小麥制粉車間空壓機余熱綜合利用系統設計與應用

曹維讓，王保法，陳 潔，呂瑩果

（1.鄭州華森糧食工程有限公司，鄭州 450052；2.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉 453000；3.河南工業大學糧油食品學院，鄭州 450052）

隨著環境保護意識的逐漸強化，國家近年來出臺了一系列節能減排的工作方針、政策，進一步完善節能減排工作。根據國務院2013年國發〔2013〕37號《關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》文件精神，2019年底前，除保留必要的應急和調峰燃煤采暖鍋爐外，各市建成區和有條件的縣城要完成10t/h及以下燃煤鍋爐淘汰工作，禁止新建20 t/h及以下燃煤鍋爐；其它城鎮建成區不再新建10 t/h及以下的燃煤鍋爐[1]。現有的小麥制粉車間一般建在城市遠郊或農村，缺少城市配套的電廠余熱蒸汽管道，甚至天然氣管道也相對較少。散煤禁燒后，麩皮、小包裝面粉烘干采用電及天然氣直接加熱空氣或電及天然氣加熱水制成蒸汽，再加熱麩皮、小包裝面粉，采取電或天然氣制熱烘干，成本相對較高，企業負擔增大，產品利潤降低[2]。因此，節能降耗是面粉企業亟待解決的問題，在工藝流程和設備選型等方面既要考慮現代化、自動化、智能化，也要綜合考慮企業運行成本和經濟效益，采用節能新技術，做好節能降耗工作，企業才可實現持續降本增效，提高產品的市場競爭力[3-4]。

小麥制粉車間需要熱能的主要是潤麥和干燥環節。小麥在制粉過程中，需要對清理過的干小麥進行加水潤麥，經過加水的小麥在潤麥倉靜置18～36 h后，在制粉過程中小麥皮層與胚乳更易分離，有利于提高出粉率及高等級粉的出率。長江以北地區的冬季環境寒冷，潤麥添加冷水時，潤麥效果不理想，不利于小麥制粉，需要提高車間室內溫度或用溫水進行潤麥[5-6]，目前靠電能直接加熱水溫或蒸汽加熱水溫。小麥制粉工藝具有獨特性，在制粉過程中逐級研磨及篩理，前路到后路的面粉水分逐步降低，且麩皮的水分最高，夏季室外環境溫度高的情況下，不利于高水分產品的長期儲存及運輸，在不影響制粉工藝的基礎上，需要對麩皮及小包裝面粉進行烘干，提高其保質期[7]，而電能加熱能耗較高，據調查，在小麥制粉過程中，能源消耗占小麥生產總成本的6%，其中電費占產品總加工費用的 30%[8]，若能減少此部分熱能的電耗，將有效降低生產成本。

小麥制粉過程中，由于自動化程度的提高，許多氣動裝置需要高壓氣源做動力，尤其是高壓脈沖、色選機、流量秤和打包機等用氣量大的設備的使用，空壓機的數量增多、配備的型號及功率增大，空壓機在運行過程中，空氣壓縮機從空氣中吸入空氣，經過壓縮后將高壓空氣排出，這一過程不但提高了空氣的壓縮勢能，同時產生了大量的熱量，而真正用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占約20%，大約80%的電能轉換為熱量。需要指出的是，由于壓縮機內部循環對油溫有要求，加上不同溫度的熱值不同，換熱器換熱效率不同，根據工程實際經驗，可以被利用熱量折合壓縮機軸功率約為88%，如果將這部分熱量回收，可節省大量能源費用。

現實中一方面需要熱能加熱烘干或制熱水，另一方面是熱能直接浪費掉。如何利用熱泵新技術使這部分熱能得到綜合利用，把空壓機排掉的熱能重新利用起來。熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的高效節能裝置，也是全世界倍受關注的新能源技術，在眾多領域得到應用[9-12]。河南海弗星換熱科技有限公司與鄭州華森糧食工程有限公司共同合作，經過多年的潛心研究，結合小麥制粉工藝、板式（殼管）換熱技術、高溫水源熱泵技術等綜合技術，開發了一套小麥制粉車間空壓機余熱能源綜合利用解決方案，形成了智能控制專利技術與高溫水源熱泵熱風機專利技術。本文通過對小麥制粉車間熱能進行計算與分析，設計空壓機余熱綜合利用方案，采用獨特熱能回收、儲存、輸送和轉換，對制粉車間空壓機余熱進行綜合利用，變廢為寶。

1 小麥制粉車間熱能計算與分析

1.1 空壓機工作原理及熱量的產生

圖1為空壓機的工作原理圖，空壓機是一種用以壓縮氣體的設備。在空壓機工作過程中，電動機在電能作用下，對空壓機系統做功，使系統內能增加，表現為油溫和壓縮氣體溫度升高。

圖1 空壓機工作原理圖[13]

為保證空壓機潤滑油三大功能正常發揮，空壓機運行溫度有一個合理、最佳溫度范圍：60～85℃。

如果空壓機工作超過85℃，則空壓機機油有老化、結焦趨向，潤滑效果降低，密封效果變差，從而導致空壓機故障，影響空壓機正常運行；而當空壓機工作溫度低于60℃時，壓縮空氣中的水分有凝結于潤滑油中的趨向，潤滑油中的水分使油品乳化變質，潤滑效果變差，影響空壓機的正常運行。因此，將空壓機工作溫度控制在合理范圍內，工作溫度的相對穩定，有利于空壓機穩定運行，有利于延長空壓機的使用壽命。多數空壓機制造廠家出廠機組設定風扇運轉溫度為85℃啟動，風扇運轉溫度為75℃停止。螺桿空壓機的產氣量會隨著機組運行溫度的升高而降低。在實際使用中，空壓機的機械效率不會穩定在80℃標定的產氣量上工作。溫度每上升1℃，產氣量就下降0.5%，溫度升高10℃，產氣量就下降5%。一般風冷散熱的空壓機都在88～96℃間運行，其降幅都在4%～8%，夏天更甚。

若能將此熱能利用改造，使空壓機組排氣運行溫度和油溫均控制在最佳溫度范圍以內，降低螺桿空壓機散熱風扇運轉時間，節約電能，同時，也能更好地保證空壓機正常運行和產氣量。圖2所示為空壓機熱量構成。

圖2 空壓機熱量構成圖

空氣壓縮機作為制造行業的能耗大戶，受到越來越多的關注，節能潛力巨大。從壓縮機的生命周期成本結構分析，節能重心在能耗。壓縮機在工礦企業的平均耗能占整個企業能耗的30%左右，部分行業的壓縮機耗電量占總耗電量的比例高達70%。壓縮機由于自身工作特性，運行過程中將產生大量的壓縮熱能，其中2%的壓縮熱被輻射損失；9%的熱量被電機帶走，4%的壓縮熱殘留在壓縮空氣內，并進入工廠的空氣管道中；85%的壓縮熱，通過冷卻介質（油、水或風）帶走。

由圖3可見，空壓機產生的熱量中，有85%是可以回收利用的，空壓機中氣冷卻器13%的熱量和油冷卻器72%的熱量是可以利用的，對這部分熱量進行改造和回收利用，將幫助企業節省大量的熱能運行及投資成本。

圖3 空壓機熱量利用情況

1.2 小麥制粉車間的空壓機余熱與所需熱能計算

以新建600 t/d的面粉車間為例，計算車間空壓機余熱能量、麩皮烘干和溫水潤麥所需的熱量，以及員工生活用熱情況。

1.2.1 空壓機配備情況

車間一樓空壓機房配備3臺37 kW的空壓機，總功率為111 kW，空壓機加載率80%，運行時間為24 h，運行過程中所產生的熱量由自身散熱系統直接排放到空壓機房大氣中，到了夏季需要一個3 kW·h的風機向室外鼓風排放熱量。這些熱量大部分是可以被回收再利用的，它們可用于制備熱水方便員工生活所用，在確保空壓機的正常工作的同時，最大程度地降低了企業的熱源運行成本。

管式設備熱量計算：空壓機運行時間按每天24h，采用單油回收，按65%回收效率保守估算，入口水溫按15℃估算（根據全年平均進水溫度估算），熱水水溫按55℃計算，結果如表1，可知該空壓站每小時回收功率為：57.7 kW。

表1 空壓機可回收熱能

1.2.2 麩皮烘干所需的熱能

處理小麥600 t/d制粉車間，麩皮出率為16%，每小時麩皮產量為：600×16%÷24=4 t；麩皮烘干降低1.5%水分計算，每小時降低水分：4 000×1.5%=60kg；1 kg水分蒸發需要的熱量為600大卡，加上20%的熱損耗率計算，共需要：600×60×1.2=43 200大卡，每小時需要功率數：43 200÷860=50.2 kW。

1.2.3 潤麥加溫水所需的熱能

處理小麥600 t/d制粉車間，原糧水分為10.5%～12.5%，平均按11.5%計算，入磨水分按15.5%計算，潤麥加水為4%，每小時需要加水：600×4%÷24=1 t，冬季水溫由15℃加熱到60℃，即每小時需要熱量：1×1 000×（60-15）=45 000 大卡，即耗電功率為：45 000÷860=52.3 kW。

1.2.4 冬季辦公樓及員工宿舍供暖面積

北方節能建筑，辦公室供暖熱量需求：60 W/m2，職工宿舍供暖熱量需求：40 W/m2計算，辦公樓、宿舍樓面積分別按按400 m2、500 m2計算，共需熱能：（60×400+500×40）÷1 000=44.0 kW。

1.2.5 員工洗浴生活熱水所需熱量

工廠按100人計算，每天按60%的員工洗浴計算，每人每天洗浴所需溫水為40 kg計算，共計：100×40×0.6=2 400 kg,1 kg水溫由15℃升至45℃需要熱能30大卡，工廠每天的生活熱水需要能耗：2400×30÷860=83.72 kW， 即每小時耗電：83.72÷24=3.49 kW。

1.2.6 空壓機余熱功率與需要熱量對比分析

由表2可以看出，空壓機余熱若能按計劃回收利用，麩皮烘干季節同時可以制備生活熱水，但供暖季節不能同時滿足溫水潤麥與供暖，當單獨溫水潤麥或單獨供暖時，可以同時滿足員工生活熱水。

表2 空壓機余熱與車間生產及生活用熱表

2 空壓機余熱利用系統設計

2.1 設計目標及范圍

（1）采用空壓機余熱回收利用系統降低能源消耗方式。

（2）零運營成本制取熱水，滿足生產及生活的需求。

（3）空壓機余熱利用系統工程設計范圍：主要包含空壓機余熱回收系統、清洗池熱水制備系統、相關的配電自控系統、管溝工程及室外管網系統。

2.2 設計原則

為貫徹落實好國家節能減排政策，使改造項目更好的達到預定目標，本次設計方案遵循以下原則：

（1）采用技術先進、環保、安全可靠的工藝技術和設備，避免對周邊生態造成影響。充分發揮社會和環境效益。

（2）在設計中力求廠區布置緊湊、環境優雅、建筑美觀，做到與廠區建設相協調，成為經濟、社會和環境三方的良好統一體。

（3）為實現系統無人值守，并且確保設備安全、可靠、平穩運行，系統運行實行集中自動化控制。

（4）應采取措施降低設備結垢的風險，以保證系統的運行壽命。

（5）項目建設目標應該符合國家有關行業規定和行業標準，工程設計嚴格執行國家相關設計規范和標準。

2.3 空壓機熱回收必須遵循的原則

（1）保證壓縮機運行的安全性和穩定性。

（2）保證供水的安全性和穩定性。

（3）能量回收設備運行，保留壓縮機原有冷卻系統，能量回收系統與原有冷卻系統并聯運行，全自動切換。

（4）能量回收設備安裝及運行，要保證壓縮機壓力控制和單位時間排氣量正常。

（5）能量回收過程中停止原散熱系統，實現降低總系統運行能耗，這樣可以大大地提升壓縮機多余能量的利用率。

（6）將回收回來的熱量，盡可能地將介質加熱到最高溫度，以增加適用范圍。

（7）空氣壓縮機過低或過高溫度運行，都將直接影響到設備的安全和能效，實時監測和控制，以確保最佳的運行溫度。

2.4 空壓機余熱回收管路改造

根據以上原則，設計空壓機熱回收系統方案。圖4為空壓機熱回收管路改造連接示意圖，圖中含油、氣雙回收方案，如果單是油回收，則不需要改造氣路，只改油路，油閥采用不銹鋼耐溫球閥，法蘭連接間采用金屬墊片。圖4中，潤滑油在氣、油分離器中分離后，將高溫的潤滑油經過管道引出，進入到換熱設備內。在換熱設備內，與水換熱后再通過油管回到空壓機機體內，為保證空壓機的運行穩定，避免因換熱設備維護檢修等問題，在設計過程中，另外再設計一條回路即旁通管路，直接將高溫油連接到換熱設備的回油端。

圖4 空壓機余熱回收管路改造連接示意圖

3 熱能綜合利用方案

3.1 熱能綜合利用方案工藝

空壓機熱能綜合利用方案工藝見圖5。

圖5 空壓機熱能綜合利用方案工藝圖

3.2 熱水制取系統

空壓機熱能綜合利用方案設計為空壓機余熱加熱制備熱水，對空壓機余熱進行節能改造利用，安裝空壓機余熱回收機組，空壓機余熱回收機組并聯安裝。為了確保空壓機運行的安全穩定，在空壓機余熱回收機組油路上安裝了三通調節閥，即便空壓機余熱回收設備出現故障，也不會影響空壓機的正常運行。空壓機余熱回收機組就近空壓機安裝，盡量減少油管路的長度，降低空壓機潤滑油路系統的阻力，確保空壓機潤滑油路系統的正常工作。空壓機余熱回收機組與空壓機之間油管路閥門采用法蘭碟閥，油管路選擇承壓能力不小于1.6 MPa，耐溫不小于150℃的管道，安裝距離短于1 m，空壓機內部采用耐高壓軟管，外部采用不銹鋼管焊接，超過1 m采用不銹鋼管硬管安裝，并加大油管管徑。

3.3 儲能系統

由于空壓機工作是間斷性的，而用熱是連續性的，為此必須把空壓機運行過程中產生的熱能儲存下來，并連續供出去。空壓機產生的熱能通過熱交換器直接加熱水，熱水通過循環泵的作用，不斷把熱能儲存到專用的儲水罐中，這樣保證了下道工序的熱能供應連續性。

3.4 熱水應用

溫水潤麥、供暖及生活熱水，直接通過循環水泵把熱水供應到另外的熱水罐中，根據所需不同溫度自動調節，直接應用。

3.5 熱水轉換熱風

在麩皮、面粉烘干中，必須把高溫熱水轉換為熱風，才能夠使用，儲能水罐的高溫熱水在循環泵的作用下，通過管道供應到需要熱風的地方，熱水通過我們自主研發具有國家知識產權的高溫水源熱泵熱風機，置換成熱風，能效比在3～6，即制3 kW熱量的熱風，只需要耗電0.5～1 kW的電，比傳統的電熱制備熱風，節約成本在60%以上，出口熱風根據干燥物需要降低的水分百分比，可在65～110℃之間自動調整，達到更節能的效果。具體工作原理為：機組在PLC的控制下，第一翅片換熱器加熱過濾凈化后的新風，降溫后的熱水與蒸發換熱器的冷媒進行熱量交換，冷媒經過壓縮機后變成氣體，氣體在冷凝換熱器內加熱導熱油，使導熱油溫達到125℃左右，導熱油在循環泵的作用下，經過第二翅片換熱器加熱預熱過的新風，使溫度達到105℃左右，熱風在風機的作用下與粉狀物料（面粉、麩皮）混合，通過氣流干燥系統干燥物料。代替傳統的電加熱或燃氣燃燒加熱的方式進行物料烘干，節能、環保、安全。

3.6 節能效益對比

以15℃的冷水加熱至45℃的熱水，每噸需要30 000千卡熱量為例進行耗能計算，對比用電、氣、熱泵等能源，經濟對比如表3。

表3 能耗及經濟對比

可見，在以上幾種能源中，電能直接驅動電熱水器是最貴的，液化氣和天然氣相對較便宜，電能驅動熱泵最為節約，而如能將空壓機產生的余熱全部回收利用，幾乎不產生額外的能耗。

如空壓機余熱全部利用，等于每天節約電費：57.7×0.65×24=900.12元（表1中計算得知空壓機可回收57.7 kW·h），按年生產天數300 d計算，年節約電費：900.12×300=270 036元，即間接比原來可創收27萬元，可大大提高制粉企業的效益。

另外，熱能回收系統在工作時，由于充分利用了空壓機工作時的余熱，減少了空壓機的高溫運行狀態，使散熱系統的冷卻風扇自動停止工作，一方面降低了空壓機的故障，延長了空壓機的使用壽命，另一方面也減少了干燥機的工作負荷，進一步達到了節能效果。

空壓機余熱利用系統在運行過程中不排放廢氣，空壓機的余熱得到合理利用，同時夏季也取締了空壓機房的排熱風機，降低城市熱島效應，每年還可為企業節省下巨額的制備熱水的費用，環保、節能同時為空壓機降溫，原有冷卻系統停止運行，為節能減排做出貢獻。

4 結論

本設計通過空壓機余熱利用熱泵技術，顛覆了傳統觀念，解決了空壓機余熱需要風機驅動來排放、而麩皮、面粉烘干找到新熱源的問題，達到廢熱利用，減少熱污染，降低碳排放，同時也降低了企業的運營成本，實現多贏的效果；該技術解決方案替代原有傳統技術方案，只需要把傳統熱源部分用新技術的設備替代即可，費用增加不大，方便快捷；可根據實際情況在不同季節對空壓機余熱靈活利用，夏季進行熱水熱風轉換對麩皮、小包裝面粉進行烘干；冬季熱水用于溫水潤麥或職工宿舍、辦公室供暖，平時多余的熱量用于職工生活用水，在滿足環保要求的同時節能降耗，做到智能控制、自動切換。