高水分稻谷干燥工艺试验研究.pdf

第21卷 第2期 2005年2月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 21 No. 2 Feb. 2005 高水分稻谷干燥工艺试验研究 刘启觉 (武汉工业学院食品科学与工程系,武汉430023) 摘 要:针对中国南方地区稻谷收获季节需及时干燥高水分稻谷的市场要求,采用试验方法,在分批循环式稻谷干燥机上 试验了低恒温干燥、 变温干燥和变温干燥过程中增加缓苏时间的三种干燥工艺。依据试验结果,分析稻谷含水率、 干燥介质 温度、 稻谷温度、 缓苏烘干时间比等参数之间的联系与相互作用。试验表明:稻谷含水率高于21%时,降水速率可大于每小 时1% ,可采用6070的介质。当稻谷含水率小于18%时,介质温度应小于60,降水速率小于每小时1%。当高水分稻 谷进行了34次烘干缓苏后,利用中间缓苏仓增加缓苏时间,使稻谷内部与表层的温度、 水分趋于平衡,有利于改善烘后 品质和后续工艺的干燥降水。该结论对高水分稻谷干燥工艺设计和设备研制具有实用参考价值。 关键词:变温干燥;稻谷裂纹;降水速率;缓苏烘干比 中图分类号: S375 文献标识码: A 文章编号: 100226819(2005)0220135205 刘启觉.高水分稻谷干燥工艺试验研究J .农业工程学报, 2005, 21(2): 135- 139. L iu Q ijue. Experi mental research on drying technology for high moisture content paddyJ .T ransactions of the CSA E, 2005, 21(2): 135- 139. (in Chinese w ith English abstract) 收稿日期: 2004204226 修订日期: 2004212206 基金项目:农业科技成果转化资金资助项目(02EFN 214200421) 作者简介:刘启觉(1956- ),男,湖南省常德市人,教授,主要从事粮 食工程的教学和科研工作。武汉工业学院食品科学与工程系, 430023 0 引 言 中国是世界稻谷生产第一大国,年总产量1. 81. 9 亿 t, 约占世界总产量的40%。在南方地区,由于温度、 湿度、 雨量、 光照及土地资源等多种原因,稻谷种植以 “双季” 为主。 在稻谷的收获季节,常遇阴雨天气,农民经 常需要及时处理水分高于21%的高水分稻谷。如何在 保持稻谷烘后品质的条件下,提高烘干机生产效率,降 低烘干成本,是一个重要的研究课题。国内外众多科技 工作者对稻谷干燥理论、 工艺和运行工况进行了大量研 究工作。Chouw Inprasit和A thapolNoomhorm 1探讨 了不同类型的烘干机在不同的工作条件下,干燥介质温 度和谷物温度对稻谷品质的影响。Hung2N guyen L , D riscoll R H和Srzednicki G 2研究了稻谷水分从 25% 降 至15%时 的 干 燥 介 质 条 件。Cnossen A G, Siebenmorgen T J等 3论述了稻谷烘干和缓苏工艺的 操作要求、 干燥介质温度和降水速率对稻米品质的影 响。N attapol Poom sa2ad等4讨论了缓苏在稻谷干燥工 艺中的重要作用。李友荣5、 张浙等6研究了对流干燥 过程中水分蒸发、 扩散的物理机理以及模型的建立。曹 崇文7则针对稻谷干燥的特点,对干燥过程中产生的爆 腰现象和影响稻谷品质的主要因素进行了分析。 刘木华 等8- 10基于玻璃化转变的稻谷爆腰机理,并在初步实 验室试验的基础上,提出了基于玻璃体转变的变温干燥 工艺和高温干燥工艺。到目前为止,国内外对于高水分 稻谷的干燥技术和工艺所进行的系统试验研究不多。 本 文针对高水分稻谷降水幅度大,干燥时间长的特点,进 行低温干燥、 变温干燥、 变温干燥加停机缓苏工艺试验, 并对试验结果进行了分析和讨论,为完善高水分稻谷的 干燥技术和研究开发高性价比的干燥装备提供参考依 据。 1 材料和方法 1. 1 试验材料和内容 对两优培九晚稻品种在低恒温 (55 )干燥工艺、 变 温干燥工艺(风温逐渐降低)和变温停机缓苏干燥工艺 条件下,以及在装机容量6000 kg? 批、 每次循环烘干时 间10 m in、 缓苏时间58 m in、 初始裂纹率3%的工况条 件下进行试验,测定稻谷含水率、 水分不均匀度、 爆腰累 计增加百分点,计算降水速率。 1. 2 试验方法 在稻谷烘干机进粮口和排粮口的全断面随机抽取 原粮或烘干缓苏循环过程中的试样,每分钟一次,每次 1 kg,共10次。 然后混合均匀,试样含水率、 水分不均匀 度、 裂纹率测定按国标GB6970方法进行11。 1. 3 试验设备和地点 采用台湾三久公司制造的N EW PR06H型稻谷烘 干机及台湾三久公司制造的TD26米麦两用水分计、 CTR2200E单粒水分计、DC250爆腰检查器、HS2500携 带型米质判断机、ES21000谷粒判别器、RM2150米粒 外观照相机以及武汉仪表公司生产的温度计、 湿度计、 流量计等仪器作为试验检测设备,该干燥机为分批式机 型,上部是缓苏段,下部是干燥段,稻谷从顶部降至底部 后,经提升机提升到顶部为一个烘干缓苏循环。试验地 点在湖北省沙洋农场。 2 结果与讨论 2. 1 试验结果 试验结果见表1、 表2、 表3。 531 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2. 2 干燥介质温度与稻谷水分 稻谷是热敏感物料,它的受热允许温度可采用文献 12推荐的经验公式描述: TC=a-blnt-clnM 式中 TC 临界温度,分为两种情况,起始损伤温度 (临界温度下限)和完全致死温度(临界温度上限 ), ; t 干燥时间, h;M 含水率 , % ( 湿基)。 该经验公式对各谷物品种都适用,且适用范围较 广。谷物水分可在3. 2%35% (湿基)之间;干燥时间 可在0. 022 h之间。当谷物品种不同时,其系数a、b、 c均有变化。 对于同一谷物品种,两种临界温度有不同 的系数a,但系数b和c是一样的。影响稻谷安全干燥的 因素有多个,但稻谷的初始水分和干燥时间是决定稻谷 热敏感性的主要因素。 为了得到稻谷安全干燥温度和体 现干燥过程中水分变化的特点,可再采用Sun 13的玻 璃体转变理论方法来讨论稻谷安全干燥温度。 该理论认 为,物料由两部分组成:一部分是被分子占据的体积,另 一部分是未被占据的自由体积。 正是由于自由体积的存 在,分子链才能转动或位移,从而发生结构变化(如体积 缩小,裂纹产生与扩散)和化学变化。 当物料由橡胶态向 玻璃态转变时,自由体积不断缩小,内应力不断增加。 当 物料达到玻璃态时,自由体积达到最低值。超过此极限 后,在内应力集中的地方,将产生微细裂纹。 若继续干燥 过程,随着水分不断蒸发,则微细裂纹会不断扩散。所 以,在稻谷干燥工艺中,必须有一段静置时间(缓苏 ), 使 谷物内部玻璃态朝橡胶态转变。 表1 两优培九(晚稻)按低温烘干工艺试验测试数据 Table 1 Tested data based on low temperature drying technology for L iangyou Peijiu late paddy rice 烘干缓苏 循环次数 进机稻谷水分 ?% 降水幅度 ?% 最高粮温 ? 热风温度 ? 热风流量 ?kg (100kg h)- 1 降水速率 ?%h- 1 爆腰累计增加 百分点?% 水分不均匀度 ?% 124. 211. 0128. 6552550. 89103. 75 223. 201. 0930. 855. 52550. 96203. 17 322. 111. 0731. 6552550. 89112. 64 421. 100. 9232. 455. 52500. 81231. 96 520. 180. 8433. 6552520. 74111. 75 619. 340. 7534. 155. 52470. 66211. 44 718. 590. 6834. 8552410. 60011. 12 817. 910. 6135. 255. 52400. 53820. 95 917. 300. 5635. 5552390. 49430. 78 1016. 740. 5235. 855. 52350. 45920. 62 1116. 220. 5135. 9552320. 45020. 58 1215. 710. 4936. 155. 52300. 43230. 52 1315. 220. 4836. 4552270. 42420. 48 1414. 740. 4636. 5552150. 40620. 44 注:环境条件:大气温度: 21;大气相对湿度: 73%。3 处数据存在检测误差,未列出。 表2 两优培九(晚稻)按变温干燥工艺试验测试数据 Table 2 Tested data based on variable temperature drying technology for L iangyou Peijiu late paddy rice 烘干缓苏 循环次数 进机稻谷水分 ?% 降水幅度 ?% 最高粮温 ? 热风温度 ? 热风流量 ?kg (100kg h)- 1 降水速率 ?%h- 1 爆腰累计增加 百分点?% 水分不均匀度 ?% 124. 281. 5231. 2702191. 34104. 32 222. 761. 3433. 7682171. 18233. 51 321. 421. 1634. 9652211. 02402. 64 420. 261. 0335. 5622180. 90911. 68 519. 230. 8535. 9602100. 75011. 34 618. 380. 7236. 2582070. 63511. 15 717. 660. 6536. 6552110. 57420. 97 817. 010. 6136. 9552090. 53830. 82 916.400. 5637. 1552070. 49420. 71 1015. 980. 5437. 2552060. 47630. 60 1115. 440. 5237. 2552040. 45920. 52 1214. 920. 5037. 3552050. 44120. 47 注:环境条件:大气温度: 19;大气相对湿度: 75%。3 处数据存在检测误差,未列出。 631农业工程学报2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表3 两优培九(晚稻)按变温停机缓苏干燥工艺试验测试数据 Table 3 Tested data based on variable temperature drying2stopping2tempering technology for L iangyou Peijiu late paddy rice 烘干缓苏 循环次数 进机稻谷水分 ?% 降水幅度 ?% 最高粮温 ? 热风温度 ? 热风流量 ?kg (100kg h)- 1 降水速率 ?%h- 1 爆腰累计增加 百分点?% 水分不均匀度 ?% 124. 301. 5331. 1702211. 35004. 25 222. 771. 3333. 5682201. 17403. 62 321. 441. 1434. 6652171. 00602. 57 420. 301. 0535. 2622130. 92601. 73 停机缓苏1 h 519. 251. 0835. 4602200. 95311. 38 618. 170. 9236. 1582140. 81211. 03 717. 250. 8136. 5552170. 71510. 83 816.440. 6236. 8552150. 54710. 71 停机缓苏1 h 915. 820. 6436. 9552130. 56510. 55 1015. 180. 5736. 9552100. 50320. 48 1114. 610. 5337. 1552070. 46820. 42 注:环境条件:大气温度: 22;大气相对湿度: 74%。 现将不同干燥工艺条件下测试的干燥时间、 稻谷水 分和干燥速率之间的关系绘制成图,见图1。从表1、 表 2、 表3中数据和图1中的曲线可以看出,当稻谷水分高 于21%时,即使采用6070的干燥介质,因降水幅度 较大,水分蒸发较快,最高粮温不超过40,微毛细管 吸收淀粉细胞粒中的水分,然后蒸发、 扩散到表层附近 是一个缓慢的过程,需要一定的时间,且因糙米皮层和 糊粉层中的蛋白质、 纤维和半纤维的含量较高,结构较 细密。 由于颗粒收缩,使糙米表层的水分扩散通道变细、 变窄,对水分的阻力增大,使水分穿过皮层的速率大为 降低。 若干燥介质温度较高,因水分蒸发速率降低,由水 分带走的热量减少,会导致粮温升高,颗粒内部蒸汽压 力增加和表层的水分蒸发加快,因内部水分不能及时补 充,造成糙米皮层的某些局部硬化,阻断水分蒸发的通 道,降低烘后品质,严重的情况还会产生爆腰。所以,谷 粒的水分较低时,应采用低温慢速干燥。 图1 两优培九(晚稻)采用不同干燥工艺时的降水速率 Fig. 1 D rying rates based on different drying technologies for L iangyou Peijiu late paddy rice 2. 3 降水速率与稻谷含水率 由稻谷降水速率曲线可以看出,稻谷含水率高于 21%时,每小时的降水可达到1%以上,稻谷含水率高 于18%时,每小时的降水可大于0. 6%。这是因为高水 分时,谷粒表层的自由水分大多是毛细管水分和润湿水 分,水分与谷粒表层的结合较松弛,特别是分布在谷粒 表层的粗毛细管中的饱和水蒸汽压力与自由表面上饱 和水蒸汽压力几乎没有区别。故这种水分比较容易除 去,可采用较高的降水速率。当稻谷含水率低于18% 时,颗粒表层和内部的自由水分大大减少,糙米颗粒体 积收缩,使水分扩散和蒸发的通道变窄,但颗粒内部的 水分还能连续穿过皮层,只是扩散和蒸发的速度降低, 故降水速率明显降低。当稻谷含水率低于16%时,一方 面,糙米颗粒失水较多,体积进一步缩小,水分扩散和蒸 发的通道也更窄,水分穿过皮层的阻力更大。 另一方面, 颗粒内的自由水分较少了,机械结合水分蒸发需要较多 的能量,蒸发速率亦慢得多。 所以,每小时的降水一般低 于0. 6%。 2. 4 稻谷温度与干燥方式 Chouw Inprasit等学者 1将不同类型的烘干机、 在 不同操作条件下的干燥介质温度与稻谷温度对烘后品 质的影响进行了研究和比较,说明稻谷温度的增加、 干 燥段的时间延长,将使整米率下降。 文献2使用喷动床 干燥机,采用80160的干燥介质。文献4使用流化 床干燥机,采用110170的干燥介质。这两种试验装 置说明:高水分稻谷可采用较高的干燥介质温度,但连 续干燥时间均小于1 m in。本试验采用分批式循环干燥 机,所进行的是生产性试验,每次循环的干燥时间在7 15 m in之间,不能使用高于70的干燥介质,否则将 影响稻谷的烘后品质。 试验表明:根据稻谷含水率的不同,采用不同的介 质温度,可以缩短烘干时间,提高产量,并降低烘干成 本。 当采用喷动床、 流化床或滚筒干燥方式时,使稻谷表 层快速升温,然后在其后的缓苏工艺中,让表层温度向 内部传递,同时,让内部水分向外扩散,但瞬时最高粮温 731 第2期刘启觉:高水分稻谷干燥工艺试验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 亦不能过高。从表2、 表3可以看出,当稻谷含水率高于 21%时,试验中也采用70左右的干燥介质,但在整个 烘干过程中,稻谷的温度均控制在40以内。因为稻谷 颗粒的温度较高时,颗粒内部淀粉细胞内的水蒸气压力 将升高,内应力将增大。 特别是在干燥工艺的后段,糙米 颗粒失水后表层收缩,致使内部水分穿过表层的阻力增 加,这将导致颗粒内部压力迅速增加。 2. 5 稻谷的缓苏与烘干比值与稻谷含水率 文献1- 3、7, 8、14, 15均讨论了缓苏与烘干比值 与稻谷含水率、 干燥介质温度之间的关系以及对稻谷烘 后品质的影响。经过图1中曲线1、 曲线2和曲线3的 比较和分析说明:缓苏与烘干比值是稻谷干燥工艺的重 要参数之一。当稻谷含水率高于21%时,缓苏与烘干比 值在56的范围内,可以采用6070的介质温度, 每小时的降水亦能达到1%以上。这是因为稻谷颗粒的 自由水分较多,当表面的水分蒸发后,经过约1 h的缓 苏过程后,内部水分就可以扩散、 补充到表层。 当稻谷含 水率降至17%18%时,若烘干与缓苏比值保持不变, 每小时的降水率小于0. 8% ,这说明颗粒内部水分扩散 到表层的阻力增大,需要较长的缓苏时间,才能使颗粒 内外水分接近平衡。同理,当稻谷含水率在15%16% 时,则需要更长的缓苏时间才能使颗粒内外水分接近平 衡,每小时降水小于0. 6%。从图1中曲线2、 曲线3与 曲线1可以看出:依据稻谷含水率变化,采用变温干燥 比恒温干燥节省干燥时间,可以提高干燥机的生产效 率。 同时,将曲线3与曲线2相比较,曲线3在稻谷含水 率为18. 5%19. 5%和15. 5%16. 5%时,分别增加了 1 h的缓苏时间。试验表明, 当高水分稻谷经过34次 烘干、 缓苏循环后,降水速率明显降低。 稻谷越接近安全 水分,则降水速率越低。曲线3表明,在干燥过程中,若 有一个较长的缓苏时间,可让颗粒内部部分将要转化为 玻璃态的物质回复到橡胶态,增加物质的弹性。本试验 稻谷的原始水分为24%25% ,经34次烘干缓苏 后,停机缓苏时的稻谷含水率分别为19%和16%左右。 该试验还说明,在高水分稻谷干燥工艺设计中,若能增 加一个中间缓苏仓,相当于增加烘干机缓苏段的容积, 或借用粮库和粮食加工企业已有的粮仓,作为暂存仓, 将高水分稻谷分几次干燥,每次降水3%5%。即烘干 缓苏循环34次后,进入暂存仓缓苏一段时间,再进行 下一次干燥过程。采用上述干燥工艺,有利于提高分批 循环式干燥机的产量和改善烘后品质,但中间缓苏仓的 选择及因而产生的装卸和输送问题,应根据实际情况, 综合考虑。 3 结 论 通过试验测试和上述分析,可以获得如下结论: 1) 对于高水分稻谷,采用变温干燥工艺比恒低温 干燥工艺可以提高降水速率,缩短烘干时间。可以避免 高水分稻谷因在高温、 高湿环境中的时间过长而产生的 糙米颗粒染色的问题。当水分高于21%时,颗粒表层的 自由水分较多,应提高介质温度和降水速率。当水分低 于18%时,应采用较低的介质温度,防止裂纹增加,降 低水分不均匀度,改善烘后品质。 2) 降水速率是一个重要的工艺参数。它与稻谷含 水率、 缓苏烘干比值大小和介质温度有关。当水分高于 21%时,每小时的降水率可大于1%。当水分低于18% 时,每小时的降水应控制在0. 8%以内。 3) 在稻谷烘干技术中,缓苏工艺非常重要。但本试 验结论因受试验条件等因素限制,只能采用停机缓苏循 环工艺,使高水分稻谷经34次烘干缓苏循环后,将稻 谷的缓苏时间延长,使颗粒内部和表层的水分接近平 衡,有利于后面几个循环的干燥降水。对于分批循环式 干燥机,当干燥段容积相同时,缓苏仓容积较大机型的 产量较高,烘后品质亦较好。 在工程设计和生产实践中, 对于高水分稻谷,可将几台分批式干燥机串联使用,并 每隔23台干燥机,增设一个中间缓苏仓,从而增加缓 苏时间。若一台干燥机,亦可利用暂存仓作为干燥机的 缓苏段,增加缓苏比。 参 考 文 献 1 Chouw Inprasit, A thapolNoomhorm. 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