粮食真空干燥的技术经济与环境分析(1)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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张志军¹ ,徐成海¹ ,张世伟¹ ,何　翔²
(1. 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004 ;2. 郑州飞机工业公司,河南郑州450005)

摘要:降低粮食干燥的耗能一直是我国科技工作者努力的目标,真空干燥在以前被认为耗能较大,干燥的成本较高。本文从技术经济性、环境影响两方面对粮食真空干燥进行了全面的分析。分析结果表明,粮食真空干燥比热风干燥具有更大的节能优势,更加环保,具有良好的经济回报及广阔的发展前景。
关键词:粮食干燥;真空干燥;技术经济性;环境分析

1 引言
粮食干燥是一个耗能很大的作业。国外发达国家采用燃油作为干燥机的热源,技术先进,粮食干燥机的热效率较高,能耗一般低于4600kJ / kgH₂O ,而我国则以燃煤为主,且效率较低,单位能耗较大,在6700 kJ / kgH₂O 左右。我国东北三省冬季室外温度很低, 干燥所需的能耗更大, 东北三省每年干燥2400 万t 高水分玉米到安全水分,至少需要消耗116万t 标准煤^{[1 ]} ,如能将我国粮食干燥的单位热耗降低到国外的水平,其效益是十分可观的。
2 粮食干燥能源消耗和损失组成
我国粮食干燥大多采用对流干燥的塔式干燥机,有横流、顺流、逆流及混流等形式,其热能消耗组成见图1。从使用情况来看,其单位热耗较高有以下几个原因: ①干燥机的保温性能差,热损失大; ②热风炉的结构和技术参数不合理,没有经过优化; ③没有充分地利用余热; ④干燥工艺不合理。粮食干燥节能的途径和方法,主要包括避免粮食的过分干燥;改进热风炉的结构,提高燃煤的燃烧效率;回收废气余热,采用优化的干燥工艺,如组合和多级干燥,干湿粮混合工艺;应用新能源,如生物质能源、太阳能等。本文则对粮食干燥的新工艺———粮食真空干燥的技术经济和环保特性进行分析,并在此基础上将其与传统的热风干燥相对比。

3 粮食真空干燥及设备
真空干燥的过程就是将物料放置在密闭的干燥室内,用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热,使物料内部水分通过压力差或浓度差扩散到表面,水分子在物料表面获得足够的动能,以克服分子间相互吸引力,飞入真空室的低压空间,从而被真空泵抽走的过程[2 ] 。真空干燥具有以下几个优点:①干燥温度低,干燥后物料的质量好,可以对热敏性物料进行干燥; ②干燥过程中可以回收有毒、有害、有污染的气体,防止环境污染; ③干燥中,氧的分压降低,避免了干燥过程中物料氧化变质; ④缺氧状态下,可以杀死细菌,抑制细菌生长; ⑤环保,对外界污染少。正是具有这些优点,真空干燥在药品、食品、蔬菜、水果、农产品等方面得到了广泛的应用。
粮食是热敏性物料,在干燥过程中,粮食本身温度不能过高, 如玉米种子粮的温度不能超过43.4 ℃,商品粮不能超过54.4 ℃,而粮食中的维生素C 超过40 ℃就会分解,因此从保证粮食品质的角度讲,粮食适合于真空干燥。粮食真空干燥设备以前多用在种子干燥,大批量粮食真空干燥研究的文献和公开的报道几乎没有,原因是普遍认为粮食真空干燥的成本较高,但是这种观念是有疑问的^{[3 ,4 ]} 。在真空干燥条件下,水的沸点降低,物料内的水分在较大的压力梯度下,水分移动速度加快,蒸发速度变快,所以达到相同的干燥程度,真空干燥的时间较短。而且,真空干燥是低温干燥,粮食的温度不会很高。几种不同物质的汽化温度与界面压力的比例关系如图2 所示^{[2 ]} 。由图2 可知,在控制传热的情况下,粮食温度一般不会超过水在对应压力下的沸点,如8000Pa 的真空度下,粮食的温度不会超过40 ℃,这样就保证了粮食干燥后的品质。图3 所示的是一种连续式谷物干燥机,采用了旋转进出料阀,在不破坏真空的条件下,可以实现粮食的连续干燥。其工作的过程为:粮食经过提升设备,送入进料漏斗6 ,经过旋转进料阀5 进入主加热罐9 ,即真空干燥仓进行真空干燥;锅炉1 通过管道提供水蒸气喷射泵7 所需要的蒸汽,同时对主加热罐9 供热;热水通过图4 中的圆管1 和菱形管3 ,以间接传导和辐射的方式对在图4 中的导流板2 上和菱形管3 间流动的粮食供热;粮食干燥过程中产生的水蒸气和泄漏进来的空气,通过图3 中的水蒸气喷射泵7 抽走,使粮食在较低的压力(8000Pa 左右) 下完成干燥。

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