花生荚果烘干设备研究现状及展望

王嘉麟 谢焕雄 颜建春

摘要：花生是我国重要的经济作物与油料来源，对其产后烘干设备的研究是花生产地干燥系统中的重要环节。为此，在查阅大量文献的基础上，综述国内外花生烘干设备的研究现状，介绍箱式花生烘干机、回转圆筒式烘干设备及就仓干燥的结构与工作原理，阐述适合花生烘干设备的热源配置，分析存在的问题，在此基础上对未来花生烘干设备提出展望。

关键词：花生;烘干设备;荚果;研究现状;展望

中图分类号： S226.6 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0012-05

花生在我国是一种重要的土下经济作物，同时也是我国的四大油料作物之一[1-2]。2016年世界收获的花生面积约为2 540万hm2，产量约为4 220万t，其中花生在我国的种植面积约为475万hm2，约占世界花生种植面积的16.68%，产量约有1 700万t，约占世界总产量的40.26%，花生种植面积和产量分别位居世界第2位和第1位[3-5]。花生内蕴含丰富的脂肪和蛋白质，具有很高的营养价值。由于刚收获的新鲜花生水分较多，生物作用强，所以刚收获的鲜花生贮藏不便，易产生霉变，进而生成具有很强致癌性的黄曲霉毒素[6]，从而导致花生变质，造成不必要的浪费。据统计，每年占总产量10%～20%的花生因为霉变产生黄曲霉毒素，导致严重的浪费，造成了巨大的经济损失。采摘后的花生绝大多数须进行烘干处理才能长期地贮藏和后续地加工[7-8]。对花生荚果的烘干采用的传统的作业方式是人工田间翻晒，但因受场地、天气等环境因素影响较大，干燥周期长，干燥状态不稳定，易受污染[9]。随着农业生产结构的调整，花生荚果烘干要求越来越高，作业量也越来越大，传统的人工翻晒方法已经无法满足花生荚果产后加工的实际需求，因此实现花生荚果产后烘干技术全面机械化是未来花生荚果产后烘干的必由之路。

目前，国内对于花生荚果产后烘干设备的研究呈现出多元化发展趋势，理论研究较多，现有的花生荚果产后烘干设备多为兼用烘干机，存在烘干不均、没有配套控制设备、难以保证花生品质等特点，这也是我国农业机械化进程中要克服的问题之一[10-11]。通过分析现有的花生荚果烘干设备，了解其研究概况及未来的发展模式，可以促进我国农产品产后加工装备的发展，有利于实现全面农业机械化的目标。

1 花生荚果烘干设备研究现状

随着工业技术水平的提高，农业技术也得到了快速发展，从传统的人力工作方式发展为如今的大规模机械化工作方式。花生荚果的烘干方式也从传统的田间晾晒朝着大中型烘干机的方向发展。一台烘干机主要由风机、热源装置、物料箱、卸料装置组成[12-13]。其中，热源的合理选择和物料箱的合理设计对花生荚果的烘干效率及烘干品质有着重要的影响，也是國内外科研人员的重点研究方向。

1.1 国外花生荚果烘干设备研究现状

国外对花生荚果烘干设备的研究时间较长、发展速度快、技术手段较为先进，目前正朝着大型化、智能化、人性化、绿色化方向发展。国外早在20世纪40年代就开始对花生的烘干设备及技术进行了研究，经过几十年的发展花生的烘干技术已经达到了一定的高度，以美国为代表的发达国家掌握着先进的花生烘干技术和设备[14]。美国烘干花生主要分2步：第1步进行田间晾晒;第2步将晾晒完成达到一定含水率的花生荚果收集进行集中烘干处理。此种方法主要依靠当地的产地加工系统进行，将烘干系统与机械收获、仓储加工完美结合起来，可以减少不必要的人力、物力，提高工作效率。首先用挖掘收获机将花生进行挖掘处理，挖掘后的花生果与秧直接留在田间进行晾晒处理，充分利用太阳能这个取之不尽用之不竭的清洁能源，降低烘干成本，提高经济效益。当留在田间晾晒的花生荚果含水率达到一定程度时，用捡拾收获机进行花生的捡拾收获，在此过程中同时实现花生的果秧分离、杂质清选。然后直接将收获的花生荚果装入专用的烘干车中，运送至较近的干燥站进行集中烘干处理。由于在干燥处理过程中充分利用太阳能资源，相比直接将新鲜花生荚果进行机械烘干处理节约了燃料，提高了干燥效率，降低了花生霉变的风险[15-16]。

澳大利亚也种植一定规模的花生，主要集中在阿瑟顿高原地区和南部昆士兰地区，其中阿瑟顿高原地区主要采用车载箱式干燥装备（即美国花生干燥模式），车载箱式烘干设备主要由储气罐、控制单元、鼓风机、加热单元、烘干箱体组成。南部昆士兰地区主要采用干燥-仓储一体化设施。

在烘干能源的选择上，国外主要使用天然气或者是液化气这类对环境造成影响较低的清洁能源作为加热能源。由于采用两段式烘干方法，国外在利用太阳能方面也加大了重视，有的外国学者提出采用太阳能作为部分加热热源，可以有效降低燃烧作业过程中的能源消耗程度。

我国的花生种植规模虽然大于美国，但人均规模较小，且受到不同地域影响，人们的使用习惯不同，若直接引进国外花生烘干设备，不适合我国的具体国情，且此套产地干燥系统投资过大，一次性投资过高[17]。

1.2 国内花生荚果烘干设备研究现状

我国的花生荚果烘干设备研究较晚，目前使用的多为兼用的粮食烘干机，没有专门用于花生荚果烘干的设备，且其烘干质量差，效率低难以满足目前花生烘干的要求[18]。针对这一情况，我国科研人员进行了大量的研究。在干燥技术上，王安建等对花生热风干燥特性及动力学模型进行研究，得出花生干燥的Page模型并进行了验证，试验表明拟合程度较好[19]。陈霖研究了花生的微波干燥工艺对花生品质的影响，试验证明控温微波干燥功率为1.2 W/g，温为度45～50 ℃时能够最大地保证花生干燥后的品质[20]。颜建春等对花生荚果薄层干燥特性及模型进行了深入地研究，选取了11个常用食品干燥模型分别对花生荚果干燥数据进行拟合，得出了Diffusion Approximation模型与数据匹配性最好的结论[21]。在干燥设备上，农业部南京农业机械化研究所谢焕雄等对小麦的箱式通风干燥进行了研究，采用了气流换向机构和交替换向通风干燥工艺改善设备的烘干均匀性[22]。张鹏研制设计了一种连续立式花生干燥器，得出适合该设备的花生干燥工艺参数[23]。

目前，我国花生荚果烘干设备研究还处于起步阶段，在烘干热源的选择上传统的燃煤方式对环境污染较大，已经不适合我国的具体国情。若采用电加热或者热泵装置，一次性投资成本过大且要建设相应的配套设施，不适合小规模的花生种植农户。如何发展适合我国经济实惠的花生荚果干燥设备，是高校、科研院所、企业所要解决的问题之一。

2 花生荚果烘干设备的主要类型与特点

目前市场上的花生烘干设备种类繁多，但依照其结构与工作原理不同，一般分为箱式花生荚果烘干设备、回转圆筒式花生烘干设备、就仓干燥设备，它们分别针对不同处理数量的花生，各有各的优缺点。

2.1 箱式花生荚果烘干设备

箱式花生烘干设备主要包括传统箱式烘干机和改进后的翻板式箱式烘干机（图1）。传统的箱式花生烘干机主要由加热风炉、风机、烘干室等组成，其中烘干室的主要结构为具有隔热保温作用的箱体。在烘干过程中，热风炉通过化学物质或生物物质的燃烧提供热能，风机将热能通过空气传导的形式进入烘干室内与湿物料进行接触，由于风是自下而上吹入，在箱体内的湿物料下层首先接触到加热而来的空气，上层物料最后接触风机吹来的热风。由于受到下层花生的阻碍以及热传递削弱的影响，上层物料与下层物料的含水率容易出现较大差异。有时会出现下层物料过分干燥，而上层物料干燥不到位的现象。传统箱式烘干设备由于结构设计不合理，使得风机吹出的热能得不到合理均匀分配，物料烘干不均匀，且设备简陋没有相应的控制模块，无法掌握烘干室内的实时情况，难以掌握烘干所需要的时间。一些生产厂家为了解决传统箱式烘干设备烘干不均匀的问题，发明了翻板式箱式烘干机。此类设备相较于传统箱式烘干设备，在烘干室内加装了可以装卸物料的翻板，当烘干机工作时，下层物料得到充分干燥，当下层物料的含水率满足烘干要求时就会打开翻板使下层物料卸出，上层物料进入继续烘干，实现了物料间的一种循环，提高了烘干的效率。但此类烘干机须要加装多层翻板，作业过程复杂繁琐，每当下层烘干完成就要打开一次翻板，对人的体力与精力都是一种考验，并且受到烘干机体积的限制无法大规模作业，缺少相应的控制组件，自动化程度不高[24]。

农业部南京农业机械化研究所自行研制的一种箱式换向通风烘干机，采用换向通风装置，通过换向装置使热风可以自上而下吹也可以自下而上吹，可以较好地解决传统箱式通风干燥设备上下干燥不均匀的问题（图2）。该机具式由燃气热风机、换向通风装置、输风管、匀风装置、烘干箱及测控系统组成，该机能较好地模拟物料含水率的变化情况[25-26]。

花生换向通风烘干设备的主要关键部件有箱体、匀风机构、换向机构、热风炉等，其中热风炉的生产技术已较为成熟，可以根据设备作业量需求及烘干质量要求在市场上进行选配，设计的重点主要集中在箱体的结构、匀分机构的设计、换向机构这3个方面。

2.1.1 烘干机箱体 箱体是一台花生荚果烘干设备的重要组成部分，其设计是否合理直接影响花生荚果烘干的品质和效率。烘干机箱体主要由挡板相隔的烘干室组成，烘干室内可装须要烘干的花生荚果，烘干室的大小以及尺寸须要依据作业量的具体需求设计。按照美国车载箱式花生干燥系统的设计经验，换向通风机构的干燥室长宽比约为3 ∶ 1。承料板的高度及混合室的高度都须要依据具体实际情况进行设计。

2.1.2 匀风机构 匀风机构主要目的是实现对入射的热空气逐层、逐次进行分流。匀风机构可在风机入口安装导风板进行匀风处理，该方案可以有效解决入射风量靠近风机风量大，远离风机风量小的问题，解决床层风量的分布不均匀问题，提高干燥床平面内的干燥均匀性（图3）。

2.1.3 換向机构 烘干设备内有多个箱体，若采用单一通风方式则容易造成花生荚果烘干不均匀，为达到烘干箱内干燥均匀的目的通常须要在烘干设备的进风口处安装通风换向机构，此类机构通常由导通管道、导风叶片以及换向手柄组成。通过调节换向手柄，可以改变通风的方向以及风力的大小，实现花生荚果在烘干室内均匀烘干（图4）。

2.2 回转圆筒式烘干设备

回转圆筒式烘干设备的烘干室主要由入料装置、干燥筒、进气排气结构、出料装置等组成[27]（图5）。烘干时将须要干燥的湿物料由皮带机或斗式提升机送到料斗，然后经料斗的加料机构通过加料管进入进料端。为使物料顺利进入烘干室内，物料的自然倾角要小于加热管的斜度，烘干设备的圆筒是一个略微倾斜的旋转圆筒，在烘干时，物料从圆筒的高端进入，热载体由低端进入，使物料与热载体形成逆流接触，也有物料与热载体一同进入圆筒内。当圆筒转动时，物料由于重力的作用向下运动，在向下运动的过程中含水率较高的湿物料接触热载体，受给热的影响，使物料得以烘干，然后在出料口经皮带机或螺旋输送机运出。在烘干室内装有抄板，当物料下降时，抄板可以将下降的物料抄起又洒下，使物料充分分散，增大与热载体的接触面积，提高烘干的效率。通常用加热的空气作为热载体，当加热空气通过烘干设备后，含尘量较大，须要加装旋风除尘器进行除尘处理，如想要进一步减少气体含尘量，可以通过袋式除尘器进行除尘处理[28-29]。

回转圆筒干燥机主要依靠回转机构的转动带动花生荚果的运动，当物料随着滚筒不停地翻滚时与热空气充分接触，从而保证烘干的均匀性。典型的产品有千峰机械公司生产的增效式花生烘干机和航宇烘干机械公司生产的粮食花生烘干机。转筒式烘干设备具有干燥均匀性好、效率高、热量利用率高等优点。但花生荚果本身具有不规则性外形，在流动性质上较差，当回转圆筒设备强制使不规则的花生进行流动时，容易出现花生荚果的破裂，从而导致花生的干燥不均匀，且对后续的贮藏加工环节带来不便。

2.3 就仓干燥设备

就仓干燥就是将新收获的果实存放在配有机械通风系统的库房，使用自然空气或稍加热空气作为干燥介质，对具有较高含水率的谷物进行通风烘干，干燥完成后直接放在仓内储藏[30-32]。

我国的就仓干燥设备研究以国家粮食局成都研究院为主。2002年科技部科研院所技术开发研究专项“新型就仓干燥技术及装备的研究开发”，开发移动组合式风网，解决6 m堆高，研究水分分层控制及微生物防治;2004年粮食丰产科技工程项目“长江中下游稻谷整仓干燥新技术开发与示范”，开发热泵热源、检测系统、PLC控制系统、臭氧防霉技术;2009年国家科技支撑计划“稻谷收获集约化干燥技术和设备应用试验及示范”，主要研究就仓干燥无线控制技术、下管技术、起管技术。如今在国内就仓干燥主要有陕西5 280 t玉米就仓干燥、德阳1 500 t稻谷就仓干燥（图6）、江西1 533 t稻谷就仓干燥（图7）、陕西玉米包打围就仓干燥等。

3 烘干机械的供热方式选择

一台好的花生烘干机必定拥有合理的供热方式，提供稳定温度且温度在一定合理区间变化的热能，以保证花生荚果烘干的品质。供热方式的选择除了要考虑经济的因素，随着国家近年对环境保护的越发重视，对环境的影响程度也成为烘干设备能源配置选择的考虑因素之一。适用于花生干燥的供热方式主要有以下几个方面：（1）燃烧为主的供热方式，燃料的选择多为传统化石能源以及新兴的生物质能。（2）以太阳能为主的供热方式，充分利用太阳这个取之不尽用之不竭的能源。（3）以电能为主的供热方式，比如电热丝加热以及采用热泵加热的烘干方式。不同供热方式的选择对设备的经济要求、技术要求、环境要求都有着重要的影响，因此选择合理的能源配置是研发一台合理的烘干设备的重要环节之一。

3.1 燃烧为主的供热方式

燃烧为主的供热方式主要以燃烧炉通过燃烧的方式直接或间接加热空气，然后通过风机将加热后的热空气吹入烘干设备的储藏室中进行烘干工作。燃料的选择通常有传统的化石能源和生物质能2种。

目前美国等较为发达的国家已经将液化气、天然气这类清洁能源较为广泛地应用于当地的产地干燥系统当中，我国的大型粮库等烘干设备主要还是以煤油、柴油的燃烧为主。此类技术的研究热点主要集中在提高燃料的燃烧效率、降低能源消耗、节约资金、降低碳排放量、减轻堆环境的污染这几个方面。

3.2 太阳能供热方式

太阳能主要通过太阳辐射产生热能。在农业方面的主要应用有谷物的场地晾晒、温室大棚等。太阳能最重要的特点就是不会对环境造成污染，且能量巨大，对于人类来说取之不尽用之不竭，是未来能源利用发展的重点方向之一。目前太阳能集热干燥技术已逐步应用于美国花生干燥系统中[33-37]。

3.3 电能供热方式

以电能的供热方式主要有加热电热丝和热泵循环这两大方式，其中热泵循环方式近年来受到广大专家学者的关注。热泵按其工作原理可分为半导体热泵、化学热泵、吸收式热泵和蒸汽压缩式热泵等，在农副产品加工中使用最普遍的是蒸汽压缩式热泵[38-41]。

热泵供热技术作为一种新型绿色能源，因其能量利用率高、干燥能耗低、改善干燥品质等特点而受到广泛关注，正逐步应用于美国花生机械化干燥中，典型的有DaikaDDG8000花生热泵风机（图8），该风机可与干燥车组配形成热泵循环干燥系统，烘干温度最高可达50 ℃，相比其他作业方式，该套设备可减少约30%的能耗费用，节省约50%的烘干时间。但该套设备价格昂贵，一次性投资成本高。

目前，国内用热泵干燥机分别对玉米、大豆、稻谷种子进行干燥研究（图9）。通过研究对比发现，热泵具有高效节能、较宽的可调节干燥条件、常压低温干燥、干燥介质可实现封闭循环、环境友好、自动化程度高等特点。

4 花生荚果烘干设备发展展望

近年來，我国农业机械化程度直线攀升[42-43]，2014年农机化水平已经突破60%，标志着我国全面实现农业机械化的目标已经完成了一大半。但与发达国家相比，我国花生荚果烘干设备的整体水平还有较大的提升空间。花生荚果烘干作为农产品产后加工的重要环节，具有良好的发展前景与广阔的市场需求。研发一台适合我国国情的花生荚果烘干设备，未来须要从以下几个方面努力。

4.1 研发环保经济的热源装置

热源是一台花生荚果烘干设备的重要组成部分，花生荚果的烘干效率与品质等均与烘干设备的热源息息相关。目前，我国大多数烘干设备都采取燃烧炉加热的方式，此种方式投资较低，但对环境破坏较大且燃烧产生的烟尘对花生荚果的品质有一定的影响。若采取电加热的方式，如热泵方式，对环境造成的影响程度较低，且在过程中自动化程度较高，可以添加控制系统保证花生荚果的品质，但此种方法投资较大，不适合中小规模的花生生产。因此，发展环保经济的热源装置已经成为研发花生烘干设备重点问题。

4.2 提高设备自动化程度

目前花生荚果烘干设备主要由干燥室、热风机、干燥炉组成。缺少相应的控制模块，自动化程度较低，难以实现复杂工况下的烘干控制。烘干过程中的含水率还须人为进行测定，浪费干燥时间且降低干燥效率。因此，提高烘干设备的自动化控制程度也是未来需要广大科研人员努力的方向之一。

5 结语

花生已经成为我国重要的土下经济作物，其种植面积与产量常年保持在较高的水平。发展花生荚果产后烘干设备，提高花生荚果产后加工品质，避免花生产生霉变已经显得越发重要。虽然市场上已经出现了一些兼用的烘干设备，但仍存在着干燥不均匀、烘干效率低、经济投入占比过高、环境污染大等问题。因此，广大科研院所、高校、企业应紧密结合，加大研发力度，吸收国内外先进的技术，努力研发一台适合我国国情的花生荚果烘干设备。

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