真空低温连续干燥工业自动化生产线关键技术研究

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摘  要：通过对真空低温连续干燥生产线工艺性分析和关键技术研究，建立了300t/d高水分玉米真空低温连续干燥工业自动化生产线，并对生产线系统进行了生产性试验和关键技术验证分析。证明了真空低温连续干燥新技术，节能高效、绿色环保、干燥品质好。探索出了一条解决粮食干燥问题的新途径，为我国绿色干燥技术的发展指明了方向。

关键词：真空低温连续干燥  绿色干燥  节能减排  新途径
4 I' @  f5 [( x4 T" Y, D　　0  引言
: B6 y" ?1 r3 t2 C8 y! O　　当前，提高粮食的干燥能力和干燥质量是我国农业亟待解决的问题。玉米干燥的季节性很强，只有机械化的高效作业，才能保证在适宜的时间内实现收储及流通要求。针对高水分玉米的特点，进行干燥工艺和生产线的研究与设计，开发一种高效、节能、符合环保要求和操作简便的粮食干燥装置配合工业自动化生产已成为粮食生产发展的迫切需要。
　
　　由于玉米的破碎率和裂纹率问题已严重影响了安全储藏以及“四散”化流通体系的运行。当前玉米干燥面临蓬勃发展的新时期、新任务，干燥装备要适应新的市场要求，急需采用高新技术升级换代，以满足新时期对“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少”的产品需求。解决玉米干燥难题，减少玉米产后数量和质量损失，实现产业的优化升级、产品的上档升级。对于稳定粮食生产、实现粮食的“四散”化流通，保障国内外贸易具有多重性的作用，真空低温连续干燥新技术正符合这样的发展方向和要求。
$ a: \' h+ v* R0 I8 H2 P　　真空低温干燥适合于热敏感性物料的干燥，能够降低玉米的裂纹率和破碎率，避免在高温下营养成分及维生素的破坏，保证物料品质的色、香、味、形以及营养成份，同时提高了干燥速度，是真正意义上的低温干燥。从环保意义上讲，将真空干燥称为“绿色干燥”。
- O6 ^3 O! b- n5 M' b' X　　水的三态变化温度是与压力有直接关系，随着压力的降低，冰点变化不大，而沸点则愈来愈低，逐渐与冰点靠近。当压力低到某一值时，沸点即与冰点相重合，固态冰就可以不经液态而直接转化为气态，这时的压力称为三相点压力，相应的温度称为三相点温度。真空低温连续干燥使水分的汽化温度从100℃降低到43℃以下，低于淀粉的糊化温度，可避免在高温下营养成分、蛋白质、维生素等的破坏，不会对玉米籽粒产生损伤。实现真空状态下低温干燥，主要是要解决获得一定的真空压力和真空条件下被干燥物料能够均匀的获得所需的热量。通过传导加热及温控系统使真空室内被干燥物料达到均匀加热所需汽化热量的同时，再通过抽真空系统，将真空干燥室内所产生的水蒸气及时抽除达到保持所需真空度，来实现物料的真空低温干燥的目的。试验表明，真空干燥可消除常压干燥情况下容易产生的表面硬化现象。真空干燥物料的温度梯度小，物料内和表面之间压力梯度大，水分很快移向表面，不会出现表面硬化。同时能提高干燥速率，缩短干燥时间，降低设备运转费用。
　　1  真空低温连续干燥塔结构及参数
  G' V* N; ]0 c; K) t　　1.1  真空低温连续干燥塔
　　真空低温连续干燥塔采用整体装配结构，采用模块化设计、标准化生产，易于运输和现场安装。保证高水分粮食等速、均匀下落，以便维持相同的干燥时间和降水幅度，是干燥塔设计的关键技术之一。高水分玉米通过提升输送系统和进料装置进入真空干燥仓内，生产过程要求真空干燥塔内粮食维持一定的料位，起到均匀等速下落和缓冲的作用，这一过程依靠粮食自身重力和排粮机构来实现。真空干燥塔的排粮机构采用整体密封结构形式，保证了干燥仓的气密性及真空度要求。通过变频调速器控制与调节，满足排粮轮的充满系数并具有对粮层微振效果，实现了塔内粮食呈整体均匀流动状态。
　　1.2  真空低温连续干燥塔主要技术参数
　　处理量（玉米）：300t/d；
2 S8 h+ j# o: b7 q1 i, y　　降水幅度：10%~15%；
2 x' Y# D: w5 i0 \, t3 u　　干燥不均匀度：≤1%；
　　单位热耗：<5000kJ/kg&#8226;H2O；
+ B( ?7 {9 [& y4 T　　出塔玉米裂纹增加率：≤5%；
　　出塔玉米破碎增加率：≤1%；
　　玉米的色泽、气味正常，无焦糊粒、爆花粒。
0 V: N& P0 l. f+ C- k　　2  高水分玉米真空低温连续干燥生产线及工艺流程
　　生产线系统组成：由真空低温连续干燥塔系统、输送清理系统、抽真空系统、供热系统、冷凝系统、电气控制系统、保温系统、湿粮仓、干粮仓等组成。
2 w" B1 a6 @+ C+ k　　工艺流程：高水分玉米→皮带输送机→圆筒清理筛→斗式提升机→湿粮仓→皮带输送机→斗式提升机→真空低温连续干燥塔→皮带输送机→斗式提升机→干粮仓→皮带输送机→散粮汽车或仓库（如图1）。

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2 v% d, v. O5 ^7 `图1 300t/d高水分玉米真空低温连续干燥工业自动化生产线

　　3  高水分玉米真空低温连续干燥关键生产技术
; ~  F9 [2 F2 }3 ^1 n- s　　3.1玉米真空低温连续干燥系统的主要工艺参数包括真空度、汽化温度、加热温度、干燥速率、干燥强度、降水幅度、不均匀度及能耗等。
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! c0 K. W/ G7 v# U8 b4 i9 M- y$ e　　为了保证这些性能，一方面在真空干燥塔上进行优化设计；另一方面优化干燥工艺参数，两者兼顾不可轻视任何一面。根据玉米的热稳定性及破碎敏感性特点，考虑到玉米允许温度不超过43℃（低于淀粉的糊化温度），设计时应增大真空干燥室有效容积，保证物料在干燥塔内能够预热、连续进出料及均匀排粮要求。
, Y7 G* E. h  p* V　　3.2 输送清理系统主要包括皮带机输送机、斗式提升机、圆筒清理筛、磁选器、进出料装置、溜管等组成。整个物流过程在于清除粮食中的大杂、小杂、粉屑、粉尘、棉麻编制物、铁磁性物质等进入真空干燥内，避免干燥不均匀。
　　3.3真空系统由真空泵、真空干燥仓、真空阀门、管道、真空仪表等组成，由于真空干燥塔内物料温度的可控性、一致性不受加热介质温度影响，只受真空度决定，整体要求抽气能力和压力稳定性能良好。为降低汽化蒸发温度，主要靠提高系统真空度来实现。
8 Q' n& T+ g/ l: G! k$ P, `8 T; i　　3.4加热系统采用闭式高温热水循环加热，热能利用率高。主要包括供热量、温度、可调性和稳定性，加热系统的稳定性是保证干燥正常进行的重要条件。
+ J) n- D& _: n+ d) e　　3.5 冷凝系统，就真空冷凝系统而言，冷凝系统的用水量是比较大的，必须用大量的冷水将真空干燥仓内的低温蒸汽冷凝，才能获得取得较高和稳定的真空度，这是维持真空干燥正常生产的必要条件。
* F& H: q" V& J5 h0 }- r8 m2 M　　3.6 控制系统由控制柜、控制仪表、测量仪表、调节仪表、安全报警装置、PLC可编程控制器、触摸屏显示器、压力传感器、料位传感器、温度传感器以及各种开关电路组成，有效地监测、控制干燥工艺过程的操作和保证产品质量。
　　3.7 物料处于真空状态下，保证物料的连续性、均匀性、恒定加热、无死角，不产生局部过热十分关键。要求物料在干燥室内具有良好的通过性又能够均匀受热，同时保证物料水分汽化后能够及时排出。
! Y3 U: W- p4 V, U$ ^　　3.8由于设备整体处于室外作业，系统采取良好的保温措施以及保证需要的热量尤其重要。
; P3 a7 s1 q! n; r, i! J　　4  生产性试验结果分析
$ a2 ?0 [/ w+ V& M　　真空低温连续干燥自动化生产线通过生产试验，应用效果良好。十几天的生产数据表明，该机组的实际生产能力可达300~360t/d，合计干燥玉米6000t以上。经黑龙江省农业部干燥机械设备质量监督检验测试中心现场对真空低温连续干燥塔测试，初始水分24%，粮食温度-10℃，降水幅度10%时，单位热耗低于5000kJ/kg&#8226;H2O。而当地75台玉米热风烘干机的平均单位热耗为7380 kJ/kg&#8226;H2O，在相同初始条件下远低于当地热风干燥塔热耗指标，节能30%左右，噪声低于85dB（A）。出机玉米品质优良，能够保证玉米品质的色、香、味、形及营养成份。对于真空干燥塔来讲，外加变频调速技术的应用，系统节能效果更加明显。在整个生产周期内，物料进出干燥塔流畅，无堵料现象发生，各测试温度、真空度和压力均无异常波动现象，说明真空低温连续干燥系统气密性良好，抽真空系统、加热系统、物料输送系统及电气温控系统等均工作正常。真空低温连续干燥装置系统的连续性、适应性和稳定性得到了进一步的试验验证。
6 i& G0 [0 P6 F　　该真空低温连续干燥系统适用于热敏性物料、高初始湿含量及产品最终含水率要求较高的物料。实践证明，将真空技术应用到玉米干燥探索出了一条新的干燥途径。它的成功应用为今后类似性质产品的脱水干燥提供了经验，同时为干燥其它颗粒状的物料提供了新的思路。凡能直接采用热风干燥塔进行干燥的湿粮食，但产品最终含水率及品质要求较高的，均可通过上述真空低温连续干燥系统进行脱水干燥。通过调整低温干燥室的有效容积、加热温度、真空度及滞留时间的不同配置达到产品的干燥要求。该真空低温连续干燥系统的设计关键要根据物料的物理及化学特性，合理确定真空低温连续干燥系统应达到的降水幅度，并根据允许的工作环境压力、干燥环境温度、处理量及最终含水率要求，确定该系统装置的型号及规格。设计配置合理的加热系统、冷凝系统、真空系统、控制系统、物流系统等，使其具有效率最高、设备投资最少、运行成本最低。
2 r( d5 Y7 o$ T2 W- H　　5 结论
3 ^: [9 Q8 e" @1 f- n6 x  a+ r2 z　　高水分玉米真空低温连续干燥新技术研究与开发以工业化连续生产为目标，以用户为中心，以生产性试验为目的。紧紧围绕课题研究内容，展开调研、设计、制造、安装、调试、生产、试验。实践证明，该真空低温连续干燥系统具有以下特点：
( h# a) f2 Q4 Q: E0 w0 ?（1）生产线和工艺参数设计合理，达到300t/d东北高水分玉米工业自动化生产设计要求。
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3 P8 f) u2 F2 k8 R（2）真空系统、加热系统等的可调性及稳定性有利于充分发挥设备生产潜力。
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7 m" p0 K  h. Y3 B% C; K3 X（3）采用水分在线检测及微电脑自动控制有利于提高工作效率。
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（4）真空低温连续干燥的生产运行在品质、节能、环保方面显示出了强大的生命力。粮食品质和自然晾晒的品质基本相当；同当地75台玉米热风烘干机相比，热耗明显低于同气温工作的常压热风干燥，节能30%左右；干燥温度低、干燥速度快，保证了品质的色、香、味、形以及营养成份，同时降低了粉尘、挥发性物质的排放。
0 n* c5 o  T+ l( F　　本文真空低温连续干燥新技术，为类似性能产品的干燥以及研制300t/d以上大型真空低温连续干燥生产线提供了经验，具有一机多用途及独特的环保节能功效与创新性。在同类粮食产品干燥设备中居领先地位。真空低温连续干燥装置的研制成功，受到国家粮食、食品、环保、化工等相关行业的高度重视，具有较大的市场开发价值。我国干燥产业市场潜力巨大，如何将真空技术科学、合理、有效地运用在粮食干燥行业当中，科技工作者应发挥自己的专业优势以及新理论的研究，大力开发新型实用的新技术、新工艺、新装置，为我国的粮食事业做出应有的贡献。
　　真空干燥技术发展迅速，涉及的内容很广，本文只对真空技术在粮食干燥行业应用中的典型生产实例进行简要论述，还有很多未涉及的内容，请读者谅解。
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基金项目：“十一五”国家科技支撑计划“粮食干燥新技术装备和设施研究开发与示范”项目（2006BAD08B06）。

: w  E7 m9 N7 n! @, r# m. N0 p作者简介  赵祥涛，工程师，从事真空技术、干燥技术与机械制造自动化的研究；Email:xiangtao588@163.com；电话：135-13806704；地址：郑州市南阳路153号。