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摘 要:为了达到使粮食干燥系统的设计具有合理性、经济性、有效性、安全性与先进性的目的,对粮食干燥系统设计的内容进行了阐述,分析了粮食干燥系统的工艺设计、车间布置、设备选型和干燥机设计的内容、方法及应遵循的原则,为粮食干燥系统的设计提供了依据。
关键词:粮食干燥系统;工艺设计;车间布置;设备选型;干燥机设计
粮食干燥系统设计是一项复杂的技术工作,需要从技术、经济、社会、安全和环保等多方面进行综合考虑。粮食干燥系统设计的任务是进行粮食干燥系统的工艺设计、车间布置、设备选型和工程设计,并使整个设计技术先进、操作方便、经济合理、安全可靠。
1 粮食干燥系统工艺设计
完整的粮食干燥系统应当包括: 干燥设备(粮食干燥机) ;供热设备(热风炉、换热器) ;输送设备(皮带输送机、斗式提升机) ;清理设备(初清筛、振动筛、磁选器) ;缓存设备(烘前仓、烘后仓)和计量设备(在线流量计) ,并配备除尘及电控系统。粮食干燥系统中的设备可根据实际需要和工艺要求进行调整,但是要保证整个工艺能够顺利完成进粮、清理、干燥、出粮等功能[ 1 ]。
1. 1 粮食干燥系统典型工艺
1. 1. 1 典型工艺流程图(见图1)
1. 2
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工艺设计应考虑的问题
1. 2. 1 工艺流程的可操控性工艺流程中各种设备的配置要合理,粮食的运行要畅通无阻,各种工艺条件要容易控制和实现。操作和控制要简单、灵敏和有效。
1. 2. 2 工艺灵活性
整个工艺过程应有一定的灵活性。为了满足用户要求,在平面和空间位置足够的情况下,湿粮可以绕过烘前仓直接经斗式提升机进入干燥机,干粮也可以绕过提升机和烘后仓而直接向外输送。这样既可以降低干燥系统运行成本,又可以减少粮食因多次提升、入仓而引起的裂纹和破碎。
1. 2. 3 不合格粮食的循环工艺
不合格粮食指烘后粮食水分超过用户要求的粮食。在进行工艺设计时应该考虑不合格粮食循环工艺。在干燥机开始运行时要排出一部分不合格粮食,这部分不合格粮食应能够再循环进入干燥机,最好是能进入烘前仓。当湿粮水分大大超过设计降水率时,可启动不合格粮食循环工艺,采取循环干燥。
1. 2. 4 节能工艺
粮食干燥是一个耗费能量(尤其是热能)的作业。我国传统的高水分粮主产区———东北三省和内蒙古,现有的顺(逆)流、混流、顺混流及错流粮食干燥机的单位热耗大约为5860～9210 J /kg。随着经济的快速发展,近年来我国对能源的需求猛增,能源持续紧缺,燃料价格持续上涨,因此在进行粮食干燥工艺设计时要考虑合理的节能工艺。
(1)限制热量浪费,减少传热损失。主要途径有:在热风炉壁、干燥机壁板、热风管、换热器壁板等处采取保温隔热措施,以防止热量以对流和辐射的方式散失; 减少粮食过度干燥;提高加工精度,在管道及干燥机各段之间的连接处采用密封圈,以使热空气连接处密封,减少因热空气泄漏而造成的热量损失。
(2)废气热量的回收利用。废气回收工艺主要有:回收部分废气(干燥段下部废气和冷却废气)用来预热湿粮; 把部分废气(干燥段下部废气和冷却废气)同一定量的外界空气混合,将混合气送入换热器后经热风机进入干燥室,用来干燥粮食;部分干燥废气(干燥段下部废气和冷却废气)可直接经热风机进入干燥室,用来干燥粮食。
(3) 回收换热器的烟道废气, 烟道气温度不得低于130℃,其工艺主要有:利用引风机将部分烟道废气用来预热湿粮;利用烟道气预热进入换热器的冷空气。
(4)减少废气带走的热量。在保证干燥强度,并确保干燥效果的前提下,适当减少热空气的量,提高废气饱和程度。在其它条件相同的情况下,如果减少热空气的量,则干燥废气的量相应减少,废气饱和程度增加,那么干燥废气带出热量将减少;在保证热风带水能力的前提下,最大限度地提高热风的湿度;尽量降低干燥废气的温度,增加其湿度。
在进行工艺设计时,一方面要考虑节能工艺的可行性和合理性,另一方面要考虑采用节能工艺引起的成本增加。
2 粮食干燥系统中设备选型原则
2. 1 粮食干燥机的选型原则
粮食干燥机的选型是相当复杂的,不仅应考虑处理量和降水幅度、粮食品种、干燥后粮食的用途等因素,而且应考虑投资成本、运行成本、环境、粮食干燥期、收割方式、籽粒成熟程度等诸多因素,以达到技术先进、经济合理、操作安全、使用有效的最佳目的。
2. 1. 1 根据处理量和降水幅度选择粮食干燥机
对于我国传统的高水分粮主产区———东北三省和内蒙古,要求干燥机对粮食的处理量大(200～1 000 t/d) ,降水幅度高(10～18个百分点) ,可优先选用顺(逆)流干燥机,也可选用顺混流、混流或错流干燥机。
对于南方地区及长江流域和黄淮流域,一般要求处理量小(40～100 t/d) ,降水幅度也不大(2～5个百分点) ,可选用小型连续式粮食干燥机,也可选用批量循环干燥机或流化干燥机,干燥机可以选用固定式的,也可以选用移动式的。但是,如果要求处理量大且降水幅度不高,可选用顺混流、顺逆流或逆混流等组合固定连续式干燥机,也可以选用混流或顺流等固定连续式干燥机。
2. 1. 2 根据粮食品种选择粮食干燥机
不同的粮食品种,其结构和组成成分不同,干燥特性也不同,因此要选择合理的干燥条件,选用合适的干燥机。
对于稻谷等易烘损粮食,应采用较温和的干燥条件。采用低温、大风量,并给稻谷充分的缓苏时间,合理地冷却与干燥,防止谷粒表面产生裂纹(爆腰) ,粮粒的受热温度不超过40℃。稻谷干燥可优先选用顺混流、混流连续式粮食干燥机,也可选用批量循环干燥机、流化干燥机或顺流、顺逆流稻谷干燥机。
对于玉米,主要产区是东北三省和内蒙古,烘干季节长,外界条件变化大,湿粮水分因年景而差别大,应尽量减少干燥后玉米的裂纹率和破碎率,粮粒的受热温度不超过50～55℃,并且要求干燥机有较强的超产能力。玉米干燥可优先选用顺流、顺逆流或顺混流干燥机,也可以选用混流干燥机。
对于小麦,干燥后应能磨出高质量的面粉,且面筋质量不应有较大变化,粮粒的受热温度不超过55～60℃,可选用顺混流、混流干燥机,也可选用流化干燥机。
对于油菜籽,既要保证出油率,又要保证降水效果,可采用较高的干燥温度。油菜籽的受热温度控制在70℃时降水效果好并可保证出油率,且油菜籽干燥不能缓苏,干燥后应立即冷却且应冷透。油菜籽干燥优先选用混流干燥机,也可以选用顺混流或流化干燥机。
对于大豆,既要保证出油率,又要防止大豆爆腰,应采用温和的干燥条件,粮粒的受热温度不超过30～35℃,可优先选用混流干燥机,也可以选用顺混流或流化干燥机。
2. 1. 3 根据干燥后粮食的用途选择粮食干燥机
如果粮食干燥后用于饲料加工,由于对干燥后粮食品质要求不高,可以适当升高热风温度,这将节约一次性投资和干燥作业运行费用,可选用高温快速干燥机。
如果粮食干燥后供人类食用,应保证干燥后粮食的食用品质,营养成分不变化,则热风温度不能太高,以保证干燥后粮食温度不超过它的允许受热温度。此时,应采用温和的干燥条件,可选用低温干燥机或低温真空干燥机。
如果粮食干燥后用作种子,那么要采用更温和的干燥条件,使用较低的干燥温度并严格控制粮食的受热温度,以保证种子发芽率。应选用低温慢速干燥机、低冷冻干燥机或低温真空干燥机,可以是连续式或批量循环式干燥机。
2. 2 供热设备的选型原则
粮食干燥系统的供热设备包括热风炉和换热器。选择热风炉时不仅应考虑供热能力、热效率,还应考虑当地的能源和经济发展情况以及环保要求和烘后粮食的污染情况。
煤碳资源丰富的地区或靠近产煤地区且交通便利的地区,可选用燃煤热风炉。水稻主产区或有大型稻谷加工厂的地区可选用稻壳炉,以降低成本。有油田或天燃气的地区,可选用燃油或燃气炉。从降低成本角度考虑,大型粮食干燥机宜选用燃煤热风炉或稻壳炉,小型粮食干燥机宜选用燃油或燃气炉。要充分发挥地域优势,利用太阳能干燥粮食。我国是农业大国,拥有极为丰富的农作物秸秆、稻壳、玉米芯等生物质资源,对其进行简单的加工处理即可成为良好的粮食干燥能源,在有些地区可选用玉米芯燃烧炉、秸秆燃烧炉、稻壳燃烧炉等干燥粮食。
燃煤热风炉、玉米芯燃烧炉、秸秆燃烧炉和稻壳炉均应配备换热器,燃油或燃气炉多不配换热器。干燥稻谷时,选用燃油或燃气炉可不配换热器,选用燃煤热风炉也可不配换热器,因为污染是从表面开始逐渐渗入的,其表层谷壳组织疏松、粗糙、吸附能力强,三四苯并芘大部分被谷壳吸附了。因此稻谷经脱壳等加工成大米,大米中三四苯并芘的含量大为降低,且在安全范围之内。
2. 3 附属设备的选型原则
湿粮仓与干粮仓应选用装配式波纹钢板仓或螺旋卷边钢板仓,仓容应与干燥机生产能力相适应,有24～30 h不间断连续供料和接料能力,一般仓容是干燥机日处理量的1. 5～2倍。湿粮仓与干燥机之间及干燥机与干粮仓之间输送设备的产量应为干燥机处理量的2倍左右,湿粮仓前的清理与输送设备产量应为干燥机处理量的3倍左右,以防止在干燥机产量增加时,附属设备产量不足,成为整个干燥系统的瓶颈。干粮仓后的输送设备产量应能满足在8～12 h内输送完整仓粮食。如对于处理量500 t/d的干燥机,一般配备的湿粮仓、干粮仓仓容为1 000 t;湿粮仓与干燥机之间及干燥机与干粮仓之间输送设备产量是50 t/h;初清筛及进湿粮仓的输送设备产量是100 t/h;干粮仓后的输送设备产量100 t/h。
粮食干燥机应配备粮食水分在线检测与控制系统,应可实现热介质温度与湿度、废气温度与湿度、粮食水分与温度、料位、排粮速度(或粮食流量)的在线显示与全自动控制;排粮速度应能手动控制;配备故障预警、报警与监视装置。
前置设备的出口标高等于后续设备的入口标高加上连接溜管的垂直高度,对湿粮要保证溜管倾角不小于45°,对干粮要保证不小于36°,据此可以定出设备的高度。
3 粮食干燥车间布置
3. 1 粮食干燥车间平面布置
3. 1. 1 平面布置的内容
粮食干燥车间通常包括:生产设施(粮食干燥机、供热设备、输送设备、清理设备、湿粮仓、干粮仓、控制室、煤及煤渣露天堆场、湿粮堆场等) ;生产辅助设施(通风除尘系统、机修间、化验室) ;生活行政设施(车间办公室、休息室、更衣室、浴室、卫生间) 。
3. 1. 2 平面布置的原则
干燥车间平面布置应符合整个粮库或粮食加工厂的总平面布置并与公用工程系统、运输流结合成一有机整体;尽可能做到占地面积少,建设、安装费用及生产成本低;便于生产管理,物料运输、操作维修方便;妥善解决防火、防爆、防腐等问题;控制室、车间办公室、休息室、更衣室、浴室、卫生间等应集中布置。
3. 2 粮食干燥车间设备布置
3. 2. 1 设备布置的内容
粮食干燥车间设备布置的内容主要包括:确定各个设备在车间中的位置;确定场地与建筑物的尺寸;确定热风管路、冷风管路、通风除尘管路、溜管及电气控制管线的走向与布置。
3. 2. 2 设备布置的原则
(1)各设备之间应有适当的间距,除考虑设备本身所占空间,还应考虑有足够的安装、操作、通行、拆卸及检修所需要的空间,尽可能缩短设备间的管线长度。
(2)尽可能减少粮食干燥车间的占地面积。
(3)工艺流程顺畅、简单。
(4)控制室的位置应保证对干燥机运行状况的观察,便于发现问题并及时处理。
(5)整个干燥系统进、出粮方便,粮库或粮食加工厂内应有湿粮及干粮储存的位置。
(6)煤及炉渣应有一定的暂存地并能方便地进、出。
(7)噪声大的设备应远离休息室。
(8)传动设备应有安装安全防护装置的位置。
(9)符合安全要求,如采用油炉供热时,油罐应与油炉保持一定的距离,一般不小于18 m。
(10)符合建筑要求,通廊、操作台、爬梯应统一布置,以免零乱无序。
4 粮食干燥机设计
4. 1 粮食干燥机设计一般方法步骤
4. 1. 1 设计资料及数据搜集
干燥机的设计通常应掌握以下设计资料及数据。
(1)设备 生产能力;干燥介质的类型;对粮食的供热方式与干燥介质的加热方法;干燥介质的循环特点(强制、自然) ;粮食装填和输送方法;使用地区。
(2)粮食 粮食的种类和产地;烘后粮食用途;初始水分和最终水分;初始温度和最高允许受热温度;粮食的比热容、粒度、体积质量、成分、静止角、悬浮速度等。
(3)工艺参数 外界空气参数和废气参数;表观风速;废气排离速度;干燥速率;干燥时间、冷却时间与缓苏时间;干燥介质的参数(如最高允许温度) ;干燥强度;单位热介质消耗量与单位热量消耗量。
4. 1. 2 干燥机设计计算
为了把干燥机的静力学计算同干燥过程的动力学结合起来,必须有干燥曲线及其方程式[ 2 ]。根据这些曲线把干燥室分成区段,并按区段进行设计计算。最好采用计算机程序模拟粮食干燥的动态过程以供设计时参考。干燥机设计计算应按如下步骤进行。
(1)总体部分 干燥机的选型;干燥过程的方案依据及制定。
(2)干燥段的计算 干燥段的热量衡算;干燥段的物料衡算;干燥段基本外形尺寸的确定;对干燥过程作I - D或T- D图。
(3)冷却段的计算 冷却方式的选择;冷却段的热量衡算;冷却段的物料衡算;冷却段基本外形尺寸的确定;对冷却过程作I - D或T - D图。
(4)热风机的选择 风道系统的拟定;热风机体积风量的计算;热风机阻力的计算(包括粮层阻力、管道阻力、换热器阻力) ;热风机的选型及电机功率的计算。
(5)冷风机的选择 风道系统的拟定;冷风机体积风量的计算,冷却风量的选择要留有足够的余量,以免因原粮水分低或环境条件变化导致干燥机产量增大时,出现干燥后粮食冷却不足的现象;冷风机阻力的计算(包括粮层阻力、管道阻力) ;冷风机的选型及电机功率的计算。
(6)供热设备的选型与计算 供热器的选型与计算;换热器的选型与计算。
(7)干燥机结构设计 结构制定;设备的机械计算(强度、刚度、排粮传动机构等) ;干燥机截面的确定;干燥机各段高度的确定。
4. 2 干燥机设计的一般原则
(1)结构模块化、零件标准化、系列化、通用化。这样便于系列化生产,便于加工制造与安装。
(2)具有可接近性。干燥机应配有观察窗、检查门、平台、爬梯、护拦等,便于安装、检查和维修。
(3)应满足强度和刚度要求,达到规定的标准。
(4)应保证设备的耐久性,应考虑角状管的防腐处理。
(5)在用材和制造上,应考虑制造方便,减少加工量,力求降低设备的制造成本。
(6)应考虑运输成本及其方便性。
(7)进出粮应方便、均匀。干燥机的出口应达到一定高度,以便于与在线水分仪和后续输送设备连接,有时还应考虑后续输送设备的转向输送所需空间位置。整个干燥机截面排粮应均匀,对于截面大的干燥机应保证在整个截面上均匀进粮。
(8)在我国北方地区使用的粮食干燥机外壁应有保温层,减少干燥机的散热,应选择合适的保温材料,确定经济合理的保温层厚度,即最佳经济厚度,同时应确定可行的保温结构(常采用填充式保温结构) ,一般采用40～60 mm的岩棉,最外面为0. 35～0. 6 mm彩钢板。
5 建议
(1)进行粮食干燥系统设计时,在保证经济性、实用性的前提下,尽量采用新工艺、新材料、新装备。应根据实践经验,不断对现有的设计进行改进,以达到最优化设计。
(2)在进行粮食干燥设计时,建议采用多种设计方法,并对比这些设计方法,相互验证,取长补短,以达到各个工艺参数的最佳组合。例如综合采用状态设计方法(传统的质热衡算) 、过程设计方法(计算机模拟设计)和经验设计方法,用经验参数和计算机模拟参数来验证用状态设计方法计算的结果。
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顺逆流玉米烘干机
