斜床式种子干燥机适用性分析与干燥工艺优化

许才花,韩长生,佟 童,高东航,彭 博,武维昭,李 震

(黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院,黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

种子是农业种植业的重要基础资源,种子的品质直接影响农作物的产量和产出品质,对于农业经济效益和社会效益影响很大。处理工艺对种子加工的质量影响很大,对于大部分的农作物种子,其收获后的含水率通常在35%～45%之间,含水率在此范围的种子很容易产生发芽或发霉,需要进行干燥处理才能避免出现以上问题。因此,通过干燥机对种子进行处理,使其含水率降低至14%左右,是种子优质处理的重要评定因素。

现代化的种子批量处理过程对于干燥机的技术选择类型选择要求很严,传统的机械烘干技术占地面积大、工作效率较低,多应用于粮食烘干,不能完全满足种子烘干的技术要求。斜床式种子烘干机整合了传统卧床式烘干机的技术特征,并与现代化的新型节能技术、流化床技术相整合,为保证烘干质量、提高烘干效率提供了有效保证。

1 种子干燥基本原理

现阶段的种子干燥机的烘干原理与大部分谷物烘干机类似,烘干过程主要采用两种原理,一是通过能源设备给种子加热,使种子达到合理温度,种子受热后外表面首先升温,使种子外部温度显著高于内部温度,由于整体温差的影响,会产生热扩散现象,使水分随热源方向由高温处移向低温处;二是通过干燥的空气流动保持种子周围环境持续干燥,种子表面的水分率先被蒸发,种子整体水分失去平衡,由于表面含水率和内部含水率的差异性影响,种子水分产生湿扩散现象,使水分由含水率高的部位向含水率低的部位转移。无论是种子产生热扩散还是湿扩散,其内部的水分均不断向表面转移并不断散发到周围环境中,因此,为保持种子内部水分在最佳的条件和效率下散失,应保持合理的种子温度并使空气的含水率尽可能低[1-2]。

因此,种子干燥的过程可以理解为种子与外界环境之间的湿热交换过程,要保证种子内部的水分不断扩散到外部环境中,在烘干技术的角度来看,最好要保持恒定温度的空气持续在种子附近流动,避免空气介质因种子扩散产生的水分而产生饱合,使干燥环境与种子之间在达到干燥目标之前始终保持稳定的含水率差,这是保证种子稳定且快速干燥的基本条件。在此过程中,种子的温度控制十分重要,既要保证水分散失的热效率,还要避免因温度过高造成种子营养成分损坏或活性降低[3]。

2 斜床式种子干燥机

斜床式种子干燥机是一种结构简单的干燥设备,与传统的平床干燥机结构类似,其粮层平铺的方向与水平地面呈一定角度,这种结构形式有利于缩小烘干机的占地面积,同时能在一定程度利用水平方向的干燥气流,提高热风利用率。斜床式种子干燥机主要利用干燥的热空气为介质,通常将空气加热升温至40 ℃左右后,利用风机驱动热空气形成气流,穿过斜床孔板与粮层持续接触,粮层厚度通常在35～40 cm范围,根据不同的种子类型,干燥时间也存在一定差异,大部分谷物种子干燥可在12～14 h完成,大豆等难于干燥的种子通常是16～18 h完成干燥[4]。斜床式干燥机在一定程度改善了平床干燥机的干燥不均匀问题,使上下层粮食的水分差异控制在3%左右,在一定程度避免了过度干燥或局部过湿问题。且整机维护保养便捷、建设成本低,受到农业从业者的青睐。

3 适用性分析

从现阶段种子烘干设备的实际应用来看,斜床式种子干燥机具备良好的应用优势,其对大部分种子的适用性较好,其应用特点主要表现在以下几方面。

3.1 应用优势

首先,斜床式种子干燥机的斜度可以根据烘干种子特性或实际需要进行自由调节,进而实现对种子在斜床上停留时间的调整,利用简单的结构调整就能实现对烘干效率和最终含水率的调节,从而对难干燥或易于干燥等不同各类种子的良好适用性。

其次,斜床式种子干燥机整体结构相对简单,与卧床式种子干燥机的技术特征类似,但生产能力相应增强且占地面积减小,物料流动性更好。整体的建设成本和占地面积相对更低,生产过程的成本投入和维修投入也相应降低。

再次,将斜床式结构与流化床技术相整合,与普通卧式流化床烘干设备相比,其热传导系数明显增强,种子之间的热效率效率显著增加,最佳热传导系数可达5 000～7 000 W·(m3·℃)-1,可实现在更小的空间内处理更大的物料。此外,与传统的机械结构相比,斜床式种子干燥机对于气流的接受面积更大,干燥的过程相对更容易,也间接使干燥机的能耗有所降低。

3.2 不足之处

由于采用了斜床式的结构,会导致在烘干种子的过程中存在以下问题。第一,对于形状规则的圆形或椭圆形种子在斜床结构上受到重力的影响会存在一定的聚堆或返混问题,导致局部位置的种子烘干质量不均匀,出现部分未干燥的种子随输送装置一同排出烘干室之外;第二,对于表面含糖量较高或易于黏结的种子适用性不好,由于斜床结构会造成种子局部粘结成块,或种子粘结在烘干设备表面而造成堵塞;第三,由于烘干效率较高,对于部分稳定性不好的种子不适用,易造成种子在烘干过程中出现爆裂变形等损坏问题;第四,若采用斜床干燥结合流化床技术,对于种子的大小存在一定的限制,通常颗粒大于6.5 mm或小于2.5 mm的种子烘干质量会有所降低。

4 干燥工艺优化

4.1 种子特征分析

尽管农作物种子的类型、体积、外形及内部结构存在一定的差异性,但从烘干的角度来看,其与内部水分散失相关的特征大致相同。

首先,种子内部的水分主要可分为两种类型:一种是与种子中的糖类、蛋白质、磷脂等紧密结合在一起的水分,这部分水分与其它物质结合成胶体的形式存在,占比相对较低,称之为结合水,在烘干过程中通常不会蒸发;另一种是以溶剂的形式存在的游离水,其功能是维持种子必须的一系列生命流动,保持种子的新陈代谢,在干燥处理的过程中,游离水很容易扩散到周围的环境中,随着游离水含量的减少,种子的新陈代谢逐渐降低,有利于种子内部养分和活力的保持[5]。

其次,种子中的含水率与周边的环境均存在明显的影响关系,在干燥的环境中,种子的含水率会逐渐降低,但在潮湿的环境中种子也很容易吸湿回潮。此外,若环境温度较高,种子内部的水分运动更为活跃,水分散失效率相应提升。反之,环境温度较低时,种子内部的水分运动不活跃,种子内部水分不易散失。

再次,对于大部分种子而言,必须将其含水率控制在14%以下,此时种子内部的游离水已经基本散失,而种子的贮藏能力达到最佳,但由于作物各类的不同,其实际的安全贮藏含水率也不相同,这主要是种子的化学成分和生态结构影响导致的。此外,部分种子本身贮藏性能不佳,对于烘干的要求就更严格,部分烘干技术的精确性可能达不到此类种子的烘干要求。

4.2 干燥流程优化

4.2.1 主体流程

斜床式种子干燥机的工作流程如图1所示。烘干机内部的工作流程为预热→匀速干燥→缓苏→冷却四大步骤,此外还包括烘干前的种子预处理、种子输入及烘干后种子排出。

图1 种子干燥流程

4.2.2 种子预处理

干燥前种子的品质对于干燥后种子的品质有直接影响,因此,在进行种子干燥前应做好前期种子预处理工作。首先,要保证种子的清洁,对种子进行除尘处理,并通过机械筛分结合人工挑选去除种子中混杂的石子、秸秆等杂质,去除已经破损或发霉的种子;其次,去除种子表面附着的水,通过振动输送过程去除清洁过程种子表面粘附的水。确认种子品质达标后,可进行干燥处理。

4.3 种子干燥

种子干燥的主要目的是促进游离水的全面蒸发排出,并保留全部的结合水,干燥工艺可从以下几方面进行优化。

4.3.1 干燥逻辑优化

首先,应充分结合播种种子的类型特点,分析种子的物理化学特性,根据干燥过程种子的水分蒸发性能进行归类。需要考虑以下的关键参数:1)内部水分扩散速度。通常与种子表皮结构关系密切,内部水分扩散快,例如,小麦、玉米等禾本科种子单次(小时)烘干含水率可降低4%～5%,烘干的循环过程可进行简化;大豆、水稻等种子内部水分不易扩散,单次(小时)烘干含水率仅降低0.5%～1%,烘干需要进行多次重复的干燥、缓苏过程才能达到干燥目标。2)确定烘干的最佳温度。种子干燥机应具有多种烘干温度可选,根据不同种子的失水逻辑和耐热性,进行分度分类,分析种子籽粒的淀粉成分、脂肪成分、籽粒尺寸等参数,充分考虑干燥过程内外压力情况,避免出现种子爆裂等损失问题。3)确定最佳气流流速。通常情况下,气流流速越高,烘干的效率越高,同时更有利于将湿度较高的空气带离烘干室,确保烘干过程保持最佳的相对湿度差。4)做好各项参数之间的协同。对于热敏感的种子,应采用低温大风力的烘干模式;对于常规种子,在保持谷粒内部水分扩散速度与其表面蒸发速度相一致的墙体下,可将热风温度尽量设置到接近最高温度。

4.3.2 传统工艺优化

应重点从以下几方面进行优化:1)提升预热效率。预热过程对于整体的烘干效率影响较大,通常情况下,预热是对种子层进行初步升温,使种子达到水分蒸发转移的温度条件的过程,在此过程中种子内部水分含量变化很小,使干燥的启动阶段。为进一步提高效率,可将此阶段与种子输入烘干仓的阶段相整合,一方面提前开启增温模式,使烘干仓内保持良好的初始温度,另一方面在送入种子的过程同步开启热风干燥功能,在种层逐渐增厚的过程中实现一定程度的升温。2)加强干燥参数监测。当种子层的干燥速率达到稳定状态,应对种子的水分蒸发速度进行传感器监测和数据预判,及时判定干燥速度由等速向减速的转变接点,此时适当降低温度并增加热风风速,配合内部水分则向表面转移,并利用监测数据判断后期的循环重复干燥次数,并对后期干燥逻辑进行修正。3)当种子含水率达到缓苏标准后,必须及时进入缓苏堆放阶段,促进种子之间和种子内外部温度均衡传递,使种子内部和表层的水分含量趋于平衡,缓苏阶段应持续监测含水率变化情况,作为判断是否进入冷却阶段的数据依据。4)在传统通风冷却技术基础上,将风机与传感器建立联动,尽量保证降温过程的均匀性,通常情况下,冷却过程种子含水率变化较小,降低幅度不超过0.5%。

5 结语

综上所述,斜床式种子干燥机应进一步与现代化的控制技术、监测技术相结合,利用优化干燥控制流程促进干燥质量、干燥效率的提升,实现传统机型的优化升级。除在控制逻辑及工艺上进行优化外,还应充分考虑种子在干燥过程的状态,斜床式的结构在一定程度降低了种子重力对种层的压实问题,有利于热气流通过种层,促进气流与种层的全面接触,提高干燥后种子的均匀性。