新型节能高效保质粮食干燥工艺与设备研究与设计

　　摘 要

　　由于我国地处北温带，东北玉米收获期处于气温低、湿度大的秋季。收获的玉米含水率普遍较高，高达28%~35%，而国家标准规定进入仓库的粮食含水率不能超过13.5％。维生素C超过40℃就分解，改变了原有性能；蛋白质在高温下变性，改变了物料的营养成分等。为做好粮食“四散”流通的配套设施，本文对低温真空干燥机系统的研究与设计进行了论述。该系统在温度40℃以下对物料进行干燥。真空干燥时物料内外温度梯度小，由逆渗透作用使得粮食中的水分独自移动，克服了溶质散失现象。该干燥机使得物料在低温真空干燥过程中，温度、水分、时间等工艺参数能够调整和控制，以防止物料烘干过度或不足，保证物料烘后原有色、香、味、营养成份、品质基本不变，便于储藏、运输和销售。该干燥装置具有处理量大、降水幅度高、自动显示、报警、操作灵活、使用方便等优点。
关键词 玉米 低温 真空干燥 绿色干燥

　　玉米低温真空干燥试验与研究是“十五”国家科技攻关项目——粮油产品储藏及品质检测关键技术研究项目的专题之一，是根据谷物水分沸腾蒸发温度的高低随环境压力大小而变化的原理，利用蒸汽射流真空技术形成具有一定真空度的空间，在真空低温状态下连续对含水率高的谷物进行脱水干燥。按照“高质量、高营养、高效益、低损耗、低污染、低成本”的绿色环保干燥理念，通过试验研究相关的干燥工艺技术及装备。

　　玉米是我国主要的粮食作物之一。东北玉米原始水分较高、成熟度不均匀，极易遭受虫霉侵害。由于玉米子粒胚部大，脂肪含量高，在相同条件下，较之其它谷物具有较强的生命活动和较高的呼吸强度，易氧化酸败。因此，玉米比其它谷物储藏稳定性较差，通常不适宜作长期储藏和运输。在常规储藏中，一般采用热风干燥等方式降低粮食含水率。

　　玉米是我国粮食干燥的主要品种之一。高水分玉米不利于安全储藏，因此，一般都需在储藏前进行干燥处理，将水分降至储藏安全水分以下。当干燥温度过高时，会使粮粒丧失生活力，其发芽力也会大大降低。在40℃以下，采用何种方式来大批量干燥东北高水分玉米，保证玉米原有品质基本不变，是科技工作者不断追求的目标。低温真空干燥机系统是解决高水分玉米的最佳途径之一。

　　玉米是难以干燥的粮食品种之一，主要原因是它的籽粒大，单位比表面积小，粮粒表皮结构紧密、光滑，不利于水分从粮食内部向外部转移。特别是在高温干燥介质作用下，由于其表面水分急剧汽化，粮粒表皮之下的水分不能及时转移出来时，造成压力升高，致使表皮胀裂，或者粮粒发胀变形。再有，干燥介质温度过高，会造成粮粒焦糊，出机粮粒破碎严重等。快速经济地降低玉米水分保持良好品质一直是粮食干燥研究的重要课题。

　　实验表明，当干燥介质温度超过150℃时，玉米温度高于60℃时，就会产生大量惊纹，品质下降。对于常规的热风式干燥设备，热风的温度一般在120~160℃，烘干季节的自然温度一般在-10~-30℃，热风与玉米籽粒之间的温差高达130~190℃，在烘干的过程中，高温热风对玉米籽粒的内部结构有所损伤，造成烘干后粮粒的裂纹率较高，一般在18%左右，高的达到35%，造成烘后玉米的品质下降，在流通过程中很容易产生破碎，大批玉米由于干燥技术水平问题而严重降低了商品等级，影响了玉米的正常国内外贸易。采用低温真空干燥技术，避免高温给粮粒带来的品质下降，是本课题研究的关键所在。

　　1 试验目的、原则和内容

　　1.1试验目的 考核低温真空干燥机是否达到设计要求。采用真空干燥技术对我国东北玉米进行干燥，在低温真空状态下研究玉米的真空度、干燥速率、干燥时间及干燥特性。使干燥后产品符合粮食储运标准，使之便于加工、运输、贮存、保证产品质量。

　　1.2试验原则 在维持预定的真空度和供热温度基本不变的前提下，测定干燥筒内玉米的连续干燥效果。测定设备的运行情况和气密效果，对实验中发生的各种问题及时分析，找出原因，对干燥机系统进行研究，确定下一步改进措施，为下一步试验积累实践经验和数据。

　　1.3 研究内容 重点研究内容是干燥筒、进出料装置、动态气密技术、物料防堵塞技术、耐磨技术等；研究确定真空度、蒸发温度等主要技术参数。重点研究解决干燥仓加热装置的最佳加热设计参数，以及干燥机系统的适应性、稳定性、连续性、可靠性，使之达到高效、节能、环保，并保证烘后产品质量的目的。解决实际生产中遇到的一系列问题，为生产性试验成套装备的设计与试验提供依据。

　　1.4 测定内容 干燥筒内的真空度和蒸发温度；玉米入机含水率和温度；玉米出机含水率和温度；玉米破碎率增值；玉米裂纹率增值等。

　　2 现场试验

　　2.1 现场试验基本情况

　　2.1.1 试验时间 2004年4月13日至2004年5月9日。
　　2.1.2 试验地点 郑州市郑平公司。
　　2.1.3 天气情况 晴朗，东南风2~3级，气温20~23℃。
　　2.2 试验材料
　　2.2.1 水、电、汽的供应 利用郑平公司的现有基础设施。
　　2.2.2 供试玉米 2003年自然收获的高水分玉米25t，产地吉林。等级为2级。平均含水率为24%，含水率不均匀度小于3%，杂质为0.9%，无霉变。
　　2.2.3 主要检测仪器 蒸汽压力表-0~1.6MPa、YSG-3型真空压力表、XMT-102型数显温度传感器、LFX80-2型蒸汽流量计、电脑水分测定仪0%~40%、半导体点温度计0~100℃、SL-401型声级计、FSF型粉碎机、TQ3288（分度值0.1mg）分析天平、温度计0~100℃等。
　　2.2.4 主要试验设备 斗式提升机、皮带输送机、缓冲平衡仓、干燥筒、抽真空系统、循环供热系统、电气控制系统等。

　　2.3 试验方法

　　2.3.1 真空干燥原理 真空干燥过程就是将被干燥物料置放在密闭的干燥室内，用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热，使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面，水分子在物料表面获得足够的动能，在克服分子间的相互吸引力后，逃逸到真空室的低压空间，从而被真空泵抽走的过程。真空干燥能够方便地回收有用和有害的物质，而且能做到密封性良好。从环境保护的意义上讲，有人称真空干燥为“绿色干燥”。

　　在真空状态下,物料湿气的沸点降低、汽化过程加速。玉米中水分在汽化过程中，其沸腾蒸发温度与环境压力成正比，把高水分玉米放置在密闭的干燥筒内，利用蒸汽射流真空技术使干燥筒形成并维持一定的真空度，同时对干燥筒内的玉米不断加热，使玉米内部的水分通过压力差扩散到表面，汽化后被真空泵抽走，实现真空低温状态下连续对高水分玉米进行脱水干燥。真空干燥使水分的沸腾蒸发温度从100℃降低到40℃以下，由于蒸发温度低于淀粉的糊化温度，不会对玉米籽粒产生损伤。避免了玉米籽粒的膨胀和爆腰，能够保证玉米干燥后的产品质量。是真正意义上的低温干燥，与一般的热风低温干燥完全不同。

　　2.3.2 干燥条件 根据粮食的原始含水率、收获方式、成熟度以及粮食的用途。粮食的原始含水率越大，它的热稳定性即耐温性越差。不完全成熟的粮食，它的耐温性成熟的粮粒差。新收获的高水分的粮食，由于粮粒的成熟度及含水率都不均匀，粮粒表层还未充分硬化，因此，要采用较低温度的干燥条件；如果采用高温干燥条件，反而损伤粮粒，造成粮粒表面硬结，使粮粒表面的毛细管遭到大量破坏，从而不利于干燥过程的进行。为此，在烘干新收获的高水分粮食时，必需考虑到它的热稳定性及表面的特点，采取缓和的干燥条件。

　　2.3.3 试验准备 根据试验要求将干燥机系统调试到正常工作状态，蒸汽压力稳定在正常状态。在干燥筒内装入一部分垫机粮，为连续干燥做好准备。开启抽真空系统，使干燥筒内的真空度和热水温度达到预定的范围。按照预定的入机程序和出机程序进行正常的连续干燥作业。

　　2.3.4 蒸汽压力 由压力表读出，每30min记录一次。

　　2.3.5真空度 根据真空压力表读出干燥筒内的压力，每30min记录一次。

　　2.3.6 温度检测 采用1线上、中、下3点，由数显温度传感器读出，每30min记录一次。

　　2.3.7 蒸汽耗量 根据蒸汽流量计显示数据，每60min记录一次。

　　2.3.8 粮食水分 按GB5497-85，130℃定温定时烘干法执行，出机玉米与进机玉米的含水率差值即为降水率。

　　2.3.9 破碎率 按GB6970-86规定测定。

　　2.3.10 噪声 按GB16769测定。

　　3 结果与分析

　　3.1 结果

　　从现场试验情况看，低温真空干燥机处理量为40t/d；降水幅度超过8%；出机玉米破碎增值率小于0.3%；干燥后玉米裂纹增加率小于5%；出机玉米色泽气味正常，无热损伤粒、惊纹粒，玉米品质良好；噪声低于85dB（A）。在整个试验周期内，物料进出干燥机流畅，无堵料现象发生，各试验温度和真空度压力均无异常波动现象，说明低温真空干燥机装置气密性良好，抽真空系统、供热系统、物料输送系统及电气控制系统均工作正常。

　　3.2 分析

　　3.2.1 在系统安装过程中，必须一丝不苟，不能马虎，否则尽管安装顺利，也有可能存在密封不严，造成局部少量的泄漏，达不到物料干燥所需的真空度要求。

　　3.2.2 从物料输送看，虽满足整体试验要求，但若提高输送量，便可以节约工时，增加干燥机系统的利用效率。

　　3.2.3 从抽真空系统看，虽达到预先设计要求，若增大抽气量，有利于提高效率和产量。

　　3.2.4 从供热系统看，若采用回收利用有利于节约能源，提高热水的利用率。

　　3.2.5 从控制系统看，应增加控制点，以便于检测系统内局部的蒸发温度及料位情况等。

　　3.2.6 由于试验时间紧迫，未对干燥筒、供热管道采取保温措施，热能没有得到充分的利用。

　　3.2.7 由于供试玉米数量有限，整个试验周期短，对干燥筒内加热管的耐磨性检测没有进行。

　　3.2.8 从现场试验条件看，室外温度在20~23℃，与东北实际情况-10~-30℃存在有很大差距，有待于在东北进一步的试验和研究。

　　3.2.9 由于检测手段和仪器设备的不足，未作发芽率、粮食品质、粉尘浓度等的检测和分析，仅从含水率、破碎增加率及感官等鉴定干燥效果良好，玉米色泽气味正常，无焦糊粒，品质良好。

　　4 结论

　　4.1 实践表明低温真空干燥机系统用于干燥高水分玉米是可行的，采用该干燥机能够保证物料烘后原有色、香、味、营养成份、形状基本不变，在储藏过程中有效地延缓了粮食品质陈化，增强了国内外贸易的竞争优势，为企业增加了可观的经济效益，为“四散”流通和“绿色”保粮奠定了良好的基础。

　　4.2 采用低温真空干燥机干燥东北高水分玉米，其干燥速率有待进一步探索。干燥机系统的连续性、适应性和稳定性有待于在东北进行进一步的试验研究。在此基础上研究150t/d、300t/d处理量使之满足生产性试验的需要，提供了技术支持和条件。

　　4.3 采用低温真空干燥的关键在于干燥筒内部环境真空度及蒸发温度。研究最佳真空干燥工艺，使供给物料的热量最少，蒸发出来的水分最快，干燥所需时间最短，脱出单位质量的水消耗的能量最低，干燥后的产品质量最佳。

　　4.4 采用低温真空干燥，其前提是密封性能良好，对干燥筒的制作、安装，都应严格把关，在工作期间加强气密性检查，确保干燥筒内真空度尤为重要。

　　4.5 多年来国家粮食储备局郑州科学研究设计院在谷物干燥中总结积累了丰富的经验，如何将低温真空干燥技术科学、合理、有效地运用在粮食干燥当中，我们将继续广泛深入地开展相关的各项试验和研究，将积极探索绿色储粮技术，为我国安全储粮做出更大贡献，努力使我国储粮新技术新设备新材料再上一个新台阶。

　　参考文献
　　1 Lembrana JI, EwiraC D E, Villaran M C. Simulation and Design of Heating Profiles in Heat controlled Freeze-Drying of pharmacellticals in Vials by the 　　Application of a sublimation cylindrical model. Drying Technology, 1993, 11 (1):85~102
　　2 Stanislaw Pabis.. et al., Grain Drying: Theory and Practice, John Willey & Sons. Inc. 1998
　　3 赵思孟. 粮食干燥技术. 河南：河南科技出版社，1991
　　4 徐成海，张世伟，关奎之主编. 真空干燥. 北京：化学工业出版社，2004，1
　　5 潘永康主编. 现代干燥技术. 北京：化学工业出版社.，1998，9
　　6 郭鸿震主编. 真空系统设计与计算. 北京：冶金工业出版社，1986，8
　　7 达道安主编. 真空设计手册. 北京：国防工业出版社，1991，6
　　8 刘玉岱主编. 真空测量与检漏. 北京：冶金工业出版社，1982，4

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