南方稻谷干燥特性及熱泵技術應用優勢分析

陳煜龍，龔 麗，龍成樹，陳 明，劉 軍

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農業農村部華南現代農業智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630）

0 引言

水稻是廣東省的重要糧食作物之一，2022 年全省稻谷總產量1 108.63 萬t，占省糧食總產量的85.84%[1]。南方稻谷夏收季節高溫高濕多雨，原始水分超過28%，雨后搶收的稻谷水分甚至高達34%，如不及時干燥就會霉變、發芽從而造成損失，據不完全統計，廣東省每年因不能及時干燥造成的谷物損失超過20 萬t。谷物機械化烘干是減少損失的重要環節[2]，日本、韓國和中國臺灣省的稻谷機械化干燥率分別為91.8%、39%和75%[3]。近年來，我國稻谷機械化干燥率明顯提高，但各省份發展不均衡，且與發達國家相比差距仍較大[4]，如江蘇、安徽、湖南等省的稻谷機械化干燥率已達50%，而廣東省僅有20.07%[5]，機械化干燥率低是廣東省稻谷損失大的重要原因之一。

國內稻谷干燥機主要采用生物質、油、天然氣或煤等燃燒加熱，存在能耗高、直接碳排放和污染物排放大、干燥耗時長等共性問題，較難適應南方高溫高濕多雨的氣候，制約了廣東省稻谷烘干機械化的發展。熱泵干燥技術以少量高品位電能驅動，從高溫高濕環境中吸收2～3 倍消耗電能的熱能用于烘干[6]，具有節能減排和高品質高效干燥物料的作用[7]。隨著熱泵干燥技術在農產品干燥中的廣泛應用和國家“雙碳”目標的提出對碳排放有了更高要求[8]，國內一些空氣能熱泵生產廠家與傳統熱源稻谷干燥機制造企業合作，生產出了簡易組合空氣能熱泵稻谷干燥機，但該機應用時仍存在干燥耗時長、操作不便和稻谷破碎率高等問題。

鑒于上述原因，通過研究南方高濕稻谷干燥特性，采用熱泵替代傳統熱源，研制出適用于南方高溫高濕氣候的熱泵干燥技術裝備并進行產業化應用，旨在實現南方稻谷節能環保、高效高品質和全天候穩定干燥作業。

1 稻谷干燥要求及設備發展現狀分析

爆腰率增值是衡量稻谷干燥品質的重要指標之一，稻谷原始水分含量、干燥過程的空氣溫度和相對濕度、干燥速率、干燥時間、循環次數、干燥緩蘇比等均會影響稻谷的爆腰率。爆腰率高的稻谷在碾米加工時容易破碎形成斷粒，影響整精米率從而造成稻米食用品質降低。目前，常用降低熱風溫度減少稻谷爆腰率，而低溫干燥勢必導致生產率的下降[9]。此外，相關學者研究爆腰率與干燥條件的影響規律時發現干燥介質相對濕度高有益于減少稻谷的爆腰[10-12]。因此，為保證稻谷品質，稻谷干燥機械需要具備控制干燥溫度、相對濕度、去水速率的功能并配置可提供適宜干燥緩蘇比的干燥箱體結構，還需綜合考慮安全預警、谷物溫度、操作和售后保養的便捷性。

實際上，國內市場占主導地位的是以燃料為熱源的循環式谷物干燥機，該類機型普遍存在能耗大、干燥溫度高、干燥段短和循環次數多的特點。以燃生物質顆粒谷物干燥機為例，據統計每噸濕稻谷干燥成本已達95 元[5]，且應用該設備干燥南方高濕稻谷時批次干燥耗時超過24 h。燃油、燃煤谷物干燥機同樣存在干燥成本高、干燥品質保證難和污染氣體排放大等共性問題。綜上所述，目前的主流谷物干燥機不能完全滿足南方氣候條件下高濕稻谷的干燥，急需新型設備替代，因此，廣東、江蘇等地陸續出臺了優先支持“熱泵技術”應用于稻谷干燥的補貼政策[13]，助推了稻谷熱泵干燥機逐步進入廣闊的應用平臺。

2 稻谷熱泵干燥機工作原理

圖1 所示為廣東省現代農業裝備研究所利用自有專利技術集成研制的5HRD 型批式循環稻谷熱泵干燥機，其結構主要由熱泵機組、進風管、干燥段、緩蘇段等18 個零部件和電氣控制系統組成。熱泵機組是烘干稻谷主要熱能來源，環境空氣介質被尾端風機負壓牽引穿過熱泵機組加熱，經過進風管入進風包，由正中間分別向左右兩端角狀盒結構的干燥段混流穿出稻谷層，與濕稻谷進行熱濕交換后，進入出風包，高濕尾氣將被排入除塵間，此過程為水平方向高溫低濕空氣介質經過多次與濕稻谷進行熱濕交換，而后帶走稻谷中水分，最終達到干燥稻谷的目的。

圖1 5HRD 型批式循環稻谷熱泵干燥機結構

混流式批式循環干燥過程中，稻谷在干燥段中加熱蒸發水分，經過排糧輪組均勻落入底座中，底座斜坡將稻谷導入下攪龍中，下攪龍螺旋傳輸至提升機下端，提升機電機作用裝有畚斗的提升皮帶，將稻谷轉移至上攪龍，上攪龍螺旋傳輸至頂倉，在重力作用下進入緩蘇段中，通過緩蘇段后回到干燥段。整個過程稻谷只在干燥段被加熱升溫，經過其它裝置溫度逐漸降低，直至再次進入干燥段。由此可知，批式循環稻谷熱泵干燥是“干燥—緩蘇—干燥”的間歇干燥過程。

此外，梯子、維修座主要用于安裝設備和售后維護。電氣控制系統則主要通過PLC 主機接收、處理信號，反饋調節干燥機中電機的啟停，實現按設定干燥工藝逐步運行。

3 稻谷烘干試驗研究

3.1 烘干試驗

3.1.1 試驗準備

試驗地點：廣東省汕頭市潮陽區某合作社。

試驗物料：香雪絲苗，初始水分含量28%～32%；竹稻，初始水分含量約28%；錢優911，初始水分含量約28%。

設備及儀器：稻谷熱泵干燥機，廣東省現代農業裝備研究所，5HRD-30 型；在線水分測定儀，大連靜岡機械有限公司，型號CS-T ⅡC5；電腦糧食水分測試儀，武漢市電子儀器二廠，LSKC-8；電腦谷物水分計，日本三久，TD-6。

3.1.2 試驗設計

烘干工藝：稻谷干燥為減速干燥，干燥過程主要去除結合水[9,12]，故宜采用降溫干燥方式。采用60～55 ℃降溫干燥方式，2 h 降低1 ℃，直至降至55 ℃，最后一段干燥時間設定為15 h。

數據取樣：試驗地點烘干設備為批式循環干燥設備，物料取樣按照DG/T 017—2021 谷物干燥機大綱實施；待取出稻谷樣品冷卻至常溫，應用水分測試儀檢測各時間段稻谷樣品的水分。

烘干中心流程：預約采收 → 收割機采收 →車運至烘干中心 → 稱重 → 卸糧 → 前處理除雜 → 頂部入糧至烘干機 → 烘干機循環干燥 → 干燥完成卸糧至干谷倉（或者直接售賣）→ 入儲備庫 → 碾米。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 稻谷干燥試驗數據曲線

由圖2 可知，3 個批次稻谷干燥前期降水曲線曲率絕對值稍大，隨著干燥時間延長曲率絕對值略有減小，由此可見稻谷干燥是減速干燥過程[12]。對3 個批次烘干過程的降水數據添加線性擬合趨勢線，得到3 個降水曲線線性擬合的R2均大于0.93，由此可知香雪絲苗稻谷熱泵干燥降水曲線整體呈現近似線性狀態，即減少干燥過程的干燥速率變化不大。降水曲線中出現了短時臺階拐點，主要因為后期干燥水分減少，且干燥工藝采用逐步降溫的干燥方式。綜上所述，應用稻谷熱泵干燥機，設定溫度55～60 ℃，將初始水分30%左右稻谷烘干至安全水分（＜14%），耗時15～21 h，且此過程為減速干燥、但干燥速率變化不大。

圖2 相同品種稻谷批次烘干試驗降水曲線

由圖3 和表1 可知，3 個品種稻谷初始水分含量為27%～28.5%，其中香雪和竹稻為絲苗米品種，為細長型顆粒，而雜優911 為圓胖型顆粒，由降水曲線可知圓胖型顆粒干燥曲線始終處于上述絲苗米品種下方，其初始水分含量最高（檢測值為28.18%），且干燥16 h 后達到安全水分，由此可知稻谷干燥速率受稻谷品種的影響。取樣測量得到3 個品種物理參數，計算得到雜優911 的比表面積最大，比表面積越大的物料與熱風接觸換熱蒸發越快，則干燥效率越高。

表1 不同品種稻谷物理參數表

圖3 不同品種稻谷批次干燥試驗降水曲線

3.2.2 批式循環干燥能耗數據

稻谷熱泵干燥機的主要耗能零部件為風機、壓縮機、提升機、上下攪龍電機、排糧電機、水泵及冷卻塔電機等。通過對2023 年7 月至8 月試驗點的多臺5HRD-30 型稻谷熱泵干燥機完整批次入糧水分、出糧水分、入糧情況和批次耗電情況等數據進行統計，得到表2。

表2 稻谷熱泵干燥機批次干燥能耗表

稻谷熱泵干燥機標稱有效容積為56.6 m3，現場測試除雜后的絲苗濕稻谷容重為577.2 kg/m3，雜優911 濕稻谷容重為562.5 kg/m3，與DG/T 017—2021農機推廣鑒定大綱推薦稻谷國標容重（0.56 t/m3）相當。由表2 可知，烘干時間超過20 h，稻谷初始水分含量為28.9%～32.4%。按照農機推廣鑒定大綱容重核算，中部滿糧不少于43.5 m3，此時濕稻谷最小容量為24.37 t；上部滿糧不小于52.28 m3，此時濕稻谷最小容量為29.28 t。若18 批次稻谷裝料量均按最小容量計算，得到平均裝料量為28.46 t，結合表2 知，降水幅度為15.17%，平均干燥速率為0.835 %/h，每噸濕谷耗電量為59.87 kW·h。

3.3 不同類型干燥機烘干效果比較

試驗地點安裝有1 套燃生物質顆粒干燥機和7套稻谷熱泵干燥機（熱泵+少量電熱），采用2 種干燥機完成了同品種稻谷（即香雪絲苗）干燥試驗，烘干前、后取樣，于冷藏庫封存24 h 后將樣品均分成3 份，從每1 份中取100 顆完整籽粒，手工剝殼，依照GB/T 5496—1985 采用人工目測的方法檢測爆腰率，得到烘干稻谷爆腰率增值，詳見表3。

表3 不同類型干燥機稻谷烘干效果比較表

表3 數據可知，采用稻谷熱泵干燥機雖干燥溫度較燃生物質顆粒干燥機低，但烘干時間卻縮短了24.2%，主要原因在于前者的干燥倉結構采用了混流通風角狀盒式，稻谷經干燥倉在重力作用下翻滾流動，路徑為交錯曲線，干燥段采用多層角狀盒結構，通風面積大。前者的爆腰率增值明顯低于后者，因為后者干燥溫度較高，且其采用橫流干燥倉結構，稻谷進入干燥倉為近似直線流動，貼近通風網層稻谷受熱較多，干燥不均勻而造成爆腰率增大。由此可見，稻谷熱泵干燥機采用低溫、混流、大通風能實現稻谷物料均勻受熱，有效降低干燥后的爆腰率，試驗結果與奚河濱等[12]提出的低溫大風量比高溫小風量爆腰率增值低是一致的。

4 稻谷干燥設備選型分析

通過稻谷干燥試驗，結合汕頭市朝陽區某合作社稻谷烘干中心干燥設備應用情況可知，選擇稻谷干燥機主要需考慮干燥品質、作業效率、能耗、使用便捷性、投資成本和環保要求6 個方面。通過調研市面常見的燃生物質顆粒、簡易組合空氣源（熱泵+大量電熱）和稻谷熱泵干燥機（即熱泵+少量電熱）機使用情況，分析得出結論見表4。

表4 不同類型稻谷干燥機使用性能比較表

表4 從6 個方面綜合比較了市面常用的3 種批式循環稻谷干燥機，其中簡易組合空氣源干燥機和稻谷熱泵干燥機在能耗情況、干燥品質和環保要求方面有較大優勢，而在作業效率、實用便捷性、能耗情況和投資回收期方面稻谷熱泵干燥機的優勢較為明顯。由此可見，稻谷熱泵干燥機比市面其它2種干燥機更適用于南方稻谷的干燥。

5 結語

在南方稻谷干燥特性分析的基礎上，闡述了稻谷機械化烘干存在的共性問題，分析了稻谷干燥要求及南方稻谷熱泵干燥的優勢，開展了多批次稻谷干燥應用試驗，分析了試驗數據，并調研了干燥機應用情況，結論如下。

1）南方夏收稻谷初始水分為26%～33%，為保證稻谷干燥品質干燥溫度不宜長時間超過60 ℃，采用稻谷熱泵干燥機烘干夏收稻谷，降水幅度不小于15%，批次烘干時間約為18.5 h。

2）稻谷干燥速率與稻谷品種相關，其中稻谷顆粒規格尺寸是影響稻谷干燥速率的重要因素之一。

3）烘干南方高濕稻谷宜選擇熱泵為熱源的干燥機，尤其以水冷型稻谷熱泵干燥機最優，該類型熱泵機組受氣候影響較小、且熱效率較高，能確保干燥機夏、秋收高效運行。

南方稻谷采用熱泵干燥雖擁有其特有的優勢，但夏、秋收稻谷干燥效率受環境溫度變化影響，故優化水冷機組在低溫環境的運行效率，將進一步拓寬稻谷熱泵干燥機應用市場。