淺圓倉入倉糧食的分級機理及實驗研究進展

代崢崢, 吳建章, 朱文學, 陳鵬梟, 蔣萌蒙, 田高帥, 劉 坤

(河南工業大學糧油食品學院,鄭州 450001)

20世紀90年代初,淺圓倉以其占地面積小、存儲量大、氣密性好以及機械化、自動化水平、生產效率高[1]等優點,逐漸成為主流的倉型。

淺圓倉的進料方式具有入糧點高、落差大的特點,導致糧食下落到倉底的速度較高,不但在與倉地坪、糧堆表面接觸時撞擊作用強、容易發生破碎,而且還出現糧食堆積的分級現象等[2,3]。分級現象是指某些具有類似性質或者相同尺寸的物質聚集在一個區域內的趨勢[4]。淺圓倉入倉過程中產生的糧食破碎、分級等現象,對后期糧食的安全儲藏、管理工作以及出倉糧食品質的穩定性等方面帶來諸多不利影響[5]。

淺圓倉入倉過程中糧食發生破碎、分級堆積后,破碎粒和雜質較多的堆積區域孔隙率低,透氣性差,通風時阻力較大,容易形成通風死角[6],增大了通風和環流熏蒸的難度,極易導致糧堆溫度升高,進而發生蟲害、結塊、霉變等現象[7,8]。糧食的破碎率增加,意味著糧食的損耗增加,且儲存的糧食品質下降,造成巨大的經濟損失[9]。破碎和分級會導致糧食在出倉的過程中前后品質不均一,如先出倉的糧食質量較好,雜質、破碎粒等含量較少;后出倉的糧食雜質、破損粒較多等。

研究和解決淺圓倉糧食入倉過程中的破碎和分級問題具有重要的現實意義。鑒于研究課題的分工以及借鑒不同行業關于分級理論的研究成果,綜述了關于筒倉糧食和顆粒物料入倉過程中發生分級的機理研究、分級規律的實驗研究以及糧庫管理者的實倉糧食分級測定結果等,以期通過國內外研究者多角度的糧食分級機理研究、實驗研究和實倉測定結果,為進一步研究筒倉入倉糧食的分級機理進一步研究提供參考。

1 筒倉入倉糧食分級的機理研究

筒倉糧食入倉后產生分級的機理比較復雜,國內外學者從不同方面進行了分級機理的研究,并將分級機理劃分為幾個和多個糧食顆粒的運動過程綜合而成[4],如糧食顆粒在倉內沉降運動過程中不同大小、形狀的顆粒物由于氣流阻力不同產生的分級以及羽流帶動小顆粒運動產生的分級;糧食顆粒落到糧堆表面上的碰撞、滾動、反彈、流態化作用以及糧堆坍塌運動等產生的分級。本部分從糧食顆粒在倉內的沉降運動、倉地坪上的堆積運動等兩方面對分級的產生機理進行歸納和闡述。

1.1 筒倉內糧食沉降運動過程中的分級

散糧從筒倉頂部進料口進入筒倉后首先進行自由落體運動即沉降運動。在這個運動過程中,由于糧食顆粒物的大小、形狀、密度等物理特性的差異,下落過程中速度大小不一[10],具有發生分級的趨勢。并且下落糧食周圍產生的羽流對顆粒流中的輕物質的空氣動力作用,使輕質顆粒物料在水平方向上出現位移,分級現象有可能進一步發生。

Jian等[11]分析,在重力作用下,粒徑小的顆粒,空氣阻力和重力的比值大,表明空氣阻力對顆粒的下落有一定的影響。粒徑小于1 μm的顆粒下落速度小于0.08 mm/s,粒徑為25 μm顆粒下落速度為51 mm/s,可見顆粒粒徑的不同其下落的懸浮速度不一,則在相同沉降距離下所運動的時間將有差別。王永昌[12]認為下落過程中的物料受到重力、浮力和空氣阻力的作用,在淺圓倉內對距地面高45 m的沉降距離進行下落時間計算,得到糧食和大雜的下落時間為3～5 s,小雜的下落時間在5～30 s,大小顆粒在空中滯留的時間不同。原方等[13]分別取大米中的完整粒和破碎粒為研究對象來模擬倉內的顆粒沉降運動。下落高度為9 m時,粒徑為5 mm的顆粒物下落時間為1.488 s;粒徑為2 mm的顆粒物下落時間為1.792 s,再次證明不同粒徑顆粒在空中下落的時間并不相同。同時在Matlab軟件上進行模擬實驗,結果顯示不同粒徑顆粒在下落時間為0.4 s時垂直方向上已經有分級趨勢。

有學者提到倉中心進料的顆粒流會帶動周圍的空氣向下流動(即形成羽流),當向下的氣流到達地坪或料堆表面之后,改變方向沿下底面向四周運動(圖1),此時物料流、料堆表面附近較輕的粉塵、輕質物料等就會被氣流帶動向四周一起運動,最后在倉壁區域沉降、集聚,形成物料的分級堆積現象[14-16]。李小川等[17]研究了粒徑在3.6～11.1 mm之間的顆粒下落過程中產生的卷吸空氣流速,建立了半經驗模型(見表1),得到下落高度、質量流量、顆粒直徑等因素對卷吸空氣流速均有影響。王冬雪等[18,19]以粒徑為9 mm左右的黑豆等糧食顆粒為原料,得到顆粒群下落時誘導空氣流速的半經驗模型,通過實驗數據得到顆粒在不同高度、不同粒徑下誘導空氣流速的經驗常數值,并驗證該公式所計算得出的數據與實測值誤差在20%以內。Jian等[11]提出粒徑小于100 μm的顆粒下落過程中懸浮速度較小,極易受到顆粒流所產生的氣流的影響,氣流帶動這些小顆粒運動,通常在遠離倉中心處沉積下來。Cooper等[20]觀察到粉塵、細屑等小顆粒會在物料主流的下落過程中分離開來。物料沉降運動所帶動的空氣流與下部形成的料堆相碰撞,釋放出的空氣流會帶動小顆粒向四周運動。王怡等[21]利用DPM-CFD模型對顆粒流沉降運動產生的氣流速度進行了描述:氣流在中心軸線處速度最大且方向向下,達到筒倉底部時氣流改變方向向四周運動,碰到倉壁后轉而向上,遇到中心軸線處氣流并與其匯合后向下形成渦旋。黃朋舉等[22]對顆粒下落過程與流場的相互作用進行了數值模擬。以0.1、0.5、1.0 mm 3種粒徑的顆粒為模擬對象,在1.1 m的下落高度情況下,可以看到較小的顆粒周圍空氣速度約為0.5 m/s,較大的顆粒周圍空氣流速可達到1 m/s,同時模擬在高度為1.1 m時的顆粒下落的速度云圖及流體流線圖,顆粒碰撞到底面帶動周圍空氣流動,呈現出顆粒卷吸空氣后瞬間釋放的特性。田莉等[23]用Fluent軟件模擬顆粒流下落時空氣運動速度分布。粒徑為0.05 cm、密度為3 000 kg/m3、質量流量為0.01 kg/s物料,下落高度0.2 m時中心軸線處空氣速度約為0.2 m/s,四周空氣流速約為0.05 m/s;下落高度0.5 m時中心軸線處空氣速度約為0.3 m/s,四周空氣流速約為0.1 m/s,并得到空氣流動的速度云圖,表明空氣速度沿顆粒下落方向向周圍呈渦旋狀態。

表1 顆粒沉降和堆積運動中的數學模型

圖1 顆粒沉降所誘導的空氣流動[14]

1.2 筒倉內糧食堆積過程中的分級

通過沉降運動落入筒倉的糧食在倉底部逐漸堆積形成錐形糧堆,后續進倉的糧食不斷落到糧堆表面上,通過滑動、滾動、坍塌、篩分、碰撞等復雜運動,糧堆不斷增大、增高直至裝滿筒倉。在糧食的堆積過程中由于滾動效應、靜止角效應、碰撞效應、氣流作用、篩分效應等導致分級現象產生[24]。Jian等[11]將物料堆積發生分級的機理簡化為4種作用:運動軌跡效應、流態化效應、篩分效應和碰撞效應。運動軌跡效應是指粒徑不同的顆粒空氣阻力與重力的比值不同,在以一定的傾角進料時,大顆粒沉積在遠離進料口區域而更多的小顆粒集中在進料口附近。流態化效應是指這些顆粒由于不同的靜止角作用、顆粒的撞擊或其他顆粒的運動而形成像水一樣由高處向低處的流動的現象。篩分效應是指較小顆粒在形成的堆斜面運動的過程中,更容易被大顆粒之間形成的間隙所捕獲的現象。碰撞效應是指顆粒在下落或者在堆頂面運動的過程中發生相互撞擊,較小顆粒被大顆粒碰撞到遠處的現象。

Matthee[25]對顆粒在錐形料堆斜面上的滑動和滾動進行了研究。當顆粒以滑動的形式在斜面上運動時,發生分級的主要因素是物料顆粒本身的摩擦系數,摩擦系數越大,在斜面上運動的距離越小。當顆粒以滾動的形式在斜面上運動時,粒徑較小的顆粒會嵌入到大顆粒之間的空隙中并停留在料堆的中上部。同時也研究了小顆粒的滾動阻力大于大顆粒的滾動阻力,這也是大顆粒較小顆粒會在斜面上滾動的更遠的原因之一。

王永昌等[12,26]對糧食堆積而成的斜面上的物料運動進行受力分析發現,靜止角較小的糧粒沿斜面做下滑運動,靜止角較大的雜質將停留在糧堆斜面上。Mosby等[14]研究了在精鹽中添加質量分數為20%的綠豆所形成的混合物的入倉分級情況,指出由于高含鹽量,篩分效應受到抑制,在倉壁面附近仍以綠豆為主,分級的原因是與綠豆相比,鹽的靜止角更大,這導致綠豆在鹽形成的表面上滾動造成分級。再次利用細銅礦粉和粗砂兩種物料分批進行沉降堆積實驗,發現形成的混合堆積體中具有較大靜止角的粗砂顆粒會在堆頂部先形成較陡的斜坡,較小靜止角的細銅礦粉顆粒會沿著較陡斜坡下滑,最后較小靜止角的細銅礦粉會集中在堆的邊緣。

對于顆粒堆積形成傾斜面后,帶有一定速度的顆粒落到已經形成的料堆上時,由于下落的顆粒本身具有一定的質量,在顆粒與顆粒之間產生的這種壓實力使得顆粒下落到堆頂部暫時形成大角度斜坡θ1。隨著來料顆粒增多,斜坡的角度不斷變大,變化角度為δ,到達一定的極限時角度最大為θ2,若繼續入料,這種暫時的平衡就會被打破[11],發生坍塌現象(圖2)。在堆上部具有較小靜止角的顆粒會沿斜面向下運動,同時料堆角度減小,顆粒與顆粒運動形成交錯的層,發生分級現象。隨著入料的繼續,堆頂部又會形成高角度堆頂,隨之而來的下一次顆粒坍塌又會發生,分級現象再一次產生。

圖2 顆粒坍塌效應[11]

當大顆粒之間形成縫隙時,小顆粒就會在運動過程中嵌入其中,被顆粒之間形成的間隙所捕獲的現象[27],或密度不同的顆粒沿著斜面運動,發生分層現象即顆粒的篩分效應(圖3)。王寧生[28]將混合顆粒看作連續流體,推導出顆粒在縱向方向上的速度,并分析顆粒所受到的滲透阻力與其所在位置及混合顆粒的空隙率有關。

圖3 顆粒篩分效應[27]

Takagi等[29]將下落的顆粒流劃分為中心M區域和顆粒流周圍的S區域。對于中心M區域,顆粒會落到已經形成的堆頂部并依次向上方堆積,而處于顆粒流周圍S區域的顆粒下落至堆斜面的上部時,由于顆粒具有一定的速度、較高的動量,撞擊到斜面上向四周反彈分散至堆的中下部,形成分級現象(圖4)。黃朋舉等[22]以粒徑0.1 mm的氧化鋁材料,在1.1 m下落高度下進行下落隨機反彈模擬實驗,模擬結果顯示隨著顆粒下落高度的增加,顆粒反彈、橫向遷移半徑也隨之增加。Yi等[30]研究具有一定速度的顆粒碰撞到糧堆斜面發生反彈時,較大的顆粒更容易發生分級,歸結為大顆粒所受到的重力與空氣阻力之比較大,落到斜面上時會有較大的動量,在撞擊時產生的反彈作用更大,相比于小顆粒就會遠離堆的中心點。Jian等[31]指出顆粒流落到料堆頂部時,會發生顆粒之間的相互碰撞的現象。大顆粒因為具有較大的動量,在碰撞的過程中小顆粒獲得更大的動量從而被彈開至堆的遠端,而大顆粒留在堆的上部形成分級現象。Narendran等[32]對物料入倉后油菜籽在倉外圍的含量高,而大豆、蕓豆等在倉中心含量較高這一現象做出解釋:在混合物下落到料堆頂部時,油菜籽、大豆和蕓豆相互碰撞,具有較大動量的大顆粒撞擊油菜籽等小顆粒使其向外部反彈。隨著下落高度的增加,對油菜籽這些小顆粒的沖擊力增加,使得更多油菜籽被彈到倉外圍。

圖4 顆粒反彈效應[29]

糧食或其他物料入倉或沉降、堆積過程中由于多種復雜的運動而產生分級現象,研究者還得到了一系列的數學模型,如表1所示。

2 糧食入倉分級的實驗研究

2.1 糧庫筒倉糧食分級的實際測定

為了掌握入倉后糧食在筒倉內的真實分布情況,研究人員對筒倉內的糧食分布情況進行了大量實測。

楊文生[33]在2014年對中央儲備糧鎮江直屬庫直徑30 m筒倉內的大豆進行扦樣測定。在大豆中大雜主要是篩下物以及混雜的沙石、磚瓦塊、豆梗、豆殼等,小雜主要是種皮、細屑、無使用價值的大豆粒、異粒糧等。扦樣結果顯示,質量分數50%以上的雜質集中在距離中心半徑5 m的范圍內,且以大雜居多。小雜則相對大雜更容易集中在倉的外圍。并對這一現象做出解釋:大雜在糧堆表面與表面發生較小的相對運動,而小雜則會在倉內氣流的帶動下在水平方向上發生較大的位移,產生分級現象。張峻嶺等[34]對鎮江糧庫筒倉內所儲藏的10 000 t大豆的物料分布結果進行分析,得到外圈中雜質質量分數的平均值在1%左右,靠內圈雜質的質量分數在3%～10%不等,內圈雜質質量分數的平均值高于外圈,可見雜質大部分集中在筒倉的中心處。劉根平等[35]對含雜質量分數為2.7%的大豆在直徑30 m的淺圓倉中進行入倉扦樣實驗,主要是對中心部位直徑6 m內的大豆進行分層扦樣實驗。結果顯示中心處的雜質在豎直方向上主要分布在筒倉的中上部,底部的雜質含量較少。莊澤敏等[36]對含雜質量分數為1.1%的大豆進行入倉實驗,實驗結果表明在直徑25 m筒倉中,中心部位雜質的質量分數高達12.1%,形成連續、大范圍柱狀雜質聚集區;各個層面上雜質的質量分數在2.1%～18.9%之間,在豎直方向上的雜質相對來說較為分散。

周延智等[37]在廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫中選取直徑25 m、裝糧高度30.4 m的淺圓倉作為實驗倉房,對雜質質量分數為1%、水質量分數為13.5%的三等小麥進行扦樣。結果顯示在水平方向上輕雜含量隨直徑的增大而增大,在距中心12 m處輕雜質量分數達到0.25%左右。重雜質量分數隨直徑增大而減少,在中心位置高達2.6%,在倉壁周圍穩定在0.4%左右。此外在現場觀察到中心位置重雜的質量分數較大,高達至8.2%。呂軍倉等[38]在中央儲備糧西安大明宮直屬庫,對直徑30 m淺圓倉、雜質質量分數為0.7%的硬質冬小麥進行扦樣分析。結果顯示隨著筒倉半徑及糧面高度的增加,雜質呈現出減少的趨勢,說明在筒倉的中心及下半部位的雜質含量較高。張峻嶺等[34]對在鄭州糧庫倉容為8 000 t的筒倉小麥進行入倉實驗分析,結果表明在倉中心處雜質的質量分數一直較高,在3%～8%之間波動,最高達到12%。而在倉直徑6 m范圍內雜質質量分數一直穩定在1%左右,整體結果表明雜質多在倉中心聚集。

此外,還有劉磊等[39-41]分別在糧庫中對淺圓倉內雜質含量進行測定,結果均顯示大雜質在筒倉中心處含量較高,多為大雜質,而細小的灰塵細屑等集中在筒倉的邊緣處形成分級現象。

2.2 模擬倉糧食分級實驗研究

糧庫及港口、碼頭的筒倉機械化程度高,入倉產量大,一條固定式入糧線可達2 000 t/h[42],加之糧食卸船(車)入倉時間的限制,很難在筒倉入糧的過程中進行糧食分級的扦樣、實驗等研究。因此,在一些科研部門按照一定比例來建造模型筒倉,通過在模擬倉中進行反復的糧食入倉實驗以實現對筒倉糧食入倉分級實驗的研究。

Prasad等[43]在1974年用半徑為2.1 m的筒倉對小麥、油菜籽的入倉分級情況進行實驗研究。實驗中將所有外來物質以及破碎的谷物定義為雜質,其中又將外來物質分為大雜和小雜。實驗結果表明當進倉物料為小麥時其雜質主要為小雜,多在距筒倉中心半徑1.6～2.1 m之間的環形區域雜質分布,其質量分數約為7%。在以油菜籽為進倉物料時雜質主要以大雜居多,在距筒倉壁0.3 m的環形區域內大雜的質量分數較高接近10%。Chang等[44-46]分別以小麥、玉米、高粱3種谷物在直徑3.2 m的筒倉中進行入倉,并對細料雜質的分布進行研究。實驗結果顯示使用雜質質量分數為2%的小麥為原料進倉時,在距筒倉中心0.4 m的圓形范圍內雜質的質量分數較高,約為5%;當使用雜質質量分數為3.17%的玉米進行入倉時,筒倉中心雜質的質量分數約為7%;當使用雜質質量分數為3.87%的高粱進行入倉時,雜質也同樣聚集在筒倉中心處,其雜質的質量分數約為7%。Parker等[47]以質量分數為91%的小麥為主要物料,其中添加質量分數4.5%的油菜籽作為小顆粒雜質,添加質量分數4.5%的大豆作為大顆粒雜質,在倉容為0.30 m3的倉中對顆粒分級情況進行實驗研究,結果顯示當下落高度為0.65 m時,大豆這類大雜在倉壁處分布明顯比倉中心處含量較多,倉中心雜質質量在41.6 g,而倉壁處為52.2 g;油菜籽這類小雜質其含量在中心處較多,倉中心雜質質量在44.4 g,而倉壁處為24.3 g。這可能是由于小麥顆粒堆積,顆粒與顆粒之間則形成縫隙,這種縫隙就會使得油菜籽這種小顆粒進入縫隙之中而被固定在倉的中心部位,而大顆粒具有較大的質量,從進料點落到糧堆上則具有較大的動量,就會沿斜面發生滾動最后在倉壁處聚集,形成分級的現象。

Salarikia等[48]以雜質質量分數0.804%的小麥作為實驗對象,在直徑10 m、高5 m的圓筒倉中進行實驗。將大于2 mm的物質視為大雜質,小于2 mm的物質視為小雜質,實驗結果顯示大雜質主要集中在距筒倉中心1 m內的圓形區域及距筒倉半徑3.75 m以外的倉壁處的環形區域,小雜質則多集中在距筒倉中心1.25 m的范圍內,質量分數高達3%。Narendran等[32]以倉半徑為2 m倉容量為1.25 m3的筒倉作為模擬倉,以小麥為主要物料,以油菜籽來模擬小顆粒雜質、以蕓豆及大豆等模擬大顆粒雜質來分析雜質入倉的分級偏析情況。結果顯示油菜籽這種小雜質在距筒倉中心1 m處的含量最多,質量分數為3%,蕓豆和大豆等大雜在距離中心0.5 m處的含量較多,質量分數為1%～2%,可見相較于小麥來說,大雜主要分布在筒倉中心,小雜多分布在筒倉邊緣處。

Jayas等[49,50]以油菜籽為入倉物料、在半徑為2.3 m的平底筒倉進行實驗研究,定義16目的篩下物質為細料,在12目篩網上的物質為谷殼、秸稈等。結果表明對于谷殼的分布更多集中在距筒倉半徑1.75～2.3 m之間的環形區域,多分布在筒倉壁處,而細料等較小的篩下物多集中在距筒倉中心0.5 m范圍內。Moghadami等[51,52]設計了一種直徑為1 m特殊筒倉,筒倉由7個環層疊組成,每層高約0.14 m,進料結束后可用中間隔板將環與環分開,便于后續環層取樣而不影響到其他區域。本實驗以去殼玉米作為研究對象,將其中的破碎玉米及其他細料視為小雜,經實驗結果表明每個環中所取得樣品的雜質含量都隨半徑的增大而減少,在距環中心0.28 m的半徑范圍內雜質的質量分數在12%～20%之間呈減小的趨勢,在距環0.5 m處的邊緣雜質質量分數下降至4%左右。

此外,還有學者使用其他材料如氧化鋁和玻璃球等來研究顆粒堆積后不同顆粒處在不同位置而形成的分級現象[53-58],對于粒徑來說,較大顆粒更傾向于集中在筒倉遠端,較小顆粒則聚集在筒倉中心部分;對于不同密度的顆粒,密度較大的顆粒則更容易聚集在筒倉中心區域,密度較小的顆粒則多分布在筒倉邊緣處形成分級的現象。

3 總結與展望

淺圓倉進糧的特點是進糧口位于倉頂中心、落差大,糧食從倉頂落下形成糧堆的過程包含了眾多復雜的運動以及相互作用,如自由落體運動、碰撞與反彈運動、坍塌運動、滾動與滑動運動、氣流的作用等,最終由于運動軌跡效應、流態化效應、篩分效應和碰撞效應等產生糧食堆積后的分級現象。筒倉糧食的分級與糧食品種、糧食中各組分的大小、形狀、密度等特性以及糧倉的高度、直徑等尺寸密切相關,此外還受到入倉方式、入糧速度、入料角度及質量流量等多項工藝參數的影響。

雖然糧食的品種、組分等特性是糧食所固有,以及筒倉的直徑、高度等尺寸是實際生產所需求的,但是從糧食入倉的眾多且復雜的分級機理中可以得到,通過改變入倉方式、糧食的入倉速度和方向角等工藝參數以及通過輔助入倉裝置降低入倉糧食的“有效落差”“有效速度”等因素來降低糧食的分級,是可行的。