真空回潮机蒸汽喷射泵余汽热能的回收利用

张蒙生，袁永强，张振华，罗 健，毋玉莲

(河南中烟工业有限责任公司 漯河卷烟厂，河南 漯河 462000)

在烟草制丝生产线中［1］，真空回潮机蒸汽喷射泵的作用是将储存在筒体内的烟片抽吸成9.80 kPa(绝对压力)的负压真空，完成片烟的膨胀松散、去杂气、杀虫、增温增湿工艺。蒸汽喷射泵需消耗蒸汽330 kg/批(锅)［2］，排放的废蒸汽不仅造成热能浪费而且对环境产生噪声和腐蚀污染。废热回收一是直接吸收式，二是热交换吸收式，前者冷却水与乏汽及抽吸的筒体空气直接接触，热能初次回收彻底，但回收的热水被污染，不能直接利用，需要二次热交换，热能散热严重，因此虽有卷烟厂使用，但推广应用受到限制;后者通过换热器吸收，回收热水可直接被利用，回收效率高，但对换热器管阻有特殊设计要求。本文基于降低换热器管阻和提高换热效率为出发点，设计一种可回收蒸汽喷射泵废蒸汽的冷凝器，该冷凝器回收具有瞬时、间歇和大流量废蒸汽的特点，可作为该类型真空回潮机的配套产品使用，结果表明，蒸汽余热温度由110～120℃下降到80℃，冷却水温可提高到60～80℃，达到节能减排目的。

图1 蒸汽喷射泵工作原理图

1 真空回潮蒸汽喷射泵的工作原理和真空回潮工艺流程

本文以WZ1004型喷射式真空回潮机为例，其抽吸真空过程如图1所示。启动1、2和3、4气动阀，高速蒸汽流在启动泵和二级泵内产生真空，箱体内气体经一级喷射泵、冷凝器、二级喷射泵，随启动泵，与蒸汽混合经管路输出到室外排放。箱体内真空度迅速下降，当真空度达到13.32 kPa时，同时启动气动阀5，三泵同时抽吸箱体内气体。冷凝器吸收一级泵蒸汽，增大其流速，增强一级泵抽吸能力［3］。当箱体内真空度达到将真空回潮抽空温度设定10℃时，所有泵体停止工作。

真空回潮机工艺过程如图2所示，根据喷射泵工作原理，只有启动泵和二级泵消耗的蒸汽被排出，一级泵蒸汽余热被冷凝器吸收。根据管径和工作时间，其排放余汽量占蒸汽总消耗的55%。每锅(批次)片烟处理时间为21 min［4］，则消耗蒸气总量为2400×21/60=840 kg(蒸汽消耗2 400 kg/h)。其中，余汽排放时间8 min，余汽排放量为840×0.55=462 kg/批，批次余汽排放流量为3 465 kg/h。该废蒸汽排放特点为低压、间歇和大流量特点。

2 真空回潮机蒸汽引射器余汽热能回收系统的结构

设计制作一换热器，将原对空排放的余汽经换热器冷凝，热能被冷却水吸收，冷却水被反复循环加热，提高其温度可被重新利用。其余热回收管网及设备布局如图3所示。具有温度为110～120℃的真空回潮二级喷射泵余汽，从冷凝器下部进入，蒸汽走散热管外，在导流板的导流下，降低流速，增大管程，其热能被散热管内流动的低温水吸收，进行热交换，蒸汽冷凝成水，凝结水从底部排水口排出，未完全冷凝的水蒸气从顶部出口排走;冷水自冷凝器底部走管内被加热，水在冷凝器中走管内双程，在顶部堵头折返，进行二次吸热，水被加温后从冷凝器中排走，冷凝水经水箱再次放热，排放掉的冷凝水热能被充分利用;冷却水不断循环从而提高其水温，达到能利用的温度。

3 热能回收核心技术——换热器(余汽冷凝器)的结构设计

3.1 换热器技术要求

批次余汽排放量大，而余汽排放流量更大，余热回收利用经济可行，但对其热能回收的核心部件换热器的设计选型提出更高要求。其换热器的基本参数应满足如下条件:

蒸汽流量:3 465 kg/h(脉冲流动，每21 min期间8 min排一次汽)

蒸汽入口压力:0.14 MPa

蒸汽入口温度:110℃

热交换效率:≥75%

冷却水温度:≤40℃

热媒入口管径:Φ250

管阻尽可能小

图2 真空回潮机工艺流程

图3 真空回潮机蒸汽引射器余汽热能回收管网图

3.2 换热器设计方案

管壳式换热器是一种成熟的标准化产品，它具有散热效果好，设计规范，计算简便，使用广泛等特点，其散热和安装方式对比如表1所示。

表1 散热器设计方案优化表

综上两套方案的比较，在对第二方案进行改进的基础上，可实行第二方案，即减少管阻对蒸汽排放的影响，如可对水循环进行双回程设计，增大水循环管程，加粗管壳直径，与原余汽排放管直径相匹配［5］。基于标准化的 BQM －DN800－0.6－70－2/25Ⅰ型固定管板管壳式换热器，按专用真空余热冷凝器进行设计，尽量减少管阻和提高换热面积和换热效率。

3.3 余热冷凝器热管的设计计算

为保证蒸汽在冷凝过程中有良好的散热，采用焊接铜管［6］，为了便于清洗，采用标准的25×2(外径×厚度)散热铜管，换热管采用双回程转置正方形排列，管间距为1.4 d(换热管外径)，其排列规则如图4所示。按此规律，可在Φ800圆筒断面(管板放置2×181=362根散热管)，管板侧视如图5所示。整体结构设计如图6所示，中间加隔板。

［7］散热面积 A 的计算

式中 d——散热管外径/m，取0.025 m;

L——散热管长度/m，取4 m;

δ——管板厚度/m，取0.015 m;

图4 散热管转置正方形排列图

n——管子根数/根，取362根。

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

管程流通面积

式中 d——散热管外径/m，取0.025 m;

τ——散热管厚度/m，取0.002 m;

n——管子根数/根，取262根。

图5 散热管排列轴向图

图6 余热冷凝器结构设计图

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

壳程流通面积

S=(πD2－nπd2)/4

式中 D——壳筒直径/m，取0.6 m;

d——散热管外径/m，取0.025 m;

n——管子根数/根，取472根。

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

壳体为低合金钢圆筒，Φ800×6，长度4 m

蒸汽的压降值为15 ～35 kPa，(0.015 ～0.035 MPa)

冷却水流速:0.7 ～1.0 m/s

管内蒸汽流速:大于1.5 m/s

3.4 热负荷的计算

蒸汽冷凝过程可分为两个阶段，第一阶段，潜热释放;蒸汽由0.1 MPa(表压)110℃降至0 MPa(表压)100℃水蒸气［6］，其热量释放为两种状态的总焓之差，为 2691.26 ～2675.71=15.55 kJ/kg;第二阶段由0.1 MPa(表压)100℃饱和水蒸气降至60℃热水继续释放热能，为其焓值之差，2675.71－376.96=2298.75 kJ/kg，两个阶段合计放热为2 314.3 kJ/kg。

余汽排放流量3 465 kg/h，批次排放量为462 kg，则每锅烟蒸汽冷凝释放的热量为2314.3×462=1069206.6 kJ

其瞬时热负荷为:1069206.6kJ/480s=2227.5=2.23 MW.

根据相关文献关于换热器热负荷计算公式［8］，当水流量为13.9 kg/s时，水升温为:δT=38.1℃，总传热系数为450 W/m2·℃。

4 应用效果

将该管壳式冷凝器接入热回收管网中，如图3所示，水箱内热水经电磁阀排放，输送至洗浴热交换室内与盘管热水器回水口相连，用于职工洗浴的补水，当冬季管路散热温度下降时，经洗浴热交换蒸汽二次加热，确保常年供给浴室温度在设定的范围内。真空回潮机余热利用于洗浴管网如图7所示。

图7 真空回潮机蒸汽余热利用于洗浴管网图

漯河卷烟厂通过设计和安装真空回潮机余热回收系统，2011年安装运行2年来，日均卷烟产量1 100箱(约40 000 kg烟叶)，回潮机批次处理烟叶能力为2 400 kg/批，日生产15批，累计排放余汽时间为2 h，回收热能2×2.23 MW·h，日产生60℃热水75 t，基本能满足日均300人职工洗浴需求。通过安装的能源计量仪表测试统计如表2。

表2 真空回潮机蒸汽余热节能技术经济对比表

表2测试统计表明，安装正常运行1年来，年节约燃料9.8万m3，折合费用27.4万元，经济效益和社会效益显著。

［1］国家烟草专卖局.卷烟工艺规范［M］.北京:中央文献出版社，2003.

［2］张振华，卓永冰.真空回潮机抽真空蒸汽余热回收的实现［J］.中国设备工程，2011(6):9.

［3］姚光明，等.真空回潮工序对烤烟烟叶感官质量的影响［J］.烟草科技，2011(3):5－8.

［4］张振华，邵国洋.卷烟工业企业基于关键节点的能源管理［J］.能源研究与管理，2011(4):88.

［5］董昱廷，王海云，唐新安.风电机组状态监测系统现状研究［J］.电网与清洁能源，2013，29(3):85 －89.

［6］于勇.管壳式换热器的设计计算［J］.特种油气藏，2004，11(6):106.

［7］钱颂文主编.换热器设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2002.8.

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