Сушка зерна: обойтись без газа
Текст: В. Ф. Сорочинский, ФГБНУ «ВНИИ зерна и продуктов его переработки» — филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН»
Как известно, просушивание зерна — важный завершающий этап всего производственного процесса. Его правильное проведение обеспечивает дозревание и долгое хранение, достижение необходимого класса и качества сырья. Однако данная операция является довольно ресурсозатратной, поэтому по-прежнему актуальной остается разработка более совершенного и эффективного оборудования.
Сегодня для сушки зерна колосовых, бобовых и семян масличных культур, а также кукурузы применяются различные конструкции стационарных и передвижных зерносушилок. Наиболее востребованы шахтные, жалюзийные, башенные, бункерные, ленточные, конвейерные и колонковые разновидности. Большинство из них могут работать как в прямоточном, так и в рециркуляционном режиме. При этом для сушки крупнозернистых культур, например кукурузы, бобовых, а также риса, пшеницы и ячменя, с успехом используются колонковые зерносушилки. Их отличают сравнительно простая конструкция и высокая монтажная готовность, позволяющая реализовывать модульный принцип увеличения производительности. Обычно такое оборудование является конвективным и может работать на жидком или газовом топливе. В последнем случае сушилки функционируют без теплообменника, поэтому зерно обрабатывается смесью воздуха с продуктами сгорания.
БАЗОВАЯ СИСТЕМА
Обычно сушильная и охладительная зоны колонковых зерносушилок образованы параллельно расположенными перфорированными колоннами с нагнетательными камерами между ними, куда подается агент сушки либо охлаждающий воздух. В этих высоких шахтах для повышения равномерности процесса и недопущения перегрева сырья установлены инверторы, с помощью которых гравитационно движущееся в колонне зерно периодически перемещается от места входа в слой агента сушки к выходу из него. Однако такая базовая конструкция, не разделяющая нагнетательную камеру на зоны, не предусматривает избавления от отработавшего охлаждающего воздуха и сушильного агента, что существенно снижает ее эффективность. Ранее было установлено, что для прямоточных зерносушилок, к классу которых относится и колонковая, без предварительного нагрева зерна, утилизации охлаждающего воздуха и отработавшего сушильного агента коэффициент полезного действия при косвенном или прямом нагреве не превышает 42 и 49,2% соответственно. При этом затраты теплоты составляют 5985 и 5110 кДж/кг испаряющейся влаги. Вместе с тем при осуществлении данной операции КПД машины можно увеличить в среднем до 56,9–64,5%, а расход теплоты снизить до 4418–3898 кДж/ кг жидкости соответственно.
Сегодня на рынке представлены различные колонковые зерносушилки. Так, в оборудовании СЗМ осуществлено традиционное решение по утилизации от отработавшего охлаждающего воздуха путем подачи его вентилятором для смешивания с атмосферой при направлении в теплогенератор. Однако при этом смесительная камера представляет собой отдельное устройство, что существенно увеличивает габариты агрегата. Кроме того, при такой конструкции затруднена утилизация ненасыщенного сушильного агента. Схожую систему имеют модульные колонковые зерносушилки GSCOR. По данным специалистов компании-изготовителя, избавление от охлаждающего воздуха может привести к экономии топлива до 30%. Отличительной особенностью этих горизонтальных сушилок является установка вентиляционного оборудования снаружи нагнетательных камер, что позволяет им работать как на сжиженном и природном газе, так и на дизельном топливе. Однако чрезмерное увеличение длины зерносушилок при односторонней подаче агента и охлаждающего воздуха в нагнетательный отдел обусловливает неравномерную сушку и остывание сырья по длине горизонтальной камеры вследствие непропорционального распределения агента и воздуха.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПРАВЛЕНИЕ
Для решения существующих проблем и увеличения производительности были разработаны вертикальные колонковые зерносушилки с теплогенератором и расположенными в нижней части воздухонапорной камеры вентиляторами и горелками. Такая схема позволяет снизить материалоемкость за счет оптимальных планировочных решений. Например, вертикальная конструкция зерносушилки фирмы Brock обеспечивает равномерное движение зерна по колонке, оптимизирует систему распределения и утилизации охлаждающего воздуха, поступающего к горелке из внешнего пространства за счет разрежения, создаваемого центробежным или осевым вентилятором. По данным производителей, за счет избавления от такого воздуха возможно снижение энергозатрат на сушку до 25%. В созданной компанией DeLux конструкции вертикальной колонковой зерносушилки типа DS-DSB предусмотрена возможность утилизации не только использованного охлаждающего воздуха, но и частично сушильного агента из нижней части оборудования, что позволит, по мнению экспертов фирмы, уменьшить энергетические затраты на процедуру на 30–50%. При этом отработавшие воздух и агент сушки должны поступать во всасывающее отверстие вентилятора горелки, проходя через трапециевидные камеры-теплообменники, расположенные горизонтально в колонковой шахте.
Однако подобное техническое решение затрудняет контроль процесса сушки при необходимости одновременного осуществления регулировки расхода воздуха на горение и корректировки температуры нагрева и охлаждения зерна. Для исключения такой ситуации в конструкцию вертикальной колонковой зерносушилки были внесены изменения, связанные с установкой вентилятора для остывания сырья и разделения зон сушки и охлаждения. Они были отражены в оборудовании совместного производства АО «Мельинвест» и фирмы QED. В нем зона сушки, в свою очередь, делится на верхнюю, где сушильный агент, насыщенный влагой, выводится наружу, и нижнюю, откуда он утилизируется.
ПОВЫШЕННАЯ ОПАСНОСТЬ
Практически все колонковые сушилки с горелкой, расположенной в воздухонапорной камере, работают на природном или сжиженном газовом топливе. Такое решение в целях снижения энергозатрат и повышения эффективности процесса в данной конструкции позволяет предусмотреть утилизацию охлаждающего воздуха и частично сушильного агента. Для этого они из нижней части сушильной зоны вентиляторами из зоны охлаждения и теплогенератора соответственно направляются в смесительную камеру, в которой создается разрежение под действием вентилятора горелки. По данным разработчиков, подобный механизм дает возможность утилизировать до 48% отработавшего ненасыщенного сушильного агента и весь использованный охлаждающий воздух. При этом согласно расчетам, основанным на технической характеристике машины MiniMax, которая является аналогом колонковой зерносушилки Astra, коэффициент полезного действия такого агрегата составил 68,8%. Вместе с тем расположение теплогенератора в воздухонапорной камере с открытым пламенем между шахтами резко повышает пожаро- и взрывоопасность сушилки из-за возможного возникновения искр от поступающего на утилизацию запыленного воздуха и сорной примеси, которую исключить из зерна полностью невозможно. Поэтому указанная конструкция работает только на газовом топливе и не предназначена для функционирования на жидком горючем вследствие значительного увеличения длины факела и дополнительного искрообразования.
НА ЛЮБОМ ТОПЛИВЕ
Для создания технологической схемы зерносушилки с утилизацией сушильного агента и охлаждающего воздуха при работе на жидком или другом виде горючего были проведены расчеты и подготовлена конструкторская документация. Далее изготовлялся сам агрегат и осуществлялись производственные испытания. Для проведения теплового и аэродинамического расчета была разработана схема колонковой зерносушилки, включающая перегородку, которая разделяет зону сушки с регулируемыми клапанами на верхнюю и нижнюю, причем смесительный отдел отгорожен от области охлаждения и соединен с первой зоной сушки воздухопроводом. Воздухонапорные камеры и теплообменник также разделены перегородкой между второй областью сушки и отделом охлаждения. Кроме того, в последнем установлен охлаждающий вентилятор, а сушильный — снаружи, то есть на выходе из теплогенератора.
Предварительный расчет проводился для зерна кукурузы, предназначенного для крахмалопаточной промышленности. Производительность зерносушилки составила 15 т/ч при температуре наружного воздуха 15ºС и его относительной влажности 60%. Влажность сырья на входе в агрегат равнялась 19%, после сушки — 14%, предельная температура нагрева достигала 45ºС, сушильного агента на выходе из теплогенератора — 120ºС. Сжигание дизельного топлива происходило в топке нагревательного аппарата, а просушивание зерна осуществлялось чистым воздухом, нагретым в теплообменнике. По результатам теплового расчета в соответствии с методикой для прямоточной зерносушилки были установлены объемный и массовый расход агента сушки и охлаждающего воздуха. Разработанное оборудование с выносным теплогенератором позволяло использовать жидкое или любое низкосортное топливо. Помимо этого, анализ позволил определить скорости фильтрации и аэродинамическое сопротивление охлаждающего воздуха и сушильного агента. Так, при их подаче в первую сушильную зону последний показатель возрастал при соответствующих габаритах аналога за счет установки в воздухонапорном отсеке смесительной камеры. Поэтому по результатам исследования было принято решение об увеличении высоты первой сушильной зоны до четырех метров. При этом скорость фильтрации воздуха в пересчете на живое сечение перфорированной решетки составило для отдела охлаждения, второй и первой сушильных зон 0,35, 0,5 и 0,7 м/с соответственно, а аэродинамическое сопротивление вентиляторов — 1160 и 1490 Па.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Для осуществления практического тестирования разработанная колонковая прямоточная зерносушилка была установлена на предприятии СПК «Грудцыно», расположенном в Павловском районе Нижегородской области. Агрегат находился в составе сушильно-очистительного комплекса, имевшего предварительную очистку и шесть емкостей типа БВ-40 для оперативного размещения сырья перед сушкой. В ходе испытаний сырое зерно после предварительной очистки из таких бункеров норией производительностью 40 т/ч подавалось в надсушильную емкость и поступало в первую, а затем во вторую зону сушки. Обработанный материал проходил теплообменник и после остывания в охладительной зоне через разгрузочные устройства направлялся на скребковый транспортер, а затем с помощью нории перемещался в присушильные бункеры для отгрузки на склад. Чистый нагретый воздух из теплогенератора подавался во вторую сушильную зону, преодолевал слой зерна и после смешивания с отработавшим охлаждающим воздухом через теплообменник направлялся в первую сушильную зону, откуда насыщенный влагой выводился в атмосферу. Следует отметить, что в оборудовании предусмотрена возможность возврата сырья из него в надсушильный бункер в случае необходимости дополнительной обработки или сушки первой партии. Дизельное топливо в установку подавалось со склада ГСМ.
Испытания на предприятии проводились на зерне пшеницы с начальной влажностью до 19,1% при температуре атмосферного воздуха 6,9–13ºС и относительной влажности 83–93%. В ходе двух опытов данные значения в среднем составляли 7,8, 12,7ºС и 90% соответственно. Температура сырья до сушки равнялась 12,4–15,4ºС, после процедуры — 23,8–26,5ºС. Показатель сушильного агента в первой зоне достигал 89,4–90ºС, во второй — 108–109,5ºС. По параметрам атмосферного воздуха и этого агента были определены значения их влагосодержания и энтальпии, необходимые для дальнейших расчетов при сведении теплового баланса зерносушилки. После их утилизации из второй сушильной зоны и обработки сырья в первом отделе агент сушки на выходе из установки был практически полностью насыщен влагой, что свидетельствовало о высокой эффективности процесса.
ХОРОШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
При обработке экспериментальных данных был осуществлен перерасчет производительности колонковой зерносушилки. В качестве норматива использовалась инструкция по сушке продовольственного, кормового сырья, маслосемян и эксплуатации подобного оборудования при снижении влажности зерна пшеницы на четыре и пять процентов, а также на плановую тонну при уменьшении данного показателя с 20 до 14%. В ходе анализа было определено, что объемные затраты воздуха на входе в теплогенератор и охлаждающий вентилятор составили 28 844 и 17 530 куб. м/ч, массовый расход — 35 358 и 21 422 кг/ч. Объемный расход агента сушки, измеренный на выходе из зерносушилки, равнялся 51 330 куб. м/ч, а массовый — 57 748 кг/ч. Также удалось установить, что данные производственных испытаний зерносушилки хорошо совпадали с расчетными значениями при снижении влажности зерна на пять процентов. Расхождение в 12,8 и 14,7% объяснялось незначительным пересушиванием сырья до 12,8 и 13,7% вместо предполагаемых 14% для обеспечения его безопасного хранения в сырую погоду. Погрешность сведения материального баланса по испаренной из зерна влаге и выносимой из зерносушилки с агентом сушки составила 2,4%. При этом отклонение теплового баланса агрегата по результатам испытаний оказалось равно 6,9%, что можно признать удовлетворительным.
Таким образом, результаты проведенных испытаний показали, что коэффициент полезного действия разработанной колонковой зерносушилки практически совпадал с соответствующим расчетным значением аналога — агрегата MiniMax, работающего на газовом топливе. То есть можно констатировать, что специалистами были сохранены оригинальные технические решения по утилизации отработавшего охлаждающего воздуха и агента сушки. Более того, сконструированная установка способна работать на любом виде топлива.