氣體噴射泵在尾氣輸送工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)探討

丁江斌

連云港沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司 （上海 201100）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國(guó)家及地方政府的環(huán)保要求也越來(lái)越高。這意味著大部分化工生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有工藝尾氣排放指標(biāo)將達(dá)不到國(guó)家和地方政府新的排放要求，尾氣改造項(xiàng)目勢(shì)在必行，而且多數(shù)改造均涉及尾氣輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型。在間歇工藝中，尾氣排放量波動(dòng)大、介質(zhì)組分復(fù)雜，而且又要保證安全可靠，盡量節(jié)省固定投資和運(yùn)行成本，因此工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇合適的尾氣輸送設(shè)備至關(guān)重要。本研究通過(guò)氣體噴射泵與常規(guī)尾氣輸送設(shè)備離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)的多維度對(duì)比分析，總結(jié)其在特定的尾氣輸送工況中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 氣體噴射泵的優(yōu)勢(shì)

1.1 適用工況

從工作原理上劃分，氣體噴射泵同離心風(fēng)機(jī)一樣歸屬于速度式范疇[1]，只是它沒(méi)有葉輪，而是依靠一種氣體介質(zhì)的能量來(lái)輸送另一種氣體介質(zhì)。與離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)相比，氣體噴射泵在適用工況上有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）操作工況。氣體噴射泵只需通過(guò)引射流體的供氣控制就能實(shí)現(xiàn)啟、停動(dòng)作，尾氣排放壓力也只要通過(guò)調(diào)節(jié)引射流體的流量來(lái)控制（見(jiàn)圖1）；而離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)并不適用于時(shí)啟時(shí)停的間歇操作工況，且尾氣排放壓力需要增加變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或設(shè)置旁通調(diào)節(jié)回流量來(lái)進(jìn)行控制（見(jiàn)圖2）。增加變頻器會(huì)進(jìn)一步提高投資，設(shè)置旁通調(diào)節(jié)回流量會(huì)增加能耗和介質(zhì)溫升，所以對(duì)于尾氣排放量波動(dòng)較大的間歇操作工況，氣體噴射泵的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，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(fēng)機(jī)或者羅茨風(fēng)機(jī)，所以噴射泵對(duì)這種工況具有更好的適用性。

（3）介質(zhì)潔凈度。由于噴射泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不涉及精密傳動(dòng)部件，因此對(duì)輸送介質(zhì)的潔凈度要求低于風(fēng)機(jī)。無(wú)論是潔凈氣體還是含油、含液或含固體顆粒的氣體介質(zhì)，噴射泵都能適應(yīng)。

圖2 風(fēng)機(jī)控制流程圖

（4）操作溫度。噴射泵對(duì)輸送介質(zhì)操作溫度基本沒(méi)有限制，只要選擇合適的材料即可達(dá)到要求；而普通離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)由于軸承耐溫能力有限，對(duì)于輸送介質(zhì)的操作溫度有一定的要求（一般不超過(guò)95℃）。

1.2 安全可靠性

安全性方面，對(duì)于易燃易爆、有毒有害的尾氣介質(zhì)，不管是羅茨風(fēng)機(jī)還是離心風(fēng)機(jī)，即使配置高端的機(jī)械密封形式，依然存在泄露的可能，從而增加爆炸、火災(zāi)或中毒的風(fēng)險(xiǎn)；另外，易燃易爆尾氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)之后的溫升在某種程度上也會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)的不確定性；但氣體噴射泵對(duì)于這些可識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)可能性基本可以降到很低甚至消除。

運(yùn)行可靠性方面，風(fēng)機(jī)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，始終存在電機(jī)故障、磨蝕損壞、潤(rùn)滑失效等可能性，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障無(wú)法正常運(yùn)行；但噴射泵屬于靜止設(shè)備，只要設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體噴射泵均優(yōu)于離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)。

1.3 項(xiàng)目投資

對(duì)于項(xiàng)目投資來(lái)說(shuō)，對(duì)比結(jié)果顯而易見(jiàn)。因?yàn)殡x心風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)屬于高精度傳動(dòng)設(shè)備，設(shè)計(jì)和制造成本高；而氣體噴射泵本質(zhì)上屬于容器類設(shè)備，設(shè)計(jì)和制造成本較低；對(duì)相同性能參數(shù)的單臺(tái)風(fēng)機(jī)和氣體噴射泵進(jìn)行比較，羅茨風(fēng)機(jī)價(jià)格最高，離心風(fēng)機(jī)次之，氣體噴射泵最低。另外：如果選用風(fēng)機(jī)，部分工況中需要設(shè)1開(kāi)1備2臺(tái)機(jī)器，并配套設(shè)計(jì)如供電、軸封、潤(rùn)滑或冷卻等附屬設(shè)施，這會(huì)使投資費(fèi)用進(jìn)一步增加；而噴射泵基本不存在故障率，一般只需設(shè)置1臺(tái)。所以針對(duì)同一適用工況而言，選用氣體噴射泵比羅茨風(fēng)機(jī)或離心風(fēng)機(jī)的投資費(fèi)用更低。

1.4 運(yùn)行成本

運(yùn)行成本主要包括兩部分：正常操作費(fèi)用和檢維修費(fèi)用。

風(fēng)機(jī)正常操作費(fèi)用主要為電費(fèi)，部分情況可能會(huì)涉及由于消耗循環(huán)冷卻水帶來(lái)的費(fèi)用增加；氣體噴射泵消耗工作流體，其正常操作費(fèi)用主要為消耗動(dòng)力氣體所產(chǎn)生的費(fèi)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(dòng)力工作流體使用常規(guī)工廠風(fēng)，壓力為801.325 kPa工況為例，對(duì)風(fēng)機(jī)和噴射泵的正常操作費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

風(fēng)機(jī)所需軸功率計(jì)算公式見(jiàn)式（1）[1]。

式中：N為風(fēng)機(jī)所需軸功率，kW；Q為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h；p為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；ηf為風(fēng)機(jī)全壓效率，一般為0.70；ηc為機(jī)械傳動(dòng)效率，選用聯(lián)軸器形式，效率按0.95選取。

風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗功率計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：Nd為風(fēng)機(jī)馬達(dá)功率，kW。

可由式（1）計(jì)算得到以上工況風(fēng)機(jī)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(dòng)效率取0.95，則由式

（2）可以計(jì)算得到電機(jī)實(shí)際消耗功率為：

Nd=1.68×110%≈2.0 kW

以目前工業(yè)用電平均市場(chǎng)價(jià)格1.0元/(kW·h)計(jì)算，風(fēng)機(jī)每運(yùn)行1 h的電費(fèi)約為2.0元。

以某知名廠家產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行氣體噴射泵正常操作費(fèi)用計(jì)算，圖3為該產(chǎn)品的性能參數(shù)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(guó)科爾庭公司某氣體噴射泵產(chǎn)品性能參數(shù)

根據(jù)圖3計(jì)算出以上工況的下列參數(shù)：

pdps=121.46 101.325=1.20

psptr=101.325/801.325=0.126

對(duì)應(yīng)圖3中橫、縱坐標(biāo)，得到1/μ=2.0。

因此，對(duì)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(dòng)力氣體）。以工業(yè)常規(guī)工廠風(fēng)平均市場(chǎng)價(jià)格為0.1元/m3計(jì)算，以上工況所需的氣體噴射泵直接操作費(fèi)用為：

100 m3/h×0.1元/m3=10.0元/h

現(xiàn)假設(shè)以上工況每天總操作時(shí)間為t（小時(shí)），屬于多次間歇操作，且在t之外的其余時(shí)段風(fēng)機(jī)均以最小流量維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到風(fēng)機(jī)類似有冷卻水消耗等額外因素影響，最小流量工作狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的電費(fèi)消耗按正常流量工作狀態(tài)的50%折算，即1.0元/h。據(jù)此可以列出等式（3）：

解得：t=2.67 h。

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析可以得出：對(duì)于較小流量和較低全壓的間歇尾氣排放工況，且總排放時(shí)間在2.0～3.0 h以內(nèi)的，風(fēng)機(jī)和噴射泵的正常運(yùn)行成本基本持平；相反，對(duì)于連續(xù)工況，單從運(yùn)行費(fèi)用上分析，風(fēng)機(jī)比噴射泵的運(yùn)行成本更低。

至于檢維修費(fèi)用，通過(guò)對(duì)二者項(xiàng)目投資的對(duì)比分析，從側(cè)面可以得出，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精密的風(fēng)機(jī)的檢維修費(fèi)用遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體噴射泵。

2 氣體噴射泵的缺點(diǎn)

在尾氣輸送工藝應(yīng)用中，與常規(guī)離心風(fēng)機(jī)或羅茨風(fēng)機(jī)相比較，氣體噴射泵也存在一些缺點(diǎn)。對(duì)于流量較大或者全壓較高的尾氣連續(xù)排放工況，氣體噴射泵不太適用，因?yàn)樵擃惞r會(huì)消耗大量的工作流體，從而增加運(yùn)行成本。另外，選用氣體噴射泵輸送尾氣，工作流體的引入會(huì)額外少量增加終端尾氣處理設(shè)施的操作負(fù)荷。

3 結(jié)語(yǔ)

分別對(duì)氣體噴射泵的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)進(jìn)行分析之后，對(duì)氣體噴射泵與離心風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)在適用工況、安全可靠性、固定投資、運(yùn)行成本等方面作對(duì)比總結(jié)，具體見(jiàn)表1。

表1 氣體噴射泵、離心風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)比較匯總

綜上所述，在尾氣輸送工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)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(huì)對(duì)終端尾氣處理設(shè)施操作負(fù)荷起決定性影響的前提下，因在項(xiàng)目投資、安全可靠性和檢維修費(fèi)用等方面的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先考慮并選用氣體噴射泵。