糧食遠(yuǎn)紅外輻射干燥研究進(jìn)展

　　摘要：遠(yuǎn)紅外輻射加熱技術(shù)具有加熱升溫快、被加熱物料受熱均勻、安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，因此在糧食干燥中越來越受重視。從遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)的特點(diǎn)入手，對(duì)國內(nèi)外糧食遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)和干燥設(shè)備的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述與總結(jié)，通過分析現(xiàn)存的一些問題，指出糧食遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)和設(shè)備研發(fā)未來的主要研究方向。

　　關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)紅外輻射;糧食干燥;干燥設(shè)備

　　食品加工論文投稿刊物：《糧食加工》(西部糧油科技;陜西糧油科技)1976年創(chuàng)刊，20多年來，始終圍繞著辦刊宗旨，向全國糧食戰(zhàn)線的廣大職工和科技人員傳播信息，提供相互交流，共同探討糧油工業(yè)發(fā)展的園地。在西部大開發(fā)中，緊緊圍繞國家政策，及時(shí)報(bào)道西部糧油工業(yè)的新動(dòng)態(tài)、新發(fā)展、為我國糧油工業(yè)的發(fā)展做貢獻(xiàn)。

　　我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費(fèi)國，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示[1]，2017年我國糧食總產(chǎn)量已超過0.62×108kg。糧食產(chǎn)業(yè)關(guān)乎國計(jì)民生，但糧食收獲后在脫粒、晾曬、運(yùn)輸、貯藏等過程中的損失率高達(dá)15%，遠(yuǎn)超聯(lián)合國糧農(nóng)組織(AGRIS)規(guī)定的5%[2]，同時(shí)存在資源利用率低、附加值不高、品質(zhì)控制不足和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重制約了我國糧食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。干燥作為糧食加工過程中必需的單元操作之一，其加工過程中的能耗最為顯著，同時(shí)也是糧食長期儲(chǔ)存最為有效的方法。目前，常用的糧食干燥方法有熱風(fēng)干燥[3]、太陽能干燥[4-5]、紅外輻射干燥[6]和就倉干燥[7-8]等，干燥方法的選擇一般依據(jù)物料的干燥工藝特性。其中，紅外輻射技術(shù)由于具有均勻性、吸收性、方向性、距離特性和能量特性等優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為國內(nèi)外糧食干燥技術(shù)的主要研究方向之一[9]。

　　1紅外輻射及加熱原理

　　紅外輻射同時(shí)具有光和波的性質(zhì)，屬于不可見光，根據(jù)波長可分為近紅外線(0.76~1.50μm)、中紅外線(1.5~6.0μm)、遠(yuǎn)紅外線(6~1000μm)。紅外輻射遵守電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，既可以被物體反射、吸收，也可以穿透物體。當(dāng)物體分子的固有振動(dòng)頻率與被吸收的紅外輻射頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振并伴隨輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使得物體內(nèi)外溫度同時(shí)上升，有利于物體內(nèi)水分的外溢，從而達(dá)到加熱和干燥物體的目的。而水稻、小麥等糧食作物的最佳紅外吸收波長為6~12μm[10]，適合遠(yuǎn)紅外輻射干燥。

　　2遠(yuǎn)紅外輻射干燥的特點(diǎn)

　　目前，我國糧食干燥方式主要為可實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�生產(chǎn)的熱風(fēng)干燥，其原料主要為燃煤、燃油、生物質(zhì)燃料等，但是由于熱風(fēng)干燥的煙塵污染糧食、溫度不易控制、干制品品質(zhì)不高等不利因素，且近年來環(huán)保壓力加大，因此遠(yuǎn)紅外干燥優(yōu)勢(shì)更加凸顯。遠(yuǎn)紅外輻射干燥的水分遷移機(jī)制有利于加速整個(gè)干燥過程。遠(yuǎn)紅外輻射可使物料中的溫度梯度與濕度梯度方向相同，有利于水分遷移，加速干燥進(jìn)程，且遠(yuǎn)紅外輻射提供的熱流密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥，物料升溫迅速。遠(yuǎn)紅外輻射具有穿透性，可使物體內(nèi)外均勻受熱，有效避免了糧食在干燥過程中由于溫度不均勻產(chǎn)生的爆腰現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)粉狀、塊狀等大部分物料具有一定的殺菌、滅酶作用。由遠(yuǎn)紅外輻射原理可知，其傳輸無需借助中間介質(zhì)，因此可以減少熱量損失、提高熱能利用率。

　　3糧食遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)研究進(jìn)展

　　剛收割的糧食含水率較高，直接貯藏易發(fā)生霉變，農(nóng)戶一般采用道路或稻谷場太陽晾曬，不僅易受天氣影響，且處理量有限，降低了糧食干燥品質(zhì)。為了尋求更佳的干燥方式，自從上世紀(jì)五六十年代開始，國內(nèi)外學(xué)者便已在糧食遠(yuǎn)紅外干燥工藝、干燥技術(shù)等方面開展了相關(guān)研究工作。遠(yuǎn)紅外輻射干燥工藝對(duì)糧食干燥效果和品質(zhì)有重要影響，但是不同種類糧食在內(nèi)部組織和性狀上都存在很大差別，導(dǎo)致干燥工藝也相去甚遠(yuǎn)，并且糧食干燥過程中會(huì)揮發(fā)出大量水汽，若不及時(shí)除去，對(duì)糧食的干燥進(jìn)程和品質(zhì)都將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。相關(guān)研究目前主要集中在干燥過程影響因素、干燥理論模型方面。

　　AfzalTM等人[12]試驗(yàn)研究了輻射強(qiáng)度(0.167~0.500W/cm2)、進(jìn)氣速度(0.3~0.7m/s)、初始含水率(25%~40%d.b)、空氣濕度(36%~60%)對(duì)大麥干燥的影響，發(fā)現(xiàn)輻射強(qiáng)度對(duì)干燥速率影響最大。羅劍毅[13]對(duì)稻谷做了遠(yuǎn)紅外和熱風(fēng)干燥單因素試驗(yàn)，得出干燥特性，并對(duì)聯(lián)合干燥進(jìn)行多因子正交回歸試驗(yàn)，優(yōu)化后得出最佳工藝組合。NaretM等人[14]建立的稻谷遠(yuǎn)紅外干燥熱量和質(zhì)量傳遞理論模型，能夠合理預(yù)測干燥過程中稻谷內(nèi)部的溫度和水分分布。孫永林等人[15]對(duì)麥冬進(jìn)行薄層干燥特性及模型研究發(fā)現(xiàn)，干燥速率與麥冬切片和溫度呈正相關(guān)，且Page模型預(yù)測值與實(shí)測值比較吻合。紅外輻射器常以電作為能源，而催化式紅外技術(shù)作為一種新型的節(jié)能技術(shù)，利用天然氣與氧氣在催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，為輻射層提供能量。電紅外輻射、天然氣紅外輻射和熱風(fēng)對(duì)流3種干燥方式的熱效率和成本，其中天然氣紅外輻射熱效率最高、成本最低。

　　潘忠禮等人[16]使用催化式遠(yuǎn)紅外技術(shù)對(duì)稻谷進(jìn)行干燥試驗(yàn)，研究表明無論大米的含水率高或低，采用紅外加熱只需60s就可升溫至60℃，且稻谷品質(zhì)明顯提高。RagabKhir等人[17-18]使用催化式遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)，對(duì)含水率20.6%~25.0%的稻谷的干燥品質(zhì)、碾米品質(zhì)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明使用催化紅外發(fā)射器可以提高升溫速率和水分去除率，且加熱稻谷至60℃后再回火的方法可以明顯改善稻米的干燥品質(zhì)和碾米品質(zhì)。DeliephanA[19]使用臺(tái)式無焰催化紅外發(fā)射器對(duì)硬質(zhì)冬小麥進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)紅外照射的小麥含水率、細(xì)菌量、霉菌量較未經(jīng)紅外照射的小麥分別下降1.5%~2.0%，98.7%，97.8%。姚豪杰[20]研究了催化式遠(yuǎn)紅外技術(shù)對(duì)糙米品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)紅外加工后的糙米可采用緩蘇處理提高整米率，且遠(yuǎn)紅外技術(shù)可有效抑制霉菌生成。

　　因此，催化式紅外技術(shù)在糧食干燥方面有廣闊的應(yīng)用前景。聯(lián)合干燥是根據(jù)物料的干燥特性，結(jié)合2種或2種以上干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到低能耗、高品質(zhì)和高效的干燥效果。在國外，TuncelNB等人[21]試驗(yàn)研究了玉米單獨(dú)紅外、熱風(fēng)干燥及遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥，結(jié)果表明遠(yuǎn)紅外干燥和遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥方法可大大縮短干燥時(shí)間，且當(dāng)玉米初始含水率在16%以上時(shí)，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥更有效、更經(jīng)濟(jì)。NachaisinM等人[22]研究了遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥糙米，發(fā)現(xiàn)提高遠(yuǎn)紅外強(qiáng)度，可以降低糙米的硬度、咀嚼度和膠質(zhì)含量，但增強(qiáng)了糙米的復(fù)水性。

　　在國內(nèi)，汪喜波等人[23]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了不同操作條件對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射與對(duì)流聯(lián)合干燥稻谷過程的影響，結(jié)果顯示數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。董鵬飛，張靜等人[24-25]研究了遠(yuǎn)紅外加熱溫度、真空度和干燥時(shí)間對(duì)玉米水分變化規(guī)律、干燥速率和干燥后玉米品質(zhì)的影響，及干燥過程中的高耗能問題，結(jié)果表明遠(yuǎn)紅外低溫真空干燥可以大大改善干燥產(chǎn)品的品質(zhì)且節(jié)能優(yōu)勢(shì)突出。焦士龍等人[26]試驗(yàn)研究了稻谷遠(yuǎn)紅外輻射聯(lián)合熱風(fēng)振動(dòng)流化床干燥，結(jié)果表明此方法稻谷脫水率大、爆腰率低。

　　單一遠(yuǎn)紅外干燥有時(shí)無法達(dá)到所要的干燥效果，且為了響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保的要求，在遠(yuǎn)紅外干燥工藝的研究中，若能夠?qū)�沖擊干燥、脈動(dòng)真空干燥、熱泵干燥等新型干燥技術(shù)與遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)新型聯(lián)合干燥工藝，將可以減少單一干燥方式在糧食干燥過程中的問題，提高糧食干燥品質(zhì)。同時(shí)，研發(fā)高效率紅外輻射材料及涂層材料、建立糧食遠(yuǎn)紅外干燥質(zhì)熱傳遞動(dòng)力學(xué)模型、降低干燥過程能耗等，將是未來的主要發(fā)展趨勢(shì)。

　　4糧食遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備研究進(jìn)展

　　糧食遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備是遠(yuǎn)紅外干燥工藝的具體實(shí)現(xiàn)，國外在糧食遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備方面開展的研究較早，設(shè)計(jì)開發(fā)出一系列遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備，并得到廣泛應(yīng)用，且占據(jù)了大部分糧食干燥設(shè)備市場。國內(nèi)則起步較晚，尚處于研發(fā)階段。在國外，SoojinJ等人[27]設(shè)計(jì)了一種用于大豆蛋白和葡萄糖2種組分選擇性加熱的遠(yuǎn)紅外加熱系統(tǒng)，當(dāng)濾波器在5min內(nèi)升溫超過6℃時(shí)，蛋白質(zhì)的最佳吸收光譜在6~11μm，且組分的不同光譜吸收率數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在8.3%以內(nèi)，證明了該加熱系統(tǒng)的可行性。

　　2001年，美國CDT公司使用研制的觸媒遠(yuǎn)紅外中試設(shè)備對(duì)水稻進(jìn)行分組干燥對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，水稻籽粒爆腰率低、品質(zhì)好，能耗僅為熱風(fēng)干燥的30%左右。HidenagaS[28]設(shè)計(jì)開發(fā)了新型循環(huán)型遠(yuǎn)紅外谷物干燥機(jī)(PCE-43，53，63型)，并應(yīng)用于大豆干燥。HidakaY等人[29-31]在循環(huán)批式干燥機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)出一種商用遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)，并使用稻谷和小麥進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，與相同干燥能力的循環(huán)批式干燥機(jī)相比，耗油量和耗電量大幅下降，稻谷爆腰率下降2%，且不會(huì)影響稻谷的發(fā)芽率。無錫金子農(nóng)機(jī)有限公司(日資)開發(fā)的RVF系列遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)，該設(shè)備可以使遠(yuǎn)紅外線照射到每粒谷物，保證干燥品質(zhì)的同時(shí)，與熱風(fēng)干燥相比省油15%，省電40%。

　　在國內(nèi)，20世紀(jì)70年代中期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所[32]研發(fā)了一臺(tái)FIR-D型遠(yuǎn)紅外谷物干燥機(jī)，但是其生產(chǎn)能力偏低且成本高。同年，江西國營云山綜合墾殖場[33]研發(fā)出一臺(tái)5H-12型立軸疊盤離心式遠(yuǎn)紅外谷物干燥機(jī)，相比其他機(jī)型，該機(jī)體積小、能耗小，且被干燥谷物爆腰率大幅減小，僅為0.2%~0.6%。魏忠彩，孫傳祝等人[34-36]研制了一種紅外玉米穗干燥機(jī)，并利用其對(duì)玉米進(jìn)行等溫干燥和變溫干燥試驗(yàn)，研究了不同參數(shù)下玉米穗的干燥特性，并優(yōu)化了玉米穗紅外干燥工藝參數(shù)。張仲欣等人[37]設(shè)計(jì)了一種豎箱式遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)，該烘干機(jī)內(nèi)谷物在紅外加熱管兩側(cè)，并配以氣流，簡化了烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)。張秦權(quán)等人[38]綜合低溫真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥2種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一套真空低溫(蒸汽加熱)與遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥設(shè)備，該設(shè)備目前只能對(duì)果蔬進(jìn)行干燥，其他物料的干燥還有待于進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)。

　　劉春山[39]設(shè)計(jì)建造了一套遠(yuǎn)紅外對(duì)流組合干燥機(jī)，稻谷干燥試驗(yàn)表明，干燥能耗和爆腰率較單獨(dú)熱風(fēng)干燥分別降低28.9%和2.5%�？稆i[40]對(duì)內(nèi)燃機(jī)廢氣利用和快速干燥技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)出一種利用聯(lián)合收割機(jī)排氣余熱輔助遠(yuǎn)紅外輻射的多級(jí)干燥系統(tǒng)，并試制了部分樣機(jī)，數(shù)值模擬結(jié)果表明方案的可行性。王潤發(fā)[41]設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)紅外與逆混流引風(fēng)組合的干燥工藝系統(tǒng)，樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，樣機(jī)總體運(yùn)行可靠性高，稻谷自身溫度較傳統(tǒng)的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍，提高了稻谷的干燥品質(zhì)，降低了干燥能耗。遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備的開發(fā)基于干燥工藝的研究，且單一干燥方式有明顯劣勢(shì)，目前干燥設(shè)備的開發(fā)多為組合型，但是依然存在一些不足，如干燥過程的全自動(dòng)控制、糧食含水率在線監(jiān)測、熱能的回收利用等，且大型設(shè)備相對(duì)較少，難以滿足工業(yè)化大生產(chǎn)的要求。同時(shí)，設(shè)備從開發(fā)到定型過程中缺乏理論依據(jù)指導(dǎo)，若能夠在設(shè)備的研發(fā)過程中引入有限元分析(FEA)設(shè)計(jì)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法，不僅可以降低研發(fā)的成本、減少原料的浪費(fèi)，還能夠縮減研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

　　5結(jié)語

　　在能源日益緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻的情況下，大力發(fā)展高效節(jié)能的遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)具有重要意義。但是由于我國遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)研究起步晚，技術(shù)尚不成熟，因此還未大面積推廣。近年來，我國出臺(tái)一系列政策，鼓勵(lì)企業(yè)發(fā)展智能化高效農(nóng)機(jī)設(shè)備，并給予設(shè)備購置補(bǔ)貼，目前已有上海三久(臺(tái)資)、上海艾迪迦等企業(yè)在糧食遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)和設(shè)備上攻關(guān)克難，開發(fā)出系列烘干設(shè)備，正改變著糧食烘干行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對(duì)我國糧食機(jī)械化烘干的實(shí)現(xiàn)有著積極的促進(jìn)作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　國家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2017年糧食產(chǎn)量的公告[EB/OL].國家統(tǒng)計(jì)局，2017-12-8[2018-05-14]

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