饲料生产过程中干燥装置节能技术的探讨

饲料生产过程中干燥装置节能技术的探讨和进娜叶京生徐庆罗乔军摘要针对目前我国饲料生产过程中，干燥工艺的优化设计问题提出了组合干燥节能技术；针对饲料的加工特点，把吸附干燥引入饲料加工工艺中，提高了干燥装置的能源利用率，同时饲料的品质也有所提高。关键词吸附；干燥；造粒；优化组合中图分类号S816.34近年来，我国年产万吨以上的大型饲料加工企业已发展到2400多家，饲料工业产量突破1亿吨，占世界总量的15%以上，已成为名副其实的饲料生产大国[1]。而干燥工艺广泛应用于饲料生产过程中，其能耗往往在一个企业的总能耗中占有较大的比例，而且目前干燥工艺的设计水平和操作水平较低，大部分干燥装置的热效率仅为25%～75%，由于技术水平不同，大部分企业都处在偏低水平操作。因此，改进干燥工艺，提高干燥装置的热效率对节约能源具有极其重要的作用，即对干燥系统进行系统优化时，节能降耗显得格外重要。1干燥装置的能量利用率干燥装置的能量利用率或干燥器的热效率是衡量一个干燥过程或干燥器在能量利用上优劣的一项重要指标，通过对过程或设备的热效率的计算，可以发现操作过程能耗的分配情况，从而为采取相应措施来降低能耗提供参考。干燥装置的能量利用率η是指装置脱去水分所需要的能量E与供给装置能量E2之比，即η=E/E2[2]。在饲料加工过程中，干燥装置的能量利用率取决于干燥介质的初始和最终温度、环境温度及物料初始水分含量、供给和损失的热量。2干燥过程的强化和节能干燥过程中能耗大，能量利用率低。随着能源价格的不断上涨，采取措施改变干燥设备的操作条件，开发热效率高的干燥设备，根据干燥的特点进行组合干燥装置的工艺研究，回收排出的废气中部分热量等具有重要意义。从干燥动力学的观点出发，干燥过程和一般传质过程一样，对过程速率强化手段的研究是最关注的问题之一。干燥过程主要分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在恒速干燥阶段，动态干燥比静态干燥具有更高的干燥速率。物料内部的水分（主要为非结合水）向表面传递的速率和水分子从物料表面蒸发的速率相等。干燥速率基本上不随物料而变，其大小取决于物料表面水分的蒸发速率。在干燥过程中物料处于静态，故其干燥强度较低，若能采取一定措施，在干燥过程中翻动物料，则可使干燥得以强化。恒速干燥阶段是受外部条件控制的。因此其强化手段与对流传热相似，改善流体动力学条件是基本手段。降速干燥阶段由于水分自物料内部向表面移动的速率小于表面水分蒸发速率，因此干燥速率逐渐减小，物料表面不能维持全部湿润，蒸发面逐渐向物料内部移动。干燥速率的制约因素主要是内部条件，即主要取决于物料内部水分或水汽的扩散阻力，当然外部条件对降速干燥阶段也是有影响的。此外，如果能将能量有效的供给物料的内部水分而又不致引起物料骨架吸收大量能量而过度升温，并且又能减少水分和水汽向外传递的内阻，那降速阶段的干燥速率便可提高而又不损伤物料的品质。在干燥过程中，施加超声波能量场激励物料内部水分子的振荡有助于水分子的扩散[3]。从能量传递的特点看，对流、传导和辐射都需经由物料表面传递到内部，在流体动力学条件一定时，要提高传热速率，只有提高物料表面至内部的温度梯度，但这将受物料耐热性的限制。微波能将能量集中供给水分，使其迅速受热汽化，从而提高干燥速率，但微波使物料内部水分迅速汽化后，如不能及时排除则会在物料内部形成高温高压的空腔，使物料“膨化”和过热。吸附干燥是在物料与其接触的吸附剂材料的质量浓度梯度的推动下，进行湿分传递，不需新能量加入，同时改善了设备的操作条件。尽量减少物料的尺寸，使内部水分和水汽扩散的距离减少，是提高降速干燥阶段速率或缩短干燥时间的有效方法，但这种方法受产品形态、尺寸要求和相应有效干燥方法的限制，对产品形态有一定要求时，这种方法有局限性。由降速干燥阶段控制的干燥过程，往往被重视的是产品质量。在可获得优质产品的基础上，再来考虑节能和加速干燥过程。一般来说，干燥器的热损失不会超过10%，大型生产装置若保温良好，热损失约为5%。因此，要做好干燥装置的保温工作，应该寻求一个最佳保温厚度。由干燥器热效率定义可知，提高干燥器的入口空气温度，有利于提高干燥器的热效率。但是，入口空气温度受产品允许温度的限制。如：对于热敏性物料的干燥，40℃为热破坏的安全温度，因此操作温度应该在40℃以下。但在干燥初期，物料水分含量较大，恒速干燥阶段宜采用较高的温度，此时物料表面温度为湿球温度，不会对制品产生热破坏[4，5]。3组合干燥工艺在饲料加工过程中，往往是将几种物料加以混合配制，由于各种物料含水量不同，应充分利用吸附干燥[6，7]的优势，结合干燥过程进行优化设计。建立更合理、更节能的组合装置是目前解决饲料干燥的有效方法[8]。3.1接触吸附-喷雾-造粒优化装置（见图1）图1为接触吸附-喷雾-造粒优化装置，该装置在现有设备的基础上添加了流化床，液态物料与吸附剂（固态物料）接触后又一起进入流化床内，从而有效地延长了物料与吸附剂的接触吸附时间，在一定程度上提高了产品的干燥效果。接触吸附与喷雾干燥混合，降低了产品的相对吸湿性；干燥中，水分蒸发稳定，物料温度低，对于生物物料可保持液态时生物活性；避免了产品在干燥器壁的堆积。吸附剂可作为惰性粒子载体或产品的一部分与物料一起进入流化床干燥器进行干燥造粒，节省了成本。3.2接触吸附-气流-造粒优化装置（见图2）图2所示为接触吸附-气流-造粒优化装置，该装置采用物料与吸附剂逆向进料的方法，用干燥器底部的选留装置将吸附剂向上抛起，与上部喷下的液态物料进行接触吸附干燥，干燥后的物料从顶部被气流带出。物料与吸附剂逆向接触，同时进行水分吸附和部分蒸发过程，水分从毛细管多孔体中蒸发，从而改变了热质传递性，且能充分发挥对流干燥的某些有利特点，排除了其它必要的下游操作，如磨碎、筛分等，同时产品质量有所改善，特别适用于热敏性物料。3.3接触吸附-流化床-造粒优化装置（见图3）图3所示为接触吸附-流化床-造粒优化装置，该装置与图1所示的装置接近，但进料方式不同。该装置也采用逆流的方式，使物料与吸附剂能在床层上进行充分的接触，从而提高了产品的干燥效果。与传统对流干燥相比，此方法干燥时间短、能耗低、费用少。以硅胶干燥1.5～2.5mm厚的牛皮为例，在60℃以下，水分含量从60%降至20%，所需干燥时间从7h降至15～20min，减少蒸汽耗量30%，基本投资费用降低。吸附剂的使用不但提高了对流热质传递速率，而且提高了接触热质传递速率，降低了能源消耗，达到节能的目的[3]。吸附干燥在35℃以下进行，对胡萝卜素破坏轻微，无褐变,其中胡萝卜素仅损失6.2%，接近商业上干燥方法最低损失5%的水平,远远低于热风干燥的水平，可保持原有色香味，故适用于热敏性物料的干燥。4结语研究表明，饲料干燥加工过程非常适合采用吸附-干燥-造粒。任何一种干物料都可作为吸附剂，充分发挥吸附干燥的优势，可有效地降低干燥过程中的能源消耗，并可保证加工品质，使饲料加工设备整体水平有较大的提高。进行干燥过程的合理优化组合，如利用微波与气流干燥或流化床干燥进行组合、超声波与干燥设备的组合，可以较好地控制整个干燥过程，同时又能节约能源,尤其适用于热敏性物料，是干燥技术未来的发展趋势之一。参考文献1史利清.饲料企业如何培育核心竞争力.饲料工业，2006，27(3):58~602MujtundarAS.Recentdevdopmentindryingofsolids[J]．IndianInstituteofChemicalEngineering,1981(4):98～1033李占勇译.《先进干燥技术》.北京：化学工业出版社，2005:1~16,98~1154王铁军.热敏性物料吸附干燥过程传热传质机理与营养成分退化动力学[D].广州:华南理工大学,20005WeiXu,JingDing,JiangpingYang,etal.TheInvestigationofAdsorptionDryingCharacteristicasforHeatSensitiveFruit[J].Drying2002-Proceedingofthe13thInternationalDryingSymposium,2002(8):247～2516孙庆梅,朱跃钊,陈海军,等.胡萝卜吸附式低温干燥特性的研究[J].生物加工过程，2004，2(3):63～677丁静,徐娓,陈国立.荔枝吸附干燥特性的实验研究[J].食品科学,2002,23(6):63～668潘永芳.干燥设备在饲料工业中的作用.中国饲料，1998(9)：20～23（编辑：崔成德，[e-mail]）和进娜，天津科技大学，300222，天津市河西区大沽南路1038号。叶京生、徐庆、罗乔军，单位及通讯地址同第一作者。收稿日期：2007-07-16