煤礦空壓機余熱利用技術現狀與展望

張澤飛，殷衛峰，向艷蕾，郭金良，劉自學，劉東東，李佳佳，閆文瑞，楊 允

(1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000；2.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；3.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450；4.河南能源化工集團有限公司，河南 鄭州 450046；5.河南龍宇能源股份有限公司車集煤礦，河南 永城 476600)

0 引 言

空壓機是煤礦生產和輸送壓縮空氣的動力設備，在工作過程中，約80%～93%的電能轉化成熱能[1-3]，若此熱能不及時排出，產生的高溫不僅會降低空壓機運行效率和產氣量，還會降低設備的使用壽命[4,5]。為保證空壓機正常運行，通常需采用冷卻系統對空壓機潤滑油和壓縮空氣進行冷卻。目前常用的冷卻方式有2種:風冷卻和水冷卻。前者采用空氣通過強制對流的方式對潤滑油和壓縮空氣進行冷卻，機組運行溫度為88 ℃～96 ℃；后者采用水帶走空壓機熱量，機組運行溫度為80 ℃～85 ℃。然而，不論采取何種冷卻方式，空壓機工作過程中產生的熱量均會散失到大氣環境中，造成能量的大量浪費。以螺桿式空壓機為例，在其產生的總熱量中，約有95%的熱量可以回收利用，其中潤滑油可回收的熱量為73%，壓縮空氣可回收的熱量為22%[6-7]。

空壓機余熱品位較高，排熱量相對穩定，近年來已得到廣泛研究。目前空壓機余熱回收技術可分為直接利用技術和間接利用技術，不同技術形式的應用場合、供能對象及存在的問題都不同。鑒于此，系統梳理了空壓機余熱資源的利用技術、存在的問題及發展前景，為合理選擇空壓機余熱利用技術提供理論參考。

1 直接利用技術

1.1 熱風直接利用技術

風冷空壓機冷卻排風通常經風管排至室外，排風溫度較進風溫度高10 ℃～15 ℃，通常采用熱風直接利用技術對余熱進行回收，即將冷卻熱風直接送至需加熱的場所，如冬季有采暖需求的室內或有防凍需求的井口房、常年需除濕的吊籃空間[8]。該方式投資小、施工簡單、余熱回收效率高。

1.2 熱水直接利用技術

熱水直接利用技術將水冷空壓機吸熱后的冷卻水直接送至用熱設備[9]。受空壓機性能的制約，冷卻水進口溫度不宜高于33 ℃，出水溫度應低于40 ℃。若冷卻水出水溫度過高，將影響空壓機的正常工作，甚至會導致停機故障的發生[10]。因此，采用此技術時，產生的冷卻水僅能用于低溫用熱場所。此技術將空壓機冷卻水直接引入供熱系統，因冷卻水水質較差且易受污染，在實際生產中鮮少采用。

2 間接利用技術

空壓機余熱間接利用技術通過在原有冷卻系統中增加換熱器、水泵、溫控閥等設備，將高溫潤滑油管路和壓縮空氣管路接入換熱器，利用水與高溫油、氣的換熱來實現余熱回收利用的目的。此技術采用外置換熱器換熱，不需受空壓機性能的制約，換熱器的進水溫度可以適當降低，一般可以直接利用自然水源，供水溫度可以達到55 ℃以上[9]。由此看出，采用間接利用技術可以使空壓機余熱得到更廣泛的應用。

換熱器是余熱間接利用技術的主要設備，目前應用較多的換熱器為管殼式換熱器和板式換熱器。與管殼式換熱器相比，板式換熱器熱阻低、傳熱效率高，更有利于低品位熱能的回收；相同工況下，傳熱系數高約2倍～4倍，設備體積小約2/3；操作更靈活，安裝和清洗更為方便[11-13]。因此，板式換熱器在空壓機余熱利用系統中應用更為廣泛。

當采用間接利用技術回收空壓機余熱時，為提高安全系數將換熱器與原冷卻系統串聯。正常情況下空壓機噴油溫度需控制在60 ℃～80 ℃[14]。潤滑油在換熱器內冷卻降溫后進入溫控器利用感溫元件檢測油溫，若油溫高于設定值，潤滑油先進入原油冷卻器進一步冷卻降溫，再進入油過濾器經過濾后通向機體；若油溫低于設定值，潤滑油無需進一步冷卻，直接進入油過濾器經過濾后通向機體[15]。

2.1 一級換熱技術

一級換熱系統由換熱器、儲水箱和水泵組成。空壓機余熱一級換熱系統如圖1所示。高溫潤滑油在換熱器中與冷水換熱，將冷水加熱至一定溫度后由水泵將熱水送至儲水箱，供礦區生活、生產使用[13,16]。

圖1 空壓機余熱一級換熱系統示意圖Fig.1 Primary heat transfer system of air compressor waste heat

該技術要求儲水箱具有一定的保溫能力。一級換熱技術具有系統簡單、投資小、換熱效率高的優點，目前應用較多[17]。然而礦區生活、生產用水一般為深井水，礦物質含量高，加熱至50 ℃以上易結垢，使換熱器傳熱惡化，大幅降低傳熱效率，造成熱能的嚴重浪費。水垢的存在堵塞換熱器通道，使系統阻力增大，影響設備安全和系統正常運行，因而需增加水處理裝置。硅磷晶水處理器是目前常用的水處理設備，向硅磷晶罐中加入硅磷晶，經加藥罐轉換向外輸出具有防腐阻垢性能的水[12]，在一級換熱系統中應用廣泛。但硅磷晶屬于化學產品，其含有微量的重金屬隨著硅磷晶的溶解帶入水中。人體在洗澡時皮膚毛孔會因溫度上升而張開，重金屬會通過身體被放大的毛孔吸入體表，該毒害物質暫時殘存在皮膚內，一部分易被吸收及滲入皮膚內層血液各個毛細血管，對身體產生一定的威脅。

2.2 兩級換熱技術

為徹底解決水結垢問題，兩級換熱技術被提出和應用[17-19]。其中，一級換熱為油-水換熱，采用軟化水與高溫潤滑油進行熱量交換；二級換熱為水-水換熱，被潤滑油加熱后的軟化水與自來水進行二次換熱，得到一定溫度的熱水供生產、生活使用。兩級換熱系統如圖2所示。賈玲和吳勇生[1]采用兩級換熱技術對空壓機余熱進行回收，用于制取洗浴熱水，研究表明兩級換熱技術的耗煤量和運行費用均顯著低于電鍋爐、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐技術。

圖2 兩級換熱系統示意Fig.2 Two-stage heat transfer system

兩級換熱技術在一級換熱技術的基礎上，引入中間換熱介質軟化水，將結垢問題轉移至二級換熱器上，可避免因油-水換熱器腐蝕或積垢對空壓機的運行造成影響。然而，二級換熱器結垢仍會嚴重降低換熱效率并延長熱水制備時間。為此，楊允[20，21]等發明了1種高效防垢換熱器，該換熱器通過螺旋狀換熱盤管，一方面能有效提高換熱效率，另一方面可使水垢自行脫落，從而有效避免水垢積累，在兩級換熱系統中得到了較好的應用。

2.3 熱泵提熱技術

目前，已有學者對吸收式熱泵和壓縮式熱泵在空壓機余熱回收領域的應用進行了研究。在空壓機原冷卻系統中，冷卻水的入口溫度取決于環境溫度，但采用熱泵系統后，冷卻水入口溫度不再受環境溫度的限制，有利于空壓機穩定運行。

劉明軍[22]等采用換熱器和溴化鋰吸收式熱泵機組相結合的方式，回收空壓機潤滑油的熱量，既可用于冬季供暖也可用于夏季制冷以實現空壓機余熱資源的有效利用。研究表明采用該技術回收4.25 MW的空壓機的余熱用于夏季制冷，年回收余熱相當于節省標煤2 688 t，CO2、SO2和NOx年減排量分別可達6 570 t、197 t和98 t，年節省電費136萬元，具有顯著的節能、環保和經濟效益[23]。

RADIUK[24]提出以空壓機原冷卻系統的冷卻水為壓縮式熱泵低溫熱源來制取洗浴熱水，研究表明采用該技術回收功率1.5 MW的空壓機的余熱，相當于每年節省1 660 t標準煤。

熱泵提熱技術雖有效提高供熱能力也可用于夏季制冷，但因空壓機余熱體量有限且初投資和運行費用均高于兩級換熱技術，在實際應用中鮮少采用。

3 技術比較

空壓機余熱利用技術多樣，不同利用技術的優缺點見表1。

表1 空壓機余熱利用技術總結Table 1 Summary of waste heat utilization technology of air compressor

4 結 論

隨著我國雙碳目標的提出，煤礦企業作為高能耗企業，節能減排勢在必行，空壓機余熱作為1種穩定的余熱資源，具有廣闊的利用前景。筆者從利用技術、存在的問題、發展前景等3個方面系統梳理了空壓機余熱資源，結果表明:

(1)空壓機余熱直接利用技術根據空壓機冷卻方式的不同，可分為熱風直接利用和熱水直接利用。熱風直接利用技術回收的熱能品味低，一般僅用于井筒防凍；熱水直接利用技術系統簡單，但水質差且易受污染，不利于空壓機的穩定運行。

(2)空壓機余熱間接利用技術通過增加中間換熱器回收空壓機余熱，不會對設備運行產生影響，是目前應用較多且發展前景較大的利用方式。然而，該技術通常存在換熱器結垢問題，未來相關發展需要克服此問題。熱泵技術可有效提高系統的供熱能力，且吸收式熱泵還可實現冬季制熱和夏季制冷，但熱泵系統投資較高。

(3)當礦區用水水質較好，不易結垢時，建議采用熱水直接利用技術；反之，則需采用間接利用技術。若系統對能源品味要求較高，或兼有冷熱兩用需求時，建議采用熱泵提熱技術。