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真空回潮系统节能探讨

谢玉伦
川渝中烟重庆烟草工业有限责任公司工程设备部，重庆市南坪东路2号 400060

摘要：真空回潮技术广泛运用于打叶复烤和卷烟加工企业，从机械抽空回潮发展到蒸汽抽空（喷射泵）回潮方式。真空回潮机是烟草企业加工关键工艺之一，也是企业能耗主要设备之一。通过对现有真空回潮技术调研和分析，同时结合国内外真空射流技术的发展和运用，提出了射流泵取代喷射泵的抽空方式，降低能耗，为企业节能减排将起到积极的作用。
关键词：烟草；真空；蒸汽；喷射泵；射流泵；节能减排
中图分类号：
目前，真空回潮工艺在卷烟和烤烟企业广泛应用，蒸汽喷射式抽空系统作为真空回潮机的核心组成已成为业内共识。但真空技术是一门边缘学科，我国的真空技术运用是在解放后消化吸收前苏联、美国、德国、日本的基础上发展起来的，尽管近些年来国内真空技术研究和设备研发制造企业如雨后春笋般壮大起来，但由于烟草行业的行业准入政策的制约，应用于真空回潮工艺的真空技术更新相对缓慢。本文结合本人多年的工作经验，以及对真空技术的了解和调研，通过对行业真空回潮机所采用的真空技术的现状进行分析。提出真空回潮系统在节能减排方面的个人见解。
一、烟草行业真空回潮系统的历史变迁及其优缺点
在上世纪八十年代初期（七五期间），国内使用的真空回潮机主要依靠进口，其烟叶回潮真空系统主要分为三种类型：
1、以法国马莱公司(MALLET)为代表的蒸汽喷射器---水环式真空泵联合机组。
该系统的不足有三：（a）真空系统采用表面式冷凝器，冷凝效果不好、造价高，汽水耗量大；（b）水环式转动件易磨损，性能不稳定，维修工作量大；（c）该系统能耗大，真空度低，回潮周期长。
2、以意大利科马斯公司(COMAS)为代表的真空机组（高真空泵+罗茨泵）+制冷机组（氟利昂制冷设备），采用该类型的还有英国LEGG公司和DICKINSON公司。
该真空系统由一台22.5kw的真空机组和一台26kw的制冷装置组成，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。该系统的工作特点是：一次抽空时间较长，但二、三次真空形成很快。
该系统存在的不足是：（a）真空泵组不适合抽吸含有大量水蒸汽的介质，机组配置型式不妥；（b）能耗大、效率低，抽空时间长；（c）结构复杂、造价高，维修困难，机械真空机组比水环泵的维修难度更大。
3、以奥地利s.s公司为代表的二级蒸汽喷射系统。
S.S公司的二级蒸汽喷射真空系统，与马莱公司、科马斯公司产品相比，其突出优点是（a）结构简单，性能稳定可靠，（b）维修量小。其不足是（a）能耗较大、效率较低、回潮周期长；（b）工作真空度偏低。
在七五末期，国内厂家开始对真空回潮机进行引进消化，其真空系统主要采用法国马莱公司和奥地利ss公司类型，到上世纪90年代初期，蒸气喷射+水环泵型式的真空系统逐渐退出历史舞台，国内也出现了由巩义市建设机械厂研制开发的三级四段蒸汽喷射真空系统与由长高公司研制开发的三级四泵式蒸汽喷射真空系统。
二、真空回潮机真空系统的现状及特点分析
截至目前，国内真空回潮机真空系统的配置类型主要有：二级蒸汽喷射、三级蒸汽喷射、以及近二年开始采用的四级蒸汽喷射真空系统。其原理及说明分别如下：
1、CK型二级蒸汽喷射真空系统
该系统的原理图如右图所示：
该真空系统是国内引进消化奥地利S.S公司的产品，该系统的优点：（a）结构简单，（b）维修量小；（c）冷凝水连续运行。
该系统的不足：(a) 真空度低。其末级泵排出压力一般设计为800torr，其工作真空度8~10torr；(b) 工作时间长,蒸汽耗量大。（c）冷凝水连续负压循环，排水泵耗能大、易损坏。
按6000kg/h真空回潮机为例，每批次回潮3000kg烟叶，采用2.5工作周期（即三次抽空、两次加潮）。其抽空过程为：并联二级泵同时开启、达到设定真空度时开启一级泵，达到设定温度时，进行加潮。其抽空时间如下表：

表1：CK型真空系统抽空时间

一级
二级(并联)
备注
第一次抽空
6 min
10 min
一次抽空10min
第二次抽空
4 min
6 min
二次抽空6min
第三次抽空
0
3 min
三次抽空3min

时间合计
10 min
19 min
抽空耗时19min
耗汽合计

449kg/0.8MPa

2、CGA型三级蒸汽喷射真空系统。
原理图如右图所示：
与CK型真空系统相比，该类型抽真空系统的的真空度提高到6~8 torr，配置形式是一、二泵直接串联，无级间冷凝器。
由于一级喷射器的工作蒸汽及抽吸气体都要被二级喷射器抽吸，二级喷射器的抽气量急剧增加，所以二级喷射器的耗汽量明显增加。设备运行成本大幅度提高。
按6000kg/h真空回潮机为例，每批次回潮3000kg，采用2.5工作周期（即三次抽空、两次加潮）。其抽空过程为：并联的三级主泵和辅泵同时开启、达到设定真空度时开启二级泵、二级泵达到设定真空度时开启一级泵，达到设定温度时，进行加潮。其抽空时间如下表：

表2：CGA型真空系统抽空时间

一级
二级
三级主泵
三级辅泵
备注
第一次抽空
3.5min
5.5 min
8 min
8 min
一次抽空8min
第二次抽空

1.5 min
4 min
4 min
二次抽空4min
第三次抽空

2 min
2 min
三次抽空2min
时间合计
3.5 min
7min
14min
14min
抽空耗时14min/
耗汽合计

428kg/汽压0.6mpa

3、GJ型三级蒸汽喷射真空系统
其原理图如右图所示：
与CGA型真空系统相比，该系统在一、二级蒸汽喷射泵之间设置了级间冷凝器，因此大大减少了二级泵的负荷，即减少了工作蒸汽的耗量。同时在冷凝器下面分别设置设了真空水箱，抽空工作时冷凝水暂贮在真空水箱内，抽空结束后，系统压力降低，再采用普通管道泵排水，排水泵间断工作，一定程度上起到了节约电耗。
但其不足（1）抽空全部采用蒸汽，90年代时蒸汽75元/吨，而目前蒸汽价格涨到195元/吨，因此能耗相对较大；（2）冷凝水间断排除，其缺点是（a）制约了真空度的提高，(b)存在冷凝水倒灌进入回潮箱体的隐患；（3）若采用立式冷凝器，则要求安装现场的高度不低于56m。（4）设置了两个真空储水箱，增加了抽气容积、增加抽空时间，浪费能耗。
按6000kg/h真空回潮机为例，每批次回潮3000kg，采用2.5工作周期（即三次抽空、两次加潮）。其抽空过程为：并联三级主泵和辅泵同时开启、达到设定真空度时开启二级泵、关闭三级辅泵，再次达到设定真空度时开启一级泵，再次达到设定真空度时，进行加潮。其抽空时间如下表：

表3：GJ型真空系统抽空时间

一级
二级
三级主泵
三级辅泵
备注
第一次抽空
2.5min
1min
6min
2.5min
一次抽空6min
第二次抽空

3min
3 min
二次抽空3min
第三次抽空

2 min
2 min
三次抽空2min
时间合计
2.5min
1min
11min
7.5min
抽空耗时11min/
耗汽合计
21
10
126
120
277kg/汽压0.6mpa,
注：以上表中数据，是笔者根据用户调研提供的参数和设备现场工作状况而确定的，不涉及各制造厂家的设计参数和技术秘密。如若耗汽量雷同，纯属巧合。

4、ZF型四级蒸汽喷射真空系统
近两年来，业内出现了四级喷射真空系统，其优点是：（1）真空度明显提高；（2）抽空速度快。其工作原理图如下图所示：

该系统的不足：（1）一级泵的抽吸汽体全部变成二级泵的工作负荷，因而蒸汽能耗较大，特别是当冷凝器实际运行达不到设计要求时，蒸汽能耗则明显偏高。（2）GJ型三级喷射真空系统存在的不足在该系统中同样未能克服。
按6000kg/h真空回潮机为例，每批次回潮3000kg，采用2.5工作周期（即三次抽空、两次加潮）。其抽空过程为：并联四级泵同时开启、达到设定真空度时开启三级泵、然后开启二级泵、关闭四级泵，再次达到设定真空度时开启一级泵，再次达到设定真空度时，进行加潮。其抽空时间如下表：

表4：ZF型真空系统抽空时间

一级
二级
三级
四级主泵
四级辅泵
备注
第一次抽空
1min
1min
3min
5min
2min
一次抽空5min
第二次抽空

2min
2min
二次抽空2.5min
第三次抽空

1.5min
1.5min
三次抽空1.5min
时间合计
1min
1min
3min
8.5min
5.5min
抽空耗时9min
耗汽合计

398kg/0.6MPa

综上所述，目前业内烟叶回潮用真空系统普遍采用蒸气喷射抽空型式，以6000kg/h设备为例，各自抽空所耗用的蒸汽量如下表：

表5：真空系统蒸汽耗量对比
序号
型号
抽空耗汽量/2.5周期
每吨烟叶耗汽量
工作蒸汽压力

1
CK
449kg
149.6kg
表压0.8MPa
2
CGA
428kg
142.6kg
表压0.6MPa
3
GJ
277kg
92.4kg
表压0.6MPa
4
ZF
398kg
132.6kg
表压0.6MPa

若以12000kg/h生产线为例，每烤季处理3万吨烟叶，按全部进行真空回潮工艺处理，则能耗如下表：

表6：真空系统蒸汽消耗费用对比
序号
型号
蒸汽耗量，吨
蒸汽费用，万元
备注
1
CK
4488
87.516
蒸汽按195元/吨
2
CGA
4278
83.421

3
GJ
2772
54.054

4
ZF
3978
77.571

三、节约蒸气消耗和排放的措施
国家“ 十一五”规划纲要明确提出“十一五”期间单位GDP能耗降低20%左右，因此节能减排成为建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；对于卷烟和烤烟企业，节能减排更是一项人人关心、人人参于的重要工作，而真空回潮机作为企业内消耗蒸汽的重要设备，有必要采用各项新技术、为节能减排做出应有的贡献。
射流泵技术的研究和应用已有100多年的历史，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。由前文叙述可知：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，但液体射流泵的在烟草行业的应用还是空白。为了减少蒸气的消耗和排放，为此，在真空回潮机中采用汽液联合型真空系统，不仅同样能够满足工艺要求，而且抽真空的蒸气消耗可以减少80%以上。
射流泵虽然简单，但理论比较复杂，国际设计流派众多且无法统一。我国中航（中国航空工业）集团公司的射流泵设计与加工技术，对射流泵的汽蚀性能、参数优化、装置性能等方面的研究皆有独到之处，并在提高传能效率方面取得了一定成绩，特别是多喷头与导向结构，技术先进、加工精细，工作水压0.3MPa即可满足正常工作，且能有效杜绝“反冲”，较传统射流泵显著提高了抽射效能，目前国内已有众多国家专利产品可引入利用（最高真空度可达到-0.099MPa），现以行业使用较广泛的GJ型真空回潮系统为例进行阐述。
1、在前文所述的四种真空系统中，GJ型真空系统相对节能。同时在表3中，我们清楚地看到，该系统末级两台并联的蒸汽喷射器蒸汽耗量最大，工作时间最长，若采用两台水射流泵替代两台蒸汽喷射泵，便可以减少蒸汽消耗88%。对缓解蒸汽管网压力波动具有积极意义。
2、采用汽水联合真空系统后，二种真空系统的能耗对比表如下：

GJ型蒸汽喷射
汽水联合
备注
处理3000kg烟叶蒸气耗量
277 kg
31 kg

每吨烟叶蒸汽耗量
92.4kg
10.3 kg

处理3万吨烟叶耗汽费用
54万元
6万元
蒸汽195元/吨
处理3000kg烟叶电耗量
3度
（3+4.5）度
水泵功率15kw
处理3万吨烟叶耗电费用
3万元
7.5万元
电费1元/度

由上表知，采用汽水联合真空系统后，每年若处理3万吨烟叶，可节约蒸汽耗量54-6=48万元；增加水泵耗电7.5-3=4.5万元，两者相抵后，每套真空系统节约能耗43.5万元。因此，采用汽水联合真空系统，具有显著的经济效益和社会效益。
3、主要配套件明细表：

序号
名称
规格
数量
生产厂家
备注
1
水射流泵
ZYW-1-50
1台
中航维尔

2
水射流泵
ZYW-1-90
1台
中航维尔

3
水泵
80GDL54-14*4/15
2台
上海一泵
一用一备

4、工作原理图如下：

5、实施方案简述：
原设备冷却塔和循环水箱可以满足使用要求，在设备改造初期两台水射流泵与原设备蒸汽喷射泵并联安装，成功后拆除蒸汽喷射泵。
安装位置：为减少操作现场噪声，两台水射流泵安装在真空回潮机循环水箱附近，水射流泵的吸入口与原设备真空系统连接，排出口连接尾管一般在2m，且不伸入循环水箱之中。新增的2台循环水泵及相应阀门，安装在原设备循环水箱附近。
控制系统：在改造过程中，需要对原设备的控制程序简单改动，柜内硬件（模块点位）可以满足水泵启停的控制需求，并对控制系统进行最终修改和完善。
由于水平所限，本文错误和不妥之处敬请批评指正。
Study on Energy Saving of Vacuum Conditioning System
XIE Yu-lun
Chongqing Subsidiary Company of China Tobacco Chuanyu Industrial Corporation, Chongqing 400060, China

Abstract: Vacuum conditioning technique is widely used in green leaf threshing and redrying and cigarette making sector，now it is developed from the mechanical way to steam sucking way（jet pump）. Vacuum chamber is a key component in the processing line of tobacco enterprises, and it is also a machine of high energy consumption. The replacement of steam jet by fluid power is promoted in order to decrease the energy consumption and elimination by studying and analyzing the current vacuum conditioning technologies, and combined with application and development of fluid power technologies both at home and abroad.
Key words: tobacco, vacuum, steam, jet pump, fluid jet pump, energy saving and low elimination

作者简介：谢玉伦，主要从事卷烟工程设备技术研究。 Tel:[phone]