Проблемы хранения и сушки зерна на элеваторах

Аннотация. Проведен анализ состояния  хранения зерна на элеваторах и развития систем активного вентилирования. Установлено, что наращивание мощностей для хранения осуществляется в настоящее время в основном за счет металлических зернохранилищ, которые не обеспечивают длительное безопасное хранение зерна. На основе обобщения литературных данных определена величина изменения производительности отечественных и импортных зерносушилок при сушке зерна кукурузы, подсолнечника, рапса, риса и сои по сравнению с сушкой зерна пшеницы в зависимости от начальной влажности зерна и величины съема влаги.
Abstract. Analysis of grain storage elevators and development systems of active aeration. Found that increasing storage capacities is now mainly due to metal silos that do not provide long-term safe storage of grain. On the basis of generalization of literature data defined the magnitude of changes in productivity of domestic and imported grain dryers for drying corn, sunflower, canola, rice and soybeans compared with drying of wheat grain depending on the initial grain humidity and the amount of moisture removal.

За последние годы урожай в Российской Федерации достиг 110 – 135 млн. тонн, в связи с чем существенно обострилась проблема хранения и сушки зерна. В настоящее время в Российской Федерации общая емкость зернохранилищ составляет по разным данным от 120 до 146 млн.тонн, в том по данным Зернового Союза  на перерабатывающих предприятиях 17,4 млн.тонн, на заготовительных предприятиях 47,3 млн. тонн, остальное на сельскохозяйственных предприятиях 81,3 млн.тонн, включая амбары для хранения, которые не могут гарантировать сохранность качества и количества зерна.

Общее количество  хлебоприемных предприятий составляет 1615, в том числе элеваторов 393 ед. В соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы предусматривается прирост современных мощностей единовременного хранения на 17,07 млн.тонн. Однако, в  соответствии с целевой программой Минсельхоза планируется  дополнительное  строительство, реконструкция и модернизация мощностей по подработке, хранению и перевалке зерновых и масличных культур только на 6,1 млн.т, в том числе увеличение зернохранилищ первоначального приема, накопления и подработки зерна суммарной емкостью единовременного хранения до 2,0 млн.т.  

Одновременно, по проекту Долгосрочной стратегии развития зернового комплекса РФ до 2025 года и на перспективу до 2035 года, предполагается дальнейшее увеличение производства зерна, в том числе за счет повышения урожайности и увеличения посевных площадей. То есть емкостей для хранения зерна едва хватает чтобы разместить собранный урожай, хотя минимальным считается соотношение суммарных мощностей для хранения зерна к валовому сбору 1,2 – 1,3, то есть когда мощность хранения на 20 – 30% превышает годовой урожай зерна.

Нужно сказать, что основные мировые производители зерна Австралия, Аргентина, Канада и США имеют ёмкости для хранения зерна в несколько раз, превышающие свои годичные потребности, включая экспортные операции. У нас этот показатель сопоставим с валовым сбором зерна, т.е. требуется существенное увеличение элеваторной емкости.

  Прирост зерновой емкости осуществляется в последние годы в основном за счет строительства  металлических зернохранилищ. Это объясняется меньшими по сравнению с железобетонными силосами капитальными затратами и короткими сроками монтажа. Вместе с тем, металлические силоса подвержены износу и коррозии, имеют повышенное энергопотребление и требуют отдельной теплоизоляции, отсутствие которой приводит к существенным ограничениям в их использовании, особенно при значительном изменении  климатических условий, характерных для большинства регионов Российской Федерации.

Вследствие высокой теплопроводности ограждающих стальных металлических конструкций силосов превышающих теплопроводность зернового слоя в 350-450 раз, в отличие от железобетонных конструкций, теплопроводность которых превышает теплопроводность зернового слоя только в 8 – 10 раз, в периферийных участках насыпи, в верхнем слое и у стен силоса, температура зерна вследствие нагрева за счет солнечного излучения может достигать высоких значений - до 40-45⁰С и даже до 50-55⁰С, что может приводить к снижению его качества. Кроме того, при последующем охлаждении зерна при суточных колебаниях температуры наружного воздуха на внутренних стенках силоса возможна конденсация водяных паров  из воздуха межзернового пространства, что приведет к увлажнению и порче пристенного слоя зерна.

  Это отражено во Временной Инструкции по хранению зерна в металлических зернохранилищах  № 9-4-79 утвержденной еще Министерством заготовок СССР.  Уточненные требования к условиям хранения зерна в металлических силосах приведены также в Инструкции № 9-7-88 по хранению зерна, маслосемян, муки и крупы утвержденной Министерством хлебопродуктов СССР, а также в Методических рекомендациях [1-3].

  В соответствии с этими документами  запрещается загрузка и хранение в металлических силосах свежеубранного зерна не прошедшего сушку и очистку. Разрешается хранение сухого и очищенного зерна максимальной влажностью до 14% для южных районов  РФ сроком для пшеницы до 6 месяцев,  для ячменя и кукурузы – до 3 месяцев, а для риса-зерна – до 5 месяцев. При этом все металлические силоса в которых хранится зерно должны быть оборудованы установками для дистанционного контроля температуры зерна с периодическим контролем 1 раз в 3 дня, а также  установками активного вентилирования зерна для его охлаждения  с удельным расходом воздуха не менее 10 м³/ч.т. Вместе с тем, строящиеся в настоящее время металлические силоса, как иностранного производства Германии, Испании, США и других стран, так и отечественного производства имеют удельные подачи воздуха на уровне не превышающем 5 м³/ч.т., что в наших климатических условиях не позволяет обеспечить надежную длительную сохранность зерна.

Во ВНИИЗе проведены исследования влияния изменения температуры окружающей среды на температуру зерна пристенного слоя в металлических силосах [4]. В условиях постоянной и переменной температуры атмосферного воздуха получены соответствующие уравнения:


Зная значение относительной избыточной температуры зерна, можно, например, по уравнению (1) рассчитать изменение температуры зерна при стационарном прогреве металлической стенки силоса (рис.1).

Как видно из рисунка, с увеличением толщины слоя зерна, т.е. чем дальше от стенки, тем  влияние температуры атмосферного воздуха на величину нагрева зерна снижается, но остается существенным до толщины слоя 3-5 см. Пристенный слой зерна толщиной до 3-5 см в течение, например, 7 часов  существенно нагревается, при этом слой зерна толщиной от 0,5 до 3 см нагревается до температуры близкой температуре окружающей среды. Слой зерна толщиной от 20 см и выше в условиях передачи теплоты теплопроводностью практически не меняет свою температуру.

Рисунок 1 – Зависимость температуры нагрева пристенного слоя зерна пшеницы от толщины слоя и продолжительности нагрева. Начальная температура слоя зерна 10°С, температура атмосферного воздуха 40°С

Обеспечить безопасную сохранность зерна при хранении в элеваторах можно только при наличии систем термометрии и активной вентиляции. К сожалению большинство элеваторов не имеет систем активной вентиляции, а существующие морально и физически устарели. В настоящее время практически не проводится разработка новых и модернизация действующих систем активного вентилирования в элеваторах, хотя существующих способов активного вентилирования достаточно много, рисунок 2. При этом, в основном используется малоэффективный способ вертикального вентилирования при нагнетании воздуха в силос и недостаточно надежное горизонтальное вентилирование при сочетании нагнетания и отсасывания воздуха из силоса.

Рисунок 2 – Существующие способы активного вентилирования зерна в силосах элеваторов

 В настоящее время в Российской Федерации отечественными производителями АО «Брянсксельмаш», ОАО «Воронежсельмаш», АО «Мельинвест», ЗАО «Агропромтехника», ОАО «Тверьсельмаш», ЗАО «Сибирский Агропромышленный Дом» и другими производятся различные конструкции зерносушилок: шахтные, колонковые, жалюзийные, конвеерные и другие. Значительное количество зерносушилок поступает из-за рубежа производства США (8 наименований различных зерносушилок), Германии (5), Дании (2), Швеции (1), Польши (2), Франции (1), Италии(4), Украины(1), Великобритании(1),Финляндии (2), Аргентины (1). К сожалению все эти сушилки прямоточные и не предназначены к сушке высоковлажного зерна за один проход.  Всего на элеваторах, комбинатах хлебопродуктов и в агропромышленном комплексе эксплуатируется около 30 наименований зерносушилок различных конструкций и производительности с общим количеством стационарных зерносушилок около 3600, передвижных 1300 с общей производительностью 120 тыс.тонн в час, около 60% зерносушилок морально и физически устарели,  20% требуют замены. При этом, на сушку тратится около 1 млн. тонн светлых нефтепродуктов.

В соответствии с Инструкцией по сушке продовольственного, кормового зерна, маслосемян и эксплуатации зерносушилок № 9-3-82 (5) для сушки зерна различных культур, которых в Российской Федерации насчитывается около 30 наименований (6), и которые существенно отличаются по своим физическим, теплофизическим и биохимическим свойствам, предусмотрены соответствующие режимы сушки, обеспечивающие сохранение его качества. При этом производительность зерносушилки будет соответственно изменяться. Для учета этого изменения и расчета энергозатрат на сушку в Инструкции по сушке предусмотрены соответствующие коэффициенты К_в –  пересчета массы просушенного зерна в плановые единицы в зависимости от влажности зерна до и после сушки  и  К_к – пересчета массы просушенного зерна в плановые единицы при сушке различных культур. При этом за плановую единицу принята одна тонна просушенного зерна при снижении влажности с 20 до 14%, то есть на 6%. Значения этих коэффициентов приведены в соответствующих таблицах.

Вместе с тем, с введением коэффициентов культуры становится неопределенным сравнение зерносушилок  при сушке разных культур и пересчете затрат топлива на сушку плановой тонны.
У зарубежных фирм, поставляющих в Российскую федерацию  зерносушильную технику другой подход к определению производительности. При этом каждая фирма  приводит для своей  конструкции зерносушилки  показатели по производительности только по 2–3  зерновым культурам при некотором заданном съеме влаги, как правило, 3–5%, а также указываются единые значения расхода топлива для всех указанных зерновых культур при фиксированных атмосферных условиях. При этом остаются неясными значения этих показателей при изменении величины съема влаги, а также для большинства остальных зерновых и масличных культур не указанных в рекламных проспектах, что не позволяет планировать сушку зерна на предприятиях и производить сравнения зерносушилок по технико-экономическим показателям.

В связи с этим, на предприятиях часто возникают вопросы по изменению физической производительности  зерносушилок и расчету необходимых затрат топлива и электроэнергии  при сушке разных культур различной начальной влажности. Представляется целесообразным обобщить известные данные по производительности зерносушилок при сушке различных культур и получить средние расчетные данные по изменению производительности этих и других прямоточных зерносушилок при различном съеме влаги.

Используя методы математической статистики, можно, зная производительность зерносушилки при сушке основной зерновой культуры пшеницы, рассчитать предполагаемое изменение производительность прямоточных зерносушилок при сушке другой  зерновой культуры, естественно в рамках соответствующих режимов сушки, обеспечивающих сохранение качества зерна. Это должно объединить два различных подхода для оценки производительности зерносушилки и ее технико-экономических показателей [7].

Для обобщения результатов и пересчета производительности были рассмотрены показатели ведущих зарубежных и отечественных зерносушилок опубликованные в паспортах, статьях и  рекламных проспектах. При этом температура сушильного агента при сушке зерна пшеницы при сравнении с разными культурами  изменялась в пределах 70–95°С, начальная влажность пшеницы 18 - 20%, конечная 14-15%, величина снижения влажности при сушке зерна пшеницы составляла 4–6%.

На рисунке 3, в качестве примера, приведено изменение производительности зерносушилки  при сушке кукурузы по сравнению с производительностью этой же зерносушилки при сушке пшеницы равной 30 пл.т/час.



Рисунок 3 – Изменение производительности зерносушилки равной 30 т/час при сушке пшеницы и съеме влаги на 6% ( с 20 до 14%) при сушке кукурузы и съеме влаги соответственно на 10, 15 и 20%

  По результатам обработки паспортных данных по шахтным  зерносушилкам: Торнум (Швеция); Риела, Ноэро, Петкус, Бюлер-Миаг (Германия); Веста (Россия); АГ-Проект, Арай, Джевич, Феерум (Польша); Кимбрия (Дания); Антти (Финляндия); ДСП (Украина); колонковым: Астра (Россия); Метьюз, Бенталл, Делюкс, Фарм Фанз (США); СЗМ (Украина); жалюзийным: Мега (Аргентина); башенным: Мейер (США); передвижным: Агрекс (Италия), получено уравнение для расчета производительности зерносушилки при сушке зерна кукурузы:

  П_кук = П_пш (0,428 + 0,137∆W_пш – 0,042∆W_кук), (5)
где П_пш – производительность при сушке зерна пшеницы,т/час; ∆W_пш и ∆W_кук – съем влаги при сушке соответственно зерна пшеницы и кукурузы,%.

Уравнение справедливо в диапазоне параметров: Wпш = 18 - 20%; rWпш  = 4 -  6%;  Wкук = 20 - 35%; rWкук  = 5 - 21%, температура агента сушки составляла t = 90 – 125C. Коэффициент достоверности  уравнения составил R² = 0,912.

Так, например, при производительности зерносушилки при сушке пшеницы равной 30 пл.т/час при сушке кукурузы начальной влажностью 25,30 и 35% она составит соответственно  24,9; 18,6 и 12,3 т/час.
Аналогичным образом получена зависимость для расчета производительности при сушке семян подсолнечника, рисунок 3.

По результатам обработки паспортных данных по шахтным  зерносушилкам:  Риела (Германия); Веста (Россия); АГ-Проект, Арай (Польша);  Антти (Финляндия); ДСП (Украина); колонковым: СЗ, СЗК (Россия); Метьюз, с, Фарм Фанз (США);  жалюзийным: Мега (Аргентина, получено уравнение для расчета производительности зерносушилки при сушке семян подсолнечника:



Рисунок 4 – Изменение производительности зерносушилки равной 30 т/час при сушке пшеницы и съеме влаги на 6% ( с 20 до 14%) при сушке семян подсолнечника и съеме влаги соответственно на 4, 6 и 8%

  П_подс = П_пш (0,289 + 0,074∆W_пш – 0,024∆W_подс,  (6)
где П_пш – производительность при сушке зерна пшеницы,т/час; ∆W_пш и ∆W_подс. – съем влаги при сушке соответственно зерна пшеницы и семян подсолнечника,%.

Уравнение справедливо в диапазоне параметров:  Wпш = 18 - 20%; rWпш  = 4 -  6%;  Wподс. = 13 - 25%; rWподс.  = 6 – 18,5%, температура агента сушки составляла  t = 75 – 95C. Коэффициент достоверности уравнения составил R² = 0,868.

  Аналогичным образом получена зависимость для расчета производительности при сушке семян рапса, рис.5.

Рисунок 5 – Изменение производительности зерносушилки равной 30 т/час
при сушке пшеницы и съеме влаги на 6% ( с 20 до 14%) при сушке семян рапса и съеме влаги соответственно на 4, 6 и 8%
Уравнение получено по результатам обработки данных по шахтным зерносушилкам: Ноэро, Риела (Германия); АГ-Проект, Джевич,М819 (Польша); Антти (Финляндия); Кимбрия (Дания); колонковым: Метьюз (США); жалюзийным: Мега (Аргентина).

П_рапс = П_пш (0,433 + 0,166∆W_пш – 0,103∆W_рапс),  (7)
Уравнение справедливо в диапазоне параметров:  Wпш = 18 - 20%; rWпш  = 4 -  6%;  Wрапс. = 13 - 22%; rWрапс.  = 4 – 10%, температура агента сушки составляла  t = 60 – 9оC. Коэффициент достоверности уравнения составил R² = 0,876.

Получены также уравнения для расчета производительности  риса и сои, соответственно уравнения  8 и 9:
  П_рис = П_пш (1,049 + 0,016∆W_пш – 0,134∆W_рис), (8)
  П_соя = П_пш (0,668 + 0,220∆W_пш –  0,248∆W_соя), (9)
Коэффициенты достоверности уравнений 8 и 9 составили соответственно R² = 0,937 и 0,970.

Таким образом, в результате проведенного обобщения данных по производительности зарубежных и отечественных зерносушилок по зерну пшеницы опубликованных в паспортах, статьях и  рекламных проспектах получены уравнения регрессии  для  прогнозирования производительности зерносушилок по зерну кукурузы, подсолнечника, рапса, риса и сои при разных значениях начальной влажности.
 Это является важным при планировании работы зерносушилок для определения их производительности  при сушке различных зерновых культур в зависимости от требуемой величины съема влаги, а также  планировании потребления топлива и электроэнергии.

ВЫВОДЫ
1. Увеличение мощностей для хранения зерна целесообразно осуществлять для Южных и Центральных районов Российской Федерации за счет металлических элеваторов, для Сибири и Восточных регионов – в железобетонно исполнении. Провести исследования по разработке систем активного вентилирования для увеличения удельных подач воздуха и предотвращения конденсатообразования в металлических элеваторах.
2. Возобновить техническое переоснащение и модернизацию зерносушильного парка страны за счет производства отечественных высокопроизводительных и энергоэффективных рециркуляционных зерносушилок с теплогенераторами на жидком и газовом  топливе для сушки зерна любой начальной влажности за один проход, выпуск которых  в настоящее время прекращен. 
3. Продолжить научно-исследовательские работы по обеспечению условий длительного хранения продовольственного зерна пшеницы и определению нормативов безопасного хранения для различных климатических условий Российской Федерации. 


Литература

1.Временная Инструкция по хранению зерна в металлических зернохранилищах № 9-4-79. – М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1979. – 6 с.
2. Инструкция № 9-7-88 по хранению зерна, маслосемян, муки и крупы. – М.: ЦНИИТЭИ Министерства хлебопродуктов СССР, 1988. – 41с.
3. Мачихина, Л.И. Хранение зерна и продуктов его переработки: Методические рекомендации / Л.И. Мачихина, Л.В. Алексеева, Г.А. Закладной, М.М. Тухватуллин, Н.П. Володин, К.А. Чурусов. – М.: ФГНУ«Росинформагротех», 2006. – 100 с.
4.Сорочинский, В.Ф. Изменение температуры  пристенного слоя  зерна 
в металлических элеваторах / В.Ф.Сорочинский // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2016. – №4. – С.13-16.
5. Инструкция по сушке продовольственного, кормового зерна, маслосемян и эксплуатации зерносушилок № 9-3-82. – М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1982. – 61 с.
6. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 015/2011 «О безопасности зерна»: утвержден решением Комиссии Таможенного союза от 9 декабря 2011 г, №879. – 38 с.
7. Сорочинский, В.Ф. Расчет производительности отечественных и зарубежных зерносушилок  / В.Ф.Сорочинский // Хлебопродукты. – 2015. – №2. – С.45-47.


Сорочинский В.Ф., д-р техн. наук

Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М.Горбатова» РАН


 

---