真空回潮機蒸汽噴射泵余汽熱能的回收利用

張蒙生，袁永強，張振華，羅 健，毋玉蓮

(河南中煙工業(yè)有限責任公司 漯河卷煙廠，河南 漯河 462000)

在煙草制絲生產線中［1］，真空回潮機蒸汽噴射泵的作用是將儲存在筒體內的煙片抽吸成9.80 kPa(絕對壓力)的負壓真空，完成片煙的膨脹松散、去雜氣、殺蟲、增溫增濕工藝。蒸汽噴射泵需消耗蒸汽330 kg/批(鍋)［2］，排放的廢蒸汽不僅造成熱能浪費而且對環(huán)境產生噪聲和腐蝕污染。廢熱回收一是直接吸收式，二是熱交換吸收式，前者冷卻水與乏汽及抽吸的筒體空氣直接接觸，熱能初次回收徹底，但回收的熱水被污染，不能直接利用，需要二次熱交換，熱能散熱嚴重，因此雖有卷煙廠使用，但推廣應用受到限制;后者通過換熱器吸收，回收熱水可直接被利用，回收效率高，但對換熱器管阻有特殊設計要求。本文基于降低換熱器管阻和提高換熱效率為出發(fā)點，設計一種可回收蒸汽噴射泵廢蒸汽的冷凝器，該冷凝器回收具有瞬時、間歇和大流量廢蒸汽的特點，可作為該類型真空回潮機的配套產品使用，結果表明，蒸汽余熱溫度由110～120℃下降到80℃，冷卻水溫可提高到60～80℃，達到節(jié)能減排目的。

圖1 蒸汽噴射泵工作原理圖

1 真空回潮蒸汽噴射泵的工作原理和真空回潮工藝流程

本文以WZ1004型噴射式真空回潮機為例，其抽吸真空過程如圖1所示。啟動1、2和3、4氣動閥，高速蒸汽流在啟動泵和二級泵內產生真空，箱體內氣體經一級噴射泵、冷凝器、二級噴射泵，隨啟動泵，與蒸汽混合經管路輸出到室外排放。箱體內真空度迅速下降，當真空度達到13.32 kPa時，同時啟動氣動閥5，三泵同時抽吸箱體內氣體。冷凝器吸收一級泵蒸汽，增大其流速，增強一級泵抽吸能力［3］。當箱體內真空度達到將真空回潮抽空溫度設定10℃時，所有泵體停止工作。

真空回潮機工藝過程如圖2所示，根據(jù)噴射泵工作原理，只有啟動泵和二級泵消耗的蒸汽被排出，一級泵蒸汽余熱被冷凝器吸收。根據(jù)管徑和工作時間，其排放余汽量占蒸汽總消耗的55%。每鍋(批次)片煙處理時間為21 min［4］，則消耗蒸氣總量為2400×21/60=840 kg(蒸汽消耗2 400 kg/h)。其中，余汽排放時間8 min，余汽排放量為840×0.55=462 kg/批，批次余汽排放流量為3 465 kg/h。該廢蒸汽排放特點為低壓、間歇和大流量特點。

2 真空回潮機蒸汽引射器余汽熱能回收系統(tǒng)的結構

設計制作一換熱器，將原對空排放的余汽經換熱器冷凝，熱能被冷卻水吸收，冷卻水被反復循環(huán)加熱，提高其溫度可被重新利用。其余熱回收管網及設備布局如圖3所示。具有溫度為110～120℃的真空回潮二級噴射泵余汽，從冷凝器下部進入，蒸汽走散熱管外，在導流板的導流下，降低流速，增大管程，其熱能被散熱管內流動的低溫水吸收，進行熱交換，蒸汽冷凝成水，凝結水從底部排水口排出，未完全冷凝的水蒸氣從頂部出口排走;冷水自冷凝器底部走管內被加熱，水在冷凝器中走管內雙程，在頂部堵頭折返，進行二次吸熱，水被加溫后從冷凝器中排走，冷凝水經水箱再次放熱，排放掉的冷凝水熱能被充分利用;冷卻水不斷循環(huán)從而提高其水溫，達到能利用的溫度。

3 熱能回收核心技術——換熱器(余汽冷凝器)的結構設計

3.1 換熱器技術要求

批次余汽排放量大，而余汽排放流量更大，余熱回收利用經濟可行，但對其熱能回收的核心部件換熱器的設計選型提出更高要求。其換熱器的基本參數(shù)應滿足如下條件:

蒸汽流量:3 465 kg/h(脈沖流動，每21 min期間8 min排一次汽)

蒸汽入口壓力:0.14 MPa

蒸汽入口溫度:110℃

熱交換效率:≥75%

冷卻水溫度:≤40℃

熱媒入口管徑:Φ250

管阻盡可能小

圖2 真空回潮機工藝流程

圖3 真空回潮機蒸汽引射器余汽熱能回收管網圖

3.2 換熱器設計方案

管殼式換熱器是一種成熟的標準化產品，它具有散熱效果好，設計規(guī)范，計算簡便，使用廣泛等特點，其散熱和安裝方式對比如表1所示。

表1 散熱器設計方案優(yōu)化表

綜上兩套方案的比較，在對第二方案進行改進的基礎上，可實行第二方案，即減少管阻對蒸汽排放的影響，如可對水循環(huán)進行雙回程設計，增大水循環(huán)管程，加粗管殼直徑，與原余汽排放管直徑相匹配［5］?；跇藴驶?BQM －DN800－0.6－70－2/25Ⅰ型固定管板管殼式換熱器，按專用真空余熱冷凝器進行設計，盡量減少管阻和提高換熱面積和換熱效率。

3.3 余熱冷凝器熱管的設計計算

為保證蒸汽在冷凝過程中有良好的散熱，采用焊接銅管［6］，為了便于清洗，采用標準的25×2(外徑×厚度)散熱銅管，換熱管采用雙回程轉置正方形排列，管間距為1.4 d(換熱管外徑)，其排列規(guī)則如圖4所示。按此規(guī)律，可在Φ800圓筒斷面(管板放置2×181=362根散熱管)，管板側視如圖5所示。整體結構設計如圖6所示，中間加隔板。

［7］散熱面積 A 的計算

式中 d——散熱管外徑/m，取0.025 m;

L——散熱管長度/m，取4 m;

δ——管板厚度/m，取0.015 m;

圖4 散熱管轉置正方形排列圖

n——管子根數(shù)/根，取362根。

則 A=3.14 ×0.025(4 －2 ×0.015 －0.006) ×362=112.6 m2

管程流通面積

式中 d——散熱管外徑/m，取0.025 m;

τ——散熱管厚度/m，取0.002 m;

n——管子根數(shù)/根，取262根。

圖5 散熱管排列軸向圖

圖6 余熱冷凝器結構設計圖

S=［3.14 ×0.0252－3.14(0.025 －2 ×0.002)2］/4 ×181=0.026 m2(相當 DN180)

殼程流通面積

S=(πD2－nπd2)/4

式中 D——殼筒直徑/m，取0.6 m;

d——散熱管外徑/m，取0.025 m;

n——管子根數(shù)/根，取472根。

S=(3.14 ×0.62－362 ×3.14 ×0.0252)/4=0.105 m2(相當DN365)

殼體為低合金鋼圓筒，Φ800×6，長度4 m

蒸汽的壓降值為15 ～35 kPa，(0.015 ～0.035 MPa)

冷卻水流速:0.7 ～1.0 m/s

管內蒸汽流速:大于1.5 m/s

3.4 熱負荷的計算

蒸汽冷凝過程可分為兩個階段，第一階段，潛熱釋放;蒸汽由0.1 MPa(表壓)110℃降至0 MPa(表壓)100℃水蒸氣［6］，其熱量釋放為兩種狀態(tài)的總焓之差，為 2691.26 ～2675.71=15.55 kJ/kg;第二階段由0.1 MPa(表壓)100℃飽和水蒸氣降至60℃熱水繼續(xù)釋放熱能，為其焓值之差，2675.71－376.96=2298.75 kJ/kg，兩個階段合計放熱為2 314.3 kJ/kg。

余汽排放流量3 465 kg/h，批次排放量為462 kg，則每鍋煙蒸汽冷凝釋放的熱量為2314.3×462=1069206.6 kJ

其瞬時熱負荷為:1069206.6kJ/480s=2227.5=2.23 MW.

根據(jù)相關文獻關于換熱器熱負荷計算公式［8］，當水流量為13.9 kg/s時，水升溫為:δT=38.1℃，總傳熱系數(shù)為450 W/m2·℃。

4 應用效果

將該管殼式冷凝器接入熱回收管網中，如圖3所示，水箱內熱水經電磁閥排放，輸送至洗浴熱交換室內與盤管熱水器回水口相連，用于職工洗浴的補水，當冬季管路散熱溫度下降時，經洗浴熱交換蒸汽二次加熱，確保常年供給浴室溫度在設定的范圍內。真空回潮機余熱利用于洗浴管網如圖7所示。

圖7 真空回潮機蒸汽余熱利用于洗浴管網圖

漯河卷煙廠通過設計和安裝真空回潮機余熱回收系統(tǒng)，2011年安裝運行2年來，日均卷煙產量1 100箱(約40 000 kg煙葉)，回潮機批次處理煙葉能力為2 400 kg/批，日生產15批，累計排放余汽時間為2 h，回收熱能2×2.23 MW·h，日產生60℃熱水75 t，基本能滿足日均300人職工洗浴需求。通過安裝的能源計量儀表測試統(tǒng)計如表2。

表2 真空回潮機蒸汽余熱節(jié)能技術經濟對比表

表2測試統(tǒng)計表明，安裝正常運行1年來，年節(jié)約燃料9.8萬m3，折合費用27.4萬元，經濟效益和社會效益顯著。

［1］國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范［M］.北京:中央文獻出版社，2003.

［2］張振華，卓永冰.真空回潮機抽真空蒸汽余熱回收的實現(xiàn)［J］.中國設備工程，2011(6):9.

［3］姚光明，等.真空回潮工序對烤煙煙葉感官質量的影響［J］.煙草科技，2011(3):5－8.

［4］張振華，邵國洋.卷煙工業(yè)企業(yè)基于關鍵節(jié)點的能源管理［J］.能源研究與管理，2011(4):88.

［5］董昱廷，王海云，唐新安.風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀研究［J］.電網與清潔能源，2013，29(3):85 －89.

［6］于勇.管殼式換熱器的設計計算［J］.特種油氣藏，2004，11(6):106.

［7］錢頌文主編.換熱器設計手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2002.8.

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