浅圆仓入仓粮食的分级机理及实验研究进展

代峥峥, 吴建章, 朱文学, 陈鹏枭, 蒋萌蒙, 田高帅, 刘 坤

(河南工业大学粮油食品学院,郑州 450001)

20世纪90年代初,浅圆仓以其占地面积小、存储量大、气密性好以及机械化、自动化水平、生产效率高[1]等优点,逐渐成为主流的仓型。

浅圆仓的进料方式具有入粮点高、落差大的特点,导致粮食下落到仓底的速度较高,不但在与仓地坪、粮堆表面接触时撞击作用强、容易发生破碎,而且还出现粮食堆积的分级现象等[2,3]。分级现象是指某些具有类似性质或者相同尺寸的物质聚集在一个区域内的趋势[4]。浅圆仓入仓过程中产生的粮食破碎、分级等现象,对后期粮食的安全储藏、管理工作以及出仓粮食品质的稳定性等方面带来诸多不利影响[5]。

浅圆仓入仓过程中粮食发生破碎、分级堆积后,破碎粒和杂质较多的堆积区域孔隙率低,透气性差,通风时阻力较大,容易形成通风死角[6],增大了通风和环流熏蒸的难度,极易导致粮堆温度升高,进而发生虫害、结块、霉变等现象[7,8]。粮食的破碎率增加,意味着粮食的损耗增加,且储存的粮食品质下降,造成巨大的经济损失[9]。破碎和分级会导致粮食在出仓的过程中前后品质不均一,如先出仓的粮食质量较好,杂质、破碎粒等含量较少;后出仓的粮食杂质、破损粒较多等。

研究和解决浅圆仓粮食入仓过程中的破碎和分级问题具有重要的现实意义。鉴于研究课题的分工以及借鉴不同行业关于分级理论的研究成果,综述了关于筒仓粮食和颗粒物料入仓过程中发生分级的机理研究、分级规律的实验研究以及粮库管理者的实仓粮食分级测定结果等,以期通过国内外研究者多角度的粮食分级机理研究、实验研究和实仓测定结果,为进一步研究筒仓入仓粮食的分级机理进一步研究提供参考。

1 筒仓入仓粮食分级的机理研究

筒仓粮食入仓后产生分级的机理比较复杂,国内外学者从不同方面进行了分级机理的研究,并将分级机理划分为几个和多个粮食颗粒的运动过程综合而成[4],如粮食颗粒在仓内沉降运动过程中不同大小、形状的颗粒物由于气流阻力不同产生的分级以及羽流带动小颗粒运动产生的分级;粮食颗粒落到粮堆表面上的碰撞、滚动、反弹、流态化作用以及粮堆坍塌运动等产生的分级。本部分从粮食颗粒在仓内的沉降运动、仓地坪上的堆积运动等两方面对分级的产生机理进行归纳和阐述。

1.1 筒仓内粮食沉降运动过程中的分级

散粮从筒仓顶部进料口进入筒仓后首先进行自由落体运动即沉降运动。在这个运动过程中,由于粮食颗粒物的大小、形状、密度等物理特性的差异,下落过程中速度大小不一[10],具有发生分级的趋势。并且下落粮食周围产生的羽流对颗粒流中的轻物质的空气动力作用,使轻质颗粒物料在水平方向上出现位移,分级现象有可能进一步发生。

Jian等[11]分析,在重力作用下,粒径小的颗粒,空气阻力和重力的比值大,表明空气阻力对颗粒的下落有一定的影响。粒径小于1 μm的颗粒下落速度小于0.08 mm/s,粒径为25 μm颗粒下落速度为51 mm/s,可见颗粒粒径的不同其下落的悬浮速度不一,则在相同沉降距离下所运动的时间将有差别。王永昌[12]认为下落过程中的物料受到重力、浮力和空气阻力的作用,在浅圆仓内对距地面高45 m的沉降距离进行下落时间计算,得到粮食和大杂的下落时间为3～5 s,小杂的下落时间在5～30 s,大小颗粒在空中滞留的时间不同。原方等[13]分别取大米中的完整粒和破碎粒为研究对象来模拟仓内的颗粒沉降运动。下落高度为9 m时,粒径为5 mm的颗粒物下落时间为1.488 s;粒径为2 mm的颗粒物下落时间为1.792 s,再次证明不同粒径颗粒在空中下落的时间并不相同。同时在Matlab软件上进行模拟实验,结果显示不同粒径颗粒在下落时间为0.4 s时垂直方向上已经有分级趋势。

有学者提到仓中心进料的颗粒流会带动周围的空气向下流动(即形成羽流),当向下的气流到达地坪或料堆表面之后,改变方向沿下底面向四周运动(图1),此时物料流、料堆表面附近较轻的粉尘、轻质物料等就会被气流带动向四周一起运动,最后在仓壁区域沉降、集聚,形成物料的分级堆积现象[14-16]。李小川等[17]研究了粒径在3.6～11.1 mm之间的颗粒下落过程中产生的卷吸空气流速,建立了半经验模型(见表1),得到下落高度、质量流量、颗粒直径等因素对卷吸空气流速均有影响。王冬雪等[18,19]以粒径为9 mm左右的黑豆等粮食颗粒为原料,得到颗粒群下落时诱导空气流速的半经验模型,通过实验数据得到颗粒在不同高度、不同粒径下诱导空气流速的经验常数值,并验证该公式所计算得出的数据与实测值误差在20%以内。Jian等[11]提出粒径小于100 μm的颗粒下落过程中悬浮速度较小,极易受到颗粒流所产生的气流的影响,气流带动这些小颗粒运动,通常在远离仓中心处沉积下来。Cooper等[20]观察到粉尘、细屑等小颗粒会在物料主流的下落过程中分离开来。物料沉降运动所带动的空气流与下部形成的料堆相碰撞,释放出的空气流会带动小颗粒向四周运动。王怡等[21]利用DPM-CFD模型对颗粒流沉降运动产生的气流速度进行了描述:气流在中心轴线处速度最大且方向向下,达到筒仓底部时气流改变方向向四周运动,碰到仓壁后转而向上,遇到中心轴线处气流并与其汇合后向下形成涡旋。黄朋举等[22]对颗粒下落过程与流场的相互作用进行了数值模拟。以0.1、0.5、1.0 mm 3种粒径的颗粒为模拟对象,在1.1 m的下落高度情况下,可以看到较小的颗粒周围空气速度约为0.5 m/s,较大的颗粒周围空气流速可达到1 m/s,同时模拟在高度为1.1 m时的颗粒下落的速度云图及流体流线图,颗粒碰撞到底面带动周围空气流动,呈现出颗粒卷吸空气后瞬间释放的特性。田莉等[23]用Fluent软件模拟颗粒流下落时空气运动速度分布。粒径为0.05 cm、密度为3 000 kg/m3、质量流量为0.01 kg/s物料,下落高度0.2 m时中心轴线处空气速度约为0.2 m/s,四周空气流速约为0.05 m/s;下落高度0.5 m时中心轴线处空气速度约为0.3 m/s,四周空气流速约为0.1 m/s,并得到空气流动的速度云图,表明空气速度沿颗粒下落方向向周围呈涡旋状态。

表1 颗粒沉降和堆积运动中的数学模型

图1 颗粒沉降所诱导的空气流动[14]

1.2 筒仓内粮食堆积过程中的分级

通过沉降运动落入筒仓的粮食在仓底部逐渐堆积形成锥形粮堆,后续进仓的粮食不断落到粮堆表面上,通过滑动、滚动、坍塌、筛分、碰撞等复杂运动,粮堆不断增大、增高直至装满筒仓。在粮食的堆积过程中由于滚动效应、静止角效应、碰撞效应、气流作用、筛分效应等导致分级现象产生[24]。Jian等[11]将物料堆积发生分级的机理简化为4种作用:运动轨迹效应、流态化效应、筛分效应和碰撞效应。运动轨迹效应是指粒径不同的颗粒空气阻力与重力的比值不同,在以一定的倾角进料时,大颗粒沉积在远离进料口区域而更多的小颗粒集中在进料口附近。流态化效应是指这些颗粒由于不同的静止角作用、颗粒的撞击或其他颗粒的运动而形成像水一样由高处向低处的流动的现象。筛分效应是指较小颗粒在形成的堆斜面运动的过程中,更容易被大颗粒之间形成的间隙所捕获的现象。碰撞效应是指颗粒在下落或者在堆顶面运动的过程中发生相互撞击,较小颗粒被大颗粒碰撞到远处的现象。

Matthee[25]对颗粒在锥形料堆斜面上的滑动和滚动进行了研究。当颗粒以滑动的形式在斜面上运动时,发生分级的主要因素是物料颗粒本身的摩擦系数,摩擦系数越大,在斜面上运动的距离越小。当颗粒以滚动的形式在斜面上运动时,粒径较小的颗粒会嵌入到大颗粒之间的空隙中并停留在料堆的中上部。同时也研究了小颗粒的滚动阻力大于大颗粒的滚动阻力,这也是大颗粒较小颗粒会在斜面上滚动的更远的原因之一。

王永昌等[12,26]对粮食堆积而成的斜面上的物料运动进行受力分析发现,静止角较小的粮粒沿斜面做下滑运动,静止角较大的杂质将停留在粮堆斜面上。Mosby等[14]研究了在精盐中添加质量分数为20%的绿豆所形成的混合物的入仓分级情况,指出由于高含盐量,筛分效应受到抑制,在仓壁面附近仍以绿豆为主,分级的原因是与绿豆相比,盐的静止角更大,这导致绿豆在盐形成的表面上滚动造成分级。再次利用细铜矿粉和粗砂两种物料分批进行沉降堆积实验,发现形成的混合堆积体中具有较大静止角的粗砂颗粒会在堆顶部先形成较陡的斜坡,较小静止角的细铜矿粉颗粒会沿着较陡斜坡下滑,最后较小静止角的细铜矿粉会集中在堆的边缘。

对于颗粒堆积形成倾斜面后,带有一定速度的颗粒落到已经形成的料堆上时,由于下落的颗粒本身具有一定的质量,在颗粒与颗粒之间产生的这种压实力使得颗粒下落到堆顶部暂时形成大角度斜坡θ1。随着来料颗粒增多,斜坡的角度不断变大,变化角度为δ,到达一定的极限时角度最大为θ2,若继续入料,这种暂时的平衡就会被打破[11],发生坍塌现象(图2)。在堆上部具有较小静止角的颗粒会沿斜面向下运动,同时料堆角度减小,颗粒与颗粒运动形成交错的层,发生分级现象。随着入料的继续,堆顶部又会形成高角度堆顶,随之而来的下一次颗粒坍塌又会发生,分级现象再一次产生。

图2 颗粒坍塌效应[11]

当大颗粒之间形成缝隙时,小颗粒就会在运动过程中嵌入其中,被颗粒之间形成的间隙所捕获的现象[27],或密度不同的颗粒沿着斜面运动,发生分层现象即颗粒的筛分效应(图3)。王宁生[28]将混合颗粒看作连续流体,推导出颗粒在纵向方向上的速度,并分析颗粒所受到的渗透阻力与其所在位置及混合颗粒的空隙率有关。

图3 颗粒筛分效应[27]

Takagi等[29]将下落的颗粒流划分为中心M区域和颗粒流周围的S区域。对于中心M区域,颗粒会落到已经形成的堆顶部并依次向上方堆积,而处于颗粒流周围S区域的颗粒下落至堆斜面的上部时,由于颗粒具有一定的速度、较高的动量,撞击到斜面上向四周反弹分散至堆的中下部,形成分级现象(图4)。黄朋举等[22]以粒径0.1 mm的氧化铝材料,在1.1 m下落高度下进行下落随机反弹模拟实验,模拟结果显示随着颗粒下落高度的增加,颗粒反弹、横向迁移半径也随之增加。Yi等[30]研究具有一定速度的颗粒碰撞到粮堆斜面发生反弹时,较大的颗粒更容易发生分级,归结为大颗粒所受到的重力与空气阻力之比较大,落到斜面上时会有较大的动量,在撞击时产生的反弹作用更大,相比于小颗粒就会远离堆的中心点。Jian等[31]指出颗粒流落到料堆顶部时,会发生颗粒之间的相互碰撞的现象。大颗粒因为具有较大的动量,在碰撞的过程中小颗粒获得更大的动量从而被弹开至堆的远端,而大颗粒留在堆的上部形成分级现象。Narendran等[32]对物料入仓后油菜籽在仓外围的含量高,而大豆、芸豆等在仓中心含量较高这一现象做出解释:在混合物下落到料堆顶部时,油菜籽、大豆和芸豆相互碰撞,具有较大动量的大颗粒撞击油菜籽等小颗粒使其向外部反弹。随着下落高度的增加,对油菜籽这些小颗粒的冲击力增加,使得更多油菜籽被弹到仓外围。

图4 颗粒反弹效应[29]

粮食或其他物料入仓或沉降、堆积过程中由于多种复杂的运动而产生分级现象,研究者还得到了一系列的数学模型,如表1所示。

2 粮食入仓分级的实验研究

2.1 粮库筒仓粮食分级的实际测定

为了掌握入仓后粮食在筒仓内的真实分布情况,研究人员对筒仓内的粮食分布情况进行了大量实测。

杨文生[33]在2014年对中央储备粮镇江直属库直径30 m筒仓内的大豆进行扦样测定。在大豆中大杂主要是筛下物以及混杂的沙石、砖瓦块、豆梗、豆壳等,小杂主要是种皮、细屑、无使用价值的大豆粒、异粒粮等。扦样结果显示,质量分数50%以上的杂质集中在距离中心半径5 m的范围内,且以大杂居多。小杂则相对大杂更容易集中在仓的外围。并对这一现象做出解释:大杂在粮堆表面与表面发生较小的相对运动,而小杂则会在仓内气流的带动下在水平方向上发生较大的位移,产生分级现象。张峻岭等[34]对镇江粮库筒仓内所储藏的10 000 t大豆的物料分布结果进行分析,得到外圈中杂质质量分数的平均值在1%左右,靠内圈杂质的质量分数在3%～10%不等,内圈杂质质量分数的平均值高于外圈,可见杂质大部分集中在筒仓的中心处。刘根平等[35]对含杂质量分数为2.7%的大豆在直径30 m的浅圆仓中进行入仓扦样实验,主要是对中心部位直径6 m内的大豆进行分层扦样实验。结果显示中心处的杂质在竖直方向上主要分布在筒仓的中上部,底部的杂质含量较少。庄泽敏等[36]对含杂质量分数为1.1%的大豆进行入仓实验,实验结果表明在直径25 m筒仓中,中心部位杂质的质量分数高达12.1%,形成连续、大范围柱状杂质聚集区;各个层面上杂质的质量分数在2.1%～18.9%之间,在竖直方向上的杂质相对来说较为分散。

周延智等[37]在广东省储备粮管理总公司东莞直属库中选取直径25 m、装粮高度30.4 m的浅圆仓作为实验仓房,对杂质质量分数为1%、水质量分数为13.5%的三等小麦进行扦样。结果显示在水平方向上轻杂含量随直径的增大而增大,在距中心12 m处轻杂质量分数达到0.25%左右。重杂质量分数随直径增大而减少,在中心位置高达2.6%,在仓壁周围稳定在0.4%左右。此外在现场观察到中心位置重杂的质量分数较大,高达至8.2%。吕军仓等[38]在中央储备粮西安大明宫直属库,对直径30 m浅圆仓、杂质质量分数为0.7%的硬质冬小麦进行扦样分析。结果显示随着筒仓半径及粮面高度的增加,杂质呈现出减少的趋势,说明在筒仓的中心及下半部位的杂质含量较高。张峻岭等[34]对在郑州粮库仓容为8 000 t的筒仓小麦进行入仓实验分析,结果表明在仓中心处杂质的质量分数一直较高,在3%～8%之间波动,最高达到12%。而在仓直径6 m范围内杂质质量分数一直稳定在1%左右,整体结果表明杂质多在仓中心聚集。

此外,还有刘磊等[39-41]分别在粮库中对浅圆仓内杂质含量进行测定,结果均显示大杂质在筒仓中心处含量较高,多为大杂质,而细小的灰尘细屑等集中在筒仓的边缘处形成分级现象。

2.2 模拟仓粮食分级实验研究

粮库及港口、码头的筒仓机械化程度高,入仓产量大,一条固定式入粮线可达2 000 t/h[42],加之粮食卸船(车)入仓时间的限制,很难在筒仓入粮的过程中进行粮食分级的扦样、实验等研究。因此,在一些科研部门按照一定比例来建造模型筒仓,通过在模拟仓中进行反复的粮食入仓实验以实现对筒仓粮食入仓分级实验的研究。

Prasad等[43]在1974年用半径为2.1 m的筒仓对小麦、油菜籽的入仓分级情况进行实验研究。实验中将所有外来物质以及破碎的谷物定义为杂质,其中又将外来物质分为大杂和小杂。实验结果表明当进仓物料为小麦时其杂质主要为小杂,多在距筒仓中心半径1.6～2.1 m之间的环形区域杂质分布,其质量分数约为7%。在以油菜籽为进仓物料时杂质主要以大杂居多,在距筒仓壁0.3 m的环形区域内大杂的质量分数较高接近10%。Chang等[44-46]分别以小麦、玉米、高粱3种谷物在直径3.2 m的筒仓中进行入仓,并对细料杂质的分布进行研究。实验结果显示使用杂质质量分数为2%的小麦为原料进仓时,在距筒仓中心0.4 m的圆形范围内杂质的质量分数较高,约为5%;当使用杂质质量分数为3.17%的玉米进行入仓时,筒仓中心杂质的质量分数约为7%;当使用杂质质量分数为3.87%的高粱进行入仓时,杂质也同样聚集在筒仓中心处,其杂质的质量分数约为7%。Parker等[47]以质量分数为91%的小麦为主要物料,其中添加质量分数4.5%的油菜籽作为小颗粒杂质,添加质量分数4.5%的大豆作为大颗粒杂质,在仓容为0.30 m3的仓中对颗粒分级情况进行实验研究,结果显示当下落高度为0.65 m时,大豆这类大杂在仓壁处分布明显比仓中心处含量较多,仓中心杂质质量在41.6 g,而仓壁处为52.2 g;油菜籽这类小杂质其含量在中心处较多,仓中心杂质质量在44.4 g,而仓壁处为24.3 g。这可能是由于小麦颗粒堆积,颗粒与颗粒之间则形成缝隙,这种缝隙就会使得油菜籽这种小颗粒进入缝隙之中而被固定在仓的中心部位,而大颗粒具有较大的质量,从进料点落到粮堆上则具有较大的动量,就会沿斜面发生滚动最后在仓壁处聚集,形成分级的现象。

Salarikia等[48]以杂质质量分数0.804%的小麦作为实验对象,在直径10 m、高5 m的圆筒仓中进行实验。将大于2 mm的物质视为大杂质,小于2 mm的物质视为小杂质,实验结果显示大杂质主要集中在距筒仓中心1 m内的圆形区域及距筒仓半径3.75 m以外的仓壁处的环形区域,小杂质则多集中在距筒仓中心1.25 m的范围内,质量分数高达3%。Narendran等[32]以仓半径为2 m仓容量为1.25 m3的筒仓作为模拟仓,以小麦为主要物料,以油菜籽来模拟小颗粒杂质、以芸豆及大豆等模拟大颗粒杂质来分析杂质入仓的分级偏析情况。结果显示油菜籽这种小杂质在距筒仓中心1 m处的含量最多,质量分数为3%,芸豆和大豆等大杂在距离中心0.5 m处的含量较多,质量分数为1%～2%,可见相较于小麦来说,大杂主要分布在筒仓中心,小杂多分布在筒仓边缘处。

Jayas等[49,50]以油菜籽为入仓物料、在半径为2.3 m的平底筒仓进行实验研究,定义16目的筛下物质为细料,在12目筛网上的物质为谷壳、秸秆等。结果表明对于谷壳的分布更多集中在距筒仓半径1.75～2.3 m之间的环形区域,多分布在筒仓壁处,而细料等较小的筛下物多集中在距筒仓中心0.5 m范围内。Moghadami等[51,52]设计了一种直径为1 m特殊筒仓,筒仓由7个环层叠组成,每层高约0.14 m,进料结束后可用中间隔板将环与环分开,便于后续环层取样而不影响到其他区域。本实验以去壳玉米作为研究对象,将其中的破碎玉米及其他细料视为小杂,经实验结果表明每个环中所取得样品的杂质含量都随半径的增大而减少,在距环中心0.28 m的半径范围内杂质的质量分数在12%～20%之间呈减小的趋势,在距环0.5 m处的边缘杂质质量分数下降至4%左右。

此外,还有学者使用其他材料如氧化铝和玻璃球等来研究颗粒堆积后不同颗粒处在不同位置而形成的分级现象[53-58],对于粒径来说,较大颗粒更倾向于集中在筒仓远端,较小颗粒则聚集在筒仓中心部分;对于不同密度的颗粒,密度较大的颗粒则更容易聚集在筒仓中心区域,密度较小的颗粒则多分布在筒仓边缘处形成分级的现象。

3 总结与展望

浅圆仓进粮的特点是进粮口位于仓顶中心、落差大,粮食从仓顶落下形成粮堆的过程包含了众多复杂的运动以及相互作用,如自由落体运动、碰撞与反弹运动、坍塌运动、滚动与滑动运动、气流的作用等,最终由于运动轨迹效应、流态化效应、筛分效应和碰撞效应等产生粮食堆积后的分级现象。筒仓粮食的分级与粮食品种、粮食中各组分的大小、形状、密度等特性以及粮仓的高度、直径等尺寸密切相关,此外还受到入仓方式、入粮速度、入料角度及质量流量等多项工艺参数的影响。

虽然粮食的品种、组分等特性是粮食所固有,以及筒仓的直径、高度等尺寸是实际生产所需求的,但是从粮食入仓的众多且复杂的分级机理中可以得到,通过改变入仓方式、粮食的入仓速度和方向角等工艺参数以及通过辅助入仓装置降低入仓粮食的“有效落差”“有效速度”等因素来降低粮食的分级,是可行的。