新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

裴照輝，張鵬飛，陳 博，張季偉

（1.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.國(guó)家飼料加工裝備工程技術(shù)研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225009）

玉米蒸汽壓片技術(shù)是將谷物通過(guò)蒸汽熱加工使之膨脹和軟化，然后加工成規(guī)定密度薄片的工藝方法。玉米壓片料在反芻料領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)日趨廣泛，玉米通過(guò)蒸汽壓片處理后，淀粉發(fā)生凝膠糊化，破壞了細(xì)胞內(nèi)緊密結(jié)合的淀粉氫鍵，使淀粉分子間作用力減弱，容易接受酶的作用，從而使淀粉的消化率增加[1-2]。

玉米蒸汽壓片在壓片前由于需要經(jīng)過(guò)蒸汽調(diào)質(zhì)處理，所以從壓片機(jī)出來(lái)的壓片玉米水分偏高，必須進(jìn)行烘干和冷卻處理，才能便于長(zhǎng)期保存。

目前市場(chǎng)上玉米蒸汽壓片工藝中主要的烘干冷卻機(jī)存在有蒸汽能耗高和殘留率高的問(wèn)題，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是蒸汽能耗高。因穿過(guò)壓片料層的所有熱風(fēng)都直接由離心排濕風(fēng)機(jī)排掉，并沒(méi)有參與到下一次循環(huán)的烘干中；并且承載壓片料的結(jié)構(gòu)為固定托板式，其開(kāi)孔率很小，那么就必須用較大的風(fēng)量才能保證物料的烘干，所以導(dǎo)致能耗較高。

二是內(nèi)部殘留率高。內(nèi)部殘留率高主要是由布料和壓片料輸送方式導(dǎo)致的。因壓片料只憑借重力作用打落在布料板上，壓片料本來(lái)就容易裂開(kāi)，加之受碰撞力作用更易發(fā)生破碎；另外，壓片料輸送是通過(guò)一根根運(yùn)動(dòng)的托管被帶動(dòng)前進(jìn)的，壓片料極易被托管擠壓從而破裂或變形，破裂后的壓片料又會(huì)殘留在固定托板上，從而引起交叉污染，甚至產(chǎn)生霉變。

為降低玉米壓片烘干冷卻過(guò)程中的蒸汽能耗，提高設(shè)備內(nèi)部的衛(wèi)生等級(jí)，開(kāi)發(fā)了一款新型玉米壓片烘干冷卻一體機(jī)，主要針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，以一種全新的風(fēng)路形式提供一種低溫烘干方式，充分地對(duì)烘干熱風(fēng)循環(huán)進(jìn)行控制，從而降低能耗；并且針對(duì)物料殘留問(wèn)題設(shè)計(jì)了自清掃以及粉塵自動(dòng)回收裝置，現(xiàn)介紹如下。

1 主體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的新型壓片烘干冷卻機(jī)主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 壓片烘干冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)

新型壓片烘干冷卻機(jī)主體結(jié)構(gòu)包括攤布器、進(jìn)料段、輸送帶、烘干段、冷卻段、出料段和支腿。攤布器上方的溜管連接到壓片機(jī)，下方連接到進(jìn)料段；新型壓片烘干冷卻機(jī)內(nèi)部的輸送帶依次穿過(guò)進(jìn)料段、烘干段、冷卻段和出料段；烘干段包括兩個(gè)烘干區(qū)，每個(gè)烘干區(qū)上部都獨(dú)立設(shè)置補(bǔ)風(fēng)口、排濕風(fēng)口、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)進(jìn)口、溫度傳感器和換熱器，每個(gè)烘干區(qū)溫度、濕度單獨(dú)控制，對(duì)節(jié)約蒸汽能耗至關(guān)重要；冷卻段包括兩個(gè)冷卻區(qū)，每個(gè)冷卻區(qū)有獨(dú)立的風(fēng)道、冷卻風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)口。由于蒸汽玉米壓片淀粉含量較高，粉塵或顆粒極易殘留在輸送過(guò)程中的每個(gè)位置，比如攤布器溜管、輸送帶上的履帶板和下方的底板處，所以設(shè)計(jì)了專門清理的噴吹裝置、殘留回收裝置、履帶板及底板清理裝置。

2 低能耗設(shè)計(jì)

烘干區(qū)采用獨(dú)特的先順流，后逆流的風(fēng)路設(shè)計(jì)，烘干段被擋風(fēng)板分為烘干一區(qū)和烘干二區(qū)，烘干一區(qū)和烘干二區(qū)是相同的兩個(gè)模塊，以第一個(gè)烘干區(qū)為例，其分為烘干一區(qū)一和烘干一區(qū)二，因烘干一區(qū)一內(nèi)是相對(duì)較濕的物料，而烘干一區(qū)二內(nèi)是相對(duì)較干的物料，烘干氣流先穿過(guò)較干物料，然后再穿過(guò)較濕物料，這樣后段物料不會(huì)水分超標(biāo)。另外采用無(wú)側(cè)風(fēng)道設(shè)計(jì)，輸送帶上下方空間即是風(fēng)道，可減少氣流穿過(guò)的路徑，增加烘干效率。無(wú)雙側(cè)風(fēng)道設(shè)計(jì)同時(shí)可以減少設(shè)備的生產(chǎn)成本和安裝空間。

進(jìn)一步細(xì)說(shuō)，烘干一區(qū)和烘干二區(qū)內(nèi)分別設(shè)有擾流板，經(jīng)由換熱器加熱的熱風(fēng)受循環(huán)風(fēng)機(jī)離心力作用從熱風(fēng)進(jìn)口水平吹出，經(jīng)過(guò)擾流板后氣流被分配的均勻一致，同時(shí)受擋風(fēng)板二阻擋，氣流方向變成斜切向下，熱風(fēng)均勻地分散在料層上方，從上向下依次穿過(guò)料層和輸送帶；受排風(fēng)口和循環(huán)風(fēng)機(jī)的吸力作用，氣流方向由反方向折回，再依次穿過(guò)輸送帶和料層（見(jiàn)圖2，箭頭方向?yàn)轱L(fēng)路走向）。由烘干一區(qū)或烘干二區(qū)中的循環(huán)風(fēng)機(jī)吹出的熱風(fēng)從上向下穿過(guò)料層，再沿輸送帶運(yùn)行的反方向折回，再?gòu)南孪蛏系诙未┻^(guò)料層。這些參與烘干的熱風(fēng)，根據(jù)風(fēng)管上的濕度傳感器測(cè)得其含濕量，然后控制一部分濕氣從排風(fēng)口排出，大部分會(huì)與從進(jìn)風(fēng)口新加入的烘干新鮮空氣混合，進(jìn)行加熱后進(jìn)入烘干區(qū)參與循環(huán)。因?yàn)榇蟛糠譄犸L(fēng)參與循環(huán)，所以減少了蒸汽耗量；另外為了降低蒸汽能耗，需要將烘干溫度盡可能降低，應(yīng)避免在干燥初期造成顆粒表層迅速失水，形成“水封”，破壞連接顆粒表層和內(nèi)部的毛細(xì)管，妨礙顆粒核心水分最終向外擴(kuò)散[3]。

圖2 壓片烘干冷卻機(jī)風(fēng)路示意圖

冷卻區(qū)因只需從外界吸入新鮮空氣即可，所以采用橫流風(fēng)路設(shè)計(jì)，可快速冷卻。冷卻段包括兩個(gè)冷卻區(qū)，每個(gè)冷卻區(qū)連接一個(gè)風(fēng)斗，并引導(dǎo)外界烘干空氣從冷風(fēng)進(jìn)口進(jìn)入冷卻區(qū)，從下向上快速穿過(guò)輸送帶和料層，產(chǎn)生的粉塵由冷卻區(qū)排風(fēng)口引導(dǎo)出冷卻區(qū)。

利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析烘干區(qū)熱風(fēng)的速度分布情況，模擬實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，輸入循環(huán)風(fēng)量和排濕風(fēng)量、烘干溫度、輸送帶料層和換熱器風(fēng)阻等參數(shù)，得出模擬結(jié)果，見(jiàn)圖3。從圖3 中可以直觀地看出烘干區(qū)各處熱風(fēng)的走向及大小。

圖3 烘干區(qū)風(fēng)速分布情況

3 清潔衛(wèi)生設(shè)計(jì)

3.1 自清潔攤布器設(shè)計(jì)

新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)進(jìn)料一般采用直落式，所以進(jìn)口處物料流速慢，閃蒸多（見(jiàn)圖4），加之玉米壓片料淀粉被擠壓暴露，更容易有糊化的淀粉殘留在攤布器溜管上。閃蒸多，加上遇到秋冬季節(jié)溫度低，容易在天花板上出現(xiàn)大量冷凝水，有些冷凝水會(huì)直接掉入烘干機(jī)的進(jìn)料口，導(dǎo)致物料結(jié)團(tuán)，并使進(jìn)料水分嚴(yán)重超標(biāo)。

圖4 攤布器進(jìn)料溜管處閃蒸

新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)在攤布器溜管處增加一個(gè)抽掉閃蒸的抽濕罩（見(jiàn)圖5），然后直接并入烘干段的排濕風(fēng)網(wǎng)，可以有效避免閃蒸帶來(lái)的不利影響。另外，由于壓片機(jī)上方的調(diào)制罐的蒸汽冷凝會(huì)有冷凝水在壓片機(jī)的開(kāi)機(jī)階段落下，也會(huì)順著進(jìn)料溜管落入烘干機(jī)內(nèi)，所以需要增加一個(gè)三通管件來(lái)排除開(kāi)機(jī)階段的冷凝水。

圖5 壓片烘干工段管路示意圖

玉米在被壓成片狀的時(shí)候胚芽暴露，胚芽里面含有粗脂肪和淀粉，久而久之這種含油粉料會(huì)在攤布器溜管上形成較厚的油脂層，見(jiàn)圖6。因此，新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)在溜管上涂有特氟龍涂層來(lái)提升溜管的光潔度，這樣糊化淀粉不容易附著。但特氟龍涂層不表示不會(huì)有淀粉附著，對(duì)于比較惡劣的使用工況，需要增加壓縮空氣噴吹裝置，在生產(chǎn)中每隔4～5 h 噴吹1 次壓縮空氣，從上沿溜管向下，將淀粉附著物等吹落，這樣便可實(shí)現(xiàn)攤布器溜管自清潔的功能，見(jiàn)圖7。

圖6 攤布器溜管里的油脂淀粉混合物

3.2 自清潔履帶板和底板設(shè)計(jì)

玉米胚芽在壓片過(guò)程中可能無(wú)法成型，造成成品含粉率高，但這些細(xì)粉是玉米主要營(yíng)養(yǎng)價(jià)值所在，需考慮收集回收。玉米壓片料因淀粉糊化，加上壓輥擠壓，會(huì)和輸送帶的履帶板粘連在一起（見(jiàn)圖8），而履帶板上均勻分布了很多小孔，氣流在烘干和冷卻時(shí)會(huì)穿過(guò)這些小孔，那壓片料粘連會(huì)堵住這些小孔，如果長(zhǎng)時(shí)間不清理，氣流穿過(guò)履帶板的氣流會(huì)變小，會(huì)嚴(yán)重影響烘干和冷卻效果。

圖7 噴吹清理溜管殘留

針對(duì)輸送帶下方的底板殘留，由于長(zhǎng)城鏈清掃器的清理效果有限，加上底板上的梯形臺(tái)密封結(jié)構(gòu)，會(huì)使梯形臺(tái)前后的壓片積料較多，這時(shí)需要更改底板結(jié)構(gòu)和清掃器結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖9），取消底板上的梯形臺(tái)結(jié)構(gòu)，將底板抬升（見(jiàn)圖10），這樣可以使用帶硅膠板或其他材質(zhì)的刮板來(lái)清除底板上的壓片料殘留，然后再清理到進(jìn)料段下方的清粉絞龍來(lái)回收殘留料。事實(shí)證明，此清理效果會(huì)好很多。

圖8 無(wú)毛刷和有毛刷對(duì)履帶板粘料的清理效果對(duì)比

圖9 優(yōu)化前的輸送帶和底板設(shè)計(jì)

而對(duì)于底板兩側(cè)和輸送帶護(hù)板運(yùn)行軌跡上形成的死角積料（見(jiàn)圖11），則需要在下方增加清粉裝置來(lái)清理（見(jiàn)圖12）。

4 應(yīng) 用

4.1 主要生產(chǎn)流程和參數(shù)

圖10 優(yōu)化后的輸送帶和底板設(shè)計(jì)

中國(guó)目前用來(lái)壓片的玉米原料分兩種，一種是針對(duì)新收獲的高水分玉米，另一種是經(jīng)過(guò)晾干或烘干后的玉米。熱風(fēng)加熱壓片比蒸汽壓片省去了高耗能的加蒸汽調(diào)質(zhì)及其后續(xù)的烘干環(huán)節(jié)，因而在玉米壓片加工成本方面具有優(yōu)勢(shì)；但在玉米片糊化度、強(qiáng)度方面，熱風(fēng)加熱壓片玉米比蒸汽壓片玉米質(zhì)量差[4]。目前大部分廠家都使用蒸汽玉米壓片工藝。淀粉是高產(chǎn)奶牛飼料的主要能量來(lái)源，提高淀粉的利用率對(duì)牛乳生產(chǎn)至關(guān)重要，而提

圖11 底板殘留位置

玉米蒸汽壓片的一般工藝流程為：玉米→除雜→浸潤(rùn)→調(diào)制→蒸汽加熱→壓片→烘干及冷卻→包裝→入庫(kù)，見(jiàn)圖13。有些玉米壓片廠會(huì)去除浸潤(rùn)工段，這就需要延長(zhǎng)后段的調(diào)制時(shí)間來(lái)軟化玉米原料，以方便壓片機(jī)壓片成形。但是有無(wú)浸潤(rùn)對(duì)壓片玉米成品的色澤和品質(zhì)還是有較大影響的，見(jiàn)圖14高淀粉利用率的最有效辦法是對(duì)谷物進(jìn)行蒸汽壓片處理[5]。和圖15。玉米除去雜質(zhì)后加水，有時(shí)也可加入表面活化劑（調(diào)制劑）進(jìn)行調(diào)制；然后使浸泡好的玉米進(jìn)入蒸汽調(diào)制器中，將溫度提高到100～110 ℃，并保持30～60 min，使得玉米淀粉糊化；然后將玉米通過(guò)一對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱的反向旋轉(zhuǎn)的大軋輥，將其壓成一定厚度的片狀，隨后進(jìn)行烘干、保存[6-7]。

圖12 針對(duì)底板殘留的解決方案

圖13 壓片生產(chǎn)線工藝

圖14 帶浸潤(rùn)工藝的玉米壓片

圖15 不帶浸潤(rùn)工藝的玉米壓片

其中的浸潤(rùn)工段一般需要浸泡玉米12～24 h，玉米原料水分約14%，浸泡后水分15%～16%，浸泡后的玉米更有利于下一步的蒸汽調(diào)制工序。調(diào)制后水分為18%～22%，然后進(jìn)入壓片機(jī)壓片，通過(guò)調(diào)節(jié)壓片機(jī)的兩個(gè)大軋輥間隙來(lái)控制壓片的厚度，在0.5～2.2 mm，然后進(jìn)入烘干冷卻機(jī)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的烘干和冷卻，將出料水分控制在10%～13%。

4.2 性能測(cè)試

在山東煙臺(tái)某飼料廠進(jìn)行了玉米蒸汽壓片生產(chǎn)線生產(chǎn)性能測(cè)試，玉米壓片烘干冷卻機(jī)型號(hào)為SPGL3000-10，由江蘇豐尚智能科技有限公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

4.2.1 產(chǎn)量、殘留率測(cè)試

參照《帶式橫流顆粒飼料烘干機(jī)》（GB/T 25699—2010）進(jìn)行產(chǎn)量和殘留率的測(cè)試。

4.2.2 蒸汽流量測(cè)試

新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)生產(chǎn)的成品為1.5～2.0 mm 的玉米壓片。檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的蒸汽流量，根據(jù)蒸汽系統(tǒng)管路中安裝的流量計(jì)，在穩(wěn)定生產(chǎn)情況下，測(cè)量2 h 的蒸汽流量，然后根據(jù)2 h內(nèi)的總產(chǎn)量計(jì)算出每噸成品壓片生產(chǎn)所需要的蒸汽耗量。如此重復(fù)3 次，取平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。

4.2.3 測(cè)試結(jié)果

新型玉米壓片烘干冷卻機(jī)生產(chǎn)性能測(cè)式結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果比較，SPGL3000-10型玉米壓片烘干冷卻機(jī)比現(xiàn)有的玉米壓片烘干冷卻機(jī)烘干溫度更低，且烘干時(shí)間更短，說(shuō)明其烘干效率更高，所以蒸汽耗量更低。采用清潔衛(wèi)生設(shè)計(jì)以后，設(shè)備內(nèi)部的殘留率也遠(yuǎn)比市售的同類設(shè)備的要低。

表1 SPGL3000-10型玉米壓片烘干冷卻機(jī)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性能