥理論研究范式創新

糧食干燥領域研究相比于果蔬類物料的干燥技術與理論研究相對滯后，果蔬類農產品對品質要求較高，引導干燥基礎理論和基礎科學問題的探討也更為深入。糧食干燥產業面臨高質量低碳發展需求，因此圍繞糧食谷物干燥理論及多因子脅迫場模型的研究顯得迫在眉睫，也為探明糧食干燥過程中“黑箱”反應特點和規律提供理論基礎。

隨著研究人員對干燥反應器的多因子脅迫耦合作用的深入理解，谷物在多場協同作用下的理論研究和基礎科學問題探究，不能僅僅停留在工藝優化和干燥產物的品質評價方面，更多地應該完善不同解析尺度下，微觀層面的組分干燥動力學模型、自由能變化、空間構象和反應特性。同時創新研究手段，突破屬于基于經驗和實驗科學與歸納分析階段的第一或第二科研范式，通過構建過程中多能量場分子尺度的水分遷移、反應分子對接及品質調控物質基礎解析提供科學表征的可行性，使得干燥過程的熱質傳遞、次生代謝產物轉化積累、反應描述和構象變化等機制的精準解釋進入了更高階的“計算科學”范式。

3.2 多場協同糧食干燥裝備設計與工藝優化

糧食干燥系統簡單來說是一個輸入濕糧、介質和能量，排出濕空氣和干糧的復雜傳熱、傳質系統。糧食干燥系統視為多場協同反應器，環境、糧食物性、工藝和結構設計等因素均會影響干燥過程中的能量使用效果，其本質原因在于所含的?不同。干燥工藝系統的設計一般需要遵循工藝系統能夠滿足糧食對物性特征和干燥特性的要求，以及實際應用場景。高濕糧食貯藏干燥過程主要分為糧食路線和氣流路線，干燥機用于精準調控的方式也主要以糧食和氣體為核心，目前專用的糧情信息獲取和氣流均勻分布調控裝置還有缺陷，特別是專業的糧情信息傳感器等大多依賴進口，在線水分監測和糧食品質監測設備監測精度和速度都還有較大提升空間。系統氣流路線的調控直接影響熱風及排風能量的利用和損失的計算，更與糧食均勻干燥和穩定降水密切相關，目前的氣流路線調控方法和設備相對單一，完全創新的研究和技術亟待在實際生產中進行驗證，專用設備的研發也進入了快車道。

干燥機供熱系統的研究也得到了研究人員和實際生產者的廣泛關注，熱源的選擇和節能環保將是未來糧食干燥行業發展的重要方向。太陽能、熱泵、高效介電干燥等技術的快速發展將為糧食干燥節能減排提供更多有效路徑。同時，從能源高效利用的角度出發，研究人員也應更多地關注熱量多等級利用技術的研發，將更多工業低品位熱量通過高效收集轉化技術提升為高品質熱量，用于糧食干燥這類高耗能行業，也將是未來產業升級的重要突破口。

3.3 多信息耦合糧食干燥智能控制方法構建

智能裝備是指通過設計和智能技術創新，具有智能硬件設備或軟硬件集成系統，可全部或部分替代人或輔助人高效、便捷、安全和可靠地完成特定復雜的生產作業目標任務，實現生產全過程的數字化感知、智能化決策、精準化作業和智慧化管理的現代化作業裝備，具有人與機、機與物之間交互性特點，是技術進步和生產方式轉變的核心內容。與發達國家相比，我國糧食產業機械化整體發展水平相差較大，智能裝備研發應用整體水平偏低，很多環節和裝備的智能化水平還處于空白階段，在部分指標預測和干燥控制方法領域開展了智能化算法的構建和驗證研究，距離實際應用和生產水平提升仍有距離，特別是關鍵核心部件和高端智能裝備高度依賴進口，小型化智能干燥機和專用干燥設備嚴重缺乏。

智能干燥作業裝備應用場景相對封閉，但其系統的復雜度和多元化程度均較高，這對智能干燥裝備和控制算法研究提出了更高的要求。目前以糧食干燥為對象的智能化信息化工藝機械融合的聯合研發機制尚未確立，以信息技術為基礎的全面自動化技術模式和高度智能化的干燥裝備配置系統尚未形成，這對于智能干燥控制算法和方法的基礎研究提出了迫切要求。

以提高干燥機感知力、執行力、腦智力為核心，持續加強新型智能干燥裝備關鍵核心技術攻關，重點加強糧食?能量?多場信息快速獲取技術，以及糧情專用傳感器、物理場精細調控、無人自主作業系統和多部件協同智能控制等前沿性關鍵技術研究，以核心干燥基礎理論構建指導動態智能品質調控策略構建，進而指導智能干燥系統的能量高效利用，達到綠色節能干燥技術水平的顯著提升。

4 結束語

本文綜述了糧食干燥技術發展現狀及圍繞節能減排干燥開展的大量研究。整體來看，其工藝技術種類較多，但缺乏統一的理論基礎和標準依據。目前的糧食干燥機節能減排技術主要依賴于在現有烘干機和工藝流程基礎上的結構優化和控制方法改進，節能減排效果具有局限性，甚至會增加干燥機實際應用場景下的參數調控難度和制造工藝難度。隨著計算機和信息技術的高速發展，干燥技術應回歸干燥理論創新與干燥基礎研究的突破，以及糧食干燥領域科研范式與學科交叉創新的變革，建立更具普適性的干燥理論模型、精準的人工智能算法和基于品質保持和優化的糧食干燥智能調控技術等將是根本上實現節能減排的關鍵。