Ступенчатое измельчение молотковой и вальцовой дробилкой

[Translate to Russisch:] Image alttext

Оптимизация структуры частиц в комбикормовой смеси для свиней с высоким содержанием ячменя за счет ступенчатого измельчения на молотковой и вальцовой дробилке.

Вступление

Опыты по кормлению животных показывают, что не только рецептура и ее компоненты оказывают влияние на успех кормления, но и структура корма (гранулометрический состав) и форма корма (например, гранулы, крупка).  При оценке гранулирования необходимо учитывать, что каждый процесс гранулирования связан с дополнительным измельчением более грубых частиц. При оценке комбикорма в виде шрота, например, для свиней, для этого достаточно проведения анализа сухого просеивания, для гранул требуется анализ влажного просеивания, чтобы оценить также эффект измельчения на прессе.   

Проводимые в последнее время опыты по кормлению показали, что более грубая структура комбикорма, прежде всего с небольшой долей тонких частиц,  благоприятно влияет на состояние здоровья свиней. Более ранние научные исследования показали, что более тонкий продукт дает лучшее усвоение, но тогда не было всестороннего изучения этого вопроса и здоровье животных не рассматривалось в течение длительного времени.  Различные исследования, проводимые в 90-х годах, и последние опыты показывают, что с возрастанием тонких частиц увеличивается риск возникновения опухолей в желудке и меняется объем желудка. Это ведет к ухудшению потребления корма или в экстремальных случаях к падежу животных. Было установлено, что лучшее усвоение компонентов, например,  крахмала или протеинов, при тонком измельчении было переоценено, тем более что немного худшее усвоение в тонкой кишке большей частью может быть компенсировано последующим ферментативным усвоением в толстой кишке. Более грубое измельчение поддерживает также образование pH-градиентов в желудке и тем самым сопротивляемость желудочно-кишечного тракта к возбудителям заболеваний.

Наряду с питательными и физиологическими аспектами уменьшение тонкой фракции ведет также к тому, что гранулометрический состав становится более однородным, т.е. увеличивается доля частиц среднего размера. Тем самым смесь становится более стабильной и защищенной от расслоения на пути от смесителя к кормушкам. Кроме этого за счет уменьшения тонкой фракции улучшаются текучие свойства в силосных ячеях и кормораздаточных автоматах.

Почти все комбикормовые заводы традиционно оснащены молотковыми дробилками, которые преимущественно используются  для измельчения смесей. Несмотря на ступенчатое измельчение (предварительное и дополнительное) не удается поддерживать долю тонкой фракции на приемлемом уровне [5]. Из мельничного производства известно измельчение пшеницы и ржи на первом проходе с помощью вальцов. Если же использовать для кормления свиней измельченный только на вальцовых дробилках корм, то могут возникнуть проблемы с измельчением оболочек/остей ячменя или овса. Уже давно было установлено, что для измельчения ячменя более подходит ступенчатое измельчение на двухступенчатом вальцовом станке.  

Необходимо, следовательно, найти компромисс, которой объединил бы измельчение вальцами для получения минимальной доли тонкой фракции и измельчение молотковой дробилкой – для измельчения остей и оболочки. Для этой цели один известный комбикормовый завод и машиностроительный завод Амандус Каль ГмбХ и Ко.КГ инициировали проектную работу, которую проводили студенты Института комбикормовой промышленности в Брауншвейге с целью получения корма для свиней с высоким содержанием ячменя и с низким содержанием тонкой фракции (макс. 25 % < 0.5 мм) и при достаточном измельчении  оболочки/остей.

Материал и методы

Для определения влияния различных машин и систем измельчения/дробления на структуру корма использовалась типичная комбикормовая смесь для свиней следующего состава:

  • Ячмень, ок. 30 %
  • Рожь
  • Пшеница
  • Соевый шрот
  • Рапсовый шрот
  • Побочные продукты мельничного помола
  • Предварительные смеси. 

«Естественная» доля тонких частиц  < 0.5 мм в смеси перед измельчением, получаемая от доли добавок и тонких частиц в отдельных видах сырья, составляла ок. 5 %. Все определения тонкой фракции, приводимые далее, касаются  готовой смеси после порционного смесителя.

Для измельчения использовались молотковые и вальцовые дробилки.  Способ работы молотковых дробилок известен. Вальцовые дробилки представляют собой вальцовые станки, которые должны разбивать зерно на мелкие частицы при как можно меньшем проценте мелких частиц. В результате должна получаться не мука, а зернистая крупка с низкой долей тонкой фракции. Для этой цели вальцы (рис. 1) оснащаются рифлями «острие по острию» (S : S). Вальцы имеют различную скорость по окружности с тем, чтобы возникало не раздавливающее, а именно режущее действие. Обычно устанавливается постоянное значение частоты вращения вальцов и опережения. Идеальной же является возможность изменения частоты вращения и опережения непосредственно во время работы.  

Рис. 1: Быстро движущиеся / медленно движущиеся вальцы (слева направо) 

Желаемый размер частиц на вальцовой дробилке (Рис. 2) определяется в т.ч. рифлением/окружностью, опережением и межвальцовым зазором. При частой смене рецептур преимущество дает автоматическое регулирование межвальцового зазора и дистанционное управление  расстояния между вальцами. Важно, чтобы загрузка вальцов осуществлялась  через соответствующий питатель по всей его ширине для достижения равномерной нагрузки на вальцы и обеспечения максимальной производительности.

Ниже приводится характеристика использовавшихся для измельчения машин:

BWS - Вальцовая дробилка 2, двойная, с 2 парами вальцов 

  • Изготовитель: «Amandus Kahl»
  • Диаметр вальцов: 300 мм
  • Длина вальцов: 1500 мм
  • Рифление: вверху 2.9 R/см SS , внизу 3.7 R/см SS
  • Опережение: 1: 1.5
  • Привод: 45 кВт
  • Рис. 2:     Вальцовая дробилка (BWS), одноступенчатая, двойная / 2-х ступенчатая

BWS - Вальцовая дробилка 1, простая, с одной парой вальцов 

  • Диаметр вальцов: 250 мм
  • Длина вальцов: 1000 мм
  • Рифление: 5 R/см
  • Опережение: 1: 1.3
  • Привод: 15 кВт

LMW – Лабораторная дробилка 100 (Рис. 3)

  • Изготовитель: «Neuhaus Neotec» (Группа «Amandus Kahl»)
  • Диаметр вальцов: 250 мм
  • Длина вальцов: 100 мм
  • Рифление: 4 R/см и другие возможности выбора
  • Частота вращения: на кажом вальце с плавной регулировкой
  • Опережение: 1:2.3 варьируемо
  • Привод: 2 x 2.2 кВт
  • Рис. 3: Лабораторная дробилка LWM 100

HM – Молотковая дробилка  

  • Диаметр камеры помола: 1200 мм
  • Ширина камеры помола: 640 мм
  • Перфорация сита: предварит. дробилка 10/6 мм, дополнит. дробилка 2 x 3.5 мм
  • Частота вращения: 1000/1500 U/мин
  • Окружная скорость: 60/90 м/сек
  • Привод: 155/210 кВт

Анализ на сите:

  • Деление проб прибл. по 100 г
  • Просеивающая машина «Retsch», амплитуда 1.6, продолжительность просеивания 10 мин

Для исследований было выбрано 4 варианта применения: 

  1. BWS = Вальцовая дробилка, (2-х ступенчатая / двойная) без промежуточного просеивания 
  2. HM + HM  = Ступенчатое измельчение: молотковая дробилка, с  предварительной и дополнительной дробилкой и с промежуточным просеиванием
  3. HM + BWS = Ступенчатое измельчение: молотковая дробилка + вальцовая дробилка (1-ступенчатая) с промежуточным просеиванием
  4. HM + LMW = Ступенчатое измельчение: молотковая дробилка + лабораторная дробилка с промежуточным просеиванием

Не сравнивался вариант BWS + HM с промежуточным просеиванием. Предварительные испытания показали, что относительно измельчения остей лучшие результаты дало сочетание "сначала HM, затем BWS" , чем обратное расположение  "вначале BWS, затем HM". Молотковая дробилка HM на 2-й стадии измельчения  дает больший процент тонкой фракции, чем при расположении наоборот.

Все испытания проводились в практических условиях с высокой производительностью; исключая сочетание HM + лабораторная дробилка LMW. Здесь на 1-й стадии измельчение производилось с высокой производительностью, а затем часть обработанного на 1-й стадии продукта дополнительно измельчалась на  лабораторной дробилке LMW. 

Результаты

Для оценки результатов измельчения производилось разделение на следующие  фракции по размеру частиц:

  • тонкие; означает диапазон < 0.5 мм
  • средние; означает диапазон от 0.5 до 1.6 мм
  • грубые; означает диапазон от 1.6 до 2.0 мм
  • очень грубые; означает диапазон > 2.0 мм

Целью было получить как можно более широкий средний диапазон с размером частиц 1.0 – 1.1 мм. Диапазон тонких частиц < 0.5 мм должен быть как можно ниже и не превышать 25 %. В связи с этим необходимо указать на то, что указание "средний размер частиц" не указывает на содержание  в смеси тонкой фракции < 0.5 мм. Поэтому лучше определять средний диапазон, например, от 0.5 до 1.6 мм.

Все варианты расположения машин и различные варианты измельчения приведены ниже: 

Вариант 1:

Измельчение с 2-х ступенчатой вальцовой дробилкой BWS (Рис.4)

Рис. 4: Вариант 1, схема установки и диаграмма

Результат показывает, что доля тонкой фракции ниже 25 %. Но при этом имеется еще доля очень грубой фракции величиной ок. 20 %, что, впрочем, не должно рассматриваться негативно. Структура имеет относительно широкий диапазон. Поскольку здесь нет промежуточного просеивания и дополнительного измельчения. Эта грубая фракция состоит преимущественно из частиц оболочки/остей. 

Вариант 2: 

Измельчение с молотковой дробилкой - ступенчатое измельчение, HM + HM (Рис. 5)

Рис. 5: Вариант 2, схема установки и диаграмма 

Несмотря на выбор более грубой перфорации сита на предварительном измельчении и небольшой окружной скорости возникает очень высокий процент тонкой фракции. 

Вариант 3:

Ступенчатое измельчение и вальцовая дробилка, HM + BWS (Рис. 6)

Рис. 6: Вариант 3, схема установки и диаграмма

При этом варианте достигается очень хороший результат, который по всем диапазонам соответствует поставленной цели.  Доля тонкой фракции < 0.5 мм составляет  менее 25 %, а доля очень грубой фракции менее 5 %. Самый большой процент составляет доля частиц среднего размера. Тем самым продукт имеет относительно узкий, оптически однородный гранулометрический состав.

Вариант 4:

Ступенчатое измельчение молотковая и лабораторная дробилка HM + LMW (Рис. 7) 

Рис. 7: Вариант 4, схема установки и диаграмма

Вариант 4 показал еще большее улучшение по сравнению с вариантом 3, вызванное изменением значений опережения и окружной скорости вальцов. Это было невозможно на используемых на предприятии вальцовых дробилках BWS, но в принципе они могут быть дооснащены этой функцией. Этот вариант показывает, что за счет изменения значений окружной скорости вальцов и опережения можно достичь оптимизации гранулометрического состава.

Уменьшение удельного расхода электроэнергии в кВтч/т

Во всех вариантах проводилось измерение эффективности и считывались показания счетчиков расхода электроэнергии в кВтч/т. В данном сообщении не приводится детализация результатов. В целом можно утверждать, что расход электроэнергии при варианте BWS 2 прибл. на 50% меньше, чем при варианте HM+HM, а вариант HM+BWS по отношению HM+HM дает уменьшение расхода электроэнергии прибл. на 30 %. 

Выводы

Для наглядности результаты измельчения вариантов 1 - 3 приведены в сводной диаграмме  (Рис. 8). Особенно при противопоставлении плотности распределения видно, какой из вариантов имеет наименьший процент тонкой фракции.

Рис. 8: Сводная диаграмма результатов ступенчатого измельчения на  BWS по сравнению с  HM + HM и с  HM + BWS

Возможны следующие выводы:

  • Измельчение на BWS или на  HM+BWS ведет к существенному снижению доли тонкой фракции по сравнению с измельчением на HM+HM. Заданное в постановке задач значение макс. 25 % < 0.5 мм  во всех случаях было достигнуто.
  • Максимальный процент фракции с частицами среднего размера был достигнут при ступенчатом измельчении на HM+BWS.
  • Путем увеличения значения опережения на BWS было получено улучшение результатов. Поэтому рекомендуется регулировать частоту вращения непосредственно во время работы дробилок.
  • Гранулометрический состав при измельчении на HM+BWS более однородный и меньше подвержен расслоению при одновременно лучших текучих свойствах. Оптически продукт выглядит также более гомогенным. Это четко видно по высокой концентрации частиц среднего  размера частиц. Оболочки ячменя достаточно измельчены.  
  • При испытаниях было установлено, что удельный расход электроэнергии может быть за счет использования BWS существенно снижен.
  • В противоположность молотковой дробилке для вальцовых станков не требуется вообще аспирационный воздух, а при установке камнеотборника лишь его очень незначительное количество. Затраты на оснастку в соответствии с нормами взрывобезопасности ATEX соответственно существенно снижаются.
  • Заметная экономия энергозатрат при использовании вальцовой дробилки по сравнению с молотковой.

Перспективы 

Данная работа показывает, что путем встраивания вальцовых дробилок в новые или существующие линии  можно существенно улучшить структуру комбикорма для свиней при существенном снижении расходов на электроэнергию.

Другой возможностью уменьшения доли грубых остей ячменя является предварительная обработка ячменя на прессе с плоской матрицей с последующим смешиванием до поступления на смешанное измельчение.

Испытания на опытной установке показали, что ости/оболочки при измельчении на модифицированном в бегунковый измельчитель прессе с плоской матрицей  расщепляются не в продольном, как у молотковых и прежде всего у вальцовых дробилок , а в поперечном направлении.

С помощью шлифовальных машин фирмы «Schule» типа VPC можно, отшлифовывать ости/оболочки с цельного зерна до определенного процента. Здесь можно подумать об отдельном альтернативном использовании фракции отшлифованных и сепарированных остей/оболочек.

Резюме

Исследования проблем кормления животных показывают, что высокая доля тонких частиц в комбикорме для свиней может неблагоприятно сказываться на их здоровье и продуктивности. Причиной этого могут быть образование у животных опухолей желудка, из-за неоптимального в нем режима рН, а также нарушения здоровья, вызванные болезнетворными возбудителями в желудочно-кишечном тракте.  С технической точки зрения неоднородный гранулометрический состав приводит к расслоению смеси и к плохим текучим свойствам в силосных ячеях. Для предотвращения названного выше негативного воздействия при кормлении шротообразным кормом необходимо стремиться к доле тонкой фракции < 5 мм до 25 %, и к гранулометрическому составу в диапазоне от 0.5 до 1.6 мм. Оболочки/ости ячменя должны по возможности измельчаться до такой степени, чтобы исключалось их неблагоприятное воздействие на потребление и конверсию корма, и чтобы они не ухудшали текучие свойства.

Преимущества измельчения обогащенных кукурузой и пшеницей смесей на вальцовых дробилках для птицеводческой промышленности хорошо известны. Подлежал  выяснению вопрос о возможности использования вальцовых дробилок для производства комбикорма для свиней с высоким содержанием ячменя. В рамках проектной работы студентов Института комбикормовой промышленности в Брауншвейге (DMSB), проведенной при поддержке известного комбикормового завода и машиностроительного завода «Амандус Каль ГмбХ и Ко.КГ», сравнивались различные варианты измельчения на установках с высокой производительностью комбикорма, богатого содержанием ячменя стандартной рецептуры. Противопоставлялись варианты многочисленных испытаний:

  • Вальцовая дробилка, двойная
  • Ступенчатое измельчение на молотковой дробилке с предварительным и дополнительным измельчением
  • Ступенчатое измельчение на вальцовой дробилке