丁立利 張家瑞 李曉康 段宗科 李正鎖

摘要：通過苜蓿干燥加工工藝的分析，依據(jù)濕法收獲加工工藝研究?jī)?nèi)強(qiáng)制式苜蓿草捆的熱風(fēng)干燥特性。為提高內(nèi)強(qiáng)制式苜蓿草捆的干燥效率，優(yōu)化干燥工藝流程，依據(jù)苜蓿草捆干燥特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定苜蓿草捆的內(nèi)強(qiáng)制階段式干燥工藝和工藝控制參數(shù)。試驗(yàn)在干燥熱風(fēng)量為2 500 m3/h、3 000 m3/h、3 600 m3/h保持不變時(shí)，測(cè)試不同干燥溫度對(duì)苜蓿草捆含水率和干燥速率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，草捆干燥工藝優(yōu)化前，在干燥風(fēng)量為3600m3/h，干燥溫度為120℃時(shí)，草捆的干燥時(shí)間是37.5min，耗電量為160kWh/t，草捆干燥品質(zhì)達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；工藝優(yōu)化后，采用階段式干燥工藝，在干燥風(fēng)量為3600m3/h，干燥溫度設(shè)為120℃時(shí)，草捆的干燥效率提高近20%，能耗節(jié)省12.5%，草捆品質(zhì)無顯著差異。因此，采用優(yōu)化后的干燥工藝，有效地保持苜蓿的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，顯著提高苜蓿草捆的干燥效率和內(nèi)強(qiáng)制式熱風(fēng)干燥的熱效率，為苜蓿干燥的規(guī)?；a(chǎn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：苜蓿干燥；加工工藝；濕法收獲；階段式；干燥試驗(yàn)；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S226.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0104-07

Experimental study on staged hot-air drying technology and process optimization based on wet harvesting of alfalfa bales

Ding Lili， Zhang Jiarui， Li Xiaokang， Duan Zongke， Li Zhengsuo

（Gansu Academy of Mechanical Sciences Co.， Ltd.， Lanzhou， 730030， China）

Abstract：

Through the analysis of alfalfa drying processing technology， the hot-air drying characteristics of internal forced-air alfalfa bales were studied based on wet harvesting processing technology. In order to improve the drying efficiency of internal forced-air alfalfa bales， the drying process was optimized， and the internal forced-air drying process and process control parameters for alfalfa bales were determined based on experimental data of drying characteristics.

The effects of different drying temperatures on moisture content and drying rate of alfalfa bales were tested when the drying hot air volume was 2 500 m3/h， 3 000 m3/h and 3 600 m3/h remained unchanged.

The experimental results showed that before optimizing the bale drying process， when the drying air volume was 3600m3/h and the drying temperature was 120℃， the drying time of the bale was 37.5min， and the energy consumption was 160kWh/t. The bale drying quality reached the first-class standard. After optimizing the process， the staged drying process was used. When the drying air volume was 3600m3/h and the drying temperature was set to 120℃， the drying efficiency of the bale increased by nearly 20%， energy consumption was saved by 12.5%， and there was no significant difference in bale quality. Therefore， the optimized drying process effectively maintained the nutritional quality of alfalfa and significantly improved the drying efficiency of alfalfa bales and the thermal efficiency of internal forced-air hot-air drying， providing technical support for large-scale production of alfalfa drying.

Keywords：alfalfa drying; processing technology; wet harvesting; stage-wise; drying equipment; process optimization

0 引言

在我國(guó)的畜牧業(yè)發(fā)展中，苜蓿的干燥及貯存是重要的環(huán)節(jié)，直接影響干草產(chǎn)品的品質(zhì)和加工的成本。苜蓿干草捆是目前應(yīng)用最廣泛的草產(chǎn)品，其特點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)保存完好、貯藏時(shí)間長(zhǎng)、加工成本比較低、工藝簡(jiǎn)便、節(jié)省空間、飼喂時(shí)取用方便等［13］。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的苜蓿干草捆加工工藝是先將苜蓿割倒經(jīng)過田間自然晾曬，等到含水率降到安全含水率14%以下時(shí)，再用打捆機(jī)進(jìn)行撿拾打捆，此工藝的缺點(diǎn)是：在打捆時(shí)苜蓿含水率較低，花和葉很容易掉落，會(huì)造成很大的損失［4］，限制了苜蓿優(yōu)質(zhì)加工的產(chǎn)業(yè)化。

胡亞強(qiáng)等［5］研發(fā)了一種植入式草捆熱風(fēng)干燥設(shè)備，并基于濕法收獲的加工工藝，利用該系統(tǒng)對(duì)苜蓿草捆進(jìn)行了熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，在熱風(fēng)溫度90 ℃條件下，可實(shí)現(xiàn)在40 min內(nèi)將草捆的含水率從27%降低到14%以內(nèi)，在干燥過程中，該系統(tǒng)的熱效率達(dá)90%。楊世昆等［6］針對(duì)飼草在田間干燥干物質(zhì)損失大和營(yíng)養(yǎng)成分保持率低的問題，提出了牧草濕法收獲工藝的技術(shù)原理、工藝路線，為太陽(yáng)能飼草干燥實(shí)現(xiàn)規(guī)模機(jī)械化提供技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)了可直接進(jìn)行整捆飼草干燥的太陽(yáng)能草捆干燥設(shè)備。錢旺等［7］研究發(fā)現(xiàn)，牧草濕法收獲工藝正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)牧草干法收獲工藝，新工藝可改善牧草干物質(zhì)損失大和營(yíng)養(yǎng)成分保持率低的問題。

本文針對(duì)現(xiàn)有苜蓿草捆加工工藝的缺點(diǎn)，采用濕法收獲加工工藝和內(nèi)強(qiáng)制階段式聯(lián)合干燥方式，對(duì)苜蓿草捆的干燥進(jìn)行研究。其作業(yè)流程是將苜蓿收割壓扁后在田間晾曬至含水率35%左右時(shí)進(jìn)行打捆，隨后通過內(nèi)強(qiáng)制階段式干燥方式對(duì)苜蓿草捆進(jìn)行干燥處理。

1 苜蓿干燥加工工藝分析

在苜蓿加工過程中，將其含水率降至40%之前一般認(rèn)為是快速干燥階段。苜蓿干燥時(shí)，要將苜蓿含水率從40%降至14%以下，這一階段為降速干燥階段，該階段干燥時(shí)間較長(zhǎng)。苜蓿收割后的干燥過程中，保留營(yíng)養(yǎng)成分和縮短干燥時(shí)間是苜蓿干燥加工的主要目的。因此，苜蓿的干燥可采用濕法工藝流程［8］，即苜蓿在快速干燥階段通過自然干燥處理，降速干燥階段是將含水率40%左右的苜蓿成捆后通過熱風(fēng)干燥處理，使草捆含水率低于14%。

1.1 苜?？焖俑稍镫A段

現(xiàn)蕾期的苜蓿收割后含水率一般在70%～85%之間，自然干燥過程中為減少苜蓿營(yíng)養(yǎng)成分的損失，需使苜蓿植株體內(nèi)的水分盡快散失。因此，苜蓿刈割要選擇晴朗的天氣下進(jìn)行，一般自然干燥5～8h苜蓿含水量可減少至40%左右。該階段苜蓿莖葉體內(nèi)干燥蒸發(fā)出的主要是細(xì)胞間的游離自由水，從而可快速實(shí)現(xiàn)植株細(xì)胞間的游離水的散發(fā)。另外，苜蓿在快速干燥階段的生理過程主要以饑餓代謝為主，該過程少量蛋白質(zhì)將被分解，直到植物細(xì)胞死亡，代謝才會(huì)停止。因此在晴朗、干燥有微風(fēng)的天氣干燥苜蓿能夠縮短干燥時(shí)間，減少營(yíng)養(yǎng)成分損失［9］。

1.2 苜蓿降速干燥階段

在快速干燥階段自由水散失完成后，苜蓿植株體內(nèi)水分散失速度將變慢，原因是在降速干燥階段植株體內(nèi)水分以結(jié)合水為主，該階段水分以蒸騰為主變?yōu)榻琴|(zhì)層蒸發(fā)為主，而在角質(zhì)層覆有一層蠟質(zhì)，對(duì)水分的蒸發(fā)阻力較大。要使苜蓿含水率由40%降到安全含水率14%以下，采用傳統(tǒng)的干法收獲工藝，其干燥時(shí)間長(zhǎng)且營(yíng)養(yǎng)成分保持在50%左右，干物質(zhì)損失率將達(dá)到30%［10］，該階段苜蓿干燥以生化過程進(jìn)行，主要以自體溶解為主，一直進(jìn)行到苜蓿含水率為14%以下，植株體內(nèi)酶的作用逐漸停止。因此在短時(shí)間內(nèi)將苜蓿干燥其營(yíng)養(yǎng)成分變化不大，若干燥時(shí)間加長(zhǎng)時(shí)酶活性會(huì)加劇，使氨基酸分解為有機(jī)酸進(jìn)一步形成氨，蛋白質(zhì)的損失將增加。因而，在苜蓿降速干燥的過程中，加快植株體內(nèi)水分含量的散失和縮短干燥階段的時(shí)間是減少苜蓿營(yíng)養(yǎng)成分損失的關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)材料用三年期一茬現(xiàn)蕾期紫花苜蓿，試驗(yàn)地位于甘肅省蘭州新區(qū)上川鎮(zhèn)，東經(jīng)103.61°，北緯36.71°，海拔1800～2200m，太陽(yáng)輻射量129.76Kcal/cm2。

2.2 試驗(yàn)方法

將田間刈割壓扁后的苜蓿進(jìn)行晾曬，含水率降至35%左右打捆，成捆尺寸2000mm×1200mm×900mm，草捆密度約230kg/m3。分別對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的苜蓿草捆干燥工藝做干燥特性試驗(yàn)和營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定。

1） 試驗(yàn)取樣。

打捆前的晾曬過程中隨機(jī)在田間選擇2點(diǎn)，提取整個(gè)植株，記為1號(hào)樣品和2號(hào)樣品。1號(hào)樣品作為含水率的測(cè)定，2號(hào)樣品作為在含水率降至35%左右時(shí)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)成分的樣本。

干燥過程中草捆的中部、左右兩端分別布置在線實(shí)時(shí)水分監(jiān)測(cè)儀，三處含水率均值降至設(shè)定值時(shí)，在草捆的任何面取草捆核心部位的樣品，提取5點(diǎn)作為測(cè)定此時(shí)含水率下營(yíng)養(yǎng)成分的樣本。

2） 試驗(yàn)設(shè)備。

試驗(yàn)設(shè)備是由甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司自行研制的新型針式牧草捆干燥測(cè)試臺(tái)［11］，如圖1所示。

3） 品質(zhì)測(cè)定。

試驗(yàn)將苜蓿草捆在不同干燥時(shí)段的含水率進(jìn)行在線測(cè)定，根據(jù)工藝要求提取相應(yīng)含水率下的樣品進(jìn)行其重要指標(biāo)的測(cè)定［12］。粗蛋白的測(cè)定按GB/T 6432的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，中性洗滌纖維的測(cè)定按GB/T 20806的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，酸性洗滌纖維的測(cè)定按GB/T 1459的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，粗灰分的測(cè)定按GB/T 6438的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 相對(duì)飼料價(jià)值RFV按NY/T 1170—2020的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

含水率測(cè)定：隨機(jī)取苜蓿整植株樣本5個(gè)，將其切碎成15mm的碎草，每個(gè)樣本取50g稱重。在105℃的溫度下干燥，直到重量，取出稱重，得苜蓿的含水率

Hw=Wgq-WghWgq×100%（1）

式中：Hw——樣品含水率，%；Wgq——干燥前樣品的質(zhì)量，g；Wgh——干燥后樣品的質(zhì)量，g。

3 內(nèi)強(qiáng)制式苜蓿草捆干燥試驗(yàn)

3.1 苜蓿草捆干燥特性試驗(yàn)

干燥熱風(fēng)量分別為2500m3/h、3000m3/h、3600m3/h保持不變時(shí)，不同干燥溫度條件下，苜蓿草捆含水率和干燥速率隨干燥時(shí)間變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，苜蓿草捆的干燥溫度從80℃增加到150℃，干燥熱風(fēng)量從2500m3/h增大到3600m3/h時(shí)，干燥時(shí)間由55min縮短到30min。干燥溫度為150℃，熱風(fēng)量為3600m3/h時(shí)干燥時(shí)間最短，用時(shí)為30min；干燥溫度為80℃，熱風(fēng)量為2500m3/h時(shí)干燥時(shí)間最長(zhǎng)，用時(shí)為55min。在干燥初始階段（干燥時(shí)間0～7.5min左右），苜蓿草捆含水率從初始降到25%左右的速度最快，該階段干燥速率變化最大；在干燥后期（干燥時(shí)間7.5min左右之后），苜蓿草捆含水率從25%左右降至安全水分的速度變慢，干燥速率逐漸減小。

3.2 干燥過程苜蓿草捆品質(zhì)分析

在干燥熱風(fēng)量分別為3600m3/h、3000m3/h、2500m3/h保持不變時(shí)，在不同干燥溫度條件下，每個(gè)苜蓿草捆干燥前和干燥后營(yíng)養(yǎng)成分變化如表1所示。

從表1可以看出，在干燥熱風(fēng)速度和溫度不變的條件下，干燥過程隨著含水率的降低，粗蛋白CP含量、粗灰分CA含量和相對(duì)飼喂價(jià)值RFV也隨之降低，酸性洗滌纖維ADF和中性洗滌纖維NDF含量升高；在干燥熱風(fēng)速度不變的條件下，隨著干燥溫度的升高，粗蛋白CP含量和粗灰分CA含量隨之降低，酸性洗滌纖維ADF和中性洗滌纖維NDF含量升高。在干燥溫度為150℃，風(fēng)量為3600 m3/h時(shí)，粗蛋白CP含量和相對(duì)飼喂價(jià)值RFV最低，酸性洗滌纖維ADF和中性洗滌纖維NDF含量最高。在同一熱風(fēng)風(fēng)量下，干燥溫度為80℃、100℃、120℃時(shí)，苜蓿草捆干燥至安全水分時(shí)品質(zhì)等級(jí)可達(dá)到一級(jí)［13］，干燥溫度為150℃時(shí)，草捆干燥品質(zhì)有所下降，等級(jí)達(dá)二級(jí)，其干燥品質(zhì)下降是因?yàn)楦稍餃囟冗^高，破壞了草的營(yíng)養(yǎng)成分。

4 內(nèi)強(qiáng)制階段式苜蓿草捆干燥試驗(yàn)

從內(nèi)強(qiáng)制式苜蓿草捆干燥特性可知，將含水率35%左右干燥至含水率14%以下所用的干燥時(shí)間至少在30min，干燥初始階段干燥速度逐漸上升，經(jīng)過2～5min干燥速度達(dá)到最大。干燥10min左右，草捆含水率在20%～25%，其干燥速度逐漸變慢，在此階段，干燥溫度在150℃時(shí)，可以看到草捆內(nèi)局部有發(fā)黃，草品質(zhì)受影響，干燥溫度在120℃時(shí)，草捆干燥比較均勻，品質(zhì)得到保證，但干燥時(shí)間較長(zhǎng)。因此對(duì)草捆干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高其干燥效率，同時(shí)保持其品質(zhì)。

4.1 苜蓿草捆干燥工藝優(yōu)化流程

苜蓿草捆內(nèi)強(qiáng)制階段式熱風(fēng)干燥是將含水率35%左右的草捆放置在干燥設(shè)備上，向草捆植入風(fēng)針，其干燥過程有四個(gè)階段：Ⅰ階段為干燥準(zhǔn)備階段，向風(fēng)針通2～5min的常溫氣流；Ⅱ階段為干燥快速階段，向草捆通入設(shè)定溫度的熱風(fēng)氣流；Ⅲ階段為干燥降速階段，當(dāng)草捆含水率降至25%及以下時(shí)通入80℃熱風(fēng)氣流；Ⅳ階段為延時(shí)排濕階段，當(dāng)草捆含水率降至14%及以下時(shí)，停止熱風(fēng)供應(yīng)，通2～5min的常溫氣流。整個(gè)干燥過程完成后，退出風(fēng)針，送出草捆。

苜蓿草捆采用內(nèi)強(qiáng)制階段式熱風(fēng)干燥時(shí)，受草捆密實(shí)度和溫度的影響造成干燥不均勻、干燥效率低及品質(zhì)下降，因此，本文運(yùn)用內(nèi)強(qiáng)制階段式的草捆干燥工藝見圖3。

4.2 工藝優(yōu)化后苜蓿草捆干燥特性試驗(yàn)

干燥熱風(fēng)量為2500m3/h、3000m3/h、3600m3/h保持不變時(shí)，采用階段式干燥工藝苜蓿草捆含水率和干燥速率隨干燥時(shí)間變化如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，干燥Ⅰ階段向草捆送入常溫空氣，草捆含水率變化很小，干燥風(fēng)量對(duì)其影響很小。在干燥Ⅱ階段干燥溫度DT為150℃時(shí)，干燥速率變化最大，但干燥草捆內(nèi)部有發(fā)黃現(xiàn)象，草的品質(zhì)受影響；干燥溫度DT為100℃時(shí)，干燥速率最慢，干燥時(shí)間較長(zhǎng)；干燥溫度DT為120℃時(shí)，干燥速率介于以上兩種之間，草捆內(nèi)部色澤青綠，草的品相保持的較好，同時(shí)在該階段，隨著干燥風(fēng)量的增大，在同一溫度下，干燥速率也增大。在干燥Ⅲ階段，含水率減少變慢，干燥速率逐漸減小，同溫度下干燥速率隨干燥風(fēng)量的增加而增大。在干燥Ⅳ階段，送入常溫空氣，排出草捆內(nèi)殘留的濕氣，干燥風(fēng)量越大排出濕氣所需的時(shí)間越短。以上可看出草捆1和草捆2的含水率達(dá)到安全水分14%以下的用時(shí)最少。綜上分析，采用內(nèi)強(qiáng)制階段式干燥工藝干燥苜蓿草捆時(shí)，在Ⅱ階段選用干燥溫度DT為120℃，干燥風(fēng)量為3600m3/h時(shí)，草捆的干燥效率有效提高，與強(qiáng)制式干燥工藝相比干燥時(shí)間縮短了近7.5min，效率提高了約20%，草品相也得到保證。

4.3 工藝優(yōu)化后苜蓿草捆品質(zhì)分析

通過階段式苜蓿草捆干燥特性試驗(yàn)分析，干燥風(fēng)量在3600m3/h時(shí)干燥效率得到提高，因此，本文對(duì)該風(fēng)量下苜蓿草捆的品質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析，干燥過程苜蓿草捆營(yíng)養(yǎng)成分變化如表2所示。

從表1和表2可以看出，干燥風(fēng)量在3600m3/h，優(yōu)化前干燥溫度為100℃、120℃、150℃時(shí)苜蓿草捆干燥后粗蛋白CP含量分別為20.22%、20.16%、17.85%，優(yōu)化后粗蛋白CP含量分別為20.18%、20.36%、17.75%，優(yōu)化前后CP含量最大差值為0.2%。同理，相對(duì)飼喂價(jià)值RFV最大差值為2.86；酸性洗滌纖維ADF含量最大差值為1.63%；中性洗滌纖維NDF含量最大差值為0.98%。優(yōu)化前后苜蓿草捆的營(yíng)養(yǎng)成分變化不大，說明優(yōu)化后工藝對(duì)苜蓿品質(zhì)基本沒有影響。

5 苜蓿草捆干燥能耗分析

干燥工藝優(yōu)化前，干燥溫度為100℃、120℃、150℃條件下，不同熱風(fēng)風(fēng)量下苜蓿草捆耗電情況如圖7所示；干燥工藝優(yōu)化后，在Ⅱ階段干燥溫度為100℃、120℃、150℃條件下，不同熱風(fēng)風(fēng)量下苜蓿草捆耗電情況如圖8所示。

由圖7和圖8可知，草捆干燥工藝優(yōu)化前，在不同干燥風(fēng)量下，干燥溫度為100℃時(shí)，耗電量為183～197kWh/t；干燥溫度為120℃時(shí)，耗電量為157～185kWh/t；干燥溫度為150℃時(shí)，耗電量為145～183kWh/t；可見干燥溫度為100℃時(shí)耗能最高，干燥溫度為120℃、150℃時(shí)耗能比較低，且在風(fēng)量3600m3/h時(shí)兩種溫度下的耗能最小；干燥工藝優(yōu)化后，不同熱風(fēng)風(fēng)量下的耗電量與工藝優(yōu)化前對(duì)應(yīng)條件下相比能耗較小，且熱風(fēng)風(fēng)量為3000m3/h和3600m3/h、干燥Ⅱ階段溫度為120℃時(shí)，耗電量最少，其耗電量是優(yōu)化前的87.5%。結(jié)合不同干燥溫度對(duì)草捆品質(zhì)的分析，當(dāng)干燥溫度為120℃、熱風(fēng)風(fēng)量為3000～3600m3/h時(shí)耗能最少。

6 結(jié)論

1） 依據(jù)濕法收獲加工工藝，對(duì)苜蓿草捆進(jìn)行熱風(fēng)干燥特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，草捆干燥過程中含水率從35%左右降至25%時(shí)，干燥速度較快，含水率從25%降至安全含水率14%以下的干燥速度逐漸變慢。因此，在保持苜蓿草捆營(yíng)養(yǎng)成分散失較小的前提下，為提高干燥效率、節(jié)省能耗，本文通過工藝優(yōu)化，確定內(nèi)強(qiáng)制階段式的干燥工藝。

2） 試驗(yàn)表明，草捆干燥工藝優(yōu)化前，在干燥風(fēng)量為3600m3/h，干燥溫度為120℃時(shí)，草捆的干燥時(shí)間是37.5min，耗電量為160kWh/t，草捆干燥后的品質(zhì)可達(dá)到一級(jí)；工藝優(yōu)化后，采用階段式干燥工藝，在干燥風(fēng)量為3600m3/h，干燥溫度設(shè)為120℃時(shí)，草捆的干燥效率提高了近20%，能耗節(jié)省了12.5%，草捆品質(zhì)無顯著差異。

3） 內(nèi)強(qiáng)制階段式苜蓿草捆干燥工藝，有效地保持苜蓿的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，顯著提高苜蓿草捆的干燥效率和內(nèi)強(qiáng)制式熱風(fēng)干燥的熱效率，為苜蓿干燥的規(guī)?；a(chǎn)提供技術(shù)支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目（重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃）專項(xiàng)資金資助（21YF5NA043）

第一作者：丁立利，男，1980年生，甘肅榆中人，碩士，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械干燥技術(shù)及裝備。E-mail： dinglili8005120@163.com

通訊作者：李曉康，男，1979年生，甘肅蘭州人，碩士，正高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械的研制開發(fā)。E-mail： 13893211981@163.com