Верещинский А.П., доктор технических наук, генеральный директор ООО «ОЛИС», г. Одесса
Любая переработка зерна связана с его очисткой от примесей. Наличие примесей отрицательно влияет на эффективность хранения зерна и его технологические особенности, что приводит к снижению выхода и качества продуктов переработки. Поэтому, операции по очистке занимают центральное место в послеуборочной обработке зерна. Технологические процессы производства муки, крупы, спирта, комбикормов, солода также начинаются с операций по очистке. Зерно всегда содержит примеси. Большинство примесей поступает в зерновую массу во время сбора урожая в виде различных анатомических составляющих культурных растений и сорняков, кусочков почвы, насекомых и т.д. Во время проведения операций с зерном в его состав могут попасть различные случайные предметы — камни и песок из площадок токов и бетонных конструкций элеваторов, металлические составляющие транспортных и зерноперерабатывающих машин. Любое перемещение зерна связано с интенсивным трением зерновок между собой, а также о рабочие органы и другие поверхности машин, что вызывает появление пыли, поэтому пыль всегда является составляющей зерновой массы.
Всю примесь, содержащуюся в зерне, разделяют на сорную и зерновую. К сорной примеси относят семена всех сорняков, примеси минерального и органического происхождения, значительно испорченные зерновки основной культуры, металлические примеси. Отдельно выделяют и относят к сорной примеси вредную примесь, которая отрицательно может повлиять на здоровье людей и животных. Это семена горчака, вязеля и зерновки основной культуры, поврежденные головней, спорыньей, фузариозом. Зерно, в котором содержится вредная примесь, не допускается к использованию на пищевые цели. К зерновой примеси относят зерновки других зерновых культур, поврежденные зерновки основной культуры, щуплые, недоразвитые, проросшие и поврежденные теплом зерновки, в некоторых случаях зерновки, отличающиеся цветом. Примеси являются нежелательными составляющими зерна, поэтому их содержание, в зависимости от вида и назначения зерна, ограничивается государственными стандартами, рекомендуется правилами организации и ведения различных технологических процессов переработки, или устанавливается сторонами при поставках.
Методы, используемые для очистки зерна, обусловлены признаками разделения основного зерна и примесей. Большинство примесей, которые присутствуют в зерновой массе, можно разделить на восемь классов, которые определяют пять групп процессов их отделения от основного зерна: грубые, крупные и мелкие – просеивание на ситах; легкие – пневмосепарация; металломагнитные – разделение магнитами; длинные и короткие – триерование; тяжелые – вибропневматический способ, примеси, которые отличаются оптическими признаками – оптическая сортировка.
В производственных условиях эффективность процессов очистки и машин, которые ее реализуют, определяется по следующей формуле:
Е = (Х1 — Х2) / Х1,
где Х1 и Х2 – начальное и конечное содержание примесей в зерне, %.
Следует отметить, что если оценку эффективности очистки проводят для отдельных процессов и машин, то учитывают начальное и конечное содержание только тех примесей, которые могут быть выделены соответствующим способом.
Примеси, которые выделяются просеиванием на ситах и пневмосепарированием, принято считать легко отделимыми примесями. Для отделения таких примесей предназначены ситовые и воздушные сепараторы различной конструкции с их соединением в единый агрегат (Рис.1).
Рис.1. Сито-воздушные сепараторы.
I — барабаный скальператор (1) с пневмосепаратором разомкнутого типа (2);
II — барабаный сепаратор (3) с пневмосепаратором замкнутого типа (4);
III — плоскорешетный сепаратор (5) с пневмосепаратором замкнутого типа (6) и пневмосепаратором разомкнутого типа (7).
Очистка зерна от грубых примесей проводится просеиванием через решета с крупными отверстиями, которое выполняют в начале технологических линий. Выделение таких примесей исключает аварийные ситуации из-за попадания в транспортные и технологические машины крупных камней, кирпича, древесины, корнеплодов и т.д. Обычно для выполнения такой операции используется разновидность ситовых сепараторов – скальператоры, которые оснащены решетом в виде короткого барабана или подвижной решеткой.
Для разделения зерна и примесей, которые отличаются шириной и толщиной, используются сепараторы, оснащенные рабочими органами в виде цилиндрических или плоских ситовых поверхностей с круглыми, продолговатыми или треугольными отверстиями, выполненными в тонком стальном листе (металлопробивное сито). Сито является главным рабочим органом таких сепараторов и от его характеристик существенно зависит производительность и технологическая эффективность просеивания. Поэтому, вместе с использованием традиционных сит, важен поиск конструкций сит с улучшенными характеристиками. Например, использование сит, которые изготовлены из металлических стержней, металлопробивных сит с продолговатыми отверстиями разной ориентации в плоскости или пятиугольными отверстиями. Во многих случаях такие сита имеют существенные преимущества.
Сепараторы с цилиндрическими ситовыми поверхностями (барабанные сепараторы) отличаются уравновешенностью ситового барабана, который вращается с малой частотой, надежностью конструкции, а также высокой эффективностью очистки сит щетками и молотками. Однако, площадь рабочей поверхности сит таких машин составляет около 30% от общей их площади, что приводит к некоторому увеличению габаритов конструкции. Вместе с тем, цилиндрические сепараторы являются незаменимыми в работе с влажным и сильно засоренным зерном. Сепараторы данного типа способны эффективно и с высокой производительностью перерабатывать слабо сыпучие и склонные к слеживанию зерновые массы. Кроме того, использование барабанных сепараторов исключает необходимость применения скальператоров. Следует отметить, что некоторые конструкции скальператоров предусматривают замену решет на металлопробивные сита с любым размером отверстий, что дает возможность их использования для выделения не только грубых примесей, но ещё и крупных примесей. Эффективность цилиндрических ситовых сепараторов находится в пределах 50-70 %, а по выделению грубых примесей – 100 %.
Сепараторы с плоскими ситовыми поверхностями (плоско-решетные сепараторы) отличаются видом колебания их ситовых корпусов, которые обеспечивают просеивание зерновой массы. Машины, реализующие направленные виброколебания, характеризуются ограниченной площадью поверхности сит. Такие сепараторы иногда используют на мельницах и крупозаводах, где отсутствует потребность обработки потоков значительной производительности. Сепараторы, реализующие возвратно-поступательное движение сит, отличаются сложностью конструкции, поэтому также ограниченны в использовании. Их применение оправдано для тщательной обработки зерна, например, для калибровки семян.
Наиболее распространены сепараторы с вращательно-поступательным движение ситовых корпусов. Такие сепараторы имеют высокую производительность, потому что могут быть оснащены ситовыми корпусами со значительной площадью ситовой поверхности и имеют широкое поле применения как на элеваторах, так и при переработке зерна. К недостаткам плоско-решетных сепараторов относится некоторое генерирование динамических нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений. Кроме того, при снижении центробежного ускорения ситовых корпусов, что иногда является желательным для обеспечения эффективности просеивания, наблюдается недостаточно эффективная работа инерционных очистителей. Указанный отрицательный эффект особенно проявляется при использовании сит с продолговатыми отверстиями. Эффективность большинства плоско-решетных сепараторов находится в пределах 60-80%.
Для выделения из зерновой массы легкой и пылевидной примеси, к которой относятся щуплые и недоразвитые зерна, оболочки, полова, солома и т.д., предназначены пневмосепараторы. Преимущественное большинство пневмосепараторов выполнено в виде вертикальных каналов, в которых падающая под действием силы тяжести зерновая масса продувается восходящем потоком воздуха. По способу использования воздуха различают пневмосепараторы разомкнутого и замкнутого типа. Пневмосепараторы разомкнутого типа использованный воздух выбрасывают в окружающую среду. Для этого они дополнительно оснащаются воздуховодами, внешним вентилятором, циклонами или фильтрами. В пневмосепараторах замкнутого типа после очистки воздуха во встроенной осадочной камере, он снова подается в зону пневмосепарирования под действием встроенного вентилятора. Процесс пневмосепарирования требует значительного расхода воздуха, что вызвано необходимостью создания определенных условий для выделения примесей. Поэтому, пневмосепараторы замкнутого типа имеют значительные преимущества, так как не загрязняют окружающую среду выбросами и не требуют для работы мощных дополнительных устройств. Эффективность очистки зерна от легких примесей в пневмосепараторах составляет 65-75%.
Примеси, которые не могут быть выделены сито-воздушным способом относят к трудноотделимым. Для выделения примесей, которые трудно отделяются, предназначены остальные машины, которые будут рассматриваться далее (Рис.2).
Удаление металломагнитных примесей проводится путем использования разницы в магнитных свойствах зерна, его продуктов, примесей и реализуется с помощью магнитов. Рабочим органом магнитных сепараторов является группа постоянных магнитов, закрытая экраном из немагнитного материала и встроенная в корпус с дверцами. Зерновая масса самотеком поступает в магнитный сепаратор, обтекает экран, задерживающий металломагнитные примеси и самотеком выводится из устройства. При остановке транспортно-технологической линии задержанные и накопленные на экране примеси периодически удаляют вручную. Металломагнитные примеси очень разнообразны по размеру, форме и происхождению: предметы, случайно попавшие в зерновую массу (гвозди, кусочки металла, железной руды, стальной окалины и т.д.) и частицы, попавшие в зерновую массу в результате износа рабочих органов машин для переработки зерна (куски решет, ситовые поверхности, бичи и т.д.). Присутствие таких примесей в зерновой массе может привести к тяжелым поломкам машин, а также к возникновению искр, создающих угрозу пожара и пыле-воздушного взрыва. Нежелательным и опасным является попадание металломагнитных примесей в готовую продукцию: муку, крупы, комбикорма и т.д. Поэтому, магнитная защита предусмотрена во всех технологических линиях по переработке зерна и в обязательном порядке перед машинами, реализующими измельчения, шелушение, плющение, гранулирование и т.д.
Рис.2. Машины для отделения трудноотделимых примесей.
1 — магнитный сепаратор; 2 — триер; 3 — камнеотборник; 4 — пневмостол; 5 — оптический сортировщик
Для отделения примесей, которые отличаются длиной, применяется обработка зерна в триерах. В зерновой массе пшеницы короткая примесь представлена в основном куколем, полевым горошком, битыми зернами основной культуры, а длинная — овсюгом, овсом, ячменем. Если из зерновой массы любой культуры отбирают примесь, которая короче, чем сама культура, то такой триер принято называть куколеотборником. Если из зерновой массы любой культуры отбирают примесь, которая длиннее, чем сама культура, то такой триер принято называть овсюгоотборником. Рабочие органы триеров представляют собой ячеистую поверхность, выполненную на внутренней стороне горизонтального цилиндра, который вращается. Процесс триерования основан на том, что при контакте с рабочей поверхностью, частицы «увлекаются» ячейками, выносятся из зерновой массы и под действием силы тяжести, падают в сборный лоток, а длинные остаются на рабочей поверхности и выводятся из машины. По отношению к зерну любой культуры триер-куколеотборник конструктивно отличается от триера-овсюгоотборника исключительно размерами ячеек его рабочей поверхности. Эффективность триеров-куколеотборников составляет 80-90 %, а триеров-овсюгоотборников – 80-85 %. В соответствии с действующими нормами, триерование считается эффективным, если за одним проход триер отделяет не менее 80 % примеси, которая может быть отделена таким способом.
Для отделения тяжелых примесей и сепарирования по удельному весу, применяется вибропневматический способ, который реализуется в каменеотборниках, пневмостолах, концентраторах, комбинаторах и ситовеечных машинах. Процесс разделения зерновой массы происходит путем использования восходящего потока воздуха в сочетании с колебаниями сортировочной поверхности. При таком способе частицы зерновой массы, находясь в псевдоожиженном состоянии, испытывают многократные столкновения между собой и сортировочной поверхностью, что приводит к их интенсивному самосортированию. Разделение проводится таким образом, что нижние слои, состоящие из частиц большей плотности, просеиваются через сортировочную поверхность (концентраторы, ситовеечные машины) или направляются по ней в противоположную сторону движения частиц с меньшей плотностью (каменеотборники, пневмостолы). Концентраторы, комбинаторы и ситовеечные машины используются при производстве муки, поэтому дальнейшее их рассмотрение в рамках данной работы не является целесообразным.
Камнеотборники используются для выделения из зерновой массы минеральной примеси (галька, крупный песок, кусочки руды, шлак, кусочки земли и т.д.), отличаются высокой производительностью, компактностью конструкции и эффективностью 98-99%.
В пневмостолах зерно можно разделить на несколько фракций отличающихся по плотности, а также при необходимости отделить мелкие примеси — семена сорняков, битые зерна основной культуры и т.п. Эффективность разделения в концентраторах предварительно очищенного зерна при выделении его тяжелой фракции составляет 60-80%. Кроме того, дополнительно выделяется 0,2-0,3% отходов и щуплого зерна.
Главным недостатком машин, которые реализуют вибропневматический способ разделения является использование воздуха в количестве 450-600 м3 на 1 т зерна, который выбрасывается в окружающую среду после очистки от пыли. Поэтому перспективным направлением усовершенствования таких машин является внедрение в их конструкцию замкнутого движения воздуха.
Сортировка по оптическим признакам, бесспорно, является новой, передовой технологией, которая быстро развивается. Однако, в промышленности уже есть значительный опыт использования оптических сортировщиков, который позволяет определить границы их целесообразного использования. Оптический сортировщик – это машина, которая в качестве признаков разделения, в основном, использует разницу в цвете поверхности и тем самым ценна, так как ни какая другая машина не использует данный признак. Вместе с тем, необходимо хорошо понимать на сколько такой признак разделения соответствует цели очистки. Часто ошибкой при использовании оптических сортировщиков является то, что по разнице в цвете пытаются выделить то, что легко можно выделить простыми и традиционными способами очистки, благодаря высокой их эффективности. Поэтому, использование оптических сортировщиков, не является заменой традиционных способов очистки альтернативными или более эффективными способами, а рациональным их дополнением. Исходя из практики, использование оптических сортировщиков целесообразно на финишной операции очистки отдельных партий семян и готовой продукции.
Из выполненного обзора видно, что разнообразие процессов и машин для очистки определяется многообразием физико-механических свойств зерна и примесей. Кроме того, современная организация эффективной очистки предусматривает ее многоэтапность. В зависимости от кондиций зерновой массы и цели очистки различают предварительную, первичную и вторичную очистки.
Предварительная очистка, в основном, используется в рамках послеуборочной обработки зерна и представляет собой выделение грубых, мелких, крупных и легких примесей. Свежесобранной зерновой массе характерна высокая влажность и засоренность, что определяет ее низкую сыпучесть, скважистость и вызывает угрозу самосогревания. Данная проблема особенно остро возникает при уборке поздних культур – подсолнечника и кукурузы. Как правило, значительная влажность зерновой массы обусловлена высокой влажностью определенной ее составляющей — остатками растений. Поэтому, задачей предварительной очистки является быстрое удаление влажных примесей, что обеспечивает временное хранение зерна перед сушкой и обретение им сыпучести для возможности выполнения данной операции. Как было отмечено, для решения такой задачи наиболее эффективным является использование ситовых барабанных сепараторов, агрегатированных с пневмосепараторами (Рис.1. I и II).
Целью первичной очистки является доведения качества зерна до товарной кондиции. Такая очистка представляет собой удаление легких, крупных и мелких примесей, что также выполняется в сито-воздушных сепараторах. В рамках рассматриваемого этапа, тщательной очистке подлежит сухое зерно с содержанием сорной примеси в пределах 3-10 %, что требует высокой эффективности работы сепараторов, а значит существенных размеров площади их ситовой поверхности. Таким требованиям отвечают плоско-решетные сепараторы, агрегатированные с пневмосепараторами, как на входе, так и на выходе ситового кузова (Рис.1. III) или барабанные сепараторы, агрегатированные пневмасепаромарами (Рис. 1 II).
При невозможности обеспечения необходимого содержания примесей путем однократной очистки, применяют повторный пропуск зерна через ту или иную сито-воздушную машину.
Вторичной очисткой доводят зерно до кондиции, которая соответствует требованиям использования на пищевые целей или на семена. При выполнении вторичной очистки зерно может быть многократно обработано также в плоско-решетных сито-воздушных сепараторах (Рис.1. III) или барабанных сепараторах (Рис. 1. II). Однако, поскольку необходимая степень очистки на этапе предварительной и первичной очистки достигается отделением легко отделимой примеси, то в большинстве случаев основной задачей вторичной очистки является борьба с трудноотделимыми примесями. Исходя из состава и характеристик примесей, вторичная очистка может предусматривать использование некоторых, или всех способов отделения трудноотделимых примесей, которые рассматривались раннее: разделение магнитами, триерование, вибропневматический и оптический способы (Рис.2). Как правило, вторичную очистку реализуют в составе линий по производству муки, крупы или семян.
Следует отметить, что производительность и эффективность очистки существенно зависит не только от уровня оснащения технологических линий машинами, но и от правильного подбора их рабочих органов (сит, ячеистых поверхностей, инерционных очистителей и т.д.) и настройки режимов работы машин для максимального использования признаков разделения основного зерна и примесей в каждом конкретном случае производственной ситуации.
Вопросы, критические замечания и предложения прошу направлять по адресу:
E-mail: olis88@ukr.net
