饲料调质工艺与设备的讨论.doc

饲料调质工艺与设备的讨论王永昌调质是饲料制粒和膨化工艺的重要组成部分，自饲料制粒机与饲料膨化机问世以来，饲料调质工艺与设备一直在不断的发展，特别是近20年国内外水产养殖的迅猛发展，由于水产饲料对耐水性等特殊的需求，使饲料调质工艺与设备突飞猛进的发展，出现了百花齐放的局面。为了更好地了解饲料调质对成品质量的影响，现对饲料调质的工艺与设备进行一些讨论。1 饲料调质的目的与调质机理饲料调质就是饲料熟化过程之一，使生粉料转化为具有一定熟度的粉料，饲料良好的调质工艺和设备有利于饲料制粒和膨化成型。1.1 饲料调质的目的1.1.1 有利于饲料制粒成型使饲料易制粒成型，降低制粒的粉化率。1.1.2 提高饲料的消化吸收率使蛋白及淀粉等组分的消化吸收率可提高10%12%。1.1.3 增加水产颗粒饲料在水中的稳定性提高了淀粉的糊化度，使颗粒饲料在水中的稳定性可达30min，最长达36h，其稳定性主要是取决于配方和调质性能。当然制粒过程亦有助于提高水中稳定性。1.1.4 提高制粒机的产量，降低电耗提高制粒机的产量达25%50%以上。1.1.5 减少压模和压辊的磨损压模和压辊的寿命延长30%50%。1.1.6 破坏和灭杀有害因子达20%60%以上。1.1.7 调质过程中可添加23种液态组分。由于调质过程是饲料经一定时间的热量和质量（水分）蒸汽处理，所以，高温的蒸汽对饲料热敏组分将产生不同程度的损失。如何既能减少热敏组分的损失，又能使饲料获得良好调质效果的工艺，至今尚未得到较好的解决，说明在饲料调质工艺和热敏组分的品种及添加工艺上，还很多课题需进行共同研究提高。现就饲料调质工艺设备进行如下分析讨论供参考。1.2 饲料调质的机理和调质过程饲料调质就是饲料水热处理的过程，饲料调质实际是气相（蒸汽）、液相（细微水分散的水滴）的热量、质量向固相（粉状物料）传递热量和质量的过程。蒸汽在饲料调质过程中，它既是传热体，又是传湿体。而且，饲料在调质过程中热量和质量不断地发生变化，调质亦是蒸汽中的热量和质量通过粉状颗粒物料的外表面向内部转移的过程。粉状物料的调质是蒸汽均匀围绕粉状物料的周围，靠近颗粒物料的表面形成界面层的过程。调质过程的传热和传质的速度，决定于蒸汽和粉状颗粒物料内部与界面层的温度梯度、速度梯度、湿度梯度、物料性质（密度、颗粒大小、含水量）等因素。当低温和含水分较低的固相粉状物料进入有一定转速的调质器内，蒸汽压力从200400kpa降为常压，蒸汽温度从142.9158降为100，这就开始进行生粉料的调质熟化。而物料熟化的关键是蒸汽的品质（指蒸汽含水量和焓值高低），由于蒸汽分为湿蒸汽，饱和蒸汽（干蒸汽），过热蒸汽（见图1）。三者的区别在于焓值（kJ/kg）和温度不同。湿蒸汽焓值较低，湿蒸汽和饱和蒸汽（干蒸汽）的温度相同（100），但饱和蒸汽焓值高于湿蒸汽。而过热蒸汽的焓值、温度高于前两者。湿蒸汽是水（细微分散的水滴）和蒸汽的混合物。如果对其继续加热量，焓值增加，蒸汽温度并不升高，该热能供给细微分散的水滴汽化的热能（汽化潜热），供热能越多，焓值越高，蒸汽含水量越低，蒸汽含量越高。含蒸汽的程度为蒸汽的饱和度（干度），如蒸汽的饱和度（干度）x=0.8说明80%是蒸汽，20%是细微分散的水滴。在常压下蒸汽含量达到100%，即在100饱和温度下，蒸汽就成为不含有水的蒸汽，这蒸汽就是饱和蒸汽。当对该饱和蒸汽继续加热，饱和蒸汽的焓值和温度继续增加，该蒸汽成为过热蒸汽，这过热蒸汽是制粒需要的蒸汽品质。如果随着蒸汽压力的增加，水的汽化温度亦随之提高，同样形成湿蒸汽，饱和蒸汽，过热蒸汽的需要温度亦相应提高（见图1曲线上移）。高温的过热蒸汽，焓值高，热量多，无含水，过热蒸汽进入调质器内压力从200400kpa降为常压，温度从142.9158降为100后，转化为饱和蒸汽或湿蒸汽。同时蒸汽释放热量，饱和蒸汽的饱和度亦逐渐下降，饱和蒸汽中含水量逐渐增加，并继续释放热量，但蒸汽温度仍保持100。此时，热蒸汽和冷的固相粉状物料相遇，由于热蒸汽和粉状物料之间既有温度梯度（温度差），又有湿度梯度（湿度差）。所以，热蒸汽和冷固相粉状物料之间就既产生热量传递，又有质量（水分）的传递，热蒸汽与和固相粉状物料之间的焓值差,就是热量和质量传递的推动力。调质过程是蒸汽的热量、质量同时、同向经粉状物料的外表面向内部传热和传质的过程。而且，热蒸汽和粉状物料之间热量和质量在传递过程中总量是平衡的（略去调质器内空气温度上升和调质器机筒散发的热量）。在传热和传质过程中，蒸汽热量释放，使粉状物料温度上升到调质所需的温度（制粒8085，膨化95以上），饱和蒸汽的饱和度继续下降，饱和蒸汽中逐渐增加的含水量。当调质器常用的粉状物料调质温度为8085和蒸汽的饱和度（干度）X=0.60.9时，在该条件下,大致可认为粉状物料每升高11，其水分增加1%。使粉状物料吸收或外加水分后达到制粒、膨化所需含水量（制粒17%18%，膨化28%30%）。为了确保制粒要求水分低，所以，采用过热蒸汽是合理的，如采用湿蒸汽易析出过多的水分，影响制粒。膨化宜用供汽量较多的饱和度（干度）较高的饱和蒸汽或较低的过热蒸汽，使粉状颗粒物料既能得到较多水分，又能得到较高温度，就符合了物料膨化的要求。在结构上制粒的调质器应隔热保温好，膨化调质器可以无隔热保温处理。调质的目标和要求:饲料粉料在调质过程中水和热共同作用下，使粉状颗粒物料软化。调质软化要求是，能使颗粒物料中心都达到软化为最佳，是调质的目标和要求。调质过程中蒸汽中的水蒸汽分压高于粉状颗粒物料表面水蒸汽分压，为此，粉状颗粒物料表面不断地吸收水蒸汽中的水分（见图2，从14为物料吸收水的过程）。此时，粉状物料表面水分高于物料的内部水分（即湿度梯度）。为此，物料表面水分和内部水分之间有水分压差，并遵循水分压高的区域向水分压低的区域流动的规律。所以，粉状颗粒物料不仅表面吸附水分，而且,向内部转移。粉状颗粒物料在调质器的打板打击和翻动下，使蒸汽流动的速度梯度在物料颗粒表面和颗粒不同位置的表面明显增加。由于，物料颗粒表面不同部位的速度梯度不同，使物料颗粒表面的温度梯度和湿度梯度都增加。所以，加速了蒸汽与物料之间和物料表面与物料内部之间的传热和传质过程。同时打板对物料颗粒有一定的挤压，增加了水分向颗粒内部转移。水分转移的速度除水蒸汽分压外，还与颗粒的大小、颗粒密度、颗粒状态及调质器转速等因素有关。如调质器转速高，粉状颗粒翻动激烈，速度梯度增加得更多，蒸汽与物料接触均匀度好。打击力大，蒸汽与粉状颗粒接触充分，水分向颗粒内部转移快，水分的添加量亦可增多。该水分的转移称之水分的内扩散，使粉状颗粒物料增加水分。该增加的水分为物理化学结合水和机械结合水（游离水亦称自由水），当物料调质水分在18%时，其中以物理化学结合水（渗透结合水）是粉状颗粒增加水分的主体。此外,有部分蒸汽水滴吸附在粉状颗粒表面而形成的机械结合水（游离水，自由水）。粉状颗粒原有的化学结合水（结晶水）与物理化学结合水及调质增加的物理化学结合水，就成为粉状颗粒物料在该温度下，相对湿度下的平衡水分（见图3），该平衡水分随温度和相对湿度变化而变化。粉状物料的平衡水分随温度增加而下降，随相对湿度升高而增加。由于物料的物理化学结合水和适量表面的机械结合水（游离水即自由水2%3%）对制粒十分有利，从而能获得良好的制粒效果。粉状颗粒物料在调质器内的高温和水分两因素的共同作用下，经过适当时间的调质保温，淀粉糊化，蛋白变性，有害因子得到破坏和灭活，粉状颗粒物料软化，达到较佳的制粒效果。可以说，饲料调质是饲料制粒和膨化过程的十分关键工序，没有优良调质工艺和设备，就难以获得高产量、优质、低能耗的制粒、膨化效果。由于制粒、膨化工序中要求物料的含水率不同，制粒一般在17%18%，而膨化要求在28%30%。调质温度一般在8090，一般情况下,调质器内的蒸汽的饱和度在65%95%。此时，物料亦应有对应的平衡水分(达到调质条件下的平衡水分需要时间，否则不能达到其平衡水分的量)，制粒、膨化在调质后的物理化学结合水的水分须在16%和22%25%左右,而机械结合水（游离水，自由水）有2%3%和3%5%左右。为此，两者对物料含水率要求不同，显然对蒸汽要求有所不同，两者调质的工艺参数亦就不同，才能保证调质后的物料具有不同的水分增加量。对制粒要求的蒸汽是过热蒸汽为好，但蒸汽用量少。而膨化需要的蒸汽用量比制粒所用蒸汽量多，才能确保膨化物料调质后的高温和高水分（由于蒸汽调质时间较短，蒸汽调质后增加水分不够，难以达到该条件下的平衡水分，需在混合工段内加入水分）的要求。以上分析，尚未考虑蒸汽的利用率，制粒过程蒸汽耗量为调质物料流量的3.5%4%（包括其它加热和损耗达5%）左右。2 调质工艺与设备的发展过程饲料调质工艺与设备中对水和热作用的认识是逐步加深。所以，调质工艺与设备一直在发展，而且是形式繁多，虽然水和热处理对制粒和膨化的重要性，目前已得到了比较广泛的共识，使饲料水和热处理工序得到了空前的加强，调质效果明显提高。但至今饲料调质理论报道极少，大都是从宏观上和概念上来论说。这对调质效果优劣的分析难以确切。调质工艺和设备在20世纪5060年代以前大都是给料和调质同轴组合，60年代末到70年代给料和调质就分开，8090年代相继出现二、三级调质、等直径水平双筒调质、双筒差动调质和釜式调质、高压调质等多种调质工艺和设备，取得了不同的调质效果。从表面看各种调质工艺和设备基本都能符合制粒或膨化要求，实际上不同的调质工艺和设备，其调质的工艺参数（调质器转速、调质时间等）有所不同，为此调质熟化效果亦有较大的差别，不同的调质熟化效果来适应不同物料调质的要求。现作如下讨论。2.1 给料和调质同轴组合的调质工艺和设备20世纪5060年代制粒机的给料是连续螺旋式的，调质是桨叶式的，由于给料量根据制粒的颗粒大小，给料量须变化，转速必需调速，但为了保证调质效果，调质器转速必须恒定，为此，两者不能兼顾。因而，给料和调质同轴组合的调质工艺其调质效果较差。为此，到60年代末到70年代初给料和调质同轴组合的调质工艺，就被给料和调质独立的工艺设备所取代。2.2 给料和调质分开的工艺和设备由于人们认识到给料和调质同轴组合的不利因素，所以，开始将给料和调质分开传动。此时，调质器的长度一般较短，略超过压制室和主传动的长度之和，一般在2 000mm以内。调质器直径一般在300400mm以内，转速为200r/min左右，物料在停留调质器时间在1530s以内。由于给料和调质功能已分工明确，调质器为桨叶，为此，物料调质效果改善，制粒后的淀粉的糊化度可达25%，所以，调质后的淀粉的糊化度亦能在15%20%以内，并可添加多种液体。由于淀粉的糊化度不高，颗粒耐水性就差，因此该调质工艺只能用于禽畜饲料生产，而不能用于耐水要求较高的水产饲料。2.3 等直径水平双筒调质工艺和设备实际上两个单筒调质的组合，仅中间无筒壁，该结构使物料可相互翻动，部分桨叶反向旋转，延长物料在机内停留时间，增强了调质强度，机内停留时间最长达1min，淀粉的糊化度可达20%，调质器转速为100200r/min，以内，调质器为桨叶。可添加多种液体，该机可用于禽畜饲料生产，亦能用于耐水性要求不高的鱼饲料生产。2.4 二、三级调质工艺和设备由于水产饲料耐水性特殊要求，为了增强调质器的调质效果，所以采用了加长二、三级调质工艺与设备，调质器长度达3 0004 000mm。调质器直径仍在300400mm左右，调质器为桨叶，桨叶排列形式多种。前半桨叶与轴夹角成45，后半桨叶与轴平行。相邻两个桨叶与轴夹角成左旋右旋各75。转速低速为100200r/min高速为300r/min，由于增加了调质器长度，高速桨叶增强了调质强度。有些调质器为长筒体还进行保温以减少热量无形损耗，物料在机内停留时间大幅度增加达12min，使调质效果得到了改善，调质后淀粉的糊化度可达25%左右，可添加多种液体，基本符合耐水要求较高的水产饲料使用。25 水平双筒差动调质工艺和设备调质器为双筒差动调质器，小筒桨叶转速高于大筒桨叶转速12倍，为200300r/min左右，其桨叶全部反向推进，将物料推向进口，筒体直径为420480mm。大筒桨叶转速为100r/min左右，桨叶进口处有34组将物料推向出口方向，中部桨叶与轴平行，仅起翻动作用，无推进功能，出口处桨叶有23组将物料推向进口方向，但桨叶推向方向根据物料性质可进行调整，物料推进主要由进口桨叶推进力大于出口桨叶来决定,同时调整桨叶的角度来调整推进速度即物料调质时间。大筒体直径为520560mm。大、小桨叶在直径方向相交，相交量近小桨叶叶片的长度，桨叶端部和桨叶杆部形状大小相同。所以，该机型调质时间可达一般为23min，最长达20min，调质效果较好，调质后淀粉糊化度一般30%，最高的糊化度可达40%50%以上，而且可添加多种液体，双筒差动调质工艺和设备能适应各种水产饲料的调质之用，但造价较高，该调质开始主要用于膨化的调质，现已开始用于制粒的调质。26 高速调质，低速保温均质上下双筒调质器在20032004年与水平双筒差动调质器结构相似的上下双筒调质器已问世，其性能的原理来看高速调质与保温均质分开，功能分工明确，为此，调质效果将优于水平双筒差动调质器。上筒是高速调质,由于调质效果一定程度上取决于调质过程中传热和传质的速度，传热和传质的速度而决定于蒸汽和粉状颗粒物料内部与界面层的温度梯度、速度梯度、湿度梯度、物料性质（密度、颗粒大小、含水量）等因素。而高速调质,就增加了粉状物料和蒸汽、粉状物料表面与物料内部的温度梯度、速度梯度、湿度梯度，从而就提高调质效果。其直径在400480mm,转速在450500r/min。下筒是保温均质，由于要达到调质要求，须要有一定的时间，才能使物料调质更均匀，确保了调质性能的优良。所以，上下高速调质，均质保温的双筒调质器的调质效果必将优于水平双筒差动调质器。其直径在500560mm转速在50100r/min。该调质器液体添加量可达10%以上。2.7 釜式调质工艺和设备釜式调质种类较多，其中较好的釜式调质是物料调质时间达20min左右，可添加多种液体，液体添加量可达10%25%，可调节釜式罐层数来满足不同产量的要求。该调质器的排料由行星螺旋输送机即清仓螺旋输送机，釜式调质器直径1 6002 700mm。2.8 高压调质工艺和设备上面所说的调质器都为常压下作业，达到同样效果，相对于高压调质时间较长，特别是难以调质的颗粒物料，宜用高压调质。调质温度可达100以上，调质时间可较长，但调质器是受压容器，其压力为2080kpa，该调质器使蒸汽中的水和热更容易进入物料内部，而且调质效果较为均匀。以前高压调质特别适用于大颗粒的原料调质处理，如压片原料的调质处理。今后如将高压调质器用于粉状饲料的调质处理，能使调质效果优于常压调质。3 影响调质器调质效果的主要因素调质是制粒或膨化不可缺少的工序，没有良好的调质系统，就没有优良制粒或膨化效果，而影响调质器调质效果的因素较多，主要取决于以下3种因素。3.1 物料性能3.1.1 物料性质由于饲料的组分种类很多，其物料性质不相同，影响调质效果亦不同。根据其主体的组分，物料性质分为蛋白型、淀粉型、纤维型、脂肪型、热敏型等，在调质时作业参数应各不相同。3.1.1.1 蛋白型饲料 蛋白质具有亲水性，调质时水分不宜增加过多，否则易堵塞压膜孔，为此，采用过热蒸汽为好，因为蛋白型饲料调质是热量比增湿更重要。3.1.1.2 淀粉型饲料 淀粉需要高温、高湿的调质条件，所以，采用低压过热蒸汽或在混合机内加一些水分为宜。3.1.1.3 纤维型饲料 纤维持水性和粘结性差，为此水分不宜过高，一般13%14%，料温控制在5560左右。如果料温过高，压制的颗粒易产生裂缝，采用较低的过热蒸汽或在混合机内加少量水分，以降低压制时的料温。3.1.1.4 脂肪型饲料 脂肪型饲料水分不宜过高，为此，采用较高的过热蒸汽有利于脂肪型制粒。3.1.1.5 热敏型饲料 热敏型饲料力求调质温度低，料温控制在60以下，水分不宜高，所以，可采用较低的过热蒸汽或在混合机内加少量水分，来降低料温是有效的。3.1.2 物料的颗粒大小和均匀程度由于饲料的组分种类很多,而相同类型粉状物料的颗粒大小和均匀程度相差亦大，这对调质器操作带来一定的难度并提出了较高的要求。因为调质要求使每个颗粒的中心都软化，如小颗粒调质已达到要求时，则大颗粒调质尚未达到要求。如颗粒粒径相差越大，调质效果就差距越大。国外最新研究结论：提出了“粉状颗粒粒径对调质效果的影响”，力求物料颗粒粒径尽量接近，便于取得均匀的调质效果。为此，对于大型饲料厂对调质要求高的品种，颗粒可先进行分级，再进行调质的工艺，来取得最佳调质效果，同时还能节约能耗。3.1.3 物料的水分水分是影响调质效果的重要因素，在调质温度，调质时间相同情况下，物料的水分含量高，其调质效果优于水分低的物料。由于微生物对湿热的抗性较差，在蒸汽的作用下微生物能在周围介质中吸取高温的水分，因而，对微生物细胞蛋白质的凝固有促进作用，加速微生物死亡（湿热物料微生物死亡时间为较低水分物料的1/3）。所以，在物料的水分含量高的条件下沙门氏菌等霉菌及致病菌和植物血球凝结素、蛋白酶抑制剂有害因子破坏和灭活度高，同时淀粉糊化度亦高。3.2 调质器性能3.2.1 调质器结构和工艺参数3.2.1.1 调质器结构 调质器是单层调质器，还是三层调质器；调质器是长型（34m）、还是短型（2m以下）调质器；是双筒调质器，还是单筒调质器；是等直径调质器，还是差动调质器；是大直径调质器，还是较小直径调质器；是常压调质器，还是高压调质器，其不同的结构对调质效果有较大的影响。如：对调质时间、调质液体组分的添加量、调质的熟度都不尽相同。所以，对于耐水性要求高的虾饲料，对于液体组分的添加量比例较高，宜用调质时间长、调质转速高的调质器，如差动筒调质器。耐水性要求不太高的鱼饲料用三层调质器、双筒调质器、差动调质器均可以，只要调节调质器桨叶的角度来控制调质时间，就可以满足调质要求，但要比较投资的经济性。一般禽畜饲料采用单筒大直径调质器、双筒调质器都能达到使用要求。差动筒调质器、三层调质器、长型调质器、高转速调质器、双筒调质器具有良好的调质性能，其中差动调质器和双筒调质器调质均匀性最佳，因差动调质器解决或改善了纵向调质均匀问题。其它调质器一定程度有纵向调质不均匀问题依然存在。桨叶结构不同调质性能仍然有不同，早期调质器的桨叶名副其实是桨叶，而且逐步从较大面积的桨叶转化为小面积的桨叶，近期调质器的桨叶已成方形杆状（桨叶数量亦是影响调质效果重要因素,目前变化不大）。调质效果很大程度决定物料的翻动性能。桨叶大，面积就大，对物料输送有利，但相对静止的物料就多，翻动性能相对就差。所以，调质效果亦就差。为此，调质器的桨叶逐步发展成有一定面积的方形杆状，桨叶数量增多，减弱了物料输送能力，延长调质时间，有良好的翻动性能，从而，提高了调质效果。3.2.1.2 调质器转速 相同直径的调质器转速对调质效果影响较大，转速高，使调质物料翻动性能加强，亦使蒸汽在物料表面的速度梯度加大，从而加速了调质速度和效果。同时，桨叶转速高，打击力大，加速了水分向物料内部扩散。所以，高转速的调质器具有较好的调质效果，液体组分的添加比例可达10%后,仍然有较好的调质效果。3.2.1.3 调质时间 任何热量传递，质量（水分）传递都需要时间