礦井地面空壓機余熱回收利用的研究

王 瑤

（同煤集團挖金灣煤業公司， 山西 大同 037042）

引言

在綜采工作面中，為了達到節能生產的目的，對工作面采煤機、掘進機、輸送機以及液壓支架等大型機電設備運行的控制進行不斷優化，進而避免能源的過度消耗。另外，充分回收利用煤炭生產過程中的能量同樣也能夠間接達到節能減排的目的。壓縮空氣作為綜采工作面生產的主要動力源之一，由空氣壓縮機產生。空氣壓縮機（空壓機）是一種將電能轉化為機械能，從而達到提升氣體壓力的機械設備，并被廣泛應用于煤礦井下的生產中[1-2]。經研究表明，空氣壓縮機在正常運行過程中真正能夠提高空氣勢能的電能僅占15%，其余85%的電能以熱量的形式排放至空氣中，大大造成了電能的浪費。為了解決上述問題，需對85%電能所產生的熱量進行回收利用，不僅能夠降低能源成本，還能夠達到環保的目的。本文將著重研究礦井地面空壓機余熱的回收利用。

1 空壓機余熱回收系統現狀分析

空壓機余熱回收的核心思想是將空壓機正常運行過程中未被充分利用的85%的熱能進行充分利用。其主要途徑為將空氣中的熱能傳遞至水中，使得水溫升高，將加熱后水用于職工洗澡、車間采暖以及工業用熱水等，這樣不僅達到設備降溫，提升設備運行效率、延長設備使用壽命的目的，還能夠實現對空氣中熱能的充分利用，以達到節能減排，降低煤礦運行成本的目的。

經研究可知，目前挖金灣礦空氣壓縮機在實際運行過程中存在以下問題：

1）無法對空氣壓縮機在實際運行中所產生的熱量進行充分回收利用，造成了大量熱能的浪費[3]；

2）盡管當前余熱回收系統能夠實現對余熱的部分回收利用，但是該系統無法實現對回收系統各項參數的實時監測，進而無法達到對余熱回收系統的智能化控制。

2 空壓機余熱回收系統的設計

2.1 余熱回收流程的設計

1）由于空壓機在啟動初期潤滑油溫度低，故在啟動初期可將潤滑油直接通過旁通回路進入空壓機的機頭[4]；

2）待空壓機潤滑油溫度升高后，旁通回路關閉，潤滑油經一次板式換熱器與軟水進行熱交換；

3）系統中引入PLC控制系統對其中水箱水位、管道泵運行及水溫情況進行實時監測，并根據監測結果及需求啟停換熱循環管道泵；

4）待換熱循環管道泵開啟后，根據回水溫度及水箱水位判斷是否需要動作三通球閥。

>2.2 設備選型

由上述余熱回收流程可知，該余熱回收系統的核心及關鍵設備包括有一次換熱設備、二次換熱設備、管道泵、保溫水箱、相應傳感器以及PLC控制器等。其中，換熱設備是實現余熱充分回收的關鍵[5]。為達到對空壓機余熱的充分回收，本系統采用一次換熱和二次換熱設備兩種。

一次換熱設備的設計依據：潤滑油進油溫度為90℃，回油溫度為70℃；軟化水進水溫度為55℃，回水溫度為85℃。

二次換熱設備的設計依據：軟化水進水溫度為85℃，回水溫度為55℃；生活水進水溫度為20℃，回水溫度為60℃。

換熱設備的關鍵選型參數為換熱器面積，根據設計依據可通過公式（1）進行計算得出換熱器所需的面積：

式中：k為富裕系數，一般取1.1；Q為換熱功率；β為換熱器污垢系數，一般取0.8；K為換熱器的傳熱系數，其中一次換熱設備K1=800 W/（m2·℃）、二次換熱設備K2=3 000 W/（m2·℃）；Δt1為一次換熱器設備中潤滑油進油溫度與軟化水回水溫度差5℃；Δt2為二次換熱設備中軟化水進水溫度與生活水回水溫度差25℃。經計算可得，一次換熱器所需面積S1=28m2；二次換熱器所需面積S2=11 m2。

換熱器選型結果如表1所示。

表1 換熱設備明細

3 余熱系統應用效果評估

為驗證本文所設計余熱回收系統的可行性，特對該余熱回收系統下的熱量回收及熱水量進行評估計算。

3.1 空壓機耗能現狀分析

本文僅對地面空壓機的耗能情況進行分析，空壓機的功率為220 kW，每天工作時長為18 h，共有3臺空壓機同時運行，可計算出地面空壓機每天的耗能11 880 kW·h。

3.2 熱量回收的預測

3.2.1 回收熱量的計算

空壓機潤滑油所吸收熱量計算公式如下：

式中：m為潤滑油每小時流經換熱設備的質量，取10.26 t/h；c為潤滑油的比熱容，取2 030 J/（kg·℃）；Δt為溫差，取20℃；1 kW·h電的熱能為860 kcal。帶入數值計算得Q=116 kW。

回收率P=Q/Q空。式中：Q空為空壓機的功率，取220 kW；Q為換熱功率，取116 kW。代入數值計算得P為53%

每天回收的熱量為Q回收。Q回收=11 880 kW·h/d×53%×860 kcal/kW·h=5 414 904 kcal/d。

3.2.2 生產熱水量的預測

本文以夏季為依據進行計算，設夏季生活水進水溫度為20℃，回水溫度為60℃。經計算可知，每噸水每提升1℃所需的熱量為1 000 kcal。則由該系統回收的熱量所產生水量Q水=135 t。

一年按照300 d計算，則一年可由空壓機余熱回收熱量所產生的熱水總量為4.05萬t。根據礦井每年所需洗浴熱水量為8.42萬t，總費用為66.31萬元。則可知，采用空壓機余熱回收利用的方案后每年可節約費用為：4.05萬t×66.31萬元/8.42萬t=31.89萬元。

4 結語

空壓機作為煤礦井上、地面正常生產中必不可少的設備，其在正常運行過程中所產生的85%的熱量均被浪費至空氣中。為了響應節能減排政策的號召，應充分利用散發至空氣中的熱量。針對地面空壓機在實際運行過程中熱量未被充分回收的問題，設計了相應的余熱回收系統，預計每年可由空壓機回收的熱量所產生熱水量為4.05萬t，每年共可節約費用為31.89萬元，為挖金灣礦節能生產奠定了扎實的基礎。