Обоснование технологии и технических средств для сепарации зерновых отходов

Производство зерна в России является важнейшей сферой сельскохозяйственного производства, влияющее на степень обеспечения населения продовольствием, уровень развития кормовой базы для животноводства, птицеводства и сырьевой базы для ряда отраслей промышленности. Поставлена стратегическая задача в ближайшие годы увеличить валовый сбор зерна до 100 млн. т.

Анализ технологий производства, очистки зерновых материалов позволяет сделать вывод, что одним из важных направлений повышения сбора зерна является снижение его потерь при приеме, хранении, выделение полноценного зерна и зерновых примесей из зерновых отходов, получаемых на предприятиях приема, хранения и переработки зерна (ППХПЗ).

В период массового поступления зерна перед хлебоприемными предприятиями встает задача размещения, хранения и сортирования отходов. Обычно их размещают на открытых площадках, где они хранятся до подработки и реализации. За это время отходы начинают самосогреваться, теряют свои качества. Часто размещают вместе отходы, полученные от подработки различных культур, с разными влажностью и содержанием полезного зерна, что ведет к частичной или полной потере питательных веществ, содержащихся в них. Если учесть, что отходы по содержанию питательных веществ приближаются к таким зерновым кормам, как ячмень, овес, кукуруза, то их сохранность представляет собой большой практический интерес.

В качестве объекта исследований взяты отходы, получаемые при очистке пшеницы.

При очистке зерна пшеницы в потоке, например, на Целинском элеваторе и Ростовском-на-Дону КХП Ростовской области получается 1,7−5,3% отходов и рабочих продуктов от общего объема заготавливаемого зерна. В целом по Ростовской области — 2,1−5,1%. Из общего количества отходов на долю наиболее ценных, получаемых от очистки пшеницы, приходится'70−80%, что составляет от 0,6 до 0,8 млн. т в год.

Количество отходов на хлебоприемных предприятиях ежегодно меняется в довольно широких пределах и зависит от многих причин: от условий произрастания зерна, уровня агротехники и мероприятий по снижению засоренности полей, от способа уборки и погодных условий во время нее.

За последние годы сдача зерна государству была организована по схеме поле — ток — хлебоприемное предприятие.

С увеличением числа механизированных токов в колхозах и совхозах заготовки сорного зерна снижаются.

Однако, данное о количественно-качественных показателях по заготовке и очистке пшеницы показали, что количество годных отходов в сумме с зер-носмесями составляет 6−8%, а количество негодных (гуменные отходы и мертвый сор) — 4−6% от валового сбора.

Содержание полезного зерна в отходах на предприятиях АПК и на хлебоприемных предприятиях остается высоким и в отдельные годы количество их может быть значительным, поэтому хлебоприемные предприятия должны располагать всем необходимым для полной сохранности и эффективного их использования.

При заготовках зерна по схеме поле — ток — хлебоприемное предприятие изменилось не только количество отходов, но и видовой и количественный состав входящих в них компонентов. В результате предварительной очистки зерновых в зерноочистительных машинах, в отходы попадало большое количество органической примеси — 30−50%, семян сорных растений — 30−40%. В составе зерновой примеси преобладали щуплые, зеленые зерна, содержание которых достигало 10−15%. Основного зерна в отходах содержалось 10−20% (за счет большого количества необмолоченных колосьев).

В результате первичной обработки отходы с подобным содержанием компонентов выделяются теперь на токах колхозов и совхозов, а в зерне, поступающем на хлебоприемные предприятия, остаются, в основном, трудноотделимые примеси. г.

При первичной очистке зерна на зерноочистительных машинах получают две фракции отходов. Первая фракция содержит полезного зерна чаще до 2%. При наличии в зерновой массе большого количества зерен щуплых и изъеденных, содержание полезного зерна в этой фракции может быть до 10% и более.

Вторая фракция, полученная проходом через сито подсевное и сходом с сита сортировочного, содержит от 20−30 до 40−45% полезного зерна.

Причем, сходом с сортировочного сита выделяется по весу от 30- до 50% необмолоченных колосков.

Зерно, прошедшее первичную обработку на токах, поступает на хлебоприемные предприятия с содержанием сорной примеси 0,3−1,2%. При обработке его на хлебоприемных предприятиях получается большое количество отходов.

Анализ работы зерноочистительных машин хлебоприемных предприятий показал, что за последние годы при очистке пшеницы из зерновой массы выделяются в основном зерносмеси и побочные продукты. Отходы 1-й и Н-й категории при очистке зерна в потоке получаются редко. Чаще их выделяют при сортировании зерносмесей и побочных продуктов. Отходы III-1 категории получают в виде легких аспирационных относов.

При очистке зерна на сепараторе получаются четыре фракции отходов: сход сортировочных ситпроход подсевных ситтяжелые аспирационные относы (осадок в аспирационных камерах) и легкие аспирационные относы.

Все эти фракции характеризуются различным видом и количественным содержанием компонентов, относимых к основному зерну, зерновой и сорной примесям.

В сходе сортировочных сит полезного зерна содержится от 0 до 3%. В основном это нормальное зерно, выделенное из необмолоченных колосьев.

Наибольшим содержанием полезного зерна (до 91,2%) характеризуется проход подсевного сита за счет зерна битого, щуплого и нормального мелкого зерна основной культуры. Сюда так же попадают зерна ржи и проса. а.

Существующие технологии очистки зерна на ППХПЗ предопределяют выделение большого количества зерновых отходов. При этом сход с верхних решет и смесей схода с верхних решет и просевание подсевных решет в приемной воздушно-решетной зерноочистительной машине содержат до 18−23% необмолоченных колосков, до 24% нормального зерна и 0−15% мелкого зерна. Эти зерновые отходы используются неэффективно.

Тенденция использования простых зерноочистительных машин для подработки отходов исчерпывает свои возможности. Для качественной сепарации отходов с возможностью выделения, домолота колосков и отделения минеральных примесей, необходимы новые современные технологии сепарации «сложных» зерновых отходов, обеспечивающие заданные агротребования с минимизацией приведенных затрат на сепарацию.

Многомерный системный анализ, проведенный в рамках решаемой проблемы, выявил (с учетом известных ограничений) основные пути роста эффективности поточной очистки зерновых отходов: интенсификация пневмосепара-ции зерновых отходов, качественное выделение недомолоченных колосков, их домолот, рост эффективности выделения зерновых и мелких сорных примесей из зернового вороха по размерам на решетах (за счет роста удельной просевае-мости, рациональной компоновки решет в решетных модулях и др.).

Используя методы структурно-параметрической оптимизации и стендовые испытания, выявлена перспективность использования универсальных одноярусных 3-х решетных модулей (например, в режиме очистки зерна продовольственного назначения производительность 2-х трехрешетных модулей 1,77 раза превышают производительность одного классического двухъярусного 4-х решетного стана за счет тонкослойной сепарации и рациональной последовательностью операций, определяемой компоновкой решет в ярусе, обеспечивающей качественную сепарацию зернового материала).

В общем виде эти различные частные технологические операции и функциональные схемы агрегатов для очистки зерновых отходов можно представить, используя известную [40] методологию, в виде системы взаимосвязанных частных технологических операций и их подсистем, входящих в эти схемы.

В целом подобные проблемы задачи комплексно не решены, для их разрешения необходимо решение ряда частных задач.

Целью диссертационной работы является выявление основных направлений и обоснование рациональных ресурсосберегающих технологий и технических средств сепарации зерновых отходов на предприятиях приема хранения и переработки зерна, обеспечивающие их высокоэффективную утилизацию.

Реализация цели работы позволит выявить новые закономерности функционирования частных технологических операций в различных зерноочистительных машинах при сепарации оригинального зернового вороха различных структур агрегатов для домолота колосков и очистки этого вороха, оценить рациональное сочетание частных технологических операций в агрегате.

Для реализации поставленной цели работы решены задачи исследований и выносятся на защиту следующие основные положения:

Технологические свойства зерновых отходов как объекта хранения, переработки и использования в пищевой промышленности и в кормопроизводстве.

Математическое моделирование квазистатичного процесса функционирования транспортерного скельператоре при очистке зерновых отходов с минимизацией выделения из отходов недомолоченных колосков.

Параметрическая оптимизация универсального агрегата очистки зерновых отходов, новые закономерности его функционирования. и.

Основные результаты и выводы.

1. Отходы, получаемые на хлебоприемных предприятиях, представляют собой зерносмеси, побочные продукты и отходы 1−3 категорий с содержанием полезного зерна 0,5−50%. Их необходимо сортировать с целью максимального извлечения нормального зерна и присоединении его к партии, из которой оно было выделенокроме того, из отходов необходимо удалить минеральную примесь, из-за которой они могут быть не пригодными к скармливанию.

Как правило, сортирование отходов в поточную обработку зерна не включено. На большей части предприятий сортированием отходов занимаются после окончания массового поступления хлеба. К этому времени отходы начинают самосогреваться и значительная часть полезного зерна, содержащаяся в них, бывает испорченной.

Подрабатывают отходы обычно на передвижных зерноочистительных машинах, технологический эффект сепарирования которых низкий.

Отходы 3-ей категории, содержащие полезных зерновых отходов в пределах 2,1−5,1%, в том числе нормального зерна 1,6−3,8%, необмолоченных колосков до 20,8%, содержащих по массе 20−25% нормального зерна, практически не используются.

2. Используя современные методики выявлена структура и источники образования отходов, оценены основные технологические свойства различных фракций отходов как объектов хранения, переработки и использования в пищевой промышленности и в кормопроизводстве.

3. Построенные совмещенные и отдельно для основных компонентов зерновых отходов, полученных сходом с верхних решет сепаратора, вариационные кривые и аппроксимирующие их уравнения, а также отдельные экспериментальные исследования показывают, что качественное выделение зерна и зерновых примесей только воздушным потоком или только по размерам невозможно, требуется рациональная комбинация системы сепарирующих операций по различным признакам.

4. Наличие в отходах полноценного зерна, зерновых и других полезных примесей предопределяет необходимость решить задачи по разработке ресурсосберегающей технологии утилизации зерновых отходов, и, в первую очередь, выделение из них полноценного зерна и зерновых примесей.

5. Построенная стохастическая математическая модель, адекватно описывает процесс сепарации зернового вороха на транспортерном скельператоре, и разработанные программы для ЭВМ позволяют проводить многомерный анализ и параметрический синтез скельператора.

6. При перемещении компонентов зернового вороха по сетке транспортерного скельператора с подбрасыванием рациональные параметры продолговатых отверстий на сетке меньше, чем при их перемещении без подбрасывания, что улучшает выделение длинных компонентов с увеличенной шириной, но ухудшает выделение длинных компонентов.

7. Выявлено, что при использовании продолговатых отверстий на сетке скельператора рациональные отверстия сетки 16×60 мм, при этом по сравнению с квадратными отверстиями полнота выделения сорных примесей из зернового вороха существенно возрастает — соломин дробленных в 7,72 раза, колосков в 1,51 раз, крупных минеральных примесей в 23,15 раз, корзин осота в 9,24 раз, всех сорных примесей в 18,5 раза.

8. Экспериментально установлено, что процесс домолота колосков в домолачивающем устройстве стабилен, полнота домолота колосков при подачах 0,370−0,874 кг/с 97,864−98,941%, при этом изменение содержания поврежденного зерна в исходном ворохе и после домолота статистически незначимо.

9. Выявлены возможные совокупности частных технологических операций, формирующих поточные технологии очистки зерновых отходов и представлены в виде конечного ориентированного мультиграфа, описанного матрицей независимых путей графа, включающих 13 функциональных схем поточных технологий очистки отходов.

10. На этом этапе исследований, используя логико-эвристический подход, с учетом возможности реализации всех операций, необходимых для сепарации трудных" отходов — сход с верхних решет сепараторов, содержащих недомолоченные колоски и крупные минеральные примеси, а также с учетом реализации этих операций в выборе серийных машин, для моделирования принят АОЗО-11.

11. При моделировании установлено несущественное влияние подачи зерновых отходов в рассмотренных пределах на АОЗО-11 на полноту выделения из них зерна и его чистоту и существенное на выход очищенного зерна и зерновых примесей. Установлено, что домолот колосков обеспечивает рост доли содержания полноценного зерна в сходовых отходах, поступающих в АОЗО-11 в 6,5−7,5 раз, в смеси сходовых и проходовых под подсевные решета отходах только в 1,2−1,3 раза.

12. Найденные при моделировании показатели функционирования АОЗО-11 при очистке зернового вороха, полученного сходом с верхних решет и смешиванием схода с верхних сортировальных и прохода подсевных решет зерноочистительных машин, показывают устойчивое выполнение технологического процесса при рассмотренном диапазоне подач (1,5−4,.5 кг/с), при этом полнота выделения всех сорных примесей 96−100%, зерновых примесей 59−85% (не выделяется дробленное «поперек» зерно). При этом потери основного зерна 0,6−0,7%, содержание в очищенном зерне 14,99−21,51% зерновых примесей.

Содержание в проходе подсевных решет решетного модуля РС-50 зерновых отходов — 55%, в проходе вторых решет 66−81%.

13. Экономический анализ показателей функционирования АОЗо-11 при очистке зернового вороха (сход с верхних сортировальных и проход подсевных решет) в интервале подач 1,5−4,5 кг/с выявил экстремум 0 = 4,2 кг/с (15, 12 т/ч), а при очистке только сходовых отходов — 6 = 3,6 кг/с (12,86 т/ч). Для этих условий суммарные эксплуатационные затраты на очистку 1 т исходного зернового вороха соответственно 17,26 руб/т и 18,13 руб/т, на 1 т очищенного зерна — 166,31 руб/т и 350,64 руб/т, энергоемкость процесса очистки 8,86 кВт/(кг/с) и 10,33 кВт/(кг/с), трудоемкость 0,24 и 0,28 чел.-ч/(кг/с). прибыль от очистки 1 т зернового вороха 89,83 и 100,87 руб/ч, от очистки партии вороха (10 500 т) — 943 188,5 и 1 059 157,2 руб. Время работы агрегата 868 ч, при этом из зерновых отходов в АОЗО-11 выделится соответственно зерна 1,57 и 0,670 т/ч, за 868 ч — 1362 и 678,3 т. При этом выделится зерновых отходов с содержанием зерновой примеси 55,2−70,1% - 9,45 и 0,356 т/ч и 8205,72 и 361,03 т. Срок окупаемости затрат на изготовление АОЗО-11 с начала его функционирования — 471,2 и 489 ч (2,7−2,8 месяцев).

Проведенный предварительный анализ позволяет сделать вывод об эффективности создания и использования АОЗО-11 для переработки рассматриваемых зерновых отходов на предприятиях приема, очистки и хранения зерна.

14. Проведена стендовая экспериментальная проверка функционирования агрегата АОЗО-11, реализующего частные технологические операции: выделение из исходного вороха примесей, выделение недомолоченных колосков, домолот колосков, выделение (2-ое) легкой фракции, сепарация зернового материала на 3-х решетном ярусеагрегата АОЗО-Э, реализующего частные технологические операции: пневмосепарация зернового вороха, сепарация зернового материала на 3-х решетном ярусе, при очистке зерновых отходов содержащих сорную примесь 70,1% (в том числе легкую 50−60%), зерновую примесь 21,6% (битое 20,44%, щуплое 0"42−0,84%, поврежденное 0,16−0,32%), полноценное зерно 7−20%.

15. Анализ результатов лабораторных исследований показал эффективность использования АОЗО-11.

Выявлено качественное выделение сорных и зерновых примесей из зернового материала в пневтоканалах и на 3-х решетных модулях — доля выхода очищенного на решетах зерна 5,904−18"896%" содержание зерновых и сорных примесей в очищенном зерне 6,158−11,255% и 5,009−11,707%.

16. Установлено, что для условий очистки принятых зерновых отходов, качество очищенной зерновой фракции выше у агрегата АОЗО-11 (79,311 -88,217%), чем у АОЗО-Э (674,909 — 86,703%). Так, при равных подачах исходного вороха Q =, 222 кг/(м-с), чистота зерна, очищенного АОЗО-11 и АОЗО-Э соответственно 88,217% и 64,909%, содержание в очищенном зерне сорных и зерновых примесей соответственно: АОЗО-11 — 8,067%, 8,550%- АОЗО-Э -19,003%, 16,088%. При этом производительность агрегата АОЗО-11 — 2,778 кг/(м-с), а АОЗО-Э — 2,222 кг/(м-с).

17. Выявлено, что для очистки зерновых отходов с незначительным содержанием недомолоченных колосков (0,5−2,2%) и значительным содержанием полноценного зерна (7−20%), домолот колосков в агрегате не существенно увеличивает содержание зерна в очищенной зерновой фракции, и при этом определяющим является балансовая цена оборудования в агрегате, существенно влияющая на величину суммарных приведенных затрат на очистку зерновых отходов.

18. Полученные результаты экономического анализа функционирования различных АОЗО показали, что при очистке принятых зерновых отходов возможно использование агрегатов типа АОЗО-Э при их производительности до 2 кг/(м-с). С увеличением заданной производительности агрегатов и ростом требований к качествуочищенного зерна целесообразны агрегаты типа АОЗО-11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведена лабораторная проверка эффективности реализации частных технологических операций и их различных систем при очистке зерновых отходов содержащих сорную примесь 70,1% (в т.ч. легкую 50−60%), зерновую примесь 21,6% (битое 20,44%, щуплое 0,42−0,84%, поврежденное 0,16−0,32%), полноценное зерно 7−20%.

2. Проведена проверка функционирования агрегата АОЗО-11, реализующего частные технологические операции: выделение из исходного вороха примесей, выделение легкой фракции, выделение недомолоченных колосков, домолот колосков, выделение (2-ое) легкой фракции, сепарация зернового материала на 3-х решетном ярусеагрегата АОЗО-Э, реализующего частные технологические операции: пневмосепарация зернового вороха, сепарация зернового материала на 3-х решетном ярусе.

3. Анализ результатов лабораторных исследований показал эффективность использования в АОЗО-11 2-х пневмоканалов, так, для Q=2,5 кг/(м-с), в очищенном зерновом материале, после первого пневмоканала содержалось 42,460% сорных примесей, после 2-го — 24,290%.

Выявлено качественное выделение сорных и зерновых примесей из зернового материала на 3-х решетных модулях — доля выхода очищенного на решетах зерна 5,904−18,898%, содержание зерновых и сорных примесей в очищенном зерне 6,158−11,255% и 5,009−11,707%.

4. Установлено, что для условий очистки принятых зерновых отходов, качество очищенной зерновой фракции выше у агрегата АОЗО-11 (79,31 188,217%), чем у АОЗО-Э (64,909−86,703%). Так, при равных подачах исходного вороха Q=2,22 кг/(м-с), чистота зерна, очищенного АОЗО-11 и АОЗО-Э соответственно 88,217% и 64,909%, содержание в очищенном зерне сорных и зерновых примесей соответственно: АОЗО-11 — 8,067%, 8,550%- АОЗО-Э -19,003%, 16,088%. При этом производительность агрегата АОЗО-11 — 2,778 кг/(м-с), а АОЗО-Э — 2,222 кг/(м-с).

5. Выявлено, что для очистки зерновых отходов с незначительным содержанием недомолоченных колосков (0,5−2,2%) и значительным содержанием полноценного зерна (7−20%), домолот колосков в агрегате несущественно увеличивает содержание зерна в очищенной зерновой фракции, и при этом определяющим является балансовая цена оборудования в агрегате, существенно влияющая на величину суммарных приведенных затрат на очистку зерновых отходов.

6. Полученные результаты экономического анализа функционирования различных АОЗО показали, что при очистке принятых зерновых отходов возможно использование агрегатов типа АОЗО-Э при их производительности до 2 кг/(м с). С увеличением заданной производительности агрегатов и ростом требований к качеству очищенного зерна целесообразны агрегаты типа АОЗО-11.