Зерносушильная мощность в Украине представлена преимущественно 2-шахтными открытыми зерносушилками типа ДСП-32-от, выпускаемыми с середины 50-х годов Карловским машиностроительным заводом, и сменившими их с середины 80-х годов сушилками типа А1-ДСП-50. В 90-е годы на их основе создан по разработкам завода номенклатурный ряд зерносушилок меньшей производительности - ДСК-25, ДСК-20 и ДСК-10. Широкое распространение шахтных зерносушилок (только в Украине построено более 2000 шт.) объясняется их компактностью (развиты в высоту), простотой конструкции и монтажа, непринудительным (гравитационным) перемещением зерна в шахтах, эксплуатационной надежностью и долговечностью (фактический срок службы нередко превышает три нормативных), относительной дешевизной (сравнительно с зарубежными аналогами - в 3-5 раз). Их главными недостатками являются завышенные удельная металлоемкость и энергетические затраты (относительно ТЭП лучших мировых образцов), ограничение снижения влажности до 6% за один пропуск через сушилку (нередко, например при сушке зерна кукурузы, требуется снижение свыше 20%), неравномерность сушки и охлаждения зерна, пожарная опасность и загрязнения выносами в зоне сушилки. Эти факторы, наряду с низкой энергетической эффективностью, (тепловой КПД составляет всего 45 - 50%), являются основными причинами высокой стоимости сушки зерна и маслосемян в Украине.
В лаборатории зерносушения при Одесской Академии пищевых технологий, под научным руководством автора настоящей статьи, с середины 60-х годов проводятся исследования и разработки по комплексному совершенствованию технологии и техники сушки зерна, маслосемян и других культур в шахтных зерносушилках всех имеющихся в странах СНГ типов. Теоретическими и экспериментальными исследованиями, подтвержденными многократными производственными испытаниями на распространенных в Украине зерновых и масличных культурах, для интенсификации и энергосбережения процесса сушки в шахтных зерносушилках была обоснована новая технология. Ее особенности состоят в применении предварительного конвективного либо кондуктивного подогрева исходного зерна, циркуляции смеси зерна исходного с подсушенным на этапе предварительного подогрева, нисходящего позонного изменения температуры теплоносителя, повторного использования после нагрева в топке теплоносителей, отработавших при досушивании и охлаждении зерна. Температура теплоносителя на стадии предварительного подогрева и в зонах сушки рекомендована исходя из требования предельно-допустимого нагрева зерна θдоп соответственно его средней влажности.
По результатам исследований и производственных испытаний были разработаны комбинированный способ сушки и комплект оборудования для перевода на этот способ действующих либо устанавливаемых шахтных зерносушилок. Комплект состоит из каскадного подогревателя зерна с тепловентиляционной системой и транспортным оборудованием. На основе комплекта действующие зерносушилки переводятся по полной схеме реконструкции на новую технологию. По усредненным результатам производственных испытаний достигнут ряд улучшения ТЭП в сравнении с паспортными показателями работы зерносушилок.
1. Интенсификация процесса сушки и соответственное повышение производительности зерносушилок на 50-70% при сушке зерна колосовых культур и маслосемян. Дальнейшее повышение производительности в большинстве случаев ограничивалось возможностями транспортного оборудования. С повышением исходной влажности зерна это ограничение сказывалось меньше, так как снижался его массовый расход. Например, на зерне кукурузы с исходной влажностью свыше 27% производительность зерносушилок увеличивалась в 2 раза и более. Столь значительное влияние на интенсивность процесса сушки внесенных в технологию изменений объясняется резкой степенной зависимостью коэффициентов, определяющих внутренний и внешний влагоперенос в зерне, от его температуры. Этим объясняется и более полное использование подведенного тепла на удаление влаги из зерна, что снизило энергетические потери.
2. Существенное повышение теплового КПД зерносушилки. Только за счет новых температурных режимов и замены восходящего изменения температуры теплоносителя по зонам на нисходящее с управлением процессом по θдоп, °С, испытаниями подтверждено снижение удельных затрат на сушку топлива на 15-25 % (в зависимости от параметров зерна и атмосферного воздуха). При использовании остальных факторов энергосбережения, прежде всего отработавших теплоносителей, экономия топлива составляет 35-40%.
3. Снижение удельных затрат электроэнергии пропорционально повышению производительности зерносушилки, а при упрощенных схемах они равны, так как нет дополнительных энергозатрат при увеличенной производительности. По усредненным результатам испытаний удельные затраты электроэнергии при новой технологии ниже паспортных в 1,5-2 раза.
4. В переоборудованных шахтных зерносушилках всех типов достигается любое заданное снижение влажности в потоке обработки при показателях качества не ниже сравнительно с сушкой по традиционной технологии. В некоторых случаях, например при сушке зерна пшеницы со слабой клейковиной, при новых режимах она улучшалась.
5. Существенное облегчение обслуживания и управления процессом сушки, так как ручное регулирование осуществляется только на выпуске сухого зерна по заданным значениям его влажности и температуры.
6. Улучшение санитарного состояния вокруг сушилки, т. к. основная часть выносимых из шахт примесей и пыли сгорает в топке.
7. Вследствие увеличенной в 1,5-2 раза скорости движения зерна в шахтах, повышение эксплуатационной надежности, равномерности сушки и охлаждения зерна, пожарной безопасности.
Технология комбинированной сушки прошла многократную производственную проверку также на зерне семенного назначения различных культур (в том числе на пивоваренном ячмене) при испытаниях в комплексах КЗС шахтных зерносушилок типа СЗШ-16 и польских М-819. Как и при сушке продовольственного зерна, качество семенного зерна не ухудшалось сравнительно с традиционной технологией, но основные ТЭП были значительно выше - соответствовали приведенным в п.п.1-7. На семенном зерне при его исходной влажности около 30% (в России и Беларуси) при новой технологии соблюдалась поточная сушка до влажности 13-14% при сохранности исходных семенных свойств.
В наших исследованиях были обоснованы упрощенные варианты реконструкции зерносушилок и резервы дальнейшего энергосбережения, в частности, на основе использования отходов растительного сырья- соломы, рисовой лузги, стеблей подсолнечника и др. Известно, что повышение теплового КПД в шахтных зерносушилках определяется величиной тепловых потерь. Анализ показал, что наибольшая их часть - более 80% от общих - приходится на потери с отработавшим теплоносителем и нагретым зерном. Определены пути снижения этих потерь - наиболее эффективным из них, используемым в новой технологии, является повторное использование теплоносителя, отработавшего на этапах досушивания и охлаждения зерна. В качестве иллюстрации ниже приводится расчет экономии топлива в зерносушилках типа ДСП-32-от и А1-ДСП-50 на примере сушки продовольственной пшеницы с нормальной клейковиной. Все затраты на реконструкцию и освоение технологии сушки с использованием отработавшего теплоносителя окупаются за 10-14 суток работы зерносушилки.
Расчет приводится для 3-х вариантов, соответствующих 3-м значениям среднесуточной температуры наружного (атмосферного) воздуха - tав = 5°С; tав = 15°С и tав = 20 °С. К температуре атмосферного воздуха приравнивается температура исходного зерна, поступающего на сушку. Температура отработавшего теплоносителя для всех вариантов принята tот = θсрдоп = 55 °С (усредненная допустимая температура нагрева зерна по инструкции для пшеницы и кукурузы θсрдоп = 50 - 60 °С). Температура зерна после охладительной зоны принята равной tох = tав +10 °С (согласно инструкции); температура воздуха, отработавшего в охладительной зоне, принимается равной средней между температурой нагрева зерна в начале tнох и в конце tкох этой зоны.
tохср = (tохн + tохк)/2, °С (1)
Расчетное количество тепла Qр, ккал/час, поступившего в топку с отработавшим теплоносителем, определяется по формуле:
Qр = Ст (lот ((tот - tав), ккал/ч (2)
где Ст - теплоемкость теплоносителя - 0,24 ккал/кг×°С;
lот - массовый расход используемого отработавшего теплоносителя. lот = ρ (lv;
(ρ = 1,15 кг/м3 - плотность отработавшего теплоносителя; lv - объемный расход теплоносителя, м3/ч. Для ДСП-32-от во второй зоне lv = 42600 м3/ч, в охладительной зоне lv = 49000 м3/ч)
После подстановки в формулу (2) значений параметров получим:
Qр1 = 0,24´1,15´[42600 ((55-5) + 49000 ((55+15)/2 - 5] = 9,94×105 ккал/час
Qр2 = 0,24´1,15´[42600 ((55-15) + 49000 ((55+25)/2 - 15] = 8,08×105 ккал/час
Qр3 = 0,24´1,15 ([42600 ((55-20) + 49000 ((55+30)/2 - 20] = 7,16×105 ккал/час
В зерносушилке А1-ДСП-50 возвращается в топку 50% от всего отработавшего в зонах сушки теплоносителя, т.е. 70000 м3/час. В ней конструктивно и технологически предусмотрено использование отработавшего охлаждающего воздуха. В расчетах по приведенной выше методике и при одинаковых других параметрах, для зерносушилки А1-ДСП-50 рассчитаны следующие значения дополнительно подведенного тепла с отработавшим теплоносителем: Qр1 = 9,8×105 ккал/час, Qр2 = 7,8×105 ккал/час, Qр3 = 5,88×105 ккал/час. Экономия жидкого либо газообразного топлива - Δgж, кг/ч и Δgг, м3/ч, определяется по формуле:
Δgж(г) = Qр/Вж(г), кг/ч (м3/ч) (3)
где Вж(г) - теплота сгорания топлива. Принимаем для жидкого топлива (дизельного) Вж = 11000 ккал/кг; для природного газа (усредненно по Украине) Вг = 8950 ккал/м3.
В результате расчетов по формуле (3) расчетная экономия топлива составляет в зависимости от варианта и типа сушилки от 60 до 95 кг/ч (жидкого) и от 73 до 132 м3/ч (газообразного). Экономия топлива в А1-ДСП-50 ниже, чем в ДСП-32-от, т.к. в настоящий расчет не включена предусмотренная конструкцией А1-ДСП-50 экономия топлива от возвращаемого отработавшего охлаждающего воздуха.
В приведенных примерах расчета не учтена экономия топлива, достигаемая от применения нисходящих режимов сушки и от подогрева исходного зерна (при работе с его рециркуляцией). Возвращаемый в топку отработавший теплоноситель направляется к факелу форсунки (газовой горелки), т.е. вводится перед отражательным щитом, что обеспечивает сгорание поступивших с ним примесей и пыли, следовательно, снижает вероятность загорания в сушилке. Для большей гарантии их предотвращения перед камерой смешивания устанавливается разработанный в ОГАПТ стружечный либо жалюзийный фильтр- искрогаситель. Относительная экономия топлива только за счет использования отработавшего теплоносителя при низкой температуре атмосферного воздуха достигает 30-35%. При полной схеме реконструкции затраты, например, природного газа на 1 т/% сушки зерна кукурузы составляют усредненно 1,1 м3, жидкого топлива - 0,83 кг.
Повторное использование отработавших теплоносителя и охлаждающего воздуха с их подогревом в топке, а также нисходящие режимы сушки предусмотрены в зерносушилках, выпускаемых с 90-х годов фирмами США, Франция, Германия и других стран. Основным технологическим преимуществом этих зерносушилок является наличие системы автоматического управления процессом сушки. Однако по основным ТЭП, в том числе по удельным затратам топлива, интенсивности процесса, равномерности по влажности и температуре охлажденного зерна их зерносушилки уступают переведенным на наши технологии зерносушилкам Карловского завода - типа ДСП-32-от и А1-ДСП-50.
С середины 90-х годов, вследствие обострившихся финансовых проблем на хлебоприемных предприятиях и в сельском хозяйстве Украины, наши разработки применяют в основном при упрощенных схемах реконструкции, преимущественно для повышения производительности (примерно в 2 раза) и обеспечения поточной сушки при любой исходной влажности зерна кормовой и продовольственной кукурузы. Снижение удельных затрат топлива при упрощенных схемах ниже, чем при полной, и составляет 20-25%. Потребление электроэнергии, как отмечалось выше, снижается пропорционально повышению производительности зерносушилки, и составляет 50-70%. Производительность на зерне кукурузы влажностью 26-28% в реконструированных зерносушилках составляет - в одинарной ДСП-32-от 230-260 т/сутки, в спаренном агрегате 2´ДСП-32-от (в поточных линиях) и в А1-ДСП-50 - 500-650 т/сутки. Упрощенная схема реконструкции является первой стадией полной схемы. Реконструкция по упрощенной схеме выполняется бригадой из трех человек за 5-7 дней. Практика показывает, что сроки реконструкции и освоения новой технологии меньше, а достигаемая эффективность выше при централизованном (заводском) изготовлении комплектов изделий для реконструкции зерносушилок и обучении обслуживающего персонала.
Алейников В.И., доктор технических наук
Одесская государственная академия пищевых технологий
