气体喷射泵在尾气输送工艺中的应用优势探讨

丁江斌

连云港沃利工程技术有限公司上海分公司 （上海 201100）

随着中国经济的持续发展，国家及地方政府的环保要求也越来越高。这意味着大部分化工生产企业现有工艺尾气排放指标将达不到国家和地方政府新的排放要求，尾气改造项目势在必行，而且多数改造均涉及尾气输送设备的设计和选型。在间歇工艺中，尾气排放量波动大、介质组分复杂，而且又要保证安全可靠，尽量节省固定投资和运行成本，因此工艺设计过程中选择合适的尾气输送设备至关重要。本研究通过气体喷射泵与常规尾气输送设备离心风机或罗茨风机的多维度对比分析，总结其在特定的尾气输送工况中的应用优势。

1 气体喷射泵的优势

1.1 适用工况

从工作原理上划分，气体喷射泵同离心风机一样归属于速度式范畴[1]，只是它没有叶轮，而是依靠一种气体介质的能量来输送另一种气体介质。与离心风机或罗茨风机相比，气体喷射泵在适用工况上有以下几个优势。

（1）操作工况。气体喷射泵只需通过引射流体的供气控制就能实现启、停动作，尾气排放压力也只要通过调节引射流体的流量来控制（见图1）；而离心风机或罗茨风机并不适用于时启时停的间歇操作工况，且尾气排放压力需要增加变频器调节转速或设置旁通调节回流量来进行控制（见图2）。增加变频器会进一步提高投资，设置旁通调节回流量会增加能耗和介质温升，所以对于尾气排放量波动较大的间歇操作工况，气体喷射泵的应用优势更大。

图1 气体喷射泵控制流程图

（2）输送流量和全压。气体喷射泵主要适用于输送流量小于500 m3/h（标准状态，下同）和全压不大于10～20 kPa的工况，而小流量、低全压工况恰恰较难选到比较合适的离心风机或者罗茨风机，所以喷射泵对这种工况具有更好的适用性。

（3）介质洁净度。由于喷射泵结构简单，不涉及精密传动部件，因此对输送介质的洁净度要求低于风机。无论是洁净气体还是含油、含液或含固体颗粒的气体介质，喷射泵都能适应。

图2 风机控制流程图

（4）操作温度。喷射泵对输送介质操作温度基本没有限制，只要选择合适的材料即可达到要求；而普通离心风机或罗茨风机由于轴承耐温能力有限，对于输送介质的操作温度有一定的要求（一般不超过95℃）。

1.2 安全可靠性

安全性方面，对于易燃易爆、有毒有害的尾气介质，不管是罗茨风机还是离心风机，即使配置高端的机械密封形式，依然存在泄露的可能，从而增加爆炸、火灾或中毒的风险；另外，易燃易爆尾气经过风机之后的温升在某种程度上也会增加风险的不确定性；但气体喷射泵对于这些可识别的风险可能性基本可以降到很低甚至消除。

运行可靠性方面，风机属于转动设备，始终存在电机故障、磨蚀损坏、润滑失效等可能性，从而导致风机故障无法正常运行；但喷射泵属于静止设备，只要设计合理，基本不存在失效情况。所以不管是在安全性还是可靠性方面，结构简单的气体喷射泵均优于离心风机或罗茨风机。

1.3 项目投资

对于项目投资来说，对比结果显而易见。因为离心风机和罗茨风机属于高精度传动设备，设计和制造成本高；而气体喷射泵本质上属于容器类设备，设计和制造成本较低；对相同性能参数的单台风机和气体喷射泵进行比较，罗茨风机价格最高，离心风机次之，气体喷射泵最低。另外：如果选用风机，部分工况中需要设1开1备2台机器，并配套设计如供电、轴封、润滑或冷却等附属设施，这会使投资费用进一步增加；而喷射泵基本不存在故障率，一般只需设置1台。所以针对同一适用工况而言，选用气体喷射泵比罗茨风机或离心风机的投资费用更低。

1.4 运行成本

运行成本主要包括两部分：正常操作费用和检维修费用。

风机正常操作费用主要为电费，部分情况可能会涉及由于消耗循环冷却水带来的费用增加；气体喷射泵消耗工作流体，其正常操作费用主要为消耗动力气体所产生的费用。

以尾气入口压力为101.325 kPa（绝压，下同），出口压力要求为121.46 kPa，尾气流量为200 m3/h，动力工作流体使用常规工厂风，压力为801.325 kPa工况为例，对风机和喷射泵的正常操作费用进行计算对比。

风机所需轴功率计算公式见式（1）[1]。

式中：N为风机所需轴功率，kW；Q为风机的风量，m3/h；p为风机风压，Pa；ηf为风机全压效率，一般为0.70；ηc为机械传动效率，选用联轴器形式，效率按0.95选取。

风机实际消耗功率计算公式见式（2）。

式中：Nd为风机马达功率，kW。

可由式（1）计算得到以上工况风机所需轴功率：

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

其中全压效率取0.7，传动效率取0.95，则由式

（2）可以计算得到电机实际消耗功率为：

Nd=1.68×110%≈2.0 kW

以目前工业用电平均市场价格1.0元/(kW·h)计算，风机每运行1 h的电费约为2.0元。

以某知名厂家产品为基础进行气体喷射泵正常操作费用计算，图3为该产品的性能参数曲线图。图中：pd为喷射泵出口压力，kPa；ps为喷射泵引射流体压力，kPa；ptr为喷射泵工作流体压力，kPa；1/μ 为引射流体与工作流体体积流量之比。

图3 德国科尔庭公司某气体喷射泵产品性能参数

根据图3计算出以上工况的下列参数：

pdps=121.46 101.325=1.20

psptr=101.325/801.325=0.126

对应图3中横、纵坐标，得到1/μ=2.0。

因此，对于200 m3/h的引射尾气流量，大约需要200/2.0=100 m3/h的工作流体（即动力气体）。以工业常规工厂风平均市场价格为0.1元/m3计算，以上工况所需的气体喷射泵直接操作费用为：

100 m3/h×0.1元/m3=10.0元/h

现假设以上工况每天总操作时间为t（小时），属于多次间歇操作，且在t之外的其余时段风机均以最小流量维持正常运转，考虑到风机类似有冷却水消耗等额外因素影响，最小流量工作状态下风机的电费消耗按正常流量工作状态的50%折算，即1.0元/h。据此可以列出等式（3）：

解得：t=2.67 h。

对上述计算结果进行综合分析可以得出：对于较小流量和较低全压的间歇尾气排放工况，且总排放时间在2.0～3.0 h以内的，风机和喷射泵的正常运行成本基本持平；相反，对于连续工况，单从运行费用上分析，风机比喷射泵的运行成本更低。

至于检维修费用，通过对二者项目投资的对比分析，从侧面可以得出，结构复杂且精密的风机的检维修费用远高于结构简单的气体喷射泵。

2 气体喷射泵的缺点

在尾气输送工艺应用中，与常规离心风机或罗茨风机相比较，气体喷射泵也存在一些缺点。对于流量较大或者全压较高的尾气连续排放工况，气体喷射泵不太适用，因为该类工况会消耗大量的工作流体，从而增加运行成本。另外，选用气体喷射泵输送尾气，工作流体的引入会额外少量增加终端尾气处理设施的操作负荷。

3 结语

分别对气体喷射泵的优势和缺点进行分析之后，对气体喷射泵与离心风机、罗茨风机在适用工况、安全可靠性、固定投资、运行成本等方面作对比总结，具体见表1。

表1 气体喷射泵、离心风机和罗茨风机比较汇总

综上所述，在尾气输送工艺设计过程中，对于排放量较小、全压较低、操作温度较高、含液体或固体颗粒的易燃易爆尾气间歇排放工况，且工作流体引入量不会对终端尾气处理设施操作负荷起决定性影响的前提下，因在项目投资、安全可靠性和检维修费用等方面的优势，优先考虑并选用气体喷射泵。