第二章 谷物清理

第二章谷物清理
谷物的清理即是清除混入谷物中的各种杂质。

杂质通常按清理作业的特点分为大杂、中杂、小杂、并肩砂石类、轻杂、磁性杂质、异种粮粒、表面杂质等。

清理杂质的实质性原理，是利用谷物与杂质在某种或某几种物理特性上的差异，通过相应的措施或手段，包括各种工作构件或运动形式，将它们分离。

谷物清理的方法主要有风选法、筛选法、比重分选法、干法表面清理法和水洗法等。

相应地，谷物清理的设备主要有风选设备、筛选设备、去石设备（比重分选设备）、精选设备、磁选设备、表面清理设备和水洗设备。

第一节概述
一、谷物中的杂质
谷物在加工前，需经过许多环节：种植、收获、脱粒、收购、晾晒、烘干（热力干燥）、运输、储藏等。

在这些环节中，难免有多种多样的杂质混入其中。

按化学成份的不同，谷物中的杂质分为无机杂质与有机杂质两类。

无机杂质是指混入的各种矿物质和金属物质，如泥土、砂石、材料碎块碎片、磁性物质和其它矿物质的碎渣碎块等。

有机杂质是指混入的异种粮粒、野生植物籽粒、谷物植株的其它组织部分和无食用价值的谷物籽粒，如稻谷中的稗子、小麦中的荞子、桔梗、穗枝、异种粮粒和病变虫蚀籽粒等。

一般而言，谷物中的杂质以无机杂质居多。

按清理作业特点，谷物中的杂质分为轻杂、大杂、中杂、小杂、并肩砂石类、磁性杂质、异种植物籽粒、表面杂质等。

这种分类方法更切合实际，对清理工序的工艺制定和设备选用更具有指导意义。

1、轻杂
指比重明显小于谷物，悬浮速度明显低于谷物的杂质。

通常采用风选设备清理。

轻杂主要包括灰尘、颖壳、不完善粒或未成熟粒、虫害损伤粒、碎屑以及其它轻质杂物。

2、大杂、中杂和小杂
指粒度与谷物存在差异的杂质。

通常采用筛选设备分离。

大杂，粒度明显大于谷物粒度，一般指留存于直径5㎜或更大直径的圆形筛孔之上的各种杂质，通过筛选设备的大杂筛面提取（筛上物）而分离清除。

粒度更大的杂质，称特大型杂质，采用初清筛分离清除。

中杂，为区分大型杂质的习惯称法，粒度也大于谷物粒度，一般指经过初清筛清除特大型杂质之后的大杂。

这种杂质通过筛选设备的中杂筛面提取（筛上物）而分离清除。

实际生产中已较少使用这一称法。

小杂，粒度明显小于谷物粒度，一般指穿过直径2㎜筛孔的各种杂质，包括无机类小杂、未成熟粒、不完善粒和破碎的谷物籽粒等，通过筛选设备的小杂筛面提取（筛下物）而分离清除。

3、并肩砂石类
比重和悬浮速度大于谷物，而粒度与谷物差异不明显的各种无机杂质。

所谓“并肩”，意指粒度相近，通过筛选极难清除。

这类杂质包括砂石、泥土、材料碎块碎片和矿物碎渣碎块等，习惯上将它们统称为“并肩石”。

并肩石的比重和空气动力学特性（主要是其悬浮速度）与谷物存在差异，通过比重分选设备分离而清除。

4、磁性杂质
指在磁场中，具有较好导磁性的杂质，如磁性金属及其制品、生产设备上脱落的磁性零配件与磨损物、磁性矿渣等。

通过磁选设备分离而清除。

5、表面杂质
指谷物表面，尤其表面沟纹中黏附或嵌入的无机物质。

因其与谷物表面具有一定的结合强度，清除时必须施加一定的机械作用力使之破坏而脱离。

通常采用打击、撞击或擦刷设备分离，也有采用水洗设备清理的。

6、异种植物籽粒
指谷物从种植直到加工各个环节中混入的其它谷物籽粒、野生植物籽粒和伴生植物籽粒。

典型的有：稻谷中的稗子、小麦中的荞子、玉米中的豆类籽粒等。

通常异种植物籽粒与谷物在粒度和粒形上存在比较明显的差异，故而采用筛选设备和精选设备分离。

二、谷物清理的目的与要求：
（一）谷物清理的目的
就谷物加工而言，清理的目的主要体现在以下几个方面：
1、确保加工后成品和副产品的质量。

谷物中的杂质如不清除，必然会混入成品和副产品中，从而降低产品纯度，影响产品质
量，降低产品的食用价值和商品价值，影响食用安全以及再加工性能。

2、保护后续工艺设备安全，确保后续设备发挥正常的工艺效果。

在谷物加工工艺中，必然使用大量的各种各样的机械设备，包括一些机械作用力大、运转速度快的设备。

谷物中的杂质会影响这些设备的工艺效果、使用性能和工作稳定性，严重时，造成设备破坏和损伤，影响其使用寿命。

例如，砂石、金属等坚硬杂质，极易损坏或损伤加工设备，增加维修费用，甚至造成设备事故和工伤事故，还可能产生火花，引起火灾和粉尘爆炸。

又如，一些纤维性杂质和柔性杂质，可能阻塞喂料机械和输送机械，阻塞筛孔和袋孔，从而影响设备工艺效果和设备生产能力。

3、保护生产环境，确保工人身心健康。

例如，谷物中含有轻杂和灰尘，且在加工过程中还会产生再生灰尘，如不及时清理，在加工过程中就会造成粉尘飞扬（甚至粉尘爆炸），污染生产车间环境，危害工人身体健康。

（二）谷物清理的要求
在谷物加工过程中，清理后的谷物称之为净谷物，如清理后的稻谷称“净谷”，清理后的小麦称“净麦”等等。

所谓“净”，并非完全干净，不含任何杂质。

若将谷物中的杂质全部彻底地清除，是不可能的。

所以谷物清理的最终要求就是将谷物清理到达到清理目的、满足工艺要求和产品质量要求的程度。

通常，谷物清理的要求用谷物清理后的工艺指标来描述。

清理工艺指标主要包括谷物清理后的各类杂质允许标准限量，以及清理出来的杂质中的允许含粮标准限量。

不同的谷物清理后的含杂允许指标是不同的；不同的加工目的和产品种类，清理后的含杂允许指标同样应该有所区别。

主要谷物清理后，一般的工艺指标要求是：
①净谷工艺指标如下：
含杂总量不得超过0.6%;
其中：含砂石不得超过1粒/㎏；
含稗不得超过130粒/㎏。

②净麦工艺指标如下：
尘芥杂质不超过0.3%；
其中：砂石含量不得超过0.02%；
其它异种粮谷（荞子）不得超过0.5%。

③净玉米工艺指标如下：
尘芥杂质含量不得超过0.3%；
其中：砂石含量不得超过0.02%。

清理出来的杂质（即“下脚”）含粮允许指标，依照不同的清理设备，清理不同的谷物，以及所得的不同杂质，限量数值有所不同。

下脚中所含粮粒，指的是具有加工价值和食用价值的、正常而饱满的谷物籽粒。

一般而言，各类下脚的允许含粮程度较低，用（粒数/kg）或重量百分比表示，如：筛选设备清理小麦时，下脚中含粮不应超过1%；去石机清除的石子中含粮不应超过80粒/kg；等等。

而与谷物特性差异较大的杂质，清除后的下脚中不应含有粮粒。

因清理设备种类多，又可能使用于不同场合，这里不予详列。

三、谷物清理的基本方法与原理
谷物与其中含有的各种杂质总有某种甚至某几种特性上的明显差异。

有差异才有区别，有区别才能区分，才能分离清理。

显然，利用它们的物理特性上的差异要比利用它们的化学特性上的差异，清理时更为容易，更为经济适用。

谷物清理的基本原理就是利用谷物与杂质在某种或某几种物理特性上的差异，通过相应的工作构件和运动形式，加以分离，从而达到清除杂质的目的。

这种差异越大、越明显，清理时越容易，所用设备越简单，操作管理越便利，加工成本也就越低。

反之，若谷物与杂质并不存在特别明显的某种物理特性差异，或者说并不存在足够用于清理的某种物理特性差异时，就必须综合利用多种物理特性差异，集小成大，才能够获得较好的清理效果。

谷物清理的基本方法及其基本原理主要有如下几种：
（一）风选法
风选法清理的基本原理是利用谷物与杂质在空气动力学特性上的差异，通过一定形式的气流，使谷物和杂质以不同方向运动或飞向不同区域，使之分离，从而达到清理目的。

它们之间的空气动力学特性差异主要体现在悬浮速度和飞行系数的不同上。

风选法所用设备主要有吸式风选器、循环风选器和垂直吸风道等。

用于清除谷物中的轻杂，包括不完善粒和未成熟粒。

（二）筛选法
筛选法清理的基本原理是利用谷物与杂质在粒度和粒形上的差异，通过运动适宜、筛孔形状和大小都合理的筛面，使谷物和杂质分别成为筛上物和筛下物，使之分离，从而达到清理目的。

筛选法所用设备主要有初清筛、振动筛、高速振动筛、平面回转筛、圆筛、小方筛、组
合筛等。

其主要用于清除大杂、中杂和小杂；也用于谷物和在制品的分级。

（三）比重分选法
比重分选法有干法和湿法之分。

湿法即水洗比重分选法，因其存在耗水量大、污水难处理等问题，现已极少采用。

干法比重分选法清理的原理是利用谷物和杂质在比重和空气动力学特性上的差异，通过筛面或其它形式的袋孔、凸台或凸孔（鱼鳞孔）工作面，并辅之以气流，首先促使谷物和杂质在运动中分层，再迫使它们往不同方向运动，使之分离，从而达到清理目的。

干法比重分选法所用设备主要有吸式去石机、吹式去石机和分级去石机等。

其主要用于清除谷物中的并肩砂石等重杂；也用于谷物和在制品的分级。

（四）精选法
精选法清理的原理是利用谷物和杂质在粒形和粒度上的差异，通过开有袋孔的、旋转的圆盘（碟片）或圆筒，由袋孔带走球状或短圆小粒杂质，使之分离，从而达到清理目的。

精选法所用设备主要有碟片精选机、滚筒精选机、组合精选机等。

其主要用于小麦中荞子的清除，也用于大米加工中的碎米精选。

（五）磁选法
磁选法清理的原理是利用谷物和杂质在导磁性上的差异，通过永久磁铁或电磁铁构成的磁场构件吸住磁性杂质，而谷物自由通过，使之分离，从而达到清理目的。

磁选法所用设备主要有永磁溜管、磁筒、永磁筒、电磁滚筒等。

其不仅用在谷物清理环节，还用于谷物加工的其它工序中，主要用在重要的、工作压力大和高速运转的设备之前，以及成品打包之前。

（六）表面清理法
表面清理的原理是利用谷物与其表面（包括沟纹）黏附杂质在结构强度上的差异，通过旋转的机械构件施加一定的机械作用力，破坏杂质结构强度以及杂质与谷物的结合结构强度，从而迫使谷物表面杂质脱离，使之分离，达到清理的目的。

表面清理法所用设备主要有打击设备、擦离设备、撞击设备等。

其主要用于清除小麦表面和沟纹中的杂质与虫卵等污物，清理病虫害粒和各种损伤粒等。

（七）其它方法
例如光电比色分选法，主要用于大米加工中成品整理时分选异色粒。

在本书中相关章节中讲述。

四、清理设备工艺效果的评定
清理设备工艺效果的评定主要用除杂效率（或去杂效率），以及清除的杂质中含正常、饱满谷物的程度来表示。

评定整个清理的除杂效率时，计算总杂的除杂效率；评定某一设备效率时，计算清除的某种杂质的除杂效率；当该设备清除多种杂质时，分别计算各种杂质的除杂效率，并计算其总的杂质除杂效率。

采用的取样方式、检验方法和计算公式都是类同的。

除杂效率分为绝对除杂效率和相对除杂效率两种计算方法。

绝对除杂效率是指清除的杂质重量与清理前谷物含杂重量比值的百分比；相对除杂效率是指清理前后谷物含杂率的差值与清理前谷物含杂率比值的百分比。

绝对除杂效率在评定时，取样难度大，取样准确性难以保证，且受操作条件限制，一般不予采用；而相对除杂效率简单明了，切合实际，操作性强。

因此，一般而言，除杂效率指的就是相对除杂效率。

通常被清除的杂质中含有正常谷物量较小或极少，在计算除杂效率时，可以忽略不计。

因此，在取样、检验后，除杂效率由下式计算：
%100Z Z 1
21⨯-=Z η (2－1) 式中：η—除杂效率；
Z 1—清理前谷物含杂率（%）；
Z 2—清理后谷物含杂率（%）。

总杂除杂效率和各类杂质的除杂效率（如除轻杂效率，除大杂效率、除石效率等等）分别检验计算。

若需考虑杂质中含有的正常完整谷物，则根据物料平衡算式（谷物平衡算式和杂质平衡算式）推导整理得下式供计算：
100)
()(231213⨯--=Z Z Z Z Z Z η（%） （2－2） 式中，Z 3—清理后，被清除杂质（下脚）的含杂率。

下脚中含正常饱满谷物的程度（也称“含粮程度”），用下脚中含有的正常饱满谷物重量与下脚总重量的百分比表示，或者用单位重量的下脚中含有的正常饱满的谷物粒数来表示（粒/kg ，粒/50㎏等）。

第二节 风选
风选技术应用广泛，不仅用于谷物中轻杂和不完善粒的清理，还用于中间制品的分离和
成品、副产品的整理。

同时，它还在其它谷物加工技术中起到重要的辅助作用。

物料在风选中得以分离，主要取决于不同的物料在气流（自然空气流）中受力不同和运动状态的不同。

运动状态主要与所用气流的形式相关。

风选采用的气流形式有三种，即垂直上升气流、水平气流以及倾斜向上气流。

无论在任何形式的气流中，物料受到的气流作用力方向均与气流方向相同，其大小由下式计算：
2a )V V (F K P -=a ρ （N ） （2－3）
式中：P —气流对物料的作用力；
K —阻力系数，与物料粒形粒度，表面特性、气流状态等相关；
a ρ —空气密度，kg/m 3；
F —物料的受风面积，㎡；
V a —气流绝对速度，m/s ；
V —物料绝对速度，m/s 。

一、不同的气流形式及其分选原理
物料在气流中受力有三个，即气流的作用力（P ），物料自身重力（G ）以及物料排出同体积空气产生的浮力（P ′），其中，P 方向与气流方向相同，G 垂直向下，P ′垂直向上，且因空气密度很小，物料体积也很小，P ′可以忽略不计。

三个作用力的合力大小与方向，将决定物料在气流中运动的方向、速度和距离。

显然，存在空气动力学特性差异的不同物料，就能因此得到分选。

（一）垂直上升气流
物料在垂直上升气流中的受力分析如图2－1所示。

其运动方程式为：
G )P P (m -'+=dt dv （2－4） 式中：m —物料质量，㎏； dt dv —物料运动加速度，m/s 2。

若忽略P ′，则有：
G P m -=dt
dv
V a
气流
V
谷物 图2—1 物料在垂直上升气流中的受力分析
当P ＞G 时，dt
dv ＜0，物料向上运动。

在实际生产应用中，表现为谷物中的轻杂向上运动而与主流物料分离。

当P ＜G 时，dt
dv ＞0，物料向下运动。

在实际生产应用中，表现为主流物料即谷物和较重的其它物料下落到出粮口。

当P ＝G 时，
dt dv =0，理论上物料静止或作匀速运动。

实际生产中表现为物料在气流中轻微地上下波动，即呈悬浮状态，此时气流的绝对速度（V a ）称之为该物料的悬浮速度。

在实际生产应用中，这种状态并不能促使物料分选，但悬浮速度这一概念在风选技术尤其垂直上升气流风选技术中却是至关重要的。

不难看出，当气流速度大于物料悬浮速度时，该物料将随气流上升；当气流速度小于物料悬浮速度时，该物料下行运动。

因此，利用速度介于两类物料悬浮速度之间的垂直上升气流风选混合物料，可以将轻质物料和重质物料分离。

显然，这种气流形式只能清理一种杂质，通常用于轻杂清理；当气流速度选用适当，而两类物料悬浮速度差异明显时，分离便能获得较好的效果。

由公式（2－3）和（2－4）可以推导得出公式（2－5），计算物料的悬浮速度：
F
K ρG a 悬V （m/s ） （2－5） 在实用时，物料悬浮速度一般通过实验测得。

可参照表2－1所列：
表2－1 部分谷物悬浮速度参考值 单位：m/s
一般而言，垂直上升气流适用于悬浮速度较大的颗粒状谷物的清理，气流速度按该谷物悬浮速度的0.4倍～0.8倍确定和控制。

气流速度过低，则轻杂清除效果不理想，若过大，又会造成轻杂中带走粮粒。

（二）水平气流
物料在水平气流中的受力分析如图2－2所示。

合力R 使得物料沿X 轴向下呈抛物线运动。

合力R 与垂力G 夹角α的正切值被视为分选物料的重要参数。

αtg 被称为物料的“飞行系数”。

G
)V V (F K 2
x a -=a tg ρα （2－6） 式中，V x —物料在X 轴即水平方向的运动速度。

不同的物料，飞行系数不同。

所以，在X 轴下
方沿X 轴方向，它们的飞行距离也不同，即落入不
同的区域。

轻物料飞得远，重物料飞得近，从而可
将它们分离。

由此可见，水平气流可以分选多种物料，既可用于清理谷物中的轻杂、不完善粒和重杂，也可用于谷物和其在制品的分级。

但是，混合物料中部分物料的飞行系数可能是交互混杂的，因而分离效果通常较垂直气流稍差。

水平气流可以用吹式，也可用吸式。

吹式易造成灰尘外扬，且设备体积较大（如传统的风车），现已极少使用。

（三）倾斜气流
物料在倾斜气流中的受力分析如图2－3。

其分离原理类似于水平气流。

此时，飞
行系数的计算为：
Psin βG βcos P Py G P x -=-=αtg （2－7）
式中：P x —气流作用力在横轴X 上的分力；
P y —气流作用力在纵轴Y 上的分力；
β—气流与水平面的夹角。

由于β的影响，较轻物料的飞行系数要比水平气流中物料飞行系数大一些，所以其分离效果要好一些。

对重物料的影响则相反。

又由于采用倾斜气流，设备相对复杂，管道安装不尽方便，实际使用效果并不突出，故极少实用。

二、风选设备及其主要结构组成
风选设备，除按气流形式分类外，还可按含尘空气（含轻杂空气）的处理方式分为外吸图2－2 物料在水平气流中的 受力分析
图2－3 物料在倾斜向上气流的受力分析
式和循环式；按气体压力分为吹式和吸式两种。

外吸式，气流由外部风网提供，含尘空气的除尘净化由外部风网处理。

循环式，气流由自带风机提供，含尘空气在设备内净化并被循环使用。

吹式，设备内部气压处于正压状态。

吸式，设备内部气压处于负压状态。

目前，谷物清理的风选设备以使用垂直气流的吸式风选设备（如垂直吸风道）为主，也有使用垂直气流循环式风选设备（如循环风选器）的，其它风选设备较少采用。

风选设备一般结构组成包括进料、喂料、风选区、风道、出口、机架及其它等组成部分。

（一）进料机构
进料机构的作用主要是存料、缓冲和流量调节。

存料的目的是保证设备中的物料流量相对稳定，其结构为矩形截面的锥形仓斗即料斗。

料斗中的存料对来料起缓冲作用，以防止物料直接冲击设备构件，造成机械损伤。

进机流量的大小和稳定性直接影响到风选效果，因此配有流量调节装置。

风选设备的流量调节装置通常采用常见的料门（闸板）或重铊式压力门或弹簧压力门。

风选设备经常与筛选设备等组合使用，则物料从筛选等设备的出料端进入。

进料机构的具体形式参见典型设备结构图。

（二）喂料机构
喂料机构的作用是确保物料以良好的状态进入风选区，以有利于保证良好的风选效果。

风选区指的是物料进入后与气流接触时风道的截面区域。

实践经验表明：进入风选区的流料速度不宜过快，最好垂直于气流方向进入，料层应当适中且相对稳定。

喂料机构位于进料机构与风选区之间，通常采用振动导板，振源采用振动电机。

多数情况下，谷物清理所用风选设备与筛选设备等组合一起使用，筛选设备的振动筛板即充当喂料机构。

相对简化的风选设备，进料机构中的料门或压力门兼起喂料作用，不再单独设置喂料装置。

（三）风选区与风道
风选区即物料进入后与气流直接接触并被风选的工作区域。

风选区是由风道构成的矩形截面。

风道由金属板材围成，其中可设置截面面积调节装置或阀门，以更好的操作和控制，取得最佳的风选效果。

一定处理量的风选，必需配以合理的风量大小和适宜的风选区面积以及合适的风道尺寸，才能达到良好的工艺效果。

垂直气流风选设备的风道尺寸，可按下述各参数关系和要求来设计计算或选用。

1、物料流量与风道宽度的关系
当物料流量（处理量）一定时，风道宽度就决定了物料进入风选区时的料层厚度，料层厚度又影响到风选效果。

反之，一定的风道宽度，决定合理的处理量。

两者之间的关系，可通过单位宽度流量的取值来确立。

单位宽度流量是指单位时间内单位风道宽度所处理的物料流量，即：
B G
q B =
（2－8） 式中：q B —单位宽度流量，kg/（cm ﹒h ）； G —处理量，㎏/h ； B —风道宽度，cm 。

q B 的取值视清理的谷物种类和清理的目的而定，一般在50～150㎏/（㎝﹒h ）。

一般地，
清理轻杂的要求较低或谷物含轻杂较少时，可取大值，反之取小值。

如：用于谷物初清除尘时，取大值；用于清理谷物中的不完善粒等轻杂时，取小值；谷物中含轻杂较多时取较小值；以此类推。

2、物料流量与风量的关系
物料流量和风道尺寸一定时，风量的大小决定了风选时气流的风速，即决定了风选效果，同时也决定了风选的经济合理程度和除尘净化的负荷。

它们之间的关系，可通过单位耗风量的取值来确立。

单位耗风量是指单位处理量所需的供风量，即：
G
Q q = （m 3/ kg ） （2－9）
式中：q —单位耗风量； Q —风量，m 3/h 。

q 的取值原理类同于q B 的取值，其范围一般为50～85 m 3/h 。

3、风量与风道尺寸的关系 风选设备的风量按下式计算：
Q=3600FV （m 3/h ） （2－10） 式中：F —风道风选区截面面积，㎡，F=B ²C ； B —风道风选区宽度，m ； C —风道风选区厚度，m ；
V —风道风选区气流速度，m/s ，V=0.4 V 悬～0.8 V 悬；
V 悬—谷物的悬浮速度，m/s 。

当处理量G确定后，可由公式（2－9）选择风量Q，可由公式（2－8）选择风道宽度B，再由公式（2－10）即可计算风道厚度C。

风道厚度一般不应小于100mm，也不要超过300mm。

4、风道高度
风道高度与风选区的气流状态及其稳定性相关，一般要求风道高度不小于0.8m。

（四）出口
风选设备的主流物料（谷物）出口，位于设备下部，其作用除排料之外，有的风选设备出料口还必需具备良好的关风作用，以防漏风，进而影响风选效果和造成浪费。

常见的关风装置有自然料封、压力门和关风器等。

轻杂和灰尘出口位于设备上部，随气流进入外部风网处理或进入沉降装置。

（五）其它
某些风选设备带有沉降装置，在机内将轻杂和颗粒较重的灰尘沉降，并加以收集，再排除机外。

沉降装置通常采用矩形锥状壳体或圆筒形壳体。

循环风选设备还带有离心风机和电机，以提供风源。

三、典型风选设备介绍
（一）垂直吸风风选器（垂直吸风道）
1、主体结构及工作过程
垂直吸风风选器主体结构示意图如图2－4所示。

该设备进料机构由料斗和弹簧压力门构成。

料斗中存料以稳定流量并起到料封关风作用。

弹簧压力门可通过蝶形螺母调节初拉力大小，以调节流量并确保料斗中存料量适中。

喂料机构由振动电机和振动喂料淌板构成。

喂料淌板分别与支承装置上的橡胶块和弹簧及振动电机相连。

在振动电机驱动下振动，使料斗中的物料沿宽度方向分布均匀并呈薄层料流抛入风道，与气流接触并被其风选。

振动淌板的振幅可通过改变振动电机内偏重块的相对位置而改变，以适应不同的物料和流量需求。

图中风道21即是典型的垂直风道，配有隔板和蝶阀并分别通过转动手轮（16、24、26）调节，从而调整风道截面和气流状态，获得最佳的风选效果。

风道开设观察窗，并辅于日光灯光源，便于清晰直观地观察物料运行和分选状况，一目了然地为调节控制提供分析、判断的依据。