氣體噴射泵在尾氣輸送工藝中的應用優勢探討

丁江斌

連云港沃利工程技術有限公司上海分公司 （上海 201100）

隨著中國經濟的持續發展，國家及地方政府的環保要求也越來越高。這意味著大部分化工生產企業現有工藝尾氣排放指標將達不到國家和地方政府新的排放要求，尾氣改造項目勢在必行，而且多數改造均涉及尾氣輸送設備的設計和選型。在間歇工藝中，尾氣排放量波動大、介質組分復雜，而且又要保證安全可靠，盡量節省固定投資和運行成本，因此工藝設計過程中選擇合適的尾氣輸送設備至關重要。本研究通過氣體噴射泵與常規尾氣輸送設備離心風機或羅茨風機的多維度對比分析，總結其在特定的尾氣輸送工況中的應用優勢。

1 氣體噴射泵的優勢

1.1 適用工況

從工作原理上劃分，氣體噴射泵同離心風機一樣歸屬于速度式范疇[1]，只是它沒有葉輪，而是依靠一種氣體介質的能量來輸送另一種氣體介質。與離心風機或羅茨風機相比，氣體噴射泵在適用工況上有以下幾個優勢。

（1）操作工況。氣體噴射泵只需通過引射流體的供氣控制就能實現啟、停動作，尾氣排放壓力也只要通過調節引射流體的流量來控制（見圖1）；而離心風機或羅茨風機并不適用于時啟時停的間歇操作工況，且尾氣排放壓力需要增加變頻器調節轉速或設置旁通調節回流量來進行控制（見圖2）。增加變頻器會進一步提高投資，設置旁通調節回流量會增加能耗和介質溫升，所以對于尾氣排放量波動較大的間歇操作工況，氣體噴射泵的應用優勢更大。

圖1 氣體噴射泵控制流程圖

（2）輸送流量和全壓。氣體噴射泵主要適用于輸送流量小于500 m3/h（標準狀態，下同）和全壓不大于10～20 kPa的工況，而小流量、低全壓工況恰恰較難選到比較合適的離心風機或者羅茨風機，所以噴射泵對這種工況具有更好的適用性。

（3）介質潔凈度。由于噴射泵結構簡單，不涉及精密傳動部件，因此對輸送介質的潔凈度要求低于風機。無論是潔凈氣體還是含油、含液或含固體顆粒的氣體介質，噴射泵都能適應。

圖2 風機控制流程圖

（4）操作溫度。噴射泵對輸送介質操作溫度基本沒有限制，只要選擇合適的材料即可達到要求；而普通離心風機或羅茨風機由于軸承耐溫能力有限，對于輸送介質的操作溫度有一定的要求（一般不超過95℃）。

1.2 安全可靠性

安全性方面，對于易燃易爆、有毒有害的尾氣介質，不管是羅茨風機還是離心風機，即使配置高端的機械密封形式，依然存在泄露的可能，從而增加爆炸、火災或中毒的風險；另外，易燃易爆尾氣經過風機之后的溫升在某種程度上也會增加風險的不確定性；但氣體噴射泵對于這些可識別的風險可能性基本可以降到很低甚至消除。

運行可靠性方面，風機屬于轉動設備，始終存在電機故障、磨蝕損壞、潤滑失效等可能性，從而導致風機故障無法正常運行；但噴射泵屬于靜止設備，只要設計合理，基本不存在失效情況。所以不管是在安全性還是可靠性方面，結構簡單的氣體噴射泵均優于離心風機或羅茨風機。

1.3 項目投資

對于項目投資來說，對比結果顯而易見。因為離心風機和羅茨風機屬于高精度傳動設備，設計和制造成本高；而氣體噴射泵本質上屬于容器類設備，設計和制造成本較低；對相同性能參數的單臺風機和氣體噴射泵進行比較，羅茨風機價格最高，離心風機次之，氣體噴射泵最低。另外：如果選用風機，部分工況中需要設1開1備2臺機器，并配套設計如供電、軸封、潤滑或冷卻等附屬設施，這會使投資費用進一步增加；而噴射泵基本不存在故障率，一般只需設置1臺。所以針對同一適用工況而言，選用氣體噴射泵比羅茨風機或離心風機的投資費用更低。

1.4 運行成本

運行成本主要包括兩部分：正常操作費用和檢維修費用。

風機正常操作費用主要為電費，部分情況可能會涉及由于消耗循環冷卻水帶來的費用增加；氣體噴射泵消耗工作流體，其正常操作費用主要為消耗動力氣體所產生的費用。

以尾氣入口壓力為101.325 kPa（絕壓，下同），出口壓力要求為121.46 kPa，尾氣流量為200 m3/h，動力工作流體使用常規工廠風，壓力為801.325 kPa工況為例，對風機和噴射泵的正常操作費用進行計算對比。

風機所需軸功率計算公式見式（1）[1]。

式中：N為風機所需軸功率，kW；Q為風機的風量，m3/h；p為風機風壓，Pa；ηf為風機全壓效率，一般為0.70；ηc為機械傳動效率，選用聯軸器形式，效率按0.95選取。

風機實際消耗功率計算公式見式（2）。

式中：Nd為風機馬達功率，kW。

可由式（1）計算得到以上工況風機所需軸功率：

N=200×(121.46-101.325)×1 000/(3 600×1 000×0.7×0.95)=1.68 kW

其中全壓效率取0.7，傳動效率取0.95，則由式

（2）可以計算得到電機實際消耗功率為：

Nd=1.68×110%≈2.0 kW

以目前工業用電平均市場價格1.0元/(kW·h)計算，風機每運行1 h的電費約為2.0元。

以某知名廠家產品為基礎進行氣體噴射泵正常操作費用計算，圖3為該產品的性能參數曲線圖。圖中：pd為噴射泵出口壓力，kPa；ps為噴射泵引射流體壓力，kPa；ptr為噴射泵工作流體壓力，kPa；1/μ 為引射流體與工作流體體積流量之比。

圖3 德國科爾庭公司某氣體噴射泵產品性能參數

根據圖3計算出以上工況的下列參數：

pdps=121.46 101.325=1.20

psptr=101.325/801.325=0.126

對應圖3中橫、縱坐標，得到1/μ=2.0。

因此，對于200 m3/h的引射尾氣流量，大約需要200/2.0=100 m3/h的工作流體（即動力氣體）。以工業常規工廠風平均市場價格為0.1元/m3計算，以上工況所需的氣體噴射泵直接操作費用為：

100 m3/h×0.1元/m3=10.0元/h

現假設以上工況每天總操作時間為t（小時），屬于多次間歇操作，且在t之外的其余時段風機均以最小流量維持正常運轉，考慮到風機類似有冷卻水消耗等額外因素影響，最小流量工作狀態下風機的電費消耗按正常流量工作狀態的50%折算，即1.0元/h。據此可以列出等式（3）：

解得：t=2.67 h。

對上述計算結果進行綜合分析可以得出：對于較小流量和較低全壓的間歇尾氣排放工況，且總排放時間在2.0～3.0 h以內的，風機和噴射泵的正常運行成本基本持平；相反，對于連續工況，單從運行費用上分析，風機比噴射泵的運行成本更低。

至于檢維修費用，通過對二者項目投資的對比分析，從側面可以得出，結構復雜且精密的風機的檢維修費用遠高于結構簡單的氣體噴射泵。

2 氣體噴射泵的缺點

在尾氣輸送工藝應用中，與常規離心風機或羅茨風機相比較，氣體噴射泵也存在一些缺點。對于流量較大或者全壓較高的尾氣連續排放工況，氣體噴射泵不太適用，因為該類工況會消耗大量的工作流體，從而增加運行成本。另外，選用氣體噴射泵輸送尾氣，工作流體的引入會額外少量增加終端尾氣處理設施的操作負荷。

3 結語

分別對氣體噴射泵的優勢和缺點進行分析之后，對氣體噴射泵與離心風機、羅茨風機在適用工況、安全可靠性、固定投資、運行成本等方面作對比總結，具體見表1。

表1 氣體噴射泵、離心風機和羅茨風機比較匯總

綜上所述，在尾氣輸送工藝設計過程中，對于排放量較小、全壓較低、操作溫度較高、含液體或固體顆粒的易燃易爆尾氣間歇排放工況，且工作流體引入量不會對終端尾氣處理設施操作負荷起決定性影響的前提下，因在項目投資、安全可靠性和檢維修費用等方面的優勢，優先考慮并選用氣體噴射泵。