孫慶運(yùn), 于啟娜, 賈振超, 武文璇, 趙峰, 韓夢(mèng)龍, 王光輝*

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250100； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 北京1000083)

近年來隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，傳統(tǒng)的“糧-經(jīng)-飼”三元結(jié)構(gòu)向“糧-經(jīng)-畜-草”四元結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，依靠農(nóng)作物秸稈加精料的傳統(tǒng)落后飼喂模式已不能滿足現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展要求，亟需高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草來滿足優(yōu)質(zhì)飼草料日益增長(zhǎng)的需求[1-2]。我國(guó)草地資源豐富，但是牧草生產(chǎn)機(jī)械發(fā)展較為滯后，造成我國(guó)一直處于草產(chǎn)品自給嚴(yán)重不足的狀態(tài)。為了滿足現(xiàn)代畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，我國(guó)長(zhǎng)期進(jìn)口牧草產(chǎn)品[3]。

牧草干草是主要的牧草加工產(chǎn)品，約占草產(chǎn)品的70%，牧草干燥加工是影響草產(chǎn)品品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)[4]。干燥生產(chǎn)與收獲工藝密切相關(guān)，根據(jù)氣候條件以及干燥加工的需求，國(guó)內(nèi)外提出了不同的收獲工藝，形成了不同的牧草干燥生產(chǎn)模式[5-8]，如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)主要的牧草干燥加工生產(chǎn)方法采取干法收獲工藝，通過自然晾曬將牧草含水率降至安全含水率以下，然后進(jìn)行打捆。濕法收獲工藝結(jié)合了自然晾曬干燥和機(jī)械干燥工藝，將收割后牧草在田間自然晾曬至含水率30%～45%，隨后撿拾并運(yùn)至工廠進(jìn)行機(jī)械干燥加工，減少了牧草在田間停留時(shí)間，降低了天氣條件變化影響牧草收獲加工的風(fēng)險(xiǎn)。直接收獲工藝，則通過牧草聯(lián)合收獲機(jī)將田間種植的牧草收獲、切碎、裝車后，由田間運(yùn)至干燥工廠，直接進(jìn)行機(jī)械干燥作業(yè)，能夠在不利天氣條件下完成牧草高效干燥加工生產(chǎn)。

圖1 牧草收獲、干燥加工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of forage harvesting and drying processing

部分發(fā)達(dá)國(guó)家研究牧草干燥加工起步較早，目前牧草干燥加工技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，實(shí)現(xiàn)了牧草干燥加工機(jī)械化[9-12]。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)牧草的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)牧草的干燥特性和裝備進(jìn)行研究，確定相應(yīng)牧草干燥技術(shù)，并設(shè)計(jì)了不同類型的干燥設(shè)備，促進(jìn)了牧草干燥加工機(jī)械化的發(fā)展。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外牧草干燥技術(shù)和裝備研究進(jìn)行了概述和分析，總結(jié)了牧草干燥加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素與研究方向；通過消化吸收國(guó)外先進(jìn)干燥技術(shù)，發(fā)展具有中國(guó)特色的牧草干燥加工技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)我國(guó)牧草高品質(zhì)、高生產(chǎn)率的干燥生產(chǎn)。

1 不同干燥方式下牧草干燥動(dòng)力學(xué)與品質(zhì)研究

牧草的干燥過程可分為生理與生化階段。將牧草刈割后晾曬至含水率40%左右這一階段稱為生理階段，該階段散失的主要是自由水，牧草水分主要通過氣孔、維管系統(tǒng)散失，干燥速率較快。同時(shí)由于細(xì)胞具有活性，不斷消耗牧草自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)維持生理活動(dòng)，因此加快這一階段水分的散失，能有效減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，縮短干燥時(shí)間[13-16]。第二階段為生化階段，此時(shí)植物細(xì)胞失去活性，蛋白酶參與生化反應(yīng)。在植物體內(nèi)蛋白酶和陽光的共同作用下，可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如可溶性蛋白質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)的纖維素、葉綠素和胡蘿卜素隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，其含量快速下降。因此為保證牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，在生化階段應(yīng)加快牧草降水速率，減少陽光暴曬、雨淋等[13,17]。

目前主要的牧草干燥方式有自然干燥、熱風(fēng)干燥、高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥、太陽能干燥等，而紅外干燥等其他方式在牧草干燥特性相關(guān)的研究較少，不同干燥方式特點(diǎn)如表1所示。

表1 牧草主要的干燥方式Table 1 Main drying methods of forage

1.1 自然干燥

作為一種傳統(tǒng)的干燥方式，自然干燥是我國(guó)牧草青干草調(diào)制采用的主要生產(chǎn)工藝。按照是否接受陽光照射可分為曬干和風(fēng)干(陰干)。在滿足田間晾曬條件下，牧草在田間晾曬至安全含水率后打捆收獲，這個(gè)方式減少了干燥設(shè)備的投入，生產(chǎn)成本低，但由于在晾曬過程中要翻曬及晾曬后打捆收獲作業(yè)，機(jī)械多次干預(yù)，造成干草葉片脫落，較嚴(yán)重地影響了牧草品質(zhì)[18]。圖2為牧草田間晾曬現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 牧草田間晾曬Fig.2 Forage drying in the field

一些研究學(xué)者研究了不同干燥方式、預(yù)處理方式等對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。通過分析自然干燥后牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間陽光照射，牧草中的一些營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)發(fā)生分解，造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的損失；直接陰干和堆放會(huì)造成霉菌率增高[19]。陳秉龍研究了曬干、風(fēng)干和機(jī)械干燥對(duì)燕麥草(AvenasativaL.)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，表明曬干營(yíng)養(yǎng)損失最大，風(fēng)干次之，機(jī)械干燥最小[20]。在自然干燥的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)物理預(yù)處理方法，如噴灑化學(xué)藥劑、壓裂牧草莖稈等，能夠降低自然干燥的時(shí)間，提高干燥效率。研究表明噴灑化學(xué)藥劑有利于水分的散失，減少營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)損失，維持礦物質(zhì)含量[21]，且對(duì)干物質(zhì)、粗蛋白、纖維的消化率沒有影響[22-23]；莖稈壓裂處理提高了苜蓿(MedicagosativaL.)的干燥速率，使苜蓿保持較低的酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)和中性洗滌纖維(Neutral detergent fibre，NDF)含量以及較高的可溶性糖(Soluble sugar content,WSC)含量、粗蛋白(Crude protein,CP)含量，是有效的調(diào)制方式[8]。另外刈割時(shí)間、集攏時(shí)間、草條厚度、翻曬次數(shù)以及晾曬時(shí)間對(duì)牧草干燥速率和干燥品質(zhì)都有影響，在田間自然干燥過程中，集攏時(shí)間越長(zhǎng)，草條厚度越小，翻曬頻次越多，越有利于干燥速率提高，而提高翻曬頻次會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量降低；另外田間干燥過程中存在返潮等現(xiàn)象，研究表明集攏時(shí)間在刈割后2 h，草條厚度10 cm為最佳的干燥條件[24-25]。在同一天中，刈割時(shí)間越早以及晾曬時(shí)間越短，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失越少，干草品質(zhì)受刈割時(shí)間、晾曬時(shí)長(zhǎng)交互作用的影響[13]。不同地區(qū)氣候條件差異較大，尹強(qiáng)結(jié)合寧夏和青島不同氣候條件，提出了有利于減少干燥過程中牧草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失、提高可飼喂價(jià)值的相應(yīng)干燥工藝[26]。

天氣變化，特別是降雨會(huì)影響牧草的自然干燥過程，造成營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)損失。雨淋對(duì)天然牧草干燥特性和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響的研究表明，雨淋后天然牧草的干燥時(shí)間延長(zhǎng)24 h，且粗蛋白含量顯著降低、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著提高，造成相對(duì)飼用價(jià)值降低[27]。另外牧草自然干燥在不同的地區(qū)形式有所差異，在青藏高原等地區(qū)，牧民將牧草制成草辮搭在晾草架上晾曬。苜蓿草辮晾曬研究表明，草辮能夠增加與氣流的接觸面積，有利于水分蒸發(fā)，因此與自然攤曬相比脫水速率更快，品質(zhì)損失更小[28]。

牧草分段干燥工藝是將牧草在田間晾曬至含水率20%～25%，之后牧草打捆后進(jìn)行自然通風(fēng)干燥。采用分段干燥工藝，可減少田間晾曬的時(shí)間，有效抑制酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量提高，提高粗蛋白含量的保留率與相對(duì)可飼用價(jià)值[29]。

1.2 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是常用的機(jī)械干燥方法，利用加熱后的空氣與牧草進(jìn)行熱質(zhì)交換，實(shí)現(xiàn)牧草水分脫除，相比自然干燥，干燥效率提高。熱風(fēng)作為干燥介質(zhì)，溫度相對(duì)較低。

熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)速度、料層厚度以及預(yù)處理方式是熱風(fēng)干燥工藝中影響牧草干燥的重要因素。在干燥速率方面，苜蓿熱風(fēng)干燥試驗(yàn)結(jié)果表明，熱風(fēng)溫度與風(fēng)速越高，干燥速率越快，莖稈壓裂處理有利于提高苜蓿干燥速率[30]。干燥均勻性方面，提高熱風(fēng)速度可以提高干燥的均勻性，料層厚度則對(duì)均勻性的影響較小[31]。干燥能耗方面，提高熱風(fēng)溫度和降低風(fēng)速可以降低單位能耗，而且風(fēng)速和莖稈直徑對(duì)能耗的影響較大，而干燥溫度和莖稈壓裂程度影響相對(duì)較小[32]。影響牧草品質(zhì)方面，熱風(fēng)溫度過高會(huì)降低牧草中蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分的含量，干燥預(yù)處理如莖稈壓裂對(duì)纖維含量產(chǎn)生一定的影響[30,33]。苜蓿變溫干燥試驗(yàn)研究表明，升溫干燥效果最好，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失較小，能耗較低，其次是恒溫干燥、降溫干燥[34]。

苜蓿草捆熱風(fēng)干燥試驗(yàn)表明，干燥過程可分為預(yù)熱階段、等速階段、穩(wěn)定階段，苜蓿草捆干燥存在明顯的水分梯度和溫度梯度，干燥介質(zhì)顯著影響草捆內(nèi)的溫濕度，草捆長(zhǎng)度和熱風(fēng)溫度與色澤和氣味等感官指標(biāo)負(fù)相關(guān)，而草捆長(zhǎng)度和密度與單位能耗負(fù)相關(guān)[35-36]。

1.3 高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥

高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥工藝在牧草干燥生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，該干燥方式具有干燥速率快、牧草品質(zhì)損失小、可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等特點(diǎn)，應(yīng)用于苜蓿、燕麥、高稈禾草等[37-38]多種牧草的干燥生產(chǎn)中。在牧草高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥工藝中，干燥介質(zhì)熱風(fēng)溫度在300～500℃之間或者更高，牧草在干燥室內(nèi)停留時(shí)長(zhǎng)為幾分鐘到十幾分鐘。與熱風(fēng)干燥相比，干燥速率和生產(chǎn)率大幅度提升，每小時(shí)干草產(chǎn)量可高達(dá)數(shù)噸[39]，降低了牧草因不及時(shí)干燥所產(chǎn)生的損失風(fēng)險(xiǎn)。在高稈禾草干燥品質(zhì)試驗(yàn)中，與自然干燥、熱風(fēng)干燥相比，牧草高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥后品質(zhì)損失較小[39]。為了獲得牧草高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥工藝，王建英利用四重滾筒干燥設(shè)備對(duì)苜蓿干燥特性進(jìn)行研究，確定了喂入率、熱風(fēng)流量和滾筒轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)[37]。Gu和Zhang等通過分析柔性顆粒在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)的干燥過程，建立了相應(yīng)的傳熱傳質(zhì)模型，分析干燥過程中水分的傳遞和熱量的交換[40]。

由于高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥采用轉(zhuǎn)筒干燥器，干燥過程參數(shù)不易獲取，多采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于干燥過程中熱風(fēng)與物料的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，熱風(fēng)-物料耦合溫度變化過程，以及物料干燥過程中水分含量、水分狀態(tài)的變化尚不明確，限制了牧草高溫快速干燥速率和品質(zhì)的提升。另外高含水率牧草由于水分含量高，導(dǎo)致高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥過程存在能耗高、生產(chǎn)率低的問題；通過聯(lián)合干燥方式降低牧草的初始含水率，有利于提高牧草的高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥效率，降低單位熱耗。

1.4 太陽能干燥

太陽能干燥是一種通過采集太陽能的熱輻射加熱空氣作為干燥介質(zhì)，進(jìn)行物料熱質(zhì)交換的干燥方式。該方式以接收太陽能熱量加熱空氣為熱源，具有清潔、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該會(huì)成為未來干燥領(lǐng)域研究的重要方向之一。

由于太陽能干燥提供的熱空氣溫度較低，且熱源溫度變化較大，一般輔以濕法收獲。對(duì)苜蓿草收貯工藝的研究發(fā)現(xiàn)，含水率40%～45%之間苜蓿草的韌性最強(qiáng)，撿拾過程產(chǎn)生的機(jī)械損失率最小，配合濕法收獲工藝后，可以將收獲時(shí)間從56 h降到5 h 40 min，大大縮短了收獲時(shí)間，降低了收獲損失和雨淋霉變風(fēng)險(xiǎn)[7]。杜建強(qiáng)等根據(jù)濕法收獲工藝，提出了含水率35%～50%時(shí)，以散草和草捆兩種形式收集牧草，并將收集后的牧草投入到散草厚層草倉(cāng)或草捆草倉(cāng)，由太陽能集熱系統(tǒng)加熱空氣形成熱風(fēng)，吹入干燥倉(cāng)實(shí)現(xiàn)干燥生產(chǎn)，散草干燥時(shí)長(zhǎng)為60 h，草捆干燥時(shí)長(zhǎng)為48 h，草捆(含水率40%)干燥生產(chǎn)能力3.8 t·d-1[41]。

對(duì)含水率高的牧草而言，太陽能干燥工藝存在干燥時(shí)間過長(zhǎng)的問題。田斌和吳建民等在青藏高原地區(qū)利用太陽能干燥裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明干燥成本低，同時(shí)由于偏低的熱風(fēng)溫度造成干燥時(shí)間過長(zhǎng)，因此提出了太陽能干燥與滾筒干燥相結(jié)合的干燥模式[42]，能夠降低含水率高的牧草干燥的成本，并縮短低含水率階段的干燥時(shí)間。另外太陽能干燥容易受環(huán)境的影響，干燥介質(zhì)的溫度波動(dòng)較大，影響物料干燥的效率。因此可以通過與輔助加熱設(shè)備如熱泵相結(jié)合[43-44]，提高太陽能干燥設(shè)備的集熱效率；或采用分段干燥的方式，提高物料的干燥效率，降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失[45]，提高太陽能干燥設(shè)備的推廣應(yīng)用前景。

1.5 其他干燥方式

除上述主要干燥方式外，牧草干燥方式還有紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥、化學(xué)干燥等。研究表明紅外熱風(fēng)干燥對(duì)紫花苜蓿干燥速率有影響，根據(jù)干燥速率確定最佳干燥參數(shù)組合為溫度95℃、風(fēng)速3 m·s-1、輻射距離50 mm。與自然干燥相比，采用NaHCO3噴灑燕麥草，可以有效控制品質(zhì)損失，提高可飼用價(jià)值，另外化學(xué)干燥方式通常與其他干燥方式相結(jié)合，可有效縮短干燥時(shí)間[46-48]。

2 牧草干燥設(shè)備的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的牧草干燥設(shè)備包括熱風(fēng)干燥設(shè)備、高溫快速干燥設(shè)備、太陽能干燥設(shè)備，由于設(shè)備的工作原理和結(jié)構(gòu)不同，其中高溫快速干燥設(shè)備適用物料為切段牧草，在干燥前需要進(jìn)行切段處理，而其他兩種設(shè)備則適用于草捆和散草，3種牧草干燥設(shè)備的適用物料和特點(diǎn)如表2所示。

表2 牧草干燥裝備對(duì)比Table 2 Comparison of forage drying equipment

2.1 熱風(fēng)干燥設(shè)備

國(guó)內(nèi)牧草熱風(fēng)干燥的研究主要集中在干燥特性和品質(zhì)變化，而對(duì)干燥設(shè)備的研究較少，熱風(fēng)干燥設(shè)備主要以干燥草倉(cāng)、草捆干燥設(shè)備為主。

管式熱風(fēng)干燥設(shè)備是近年草捆熱風(fēng)干燥的主要設(shè)備類型。圖3為美國(guó)研制的草捆干燥設(shè)備，該設(shè)備利用管式通風(fēng)裝置，在草捆內(nèi)部通風(fēng)加熱，實(shí)現(xiàn)草捆的干燥。該設(shè)備適合濕法收獲工藝，在田間晾曬至較低(25%)的含水率，打捆后進(jìn)行干燥，減少了牧草干燥后期干燥時(shí)間和品質(zhì)損失。該設(shè)備熱風(fēng)溫度可以達(dá)到100℃以上，含水率25%的牧草可以在15 min內(nèi)下降到12%[49]，該設(shè)備具有能耗低、生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，但要求物料的初始含水率較低。

圖3 移動(dòng)大方捆牧草干燥設(shè)備Fig.3 Mobile large square forage bales drying equipment

與管式熱風(fēng)干燥設(shè)備相比，強(qiáng)制通風(fēng)型草捆干燥設(shè)施具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，且產(chǎn)量較高，但同樣要求物料的初始含水率低。圖4為強(qiáng)制通風(fēng)型方捆干燥設(shè)備，干燥過程中上下風(fēng)道貼緊草捆的上下兩面，熱風(fēng)經(jīng)下風(fēng)道從方形出口強(qiáng)制進(jìn)入草捆，熱風(fēng)經(jīng)草捆四周或上風(fēng)道排出。熱風(fēng)入口溫度在45℃左右，干燥時(shí)長(zhǎng)為3 h，草捆含水率可以從20%～25%下降到12%以下。該設(shè)備由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊22 kW，動(dòng)力來源于電動(dòng)機(jī)、天然氣等[50]。

圖4 強(qiáng)制通風(fēng)型方捆干燥設(shè)備Fig.4 Square forage bale drying equipment based on forced ventilation

2.2 高溫?zé)犸L(fēng)快速干燥設(shè)備

1926年，美國(guó)路易斯安那州生產(chǎn)了第一臺(tái)轉(zhuǎn)筒式牧草干燥設(shè)備，干燥最高熱風(fēng)溫度800℃，設(shè)備的熱效率60%，生產(chǎn)率可達(dá)1.2 t·h-1[51]。1933年，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)出CTⅡ-0.1型轉(zhuǎn)筒牧草干燥機(jī)，工藝流程圖如圖5所示，該設(shè)備生產(chǎn)率可達(dá)100 kg·h-1[52]。

圖5 ABM-1.5型牧草干燥設(shè)備Fig.5 ABM-1.5 forage drying equipment注：1.燃燒爐風(fēng)機(jī);2.燃燒爐;3.導(dǎo)料槽角度調(diào)節(jié)裝置;4.導(dǎo)料槽;5.物料輸送帶;6.提升喂入裝置;7.干燥轉(zhuǎn)筒;8.風(fēng)量調(diào)節(jié)閥;9.防爆裝置;10.主引風(fēng)機(jī);11.主旋風(fēng)分離器;12.風(fēng)機(jī);13.次級(jí)旋風(fēng)分離器;14.關(guān)風(fēng)器;15.粉料分離器;16.除塵器;17.螺旋輸送器;18.粉塵收集箱;19.星形排料器;20.輸送帶;21.管路轉(zhuǎn)換閥;22.粉碎機(jī);23.抄板;24.轉(zhuǎn)筒支承裝置Note:1.Combustion furnace fan;2. Combustion furnace;3. Guide groove Angle adjustment device;4. Guide groove;5. Material conveyor belt;6. Lifting feeding device;7. Drying drum;8. Explosion proof device;10. Main induced draft fan;11. Main cyclone separator;12. Secondary cyclone separator;14. Air shutters;15. Powder separator;16. Dust collector;17. Spiral conveyor;18. Dust collection box;19. Star discharge;20. Conveyor belt;21. Pipeline transfer valve;22. Grinder;23. Copy plate;24. Rotary cylinder supporting device

目前西班牙脫水苜蓿生產(chǎn)商協(xié)會(huì)(AEFA)所使用的單回程轉(zhuǎn)筒苜蓿干燥設(shè)備，該設(shè)備入口熱風(fēng)溫度為300℃，苜蓿初始含水率為30%左右，干燥后含水率為12%～14%左右，并通過冷卻處理后排出，整個(gè)干燥過程在數(shù)分鐘內(nèi)完成，干燥設(shè)備如圖6所示[53]。苜蓿生產(chǎn)協(xié)會(huì)將田間晾曬和高溫快速干燥方式相結(jié)合，提高了作業(yè)的效率，提高了生產(chǎn)率，該干燥工藝比較成熟，滿足了當(dāng)?shù)剀俎８刹輽C(jī)械化加工的需求。

圖6 苜蓿單筒高溫干燥設(shè)備Fig.6 High temperature fast drying equipment of alfalfa based on single rotary drum

上世紀(jì)八十年代，荷蘭設(shè)計(jì)的AS-25型轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備是一種較為經(jīng)典的轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備，是我國(guó)早期引進(jìn)的設(shè)備之一，目前國(guó)內(nèi)的一些轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備的研發(fā)借鑒了該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)[52]。經(jīng)過多年發(fā)展，在原有工作原理的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備形式有了改進(jìn)和優(yōu)化，目前主要以單回程轉(zhuǎn)筒或三回程轉(zhuǎn)筒為核心部件。目前貴州農(nóng)學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位和企業(yè)[54-56]，設(shè)計(jì)出了不同結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)需求的高溫快速干燥設(shè)備，并進(jìn)行了市場(chǎng)化應(yīng)用。

貴州農(nóng)學(xué)院1989年研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)牧草高溫快速干燥設(shè)備-100型人工快速干燥設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示[54]。設(shè)備為單筒干燥設(shè)備生產(chǎn)率為100 kg·h-1(初始含水率 70%)，干燥能耗15 000 kJ·(kg·H2O)-1，生產(chǎn)率低，難以滿足生產(chǎn)加工需求。

圖7 100型牧草烘干機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the structure of the type 100 forage drying machinery注：1.煙氣風(fēng)機(jī);2.熱交換器;3.熱風(fēng)爐;4.鍘草機(jī);5.料斗及加料器;6.干燥轉(zhuǎn)筒;7.粉碎機(jī);8.物料分離筒;9.熱空氣風(fēng)機(jī);10.粉料分離筒Note:1. Flue gas fan;2. Heat exchanger;3. Hot blast stove;4. Hay cutter;5. Drying rotary drum;7. Crusher;8. Material separation drum;9. Hot air fan;10. Powder separation cylinder

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王光輝團(tuán)隊(duì)研制出三回程轉(zhuǎn)筒牧草高溫干燥設(shè)備，如圖8所示，該設(shè)備入口熱風(fēng)溫度400℃以上，高稈禾草初始含水率為76%，最終含水率在17%以下時(shí)，牧草干燥通過時(shí)間為3～5 min，生產(chǎn)率為2.74 t·h-1，實(shí)現(xiàn)了高水分牧草的快速干燥加工。該設(shè)備具有生產(chǎn)率高、干燥行程長(zhǎng)、可處理高含水率物料的優(yōu)點(diǎn)，但初始含水率高易造成干燥成本較高。可通過預(yù)干燥方式降低物料初始含水率，有利于提高設(shè)備生產(chǎn)率，降低能耗。因此針對(duì)不適合田間晾曬的高含水率牧草，聯(lián)合干燥是有效的干燥方法之一[38]。

圖8 三回程轉(zhuǎn)筒高溫快速干燥設(shè)備Fig.8 High temperature fast drying equipment based on three rotary drum

牧草高溫快速干燥設(shè)備在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用較為成熟，實(shí)現(xiàn)了牧草干燥機(jī)械化加工。由于國(guó)內(nèi)收獲工藝、能源成本以及種植規(guī)模等原因，設(shè)備僅在大型的牧草種植與加工企業(yè)得到應(yīng)用，隨著牧草生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，牧草高溫快速干燥設(shè)備的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.3太陽能干燥設(shè)備

太陽能干燥設(shè)備的形式可分為自然對(duì)流型、強(qiáng)制對(duì)流型、溫室型、對(duì)流除濕型、隧道型等，相較于其他干燥形式，太陽能干燥具有加工成本低、無污染的優(yōu)點(diǎn)。

奧地利太陽能牧草干燥系統(tǒng)，如圖9所示，采用太陽能加熱倉(cāng)體頂部空氣，通過風(fēng)機(jī)使熱空氣穿過料層，濕空氣通過除濕機(jī)將水分排出，實(shí)現(xiàn)牧草干燥。牧草含水率在田間晾曬至30%～35%，采用濕牧草在上與干牧草在下的方式，將牧草裝入草倉(cāng)，最大填充高度可以達(dá)到6 m，從收獲到獲得干草的時(shí)間為2～4 d，干燥成本每噸12～24美元。該設(shè)備解決了牧草長(zhǎng)期田間晾曬受環(huán)境影響的問題，且增加了牧草收割次數(shù)，投入成本較低，適合小型農(nóng)場(chǎng)和養(yǎng)殖戶[57]。

圖9 太陽能干草干燥系統(tǒng)Fig.9 Forage solar drying system注：1．風(fēng)機(jī);2.氣流,空氣經(jīng)過金屬網(wǎng)進(jìn)入干燥草倉(cāng);3.倉(cāng)體上蓋,氣流經(jīng)過金屬房頂,由陽光加熱空氣;4.風(fēng)門,轉(zhuǎn)換氣流的方向;5a.除濕機(jī)入口;5b.除濕機(jī)出口；6.控制器Note:1.Fan;2.Air flow,the air enters the dry grass bin through the metal mesh;3.The upper cover of the bin,the air flows through the metal roof;and the air is heated by the sunlight;4.The air damper,converts the direction of the air flow;5a.Dehumidifier inlet;5b.Dehumidifier outlet;6.controller

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司研制的太陽能草捆干燥設(shè)備，如圖10所示，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)苜蓿草捆的干燥加工，草捆初始含水率為40%，出料含水率低于17%，干燥時(shí)長(zhǎng)4 h，生產(chǎn)率可以達(dá)到1 t·h-1以上，干物質(zhì)損失率較田間干燥大大降低[5]。該設(shè)備以太陽能為熱源，具有干燥成本低、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但受環(huán)境的影響，設(shè)備工作參數(shù)不穩(wěn)定，造成生產(chǎn)率較低，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖10 太陽能草捆干燥設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the overall structure of grass bale solar drying equipment注：1.干燥草倉(cāng);2.太陽能空氣能集熱器;3.儲(chǔ)草倉(cāng);4.風(fēng)道;5.風(fēng)機(jī);6.地下風(fēng)道;7.草捆Note:1.Dry grass warehouse;2.Solar air energy collector;3.Forage storage warehouse;4.Air duct;5.Fan;6.Underground air duct;7.Grass bale

太陽能干燥草倉(cāng)如圖11所示，由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司設(shè)計(jì)完成，該設(shè)備由太陽能集熱系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、干燥倉(cāng)等組成，熱風(fēng)溫度控制在50℃，風(fēng)速在1.5 m·s-1～2.5 m·s-1，初始含水率76.2%的苜蓿干燥至17%所需干燥時(shí)間為300 min左右，苜蓿干草的粗蛋白和胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)成分保有量較高[45]。由于該設(shè)備生產(chǎn)率較低，不適合牧草機(jī)械化生產(chǎn)。

圖11 太陽能干燥草倉(cāng)Fig.11 Solar drying grass warehouse注：1.太陽能集熱系統(tǒng);2.風(fēng)送系統(tǒng);3.自動(dòng)抓草斗具;4.牧草干燥倉(cāng)Note:1.Solar heat collection system;2.Air conveying system;3.Automatic grass grabbing bucket;4.Forage drying warehouse

根據(jù)牧草干燥需求和氣候條件，一些研究學(xué)者設(shè)計(jì)了太陽能牧草熱帶干燥設(shè)備等[58-60]，滿足了特定生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)需求。海南大學(xué)研制的太陽能熱帶牧草干燥設(shè)備，利用太陽能集熱器和電熱絲組合加熱的方式，通過多層輸草裝置，并采用勻風(fēng)控溫系統(tǒng)，使柱花草干燥[61]。該設(shè)備干燥效率可達(dá)0.52 t·d-1，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、環(huán)保等特點(diǎn)，圖12為太陽能牧草干燥整機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。該設(shè)備的產(chǎn)量較小，適合小農(nóng)戶的牧草干燥生產(chǎn)。

圖12 太陽能牧草干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of forage solar drying equipment注：1.風(fēng)管;2.鼓風(fēng)機(jī);3.電動(dòng)機(jī);4.傳動(dòng)裝置;5.勻風(fēng)板;6.控制裝置;7.進(jìn)草裝置;8.余熱板;9.備草箱;10.排氣煙囪;11.輸草裝置;12.干燥室;13.電熱絲;14.干草箱;15.太陽能集熱器;16.控風(fēng)閥Note:1.Air duct;2.Blower;3.Electric motor;4.Transmission device;5.Uniform air plate;6.Control device;7.Feeding device;8.Waste heat plate;9.Forage preparation box;10.Exhaust chimney;11.Forage conveying device;12.Drying chamber;13.Electric heating wire;14.Hay box;15.Solar collector;16.Air control valve

3 目前牧草干燥加工產(chǎn)業(yè)存在的制約因素

牧草干燥加工是優(yōu)質(zhì)牧草生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，但是其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到了不同因素的制約。

(1)牧草收獲與干燥工藝不匹配。牧草初始含水率高，造成生產(chǎn)效率低、干燥成本高，另外盡管牧草種植者對(duì)牧草品質(zhì)的重視程度不斷提高，但是在加工工藝運(yùn)用方面認(rèn)知不夠，限制了干燥設(shè)備的應(yīng)用。

(2)牧草企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模制約了設(shè)備的投入使用。大型干燥設(shè)備的成本較高，需要企業(yè)一次性直接投入較大，而牧草加工企業(yè)規(guī)模較小，有規(guī)模的龍頭企業(yè)少，制約了大型干燥設(shè)備的應(yīng)用。

(3)干燥設(shè)備缺少設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。牧草干燥設(shè)備多由科研院所、小部分企業(yè)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺少統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上限制了牧草干燥設(shè)備的推廣應(yīng)用。

(4)能源成本較高。由于國(guó)家環(huán)保要求，煤炭等低成本化石能源使用條件受到了嚴(yán)格約束，目前主要使用的能源以生物質(zhì)燃料、天然氣、電能為主，增加了干燥環(huán)節(jié)的加工成本，影響了相關(guān)用戶機(jī)械化干燥加工的積極性。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)牧草干燥加工技術(shù)進(jìn)行了概述，總結(jié)了不同干燥方式和處理方法對(duì)牧草干燥特性以及品質(zhì)的影響。自然干燥因干燥成本低且無設(shè)備投入，仍是我國(guó)主要的牧草加工方式；關(guān)于熱風(fēng)干燥、高溫快速干燥、太陽能干燥等牧草干燥加工方法的研究逐漸增多，在國(guó)外先進(jìn)干燥設(shè)備的基礎(chǔ)上，我國(guó)研制出多種滿足不同需求的牧草干燥設(shè)備，但受到干燥工藝和成本等原因的限制，目前牧草干燥機(jī)械化率相對(duì)較低。

干燥是牧草高能耗的加工環(huán)節(jié)，為了降低干燥成本，并保證牧草品質(zhì)，需要加強(qiáng)收獲環(huán)節(jié)與干燥環(huán)節(jié)的匹配性研究，來滿足牧草干燥加工的需求。聯(lián)合干燥的方式，如太陽能干燥與高溫快速干燥、自然干燥與熱風(fēng)干燥相結(jié)合等，通過快速地降低牧草干燥前期含水率，并提高牧草干燥后期干燥速率，有利于實(shí)現(xiàn)牧草高生產(chǎn)率、低能耗干燥加工。因此聯(lián)合干燥方式將是牧草干燥加工重要的干燥方式。

應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件和牧草種類，將田間晾曬、高溫快速干燥等干燥方式相結(jié)合，確定針對(duì)性的牧草干燥工藝?？稍谔柲茇S富地區(qū)開展田間晾曬加太陽能草倉(cāng)干燥的研究；在干旱地區(qū)，開展田間晾曬加自然通風(fēng)干燥的研究；在南方潮濕氣候條件下，開展熱風(fēng)干燥與高溫快速干燥的研究，以及牧草貯藏特性的研究等。針對(duì)同一地區(qū)、相同品種的牧草，因地制宜，制定相同的收獲、干燥加工工藝，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低干燥環(huán)節(jié)品質(zhì)損失，提高牧草品質(zhì)等級(jí)，發(fā)展具有中國(guó)特色的牧草干燥加工技術(shù)體系。

優(yōu)質(zhì)牧草需求的加大，將促進(jìn)國(guó)內(nèi)牧草生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)牧草干燥設(shè)備提出新的要求，干燥設(shè)備將朝著大型化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、保質(zhì)節(jié)能化的方向發(fā)展。