高水分玉米真空低温干燥工艺生产性试验研究

bomoaa

东北是我国的玉米主产区，产量占全国的30%～40%。受自然条件的影响，玉米收获水分常达22%～30%；成熟度及含水率都不均匀，根据玉米热敏性物料干燥的热特性及市场要求，考虑到它的热稳定性及破碎敏感性的特点，采用真空低温干燥技术生产性试验方法，对干燥工艺及方式进行了分析研究，设计了300t/d高水分玉米真空低温连续干燥工业自动化生产线，并对生产性试验关键技术进行了分析和研究。依据试验结果，分析玉米含水率、干燥介质温度、真空度、玉米温度、干燥时间、汽化蒸发温度等参数之间的联系与相互作用。生产试验表明：玉米含水率在24%时，维持干燥塔内真空度-0.096MPa，采用95~100℃的高温水加热，汽化蒸发温度40~43℃，一次降水幅度达到10%~15%。保证了玉米品质的色、香、味、形及营养成份，具有干燥品质好、降水速度快、产量高、能耗低、操作方便、经济性价比高等优点。
: I: F3 L. A: C: ]% c+ p2 Y; ^    关键词 高水分玉米 真空低温干燥 生产性试验 节能高效 绿色环保
6 I* k# l1 G* U* U
    0 引言
    东北高水分玉米真空低温干燥新技术研究与开发是“十五”国家科技攻关项目——“粮油产品储藏及品质检测关键技术研究”项目的专题之一，是根据谷物水分汽化蒸发温度的高低随环境压力大小而变化的原理，利用干燥塔及真空泵等形成具有一定真空的空间，在真空低温状态下连续对高水分玉米进行脱水干燥。按照“高质量、高营养、高效益、低损耗、低污染、低成本”的绿色环保干燥理念，通过生产性试验研究相关的干燥工艺技术及装备。
    到目前为止，国内外对于高水分玉米的真空低温干燥技术和工艺所进行的生产性试验研究不多。本文针对高水分玉米降水幅度大、干燥周期短的特点，进行真空低温干燥工艺生产性试验，并对实际试验结构进行了分析和讨论，为完善高水分玉米的干燥技术和研究开发高性价比的干燥装置提供实用参考依据。
    1 试验目的、原理和内容
    1.1 试验目的
    试验和验证真空低温干燥装置系统的适应性、稳定性、连续性、可靠性，使之达到节能高效、绿色环保，并保证干燥产品质量的目的。解决实际生产性试验中遇到的一系列问题，为建设工业自动化示范性生产线成套装备的设计与研究提供参考依据。
" d7 V+ \! s* V# I( q    1.2 真空干燥原理
    可知，水在汽化过程中，汽化温度跟所受的压强成对数关系，就是说，水的汽化温度随其所承受的压强的增加而升高，随其减低而降低，在真空条件下实现低温汽化；在压力ps不变的情况下，对系统加热，为保持公式平衡，必须有更多的液体汽化，使干燥速度加快；如果维持T不变，降低ps，同样会有更多的液体转化为蒸汽，这也是加快真空干燥速度的方法之一。
    1.3 测定内容
    真空干燥室内的真空度和汽化蒸发温度；入机玉米的含水率和温度；出机玉米的含水率和温度；供热温度；玉米破碎率、裂纹率增值；水分不均匀度等。
    2 试验用粮和方法
0 X  A4 o! R& n7 F8 a    2.1 试验用粮
% O; u9 s, V; h, T  ]4 J7 x    2005年自然收获的高水分玉米，连续处理量15t/h，产地吉林。平均含水率为24%~30%，含水率不均匀度小于3%，杂质低于0.9%，无霉变。
  g! b0 K% y  S$ c# o: _) Y$ }    2.2 试验方法
    在玉米真空低温干燥装置进粮口和排粮段的全断面随机抽取原粮或干燥过程中的试样，每60min取一次，每次取5kg，共100次，然后混合均匀。利用取样法、称重法、压升法、温度对比法等判断干燥是否达到要求。试样含水率、水分不均匀度、裂纹率、破碎率等测定按GB6970方法进行。
    2.3 试验设备和地点
& ^3 q9 b3 @. {7 U- R: j    采用国家粮食储备局郑州科学研究设计院制造的5ZHCY15型玉米真空低温干燥装置及清理筛、斗式提升机、皮带输送机、抽真空系统、供热系统、冷却系统、电气温控系统等设备。电脑水分测定仪0%~40%、YSG-3型真空压力表、XMT-102型数显温度传感器、半导体点温度计0~100℃、SL-401型声级计、FSF型粉碎机、TQ3288（分度值0.1mg）分析天平、温度计0~100℃等仪器作为试验检测设备，该真空干燥装置为连续式机型。在重力作用下，物料下落过程中不断翻滚有利于被干燥物料内部湿分的迁移及水分子的运动，从而使物料达到干燥的目的。物料从顶部进入至底部排出为一个干燥周期，一次降水满足生产要求。试验地点东北吉林省，时间2005年11月至2006年3月。
    3 结果与分析
" b+ j- T! Z' H7 N    3.1 试验结果
* l# z; u" ~0 _& q    该真空低温干燥自动化连续生产线已在吉林省德惠国家粮食储备库投入使用，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干燥机测试，装机功率小于200kW，工作真空度-0.096MPa，汽化蒸发温度小于45℃，裂纹增加率低于5%，破碎增加率低于1%，干燥不均匀度低于1%，粉尘浓度为3.2mg/m3；初始水分24%，粮食平均温度-10℃，降水幅度10%时，单位热耗低于5000kJ/kg?H2O；而当地75台玉米热风烘干机的平均单位热耗为7380 kJ/kg?H2O，在相同初始条件下远低于当地热风干燥机热耗指标，节能30%左右，噪声低于85dB（A），环保性能高。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。在整个生产周期内，物料进出干燥机流畅，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。
    3.2 干燥介质温度与玉米水分
! X6 R6 A4 N2 d. e. Y    该经验公式适用于各种谷物，谷物水分在3.2%~35%（湿基）之间；干燥时间在0.02~2h之间。当谷物品种不同时，系数a、b、c有所变化。对于同一种品种，两种临界温度有不同的系数a，但系数b和c相同。其中玉米的初始水分和干燥时间是决定玉米热敏感性的主要因素。为了获得玉米安全干燥温度和提高干燥速度，采取真空低温干燥方式。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。以t=95~100℃的热水作为载热体循环加热，合理设计的加热系统及真空干燥室可使干燥温度达到40~43℃。这正是玉米合适的干燥温度范围。热水的热含量高，温度稳定，工艺过程易控制，干燥质量有保证。高温热水锅炉造价低，安全可靠，操作容易。热水循环加热，既节约用水又全部回收热水余热，并可简化软水处理设备。高温水循环加热采用高温热水锅炉，热水循环系统在表压P=0.3MPa 的压力下运行，并控制水温t≤115℃。该法的关键在于系统的保压措施，必须确保热水的饱和温度比实际温度大30℃左右，以免循环热水泵发生汽蚀。
5 p9 u" _6 ~" i" h9 x    3.3 真空度、干燥速度与含水率的关系
    真空度高，有利于水分在较低的温度下汽化，但真空度过高不利于热的传导，影响对物料的加热效果。干燥速度是反映玉米中水分迁移速度的主要指标，在保证干燥质量的前提下，应尽量提高干燥速度。干燥初始阶段，物料含水率高，换热过程比较理想，真空度越高，水分蒸发越快；随着对流的减弱，以及热阻的增大，玉米含水率越来越少，如果维持真空泵抽速不变，真空度越来越大，对流越来越弱，干燥效率越来越低。采用脉动的真空度，合理调配真空度和对流传热至最佳结合点，效率更高。
! r' C: g5 Q' V$ J+ j    真空度高时，首先将物料微毛细孔中的水分抽出，此时，微毛细孔从充盈逐渐变瘪，即微毛细孔变得不通畅，深部的水分不易排出，而再随着真空度的降低微毛细孔再逐渐变得充盈、通畅。在提高真空度时，内层的水分又易排出。反复进行，水分能较快排出。比抽真空一直抽下去，不反复效果要好得多，而真空度降低的过程，又是一个掺气过程，掺进去的气体使干燥室内空气增多，提高了对流效果，使得物料本身升温速度加快，所以说真空脉动法干燥较好的兼顾利用了快速提高温度和降低压力这两个有利于干燥的条件。接下来随着物料深层温度的不断提高，物料水分气化加快，内部压力增大，而外部真空度逐渐提高，压力逐渐降低，内外压差逐渐增大，深层水分进一步扩散、溢出，随时间的延长使物料中水分愈来愈少，达到较彻底干燥的目的。
4 A1 Z4 @, W: q: c    3.4 真空度与蒸发温度的关系
    水在汽化过程中其温度与蒸汽压是成正比的，饱和水蒸汽的压力与温度为一一对应关系。为了让物料中的水分较快排出使其干燥，通常所采用的方法一是提高真空度，二是提高温度。提高真空度目的主要是降低物料周围环境的压力，这样有利于物料其微毛细孔中的水分变成水蒸气扩散迁移排出。提高温度的目的，主要是提高物料的水蒸气分压，在含水量相同的情况下，温度越高，扩散效果越好，从而提高了物料的干燥速度。提高真空度降低物料周围空间压力的目的，也是为了降低水分的饱和蒸汽分压，真空度愈高，水分的饱和蒸汽分压愈低，水分愈易蒸发，物料干燥的愈快。可见，提高温度和提高真空度都是为了加快物料的干燥，提高干燥效率。
    根据物料的特性，维生素C超过40℃就分解，改变了原有性能；蛋白质在高温下变性，改变了物料的营养成分，蒸发温度应低于淀粉的糊化温度43℃，综合考虑蒸发温度及真空度的影响。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，可消除常压干燥情况下容易产生的溶质失散及表面硬化现象，同时能提高干燥速率，缩短干燥时间，降低设备运转费用。
    4 结论
8 u% M1 D9 o& B# f% S' {    通过生产性试验证明：
    （1）该干燥工艺及生产线设计合理，满足高水分玉米工业自动化300t/d生产设计要求。
! Q$ {  O+ H# J( a& K$ c    （2）真空干燥品质明显优于传统热风烘干品质，较好地保证了玉米原有品质。
* m0 g$ w8 }7 k6 B6 {    （3）同当地75台玉米热风烘干机相比，煤耗明显低于同气温工作的常压热风干燥，节能30%左右。
    （4）干燥温度低、干燥速度快，明显快于常规热风干燥，显示出强大的生命力。
9 x! E4 c/ W" G( S( l; ]    本文真空低温干燥技术，为类似性能产品的干燥以及研制500t/d以上大型真空低温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。在同类谷物产品干燥设备中居领先地位。真空低温干燥装置的研制成功，受到国家粮食、饲料、食品、化工、环保等相关行业的高度重视，具有较大的市场开发价值。