魏益民 王振華，2 于曉磊 武 亮王 杰 張影全 張 波 郭波莉

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1, 北京 100193) (北京工商大學(xué)北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心2，北京 100048)

干燥是掛面生產(chǎn)的重要工藝過程，是控制生產(chǎn)成本的主要單元，也是目前工藝過程自動(dòng)化遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題。掛面干燥的目的是使產(chǎn)品的水分含量達(dá)到安全儲(chǔ)藏要求。掛面干燥工藝能力影響產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和效益。掛面干燥工藝受干燥設(shè)備、被干燥物料的理化性質(zhì)、產(chǎn)品目標(biāo)特性和操作參數(shù)影響。當(dāng)掛面干燥設(shè)備、干燥對象、產(chǎn)品目標(biāo)設(shè)定后，干燥特性受介質(zhì)溫度、濕度、風(fēng)速、以及物料比表面積等因素影響[1-5]。因此，在保證產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下，分析干燥工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)，提高熱能利用效率，減少污染物排放，是生產(chǎn)企業(yè)和環(huán)境管理部門關(guān)注的主要問題[6]。

目前，生產(chǎn)上使用的掛面干燥工藝及設(shè)施按烘房結(jié)構(gòu)和掛面移動(dòng)方式可分為索道式、隧道式和改良索道式。20世紀(jì)80年代，掛面生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模均較小，多為單線生產(chǎn)，主要采用索道式烘房。20世紀(jì)末，為滿足企業(yè)提高產(chǎn)量、減少烘房空間的要求，業(yè)界設(shè)計(jì)了隧道式烘房或多排隧道式烘房[2,7-10]。由于環(huán)境保護(hù)政策對企業(yè)使用能源的要求，生產(chǎn)者對掛面干燥成本的考慮，業(yè)界對兩種烘房熱能效率差異的系統(tǒng)分析要求日漸提高。

近年來，作者團(tuán)隊(duì)和掛面制造及設(shè)備制造企業(yè)合作，對兩種烘房的產(chǎn)量、質(zhì)量、損耗、能耗，以及操作穩(wěn)定性和簡便性做了測試比較。本文以掛面制造企業(yè)生產(chǎn)線為調(diào)查和測試對象，采用定性和定量分析相結(jié)合的方法，分析干燥工藝過程的關(guān)鍵控制點(diǎn)；研究掛面干燥過程熱能利用效率；討論了3種形式掛面干燥烘房的特點(diǎn)；為掛面干燥工藝及設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

樣品為企業(yè)生產(chǎn)用面粉制造的掛面，或烘房生產(chǎn)線上的掛面。樣品經(jīng)現(xiàn)場取樣后，在企業(yè)實(shí)驗(yàn)室測定含水率。

1.2 設(shè)備

DHG- 9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱, Perten DA7200谷物質(zhì)量近紅外分析儀, 179A-TH智能溫濕度記錄儀, Kestrel 4500便攜式氣象儀, Testo 875-2i紅外熱像儀。

1.3 方法

測試在河北金沙河面業(yè)集團(tuán)沙河廠區(qū)和南和廠區(qū)生產(chǎn)車間實(shí)施。測試生產(chǎn)企業(yè)同時(shí)使用的3種掛面干燥生產(chǎn)線，連續(xù)3 d為一個(gè)測試分析單元。具體測定產(chǎn)品含水率、掛面產(chǎn)量、失落率；采用智能溫濕度記錄儀、便攜式氣象儀、紅外熱像儀等設(shè)備，在線測定干燥過程環(huán)境氣象要素；分析和評估單位產(chǎn)品能耗。對測試期間供熱鍋爐使用的燃煤進(jìn)行稱重計(jì)量，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗(煤耗kg/掛面T)。

2 結(jié)果分析

2.1 干燥工藝的類型及結(jié)構(gòu)

目前，生產(chǎn)上使用的掛面干燥工藝及結(jié)構(gòu)按烘房結(jié)構(gòu)和掛面移動(dòng)方式可分為索道式烘房、隧道式烘房和改良索道式烘房[6,9,11,12]。

索道式烘房為單一空間，空間干燥介質(zhì)控制參數(shù)基本一致。掛面上桿后，為單排運(yùn)行模式，依靠鎖鏈拉動(dòng)，從一側(cè)入口進(jìn)入烘房，在空間內(nèi)做“蛇型”往復(fù)移動(dòng)；從另一側(cè)的出口出烘房，進(jìn)入切斷工序(圖1a)。

隧道式烘房為單一空間，空間干燥介質(zhì)控制參數(shù)不同。掛面上桿后，以單排或數(shù)排并列的形式，依靠鎖鏈拉動(dòng)，從一側(cè)入口進(jìn)入烘房，在空間內(nèi)做“直線型”移動(dòng)，從另一側(cè)的出口出烘房，進(jìn)入切斷工序(圖1b)。

改良索道式烘房為相對隔離的多個(gè)空間，空間干燥介質(zhì)控制參數(shù)不同。掛面上桿后，以單排或兩排的形式，依靠鎖鏈拉動(dòng)，從一側(cè)入口進(jìn)入第一空間；在第二空間內(nèi)做“蛇型”往復(fù)移動(dòng)；然后進(jìn)入第三空間；最后從出口出烘房，進(jìn)入切斷工序(圖1c)。

干燥工藝能耗分析和過程優(yōu)化是提升企業(yè)生產(chǎn)效率的重要環(huán)節(jié)。目前，由于工業(yè)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)現(xiàn)場測試操作的艱巨性，在線測定設(shè)備的局限性，以及設(shè)備制造企業(yè)能力的限制，至2013年前，有關(guān)3種掛面干燥工藝、干燥過程的溫度、濕度、風(fēng)速、排風(fēng)量變化，及熱能利用效率等企業(yè)關(guān)心問題，無論學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，都缺少較為系統(tǒng)性的在線定量分析結(jié)果或公開報(bào)道，給掛面企業(yè)的烘房設(shè)計(jì)，或類型選擇帶來不確定性或難度。

2.2 干燥工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)

通過對索道式、隧道式掛面干燥烘房干燥過程掛面含水率檢測，對干燥環(huán)境氣象因子的在線監(jiān)測(179A-TH智能溫濕度記錄儀、Kestrel 4500便攜式氣象儀)，關(guān)鍵控制因子含水率的逐步回歸，以及關(guān)鍵控制點(diǎn)的分析驗(yàn)證，結(jié)果表明，主干燥結(jié)束時(shí)的掛面含水率是掛面干燥工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)，如3種掛面干燥烘房示意圖所標(biāo)注的實(shí)線箭頭位置(圖1)；該點(diǎn)掛面的含水率應(yīng)控制在≤(18.0±0.5)%[11,12]。實(shí)驗(yàn)室掛面干燥動(dòng)力學(xué)研究也支持該結(jié)果[1,3,4-6]。依據(jù)此結(jié)果設(shè)計(jì)的改良索道式掛面干燥工藝，其干燥工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)也為主干燥結(jié)束時(shí)段。這說明研究結(jié)論具有普遍性。而且，改良索道式掛面干燥工藝還具有很高的穩(wěn)定性、工藝忍耐性和易操作性。這一烘房設(shè)計(jì)已在產(chǎn)業(yè)上得到應(yīng)用和驗(yàn)證。另外，該研究結(jié)果可以用一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)控制干燥整個(gè)過程，必將大大減少干燥烘房自動(dòng)控制的檢測探頭，也將極大地節(jié)省檢測設(shè)備和管理投入。

2.3 干燥設(shè)備類型的能效分析

利用生產(chǎn)企業(yè)2003年至今使用的多種類型掛面干燥工藝和設(shè)備，借助179A-TH智能溫濕度記錄儀、Kestrel 4500便攜式氣象儀、Testo 875-2i紅外熱像儀等儀器設(shè)備，初步對不同類型掛面烘房，或改進(jìn)型烘房的產(chǎn)量、損耗、能耗，以及操作穩(wěn)定性和簡便性做了定量或定性測定，初步揭示了掛面烘房類型的能耗特點(diǎn)和能耗差異[6]。例如，以企業(yè)2013年投產(chǎn)的1000型掛面生產(chǎn)線改進(jìn)型隧道式烘房(2排130 m)和原隧道式烘房(5排60 m)作比較，前者產(chǎn)量增加了22.81%，比煤耗降低了17.94%，掛面干燥落桿損耗降至3‰以下(見表1)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室對掛面干燥動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果及新的認(rèn)識(shí)，對同一條生產(chǎn)線進(jìn)一步優(yōu)化后，再次測定結(jié)果顯示，產(chǎn)量在原基礎(chǔ)上又增加了20.10%，比煤耗再次降低了6.62%，干燥時(shí)間縮短了12.50%(見表2)。

注：虛線箭頭表示掛面的運(yùn)動(dòng)方向或軌跡，實(shí)線箭頭為關(guān)鍵控制點(diǎn)參考位置。圖1 3種掛面干燥烘房示意圖

表1 隧道式烘房改造后的產(chǎn)量和能耗效率分析

技術(shù)參數(shù)舊烘房(60 m)新烘房(130 m)差值比例/%煤耗/kg/d1 2801 290100.78掛面產(chǎn)量/t/d38.4047.168.7622.81比煤耗/kg/t33.3327.35-5.98-17.94除水量/t/d9.1010.571.4716.15有效熱耗比例/%66761015.15單位除水量煤耗/kg/kg0.140.12-0.02-14.29

表2 優(yōu)化前后的產(chǎn)量和能耗效率分析

依據(jù)掛面干燥動(dòng)力學(xué)和不同烘房的能耗分析結(jié)果，本課題組提出了改良索道式烘房的設(shè)計(jì)思路。在付諸于工業(yè)生產(chǎn)后，明顯地提升了干燥工藝的穩(wěn)定性和易操作性，解決了干燥過程易出現(xiàn) “酥面”的現(xiàn)象。該烘房可利用中溫干燥條件，使用地源熱泵、空氣能熱泵，或太陽能作為補(bǔ)充能量，也能達(dá)到較高的干燥產(chǎn)量[13]。同時(shí)，干燥時(shí)間顯著縮短，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升。對此，以掛面最終含水率14.5%為標(biāo)準(zhǔn)，僅給出工業(yè)現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室初步研究的定性結(jié)果(見表3)。

表3 不同掛面干燥工藝及結(jié)構(gòu)性能比較

3 討論

SB/T 10072—1992《掛面生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程》從烘房的結(jié)構(gòu)出發(fā)，給出了掛面干燥烘房區(qū)域劃分的區(qū)間概念(預(yù)干燥區(qū)、主干燥區(qū)、完成干燥區(qū))，及各區(qū)間相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)[14]。陸啟玉[2]論述了掛面的干燥過程，從掛面的干燥特性出發(fā)，將掛面的干燥過程分為三個(gè)階段：預(yù)備干燥階段，主干燥階段(依序又分內(nèi)蒸發(fā)和全蒸發(fā)階段)，最后干燥階段；并系統(tǒng)介紹了各階段的工藝控制要求、參數(shù)范圍、注意事項(xiàng)，及易發(fā)生的質(zhì)量缺陷等。這些技術(shù)、規(guī)程和概念對促進(jìn)我國掛面工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用，至今仍具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。通過研究證實(shí)，掛面干燥過程“三段論”劃分有其干燥過程溫度傳導(dǎo)、水分運(yùn)移規(guī)律和工業(yè)控制需求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐；從干燥時(shí)段可分為預(yù)干燥階段(0～30 min),主干燥階段(31～180 min),最后干燥階段(181～240 min至300 min)[1,3-5]。另外，最后干燥階段的起點(diǎn)應(yīng)以目標(biāo)含水率確定[11,12]。由于新設(shè)計(jì)的掛面干燥生產(chǎn)線預(yù)干燥階段相對濕度可以保證在85%以上，主干燥階段相對濕度可以達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，理論上完全可以保證掛面干燥過程對空氣濕度的要求。因此，沒有必要額外增加補(bǔ)充干燥濕度的外部設(shè)備。

多種類、多次烘房干燥特性監(jiān)測結(jié)果均證明，主干燥結(jié)束時(shí)的掛面含水率是掛面干燥工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)，其含水率應(yīng)≤18.0%。這是因?yàn)?，進(jìn)入最后干燥區(qū)時(shí)，干燥速率趨于穩(wěn)定，掛面內(nèi)部的水分主要以均勻擴(kuò)散傳遞方式運(yùn)動(dòng)，加熱的作用十分有限；只有逐漸降濕度和溫度，保持適量的風(fēng)速，才能逐步降低水分，達(dá)到目標(biāo)含水率。索道式烘房不設(shè)干燥區(qū)間，隧道式烘房設(shè)計(jì)的干燥區(qū)間難以實(shí)現(xiàn)物理隔離，這些都給間歇式干燥或不同區(qū)間設(shè)計(jì)不同的干燥參數(shù)帶來工藝控制或操作方面的困難。然而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的改良隧道式掛面烘房則很好地兼顧各自的優(yōu)缺點(diǎn)，很好地解決了主要矛盾或問題。

日本學(xué)者研究了溫度和濕度對日本烏冬面干燥動(dòng)力學(xué)特性的影響[15]。歐美學(xué)者研究了溫度和濕度對意大利面干燥動(dòng)力學(xué)的影響[16,17]。中國學(xué)者研究論了溫度、濕度、原料特性等對中國掛面干燥動(dòng)力學(xué)的影響[1,3,4]。然而，要實(shí)現(xiàn)干燥工藝控制過程的智能化，首先是設(shè)計(jì)合理的干燥烘房結(jié)構(gòu)，確定干燥工藝的關(guān)鍵控制要素和關(guān)鍵控制點(diǎn)；其次是實(shí)現(xiàn)溫度濕度與掛面在線含水率測定結(jié)果的聯(lián)動(dòng)控制，以及掛面在線含水率監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性。而對掛面干燥動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)的系統(tǒng)研究和認(rèn)識(shí)，是干燥工藝智能化的基礎(chǔ)和前提[18,19]。目前，生產(chǎn)上干燥設(shè)備的非封閉性，干燥介質(zhì)的流體性質(zhì)，監(jiān)測點(diǎn)的高溫高濕環(huán)境，控制因素的種類及其相互影響，以及多因素多點(diǎn)控制系統(tǒng)的研發(fā)，企業(yè)對成本的承受能力等，使掛面干燥工藝的智能化控制在實(shí)踐上還面臨一定的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

掛面干燥工藝一般采用間接加熱、對流干燥方式；干燥過程的三階段劃分和設(shè)計(jì)不同的干燥過程控制參數(shù)，符合節(jié)能、高效和保證產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)目標(biāo)。

合理的干燥工藝及結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的干燥過程控制參數(shù)，可顯著提高產(chǎn)量，降低干燥能耗，縮短干燥時(shí)間，還可保障產(chǎn)品質(zhì)量。

實(shí)現(xiàn)干燥工藝控制過程的智能化，首先是設(shè)計(jì)合理的干燥烘房結(jié)構(gòu)，確定干燥工藝的關(guān)鍵控制要素和關(guān)鍵控制點(diǎn)；其次是實(shí)現(xiàn)溫度濕度控制與掛面在線含水率測定結(jié)果的聯(lián)動(dòng)，以及提升掛面在線含水率監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性；而對掛面干燥動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)的系統(tǒng)研究，是干燥工藝智能化的基礎(chǔ)和前提。