煤礦空壓機余熱利用節能技術的研究與應用

郭坤閃 劉新重

（平頂山天安煤業股份有限公司八礦，河南平頂山467012）

0 引言

壓縮空氣是工業領域中應用最廣泛的動力源之一，由于其具有安全、無公害、調節性能好、輸送方便等諸多優點，使其在現代工業領域中應用越來越廣泛。 但要得到品質優良的壓縮空氣需要消耗大量能源，在大多數生產型企業中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%-35%。

根據行業調查分析，空壓機系統5 年的運行費用組成如下圖1 所示）：系統的初期設備投資及設備維護費用占到總費用的23%，而電能消耗（電費）占到77%，幾乎所有的系統浪費最終都是體現在電費上。

圖1 空壓機系統的費用組成

研究發現空壓機運行時會產生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機組運行功率的85%，通常這部分能量通過機組的風冷或水冷系統交換到大氣當中。 這就造成了空壓機主產品成了熱量，副產品才是壓縮空氣，形成一種本末倒置的不合理局面：使用副產品，浪費主產品，并且還要用冷卻系統來吸收消耗主產品，形成二次能源浪費。

螺桿壓縮機由于本身的設計結構和工作原理決定，它的絕熱效率在0.65-0.85 之間。 對于空氣壓縮機，設計供油溫度一般在50-60℃，實際運行時的排氣溫度往往在80-90℃之間。 高的排氣溫度會導致更多的潤滑油處于氣相，增加油氣分離的難度，降低潤滑油的使用壽命。除了機械摩擦導致的熱能損失外，主要是因為壓縮氣體時熱能轉換的熱能損失，壓縮機的絕熱效率僅有60-80%。 通常空壓機實際運行中，只有20-30%的能量變成空氣勢能（即：將常壓空氣變成高壓空氣），而大部分能量則通過各種形式被消耗，其中大部分變成熱能排放到空氣中。 有鑒于此，空壓機的余熱利用越來越被人們所重視。

本文通過對平煤八礦礦水冷型噴油螺桿空壓機余熱回收系統進行實踐性研究分析，為其他企業空壓機余熱回收提供借鑒。

1 研究背景

平煤股份八礦是平煤神馬集團下屬的大型煤炭生產企業， 具有360 萬噸/年的煤炭生產加工能力。 為了維持生產，該礦共建設了三套壓風系統，共14 臺螺桿式空壓機。其中新副井壓風房配備了6 臺螺桿式空壓機（功率250kW，產氣量48m3/min），采用水冷方式將壓縮機熱量排出，造成了極大的浪費。

礦區職工澡堂每天約有2000 人洗澡， 根據統計其職工澡堂熱水用量如表1。

由表1 可知，洗澡熱水用量為230t/天左右，根據洗澡用水溫度設定冬天50℃，夏天45℃，自來水常年恒溫15℃，推算得知澡堂用熱水所需最大熱量為：

Q=C*M*ΔT=4186J/（KG·℃）*（230*1000）KG*（50-15）℃=33697.3 MJ。

為此礦上配備兩臺燃煤鍋爐，其耗煤量（2011 年）統計如下：（冬季按24 小時，夏季按6 小時，春秋按9 小時運行）每小時燃煤按0.5噸計算；

冬季（11.15-3.15）：四個月×12 噸/天.臺×2 臺×30 天=2880 噸；

夏季（5.15-8.15）：三個月×3 噸/天.臺×1 臺×30 天=270 噸；

春、秋季節：五個月×4.5/天.臺×1 臺×30 天=675 噸；

合計為：2880 噸+270 噸+675 噸=3825 噸。

按照節能改造后最多只保留冬季一臺鍋爐運行目標核算，所節約的一臺鍋爐能耗基準節煤量為：2880 噸/2+270 噸+675 噸=2385 噸，按每噸煤最低保守價格700 元/噸計算， 則每年運行費用：2385 噸×700元/噸=166.95 萬元。

表1 平煤八礦熱水使用量

2 空壓機余熱改造

2.1 空壓機余熱計算

平煤八礦新副井空壓機在額定工礦下的運行參數為：

吸氣壓力Ps=101325Pa，排氣壓力Pd=735498Pa，壓縮機的實際容積流量Qv=48m3/min，壓縮機的實際軸功率P=250kW，吸氣溫度T0=25℃，噴油溫度T1=76℃,排氣溫度T2=90℃。 采用冷卻潤滑油的定壓比熱容C0=2039J/（KG·℃），空氣的定壓比熱容C1=1005J/（KG·℃），根據空壓機軸功率公式有：

P=(PsQv)/(RT0)C1(T2－T0)+ qmC0(T2－T1)

由此可得噴油的質量流量qm=6.73kg/s，所獲噴油的質量流量是根據理論公式計算而得， 即假設噴油螺桿壓縮機不向外界散失熱量，同時排氣與排油溫度相等，但實際上空壓機必然向外界散熱而油氣之間也存在換熱溫差。測算得出實際的噴油量約為理論容積流量的110%，則可得噴油的實際容積流量為7.403kg/s。 因此，每臺壓縮機可回收余熱約208.63kW，即每天可回收熱量18025.63MJ。

2.2 改造方案

澡堂每天熱水最大需熱量為33697.3MJ，而每臺空壓機可提供余熱量為18025.63MJ，因此對2 臺空壓機進行余熱利用改造，可以滿足熱水需求。

系統結構如下圖2 所示：

圖2 系統結構圖

空壓機內部改造如下圖3 所示：

圖3 空壓機內部改造圖

由圖3 可知，空壓機余熱回收的改造是通過在原有油路管道中接入板式換熱器來實現的；同時，為了提高安全系數，保留原有冷卻系統，使空壓機余熱回收系統與原有冷卻系統串聯。經油氣分離后，高溫氣直接通往余熱回收系統中的板式換熱器ERG， 高溫油則經溫度感應器檢測其溫度：若高溫油溫度低于76℃，則不用進行熱交換，直接通過過濾器通往油路循環系統，若高溫油溫度高于76℃，則需進行熱交換后再進入油路循環系統。

當保溫水箱熱水溫度低于設定值時（一般設定為60℃），關閉油管三通閥與原有油冷卻系統進口聯通的閥門b 和d，使高溫油通過板式換熱器ERG 與自來水換熱，以回收空壓機余熱；當保溫水箱熱水溫度超過設定值時，關閉油管三通電磁閥與板式換熱器聯通的閥門c 和d，打開閥門a 和b,使熱油通過空壓機油冷卻系統冷卻，以保證空壓機的效率；當保溫水箱的水位超過設定值時，關閉三通電磁閥與板式換熱器聯通的閥門a 和b，高溫油通過原有油冷卻系統冷卻。

2.3 主要設備選型

板式換熱器2 臺：SS304 不銹鋼可拆卸式板式換熱器；

循環水泵2 臺：4kW 立式不銹鋼多級離心泵2 臺（一用一備）；

保溫水箱1 個：100t（循環緩沖水倉）；

電氣控制箱1 個：核心器件為西門子S7-300 控制系統；

除以上主要配置外系統還配有相應閥門、儀表及保溫管道，項目投資額為52 萬元，明細如下：

板式換熱器：12×2=24 萬元

循環水泵：2.09×2=4.18 萬元

保溫水箱：0.09×100=9 萬元

電器控制箱：1×2=2 萬元

配套設備及施工：12.82 萬元

3 節能效益分析

項目改造完成后，經12 個月（2011 年8 月～2012 年8 月）的觀察發現，熱回收系統運行良好，不影響壓縮機正常工作，具有很好的經濟社會效益。

每年節約費用為：166.95-52=114.95 萬元。

空壓機系統存在的大量電能轉化為熱量，從而造成能源浪費的現象，是可以通過全面的系統解決方案來消除和彌補的。 結合熱回收系統對原有的空氣壓縮系統進行改造，既可以解決空壓機冷卻散熱的難題，又可以充分利用廢熱，減少常規燃料的消耗量，具有良好的經濟和社會效益。

該項目的應用不僅為煤礦企業提供一種可借鑒的成熟方案，也為空壓機熱能回收在其他工業上的節能技改提供了可借鑒的途徑。

［1］岑曦.空氣壓縮機熱能回收系統的開發[D].上海：上海交通大學，2010.

［2］鄭永星.噴油式螺桿壓縮機的選用與能耗[J].設備管理與維修，2000（04）.