基于濕法收獲苜蓿草捆階段式熱風干燥試驗與工藝優化

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，依據濕法收獲加工工藝研究內強制式苜蓿草捆的熱風干燥特性。為提高內強制式苜蓿草捆的干燥效率，優化干燥工藝流程，依據苜蓿草捆干燥特性試驗數據，確定苜蓿草捆的內強制階段式干燥工藝和工藝控制參數。試驗在干燥熱風量為2 500 m3/h、3 000 m3/h、3 600 m3/h保持不變時，測試不同干燥溫度對苜蓿草捆含水率和干燥速率的影響。試驗結果表明，草捆干燥工藝優化前，在干燥風量為3600m3/h，干燥溫度為120℃時，草捆的干燥時間是37.5min，耗電量為160kWh/t，草捆干燥品質達到一級標準；工藝優化后，采用階段式干燥工藝，在干燥風量為3600m3/h，干燥溫度設為120℃時，草捆的干燥效率提高近20%，能耗節省12.5%，草捆品質無顯著差異。因此，采用優化后的干燥工藝，有效地保持苜蓿的營養品質，顯著提高苜蓿草捆的干燥效率和內強制式熱風干燥的熱效率，為苜蓿干燥的規?；a提供技術支持。

關鍵詞：苜蓿干燥；加工工藝；濕法收獲；階段式；干燥試驗；工藝優化

中圖分類號：S226.6? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

在我國的畜牧業發展中，苜蓿的干燥及貯存是重要的環節，直接影響干草產品的品質和加工的成本。苜蓿干草捆是目前應用最廣泛的草產品，其特點是營養保存完好、貯藏時間長、加工成本比較低、工藝簡便、節省空間、飼喂時取用方便等［13］。國內外現有的苜蓿干草捆加工工藝是先將苜蓿割倒經過田間自然晾曬，等到含水率降到安全含水率14%以下時，再用打捆機進行撿拾打捆，此工藝的缺點是：在打捆時苜蓿含水率較低，花和葉很容易掉落，會造成很大的損失［4］，限制了苜蓿優質加工的產業化。

胡亞強等［5］研發了一種植入式草捆熱風干燥設備，并基于濕法收獲的加工工藝，利用該系統對苜蓿草捆進行了熱風干燥試驗。結果表明，在熱風溫度90 ℃條件下，可實現在40 min內將草捆的含水率從27%降低到14%以內，在干燥過程中，該系統的熱效率達90%。楊世昆等［6］針對飼草在田間干燥干物質損失大和營養成分保持率低的問題，提出了牧草濕法收獲工藝的技術原理、工藝路線，為太陽能飼草干燥實現規模機械化提供技術支撐，設計了可直接進行整捆飼草干燥的太陽能草捆干燥設備。錢旺等［7］研究發現，牧草濕法收獲工藝正在逐步代替傳統牧草干法收獲工藝，新工藝可改善牧草干物質損失大和營養成分保持率低的問題。

本文針對現有苜蓿草捆加工工藝的缺點，采用濕法收獲加工工藝和內強制階段式聯合干燥方式，對苜蓿草捆的干燥進行研究。其作業流程是將苜蓿收割壓扁后在田間晾曬至含水率35%左右時進行打捆，隨后通過內強制階段式干燥方式對苜蓿草捆進行干燥處理。

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%之前一般認為是快速干燥階段。苜蓿干燥時，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，該階段干燥時間較長。苜蓿收割后的干燥過程中，保留營養成分和縮短干燥時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干燥處理，使草捆含水率低于14%。

1.1 苜?？焖俑稍镫A段

現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養成分的損失，需使苜蓿植株體內的水分盡快散失。因此，苜蓿刈割要選擇晴朗的天氣下進行，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干燥蒸發出的主要是細胞間的游離自由水，從而可快速實現植株細胞間的游離水的散發。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，該過程少量蛋白質將被分解，直到植物細胞死亡，代謝才會停止。因此在晴朗、干燥有微風的天氣干燥苜蓿能夠縮短干燥時間，減少營養成分損失［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，苜蓿植株體內水分散失速度將變慢，原因是在降速干燥階段植株體內水分以結合水為主，該階段水分以蒸騰為主變為角質層蒸發為主，而在角質層覆有一層蠟質，對水分的蒸發阻力較大。要使苜蓿含水率由40%降到安全含水率14%以下，采用傳統的干法收獲工藝，其干燥時間長且營養成分保持在50%左右，干物質損失率將達到30%［10］，該階段苜蓿干燥以生化過程進行，主要以自體溶解為主，一直進行到苜蓿含水率為14%以下，植株體內酶的作用逐漸停止。因此在短時間內將苜蓿干燥其營養成分變化不大，若干燥時間加長時酶活性會加劇，使氨基酸分解為有機酸進一步形成氨，蛋白質的損失將增加。因而，在苜蓿降速干燥的過程中，加快植株體內水分含量的散失和縮短干燥階段的時間是減少苜蓿營養成分損失的關鍵。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗區概況

試驗材料用三年期一茬現蕾期紫花苜蓿，試驗地位于甘肅省蘭州新區上川鎮，東經103.61°，北緯36.71°，海拔1800～2200m，太陽輻射量129.76Kcal/cm2。

2.2 試驗方法

將田間刈割壓扁后的苜蓿進行晾曬，含水率降至35%左右打捆，成捆尺寸2000mm×1200mm×900mm，草捆密度約230kg/m3。分別對優化前和優化后的苜蓿草捆干燥工藝做干燥特性試驗和營養成分測定。

1） 試驗取樣。

打捆前的晾曬過程中隨機在田間選擇2點，提取整個植株，記為1號樣品和2號樣品。1號樣品作為含水率的測定，2號樣品作為在含水率降至35%左右時測定營養成分的樣本。

干燥過程中草捆的中部、左右兩端分別布置在線實時水分監測儀，三處含水率均值降至設定值時，在草捆的任何面取草捆核心部位的樣品，提取5點作為測定此時含水率下營養成分的樣本。

2） 試驗設備。

試驗設備是由甘肅省機械科學研究院有限責任公司自行研制的新型針式牧草捆干燥測試臺［11］，如圖1所示。

3） 品質測定。

試驗將苜蓿草捆在不同干燥時段的含水率進行在線測定，根據工藝要求提取相應含水率下的樣品進行其重要指標的測定［12］。粗蛋白的測定按GB/T 6432的標準執行，中性洗滌纖維的測定按GB/T 20806的標準執行，酸性洗滌纖維的測定按GB/T 1459的標準執行，粗灰分的測定按GB/T 6438的標準執行， 相對飼料價值RFV按NY/T 1170—2020的標準執行。

含水率測定：隨機取苜蓿整植株樣本5個，將其切碎成15mm的碎草，每個樣本取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——干燥前樣品的質量，g；Wgh——干燥后樣品的質量，g。

3 內強制式苜蓿草捆干燥試驗

3.1 苜蓿草捆干燥特性試驗

干燥熱風量分別為2500m3/h、3000m3/h、3600m3/h保持不變時，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℃，干燥熱風量從2500m3/h增大到3600m3/h時，干燥時間由55min縮短到30min。干燥溫度為150℃，熱風量為3600m3/h時干燥時間最短，用時為30min；干燥溫度為80℃，熱風量為2500m3/h時干燥時間最長，用時為55min。在干燥初始階段（干燥時間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分析

在干燥熱風量分別為3600m3/h、3000m3/h、2500m3/h保持不變時，在不同干燥溫度條件下，每個苜蓿草捆干燥前和干燥后營養成分變化如表1所示。

從表1可以看出，在干燥熱風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含量和相對飼喂價值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℃，風量為3600 m3/h時，粗蛋白CP含量和相對飼喂價值RFV最低，酸性洗滌纖維ADF和中性洗滌纖維NDF含量最高。在同一熱風風量下，干燥溫度為80℃、100℃、120℃時，苜蓿草捆干燥至安全水分時品質等級可達到一級［13］，干燥溫度為150℃時，草捆干燥品質有所下降，等級達二級，其干燥品質下降是因為干燥溫度過高，破壞了草的營養成分。

4 內強制階段式苜蓿草捆干燥試驗

從內強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%以下所用的干燥時間至少在30min，干燥初始階段干燥速度逐漸上升，經過2～5min干燥速度達到最大。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，可以看到草捆內局部有發黃，草品質受影響，干燥溫度在120℃時，草捆干燥比較均勻，品質得到保證，但干燥時間較長。因此對草捆干燥工藝進行優化，提高其干燥效率，同時保持其品質。

4.1 苜蓿草捆干燥工藝優化流程

苜蓿草捆內強制階段式熱風干燥是將含水率35%左右的草捆放置在干燥設備上，向草捆植入風針，其干燥過程有四個階段：Ⅰ階段為干燥準備階段，向風針通2～5min的常溫氣流；Ⅱ階段為干燥快速階段，向草捆通入設定溫度的熱風氣流；Ⅲ階段為干燥降速階段，當草捆含水率降至25%及以下時通入80℃熱風氣流；Ⅳ階段為延時排濕階段，當草捆含水率降至14%及以下時，停止熱風供應，通2～5min的常溫氣流。整個干燥過程完成后，退出風針，送出草捆。

苜蓿草捆采用內強制階段式熱風干燥時，受草捆密實度和溫度的影響造成干燥不均勻、干燥效率低及品質下降，因此，本文運用內強制階段式的草捆干燥工藝見圖3。

4.2 工藝優化后苜蓿草捆干燥特性試驗

干燥熱風量為2500m3/h、3000m3/h、3600m3/h保持不變時，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，干燥風量對其影響很小。在干燥Ⅱ階段干燥溫度DT為150℃時，干燥速率變化最大，但干燥草捆內部有發黃現象，草的品質受影響；干燥溫度DT為100℃時，干燥速率最慢，干燥時間較長；干燥溫度DT為120℃時，干燥速率介于以上兩種之間，草捆內部色澤青綠，草的品相保持的較好，同時在該階段，隨著干燥風量的增大，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量的增加而增大。在干燥Ⅳ階段，送入常溫空氣，排出草捆內殘留的濕氣，干燥風量越大排出濕氣所需的時間越短。以上可看出草捆1和草捆2的含水率達到安全水分14%以下的用時最少。綜上分析，采用內強制階段式干燥工藝干燥苜蓿草捆時，在Ⅱ階段選用干燥溫度DT為120℃，干燥風量為3600m3/h時，草捆的干燥效率有效提高，與強制式干燥工藝相比干燥時間縮短了近7.5min，效率提高了約20%，草品相也得到保證。

4.3 工藝優化后苜蓿草捆品質分析

通過階段式苜蓿草捆干燥特性試驗分析，干燥風量在3600m3/h時干燥效率得到提高，因此，本文對該風量下苜蓿草捆的品質進行試驗分析，干燥過程苜蓿草捆營養成分變化如表2所示。

從表1和表2可以看出，干燥風量在3600m3/h，優化前干燥溫度為100℃、120℃、150℃時苜蓿草捆干燥后粗蛋白CP含量分別為20.22%、20.16%、17.85%，優化后粗蛋白CP含量分別為20.18%、20.36%、17.75%，優化前后CP含量最大差值為0.2%。同理，相對飼喂價值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%。優化前后苜蓿草捆的營養成分變化不大，說明優化后工藝對苜蓿品質基本沒有影響。

5 苜蓿草捆干燥能耗分析

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

由圖7和圖8可知，草捆干燥工藝優化前，在不同干燥風量下，干燥溫度為100℃時，耗電量為183～197kWh/t；干燥溫度為120℃時，耗電量為157～185kWh/t；干燥溫度為150℃時，耗電量為145～183kWh/t；可見干燥溫度為100℃時耗能最高，干燥溫度為120℃、150℃時耗能比較低，且在風量3600m3/h時兩種溫度下的耗能最??；干燥工藝優化后，不同熱風風量下的耗電量與工藝優化前對應條件下相比能耗較小，且熱風風量為3000m3/h和3600m3/h、干燥Ⅱ階段溫度為120℃時，耗電量最少，其耗電量是優化前的87.5%。結合不同干燥溫度對草捆品質的分析，當干燥溫度為120℃、熱風風量為3000～3600m3/h時耗能最少。

6 結論

1） 依據濕法收獲加工工藝，對苜蓿草捆進行熱風干燥特性研究。研究發現，草捆干燥過程中含水率從35%左右降至25%時，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，在保持苜蓿草捆營養成分散失較小的前提下，為提高干燥效率、節省能耗，本文通過工藝優化，確定內強制階段式的干燥工藝。

2） 試驗表明，草捆干燥工藝優化前，在干燥風量為3600m3/h，干燥溫度為120℃時，草捆的干燥時間是37.5min，耗電量為160kWh/t，草捆干燥后的品質可達到一級；工藝優化后，采用階段式干燥工藝，在干燥風量為3600m3/h，干燥溫度設為120℃時，草捆的干燥效率提高了近20%，能耗節省了12.5%，草捆品質無顯著差異。

3） 內強制階段式苜蓿草捆干燥工藝，有效地保持苜蓿的營養品質，顯著提高苜蓿草捆的干燥效率和內強制式熱風干燥的熱效率，為苜蓿干燥的規?；a提供技術支持。

參 考 文 獻

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基金項目：甘肅省科技計劃項目（重點研發計劃）專項資金資助（21YF5NA043）

第一作者：丁立利，男，1980年生，甘肅榆中人，碩士，高級工程師；研究方向為農業機械干燥技術及裝備。E-mail： dinglili8005120@163.com

通訊作者：李曉康，男，1979年生，甘肅蘭州人，碩士，正高級工程師；研究方向為農業機械的研制開發。E-mail： 13893211981@163.com