三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

摘 要：為了解決目前國(guó)內(nèi)真空回潮機(jī)存在的蒸汽能耗較大、峰值流量陡升陡降影響管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的突出問(wèn)題，采用三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，根據(jù)不同的工藝操作要求，可以節(jié)約抽真空蒸汽64.3%～79.9%，具有突出的節(jié)能減排效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)蒸汽噴射泵；真空回潮；三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)；節(jié)能減排

中圖分類號(hào) F270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）15-129-03

Three-fluid Jet Vacuum System Applications in the Tobacco Industry

Liu Shaoqiang1 et al.

（1 Bachelor of Hefei Designing Institute，China National Tobacco Corp，Hefei 230051，China）

Abstract：In order to solve the current domestic vacuum moisture in steam consumption is larger，the peak flow is steep litre steep drop pipe network pressure stability problems，using three fluid combined jet vacuum system for technological transformation，according to the different operation requirements，can save the vacuum steam（64.3%～79.9%），with outstanding energy-saving emission reduction effect，gained remarkable economic benefits and social benefits.

Key words：The traditional steam jet pump；Vacuum reversion；Three fluid combined jet vacuum system；Energy saving

真空回潮機(jī)作為一種煙草主機(jī)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于打葉復(fù)烤廠和卷煙廠制絲生產(chǎn)線上。其主要工藝任務(wù)為：（1）用于增加煙葉的水分和溫度，使煙葉變得柔軟，增加韌性；（2）使煙葉舒展，表面軟化，易于松散；（3）增加煙葉的耐加工性，減少后續(xù)工序中的造碎；（4）殺蟲(chóng)滅菌：煙葉中的煙蟲(chóng)、蟲(chóng)卵、霉菌等被殺死，使處理后的煙葉能安全貯存；（5）去除青雜氣：由于這些物質(zhì)的減少，煙葉的青雜味明顯減少，其吸味能得到明顯改善，并有利于煙草物料醇化的作用；（6）改善青色煙葉的色澤。真空回潮機(jī)的工作原理是利用真空系統(tǒng)抽吸真空箱體內(nèi)的空氣，使箱內(nèi)達(dá)到預(yù)定的真空度，然后由加濕系統(tǒng)將水蒸汽和水混合后以低壓蒸汽的形式輸入箱內(nèi)，煙葉吸食水分而回軟。因此，回潮質(zhì)量與回潮箱內(nèi)真空度的高低密切相關(guān)，煙葉的回透率、工作效率、加工周期等指標(biāo)取決于真空系統(tǒng)。

1 真空回潮機(jī)的類型

按照真空系統(tǒng)的不同，目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的真空回潮機(jī)有以下5種類型：（1）蒸汽噴射器+水環(huán)式真空泵聯(lián)合機(jī)組；（2）機(jī)械真空機(jī)組+制冷機(jī)組（氟利昂制冷設(shè)備），其工作原理是一次抽空由真空機(jī)組完成，二次、三次真空靠制冷裝置獲得，即把蒸汽冷凝形成真空；（3）二級(jí)蒸汽噴射真空系統(tǒng)，包括二級(jí)二泵式和二級(jí)三泵式真空系統(tǒng)；（4）三級(jí)蒸汽噴射真空系統(tǒng)，包括三級(jí)四泵雙冷凝器系統(tǒng)和三級(jí)四泵單冷凝器系統(tǒng)；（5）四級(jí)蒸汽噴射真空系統(tǒng)，常見(jiàn)的有四級(jí)五泵式真空系統(tǒng)。

在以上5種類型中，第1、2種類型由于真空度低、回潮周期長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修工作量大等特點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代中期以后在國(guó)內(nèi)很少采用；第3、4、5種類型采用飽和蒸汽作為工作介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、真空度高，是國(guó)內(nèi)普遍采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型。隨著大家對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的深入理解，傳統(tǒng)真空回潮機(jī)的缺點(diǎn)顯得尤為突出，主要是：（1）采用飽和蒸汽作為獲得真空的工作介質(zhì)，蒸汽能耗大，不利于節(jié)能、減排；（2）含有煙草雜質(zhì)的工作廢氣直接排放到大氣中，不利于環(huán)境保護(hù)；（3）間斷性工作的特點(diǎn)導(dǎo)致管網(wǎng)壓力陡升陡降，不利于鍋爐生產(chǎn)，更影響了其它設(shè)備的正常工作。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（三流體聯(lián)合真空系統(tǒng)的簡(jiǎn)介）

為解決傳統(tǒng)真空回潮機(jī)的不足，鄭州中航維爾科技有限公司對(duì)國(guó)內(nèi)外真空回潮機(jī)真空系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析對(duì)比，研發(fā)了三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)，以代替原有的真空裝置。

三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)包括蒸汽噴射器、大氣噴射器、水射流泵組，分別以蒸汽、空氣、水3種流體為工作介質(zhì)，以3種流體射流在不同壓力區(qū)域內(nèi)的工作特性，科學(xué)融合形成的一種新型真空系統(tǒng)，順應(yīng)了國(guó)家和行業(yè)對(duì)節(jié)能減排的要求，在保證工藝指標(biāo)的前提下，具有減少蒸汽使用、減少碳排放的明顯特點(diǎn)。其中大氣噴射器和水射流泵組的組合稱之為二元射流真空泵組。

在三流體聯(lián)合真空系統(tǒng)中，二元射流泵組（水和空氣為工作介質(zhì)）作為末級(jí)真空泵，粗抽空至設(shè)定真空度；然后蒸汽噴射器作為前級(jí)泵，抽空至工作真空度。蒸汽噴射器可以是一級(jí)或者兩級(jí)，蒸汽噴射器和二元射流泵組間設(shè)置冷凝器。三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)主要包括：蒸汽噴射器、水射流泵組（含貯水箱）、大氣噴射器、氣控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)（包括檢測(cè)器件）、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、閥泵器件。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)（三流體聯(lián)合真空系統(tǒng)工作原理）

3.1 概述 射流泵技術(shù)的研究和應(yīng)用已約有100a的歷史，目前已遍布各個(gè)行業(yè)。按照約定俗成的分類方法，工作流體是液體（不可壓縮流體）的稱為射流泵，工作流體是氣體（可壓縮）的稱為噴射器。目前，在煙葉回潮真空系統(tǒng)中，蒸汽噴射器的應(yīng)用已經(jīng)廣泛和成熟，但液體射流泵和空氣噴射器的應(yīng)用還是空白。

射流泵和噴射器的外形雖然簡(jiǎn)單，但理論比較復(fù)雜，國(guó)際設(shè)計(jì)流派眾多且無(wú)法統(tǒng)一。例如在水射流真空泵組的工作過(guò)程中，工作水是不可壓縮的非彈性介質(zhì)，而抽吸的空氣是可壓縮的彈性介質(zhì)，水和氣兩者的重量相差800～4 000倍，這兩股性能差別很大的流體在泵內(nèi)進(jìn)行紊動(dòng)、混合、擴(kuò)散和熱交換時(shí)，其性能規(guī)律極其復(fù)雜。三流體真空系統(tǒng)就是利用不同的設(shè)計(jì)方法，將3種工作介質(zhì)應(yīng)用到一套真空裝置中。

3.2 水蒸汽噴射器 噴射器亦稱引射器，它利用一定壓力的飽和水蒸汽作為工作介質(zhì)，靠氣流在噴嘴出口高速流動(dòng)而產(chǎn)生低壓來(lái)抽吸空氣或其它氣體，進(jìn)而將兩股壓力不同的流體相互混合，進(jìn)行能量交換，并形成一股混合流體，然后再壓縮、排出。該類型噴射器中，工作流體的膨脹比通常是很大的，所能建立的壓縮比也大于2.5。其噴嘴采用縮放形式。噴射器的主要結(jié)構(gòu)包括：噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)散器，如圖1所示。

1-接受室；2-噴嘴；3-混合室；4-擴(kuò)散器；A-工作蒸汽；B-引射流體；C-混合流體

圖1 蒸汽噴射泵原理

由于噴射器工作特性復(fù)雜，目前國(guó)際上設(shè)計(jì)蒸汽噴射器主要有4種方法：（1）經(jīng)典熱力學(xué)法，分別研究膨脹、混合和壓縮過(guò)程。（2）氣體動(dòng)力函數(shù)法，特點(diǎn)是放棄對(duì)噴射器工作過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的孤立分析，而是在整個(gè)噴射器的工作過(guò)程中采用氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式，研究特性曲線，在計(jì)算公式中引入若干試驗(yàn)系數(shù)。（3）經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，結(jié)合前兩派的研究結(jié)果，歸納出簡(jiǎn)易的圖表和經(jīng)驗(yàn)公式。（4）在20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來(lái)的，綜合空氣動(dòng)力學(xué)最新成果，結(jié)合流體力學(xué)和熱力學(xué)的基本方程簡(jiǎn)化計(jì)算。

蒸汽噴射器的工作介質(zhì)可以為水蒸汽、氟利昂、乙二醇、二氧化碳等，在煙草回潮用的真空系統(tǒng)中，通常采用飽和水蒸汽作為工作介質(zhì)。水蒸汽噴射器的吸入壓力可以達(dá)到0.1Pa。

3.3 水射流泵 水射流真空泵組一般適用于工作壓強(qiáng)大于25mmHg（3.3kPa），抽吸各種氣體的場(chǎng)合，尤其在抽吸可凝性氣體（即凝結(jié)于水或遇冷凝結(jié)的氣體）、帶有粉塵、顆粒狀介質(zhì)時(shí)其優(yōu)點(diǎn)更為突出?？梢詥为?dú)使用，也可以作為其它真空泵的前級(jí)使用。水射流泵內(nèi)的流體工作原理如圖2所示。

圖2 水射流泵流體工作原理

其工作過(guò)程是：具有一定壓力的水經(jīng)過(guò)噴嘴形成高速射流進(jìn)入吸入室；吸入室內(nèi)的被抽氣體被射流強(qiáng)制攜帶進(jìn)入擴(kuò)壓器，在喉管段進(jìn)行氣液混合，在擴(kuò)散管中進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，兩股流體進(jìn)行擴(kuò)散混合和動(dòng)量與能量交換，兩者的壓力和速度逐漸趨于一致，并且在泵出口處混合流體的壓力高于大氣壓力而排到大氣中。在水射流泵工作過(guò)程中，被抽氣體中可凝性氣體溶于水中，不可凝氣體從排氣口排出，水通過(guò)水泵循環(huán)使用。

工作水和引射空氣的密度存在很大差別是水射流泵的一個(gè)特點(diǎn)，其密度之比可以超過(guò)10 000，因此造成質(zhì)量噴射系數(shù)與容積噴射系數(shù)誤差較大。從理論講，在一定的壓力范圍內(nèi)，容積噴射系數(shù)u0基本不變，抽氣量與吸入壓力的關(guān)系近似一條直線，但是從實(shí)測(cè)的質(zhì)量抽空曲線可以看出，在某區(qū)域的引射空氣流量明顯減小。

由于水幾乎不具有壓縮特性，因此其噴嘴為收縮型，其抽真空的機(jī)理與蒸汽噴射器也有很大區(qū)別。工作水溫對(duì)真空度高低有著顯著影響。

3.4 大氣噴射器 大氣噴射器的工作原理類似于蒸汽噴射器。但由于其彈性特性（或壓縮性，即比容隨壓力的改變而大大改變的特性）較水蒸汽差，所以其建立真空的能力不及水蒸汽噴射器；同時(shí)大流量壓縮空氣也不如水蒸汽那樣方便獲得，也限制了氣體噴射器的應(yīng)用。

大氣噴射器與與液體射流泵串聯(lián)配套，在不增加能耗的基礎(chǔ)上，利用大氣壓力和拉瓦爾噴管的特點(diǎn)，結(jié)合水射流泵組的特點(diǎn)，通過(guò)降低水射流泵的吸入壓力，提高了水射流泵組的工作效率。

二元射流泵組的工作原理是：水射流泵組抽空，使大氣泵內(nèi)造成真空（負(fù)壓），在大氣壓力的作用下，空氣經(jīng)過(guò)大氣噴射器的拉瓦爾噴嘴形成超音速射流，由于射流的引射作用，將容器內(nèi)的空氣帶走，形成較高真空。大氣噴射器的動(dòng)力來(lái)源于大氣壓，不再消耗其它能源。

3.5 三流體聯(lián)合射流真空系統(tǒng)原理 如圖3所示，該類型三流體真空系統(tǒng)采用一級(jí)蒸汽噴射泵和一套二元射流泵組的組合，與傳統(tǒng)的二級(jí)蒸汽噴射真空系統(tǒng)相比，可視為采用二元射流泵組取代末級(jí)蒸汽噴射泵。

1-蒸汽噴射器；2-大氣噴射器；3-液體射流泵

圖3 三流體真空系統(tǒng)原理（1）

如圖4所示，該類型三流體真空系統(tǒng)采用兩級(jí)蒸汽噴射泵和一套二元射流泵組的組合，與傳統(tǒng)的三級(jí)蒸汽噴射真空系統(tǒng)相比，可視為采用二元射流泵組取代末級(jí)蒸汽噴射泵。

1-蒸汽噴射器；2-蒸汽噴射器；3-大氣噴射器；4-液體射流泵

圖4 三流體真空系統(tǒng)原理（2）

4 應(yīng)用效果

表1 三流體真空系統(tǒng)測(cè)試記錄

[測(cè)試編號(hào)＼班次＼開(kāi)機(jī)時(shí)間＼抽空蒸汽耗量

（kg）＼峰值流量

（kg/h）＼0814-1-1＼白1/1＼10∶04∶55＼88＼1 710＼0814-3-3＼白3/1＼10∶49∶59＼92＼1 693＼0815-1-4＼白1/1＼08∶35∶40＼98＼1 696＼0815-3-6＼白3/1＼09∶40∶08＼97＼1 696＼0815-5-8＼白2/2＼10∶54∶40＼98＼1 702＼0815-7-10＼白1/3＼12∶27∶28＼96＼1 683＼0815-9-12＼白3/3＼13∶13∶38＼98＼1 703＼0815-11-14＼白2/4＼14∶35∶50＼103＼1 712＼0815-13-16＼中1/2＼17∶57∶20＼98＼1 699＼0815-15-18＼中2/3＼18∶43∶53＼98＼1 701＼0815-17-20＼中2/3＼20∶17∶00＼98＼1 702＼ 平均值＼96.8＼＼]

2012年8月，重慶卷煙廠采用三流體真空系統(tǒng)對(duì)原有三級(jí)四泵蒸汽噴射真空系統(tǒng)進(jìn)行改造，其中二元射流泵組與原設(shè)備蒸汽噴射泵并聯(lián)安裝，兩種模式能夠無(wú)擾動(dòng)切換。在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，采用2.5回潮周期，在保證工藝指標(biāo)不變的前提下，蒸汽噴射真空系統(tǒng)與三流體射流真空系統(tǒng)交替開(kāi)機(jī)。摘錄2012年8月14日和15日的能耗測(cè)試記錄如表1、2所示，能耗參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 蒸汽噴射真空系統(tǒng)測(cè)試記錄

[測(cè)試編號(hào)＼班次＼開(kāi)機(jī)時(shí)間＼抽空蒸汽耗量（kg）＼峰值流量

（kg/h）＼0814-1-2＼白2/1＼10∶28∶54＼487＼2 730＼0815-2-5＼白2/1＼09∶19∶21＼492＼2 721＼0815-4-7＼白1/2＼10∶33∶22＼491＼2 722＼0815-6-9＼白3/2＼11∶19∶40＼494＼2 728＼0815-8-11＼白2/3＼12∶52∶17＼504＼2 710＼0815-10-13＼白1/4＼14∶14∶36＼477＼2 728＼0815-12-15＼白3/4＼15∶00∶47＼471＼2 735＼0815-14-17＼中2/2＼18∶22∶46＼483＼2 739＼0815-16-19＼中1/3＼19∶51∶36＼481＼2 719＼0815-18-21＼中3/3＼20∶42∶56＼447＼2 780＼ 平均值＼482.7＼＼]

表3 能耗參數(shù)匯總

[＼抽空蒸汽耗量

（kg/蒸）＼電耗量增加

（kW·h/蒸）＼蒸汽峰值流量

（kg/h）＼三流體＼96.8＼20.6＼1 700＼蒸汽噴射＼482.7＼0＼2 700＼]

5 結(jié)論

（1）采用三流體真空技術(shù)對(duì)三級(jí)四泵蒸汽噴射式真空回潮機(jī)進(jìn)行改造后，節(jié)約抽真空蒸汽消耗79.9%。（2）每蒸煙節(jié)約蒸汽386kg，耗電增加20.6kW·h；若蒸汽按200元/t，電按1.08元/（kW·h）計(jì)算，每蒸節(jié)約55元；每批煙葉生產(chǎn)卷煙100箱，每年生產(chǎn)卷煙27萬(wàn)箱，每年節(jié)約44.55萬(wàn)元。（3）蒸汽噴射真空系統(tǒng)抽空時(shí)蒸汽峰值流量2 700kg/h，三流體真空系統(tǒng)抽空時(shí)蒸汽峰值流量1 700kg/h，有效減小蒸汽管網(wǎng)的壓力波動(dòng)。（4）杜絕工作廢氣排放到大氣中，有助于環(huán)境保護(hù)。（5）取消排潮管道，杜絕廢氣排放，減小噪聲。（6）每蒸煙節(jié)約蒸汽386kg，即減少碳排放37.5kg，每年減少碳排放303.75t。（節(jié)約1t蒸汽=減排0.143t標(biāo)煤=減排97.24kgC）

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（責(zé)編：徐世紅）