孫慶運 王光輝 王德成 李巖芳 葉炳南

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

巨菌草系禾本科狼尾草屬多年生草本植物，原產自非洲，福建農林大學菌草研究所于2005年自南非引種成功[1]。巨菌草作為一種高產優(yōu)質的刈割型牧草，一年可以刈割多次，平均產量可以達到150 t/hm2，營養(yǎng)價值豐富[2-3]。另外，巨菌草還可以作為食用菌與藥用菌的培養(yǎng)料，以及用于生產乙醇、秸稈生物質燃料等[4]。

巨菌草收獲后的含水率在70%～85%之間，物料較高的水活度會引起物料變質[5]，不利于巨菌草的貯藏和加工，因此需要降低其內部含水率。通過干燥降低物料中的水分，從而限制微生物生長，阻止化學反應和酶解反應，減少營養(yǎng)成分的損失，延長貯藏時間。

人工干燥主要分為強制通風干燥、高溫快速干燥、刈割壓扁以及化學添加劑干燥[6]等，其中高溫快速干燥方法應用最為廣泛[7]。為了實現(xiàn)苜蓿的快速干燥，王光輝等[8]研制了一種牧草組合干燥裝備，由氣流干燥和轉筒干燥組合而成，提高了苜蓿干燥的效率。王建英[9]提出了一種四重滾筒牧草干燥機，并以苜蓿品質作為指標，進行了干燥工藝參數(shù)優(yōu)化。GU等[10]則通過分析柔性顆粒在轉筒干燥機內的干燥過程，建立了相應的傳熱傳質模型，分析干燥過程中水分的傳遞和熱量的交換。關于牧草干燥方面的研究還有太陽能干燥[11-13]、自然晾曬[14]等。但是目前國內外尚未見關于巨菌草干燥方面的研究，缺乏針對巨菌草以及高稈禾草高溫快速干燥的成套設備以及干燥工藝方法。

本文結合高稈禾草的物理特性，以高溫干燥工藝方法為基礎，設計一套適合巨菌草以及高稈禾草干燥的高溫快速干燥設備，以解決現(xiàn)有設備生產率低、堵料、集料不充分的問題。利用該套設備進行巨菌草干燥生產試驗，并與新鮮物料、自然晾曬物料進行對比，分析干燥后巨菌草表觀質量和品質的變化。

1 干燥設備總體設計

1.1 整體結構

為滿足巨菌草干燥的需求，以初始含水率65%、最終含水率17%、生產率3～4 t/h為設計要求，設計了以高溫空氣為熱源的三回程轉筒干燥設備。該套設備的總長度30 m，高度為9.5 m，包括進料段、干燥段、集料段、除塵段以及控制單元。其中進料段包括關風器、上料機、進風管路、進料前后溫度傳感器以及壓力傳感器；干燥段包括三回程轉筒、鏈傳動部分、托輪以及擋輪；集料段則包括集料器、出料關風器1、溫濕度傳感器和壓力傳感器；除塵段由旋風除塵器、出料關風器2以及風機組成，其中風機作為物料輸送的主要動力。設備整體結構圖如圖1a所示，圖1b為設備的實物圖。

圖1 干燥設備Fig.1 Schematic diagram and physical drawing of drying equipment1.生物質鍋爐 2.進風管路 3.溫度傳感器 4.進料關風器 5.溫度傳感器 6.壓力傳感器 7.三回程轉筒 8.托輪 9.擋輪 10.驅動鏈輪 11.出料關風器1 12.集料器 13.出料關風器2 14.旋風除塵器 15.風機 16.溫濕度傳感器和壓力傳感器

1.2 工作原理

設備的熱源為673 K以上的高溫空氣，牧草經(jīng)進料關風器進入進風管路中，迅速與高溫空氣混合，發(fā)生劇烈的傳熱傳質過程，牧草的溫度迅速上升，表面水分快速蒸發(fā)，牧草表面和內部形成較大的水分差，在水勢的作用下，內部水分迅速遷移到牧草表面，同時高溫空氣溫度降低。高速的高溫空氣起到輸送的作用，牧草依次通過三回程轉筒內部的3個筒體，在抄板的作用下牧草與高溫空氣迅速混合，將牧草內部水分充分蒸發(fā)，使牧草內部的含水率降到安全含水率以下。干燥后的整草和碎草由集料器進行收集，物料中的粉塵由氣流帶走，經(jīng)旋風除塵器將灰塵排出。該干燥設備通過控制單元控制各部分電動機的啟停、轉速以及風機風量等，實現(xiàn)最佳的干燥效果。

2 關鍵參數(shù)計算和結構設計

2.1 關鍵參數(shù)的確定

2.1.1熱量

依據(jù)設備的生產率以及初始含水率等參數(shù)，對干燥系統(tǒng)所需熱量進行計算。根據(jù)文獻[15]，物料干燥所需要的熱量Q可分為3部分，包括物料中水分蒸發(fā)所需要的熱量Q1、干料升溫所需的熱量Q2以及產品中殘余水分升溫所需的熱量Q3(假設出口物料的溫度等同于出口處氣體的溫度)。

Q1=W[γ0+cw1(t2-273)-(tm1-273)cw]

(1)

式中γ0——水273 K時的氣化潛熱，取2 504 kJ/kg

W——水分蒸發(fā)量，kg/h

cw1——水蒸氣比熱容，取1.926 kJ/(kg·K)[16]

t2——干燥設備出口熱空氣溫度，取373～393 K

tm1——巨菌草入口溫度，K

cw——水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·K)

Q2=Gcm(t2-tm1)

(2)

式中G——巨菌草產量，kg/h

cm——巨菌草比熱容，參考苜蓿草比熱容取1.368 kJ/(kg·K)

Q3=Gcww2(t2-tm1)

(3)

式中w2——巨菌草出口含水率，取17%

換熱損失取25%，物料干燥所需的熱量為

Qw=1.25(Q1+Q2+Q3)

(4)

需熱量計算公式為

(5)

式中t1——干燥設備入口處熱空氣溫度，K

t0——環(huán)境的空氣溫度，K

經(jīng)計算,每小時所需熱量為1.91×107kJ。

2.1.2氣體體積流量

空氣消耗量的計算公式為

(6)

式中A——單位時間空氣消耗量，kg/h

cg——空氣的比熱容，取1.05 kJ/(kg·K)

空氣和水蒸氣密度隨溫度變化的經(jīng)驗表達式為

(7)

(8)

式中ρg——空氣密度，kg/m3

ρw——水蒸氣密度，kg/m3

t——溫度，K

空氣的體積流量Vg的計算公式為

(9)

水蒸氣的體積流量Vw的計算公式為

(10)

該設備氣體總體積流量V為

V=Vg+Vw

(11)

基于以上公式計算得出氣體總體積流量為75 000 m3/h。

2.2 主要結構設計

2.2.1入料段

入料段的作用主要是連接生物質鍋爐與三回程轉筒筒體，并與筒體入口形成密閉環(huán)封，由于二者中心線之間存在高度差，因此進風管路存在折彎，如圖2a所示。三回程轉筒入口風速設計為30～40 m/s，管路半徑公式為

V=3 600πR2v

(12)

式中R——入料段管路半徑，m

v——入口風速，m/s

圖2 入料段結構圖和氣流場仿真圖Fig.2 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of feeding section1.管路 2.入料口 3.環(huán)封

根據(jù)設計要求，入料段管路直徑為0.8 m。

為了提高物料進入后的輸送能力，避免堵料，通過FLUENT流體仿真軟件對入料段內部氣流場的變化進行模擬，如圖2b所示，來分析入料的最佳位置。從圖2b可以看出，在入料段底部折彎處會出現(xiàn)低速區(qū)，如果物料從斜段進入將會在底部折彎處出現(xiàn)堆料現(xiàn)象，與高溫空氣混合會出現(xiàn)燃燒的風險。因此加長了入料段的直段長度，將關風器置于風速均勻的直段上，解決了干燥設備的進料問題，保證高溫空氣與巨菌草充分混合。

304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)α為1.87×10-5K-1，入料段的總長度為6.80 m，正常工作最高溫度為773 K。熱膨脹長度計算公式為

δ=αl(T-T1)

(13)

式中δ——熱膨脹長度，mm

l——不銹鋼段長度，mm

T——管路內氣體溫度，K

T1——環(huán)境溫度，K

入料段不銹鋼管路的膨脹長度為63.58 mm，考慮到筒體的材料為Q235A，熱膨脹系數(shù)為1.06×10-5K-1，入料段的總長度為10.4 m，外筒工作溫度以473 K計算，因此筒體的熱膨脹長度為22.05 mm，總膨脹長度為85.63 mm。根據(jù)總熱膨脹長度確定環(huán)封的長度為100 mm。

2.2.2筒體以及內部抄板

圖3為筒體內部結構圖，抄板均勻分布于內筒、中筒、外筒，抄板高度一般為兩筒之間間隙的1/2。抄板的數(shù)量由經(jīng)驗公式獲得，即

N=(5～8)D

(14)

式中N——筒體內抄板數(shù)量

D——筒體直徑，m

圖3 筒體內部結構圖Fig.3 Inner structure diagram of rotary drum1.外筒 2.抄板 3.中筒 4.內筒 5.虛支撐

當筒體直徑較小時，系數(shù)選7～8，筒體直徑較大時，系數(shù)選5～7即可。

根據(jù)設計要求，內筒、中筒以及外筒氣流的風速依次是17、13、9 m/s，并由總體積流量近似計算筒體直徑。

2.2.3筒體傳動結構

傳統(tǒng)的筒體傳動方式采用的是托輪與滾圈摩擦傳動，托輪與滾圈摩擦傳動的破壞點為托輪軸，根據(jù)第三強度理論計算，筒體轉矩較大，增大了托輪軸直徑，且托輪與滾圈的磨損嚴重，從而降低了設備的使用壽命。另外當筒體內部的物料量較大時，托輪與滾圈之間的摩擦力所提供的轉矩不足以帶動筒體轉動時，會出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。本套設備采用了外鏈嚙合傳動的方式，不僅解決了摩擦傳動所出現(xiàn)的問題，還避免了齒輪齒圈外嚙合傳動中齒圈破壞更換困難的問題。

由于三回程轉筒的質心在中軸線上，因此轉動過程中傳動機構僅需要克服牧草所產生的轉矩即可。轉矩的近似計算公式為

(15)

其中

式中TN——轉矩，N·m

F——濕草單位生產率，kg/h

ti——滾筒內牧草的停留時間，min

R1——外筒直徑，m

R2——中筒直徑，m

R3——內筒直徑，m

M0——初始濕基含水率，%

Mt——中間濕基含水率， %

Mf——最終濕基含水率，%

(16)

式中P——電動機功率，kW

n——轉速，r/min

經(jīng)過計算所需電動機功率為16.87 kW，因此選擇22 kW驅動電動機。

由于托輪軸所承受的扭矩由軸承摩擦力產生，扭矩很小，可以忽略，所以僅考慮筒體的壓力所產生的彎矩即可。因此托輪軸的校核公式為

(17)

式中M——彎矩，N·mm

Wt——危險截面抗彎截面模量，mm3

[σ]——許用應力，MPa

2.2.4集料器

集料器的主要功能是收集干燥后的牧草，并將粉塵由高速的氣體帶走。集料器的結構形式多樣，有研究人員曾采用物料撞擊壁面的方式收集物料，但存在集料不充分的問題[17]。

為了保證物料完全落下，并且粉塵被帶走，最終確定入口風速為10 m/s，筒體入口直徑為1.6 m。本套干燥設備中的集料器采用切入式的進料方式，物料進入集料器內以螺旋的形式運動，物料沿著筒壁螺旋向下，在錐段低速區(qū)依靠重力落下，物料經(jīng)關風器排出，提高了集料器的效率。通過多次仿真分析發(fā)現(xiàn)，降低入口的高度Ld，以及加大直筒高度L2與錐段高度L1比值，有利于提高集料器生產效率。最終確定L2/L1=2為最佳參數(shù)。集料器筒體直徑DJ的計算公式為

DJ=1.5DR

(18)

式中DR——筒體入口直徑，m

圖4b和圖4c為優(yōu)化后集料器內流場的流速分布圖和矢量圖。從圖中看出，入口中心線以下處于低速區(qū)，氣流沿壁面向下，質量較大的整料在重力和氣流的作用下運動到底部由出料關風器排出，粉塵則隨氣流進入旋風除塵器。

從工作現(xiàn)場可以看出，集料器出料均勻，物料均從出料關風器排出，旋風除塵器下方無整料和碎料排出，集料效果滿足要求。

圖4 集料器結構示意圖和氣流場仿真圖Fig.4 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of a collector

圖5 旋風除塵器結構示意圖和氣流場仿真圖Fig.5 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of a cyclone separator

2.2.5旋風除塵器

圖5a為該除塵器的結構示意圖，進口形式將直段切入改為圓弧切入，使氣流平滑地進入，避免了除塵器內部渦流的產生，并提高了除塵效果。旋風除塵器入口最佳風速為18～23 m/s，取18 m/s。入口長寬比為2∶1，因此長和寬分別為1.5、0.75 m。另外減小了直筒高度L4與錐筒的高度L3比值，確定最佳高度比為1∶2，通過增加錐筒的高度L3，提升了除塵效果。直筒長度L4與直筒筒徑DZ為

L4=(1.3～1.4)LC

(19)

DZ=2LC

(20)

式中LC——入口長度，m

內筒長度LN與內筒直徑DN為

LN=(1.2～1.3)LC

(21)

DN=2LC/3

(22)

圖5b和圖5c為優(yōu)化后旋風除塵器內部的氣流場，從圖中可以看出內部氣流沿著錐段螺旋向下，在底部形成零速區(qū)，粉塵落下經(jīng)關風器排出，氣流由旋風除塵器上部出口排出。從工作現(xiàn)場來看，排放到空氣中的氣體為清潔空氣，未出現(xiàn)粉塵，改善了工作環(huán)境。

2.3 控制單元

控制單元用于控制整個干燥設備的運行，包括輸送機、驅動電動機、關風器、引風機、溫度傳感器等?？刂茊卧x用信捷XC-3型PLC、信捷TG765-NT型觸摸屏、緯創(chuàng)AC70-T3型變頻器。該控制單元分為自動選擇和手動選擇兩種，其中自動選擇根據(jù)需求依次打開出料輸送帶、除塵器關風器、集料器關風器、引風機、轉筒、喂料關風器、上料機，引風機風量由變頻器控制，轉筒轉速由電磁調速電機調速機控制。溫度傳感器采用PT100型熱電偶，測量入口溫度和出口尾風溫度。

3 巨菌草干燥特性試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗原料取自廣東省雷州市，所選巨菌草的株高在2 m左右，收割后巨菌草長度為2～5 cm，并實現(xiàn)破節(jié)處理。物料含水率(濕基)的測定參照文獻[18]，在378 K溫度環(huán)境下，干燥24 h。巨菌草的初始含水率為(76±2)%，水活度0.978 2。

設備有高溫快速干燥設備(中國農業(yè)大學)、DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱(中儀國科(北京)科技有限公司)、ES1000型電子天平(天津市德安特傳感技術有限公司)、LabScan XE型色度儀(美國HunterLab)、KDY-9830型凱氏定氮儀(KETUO)、纖維儀(ANKOM)、Aqualab 4TEV型水活度儀(美國)、JFSD-100-Ⅱ型錘片式粉碎機(上海嘉定糧油儀器有限公司)。

3.2 試驗方案

設備調試過程中參數(shù)的選擇，確定干燥工藝參數(shù)為入口溫度723 K，出口溫度383 K，轉筒轉速4.5 r/min。收割后的巨菌草，直接經(jīng)上料機輸送至入料段，經(jīng)干燥設備進行干燥，干燥后的巨菌草放入密封袋中保存，并測量其最終含水率以及其他品質指標。并分別與自然晾曬物料和新鮮物料進行對比分析。

3.3 主要指標參數(shù)的確定

3.3.1濕基含水率

濕基含水率計算公式為

(23)

式中Mw——濕基含水率，%

mt——t時刻的物料質量

m0——初始物料質量

3.3.2色澤度

將新鮮物料在313 K恒溫干燥箱中，干燥48 h作為對照組。由高溫快速干燥設備干燥后的物料以及自然晾曬的物料，同樣在313 K恒溫干燥箱中，干燥48 h。然后將干燥后的物料由錘片式粉碎機進行粉碎，過1 mm篩，然后經(jīng)色度儀測量物料的色澤。每組試驗重復3次，取平均值?？偵钪档挠嬎愎綖閇19]

(24)

式中 ΔE——干燥前與干燥后巨菌草總色差值

L——干燥后巨菌草的亮度值

a——干燥后巨菌草的紅綠值

b——干燥后巨菌草的藍黃值

L0——對照組的亮度值

a0——對照組的紅綠值

b0——對照組的藍黃值

3.3.3水活度

將干燥后的巨菌草粉碎，并利用水活度儀測量干燥后各組的水活度，當水活度小于0.6時，巨菌草滿足貯藏要求。

3.3.4粗蛋白含量

粗蛋白含量的測定參照GB/T 6432—1994。將粉碎后的物料(富含有機物)準確稱量0.5 g，在催化劑作用下，使用98%的濃硫酸消化，將物料中的氮化合物轉化為硫酸銨；消化液在濃堿作用下蒸餾，釋放出氨；冷凝后用硼酸吸收，結合生成硼酸銨；以甲基紅-溴甲酚綠作為指示劑，最終用鹽酸進行標定[20]。得出氮的含量，根據(jù)不同的物料再乘以一定的系數(shù)C(通常情況下C=6.25)，即為粗蛋白含量。

3.3.5纖維含量

纖維含量由范式纖維測定法進行測定，首先物料經(jīng)中性洗滌劑煮沸處理，不溶解的殘渣為中性洗滌纖維，其中包括半纖維素、纖維素、木質素和硅酸鹽。然后經(jīng)酸性洗滌劑處理，剩余的殘渣為酸性洗滌纖維，其中包括纖維素、木質素和硅酸鹽。經(jīng)過換算得到酸洗和中洗纖維含量。

3.3.6生產率

由于生產條件的限制，在設備正常運行過程中，選取3個不同時間段，每個時間段接取1 min物料，稱量后求平均值，從而確定最終的單位時間生產量。

3.3.7數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)由SPSS 20和Excel 2010軟件處理后進行分析。

3.4 試驗結果與討論

3.4.1巨菌草的最終含水率以及水活度

高溫快速干燥的參數(shù)為：入口溫度723 K，出口溫度383 K，筒體轉速4 r/min，干燥后巨菌草的濕基含水率為(16±1.82)%，水活度為0.564 8。這個結果與蘋果片干基含水率和水活度之間的數(shù)值關系接近[21]。干燥后巨菌草的含水率達到了安全含水率(17%)，水活度低于0.6，干燥后的巨菌草滿足貯藏要求。另外由于巨菌草特有的物理結構，外部有堅硬的表皮，破碎不完全將會造成內部水分無法散失，因此干燥前需要進一步提高巨菌草收獲的破碎程度，實現(xiàn)巨菌草破節(jié)處理；另一方面干燥設備參數(shù)需要進一步優(yōu)化，提高巨菌草在轉筒內的停留時間，增加水分的蒸發(fā)。

3.4.2干燥后巨菌草色澤度的變化

表1為不同處理后巨菌草色澤的變化，結果表明，高溫快速干燥與自然晾曬相比總色差較小，與未處理物料的色澤更接近，表觀質量更好。高溫快速干燥與新鮮物料的L值和b值相比均無顯著性變化，亮度值L略有增加，這與萵筍切片的色澤變化相似[22]，與蘋果片[23]、甜瓜[24]的試驗結果相反，這是由于蘋果片和甜瓜干燥處理過程中會發(fā)生褐變，從而亮度值下降，而對于巨菌草可能是干燥過程對色澤造成了一定的損失，顏色變淺從而亮度增加。另外高溫快速干燥后巨菌草a值增加了1.43，說明與未處理物料相比，綠度有所下降，這可能是由于干燥過程中高溫造成巨菌草內部葉綠素等成分變性失活，而造成綠度下降。與新鮮物料相比，自然晾曬后菌草的a值與b值無顯著性變化，但亮度值L有較

表1 干燥前后巨菌草色澤度的變化Tab.1 Change of color of hybrid pennisetum before and after drying

注:同一列相同字母表示無顯著差異(P>0.05)，不同字母表示有顯著差異(P<0.05)，下同。

大的上升，增加了6.22?？傮w上看，高溫快速干燥對巨菌草的色澤影響較少。圖6a～6c分別為新鮮物料、高溫快速干燥后物料、自然晾曬后物料實物圖。

圖6 不同處理下巨菌草實物圖Fig.6 Physical drawings of hybrid pennisetum under different treatments

3.4.3菌草品質的變化

從表2中可以看出，高溫快速干燥后的巨菌草與未處理的新鮮巨菌草相比，成分含量均沒有顯著性差異。高溫快速干燥后的巨菌草粗蛋白質量分數(shù)下降了0.6個百分點，酸性洗滌纖維質量分數(shù)上升了3.17個百分點，中性洗滌纖維質量分數(shù)變化較??；與自然干燥相比，粗蛋白質量分數(shù)增加了0.63個百分點。而自然晾曬后的巨菌草較新鮮巨菌草粗蛋白質量分數(shù)下降了1.23個百分點，中性洗滌纖維質量分數(shù)略有下降。與紫花苜蓿的干燥結果類似[14]。數(shù)據(jù)表明高溫快速干燥對物料的品質的損失較少，可以較大限度地保留巨菌草內部的營養(yǎng)成分。

3.4.4生產率的測算

3次物料接取的質量為45.24、43.26、47.76 kg，進而計算得出巨菌草生產率為2.73 t/h。從結果上來看未達到3 t/h的生產率。這主要是由于牧草的初始含水率高于設計含水率(65%)，因此由于初始含水率較高而出現(xiàn)生產率未達到的問題；另一方面牧草收割時粉碎的不充分，需要較高的尾風溫度使物料達到安全含水率。

表2 干燥前后巨菌草的品質變化Tab.2 Change of quality of hybrid pennisetum before and after drying %

4 結論

(1)基于巨菌草快速干燥的需求，設計了一套大型巨菌草高溫快速干燥設備。通過關鍵參數(shù)計算，得到干燥設備每小時耗熱量為1.91×107kJ，氣體總體積流量為75 000 m3/h。并對關鍵部件的結構進行了設計，通過FLUENT流體仿真進行了優(yōu)化。

(2)通過干燥試驗得出，在入口溫度723 K、出口溫度383 K、轉筒轉速4 r/min的干燥條件下，干燥后巨菌草的含水率為(16±1.82)%，水活度為0.564 8，生產率為2.73 t/h，滿足了巨菌草的貯藏需求。

(3)巨菌草高溫快速干燥后亮度值L和藍黃值b與新鮮物料相比均無顯著性差異，紅綠值a有所增加，a值增加了1.43。與自然晾曬相比，高溫快速干燥的菌草色澤變化較小，具有較好的表觀質量。

(4)高溫快速干燥后巨菌草成分含量與新鮮物料相比均無顯著性差異，粗蛋白質量分數(shù)降低了0.6個百分點，酸性洗滌纖維質量分數(shù)上升了3.17個百分點，與自然晾曬相比，粗蛋白質量分數(shù)增加了0.63個百分點。