氣力式麥糟輸送裝置研究

劉尚義

編者按：氣力式麥槽輸送是非常成熟的技術，很多人都熟視無睹，認為沒有什么特別之處，可一旦深究起來似乎也沒那么簡單。本文就這個話題來展開，其中還是有許多地方值得讀者借鑒。

啤酒廠糖化大麥糟輸送，原來多用螺旋輸送器和螺桿泵輸送系統。螺桿泵送法有許多明顯的特點，但在實際生產中發現一個最大問題是，由于定容式輸送，一旦麥糟中含有鐵釘、鐵塊、石頭或尖棱型物料。很容易將泵中掛膠的定子損壞，而需要經常換件。氣力式麥糟輸送裝置就克服了上述缺點。

沈陽雪花啤酒廠前些年從德國引進的氣力式麥糟輸送裝置屬于干式輸送，物料呈干基（水份78～80%），特點更為突出。現以此為例，就其原理及特征予以研討。

一、氣力式麥糟輸送裝置流程及工藝特點

整個裝置由麥糟暫貯罐槽1.螺旋輸送機2.螺旋擠料機3.料氣混合室4.麥糟輸送管5.麥糟分離罐6。螺旋卸料機7.等組成。所用氣流是空壓機經旁通管8入混合室。工藝流程參見圖一,其裝置參見圖二。

圖1 氣力式麥糟輸送裝置流程圖（正式和俯視圖）

圖2 氣力式麥糟輸送裝置示意

整個裝置可換分為給料、料管及卸料三個部分，其工藝特點分述為下：

（一）給料裝置結構緊湊，給料均勻穩定。

給料裝置是由麥糟暫貯罐（1）螺旋輸送機（2）與螺旋擠料機（3）聯合于一體，置于麥汁過濾槽的下面。暫貯槽是一個容積為12.46m3的長方形錐形體槽（長4.4米，寬2.3米，高2.02米，錐角65°），底有一根螺旋桿，其一端由7.5KW電機驅動（約60～100RPm，中速輸料），另一端與變徑螺旋桿連為一體呈同步旋轉。麥糟經過控水由此擠壓到混合室。此螺旋擠料機廠860mm，外徑φ259漸縮至φ150，將麥糟壓擠（因A進/A出=（D進/D出）2=（259/150）2=3.0倍，麥糟體積被壓縮至三倍）。由于螺旋擠料機是容積式擠壓方式，因而混合室里氣料混合均勻，混合比穩定，同時有效地避免了糟粒的反吹。

（二）卸料裝置結構簡單，卸料方便可靠。

卸料裝置是大型沉降式分離罐與螺旋卸料機組成。分離罐容積78.5m3，約為濕麥糟暫貯罐的6.28倍，足可容貯每日六批次的糖化麥糟。其錐底容積8.5m3，可貯一次糖化麥糟量的70%左右。槽為不銹鋼材質、錐角60°。槽粒對鋼板的摩擦角為錐角70°，故糟粒極易卸出，及時壓入螺旋卸料。當氣流從φ150料管轉向到φ3300的分離罐后，由于流向突變與橫截面突擴，致使氣流速度瞬息跌落到μ分離/μ=（D/D分離）2=（0.15/3.3）2=倍，即×21.85=0.045m/s,而一般分離罐內氣流約為0.27～0.45m/s。比本裝置高約6～10倍，由于麥糟沉降速度10.6m/s，充分說明氣流已失去對糟粒向上攜帶能力，糟粒迅速沉落到罐底，而難以重新卷起。同時，氣流從排氣管逸出時較為清潔而不污染大氣，因而無須再經除塵器凈化處理。

（三）管料結構復雜。料管彎道多，距離長（＞155米），但由于輸送“干”麥糟的氣流速度適宜（μ=18～22m/s）、壓降△P與氣流重度γ變化較相適宜，使糟粒懸浮態穩定、輸送順利。

二、基本工藝核算

（一）物料衡算：

1. 基礎數據

表1：

2.混合原料中浸出物量GE與非浸出物量GE’。

混合原料中無水浸出率由下式計算：

GE=GEm+GEn=Gm(1-Wm)Em+Gn(1-En)Wn

代入基礎數據可計算得：

GE=6100（1-6%）×75%+2000（1-13%）×95%

=4300.5+1653=5953.5公斤

原料中非浸出物GE’應為：

GE’=GY-GE=Gm(1-Wm)+Gn(1-Wn)-GE

代入基礎數據可計算得：

GE’= 6100（1-6%）+2000（1-13%）-5953.5

=1520.5公斤

3.熱麥汁量G(公斤)或體積V1（m3）：

同理代入基礎數據可得：

4.濕麥糟量：GH’(公斤)或容積VH’（m3）：

將基礎數代入可得：

式中： WH’= 85%——濕麥糟水份含量（%）

或者： VH’

5. 麥糟暫貯控水量：W（公斤）

麥糟在風送前要控水風干，其水份含量由

WH’= 85%降 為 WH=80%、控水量約為：

6.風干麥糟量; GH及體積VH:

GH= GH’-W = 10136.67-2534.2=7602.5(公斤)及

7.產糟技術指標：

（1）噸原料產糟量UH（噸/噸）:

或：UH=噸濕麥糟/噸原料

故：UH=故：Un= 0.94～1.25噸糟/原料

(2) 噸酒產麥糟量VH(公斤/噸酒)

相應于每鍋糖化麥汁的啤酒產量:V5（m3）及G5（噸）：

V5= V1（1 - ?）= 48.54（1-6.5%）= 45.38m3

及 G5=V5×γ5=45.38×1.012=45.93 噸

式中： γ5=1.012噸/m3——啤酒重度（12°Bx）

②噸啤酒麥糟產量qH（公斤/噸酒）：

或：qH= 公斤濕糟/噸酒

故：qH=165.5～220.7公斤濕糟/噸酒

8.物料衡算結果：見表2：

表2

（二）給料裝置工藝能力核算：

圖3：過濾槽下的麥糟暫缶的位置

1.麥糟暫貯能力核算。

麥糟給料裝置在園型過濾槽下面。為適應氣力輸送供料方向均勻穩定的要求，其中暫貯

罐設計成長方錐底型，參見圖三和圖四。

由圖示可知，其總容積由長方錐體容積V1和長方體容積V2兩部分構成。即：

代入尺寸數據可得：

=7.97+4.53=12.46（m3）

濕麥糟經過大約25分鐘控水后變成風干糟的容積VH可換算為：

可見VH≤V說明暫貯槽能力剛好滿足工藝要求，因而如能及時排糟或提前排糟，將可使暫貯工藝更為穩妥可靠。

2. 螺旋輸送機能力核算：

圖4 氣力式麥糟輸送給料裝置

螺旋輸送機的排糟能力由下式計算：

式中：D——螺旋外徑 已知D=250mm

S——螺距 通常S=0.80=0.8×250=200mm

N——轉數 已測得n= 84.8RPm

γS——槽的容量 已測得γS=615公斤/米3

?——裝料系數 通常?=0.5～0.7

代入數據可得：

=15352.3～21493.2（公斤/時）

實際上，本裝置所需的最大排糟能力是應由下式估算：

式中：GH=7602.5公斤/批（見前）

K1——不均勻系數 可取為1.15

K2——余富系數 可取得1.20代入數據得：

可見：此螺旋輸送機的有效負荷系數為

3. 螺旋擠料器出口壓力核算：

螺旋擠料器是靠變徑螺旋將麥糟壓實，在螺旋轉速不變前提下，作用于麥糟壓力逐漸壇加而麥糟流量減少，二者乘積恒等于螺旋軸的功率。由此，在擠出口處存在如下關系式：

PK·QK= NK(KW)

(1)NK——螺旋軸的指示功率（KW），其值與電功率N關系如下：

式中：N = 7.5 KW 由現場實測

?= 0.5～0.6為電機傳動功率，可取0.5

K = 1.3～1.5為電機容量負荷系數，可取1.5。

（2）Qk—— 螺旋擠出機生產能力，由下式計算：

式中：Dk=0.5D=0.5×250=125mm — 擠出口徑；

SK= S = 0.8 D = 0.8×250=200mm — 螺距；

n= 84.8RPm — 螺旋軸轉速（實測值）

?k— 裝料系數麥糟實至出口，?k= 100%

(3) Pk— 麥糟壓實至擠出口處壓力（kg/cm2）

（4）混合室風壓P經常控制在4～5kgf/cm2（表壓）。這樣，PK＞P能絕對避免麥糟的反吹。同時，在△P=Pk-P=6.35-5=1.35fkg/cm2的作用下，已經壓實的麥糟得以迅速分散與均勻混合，順利地進入輸料管。

（三）輸料管工藝核算

1.輸料管結構與總長度。

圖5：氣力式麥糟輸送裝置料管走向示意

由于麥糟暫貯罐（在車間內地平面置上）與麥糟分離罐（露天置放的相對位置與空間走向的需要，料管需由兩段垂直管：（1）（9）；八段水平管：（2）、（4）、（6）、（8）、（10）、（11）、（12）、（13）；三段30°斜管；6個90°彎管（其中水平向上轉垂直的2個，水平向下轉垂直的1個，垂直向上轉水平的2個,水平轉水平的1個）及8個150°彎管（其中水平向上轉傾斜2個，水平向下轉傾斜1個，傾斜向上轉水平2個，傾斜向下轉水平1個，水平轉水平2個）構成。詳見圖五所示：圖

因而其總長度應由下式計算：

∴L展開= 8.48+31.4=39.88m

則： L=1290+100.35+2.78+39.88=155.9m

由此可見，輸料管布置結構較為復雜。其中水平段長度約占64,4%，垂直管段長度約占8.27%，而彎管的展開度約占25.6%。如此多變結構之料管，有效的克服在管壁的局部處，尤其在較長的水平管段與較多的彎管處，可能出現的停滯流，將十分地困難。這就要求有適宜的氣流速度與壓降梯度……。

2. 氣流速度U值核算：

（1）槽粒懸浮速度Ut:

Ut0— 球形顆粒的懸浮速度（m/s）即

式中：ds—糟粒直徑已測得ds=3～7mm，現取5mm。

γa—標況下空氣重度 γa =1.2公斤/米3

γs—槽粒重度，已測得糟的容量γH= 615（公斤/米3）

可由下式換算：

其中：ε-糟粒層的空隙率，一般為25～35%。取30%，則：

C- 糟粒懸浮的阻力系數。C=f（Re），通常改換成 C=?（CRe2）。

先由下式計算出CRe2值然后查表確定C值。

式中：γa —20℃空氣的運動粘度，γa=1.512×10-5（m2/s），其他參數同前，

代入數值計算得：

查附錄表得：C=0.386，將此值一并代入前式，可得：

糟粒群的形狀系數，可由下式估算：

式中： K1—看成不規則球形的形狀系數K1=1.17

K2—看成規則橢球形的形狀系數K2=1.08

故：Ut=11.15×0.95=10.6（m/s）

(2)氣流速度U

最適宜的氣流速度與物料粒度、重度、形狀和表面狀態，混合以及管路輸送距離等因素有關。通常推薦下式估算：

式中：γs-糟粒重度 已知DS= 878.6（kg/m3）= 0.879N/m3。

α-粒度特性影響系數，對于粒度dS=1～10mm α=16～22 其中：球形粒α=16～19，非球形粒α=20～22。

β-物料類別影響系數，通常β=（2～5）×10-5

L-料管長度（m），已知L=155.91m。

對于正壓輸送料管、隨著管長L的增加，氣體壓力損失△P隨之增加，引起氣速U的增加。因而，對于料管始端—氣流與物料混合室，即L=0，取α=20，估算始端風速應為：

對于料管終端——氣流與物料的分離室，即L=155.91m， 取 α=22，β=5×10-5， 估 算 得：U終=225×10-5×155.91=21.85m/s

(3)氣流速度U核算：

通常，垂直料管：?=1.3～1.7；水平料管：?=1.8～2.0；料管結構復雜者：?=2.0～5.0；本料管結構屬于后者，在料管始端：?=1.8＞1.7，在料管終端：?=2.1＞2.0，可見，氣流速度能滿足顆粒懸浮條件，且較經濟。

3.料管輸送空氣量Q計：

已知料管內徑D=150mm=0.15m，始端氣速與終端氣速分別為18.76（m/s）與21.85（m/s）

4.混合比m計：

已知：輸送糟量 GS=8992.7（kg/hr），以始、終端風量分別計算，空氣重度γa=1.2（kg/m3）（標況）

此值符合正壓氣力輸送的低壓范疇（m=1～10）

5. 輸送管壓力損失△P總核算：

輸送管壓力損失△P總由下式加和計算：

（1）空氣與糟粒在混合時的壓力損失△P混合：

C—混合時阻力系數C=1～5.0取5.0

m—混合比，取6.28

則得：△P混合=（5.0+6.28）×21.53=242.9(kg/m2)

(2)空氣加速糟粒懸浮流動的壓力損失△P加速：

式中：i—單位加速壓力損失，即輸送糟量為噸/時時的加速壓損之值。可依氣流速度U終= 21.85m/s，與輸料管內徑D=150mm， 查表得：i=31.85。

△P加速=31.85×8.9927=286.4（kg/m2）

( 3 ) 空氣和糟粒混合流過直管摩擦壓力損失△P摩擦：△P摩擦=R[L垂直(1+K垂直·m)+L水平(1+K水平·m)]（公斤/米2）

K垂直，K水平-垂直、水平料管中阻力系數；依據U=21.85m/s、D=150mm，接著查附表1，可得：

L垂直-垂直管長與相關的彎管展開長度及斜管長度，即：

L垂直=12.90+8.48=21.38 m

L水平=水平管長與相關的彎管展開長度即：L水平=100.35+31.4+2.78=134.5 m代入數值可得：

△ P摩=3.91[21.38(1+0.779×6.28)+134.5(1+0.47×6.28)]

=2097.3(公斤/米2)

（4 ）氣流將糟粒提高到一定高度的壓力損失△P升

式中：H-提升高度，包括垂直管高與彎管向上轉水平的展開長度，即

由此， △P提升=1.2×6.28×21.38=161.1（公斤/米3）

（5）氣流與糟粒混合流動彎管時的壓力損失△P彎：

式中：ξa—純空氣通過彎管時局部阻力系數，查附表“2得”：90°彎管,ξa=0.083, 150°彎管ξa =0.11。

K彎—糟浮懸通過彎管時阻力系數，查附錄圖，得：由垂直管向水平管轉時，K彎=1.18，反向轉之，K彎=1.5，其余彎管，K彎=1.0

則：△P彎=3×0.083×29.2（1+1.2×6.28）+2×0.083×29.2（1+1.5×6.28）+1×0.083×29.2（1+1.0×6.28）+8×0.11×29.2（1+1.0×6.28）

= 317.3(公斤/米2)

( 6 ) 氣流與糟粒混合通過彎管恢復速度的壓力損失P恢復：

①當彎管方向由垂直轉向水平時，則：

式中：△—輸送物料量大小影響系數，當輸送量：Gs≥5000（公斤/時）時△=0.07

β—彎管后續管長影響系數β≥1.0。

則：△P恢復1=1.0×0.07×286.4×3=60.1(公斤/米2)

②當彎管由水平管轉向垂直管時，則：

由此可得：△P恢復2=2×0.07×286.4×2=80.19(公斤/米2)

則：△P恢復=60.1+80.19=140.3(公斤/米2)

( 7 )輸料管壓力損失△P總：

由以上6項壓力損失相加的和即：

△P總=242.9+286.4+2097.3+161.1+317.3+140.3

=3245.3(公斤/米2)

6. 氣力輸送功率核算：

（1）指示功率Nk計算:

已知：△P總=3245.3（kg/m2）

Qa=1389.1(m3/hr)

已知：輸送裝置排料時壓縮機氣體功率41.8（KW）相應的軸功率：

此值比通用的氣力輸送效率η=0.5～0.7低6%，說明有足夠的潛力防止氣流短路與漏失。

（四）卸料裝置工藝核算：

1.麥糟分離罐分離條件估算:

已知：料管終端氣速U終=21.85m/s，進入分離罐后，由于截面積的擴大，將有明顯的下降，

式中：U-糟粒的沉降速度，由前面計算糟粒群的懸浮速度：

Ut=10.6 （m/s），

這說明分離罐內氣流已失去對懸浮糟粒的攜帶能力、因而糟粒將折轉下沉到罐底，且不再卷起。排出的氣流得以浮化，而不污染廠區環境。

2.麥糟分離罐貯存能力：

（1）分離罐全容積V分離：

（2）分離罐貯存能力m：

已知給料裝置的濕麥糟粒罐容積： V給=12.46m3

這說明分離罐的貯存能力足以保證前面濕麥糟的排送。按日作六鍋酒，可貯存一套麥糟量。

3. 螺旋卸料機能力核算：

（1）實際卸料能力GSO: 由待裝汽車的卸料能力估算，即：

已知：每批待裝量GN= 6～8噸/批，每批裝時間τ=20分鐘，K1=1.15與K2=1.20，分別為螺旋卸料機的不均勻系數與富裕系數，故得：

=24840～23120公斤/時

（2）裝填系數 ?：

已知：D-螺旋外徑 D=356mm

S-螺距 通常S=0.80=0.8×0.356=0.285m

n=69RPm

Γ = 615（公斤/米3）

這說明螺旋卸料機能力富裕，操作正常。

（五）動力消耗指標

1.壓縮空氣氣耗量qA：

2.單位料管長度噸麥糟功率耗量qL：

3.噸麥糟耗電量qp：

已測得排糟時壓縮機功率41.8（KW），螺旋輸送機與卸料機的功率皆為7.5（KW）,則：

由于每次排糟時間為70分鐘，卸糟20分鐘，共計90分鐘。則：

三、討論與結論

（一）麥糟系屬干基狀態（水份78～80%）下密閉輸送，確保環境衛生。由于給料裝置由足夠的控水空間（約占排糟時間的1/3），螺旋輸送機裝料系數?＜50%，中速送料均勻，為同軸聯節同速運轉的螺旋擠料機，提供了良好的喂料條件。又由于擠出處具有較高壓力，進入混合室后既可避免物料的反吹，又可在氣流中得以充分的懸浮分散，為氣流輸送創造了先決條件。麥糟輸送至麥糟分離罐內，由于罐體有保溫，冬天不結冰。卸料時，麥糟在螺旋卸料機里再次擠壓，使之呈“干糟”狀態卸到待裝汽車上。整個麥糟輸送系統是在密閉的，并且屬“風干”狀態下進行。

（二）本裝置適用于管路復雜、遠距離輸送。本裝置輸送距離在155米以上，且管路復雜、彎道多，其中屬90°垂直彎管6處，150°彎管8處。摩擦作用使糟粒細化，從而增加輸送細粒的難度。然而，由于氣流速度適宜，彎管曲率較大，（多是R＞6D）、彎管之后水平管段可提供足夠的管長（L≥20D），使△P得以恢復，從而保證了糟粒的良好懸浮性，避免了粘結的趨勢。達到遠距離輸送目的。

（三）貯存能力大，卸料裝置效率高。本裝置貯糟罐一次可貯存六鍋糖化麥糟，糟粒分離器是重力沉降式直立大罐，氣流進入后速度驟降，糟粒沉降至罐底不會重新卷起。在旺季時糖化進行高批次生產，可以及時周轉，無后顧之憂。

（四）本系統裝置耐用，不易損壞。由于本裝置系屬氣力輸送，由螺旋擠壓機端面擠壓作用，一旦硬物如鐵釘。石塊等混入其中，也可隨之擠出，不致像螺桿泵那樣，由于正位移作用而損傷泵體。

綜合上述，由于本裝置輸送麥糟屬“干基”狀態，確保環境衛生；適用于管路復雜，與距離輸送；糟貯能力大，卸料速度快；裝置耐用。不易損壞等特點，從而確定其具有普遍推廣的實際意義。