三流體聯合射流真空系統在煙草行業的應用

摘 要：為了解決目前國內真空回潮機存在的蒸汽能耗較大、峰值流量陡升陡降影響管網壓力穩定的突出問題，采用三流體聯合射流真空系統進行技術改造，根據不同的工藝操作要求，可以節約抽真空蒸汽64.3%～79.9%，具有突出的節能減排效果，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：傳統蒸汽噴射泵；真空回潮；三流體聯合射流真空系統；節能減排

中圖分類號 F270 文獻標識碼 A 文章編號 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

真空回潮機作為一種煙草主機設備，廣泛應用于打葉復烤廠和卷煙廠制絲生產線上。其主要工藝任務為：（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，減少后續工序中的造碎；（4）殺蟲滅菌：煙葉中的煙蟲、蟲卵、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。真空回潮機的工作原理是利用真空系統抽吸真空箱體內的空氣，使箱內達到預定的真空度，然后由加濕系統將水蒸汽和水混合后以低壓蒸汽的形式輸入箱內，煙葉吸食水分而回軟。因此，回潮質量與回潮箱內真空度的高低密切相關，煙葉的回透率、工作效率、加工周期等指標取決于真空系統。

1 真空回潮機的類型

按照真空系統的不同，目前國內外常見的真空回潮機有以下5種類型：（1）蒸汽噴射器+水環式真空泵聯合機組；（2）機械真空機組+制冷機組（氟利昂制冷設備），其工作原理是一次抽空由真空機組完成，二次、三次真空靠制冷裝置獲得，即把蒸汽冷凝形成真空；（3）二級蒸汽噴射真空系統，包括二級二泵式和二級三泵式真空系統；（4）三級蒸汽噴射真空系統，包括三級四泵雙冷凝器系統和三級四泵單冷凝器系統；（5）四級蒸汽噴射真空系統，常見的有四級五泵式真空系統。

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、結構復雜、維修工作量大等特點，自20世紀90年代中期以后在國內很少采用；第3、4、5種類型采用飽和蒸汽作為工作介質，結構簡單、真空度高，是國內普遍采用的傳統結構型。隨著大家對建設資源節約型、環境友好型社會的深入理解，傳統真空回潮機的缺點顯得尤為突出，主要是：（1）采用飽和蒸汽作為獲得真空的工作介質，蒸汽能耗大，不利于節能、減排；（2）含有煙草雜質的工作廢氣直接排放到大氣中，不利于環境保護；（3）間斷性工作的特點導致管網壓力陡升陡降，不利于鍋爐生產，更影響了其它設備的正常工作。

2 系統結構（三流體聯合真空系統的簡介）

為解決傳統真空回潮機的不足，鄭州中航維爾科技有限公司對國內外真空回潮機真空系統進行了綜合分析對比，研發了三流體聯合射流真空系統，以代替原有的真空裝置。

三流體聯合射流真空系統包括蒸汽噴射器、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，以3種流體射流在不同壓力區域內的工作特性，科學融合形成的一種新型真空系統，順應了國家和行業對節能減排的要求，在保證工藝指標的前提下，具有減少蒸汽使用、減少碳排放的明顯特點。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。

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

3 技術實現（三流體聯合真空系統工作原理）

3.1 概述 射流泵技術的研究和應用已約有100a的歷史，目前已遍布各個行業。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中，蒸汽噴射器的應用已經廣泛和成熟，但液體射流泵和空氣噴射器的應用還是空白。

射流泵和噴射器的外形雖然簡單，但理論比較復雜，國際設計流派眾多且無法統一。例如在水射流真空泵組的工作過程中，工作水是不可壓縮的非彈性介質，而抽吸的空氣是可壓縮的彈性介質，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進行紊動、混合、擴散和熱交換時，其性能規律極其復雜。三流體真空系統就是利用不同的設計方法，將3種工作介質應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，靠氣流在噴嘴出口高速流動而產生低壓來抽吸空氣或其它氣體，進而將兩股壓力不同的流體相互混合，進行能量交換，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。噴射器的主要結構包括：噴嘴、接受室、混合室和擴散器，如圖1所示。

1-接受室；2-噴嘴；3-混合室；4-擴散器；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雜，目前國際上設計蒸汽噴射器主要有4種方法：（1）經典熱力學法，分別研究膨脹、混合和壓縮過程。（2）氣體動力函數法，特點是放棄對噴射器工作過程各個環節的孤立分析，而是在整個噴射器的工作過程中采用氣體動力學參數計算公式，研究特性曲線，在計算公式中引入若干試驗系數。（3）經驗系數法，結合前兩派的研究結果，歸納出簡易的圖表和經驗公式。（4）在20世紀70年代后期發展起來的，綜合空氣動力學最新成果，結合流體力學和熱力學的基本方程簡化計算。

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

3.3 水射流泵 水射流真空泵組一般適用于工作壓強大于25mmHg（3.3kPa），抽吸各種氣體的場合，尤其在抽吸可凝性氣體（即凝結于水或遇冷凝結的氣體）、帶有粉塵、顆粒狀介質時其優點更為突出。可以單獨使用，也可以作為其它真空泵的前級使用。水射流泵內的流體工作原理如圖2所示。

圖2 水射流泵流體工作原理

其工作過程是：具有一定壓力的水經過噴嘴形成高速射流進入吸入室；吸入室內的被抽氣體被射流強制攜帶進入擴壓器，在喉管段進行氣液混合，在擴散管中進行擴散運動，兩股流體進行擴散混合和動量與能量交換，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，水通過水泵循環使用。

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特點，其密度之比可以超過10 000，因此造成質量噴射系數與容積噴射系數誤差較大。從理論講，在一定的壓力范圍內，容積噴射系數u0基本不變，抽氣量與吸入壓力的關系近似一條直線，但是從實測的質量抽空曲線可以看出，在某區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，其抽真空的機理與蒸汽噴射器也有很大區別。工作水溫對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用。

大氣噴射器與與液體射流泵串聯配套，在不增加能耗的基礎上，利用大氣壓力和拉瓦爾噴管的特點，結合水射流泵組的特點，通過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，使大氣泵內造成真空（負壓），在大氣壓力的作用下，空氣經過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，將容器內的空氣帶走，形成較高真空。大氣噴射器的動力來源于大氣壓，不再消耗其它能源。

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

1-蒸汽噴射器；2-大氣噴射器；3-液體射流泵

圖3 三流體真空系統原理（1）

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

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 三流體真空系統原理（2）

4 應用效果

表1 三流體真空系統測試記錄

[測試編號＼班次＼開機時間＼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對原有三級四泵蒸汽噴射真空系統進行改造，其中二元射流泵組與原設備蒸汽噴射泵并聯安裝，兩種模式能夠無擾動切換。在試驗驗證過程中，采用2.5回潮周期，在保證工藝指標不變的前提下，蒸汽噴射真空系統與三流體射流真空系統交替開機。摘錄2012年8月14日和15日的能耗測試記錄如表1、2所示，能耗參數見表3。

表2 蒸汽噴射真空系統測試記錄

[測試編號＼班次＼開機時間＼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 結論

（1）采用三流體真空技術對三級四泵蒸汽噴射式真空回潮機進行改造后，節約抽真空蒸汽消耗79.9%。（2）每蒸煙節約蒸汽386kg，耗電增加20.6kW·h；若蒸汽按200元/t，電按1.08元/（kW·h）計算，每蒸節約55元；每批煙葉生產卷煙100箱，每年生產卷煙27萬箱，每年節約44.55萬元。（3）蒸汽噴射真空系統抽空時蒸汽峰值流量2 700kg/h，三流體真空系統抽空時蒸汽峰值流量1 700kg/h，有效減小蒸汽管網的壓力波動。（4）杜絕工作廢氣排放到大氣中，有助于環境保護。（5）取消排潮管道，杜絕廢氣排放，減小噪聲。（6）每蒸煙節約蒸汽386kg，即減少碳排放37.5kg，每年減少碳排放303.75t。（節約1t蒸汽=減排0.143t標煤=減排97.24kgC）

參考文獻

[1]昆明船舶有限責任公司.真空回潮機使用說明書[Z].2003.

[2]中國煙草總公司上海市公司.卷煙制絲設備[Z].1988.

[3]國家煙草專賣局.卷煙工藝規范[M].北京：中央文獻出版社，2003.

[4]于建軍.卷煙工藝學[M].北京：中國農業出版社，2003.

[5]索科洛夫.噴射器[M].北京：科學出版社，1977.

[6]陸宏圻.射流泵技術的理論及應用[M].北京：水利電力出版社，1987.

[7]張德翱，馬程飛.三級變排氣量蒸汽噴射真空泵在煙草回潮機中的應用[J].煙草科技，1985（3）：10-12.

[8]石含玉，薛協文.關于真空回潮技術中存在的問題及改進措施[J].煙草科技，1989（5）：4-7.

[9]尤長虹.COMAS公司真空回潮機簡介[J].煙草科技，1990（2）：28-30.

[10]陳文欽，葛慶生.真空回潮機的改造[J].煙草科技，2001（8）：22-23.

（責編：徐世紅）