循环经济中的农业自动化：面向橄榄果渣设计的薄层红外干燥系统

《AgriEngineering》：Agricultural Automation in the Circular Economy: Designing a Thin-Layer Infrared Drying System for Olive Pomace

　　

循环经济是当前旨在减少和优化能源与材料使用的各类转型过程的关键驱动力。从废弃物生产固体生物燃料是降低温室气体排放潜在影响的典型路径。在此背景下，橄榄果渣是一种重要原料，全球每年随橄榄油生产产生400万吨橄榄果渣，但目前仅有小部分橄榄果渣被高值化利用。新鲜橄榄果渣必须首先快速干燥至低且可控的含水率，而该步骤当前做得差且能源成本高。研究人员提出一种基于自动化的方法，以提升橄榄果渣制生物质过程，推进橄榄油生产的循环经济实践。工作聚焦四个方面：首先综述农业工程中以生物质和橄榄果渣为主的自动化现状；其次设计并建造一种创新干燥系统，将红外（IR）方案直接集成到输送螺旋输送机中，并集成实时在线微波含水率传感与可编程逻辑控制器（PLC）控制；随后提出基于云的服务，用于远程监测、数据分析与优化；该创新自动化干燥系统在橄榄榨油厂初步田间试验中验证，约16小时连续云监测运行后，在较宽入口含水率条件下橄榄果渣含水率降至5%阈值以下，稳定电功率需求约1.85 kW；最后给出环境分析，初步分析确认若所得橄榄果渣作为能源生物质再利用具有显著避免碳排放潜力，每生产1 kWh-eq橄榄果渣能源的影响为0.006–0.033 kg CO2-eq。

研究背景方面，地中海国家橄榄油产业经济与社会意义重大，西班牙、意大利与希腊合计占全球产量65%以上，但生产剩余物流如橄榄果渣、橄榄核与植被水常堆放在榨油厂附近且未处理，因含酚类与脂肪酸而有植物毒性和水土污染风险。新鲜橄榄果渣含水率高且可变，会降低燃烧效率、加速微生物分解，传统开放堆积或非自动化食品干燥器干燥效果差、能源成本高。将潮湿易腐污染物转为稳定可运输固体燃料是闭环关键，而干燥步骤本身需高效且低环境影响，因此农业工程中的自动化、红外（IR）干燥与云架构被引入该环节。

论文发表在《AgriEngineering》。研究人员开展的研究是：设计、建造并在榨油厂现场试验一套连续在线螺旋输送式中波红外干燥系统，配备在线微波水分传感、可编程逻辑控制器（PLC）控制与云监测分析，用以把变量含水率的橄榄果渣干燥到约5%湿基（w.b.）以作固体生物燃料，并做初步环境情景评估。

关键方法上，研究人员采用三层层架构：现场自动化层含螺旋输送机、中波红外发射器、Hydro-Mix XT数字微波水分传感器；网关层用Intel Atom嵌入式工控机通过TCP/IP从西门子S7-1500型PLC按固定间隔读取数据并暂存CSV再上云；云层做存储、可视化、报警与参数回写。样本为意大利马切拉塔省Corradini SaS榨油厂的三段连续离心工艺湿橄榄果渣，品种Piantone di Mogliano，粒径3–4 mm，采集后直送干燥机。

研究结果如下。

1. 1.
   Introduction：研究人员指出农业部门仍缺乏制造业成熟的PLC、SCADA、工业物联网（IIoT）、云分析、预测性维护与数字孪生等工具；橄榄果ace两阶段、三阶段与传统压榨工艺导致残渣含水率不同，需快速干至约5% w.b.以作溶剂提油与分级固体生物燃料。红外干燥相较对流干燥有增效、节能、保质、短时与灵活等优势。
2. 2.
   State of the Art：研究人员综述四大视角。循环经济在橄榄产业链中把副产物高值化；橄榄核热值约4075 kcal/kg且低氮硫，但水分与粒径决定燃料品质，ISO 17225与UNE 164003:2014提供表征框架；红外干燥多用于静态薄层食品，Ruiz Celma等做过湿橄榄壳薄层红外与动力学建模，Page、Henderson–Pabis、Midilli等无量纲含水率MR=M_t/M₀模型属批次回归，不等于连续稳态输送；农业工程自动化渗透不均，但后收获与转化过程自动化是循环经济效益关键点。
3. 3.
   Materials and Methods：研究人员把架构分为红外干燥厂、螺旋输送机、橄榄果渣湿度传感器、红外灯、云系统与原材。螺旋输送机25°倾角、7.5 m长、散密度约961 kg/m³；中波红外发射器波长峰2.2–3.2 μm、功率密度最高35 W cm^?1；Hydro-Mix XT以25次/秒微波法测流态物料水分并通过RS-485等接口输出；云架构含API、数据库、分析与移动端界面，形成监测控制闭环。
4. 4.
   Pilot Case and Preliminary Results：研究人员在2021年10月15–17日运行约16小时，固定低速输送与单支中波红外发射器。Automatic mode由人机界面设水分设定值后系统自管灯数、功率与转速；Manual mode供研究人员调参。网关从S7-1500记数据上云，云面板显示温度、湿度、水分、能耗等。

4.4 Test Conditions与4.5 Drying Performance：入口水分因露天堆置自然下降，15日约35%、16日约29%、17日约19% w.b.；出口水分全天低于5% w.b.，日均值2.63%、1.55%、2.04% w.b.，去水率89.3%–94.7%，说明出口水分与入口水分在测试区间内基本解耦，系统有提产或调功余量。

4.6 Temperature Behaviour：产品温度仅略高于环境，远低于红外干燥文献中热降解与褐变阈值，优于对流热风干燥，利于保留残余油与生物活性物。

4.7 Energy Consumption and Cloud Monitoring：总电功率约1.85 kW，其中灯约1.7 kW、电机约0.3 kW；比能耗约0.25 kWh/kg干品，折0.6–1.1 kWh/kg蒸发水，与水的汽化潜热同量级；云层每分钟遥测支撑远程检视与后续优化。

1. 5.
   Environmental Evaluation and Discussion：研究人员做情景分析而非完整生命周期评价（LCA）。Case A用意大利电网，影响0.033 kg CO_2-eq/kWh_-eq；Case B用光伏，影响0.06 kg CO_2-eq/kWh_eq降为0.006 kg CO_2-eq/kWh_-eq。按橄榄果渣低位热值4.74 kWh/kg、电效率23%、热效率60%，1 kg干渣发1.09 kWh电与2.84 kWh 80℃热，总火用约1.61 kWh_-eq；燃橄榄核的CO₂作生物源近中性，替代化石可避免约?0.384 kg CO_2-eq/kWh_-eq。百吨湿渣/季可产约74 t干渣、约120 MWh_-eq能、避免约28.50 t CO_2-eq。
2. 6.
   Conclusions：研究人员结论为，所提系统把红外干燥直接装入输运螺旋，配在线微波水分传感、PLC与云监测，在真实榨油厂连续在线把变量湿渣制成达标固体生物燃料；16小时运行出口水分1.5–2.6% w.b.，电需稳定1.85 kW，电网干燥影响0.033 kg CO_2-eq/kWh_-eq、光伏下0.006 kg CO_2-eq/kWh_-eq。局限是单固定低通量、未记质量流、仅进出门水分、自动闭环未带载、单品种单点短时、环境分析非完整LCA。未来将加中间水分传感器以拟合动力学、运行闭环调灯功与转速、做完整LCA并纳入液渣细渣归宿；云架构可推广到农业其他转化过程。

讨论部分总结为，研究人员强调本工作贡献不是新干燥动力学模型，而是自动化、传感驱动、连续红外干燥的工程集成与田间证明；现有文献多为静态薄层批次，本文填补连续在线实时反馈空白。环境情景显示橄榄果渣能源化潜力大，但比成熟 hydrothermal 处理文献的?0.460 kg CO_2-eq/kWh_-eq略小，说明后续放大与完整LCA必要。结论翻译为：本工作提出并现场试验了面向橄榄果渣制固体生物燃料的自动化红外干燥系统，系统将红外干燥集成于螺旋输送机，配合实时在线微波水分传感、可编程逻辑控制器（PLC）控制与基于云的监测分析服务；约十六小时连续云监测下，入口水分约14%–37% w.b.时出口水分稳定1.5–2.6% w.b.、低于5%生物燃料阈值，去水89%–95%，电需约1.85 kW，比能耗约0.25 kWh/kg干橄榄核，电网干燥影响0.033 kg CO_2-eq/kWh_-eq，光伏电源下为0.006 kg CO_2-eq/kWh_-eq；研究局限含单固定低通量、未测质量流、仅进出门水分、自动模式未带载、单品种单点约十六小时、环境分析为初步情景；未来将布中间水分传感以验动力学、运行闭环调参与完整生命周期评价，云架构可作农业转化过程数字化模板。