新型玉米壓片烘干冷卻機的結構設計和應用

2021-01-19 09:02:14裴照輝張鵬飛張季偉

飼料博覽 2020年12期

裴照輝，張鵬飛，陳博，張季偉

（1.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇揚州 225009；2.國家飼料加工裝備工程技術研究中心，江蘇揚州 225009）

玉米蒸汽壓片技術是將谷物通過蒸汽熱加工使之膨脹和軟化，然后加工成規定密度薄片的工藝方法。玉米壓片料在反芻料領域應用已經日趨廣泛，玉米通過蒸汽壓片處理后，淀粉發生凝膠糊化，破壞了細胞內緊密結合的淀粉氫鍵，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過蒸汽調質處理，所以從壓片機出來的壓片玉米水分偏高，必須進行烘干和冷卻處理，才能便于長期保存。

目前市場上玉米蒸汽壓片工藝中主要的烘干冷卻機存在有蒸汽能耗高和殘留率高的問題，具體表現在兩個方面：

一是蒸汽能耗高。因穿過壓片料層的所有熱風都直接由離心排濕風機排掉，并沒有參與到下一次循環的烘干中；并且承載壓片料的結構為固定托板式，其開孔率很小，那么就必須用較大的風量才能保證物料的烘干，所以導致能耗較高。

二是內部殘留率高。內部殘留率高主要是由布料和壓片料輸送方式導致的。因壓片料只憑借重力作用打落在布料板上，壓片料本來就容易裂開，加之受碰撞力作用更易發生破碎；另外，壓片料輸送是通過一根根運動的托管被帶動前進的，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殘留在固定托板上，從而引起交叉污染，甚至產生霉變。

為降低玉米壓片烘干冷卻過程中的蒸汽能耗，提高設備內部的衛生等級，開發了一款新型玉米壓片烘干冷卻一體機，主要針對現有技術存在的不足，以一種全新的風路形式提供一種低溫烘干方式，充分地對烘干熱風循環進行控制，從而降低能耗；并且針對物料殘留問題設計了自清掃以及粉塵自動回收裝置，現介紹如下。

1 主體結構

本設計的新型壓片烘干冷卻機主體結構見圖1。

圖1 壓片烘干冷卻機結構

新型壓片烘干冷卻機主體結構包括攤布器、進料段、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，下方連接到進料段；新型壓片烘干冷卻機內部的輸送帶依次穿過進料段、烘干段、冷卻段和出料段；烘干段包括兩個烘干區，每個烘干區上部都獨立設置補風口、排濕風口、循環風機、熱風進口、溫度傳感器和換熱器，每個烘干區溫度、濕度單獨控制，對節約蒸汽能耗至關重要；冷卻段包括兩個冷卻區，每個冷卻區有獨立的風道、冷卻風機和進風口。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程中的每個位置，比如攤布器溜管、輸送帶上的履帶板和下方的底板處，所以設計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 低能耗設計

烘干區采用獨特的先順流，后逆流的風路設計，烘干段被擋風板分為烘干一區和烘干二區，烘干一區和烘干二區是相同的兩個模塊，以第一個烘干區為例，其分為烘干一區一和烘干一區二，因烘干一區一內是相對較濕的物料，而烘干一區二內是相對較干的物料，烘干氣流先穿過較干物料，然后再穿過較濕物料，這樣后段物料不會水分超標。另外采用無側風道設計，輸送帶上下方空間即是風道，可減少氣流穿過的路徑，增加烘干效率。無雙側風道設計同時可以減少設備的生產成本和安裝空間。

進一步細說，烘干一區和烘干二區內分別設有擾流板，經由換熱器加熱的熱風受循環風機離心力作用從熱風進口水平吹出，經過擾流板后氣流被分配的均勻一致，同時受擋風板二阻擋，氣流方向變成斜切向下，熱風均勻地分散在料層上方，從上向下依次穿過料層和輸送帶；受排風口和循環風機的吸力作用，氣流方向由反方向折回，再依次穿過輸送帶和料層（見圖2，箭頭方向為風路走向）。由烘干一區或烘干二區中的循環風機吹出的熱風從上向下穿過料層，再沿輸送帶運行的反方向折回，再從下向上第二次穿過料層。這些參與烘干的熱風，根據風管上的濕度傳感器測得其含濕量，然后控制一部分濕氣從排風口排出，大部分會與從進風口新加入的烘干新鮮空氣混合，進行加熱后進入烘干區參與循環。因為大部分熱風參與循環，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部的毛細管，妨礙顆粒核心水分最終向外擴散[3]。

圖2 壓片烘干冷卻機風路示意圖

冷卻區因只需從外界吸入新鮮空氣即可，所以采用橫流風路設計，可快速冷卻。冷卻段包括兩個冷卻區，每個冷卻區連接一個風斗，并引導外界烘干空氣從冷風進口進入冷卻區，從下向上快速穿過輸送帶和料層，產生的粉塵由冷卻區排風口引導出冷卻區。

利用計算流體力學（CFD）分析烘干區熱風的速度分布情況，模擬實際生產參數，輸入循環風量和排濕風量、烘干溫度、輸送帶料層和換熱器風阻等參數，得出模擬結果，見圖3。從圖3 中可以直觀地看出烘干區各處熱風的走向及大小。

圖3 烘干區風速分布情況

3 清潔衛生設計

3.1 自清潔攤布器設計

新型玉米壓片烘干冷卻機進料一般采用直落式，所以進口處物料流速慢，閃蒸多（見圖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，加上遇到秋冬季節溫度低，容易在天花板上出現大量冷凝水，有些冷凝水會直接掉入烘干機的進料口，導致物料結團，并使進料水分嚴重超標。

圖4 攤布器進料溜管處閃蒸

新型玉米壓片烘干冷卻機在攤布器溜管處增加一個抽掉閃蒸的抽濕罩（見圖5），然后直接并入烘干段的排濕風網，可以有效避免閃蒸帶來的不利影響。另外，由于壓片機上方的調制罐的蒸汽冷凝會有冷凝水在壓片機的開機階段落下，也會順著進料溜管落入烘干機內，所以需要增加一個三通管件來排除開機階段的冷凝水。

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在攤布器溜管上形成較厚的油脂層，見圖6。因此，新型玉米壓片烘干冷卻機在溜管上涂有特氟龍涂層來提升溜管的光潔度，這樣糊化淀粉不容易附著。但特氟龍涂層不表示不會有淀粉附著，對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，這樣便可實現攤布器溜管自清潔的功能，見圖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計

玉米胚芽在壓片過程中可能無法成型，造成成品含粉率高，但這些細粉是玉米主要營養價值所在，需考慮收集回收。玉米壓片料因淀粉糊化，加上壓輥擠壓，會和輸送帶的履帶板粘連在一起（見圖8），而履帶板上均勻分布了很多小孔，氣流在烘干和冷卻時會穿過這些小孔，那壓片料粘連會堵住這些小孔，如果長時間不清理，氣流穿過履帶板的氣流會變小，會嚴重影響烘干和冷卻效果。

圖7 噴吹清理溜管殘留

針對輸送帶下方的底板殘留，由于長城鏈清掃器的清理效果有限，加上底板上的梯形臺密封結構，會使梯形臺前后的壓片積料較多，這時需要更改底板結構和清掃器結構（見圖9），取消底板上的梯形臺結構，將底板抬升（見圖10），這樣可以使用帶硅膠板或其他材質的刮板來清除底板上的壓片料殘留，然后再清理到進料段下方的清粉絞龍來回收殘留料。事實證明，此清理效果會好很多。

圖8 無毛刷和有毛刷對履帶板粘料的清理效果對比

圖9 優化前的輸送帶和底板設計

而對于底板兩側和輸送帶護板運行軌跡上形成的死角積料（見圖11），則需要在下方增加清粉裝置來清理（見圖12）。

4 應用

4.1 主要生產流程和參數

圖10 優化后的輸送帶和底板設計

中國目前用來壓片的玉米原料分兩種，一種是針對新收獲的高水分玉米，另一種是經過晾干或烘干后的玉米。熱風加熱壓片比蒸汽壓片省去了高耗能的加蒸汽調質及其后續的烘干環節，因而在玉米壓片加工成本方面具有優勢；但在玉米片糊化度、強度方面，熱風加熱壓片玉米比蒸汽壓片玉米質量差[4]。目前大部分廠家都使用蒸汽玉米壓片工藝。淀粉是高產奶牛飼料的主要能量來源，提高淀粉的利用率對牛乳生產至關重要，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→調制→蒸汽加熱→壓片→烘干及冷卻→包裝→入庫，見圖13。有些玉米壓片廠會去除浸潤工段，這就需要延長后段的調制時間來軟化玉米原料，以方便壓片機壓片成形。但是有無浸潤對壓片玉米成品的色澤和品質還是有較大影響的，見圖14高淀粉利用率的最有效辦法是對谷物進行蒸汽壓片處理[5]。和圖15。玉米除去雜質后加水，有時也可加入表面活化劑（調制劑）進行調制；然后使浸泡好的玉米進入蒸汽調制器中，將溫度提高到100～110 ℃，并保持30～60 min，使得玉米淀粉糊化；然后將玉米通過一對經過預熱的反向旋轉的大軋輥，將其壓成一定厚度的片狀，隨后進行烘干、保存[6-7]。

圖12 針對底板殘留的解決方案

圖13 壓片生產線工藝

圖14 帶浸潤工藝的玉米壓片

圖15 不帶浸潤工藝的玉米壓片

其中的浸潤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制工序。調制后水分為18%～22%，然后進入壓片機壓片，通過調節壓片機的兩個大軋輥間隙來控制壓片的厚度，在0.5～2.2 mm，然后進入烘干冷卻機，經過一段時間的烘干和冷卻，將出料水分控制在10%～13%。