釀酒生產(chǎn)攤晾控溫裝備的研究

鄭昌寧，張宿義，，黃治國，聶增遠，岳良浩，秦 輝

（1.四川輕化工大學生物工程學院，四川宜賓 644000；2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000）

當今白酒行業(yè)各方面都發(fā)展非常迅速，自動化生產(chǎn)發(fā)展程度更是日新月異，傳統(tǒng)生產(chǎn)操作已無法滿足市場需求，尤其是對生產(chǎn)安全和食品安全要求越來越高的今天，采用高新技術和傳統(tǒng)技術相結合的新型白酒生產(chǎn)模式，已是大勢所趨。近年來，白酒生產(chǎn)逐步向機械化、智能化、信息化的方向發(fā)展，釀酒生產(chǎn)自動化程度相對有很大提高。

攤晾技術是白酒釀制工藝中的重要工藝環(huán)節(jié)之一，攤晾工藝主要是為了使出甑高溫酒糟（85～95 ℃）降至適宜入窖發(fā)酵的溫度（18～22 ℃）[2]?，F(xiàn)各大小酒廠都基本引入攤晾加曲設備以提高攤晾效率，降低勞動力成本。攤晾設備大多由篩孔攤晾鏈板、軸流風機、翻糟齒、加曲機、傳感器等組成，正是因其制作工藝簡單、設備成本低、使用方法簡單，所以被廣泛運用于釀酒攤晾工藝。但是正是這些因素使得攤晾機技術發(fā)展停滯不前，也造成攤晾出的糟醅出現(xiàn)諸多問題，例如打散不均勻、攤晾酒糟收溫不均勻、下曲不均勻、易感染雜菌和設備難以清洗等。因此近些年業(yè)內(nèi)又掀起了攤晾機升級更新的風暴，攤晾機的功能完善和智能化成為其發(fā)展的必然趨勢[3]。

在現(xiàn)有攤晾設備的原理基礎上，結合生產(chǎn)工藝設計一款能夠自動同時完成攤晾、加曲、拌和的攤晾設備。本設計采用帶有內(nèi)螺旋葉片的圓筒式攤晾設備，工作時酒糟顆粒由于受到與筒體摩擦力、自身重力和螺旋葉片的推力的影響，使得輸送物料不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，在螺旋葉片的推進下，物料沿螺旋軸軸向進行輸送。在輸送的過程中，往布滿孔洞的筒體注入氣流以降低酒糟溫度，實現(xiàn)糟醅冷卻。在筒體尾部安裝有加曲、拌和結構，自動完成攤晾、加曲、拌和過程。盡可能使糟醅冷卻均勻，保證糟醅入窖的溫度、酸度、水分含量、淀粉含量均滿足瀘型酒生產(chǎn)工藝要求。提高攤晾效率，降低勞動成本，節(jié)約能源，提高資源綜合利用，實現(xiàn)節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)。

1 攤晾控溫裝備結構的構成

攤晾控溫裝備裝配圖見圖1—圖2，包括輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)，整個設備均使用SUS304食品級不銹鋼制作。

圖1 攤晾控溫裝備裝配圖前視圖

圖2 攤晾控溫裝備裝配圖后視圖

輸送系統(tǒng)由螺帶、篩孔滾筒、驅(qū)動電機、減速箱、傳動桿、齒輪、進糟口、出糟口等組成，用于連續(xù)輸送糟醅。篩孔滾筒、螺帶和從動齒輪三者固定，從動齒輪與傳動齒輪嚙合，傳動電機的高轉(zhuǎn)速通過減速箱減為適合的轉(zhuǎn)速，帶動從動齒輪旋轉(zhuǎn)，使得篩孔滾筒和螺帶旋轉(zhuǎn)，糟醅在螺帶旋轉(zhuǎn)推力、重力、摩擦力的合力作用下做翻轉(zhuǎn)平移運動。冷卻系統(tǒng)由離心風機、軸流風機、篩孔滾筒、風罩、入風道等組成，用于連續(xù)冷卻糟醅。糟醅做翻轉(zhuǎn)平移運動時，離心風機鼓入室溫空氣，空氣通過糟醅內(nèi)部，帶走多余熱量并形成水蒸氣，同時軸流風機吸出水蒸氣。支撐系統(tǒng)由滑軌、端蓋、密封圈、支撐套、座架、固定板、軸承、支撐板、滑輪、支架等組成。四對滑輪用以限制篩孔滾筒自由度，讓其只能做旋轉(zhuǎn)運動。支撐板用以固定風罩。側面風罩可以打開，方便對內(nèi)部進行清理。

2 糟醅物理性質(zhì)的測定

明確出甑糟醅的物理性質(zhì)，是設計攤晾設備的基礎[4]，需要測定出甑糟醅的水分含量、疏松糟醅密度（后續(xù)稱為糟醅密度）、糟醅真實密度、堆積角、甑糟比熱容。

2.1 實驗材料

樣品：糟醅，取自瀘州老窖股份有限公司黃艤釀酒生態(tài)園出甑糟醅和攤晾完成但還未加曲的糟醅。

2.2 儀器設備

量筒，稱量瓶，0.1 mg 電子天平，電熱干燥箱，干燥器（變色硅膠做干燥劑），燒杯，漏斗，紗布，正方體木盒（容積為1000 mL，無上底），圓筒容器（直徑100 mm，長度200 mm，無上下底）。

2.3 實驗方法

糟醅密封保存，測量時不能對其有擠壓或者疏松，保持糟醅原有物理形態(tài)。每組實驗重復做3次，取平均值。

2.3.1 糟醅水分含量的測量

攤晾前糟醅水分含量（Hh2o）的測量方法：稱量質(zhì)量為m1的糟醅放入稱量瓶中，將稱量瓶置于100～105 ℃恒溫干燥箱烘干2 h（烘干時打開稱量瓶蓋），取出稱量瓶并蓋上，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，再烘1 h，冷卻稱重，至恒重為止[2]，稱量干燥后糟醅質(zhì)量m2。用同樣的方法測量攤晾后加曲前糟醅水分含量（Hh2o），如公式1：

由實驗得：出甑后攤晾前糟醅含水量Hh2o=58.26%，攤晾完成但還未加曲的糟醅含水量hh2o=56.32%。

2.3.2 糟醅松散密度的測量

糟醅密度（ρ）的測量方法：稱量正方形木盒質(zhì)量為m，將糟醅輕輕放滿到木盒中，裝滿但不冒尖，稱量木盒和糟醅總質(zhì)量為m3，糟醅密度ρ如公式2：

由實驗得：出甑后攤晾前糟醅密度ρ=0.498 g/mL=498 kg/m3。

2.3.3 糟醅真實密度的測量

真實密度（ρt）的測量方法：將一定量的乙醇加入1000 mL 量筒中（體積v1），稱量（質(zhì)量m4）適量糟醅放入裝有乙醇的量筒內(nèi)，糟醅完全浸入乙醇，立刻讀取總體積v2，糟醅真實密度ρt公式如3：

由實驗得：糟醅真實密度ρt=1.076 g/mL=1076 kg/m3。

2.3.4 糟醅堆積角的測量

堆積角：物料自然堆積時料堆的坡度，即料堆與水平面的夾角。

堆積角（α）的測量方法：將糟醅放入圓筒容器中，慢慢提升圓筒直至糟醅完全滑出，糟醅會在平面上形成一個錐體，測量錐體高度和直徑即可求得糟醅堆積角，計算如公式4。

式中：h——錐體高度；d——錐體直徑。

有研究者[5]曾用此方法測量過松樹種子堆積角。

由實驗可得：出甑糟醅堆積角α=43.4°。

2.3.5 糟醅比熱容的測量

瀘型酒糟醅的主要原料有糠殼、高粱、水，分別測量各物質(zhì)的含量，可以間接計算出糟醅比熱容[6]。

糟醅比熱容（C）測量方法：已知糟醅水分含量。糠殼干重測量方式：稱量質(zhì)量為m5的糟醅，用高于85 ℃的水對酒糟進行多次清洗、紗布過濾，對過濾后的殘渣進行初步烘干，之后篩選出殘渣里的糠殼再次烘干至恒重，稱量糠殼質(zhì)量為m6，糠殼含量H如公式5：

由實驗可得：出甑糟糠殼含量H=11.40%

綜上所述，糟醅中高粱含量H1如公式6：

得：高粱含量H1=30.34%。

混合物質(zhì)比熱容計算，公式如7：

式中：C混——混合物比熱容；mi——不同組分的含量；ci——不同組分的比熱容。

曾有學者測定過糠殼和高粱比熱容[7]，如表1。

表1 水、高粱、糠殼比熱容

根據(jù)公式7計算糟醅比熱容C：

3 設計計算

3.1 輸送系統(tǒng)的設計計算

此攤晾設備輸送結構不同于螺旋輸送機。螺旋輸送機工作原理：當螺旋軸轉(zhuǎn)動時，由于物料的重力及其與筒體壁所產(chǎn)生的摩擦力，使物料只能在葉片的推送下沿著輸送機的槽底向前移動，物料在中間軸向運移，則是依靠后面前進著的物料的推力，所以，物料在輸送機中的運送，完全是一種滑移運動[8]。用螺旋輸送機對糟醅進行輸送，會對酒糟產(chǎn)生擠壓，使得糟醅物性發(fā)生變化，導致不良影響。故此次設計采用筒體加螺帶結構作為輸送，這種結構的優(yōu)點在于，既能滿足生產(chǎn)所需的輸送量，又不會對糟醅產(chǎn)生擠壓。筒體旋轉(zhuǎn)時，固定在筒體上的螺帶跟著一并旋轉(zhuǎn)，酒糟沿葉片的螺旋方向運動，在不斷的提升和翻動過程中，糟醅既做旋轉(zhuǎn)運動又做上下運動，從而使得糟醅均勻攪拌，糟醅冷卻也會更加均勻。為匹配生產(chǎn)節(jié)拍，設計糟醅輸送量Q=8 m3/h。

3.1.1 篩孔滾筒及螺帶尺寸的設計

篩孔滾筒尺寸主要考慮直徑和長度，根據(jù)糟醅在滾筒內(nèi)的運動情況確定有效攤晾面積，攤晾面積越大，產(chǎn)出較高，攤晾面積減小，窖池產(chǎn)出也隨之減少[9]。螺帶主要確定步距S 和螺帶高度H。為了確定糟醅的運動情況，制作了一個滾筒螺帶模型，直徑D=0.8 m，長度L=1.2 m，螺帶步距S=0.28 m，螺帶高度H=0.2 m，經(jīng)試驗得，此模型輸送糟醅，糟醅運動堆積形態(tài)如圖3所示。

圖3 糟醅運動堆積形態(tài)圖

由此實驗可得，糟醅有效攤晾面積與旋轉(zhuǎn)一圈可以輸送糟醅和滾筒直徑、螺帶高度有關，也和糟醅的堆積角度有關，當∠A 超過糟醅最大堆積角度α，以糟醅堆積角度計算。糟醅在滾筒內(nèi)做提升運動時，糟醅與水平夾角會逐漸變大，當達到最大堆積角且繼續(xù)運動，糟醅會出現(xiàn)崩塌從而做翻轉(zhuǎn)運動。如果螺帶高度過低，糟醅會從一個步距跨越到另外一個步距，從而影響輸送效果，故為了達到理想的輸送效果，應當∠A≥堆積角度α。

為了和瀘州某酒廠自動化生產(chǎn)線攤晾場地相匹配，篩孔滾筒直徑取D=1.5 m、長度L=5.5 m。

（1）步距的確定：

式中：k1——螺旋螺距與直徑的比例系數(shù)，與物料的性質(zhì)有關，物料摩擦系數(shù)越高，k1取值越小，此結構一般S≤0.5D。曾有學者利用運動仿真分析可得[10]：經(jīng)優(yōu)化后的螺旋輸送機螺距明顯減小，機械效率也有了較大幅度的提升，此時k1=0.33。

經(jīng)公式8計算得：S=0.495 m，取整S=0.5 m。

（2）螺帶高度的確定：

螺帶高度是影響單位時間糟醅輸送量的一個重要參數(shù)，但是又受到糟醅堆積角的制約，為了達到理想輸送量又不能浪費材料，則需要知道糟醅在筒體內(nèi)部的最適填充系數(shù)φ。糟醅物性：黏性，屬于含糖、淀粉質(zhì)的團，故填充系數(shù)φ取值0.125～0.20 之間。考慮到糟醅不易結塊，松散度較高，填充系數(shù)φ取值0.17。結合圖3 糟醅運動堆積形態(tài)圖計算出螺帶高度H=35 cm。

3.1.2 篩孔滾筒轉(zhuǎn)速的確定

篩孔滾筒轉(zhuǎn)速直接影響其輸送率，每旋轉(zhuǎn)一圈，糟醅就前進一個步距。設計輸送量為8 m3/h，此時糟醅應全部脫離篩孔滾筒，所以，1 h 內(nèi)，糟醅不僅要進入滾筒內(nèi)部，并且還需全部輸送出來。螺旋輸送能力和很多因素相關[11]，如螺旋直徑、螺帶步距、轉(zhuǎn)速等，可按照公式9進行計算。

式中：Q——輸送量（m3/h）；D——螺旋筒內(nèi)直徑（m），取1.5 m；S——螺帶步距（m）；n——轉(zhuǎn)速（r/min）；φ——填充系數(shù)，取0.2；c——傾斜輸送系數(shù)，見表2。

表2 螺旋輸送機傾斜校正系數(shù) c

攤晾機水平放置，故傾斜輸送系數(shù)取1。

由公式9計算得：篩孔滾筒轉(zhuǎn)速n=0.89 r/min。

3.2 冷卻系統(tǒng)的設計

攤晾是利用空氣與糟醅之間進行熱量交換，排出高溫蒸汽，使得糟醅快速降溫以滿足入窖溫度。攤晾又分為自然風冷和強迫風冷，此攤晾過程屬于強迫風冷[12]。離心風機通入空氣，將糟醅多余熱量帶走。

3.2.1 糟醅總散熱量

攤晾1 h，糟醅溫度由92 ℃降低到22 ℃釋放的熱量，按照熱力學方程10計算：

式中：Q——糟醅釋放的總熱量（kJ）；c——糟醅平均比熱容[kj/（kg·℃）]；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（m3）；△t——攤晾前后溫差（℃）。

由公式10計算得：Q=845564.16 kJ。

3.2.2 糟醅在攤晾過程中水分散失帶走的熱量計算

糟醅在攤晾過程中，隨著空氣的通入，糟醅中的部分水分會跟隨空氣揮發(fā)，形成明顯的水蒸氣，水從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，會帶走一部分熱量Q1，這部分熱量可以根據(jù)糟醅攤晾前后含水量的變化結合揮發(fā)1 kg水需要的熱量c1計算得出，計算公式如11：

式中：Q1——糟醅中水分散失帶走的熱量（kJ）；c1——低于100 ℃時揮發(fā)1 kg水需要的熱量（2.267 kJ）；Hh2o——攤晾前糟醅含水量（%）；hh2o——攤晾后糟醅含水量（%）；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（8 m3）。

由公式11計算得：Q1=175.22 kJ。

此部分熱量約占攤晾全過程糟醅散發(fā)熱量的0.02%，攤晾1 h水分散失約有77 kg。

3.2.3 攤晾設備所需風量計算

糟醅攤晾過程是利用室溫空氣通過糟醅內(nèi)部進行降溫，空氣溫度在一段時間內(nèi)可以看作恒定不變，糟醅溫度由高到低變化[13]?？諝馀c糟醅換熱效率受較多因素影響，如糟醅溫度、空氣溫度、空氣流量等，換熱效率直接影響傳熱系數(shù)，導致傳熱系數(shù)K 一直變化，利用熱交換器的熱計算基本方程式：Q=K△tmF 難以計算。故此次計算采用“比熱法”進行計算。

在已知糟醅總發(fā)熱量（Q=845564.16 kJ）的情況下，假設發(fā)熱量全部由空氣帶走，計算公式如12：

式中：q——冷卻空氣流量（m3）；Q——物體發(fā)熱量（kJ）；ρp——空氣密度（1.29 kg/m3）；cp——空氣定壓比熱容[1.003 kJ/kg·℃]；△T——空氣的平均溫升（℃）。

空氣平均溫升（△T）的計算是參考現(xiàn)有鏈板式攤晾機出風口風溫，經(jīng)計算△T約為20 ℃。

由公式12計算得：攤晾1 h所需風量q=32676 m3。

3.2.4 風機的選型

風機是組成攤晾設備必不可少的設備，用于糟醅攤晾的風機主要有離心風機和軸流風機兩種。離心風機的特點：風量相對較小、全壓大、噪音大、能耗高；軸流風機的特點：風量相對較大，全壓小，噪音小。風機的選擇，考慮因素主要有風量和風壓。兩款風機均能滿足合適的風量，但由于篩孔滾筒內(nèi)部糟醅較厚，軸流風機風壓較小，糟醅可能“吹不透”導致冷卻效果不佳，故此設計采用離心風機作為冷卻風機，離心風機參數(shù)如表3。

表3 離心風機參數(shù)

風機參數(shù)在使用中存在誤差，利用風速測量儀（AS-H3）、直尺便能測量此風機的實際使用風量。測量風機出風口風速vt（m/s）和出風口面積st（m3），計算實際風量qt（m3/h）如公式13：

由實驗得，風機實際風量qt=（6700～7100）m3/h。

五臺離心風機總風量q總=（33500～35500）m3/h，滿足此攤晾設備對風量的要求。攤晾設備頂部兩臺離心風機的總風量略大于q總即可。

4 總結

糟醅攤晾是白酒生產(chǎn)工序中的關鍵工序，是控制糧糟入窖水分和溫度的重要操作步驟。由傳統(tǒng)的石晾堂、攤晾床發(fā)展到現(xiàn)代的自動化晾糟機，可謂是發(fā)展迅速，但也存在諸多問題。如漏料、不易清洗和能源浪費等。此次研究將螺旋輸送和風冷結合，也是兩個學科的結合。能在連續(xù)性生產(chǎn)的同時通過冷凝設備對攤晾時產(chǎn)生的水蒸氣進行回收利用，為攤晾設備的發(fā)展提供了一個設計方向。隨著科技的進步，會有更多的學科與白酒生產(chǎn)行業(yè)進行融合，逐步取代傳統(tǒng)釀酒生產(chǎn)模式，向機械化、自動能、智能化、信息化發(fā)展，定會有更多更先進更完善的機械設備應用到釀酒生產(chǎn)中。