新型卧式旋转干燥仓设计与优化

张洪清，尹 君，张忠杰，金 毅

（国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037）

0 引言

农户储粮在我国粮食储备体系中占有重要地位。数据显示，近年来全国农户家庭储存粮食占全国粮食总产量的50%左右，从户均存粮数量来看，全国种粮农户的户均存粮约1.2 t，各地区之间差异明显，如黑龙江省种粮农户的户均存粮约为5 t，辽宁省户均为3～5 t，河南省户均约为1.3 t[1]。储粮过程中，由于粮食陈化、虫害侵蚀等多种因素，导致数量减少、品质降低的现象[2]，造成了大量损失。数据显示，全国农户储粮损失率高达2%～8%，每年损失粮食约0.2 亿t[3]。我国农户储粮数量大，损失较严重[4]。总的来看，我国农户储粮具有以下3 个特点：①储粮装备落后[5]。农户储粮装具通常十分简陋，防护效果差，储粮过程中粮食霉变、鼠咬虫害的现象时常发生。②储粮农户缺乏科学的储粮理念[6]。我国农民普遍存在“重生产、轻储藏”的认识误区。③储粮农户缺乏科学的储粮知识和技术[7]。建国后，经过粮食仓储工作人员的努力，粮库储粮技术不断发展，损失已经下降到0.1%～0.2%，然而，农户储粮方式几乎没变，损失依然巨大[8,9]。因此，提升农户储粮机械化程度可为解决上述问题提供帮助[10]。

我国“十四五”提倡粮食产后“全程不落地”,大力发展优质粮食工程，关注粮食产后处理品质和国民口粮营养健康[11]。为解决我国农户储粮现存问题，本研究开发了一种以旋转自然干燥为主，通风干燥为辅，兼具临时储粮功能的储粮新装置，并开展了减损保质、实用高效的新收获粮食翻转自然干燥通风储存一体化工艺研究。为粮食保质保鲜安全储藏和优质粮食工程提供技术支撑和设备保障。

1 旋转仓设计与试验

1.1 旋转仓结构设计

该仓为圆筒型金属骨架结构，轴向横置（如图1），仓体直径为2.8 m，长为5.0 m，装粮容积约为30 m3。仓体轴向中心设有通风管，材质为不锈钢筛孔板，可根据实际情况选择是否安装通风风机和辅助加热装置。仓体外筒壁材质为金属丝网，沿轴向设有进出粮口。仓体外筒配备齿圈与驱动电机齿轮咬合，带动仓体旋转。仓体底部采用托辊支撑，仓体两端根据工艺要求封闭。

图1 旋转仓结构简图Fig.1 Structure diagram of the rotating chamber

该机干燥原理主要是通过风机将外界干燥空气送入通风管内，在压力差驱动下，空气由通风管上通风孔被强制送入仓内，从而改变粮堆气体介质参数，对粮堆温度和相对湿度进行调控，使干燥介质与湿粮进行湿热交换从而带走粮食内部的水分，由表面通风网进入大气中，使粮食得到干燥，提高储粮稳定性。同时，为了防止粮食在通风过程中因局部过热发生干燥后粮食水分不均匀的现象，通风的同时使仓体缓慢旋转，保障了粮食降水的均一性与彻底性。

1.2 玉米棒干燥试验

1.2.1 试验样品

2016 年秋季新收获的玉米棒，品种为先玉335，产地为吉林省长春市，玉米初始水分为26.0%。

1.2.2 试验仪器与设备

水分测定仪（浙江托普仪器有限公司）；64 路温湿度传感器（东大恒豊科技有限公司）；旋转仓（吉林省宏达粮油机械制造有限公司）（如图2）。

1.2.3 试验方法

图2 旋转仓照片Fig.2 Photo of the rotating chamber

1）玉米棒入仓。利用输送机将已去掉叶子的玉米棒输送至仓内。为了使旋转仓中的粮食在旋转的过程中更容易混合，使配风或受热更均匀，仓内须留有适宜的空间。本次试验的玉米棒样品共计6 t。

2）开机运行。打开旋转仓总开关，由驱动电机提供动力，使整仓缓慢旋转，旋转速度为5 r/h。本次试验主要为自然干燥，不涉及机械通风，因此没有开启风机。

3）仓内外温湿度检测。每天14:00 时，将温湿度感应探头与64 路温湿度传感器相连接，打开机器，待示数稳定后，读取并记录。

4）玉米水分检测。每天14:00 时，在旋转仓仓门位置（如图3）各取一根玉米棒，手动脱粒，混匀，利用快速水分测定仪测量水分。

图3 玉米棒取样点Fig.3 Corn cob sampling points

1.2.4 结果与分析

1）仓内外温湿度变化。图4 和图5 显示了34 d试验的温湿度数据。可以看出，在2017 年2 月21日之前，仓内外温度基本保持在0℃以下，相对湿度保持50%以上。旋转仓外层温湿度与环境更接近，变化幅度较大；内层温湿度变化较小，温度相对较低，湿度较大。粮层厚度导致的温湿度差异符合实际情况。

图4 内外环境温度变化Fig.4 Changes in internal and external ambient temperature

图5 内外环境相对湿度变化Fig.5 Changes in internal and external ambient relative humidity

2）玉米籽粒水分变化。试验记录的玉米棒水分变化情况如图6所示。由于温度低和雨雪天气的影响，2016 年11 月29 日到2017 年2 月21 日之间，玉米棒水分有升有降，整体趋势不明显。之后，随着环境温度的提高和湿度降低，玉米穗的水分呈现出整体下降的趋势。

图6 玉米含水率变化Fig.6 Changes in moisture content of corn

3）试验结论。据了解当地农户一般将玉米储存到水分15%左右即可出售，因此，当玉米含水率降至16%左右时，结束试验。试验结果表明，自然干燥的情况下，旋转仓的干燥效果主要取决于当地天气情况，对于东北传统“地趴粮”，旋转仓的干燥效果有一定优势，在防雨雪、防鼠雀、占地小等方面有较大优势。旋转仓作为储粮设备效果较好，机械通风降水的效果有待进一步研究。

2 旋转仓结构优化与试验

2.1 旋转干燥仓结构优化设计

1.2 中的试验展示了旋转仓具有防雨雪、防鼠雀、占地小、自然干燥降水均匀等优点，但是在干燥速率方面有待提升。因此，对旋转仓的机械结构进行了优化。首先，对旋转仓进行了扩容，仓体为正八边形结构，最大直径为3 m，总长为9 m，总仓容为64 m3，同时，对支撑结构进一步加固优化。其次，扩大了中心风管的尺寸，内部通风管直径为0.6 m，开孔率为30%。最后，为提升干燥速率，添加了加热组件，通风管两端分别装有五档位功率为50 kW电加热器并配有功率为3 kW 轴流风机1 台。此外，外壳通风网孔直径为0.3 cm，驱动减速电机功率为1.5 kW，卧式旋转粮食干燥仓结构图如图7 所示。

图7 卧式旋转粮食干燥仓结构图Fig.7 Rotary horizontal grain drying chamber

2.2 卧式旋转干燥仓工作原理

该机工作原理主要是通过风机将外界干燥空气送入中心通风管内，在压力差驱动下，空气由风管上通风孔送入仓内，从而改变粮堆的微环境参数，达到调控粮堆温湿度的目的。开始工作前，将旋转通风仓两端电机并联连接，通电后电机转动，通过减速器带动齿轮和齿圈转动，同一侧边两个齿轮间用链条连接，保证四角托辊同步转动，旋转干燥仓仓体上的托辊滑道与4 个主动托辊直接接触。仓体转动时，粮面与水平夹角发生变化，粮面倾斜角大于自流角时，粮面顶端的粮食滚落下来，使整个仓体保持平衡状态。同时，利用外接管道与中心风管相连，打开风机向中心通风管内通入外界干燥空气，干燥空气由电加热器加热后，通过中心管网孔进入仓体并穿过粮层，干燥热空气在穿过粮层过程中与粮食籽粒发生湿热交换，并将粮食水分带出仓外。

2.3 卧式旋转干燥仓玉米干燥试验

为了考察该机的干燥速率、干燥能耗、干燥后粮食含水率的均匀性，于2020 年12 月在河北省张家口市进行了玉米干燥试验。

2.3.1 试验样品

试验样品为“先玉688”型玉米，共35 t。产地为河北省。

2.3.2 试验仪器与设备

快速水分测定仪（日本KETT 公司）；无线温湿度传感器（山东金钟科技集团股份有限公司）；有线温湿度传感器（东大恒豊科技有限公司）；卧式旋转干燥仓（甘肃永登智通工控有限责任公司）（如图8）。

图8 卧式旋转粮食干燥仓现场图片Fig.8 The photo of the rotary horizontal grain drying chamber

2.3.3 试验方法

表1 是本次试验的干燥参数，试验方法如下。

表1 干燥参数Tab.1 Drying parameters of the test

1）温湿度传感器布置。将6 个无线温湿度传感器分别安装于进/出粮口处，便于安装与拆卸，用于检测粮温。有线传感器分别安装于风机进风口和中心风管处，用于检测外环境温湿度和热风温湿度。

2）准备样品与装粮。本次试验样品为玉米籽粒，用提升机向仓内装粮，装载率为95%，共装载玉米35 t，初始水分为24%（湿基）。

3）开机运行。打开旋转仓总开关，由驱动电机提供动力，使整仓缓慢旋转，旋转速度为5 r/h。开启风机，风量为3 000 m3/h。开启加热器，设定温度为15 ℃。

4）仓内外温湿度检测。每4 h 自动检测仓内外温湿度并记录。

5）玉米水分检测。每4 h 在6 个进/出粮口（如图1 和图7 所示）依次取样，利用快速水分测定仪测量水分并记录。当水分降至15% 左右停止试验。

2.3.4 结果与分析

表2 展示了每个测量点每隔4 h 玉米的水分变化。

表2 各点位玉米实时含水率Tab.2 Real-time corn moisture content at each point

本试验将新收获的高水分玉米（24%湿基）烘干至15%，玉米水分含量共降低约9%。本试验耗时48 h，总能耗为83.4 kW·h，计算能耗约为0.19 kW·h/（1%水分·t），远低于LST1202-2002《储粮机械通风技术规程》规定的玉米降水通风单位能耗要求EW≤2.0 kW·h/（1%水分·t）。从表2可以看出，在试验过程中，水分差最大为1.7%，干燥结束时约为1.0%。根据现行GB/T21017-2007《玉米干燥技术规范》，当水分降低＞5%且≤10%时，干燥不均匀度应≤1.5%，设备的干燥性能符合标准。

图9 为各点的降水曲线。总体而言，该设备的干燥过程相对稳定。在第3、4、5 点，从第2 天3点到7 点，水分损失率明显下降。这是由于外部温度为-6.5 ℃，相对湿度为45%左右，降低了远离进风口的玉米的降水速率。由于旋转干燥仓不停旋转，仓中的玉米充分混合，水分不均匀现象在接下来的几个小时内得到缓解。

图9 试验结果Fig.9 Results of the test

3 结语

本研究详细介绍了卧式旋转干燥仓的设计与优化。该设备具有低温干燥、慢速旋转的特点，有利于保障干燥后粮食品质，提升干燥后粮食含水率的均匀性。为了测试设备的性能，进行了两次玉米干燥试验。在旋转仓中进行的玉米棒干燥试验,证明了这种卧式旋转干燥方式在玉米等粮食储存和干燥方面的适用性。在优化后的旋转干燥仓中进行的玉米籽粒试验，大幅提升了干燥效率，经过48 h 的连续干燥，将含水率为24.0%的高水分玉米干燥到15.0%，干燥曲线光滑，干燥过程稳定。试验结果表明，干燥后不均匀性小于1%，单位能耗约为0.19 kW·h/(1%水分·t)，证明该设备能耗较低，干燥后的玉米水份均匀度高，是一种适合农户短期干燥储存粮食的新型仓型干燥仓。