三流体联合射流真空系统在烟草行业的应用

摘 要：为了解决目前国内真空回潮机存在的蒸汽能耗较大、峰值流量陡升陡降影响管网压力稳定的突出问题，采用三流体联合射流真空系统进行技术改造，根据不同的工艺操作要求，可以节约抽真空蒸汽64.3%～79.9%，具有突出的节能减排效果，取得了显著的经济效益和社会效益。

关键词：传统蒸汽喷射泵；真空回潮；三流体联合射流真空系统；节能减排

中图分类号 F270 文献标识码 A 文章编号 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

真空回潮机作为一种烟草主机设备，广泛应用于打叶复烤厂和卷烟厂制丝生产线上。其主要工艺任务为：（1）用于增加烟叶的水分和温度，使烟叶变得柔软，增加韧性；（2）使烟叶舒展，表面软化，易于松散；（3）增加烟叶的耐加工性，减少后续工序中的造碎；（4）杀虫灭菌：烟叶中的烟虫、虫卵、霉菌等被杀死，使处理后的烟叶能安全贮存；（5）去除青杂气：由于这些物质的减少，烟叶的青杂味明显减少，其吸味能得到明显改善，并有利于烟草物料醇化的作用；（6）改善青色烟叶的色泽。真空回潮机的工作原理是利用真空系统抽吸真空箱体内的空气，使箱内达到预定的真空度，然后由加湿系统将水蒸汽和水混合后以低压蒸汽的形式输入箱内，烟叶吸食水分而回软。因此，回潮质量与回潮箱内真空度的高低密切相关，烟叶的回透率、工作效率、加工周期等指标取决于真空系统。

1 真空回潮机的类型

按照真空系统的不同，目前国内外常见的真空回潮机有以下5种类型：（1）蒸汽喷射器+水环式真空泵联合机组；（2）机械真空机组+制冷机组（氟利昂制冷设备），其工作原理是一次抽空由真空机组完成，二次、三次真空靠制冷装置获得，即把蒸汽冷凝形成真空；（3）二级蒸汽喷射真空系统，包括二级二泵式和二级三泵式真空系统；（4）三级蒸汽喷射真空系统，包括三级四泵双冷凝器系统和三级四泵单冷凝器系统；（5）四级蒸汽喷射真空系统，常见的有四级五泵式真空系统。

在以上5种类型中，第1、2种类型由于真空度低、回潮周期长、结构复杂、维修工作量大等特点，自20世纪90年代中期以后在国内很少采用；第3、4、5种类型采用饱和蒸汽作为工作介质，结构简单、真空度高，是国内普遍采用的传统结构型。随着大家对建设资源节约型、环境友好型社会的深入理解，传统真空回潮机的缺点显得尤为突出，主要是：（1）采用饱和蒸汽作为获得真空的工作介质，蒸汽能耗大，不利于节能、减排；（2）含有烟草杂质的工作废气直接排放到大气中，不利于环境保护；（3）间断性工作的特点导致管网压力陡升陡降，不利于锅炉生产，更影响了其它设备的正常工作。

2 系统结构（三流体联合真空系统的简介）

为解决传统真空回潮机的不足，郑州中航维尔科技有限公司对国内外真空回潮机真空系统进行了综合分析对比，研发了三流体联合射流真空系统，以代替原有的真空装置。

三流体联合射流真空系统包括蒸汽喷射器、大气喷射器、水射流泵组，分别以蒸汽、空气、水3种流体为工作介质，以3种流体射流在不同压力区域内的工作特性，科学融合形成的一种新型真空系统，顺应了国家和行业对节能减排的要求，在保证工艺指标的前提下，具有减少蒸汽使用、减少碳排放的明显特点。其中大气喷射器和水射流泵组的组合称之为二元射流真空泵组。

在三流体联合真空系统中，二元射流泵组（水和空气为工作介质）作为末级真空泵，粗抽空至设定真空度；然后蒸汽喷射器作为前级泵，抽空至工作真空度。蒸汽喷射器可以是一级或者两级，蒸汽喷射器和二元射流泵组间设置冷凝器。三流体联合射流真空系统主要包括：蒸汽喷射器、水射流泵组（含贮水箱）、大气喷射器、气控系统、电控系统（包括检测器件）、冷却水循环系统、阀泵器件。

3 技术实现（三流体联合真空系统工作原理）

3.1 概述 射流泵技术的研究和应用已约有100a的历史，目前已遍布各个行业。按照约定俗成的分类方法，工作流体是液体（不可压缩流体）的称为射流泵，工作流体是气体（可压缩）的称为喷射器。目前，在烟叶回潮真空系统中，蒸汽喷射器的应用已经广泛和成熟，但液体射流泵和空气喷射器的应用还是空白。

射流泵和喷射器的外形虽然简单，但理论比较复杂，国际设计流派众多且无法统一。例如在水射流真空泵组的工作过程中，工作水是不可压缩的非弹性介质，而抽吸的空气是可压缩的弹性介质，水和气两者的重量相差800～4 000倍，这两股性能差别很大的流体在泵内进行紊动、混合、扩散和热交换时，其性能规律极其复杂。三流体真空系统就是利用不同的设计方法，将3种工作介质应用到一套真空装置中。

3.2 水蒸汽喷射器 喷射器亦称引射器，它利用一定压力的饱和水蒸汽作为工作介质，靠气流在喷嘴出口高速流动而产生低压来抽吸空气或其它气体，进而将两股压力不同的流体相互混合，进行能量交换，并形成一股混合流体，然后再压缩、排出。该类型喷射器中，工作流体的膨胀比通常是很大的，所能建立的压缩比也大于2.5。其喷嘴采用缩放形式。喷射器的主要结构包括：喷嘴、接受室、混合室和扩散器，如图1所示。

1-接受室；2-喷嘴；3-混合室；4-扩散器；A-工作蒸汽；B-引射流体；C-混合流体

图1 蒸汽喷射泵原理

由于喷射器工作特性复杂，目前国际上设计蒸汽喷射器主要有4种方法：（1）经典热力学法，分别研究膨胀、混合和压缩过程。（2）气体动力函数法，特点是放弃对喷射器工作过程各个环节的孤立分析，而是在整个喷射器的工作过程中采用气体动力学参数计算公式，研究特性曲线，在计算公式中引入若干试验系数。（3）经验系数法，结合前两派的研究结果，归纳出简易的图表和经验公式。（4）在20世纪70年代后期发展起来的，综合空气动力学最新成果，结合流体力学和热力学的基本方程简化计算。

蒸汽喷射器的工作介质可以为水蒸汽、氟利昂、乙二醇、二氧化碳等，在烟草回潮用的真空系统中，通常采用饱和水蒸汽作为工作介质。水蒸汽喷射器的吸入压力可以达到0.1Pa。

3.3 水射流泵 水射流真空泵组一般适用于工作压强大于25mmHg（3.3kPa），抽吸各种气体的场合，尤其在抽吸可凝性气体（即凝结于水或遇冷凝结的气体）、带有粉尘、颗粒状介质时其优点更为突出。可以单独使用，也可以作为其它真空泵的前级使用。水射流泵内的流体工作原理如图2所示。

图2 水射流泵流体工作原理

其工作过程是：具有一定压力的水经过喷嘴形成高速射流进入吸入室；吸入室内的被抽气体被射流强制携带进入扩压器，在喉管段进行气液混合，在扩散管中进行扩散运动，两股流体进行扩散混合和动量与能量交换，两者的压力和速度逐渐趋于一致，并且在泵出口处混合流体的压力高于大气压力而排到大气中。在水射流泵工作过程中，被抽气体中可凝性气体溶于水中，不可凝气体从排气口排出，水通过水泵循环使用。

工作水和引射空气的密度存在很大差别是水射流泵的一个特点，其密度之比可以超过10 000，因此造成质量喷射系数与容积喷射系数误差较大。从理论讲，在一定的压力范围内，容积喷射系数u0基本不变，抽气量与吸入压力的关系近似一条直线，但是从实测的质量抽空曲线可以看出，在某区域的引射空气流量明显减小。

由于水几乎不具有压缩特性，因此其喷嘴为收缩型，其抽真空的机理与蒸汽喷射器也有很大区别。工作水温对真空度高低有着显著影响。

3.4 大气喷射器 大气喷射器的工作原理类似于蒸汽喷射器。但由于其弹性特性（或压缩性，即比容随压力的改变而大大改变的特性）较水蒸汽差，所以其建立真空的能力不及水蒸汽喷射器；同时大流量压缩空气也不如水蒸汽那样方便获得，也限制了气体喷射器的应用。

大气喷射器与与液体射流泵串联配套，在不增加能耗的基础上，利用大气压力和拉瓦尔喷管的特点，结合水射流泵组的特点，通过降低水射流泵的吸入压力，提高了水射流泵组的工作效率。

二元射流泵组的工作原理是：水射流泵组抽空，使大气泵内造成真空（负压），在大气压力的作用下，空气经过大气喷射器的拉瓦尔喷嘴形成超音速射流，由于射流的引射作用，将容器内的空气带走，形成较高真空。大气喷射器的动力来源于大气压，不再消耗其它能源。

3.5 三流体联合射流真空系统原理 如图3所示，该类型三流体真空系统采用一级蒸汽喷射泵和一套二元射流泵组的组合，与传统的二级蒸汽喷射真空系统相比，可视为采用二元射流泵组取代末级蒸汽喷射泵。

1-蒸汽喷射器；2-大气喷射器；3-液体射流泵

图3 三流体真空系统原理（1）

如图4所示，该类型三流体真空系统采用两级蒸汽喷射泵和一套二元射流泵组的组合，与传统的三级蒸汽喷射真空系统相比，可视为采用二元射流泵组取代末级蒸汽喷射泵。

1-蒸汽喷射器；2-蒸汽喷射器；3-大气喷射器；4-液体射流泵

图4 三流体真空系统原理（2）

4 应用效果

表1 三流体真空系统测试记录

[测试编号＼&班次＼&开机时间＼&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，重庆卷烟厂采用三流体真空系统对原有三级四泵蒸汽喷射真空系统进行改造，其中二元射流泵组与原设备蒸汽喷射泵并联安装，两种模式能够无扰动切换。在试验验证过程中，采用2.5回潮周期，在保证工艺指标不变的前提下，蒸汽喷射真空系统与三流体射流真空系统交替开机。摘录2012年8月14日和15日的能耗测试记录如表1、2所示，能耗参数见表3。

表2 蒸汽喷射真空系统测试记录

[测试编号＼&班次＼&开机时间＼&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 能耗参数汇总

[＼&抽空蒸汽耗量

（kg/蒸）＼&电耗量增加

（kW·h/蒸）＼&蒸汽峰值流量

（kg/h）＼&三流体＼&96.8＼&20.6＼&1 700＼&蒸汽喷射＼&482.7＼&0＼&2 700＼&]

5 结论

（1）采用三流体真空技术对三级四泵蒸汽喷射式真空回潮机进行改造后，节约抽真空蒸汽消耗79.9%。（2）每蒸烟节约蒸汽386kg，耗电增加20.6kW·h；若蒸汽按200元/t，电按1.08元/（kW·h）计算，每蒸节约55元；每批烟叶生产卷烟100箱，每年生产卷烟27万箱，每年节约44.55万元。（3）蒸汽喷射真空系统抽空时蒸汽峰值流量2 700kg/h，三流体真空系统抽空时蒸汽峰值流量1 700kg/h，有效减小蒸汽管网的压力波动。（4）杜绝工作废气排放到大气中，有助于环境保护。（5）取消排潮管道，杜绝废气排放，减小噪声。（6）每蒸烟节约蒸汽386kg，即减少碳排放37.5kg，每年减少碳排放303.75t。（节约1t蒸汽=减排0.143t标煤=减排97.24kgC）

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（责编：徐世红）

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