大型大豆預處理車間生產(chǎn)工藝研究與設計應用

蔣守業(yè)，吳金銳，郝克非，劉啟東，章新平

(1.國糧武漢科學研究設計院有限公司，武漢 430079； 2.武漢友誼食品工程有限公司，武漢 430200；3.中糧集團有限公司，北京 100020； 4.中儲糧鎮(zhèn)江糧油有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

大豆油制取工藝主要有生坯直接浸出和坯片擠壓膨化浸出，典型的工藝路線為清理和計量、調(diào)質(zhì)、破碎和脫皮、軋坯、膨化和冷卻(可選)以及豆皮和豆粕粉碎。目前，我國每年約有8 000萬t的大豆壓榨量，且加工規(guī)模大型化、生產(chǎn)裝備智能化、自動控制數(shù)字化的趨勢日益強烈。在大豆制油生產(chǎn)中，能量消耗、加工成本、產(chǎn)品的質(zhì)量和得率、安全環(huán)保等，都和預處理車間的工藝設計有密切關(guān)系。

然而，隨著加工規(guī)模從2 000 t/d到7 000 t/d的增長，迫使工程建設不僅要重視料坯結(jié)構(gòu)性能對制油效果的影響，也要認識到制程物料流中各種組分變化及由此造成對浸出毛油品質(zhì)、油脂精煉效能、最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響[1]，尤其是前清篩分工藝技術(shù)在大物流輸送產(chǎn)能下的內(nèi)涵和外延以及新型熱量回收節(jié)能減排技術(shù)等方面更加需要研究，提出工程化應用解決方案。

1 踐行設計理念的探討

1.1 安全環(huán)保健康設計

依據(jù)GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》，大豆預處理車間為二級耐火等級，生產(chǎn)的火災危險性分類屬丙類。加工規(guī)模3 000 t/d以上的預處理車間的檐口高度通常在30～36 m，個別工廠也有達到40 m的，而內(nèi)設噴射干燥器熱脫皮工藝的車間高度通常在42 m，某些廠房甚至做到了9層48.6 m高。針對建筑高度大于24 m的非單層廠房，一般設置自動噴淋系統(tǒng)，設計中可借鑒NFPA 13《自動噴水滅火系統(tǒng)安裝標準》。

1.1.1 粉塵防爆安全設計

對于大豆預處理車間，主要有兩類粉塵：一類是由于大豆輸送過程中的速度劇烈變化而引起的“流動性”粉塵；另一類是大豆等在破碎、軋坯等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“生產(chǎn)性粉塵”。按照《工貿(mào)行業(yè)重點可燃性粉塵目錄》(2015版)分類，大豆預處理車間的粉塵并不在其指定目錄里。實踐中可遵照GB 17440—2008《糧食加工、儲運系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》執(zhí)行?？蓞⒖家韵乱?guī)范：GB 15577—2018《粉塵防爆安全規(guī)程》；GB/T 15605—2008《粉塵爆炸泄壓指南》；GB 12476.1—2003《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設備 第1部分：通用要求》；GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》；GB/T 17919—2008《粉塵爆炸危險場所用收塵器防爆導則》；GB/T 18154—2000《監(jiān)控式抑爆裝置技術(shù)要求》；GB 17918—2008《港口散糧裝卸系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》；GB 19081—2008《飼料加工系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》；除塵系統(tǒng)及除塵器應符合AQ 4273—2016《粉塵爆炸危險場所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》。

(1)易發(fā)生粉塵爆炸的設備宜布置在室外；在室內(nèi)布置時，宜布置在建筑物內(nèi)較高的位置，并靠近外墻[2]。結(jié)合工程實踐案例，此處定義的“室外”可理解為:位于車間墻板封閉區(qū)域外側(cè),或位于車間建筑物外側(cè)，可簡單地理解為車間框架外圍。安全措施強度后者較高。

(2)特別關(guān)注：當使用脈沖布袋除塵器(防靜電織物過濾器)收集粉塵時，如果安裝在廠房內(nèi)，應在建筑高處布置，安裝在廠房內(nèi)的建筑物外墻處的單獨房間內(nèi)，房間的間隔墻應采用耐火極限不低于3 h的防火隔墻，房間的建筑物外墻處應開有泄爆口，泄爆面積應符合GB 50016—2014的要求。

(3)布袋除塵器宜首先選用帶下錐的組合式布袋除塵器，且必須帶泄爆門。泄爆門的開口方向，應避開沖擊人體、危險物、設備等方向。如果除塵器安裝泄壓導管，需將泄壓口引至建筑物外。泄壓導管應盡量短而直，泄壓導管的截面積應不小于泄壓口面積，其強度應不低于被保護設備容器的強度。

(4)特別關(guān)注：提升機必須安裝泄爆裝置，如泄爆門或泄爆螺栓；旋轉(zhuǎn)下料閥堵料摩擦；風機葉輪和殼體摩擦。

(5)易產(chǎn)生粉塵積累的豆皮倉、豆粕倉等建議安裝泄爆裝置。

(6)車間內(nèi)應無地下室或地坑，避免粉塵積累。

(7)實踐中可借鑒美國消防規(guī)范NFPA。

1.1.2 工藝防火設計

(1)設置火花探測系統(tǒng)。利用紅外高敏感探測器探測火花或火星，并及時報警。典型的安裝位置為一級、二級脫皮系統(tǒng)風管，逆流冷卻器系統(tǒng)風管，軋坯機系統(tǒng)風管及除塵系統(tǒng)風管等。

(2)蒸汽滅火系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)設計。典型的滅火蒸汽安裝位置為調(diào)質(zhì)塔、提升機、剎克龍、除塵器、空氣加熱器、風選器、逆流冷卻器、暫存罐(皮、粕)。調(diào)質(zhì)塔局部層、對應熱脫皮工藝的噴射干燥器(可選項)匹配空氣加熱器、所有的布袋除塵器、斗式提升機頭部均應設置消防水接口。

(3)設置風壓差報警裝置。剎克龍、布袋除塵器、風選器等進、出風口應設置壓差監(jiān)測報警裝置，并記錄壓差數(shù)據(jù)；在風壓差偏離設定值時監(jiān)測裝置應發(fā)出聲光報警信號。

1.2 環(huán)境友好設計

車間涉及環(huán)境問題主要是粉塵污染和噪聲污染。

1.2.1 粉塵污染控制

一般通過降低廢氣的排放量或降低粉塵的排放濃度等方法來控制粉塵。

在前清工序、全豆風選系統(tǒng)、噴射干燥器風網(wǎng)系統(tǒng)、脫皮風網(wǎng)系統(tǒng)、二級脫皮風網(wǎng)系統(tǒng)中，設計進氣、排氣、循環(huán)管路，管路中設計溫度、壓力、濕度、壓差等傳感器，提高自控水平，同時實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中粉塵的控制，滿足國家制定的室內(nèi)衛(wèi)生標準和環(huán)境排放標準。在GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》中，新污染源顆粒物最高允許排放濃度為120 mg/m3，在排放筒15 m時，最高允許排放速率為3.5 kg/h(二級，一般工業(yè)區(qū)，二類環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū))、5.0 kg/h(三級，特定工業(yè)區(qū)，三類環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū))，無組織排放監(jiān)控濃度限值濃度1.0 mg/m3(監(jiān)控點：周界外濃度最高點)。

(1)設計時要分析計算各大氣排放口的各項參數(shù)表，包含排放口數(shù)量、排放口高度、管道口徑、溫度、濕度、風量、風速、粉塵濃度、VOCS濃度、異味氣體成分及濃度。

(2)一級、二級脫皮系統(tǒng)的空氣是部分循環(huán)的，為典型的通過降低廢氣排放量來控制粉塵。正常情況下一級、二級脫皮系統(tǒng)可以減少60%的廢氣排放量。

(3)全豆吸皮系統(tǒng)、二級吸皮系統(tǒng)，同樣可以采用廢氣循環(huán)。由于該系統(tǒng)的空氣接近環(huán)境空氣、干度適宜，循環(huán)后可以減少至少80%的排氣量。

(4)降低粉塵的排放濃度也是粉塵污染控制的重要措施之一[3]。除塵系統(tǒng)的粉塵一般通過剎克龍進行初步分離。由于剎克龍的結(jié)構(gòu)原理決定其很難分離粒徑小于8 μm的細小粉塵。特別是隨著剎克龍大型化后，其分離細小顆粒的難度更大。直接通過剎克龍分離后排放的廢氣濃度甚至大于300 mg/m3，為了進一步分離粉塵，剎克龍后通常增設布袋除塵器，通過布袋除塵器后粉塵濃度通常低于50 mg/m3。如果選用更高效的濾筒除塵器，排放濃度甚至低于20 mg/m3。

(5)由于布袋除塵器只適合處理濕度較小的粉塵，對于調(diào)質(zhì)塔、逆流冷卻器的排氣系統(tǒng)，通常采用間接換熱或直接捕集的方式降低廢氣排放量及粉塵排放濃度。

1.2.2 噪聲污染控制

噪聲污染主要來源于錘片粉碎機、風機等設備以及高速蒸汽流產(chǎn)生的噪聲。

(1)對于錘片粉碎機的噪聲控制，設置隔音房的方法簡單可行。

(2)對于風機產(chǎn)生的噪聲：①選用低轉(zhuǎn)速的風機，建議轉(zhuǎn)速通常不超過1 450 r/min，且合理設計風機的減震類型和電氣變頻控制，從控制聲源的角度控制噪聲。②風機集中頂層布置，設置隔音房，從控制噪聲傳播的方式控制噪聲。③環(huán)境惡劣條件下，建議使用直連傳動方式。④從安裝角度，所有風機進出口管道都需要設置軟連接，分離風機震動和管路設備震動的相互影響；嚴禁風機作為其他設備管路的支撐件。⑤從風機選型的角度，考慮到噪聲和風機效率，一般采用風機的出口速度略高于管道速度的原則，即風機出口面積小于管道接口面積，一部分動壓會轉(zhuǎn)換成靜壓。⑥設計風速，針對2 000 t/d以下大豆預處理車間，除塵風速在10～13 m/s之間為宜[4]，而針對大型大豆預處理車間，除塵管道中風速可采用16 m/s，進剎克龍管道中風速可采用18 m/s，風機方型出口可采用19～20 m/s。當產(chǎn)能大于4 000 t/d時，在一定條件下，風速可適當放大一些。

(3)對于高速蒸汽流產(chǎn)生的噪聲，通常從工藝管道及節(jié)流閥的選型設計角度考慮,主要辦法是控制流速。如果蒸汽(飽和)在節(jié)流閥出口速度高于0.3 Mach number，其產(chǎn)生的噪聲將無法接受。

1.3 能源節(jié)約設計

(1)踐行廢氣循環(huán)，二次蒸汽利用等節(jié)能措施。

(2)合理安裝各種高精度的流量儀表，為精益操作提供保證，為數(shù)字化智能化工廠進行大數(shù)據(jù)挖掘分析提供基礎，進而達到節(jié)能降耗的目的。

(3)新設備、新技術(shù)的應用是未來的發(fā)展趨勢之一，為節(jié)能降耗提供了新的方法。

1.4 以人為本的設計

車間增設操作電梯。典型的3 000 t/d車間樓層多達5層，檐口高度甚至超過35 m，操作人員頻繁上下樓，影響操作便利性。

合理設置操作檢修平臺及踏步樓梯。調(diào)質(zhì)塔的排氣段、進料段以及風選器的傳動部分都是需要設置檢修平臺的位置，考慮到上下平臺的便利性，設置不超過45°的斜踏步梯取代直爬梯。

大電機、提升機機頭等處設置吊車梁，方便檢修。預處理車間較多電機功率大于等于160 kW，質(zhì)量超過1.5 t。提升機機頭位置高，質(zhì)量大，檢修更不方便，同樣需要設計吊車梁或者電動葫蘆。破碎輥和軋坯輥經(jīng)吊物洞至地面出車間，整個路徑上盡量直且短。車間外墻處設置大型吊車的站車位，并有足夠的車體擺臂旋轉(zhuǎn)空間。

2 典型工藝設計和設備選型分析

2.1 清理和計量

2.1.1 清理

清理的目的是將雜質(zhì)含量降低到工藝要求的范圍內(nèi)[5]，不僅可以保證設備使用壽命，而且可以保證產(chǎn)品質(zhì)量。典型的進口大豆清理通常包括磁選、篩選和風選。

(1)磁選。常見的磁選器有滾筒磁選器、圓筒磁選器以及電磁吸鐵器等。以布勒為代表的滾筒磁選器使用較為廣泛，但在設計的過程中，需要重點考慮其吸風除塵問題，確保內(nèi)部滾筒表面干凈，至少保證15 m3/min風量。

(2)篩選。隨著大豆加工廠規(guī)模的大型化，平面回轉(zhuǎn)篩因其產(chǎn)量大、篩分效率高、故障率低而逐漸成為主流。由于平面回轉(zhuǎn)篩偏心擺塊的轉(zhuǎn)速較高，物料在篩面上的停留時間通常短于50 s，建議控制大豆料層高度不能超過50 mm，否則篩分效率會大幅降低。在大豆清理篩選型過程中，還要求至少保證20%～40%的設計余量，以平衡上游來料不均勻的問題。根據(jù)最近幾年行業(yè)內(nèi)選型特點，大豆清理篩選用單層篩網(wǎng)，主要去掉豆稈、豆莢、麻繩等大雜，結(jié)合工廠實踐數(shù)據(jù)，建議篩孔直徑9.5～11.5 mm為宜。

(3)風選。通常大豆的懸浮速度8～13 m/s，為了保證在風選的過程中，吸走豆皮(含粉塵)，留下大豆(含碎豆)，需要控制其內(nèi)部風速，通常建議小于7 m/s。

通過清理后，通常期望大豆含雜小于0.5%，且不能明顯有豆稈、豆莢等大雜。

2.1.2 計量

典型的計量稱有斗式秤和皮帶秤。雖然皮帶秤兼有計量和輸送雙重功能，但誤差較大，通常大于2%，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化大豆工廠的計量要求而逐漸被淘汰。斗式秤是典型的靜態(tài)計量稱，在稱量瞬間不進料和出料，靜態(tài)下其計量精度甚至小于0.1%。以布勒、梅特勒托利多為代表的斗式秤應用較為廣泛。設計中需注意圓秤和方秤的不同選型。

2.1.3 計量和清理的工藝順序

計量和清理的工藝順序主要是由設備的結(jié)構(gòu)原理決定。全豆風選器內(nèi)部有多層橫向錯列的鋼管，其間隙較小，如果大豆大雜含量高，很容易造成流道搭橋甚至堵塞。為了避免堵塞風險，通常要求其布置在大豆清理篩之后。滾筒磁選器的工作原理決定了物料需要沿著滾筒長度方向上均勻分布。大雜同樣容易卡死或堵塞流道，導致分布不均勻，進而影響磁選效果。因此，條件允許下滾筒磁選器應該布置在清理篩之后。此外，斗式秤的間歇性下料特點決定了其下部不能直接連接清理篩、提升機等設備。否則因大豆瞬時產(chǎn)量過大導致篩分效率低下，設備使用壽命降低等問題。

2.2 調(diào)質(zhì)

調(diào)質(zhì)主要是調(diào)整大豆的溫度和水分，使其具有較好的加工性能。以皇冠為代表的調(diào)質(zhì)塔單臺產(chǎn)量高達4 000 t/d，且功率低至1.5 kW，應用廣泛。

調(diào)質(zhì)塔屬于典型的加熱、干燥設備，其主要結(jié)構(gòu)包括進料段、加熱段、進空氣段、排空氣段以及卸料段。其中加熱段主要用于大豆升溫，進空氣段及排空氣段主要用于去除大豆水分。為了保證大豆水分有效去除，且系統(tǒng)不冷凝結(jié)露，與之配套使用的還有空氣加熱器、剎克龍、風機以及相關(guān)控制儀表。由于調(diào)質(zhì)塔的結(jié)構(gòu)原理以及大豆表皮較厚的特點，調(diào)質(zhì)塔內(nèi)并不適合直接給物料加水，任何調(diào)質(zhì)塔加水的設計值得商榷。

調(diào)質(zhì)塔系統(tǒng)的典型工藝參數(shù)如下：停留時間32～42 min，出料溫度65～70℃，出料水分10%～10.8%。調(diào)質(zhì)塔均勻地對大豆進行加熱，大豆被加熱到68℃，此時水分均勻地到達大豆表面，從而達到軟化的效果[6]。首先，由于空氣加熱器的主要功能是調(diào)整系統(tǒng)的空氣濕度，其出口溫度比大豆出料溫度高3～5℃即可。其次，為了保證整個風網(wǎng)系統(tǒng)不冷凝，通常需要控制廢氣排放溫度和濕度，以確保比對應的露點溫度高10℃以上。

2.3 破碎、脫皮及豆皮純化

2.3.1 破碎

破碎的目的為獲得大小一致的碎豆和較好的皮仁分離效果，同時盡可能減少粉末度。

通常選用齒式對輥破碎機，破碎機的產(chǎn)量本質(zhì)上取決于輥子的大小(長度和直徑)和運行速度。隨著輥子長度和直徑的增大，產(chǎn)量提高，但撓度增加。另外提高輥速同樣可以增大產(chǎn)量，但輥子的磨損速度及粉末度也會增加。實踐證明，輥子直徑與長度比1∶ 5～1∶ 6以及輥子的速度介于650～1 100 r/min，廣泛用于大豆破碎過程。

關(guān)于輥子的齒形、齒數(shù)以及差速比的生產(chǎn)實踐闡述如下：①采用粗大的輥齒，可以獲得合適的粒度，同時降低粉末度，提高輥子使用壽命。②鋒利的齒尖能非常有效、切口均勻地將大豆切開。實踐證明以羅斯坎普為代表的B & W輥齒，能在保證破碎效果的同時維系輥子最佳的使用壽命。但B & W輥齒難以加工，需要專業(yè)的拉絲能力支持。③齒數(shù)越多，粒度越小。對于大豆破碎，需要合適的齒數(shù)。破碎輥的齒數(shù)，通常以輥子外圓周長上每英寸長度多少齒數(shù)計量。多年實踐證明每英寸4～6齒為宜。④ 1∶ 1.5左右的差速廣泛用于大豆溫脫皮工藝，其同樣是降低粉末度，提高輥子使用壽命的有效方法。

2.3.2 脫皮

大豆脫皮不僅可以控制豆粕蛋白質(zhì)含量，提高產(chǎn)品價值，而且可以提高浸出車間產(chǎn)量，降低能耗和粕殘油。

脫皮工藝對大豆原料的主要要求如下：①當季新收的大豆至少2周后加工，新收大豆需要一段時間完成從生理上成熟到工藝上成熟，即“后熟期”，后熟期后大豆的硬度增加，破碎效果提高，且仁皮容易分離。②大豆游離脂肪酸含量小于1.5%。③大豆水分越低，越利于脫皮，但會增加破碎和軋坯的粉末度。脫皮前大豆水分含量干燥到8%～9%為宜[7]。

脫皮工藝(冷脫皮,溫脫皮和熱脫皮工藝[8])設備選型及操作原理分析：典型的脫皮風選系統(tǒng)通常由風選器、剎克龍、關(guān)風器、風機、除塵器(可選)、空氣加熱器、自動控制風門(新鮮空氣風門、循環(huán)風門、排氣風門)以及其他控制儀表等組成。其中空氣加熱器、新鮮空氣風門、排氣風門的主用作用是保持系統(tǒng)干燥，合理控制碎豆溫度損失。通常排氣風門的開度比新鮮空氣的風門開度大10%～15%，以保證系統(tǒng)有一定的新鮮空氣補充量。循環(huán)風門的主要作用是調(diào)整風選器內(nèi)部的風速，合理控制脫皮效果。循環(huán)風門的開度以風選器下部取樣沒有明顯豆皮，對應剎克龍下部取樣沒有明顯豆仁粉為宜。結(jié)合生產(chǎn)實踐表明：一道脫皮配置布袋除塵器的卸料物料量少到幾乎測不出來，出料溜管管壁上取樣呈粉末狀態(tài)，含油率在7.5%左右。這為物料工藝路徑進豆皮粉碎機或者豆皮篩提供了設備布置上極大的便利。對于典型的二級溫脫皮工藝，期望碎豆溫度降低3～5℃，水分損失0.3%～0.5%，如果溫度降低超過8℃，水分損失超過0.8%，會影響后續(xù)軋坯工藝，進而影響產(chǎn)品指標及能耗。

2.3.3 豆皮純化

從脫皮風選器對應剎克龍吸出的豆皮，通常含有一定量的豆仁粉。由于豆仁粉的含油遠高于豆皮的含油(生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明該處豆皮含油0.75%左右)，如果不進一步分離出豆仁粉，將帶來較大的經(jīng)濟損失。

豆皮的純化即進一步分離出豆皮中的豆仁粉。其典型的工藝過程為先篩選后二級風選。豆皮的篩選主要通過雙層豆皮篩來實現(xiàn)。從脫皮風選器出來的皮仁混合料可被分為“粒徑較大”“中等大小”和“細粉”3部分，“粒徑較大”組分通常為大的豆皮，從上層篩面下來并被送至皮粉碎工序中；“中等大小”組分為稍小的皮和粉末的混合物，從第二層篩面上滑落下來并被送至二級風選器，“細粉”組分為豆仁粉，從篩底部下來進入軋坯系統(tǒng)。二級風選是基于從豆皮篩下來的“中等大小”組分的皮和仁片不同的比重來分離的，豆皮送往皮粉碎工序，而仁粉部分去軋坯。豆皮經(jīng)純化后，其皮中含油小于等于1.5%已成為大豆預處理工廠典型的內(nèi)控指標。

豆皮純化過程中豆皮篩的良好選型、二級風選器進料均布以及合理的懸浮速度是工藝設計的關(guān)鍵。

2.4 軋坯

軋坯機的壓力隨著大豆溫度的升高而減少，隨著大豆水分的減少而增加。所以對于低水分大豆原料(水分<10%)，可以適度提高大豆軟化的溫度，以降低軋坯壓力，適度改善軋坯效果。通過除塵排潮風機可以去掉坯片的表面水分。過程中尤其重視豆坯粉末度和可塑性[9]。

2.5 膨化和冷卻(可選)

2.5.1 膨化

大豆生坯擠壓膨化目的是為增加容重及機械強度，破壞組織結(jié)構(gòu)，形成多孔結(jié)構(gòu)，使游離油脂盡量外漏。

根據(jù)膨化原理和生產(chǎn)實踐總結(jié)，典型膨化工藝參數(shù)為：進料溫度60～68℃，出料溫度95～110℃，濕度增加0.8%～2.0%，蒸汽消耗18～26 kg/t。

膨化系統(tǒng)工藝設計的難點是變頻喂料絞龍的合理選型。

2.5.2 冷卻

冷卻的目的是降低膨化料的溫度和水分，以滿足浸出的需要。逆流冷卻器因結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高而逐漸成為主流冷卻設備。由于逆流冷卻器間歇性下料特點，容易沖擊后續(xù)設備，造成浸出器喂料不穩(wěn)定，典型的處理辦法為增加變頻卸料閥或變頻卸料絞龍，次之可選變頻刮板，以維系后續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定。

膨化料冷卻后，典型工藝參數(shù)為水分9%～10.5%，溫度54℃左右。特別是膨化料溫度不能過低，如果溫度低于50℃，通常會導致進DT的濕粕溫度低，進而明顯增加DT的蒸汽消耗。

2.6 豆皮、豆粕粉碎

2.6.1 豆皮的粉碎

由于豆皮的主要成分為纖維素，對于豆皮粉碎通常選用錘片粉碎機。

根據(jù)行業(yè)的特點以及市場的要求，豆皮粉碎機一般選用直徑4 mm的篩網(wǎng)，也有工廠采用直徑3 mm的篩網(wǎng)。需要注意的是某些數(shù)據(jù)表明：經(jīng)試驗和數(shù)理統(tǒng)計分析，粉碎豆皮的粒徑并非正態(tài)分布。

對于錘片粉碎機系統(tǒng)的設計，重點為其對應輔助風網(wǎng)系統(tǒng)的設計。輔助風網(wǎng)系統(tǒng)通常由空氣室、關(guān)風器(或密封絞龍)、除塵器、風機等組成。輔助風網(wǎng)系統(tǒng)的目的是使粉碎機工作時造成篩網(wǎng)下較大負壓，促使粉碎室內(nèi)合格細粉能迅速通過篩網(wǎng)，防止篩網(wǎng)堵塞，減少物料的過度粉碎，提高粉碎機的產(chǎn)量(提高20%～30%)。同時當空氣進入粉碎室，通過篩網(wǎng)時，能帶走熱量，達到降溫的目的。輔助風網(wǎng)系統(tǒng)的風量通?；诜鬯闄C的篩網(wǎng)面積設計，同時考慮系統(tǒng)一定漏風量。另外，需要關(guān)注空氣室吸風口的風速，通常小于1.5 m/s，否則會導致大量的粉塵進入除塵器，造成負荷過重。另外，錘片粉碎機系統(tǒng)的設計需要解決喂料器均勻進料問題，以避免錘片的不均勻磨損。典型做法是在喂料器上部設置暫存箱。

2.6.2 豆粕粉碎

豆粕粉碎的原因為：①大豆的來源不同，易造成生產(chǎn)過程中出現(xiàn)成品粕粒度大小不一的情況，其外觀差。②等級粕生產(chǎn)時，需要調(diào)整蛋白質(zhì)含量，通常添加豆皮，導致外觀不一致，粉碎后便于對外觀進行修飾。

典型的豆粕分級粉碎工藝為首先通過針對塊狀粕的齒式破碎機破碎至20 mm以下粒度，再通過豆粕篩分級。豆粕篩通常是單層篩，篩上物進入錘片粉碎機粉碎，篩下物即為成品。豆粕粉碎機多年來一直選用錘片粉碎機，但其工作原理決定了功率大、粉末度大、噪聲污染嚴重。近年來，某些工廠使用豆粕剪切機取代錘片粉碎機，其電機功率和噪聲控制優(yōu)勢明顯，同時粉末度較小，但無法粉碎豆稈、豆莢等纖維素含量高的雜質(zhì)。

3 加強前清篩分工藝效果的設計方法

隨著沿海進口大豆加工廠的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，我國進境大豆中攜帶雜草種子的種類多、數(shù)量大[10]，對篩分機的篩分效率和穩(wěn)定性、輸送設備的低故障率等要求越來越高。為加強清理效果，篩分設備的固有特性、產(chǎn)能處理和原料大豆含雜情況是清理線設計的關(guān)鍵焦點。

(1)振動篩。物料流經(jīng)篩面時，在激振力、夾角、振幅、橡膠球的綜合作用下，長纖維狀的大豆秸稈、豆莢有可能跳起來，豎著插入篩板篩孔中。

(2)平面回轉(zhuǎn)篩。物料運動軌跡和運動方式，更能夠符合大豆雜質(zhì)(秸稈、豆莢、長纖維狀絲狀異物、清倉倉壁結(jié)塊、倉壁炭化塊狀物)特點；產(chǎn)量相對較大，ROTEX的MEGATEX大型箱式篩處理量達600 t/h，同時需要配置60 m3/min的吸風系統(tǒng)，若為雙層篩面，篩板為304不銹鋼，上層篩板孔直徑11 mm，下層篩板孔直徑1.5 mm。國外進口品牌的平面回轉(zhuǎn)篩在篩分精度、穩(wěn)定性、低故障率、單臺處理能力上相對于國產(chǎn)設備有一定的優(yōu)勢。前清工藝實現(xiàn)更好的篩分效果能夠最大程度減小成品粕中0.5～1.5 cm的秸稈，利于后道飼料的加工。

(3)篩分設備處理量的設計。大產(chǎn)量的加工廠位于沿海區(qū)域，而原料從南美、北美等原產(chǎn)地使用5萬～10萬t貨輪經(jīng)碼頭門機抓斗、散料秤，直接進入混凝土/鋼板筒倉。由于卸船要求效率高，產(chǎn)能大至1 000～1 200 t/h，和國外某些工廠不同，國內(nèi)鮮有使用初清設備。特別是大豆進入高徑比較大的混凝土倉時，會產(chǎn)生自動分級，直接導致清倉時物料容重變小，雜質(zhì)含量增高。進而影響到以正常大豆容重設定的篩分設施，效率下降，不能滿足生產(chǎn)需求設定值。因此，需要針對具體項目，從原料來源、品質(zhì)控制、雜質(zhì)特點、進倉方式、出倉方式、倉儲類型、倉中不同料位時出倉大豆含雜量、后續(xù)粕粉碎工藝、雜質(zhì)處理方式等多方面，結(jié)合廣泛的實驗室數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析和探討。一般情況下，宜按照1.5～2倍額定生產(chǎn)需求設定值設計。

(4)輸送設備的選型。針對穩(wěn)定的倉儲供料系統(tǒng)和相對平穩(wěn)運行的預處理車間，所有輸送設備輸送量應留有余量，設計余量按填充度80%計算，有回料或循環(huán)功能的輸送設備需增加相應的輸送能力。日倉或進車間第一臺設備至調(diào)質(zhì)塔之間的輸送設備，條件允許的話，宜按照1.2～1.5倍額定生產(chǎn)需求設定值配置。但是，存在另外一種工藝設計設備選型理念：為保證運行平穩(wěn)可靠性，應該從輸送設備本身的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等方面提出要求，應該由設備供應商擔保，而不應該刻意擴大余量系數(shù)。

(5)前后工序工藝設計的相互關(guān)系。常見的設計方案：計量、磁選后的大豆經(jīng)提升機出料至清理篩。改進的工藝路徑設計方案：散料秤→緩沖罐→旋轉(zhuǎn)喂料器→清理篩。通過緩沖罐和旋轉(zhuǎn)喂料器實現(xiàn)清理篩垂直、中心進料，并且料流平穩(wěn)，減輕篩板沖擊磨損，更加符合篩分原理的物料運動軌跡保證了清理效果。原料除鐵器設置在原料清理篩之后。清理大雜后可以有效提高除鐵器工作效率，避免卡堵，特別是在后清倉階段。但是除鐵器還兼有保護前清設備(斗提、篩子)的功能，鐵器也是導致粉塵爆炸的一個原因，設置在工藝上游原理上也支持。

(6)日倉工藝設計。日倉的設置，更多的受到物流、生產(chǎn)管理模式、廠內(nèi)統(tǒng)計分析、筒倉管理模式、加工原料的特點、倉前輸送設備能力、總平設計等多方面因素的影響。以7 000 t/d進口大豆加工項目工藝設計為例，分析項目背景，定位日倉及前后配套輸送設施的功能和規(guī)模。

平穩(wěn)生產(chǎn)的基本要求。前道筒倉/平房倉倉儲系統(tǒng)在不同的清倉時段內(nèi)出倉效率不同程度降低，為保證車間正常的產(chǎn)能和生產(chǎn)平穩(wěn)連續(xù)性，建議按照70%～80%出倉效率進行配置。后道工段機電設備臨時故障(磨損性、斷裂性及老化性故障等無法通過日常點檢發(fā)現(xiàn)并消除)搶修時，能夠接納來自前道工序的大豆，根據(jù)項目/工廠運營實際、機修力量、倉儲配套等具體情況，建議按照1～3 h的物料量配置。

一般情況下的配置。①日倉生產(chǎn)運營中歸屬物流部獨立管理,可以理解為倉儲系統(tǒng)的外延部分。當晚上不進料時，宜按照24 h處理量設計。②作為預處理車間的室外緩沖倉配置。依據(jù)既有工廠的生產(chǎn)實踐，可設計一座1 000 t鋼板倉。③不同倉容設計條件下輸送設備的選型。經(jīng)過物料衡算的結(jié)果數(shù)值，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，刮板機按照15%～20%余量，提升機按照30%～35%余量設計。倉容大時，可采用快速進倉/補倉設計，日倉前可設計500～600 t/h輸送系統(tǒng)(或者按照3.5倍的車間額定處理量配置)，日倉后可設計350 t/h輸送系統(tǒng)以匹配車間產(chǎn)能；倉容較小時，為避免生產(chǎn)上較大的波動，特別是當前段倉儲系統(tǒng)在30%以下倉容進行清倉處理時，建議布置在磁選和篩選清理之后，進一步增大有效倉容，起到緩沖的作用。

4 新型熱量回收的工藝創(chuàng)新和典型節(jié)電措施的實踐

4.1 熱量回收工藝創(chuàng)新研究

4.1.1 熱量利用現(xiàn)狀

隨著國家大力推進生態(tài)文明建設，越來越多的大型工廠實現(xiàn)了外購蒸汽，如何最大程度地降低工廠蒸汽單耗具有重大現(xiàn)實意義。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)大豆榨油廠蒸汽單耗低至198～204 kg/t，高至265 kg/t，大部分油廠在220～235 kg/t之間。

4.1.2 二次蒸汽潛熱的回收(利用可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵技術(shù))

4.1.2.1 生產(chǎn)加工工藝分析

當冷凝水通過疏水器排出后，由于壓力的降低，一部分水會閃蒸成帶有較多潛熱的蒸汽。蒸汽經(jīng)換熱器釋放潛熱后,變成飽和的凝結(jié)水,該凝結(jié)水是一種高溫軟化水,其含有的熱量占蒸汽總熱量的25%左右[11]。對于大豆預處理車間，調(diào)質(zhì)塔的蒸汽消耗占據(jù)整個車間蒸汽消耗的65%以上。因此，主要從降低調(diào)質(zhì)塔蒸汽消耗入手。

典型調(diào)質(zhì)塔通常使用0.07～0.1 MPa的蒸汽，而車間蒸汽壓力通常為0.8～1.1 MPa。調(diào)質(zhì)塔的蒸汽消耗有其自身特點：隨著環(huán)境溫度及大豆水分的變化波動范圍較大，進而導致二次蒸汽閃蒸量的波動范圍同樣較大。為了保證冷凝水的有效排放，需要控制較低的背壓(或閃蒸壓力)，如0.02 MPa左右。為了保證冷凝水有效排放，同時回收二次蒸汽，通常使用可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵技術(shù)。

4.1.2.2 熱量回收工藝設備原理分析

對于調(diào)質(zhì)塔蒸汽系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵技術(shù)利用0.8～1.1 MPa蒸汽的射流，將0.02 MPa二次蒸汽回收后利用，實現(xiàn)混合循環(huán)從而達到節(jié)能效果，并通過調(diào)節(jié)射流量，精確控制出口壓力為0.07～0.1 MPa。

以一臺3 000 t/d大豆調(diào)質(zhì)塔為例，蒸汽消耗8 125 kg/h(平均值)，調(diào)質(zhì)塔工作壓力0.08 MPa，閃蒸壓力0.02 MPa，閃蒸蒸汽流量約186 kg/h，換算成噸料大豆約1.5 kg，即噸料節(jié)約蒸汽1.5 kg。按照220元/t蒸汽的價格計算，每天可節(jié)約990元，每年330 d共可節(jié)約32.67萬元。

4.1.3 冷凝水顯熱的利用

對于冷凝水顯熱的利用，以調(diào)質(zhì)塔作為案例進行分析。

為了提高傳熱的推動力(溫度差)，調(diào)質(zhì)塔以熱水作為熱源在橢圓管內(nèi)流動，通常選取上部1～2層加熱段間接加熱升溫大豆。為了提高總傳熱系數(shù)，以皇冠為代表的橢圓管加熱段，需要增加折流板來提高熱水側(cè)的流速；而以SOLEX為代表的板片式加熱段，其獨特的板片結(jié)構(gòu)，可以保證熱水側(cè)在較低的流速達到湍流狀態(tài)，進而強化傳熱。與傳統(tǒng)大豆加熱工藝相比，板片式加熱器具有如下特征：熱水或蒸汽從傳熱板內(nèi)部通道流過將大豆加熱，空氣不再用于大豆加熱工藝，效率高，與使用空氣加熱的工藝相比，能耗下降90%[12]。此外板片式加熱段具有體積小，換熱面積大的特點。在同樣的體積下，板片式加熱段的加熱面積比橢圓管加熱段的加熱面積多一倍多。但其造價遠高于橢圓管式加熱段。不管是選擇橢圓管式熱水加熱段，還是板片式熱水加熱段，都希望增加冷凝水的流量來提高總傳熱系數(shù)。實際工程應用中，通常將預處理、浸出甚至精煉的冷凝水收集或者利用乙二醇水溶液與汽提毛油換熱后通過泵輸送至調(diào)質(zhì)塔熱水加熱段。

通過理論計算及實際工程案例，一層3 300 mm×3 300 mm的橢圓管熱水加熱段可以使大豆溫度升高2～3℃，噸料節(jié)約蒸汽2～3 kg，而一層板片式熱水加熱段，可以使大豆溫度升高8℃以上，噸料節(jié)約蒸汽大于8 kg。為了充分利用冷凝水的顯熱，通過調(diào)質(zhì)塔后的冷凝水可以輸送至其他空氣加熱器進一步換熱。

4.1.4 濕熱廢空氣間接(或直接)加熱或部分循環(huán)利用

傳統(tǒng)工藝中，一道脫皮/二道脫皮/噴射干燥器裝置組成各自獨立的循環(huán)風網(wǎng)系統(tǒng)，通常對應60、65、71℃的凈化空氣直排放大氣中，造成熱量的浪費。在二次破碎脫皮的第一道破碎后吸皮系統(tǒng)的進風溫度為66.8℃，出風溫度為70.9℃；第二道破碎后的吸皮系統(tǒng)的進風溫度為52.4℃，出風溫度為57.1℃，能降低0.5%水分[13]。車間日處理量越大，浪費越多。

在典型的二級溫脫皮工藝中，雖然在一級、二級脫皮系統(tǒng)中大部分風是循環(huán)利用的，但仍有40%左右的風量直接排入大氣。該廢氣溫度60℃左右且濕度較低，具有使用價值?？梢赃x用間接或直接接觸式空氣換熱器來加熱該系統(tǒng)所需的新鮮空氣，進而降低蒸汽消耗。

在膨化料冷卻系統(tǒng)中，通過剎克龍排出大量62℃左右的濕熱空氣。由于該廢氣濕度通常大于50%，一般選用間接加熱式空氣-空氣換熱器來加熱該系統(tǒng)所需的新鮮空氣。間接加熱式空氣-空氣換熱器通常有光管式和板片式兩種結(jié)構(gòu)形式。

4.1.5 智能工廠能源管理模塊帶來的節(jié)能減排新途徑

除了上述新型節(jié)能技術(shù)方案，生產(chǎn)企業(yè)還應該關(guān)注精細、精準操作。例如：合理控制調(diào)質(zhì)塔出料溫度以及其對應新鮮空氣加熱器出風溫度等，同樣具有現(xiàn)實意義。此外，膨化機等直接蒸汽等加裝蒸汽流量計，以精確控制其蒸汽消耗，也是非常不錯的選擇。

4.2 典型節(jié)電措施的實踐

隨著國內(nèi)糧油工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)動力設備的負荷率一般達到70%以上，用電功率因數(shù)達到0.9以上，通風機、鼓風機效率必須達到70%以上[14]。食用植物油工業(yè)清潔生產(chǎn)指標要求(年平均值)電耗小于等于25.0 kW·h/t[15]。生產(chǎn)線所有機電設備(產(chǎn)品)均不得選用國家《高耗能落后機電設備(產(chǎn)品)淘汰目錄》中的設備(產(chǎn)品)。

對于典型大豆工廠，預處理浸出車間的噸料電耗在24 kW·h左右。以6 000 t/d大豆工廠為例，如果噸料電耗下降0.5 kW·h，年節(jié)約電費超過80萬元，經(jīng)濟效益非?？捎^。在工程實踐中，除了采取優(yōu)化工藝設計、精準設備選型等措施外，還可以從以下幾個方面考慮。

4.2.1 選用高壓電機

在同樣的輸出功率下，高壓電機的電流比低壓電機小很多，其線路熱損耗同樣小很多，且高壓電機所用配電設備比低壓電機的總體投資略小。但高壓電機的絕緣處理工藝較難，同時對使用環(huán)境的要求比低壓電機要嚴格很多。總體來說：選用高壓電機適合新建工廠的部分功率較大設備，如軋坯機、膨化機等。目前，高壓電機的選用以6 kV居多，其在國內(nèi)多個工廠得以實踐。

4.2.2 選用高效電機

高效電機是指比通用標準型電機具有更高效率的電機。其采用合理的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，風扇參數(shù)和正弦繞組等措施降低損耗，效率可以提高2%～6%，平均提高4%。從節(jié)約能源、保護環(huán)境的角度出發(fā)，高效電機是目前國際發(fā)展趨勢。國際電工委員會新標準IEC 60034-30將電機效率分為IE1、IE2、IE3、IE4(最高)。我國也從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標準。同時我國于2012年5月11日發(fā)布了中小型三相異步電動機效率限定值及能效等級新標準，將電機能效等級分為三級，即一級能效(最高)、二級能效、三級能效。目前，在油脂工程項目電機選型過程中，典型的能效等級為二級能效，相當于IE3標準。

4.2.3 采用變頻控制

預處理車間變頻控制的主要對象是風機及部分設備喂料器(含卸料器)。

以風機為例，風機的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。轉(zhuǎn)速越低，軸功率越小。對于大豆預處理車間，典型的變頻控制風機首選調(diào)質(zhì)塔排潮風機、逆流冷卻器抽濕風機，其次是軋坯機除塵抽濕風機，如果條件具備，剩下的離心風機同樣建議選變頻。

典型的喂料器變頻控制有如下設備：全豆風選器喂料器、破碎機喂料器、軋坯機喂料器、膨化機喂料器、逆流冷卻器卸料器、皮/粕粉碎機喂料器等。

5 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，設備技術(shù)的更新，遵循數(shù)學模型解析法和實驗研究經(jīng)驗法相結(jié)合的客觀規(guī)律，基于原有工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計和分析實踐案例的創(chuàng)新研究，探索大型大豆預處理生產(chǎn)工藝，力求實現(xiàn)生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、工藝環(huán)保、成本最低、環(huán)境舒適的最基本需求，解決實踐中最關(guān)注的問題。

在工程設計新理念、新技術(shù)的指引下，通過分析典型工藝，得到了生產(chǎn)工藝中部分重要參數(shù)并闡述了其相互影響的關(guān)系。從工藝設計的角度，提出了項目加強前清篩分工藝效果的設計方法和新型熱量回收節(jié)能減排方案，該技術(shù)在工程精細化、標準化設計應用中具有指導意義。

大型大豆預處理車間設計是一項系統(tǒng)工程，涉及的設備類別眾多，機械原理各不相同，部分工藝較為復雜，本文立足于科學技術(shù)的研究和經(jīng)驗積累的總結(jié)歸納，以期對新建、改擴建項目工藝優(yōu)化、設備選型、運行成本、特征指標和操作安全等方面提供參考。