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(shù)，很多人都熟視無(wú)睹，認(rèn)為沒(méi)有什么特別之處，可一旦深究起來(lái)似乎也沒(méi)那么簡(jiǎn)單。本文就這個(gè)話題來(lái)展開(kāi)，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(lái)多用螺旋輸送器和螺桿泵輸送系統(tǒng)。螺桿泵送法有許多明顯的特點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)最大問(wèn)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(jīng)常換件。氣力式麥糟輸送裝置就克服了上述缺點(diǎn)。

沈陽(yáng)雪花啤酒廠前些年從德國(guó)引進(jìn)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(diǎn)更為突出?，F(xiàn)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(diǎn)

整個(gè)裝置由麥糟暫貯罐槽1.螺旋輸送機(jī)2.螺旋擠料機(jī)3.料氣混合室4.麥糟輸送管5.麥糟分離罐6。螺旋卸料機(jī)7.等組成。所用氣流是空壓機(jī)經(jīng)旁通管8入混合室。工藝流程參見(jiàn)圖一,其裝置參見(jiàn)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(gè)裝置可換分為給料、料管及卸料三個(gè)部分，其工藝特點(diǎn)分述為下：

（一）給料裝置結(jié)構(gòu)緊湊，給料均勻穩(wěn)定。

給料裝置是由麥糟暫貯罐（1）螺旋輸送機(jī)（2）與螺旋擠料機(jī)（3）聯(lián)合于一體，置于麥汁過(guò)濾槽的下面。暫貯槽是一個(gè)容積為12.46m3的長(zhǎng)方形錐形體槽（長(zhǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)（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(zhuǎn)。麥糟經(jīng)過(guò)控水由此擠壓到混合室。此螺旋擠料機(jī)廠860mm，外徑φ259漸縮至φ150，將麥糟壓擠（因A進(jìn)/A出=（D進(jìn)/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(jī)是容積式擠壓方式，因而混合室里氣料混合均勻，混合比穩(wěn)定，同時(shí)有效地避免了糟粒的反吹。

（二）卸料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)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(zhì)、錐角60°。槽粒對(duì)鋼板的摩擦角為錐角70°，故糟粒極易卸出，及時(shí)壓入螺旋卸料。當(dāng)氣流從φ150料管轉(zhuǎn)向到φ3300的分離罐后，由于流向突變與橫截面突擴(kuò)，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(nèi)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(shuō)明氣流已失去對(duì)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(shí)，氣流從排氣管逸出時(shí)較為清潔而不污染大氣，因而無(wú)須再經(jīng)除塵器凈化處理。

（三）管料結(jié)構(gòu)復(fù)雜。料管彎道多，距離長(zhǎng)（＞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(tài)穩(wěn)定、輸送順利。

二、基本工藝核算

（一）物料衡算：

1. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

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(wú)水浸出率由下式計(jì)算：

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

代入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可計(jì)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(yīng)為：

GE’=GY-GE=Gm(1-Wm)+Gn(1-Wn)-GE

代入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可計(jì)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(chǔ)數(shù)據(jù)可得：

4.濕麥糟量：GH’(公斤)或容積VH’（m3）：

將基礎(chǔ)數(shù)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(fēng)送前要控水風(fēng)干，其水份含量由

WH’= 85%降 為 WH=80%、控水量約為：

6.風(fēng)干麥糟量; GH及體積VH:

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

7.產(chǎn)糟技術(shù)指標(biāo)：

（1）噸原料產(chǎn)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(chǎn)麥糟量VH(公斤/噸酒)

相應(yīng)于每鍋糖化麥汁的啤酒產(chǎn)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(chǎn)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(jié)果：見(jiàn)表2：

表2

（二）給料裝置工藝能力核算：

圖3：過(guò)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(guò)濾槽下面。為適應(yīng)氣力輸送供料方向均勻穩(wěn)定的要求，其中暫貯

罐設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方錐底型，參見(jiàn)圖三和圖四。

由圖示可知，其總?cè)莘e由長(zhǎng)方錐體容積V1和長(zhǎng)方體容積V2兩部分構(gòu)成。即：

代入尺寸數(shù)據(jù)可得：

=7.97+4.53=12.46（m3）

濕麥糟經(jīng)過(guò)大約25分鐘控水后變成風(fēng)干糟的容積VH可換算為：

可見(jiàn)VH≤V說(shuō)明暫貯槽能力剛好滿足工藝要求，因而如能及時(shí)排糟或提前排糟，將可使暫貯工藝更為穩(wěn)妥可靠。

2. 螺旋輸送機(jī)能力核算：

圖4 氣力式麥糟輸送給料裝置

螺旋輸送機(jī)的排糟能力由下式計(jì)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(zhuǎn)數(shù) 已測(cè)得n= 84.8RPm

γS——槽的容量 已測(cè)得γS=615公斤/米3

?——裝料系數(shù) 通常?=0.5～0.7

代入數(shù)據(jù)可得：

=15352.3～21493.2（公斤/時(shí)）

實(shí)際上，本裝置所需的最大排糟能力是應(yīng)由下式估算：

式中：GH=7602.5公斤/批（見(jiàn)前）

K1——不均勻系數(shù) 可取為1.15

K2——余富系數(shù) 可取得1.20代入數(shù)據(jù)得：

可見(jiàn)：此螺旋輸送機(jī)的有效負(fù)荷系數(shù)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(shí)，在螺旋轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)系如下：

式中：N = 7.5 KW 由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

?= 0.5～0.6為電機(jī)傳動(dòng)功率，可取0.5

K = 1.3～1.5為電機(jī)容量負(fù)荷系數(shù)，可取1.5。

（2）Qk—— 螺旋擠出機(jī)生產(chǎn)能力，由下式計(jì)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(zhuǎn)速（實(shí)測(cè)值）

?k— 裝料系數(shù)麥糟實(shí)至出口，?k= 100%

(3) Pk— 麥糟壓實(shí)至擠出口處壓力（kg/cm2）

（4）混合室風(fēng)壓P經(jīng)?？刂圃?～5kgf/cm2（表壓）。這樣，PK＞P能絕對(duì)避免麥糟的反吹。同時(shí)，在△P=Pk-P=6.35-5=1.35fkg/cm2的作用下，已經(jīng)壓實(shí)的麥糟得以迅速分散與均勻混合，順利地進(jìn)入輸料管。

（三）輸料管工藝核算

1.輸料管結(jié)構(gòu)與總長(zhǎng)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(nèi)地平面置上）與麥糟分離罐（露天置放的相對(duì)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(gè)90°彎管（其中水平向上轉(zhuǎn)垂直的2個(gè)，水平向下轉(zhuǎn)垂直的1個(gè)，垂直向上轉(zhuǎn)水平的2個(gè),水平轉(zhuǎn)水平的1個(gè)）及8個(gè)150°彎管（其中水平向上轉(zhuǎn)傾斜2個(gè)，水平向下轉(zhuǎn)傾斜1個(gè)，傾斜向上轉(zhuǎn)水平2個(gè)，傾斜向下轉(zhuǎn)水平1個(gè)，水平轉(zhuǎn)水平2個(gè)）構(gòu)成。詳見(jiàn)圖五所示：圖

因而其總長(zhǎng)度應(yīng)由下式計(jì)算：

∴L展開(kāi)= 8.48+31.4=39.88m

則： L=1290+100.35+2.78+39.88=155.9m

由此可見(jiàn)，輸料管布置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其中水平段長(zhǎng)度約占64,4%，垂直管段長(zhǎng)度約占8.27%，而彎管的展開(kāi)度約占25.6%。如此多變結(jié)構(gòu)之料管，有效的克服在管壁的局部處，尤其在較長(zhǎng)的水平管段與較多的彎管處，可能出現(xiàn)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(cè)得ds=3～7mm，現(xiàn)取5mm。

γa—標(biāo)況下空氣重度 γa =1.2公斤/米3

γs—槽粒重度，已測(cè)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(shù)。C=f（Re），通常改換成 C=?（CRe2）。

先由下式計(jì)算出CRe2值然后查表確定C值。

式中：γa —20℃空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，γa=1.512×10-5（m2/s），其他參數(shù)同前，

代入數(shù)值計(jì)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(shù)，可由下式估算：

式中： K1—看成不規(guī)則球形的形狀系數(shù)K1=1.17

K2—看成規(guī)則橢球形的形狀系數(shù)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(tài)，混合以及管路輸送距離等因素有關(guān)。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(shù)，對(duì)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(shù)，通常β=（2～5）×10-5

L-料管長(zhǎng)度（m），已知L=155.91m。

對(duì)于正壓輸送料管、隨著管長(zhǎng)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(duì)于料管始端—?dú)饬髋c物料混合室，即L=0，取α=20，估算始端風(fēng)速應(yīng)為：

對(duì)于料管終端——?dú)饬髋c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(jié)構(gòu)復(fù)雜者：?=2.0～5.0；本料管結(jié)構(gòu)屬于后者，在料管始端：?=1.8＞1.7，在料管終端：?=2.1＞2.0，可見(jiàn)，氣流速度能滿足顆粒懸浮條件，且較經(jīng)濟(jì)。

3.料管輸送空氣量Q計(jì)：

已知料管內(nèi)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(jì)：

已知：輸送糟量 GS=8992.7（kg/hr），以始、終端風(fēng)量分別計(jì)算，空氣重度γa=1.2（kg/m3）（標(biāo)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(jì)算：

（1）空氣與糟粒在混合時(shí)的壓力損失△P混合：

C—混合時(shí)阻力系數(shù)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(dòng)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(shí)時(shí)的加速壓損之值?？梢罋饬魉俣萓終= 21.85m/s，與輸料管內(nèi)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?；旌狭鬟^(guò)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(shù)；依據(jù)U=21.85m/s、D=150mm，接著查附表1，可得：

L垂直-垂直管長(zhǎng)與相關(guān)的彎管展開(kāi)長(zhǎng)度及斜管長(zhǎng)度，即：

L垂直=12.90+8.48=21.38 m

L水平=水平管長(zhǎng)與相關(guān)的彎管展開(kāi)長(zhǎng)度即：L水平=100.35+31.4+2.78=134.5 m代入數(shù)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(zhuǎn)水平的展開(kāi)長(zhǎng)度，即

由此， △P提升=1.2×6.28×21.38=161.1（公斤/米3）

（5）氣流與糟?；旌狭鲃?dòng)彎管時(shí)的壓力損失△P彎：

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

K彎—糟浮懸通過(guò)彎管時(shí)阻力系數(shù)，查附錄圖，得：由垂直管向水平管轉(zhuǎn)時(shí)，K彎=1.18，反向轉(zhuǎn)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?；旌贤ㄟ^(guò)彎管恢復(fù)速度的壓力損失P恢復(fù)：

①當(dāng)彎管方向由垂直轉(zhuǎn)向水平時(shí)，則：

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

β—彎管后續(xù)管長(zhǎng)影響系數(shù)β≥1.0。

則：△P恢復(fù)1=1.0×0.07×286.4×3=60.1(公斤/米2)

②當(dāng)彎管由水平管轉(zhuǎn)向垂直管時(shí)，則：

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

則：△P恢復(fù)=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(xiàng)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(jì)算:

已知：△P總=3245.3（kg/m2）

Qa=1389.1(m3/hr)

已知：輸送裝置排料時(shí)壓縮機(jī)氣體功率41.8（KW）相應(yīng)的軸功率：

此值比通用的氣力輸送效率η=0.5～0.7低6%，說(shuō)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(jìn)入分離罐后，由于截面積的擴(kuò)大，將有明顯的下降，

式中：U-糟粒的沉降速度，由前面計(jì)算糟粒群的懸浮速度：

Ut=10.6 （m/s），

這說(shuō)明分離罐內(nèi)氣流已失去對(duì)懸浮糟粒的攜帶能力、因而糟粒將折轉(zhuǎn)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(qū)環(huán)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(shuō)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(jī)能力核算：

（1）實(shí)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(shí)間τ=20分鐘，K1=1.15與K2=1.20，分別為螺旋卸料機(jī)的不均勻系數(shù)與富裕系數(shù)，故得：

=24840～23120公斤/時(shí)

（2）裝填系數(shù) ?：

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(shuō)明螺旋卸料機(jī)能力富裕，操作正常。

（五）動(dòng)力消耗指標(biāo)

1.壓縮空氣氣耗量qA：

2.單位料管長(zhǎng)度噸麥糟功率耗量qL：

3.噸麥糟耗電量qp：

已測(cè)得排糟時(shí)壓縮機(jī)功率41.8（KW），螺旋輸送機(jī)與卸料機(jī)的功率皆為7.5（KW）,則：

由于每次排糟時(shí)間為70分鐘，卸糟20分鐘，共計(jì)90分鐘。則：

三、討論與結(jié)論

（一）麥糟系屬干基狀態(tài)（水份78～80%）下密閉輸送，確保環(huán)境衛(wèi)生。由于給料裝置由足夠的控水空間（約占排糟時(shí)間的1/3），螺旋輸送機(jī)裝料系數(shù)?＜50%，中速送料均勻，為同軸聯(lián)節(jié)同速運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋擠料機(jī)，提供了良好的喂料條件。又由于擠出處具有較高壓力，進(jìn)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(chuàng)造了先決條件。麥糟輸送至麥糟分離罐內(nèi)，由于罐體有保溫，冬天不結(jié)冰。卸料時(shí)，麥糟在螺旋卸料機(jī)里再次擠壓，使之呈“干糟”狀態(tài)卸到待裝汽車上。整個(gè)麥糟輸送系統(tǒng)是在密閉的，并且屬“風(fēng)干”狀態(tài)下進(jìn)行。

（二）本裝置適用于管路復(fù)雜、遠(yuǎn)距離輸送。本裝置輸送距離在155米以上，且管路復(fù)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(xì)化，從而增加輸送細(xì)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(zhǎng)（L≥20D），使△P得以恢復(fù)，從而保證了糟粒的良好懸浮性，避免了粘結(jié)的趨勢(shì)。達(dá)到遠(yuǎn)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(jìn)入后速度驟降，糟粒沉降至罐底不會(huì)重新卷起。在旺季時(shí)糖化進(jìn)行高批次生產(chǎn)，可以及時(shí)周轉(zhuǎn)，無(wú)后顧之憂。

（四）本系統(tǒng)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(jī)端面擠壓作用，一旦硬物如鐵釘。石塊等混入其中，也可隨之?dāng)D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(tài)，確保環(huán)境衛(wèi)生；適用于管路復(fù)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(diǎn)，從而確定其具有普遍推廣的實(shí)際意義。