煤礦空壓機余熱高效利用技術應用研究
——以李家壕煤礦為例

李 明,常 艇,張立忠,董甲武

(1.國能包頭能源有限責任公司煤炭洗選中心，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000;2.北京中礦博能節能科技有限公司，北京市朝陽區，100102)

隨著社會經濟的高速發展，能源需求量與日俱增，發展清潔高效的新能源也成為各行各業的首要任務。空壓機是一種用來壓縮氣體以提高氣體壓力的機械設備，空壓機在工業生產中廣泛應用，主要擔負著為各種氣動閥門和氣動工具等提供氣源的職責。

煤礦企業主要使用的是噴油螺桿式空壓機。螺桿式空壓機在壓縮空氣的過程中有將近90%的電能轉換成熱能，通過冷卻系統的散熱器排散到大氣中，造成能源的浪費和相關污染。提高空壓機運行性能，同時將其余熱回收加以利用可作為煤礦企業的清潔能源之一，既能降低能源消耗，又可減少污染物的排放，可產生較好的環境效益、經濟效益及社會效益[1]。

1 空壓機余熱回收原理

1.1 空壓機冷卻

筆者以李家壕煤礦選煤廠使用的螺桿式空壓機為例，分析空壓機的潤滑油冷卻系統及余熱回收原理。

螺桿式空壓機在壓縮空氣的過程中，在進氣口吸入空氣的同時還會從機頭吸入潤滑油，潤滑油在工作中主要起到潤滑、密封和冷卻的作用，再與高壓空氣一同從壓縮機出口排出，進入油氣分離器進行油氣分離。油氣分離器中的潤滑油存在著大量的熱量，在經過油冷卻器時把熱量排入大氣中，再經過潤滑油過濾器過濾后回到壓縮機頭開始進行循環使用。

在空壓機連續運行過程中，壓縮機的排氣溫度不能過高也不能過低，排氣溫度通常<110 ℃，這是因為若溫度過高會導致潤滑油加速老化，機組零件會因為熱脹而加劇磨損，導致壓縮機壽命縮短，因此排氣溫度超過上限溫度時，控制系統會自動停機保護；若排氣溫度過低，則壓縮空氣中的水分很難被蒸發后隨空氣排出，這樣會導致潤滑油里的水分增多，造成潤滑油出現乳化現象，導致壓縮空氣帶油，增加元部件被腐蝕的風險，嚴重時會引起機頭卡死等安全隱患。在空壓機冷卻系統運行時，壓縮機的回油溫度在冬季時排氣溫度應趨于下限，夏季則趨于上限。

空壓機機組的排氣溫度是通過機械式溫控三通閥對噴入機頭的潤滑油溫度進行自動調節的，溫控三通調節閥通常采用分流式，包括1個進油口和2個出油口，從油氣分離器出來的高溫潤滑油要先經過溫控三通調節閥進行溫控分流，一路出油口接至油冷卻器，對潤滑油進行降溫冷卻。冷卻方法有水冷和風冷2種方法，冷卻后的潤滑油再回到壓縮機機頭；另一路出油口直接接至壓縮機機頭同冷卻后的潤滑油混合，溫控三通調節閥通過進油溫度調節兩路出油比例，將回油溫度控制在60 ℃～70 ℃之間。

空壓機在工作中把電機輸入功率的80%～90%轉換成熱量，由潤滑油帶走，在油氣分離器中油和空氣分離，此時潤滑油的溫度通常>90℃，在油冷卻器中排放到大氣(風冷)中或水(水冷)中，以維持壓縮機的正常工作。

空壓機余熱回收技術就是把空壓機工作時散到潤滑油中的熱量，通過換熱裝置——空壓機余熱回收機組，把熱量傳遞給介質水，再通過水-水換熱器加熱自來水[2-7]，加熱后的水可用于礦區職工生活熱水的制取，并能保障壓縮機的回油溫度趨于在冬季運行時的排氣溫度，從而提高空壓機的工作效率。

1.2 余熱回收利用

煤礦企業一線工人的工作基本是3班工作制，必須保障每班工人下班后的洗浴需求。空壓機的運行是煤礦生產的需要，洗浴熱水也是煤礦一線工人的必需，因此利用空壓機余熱用于制取洗浴熱水，既能做到與生產同步，又能避免造成資源浪費。但是洗浴熱水的用熱量和空壓機余熱回收量如何匹配，是保障空壓機安全運行、余熱回收系統穩定運行的關鍵。當洗浴熱水用熱量大于空壓機余熱回收量時，熱水制取量不能滿足洗浴熱水的需求量；當洗浴熱水用熱量小于空壓機余熱回收量時，空壓機的回油溫度又會升高至排氣溫度上限，導致停機保護。因此空壓機余熱回收系統要解決的問題是，在洗浴熱水用熱負荷波動和空壓機余熱回收系統停用時，系統能自動調節，保障噴入壓縮機機頭的潤滑油溫度在60 ℃～70 ℃之間，以保障空壓機安全穩定運行。

1.3 空壓機余熱回收系統

空壓機余熱回收系統主要由空壓機余熱回收機組、潤滑油取熱系統和供熱系統組成。空壓機余熱回收技術是從空壓機潤滑油中提取熱量，需對空壓機的潤滑油冷卻系統進行改造，在潤滑油冷卻器的前端進油管上加裝閥門，在閥門的前端和后端各引出一路油管，前端油管接至空壓機余熱回收機組的進油口，機組的出油口接到閥門后端引出的油管上，并將空壓機余熱回收機組串聯到潤滑油冷卻循環系統中。空壓機余熱回收系統工作時，高溫潤滑油先進入空壓機余熱回收機組內冷卻，放熱后的油溫≤70 ℃時，潤滑油通過空壓機原有冷卻器，此時冷卻器不開啟散熱功能；當放熱后的油溫>70 ℃時，空壓機原有冷卻器開啟，潤滑油進入冷卻器后再冷卻，并通過空壓機原有的潤滑油溫度控制裝置控制回油溫度>60 ℃。通過開啟或關閉閥門可將空壓機余熱回收機組切入或切出潤滑油冷卻循環系統，便于維護和檢修，并能隨時啟動空壓機原冷卻系統，切出空壓機余熱回收系統，保障空壓機運行安全。

祁連縣地處祁連山中段，隸屬于青海省海北藏族自治州。因為北鄰古絲綢之路的首要通道甘肅省河西走廊，所以祁連縣又被稱為“青海北大門”。

空壓機余熱回收機組，內置釬焊板式高效換熱器和1套潤滑油溫度調節裝置，以保障熱量回收后的潤滑油溫度趨于下限，最大限度地回收空壓機工作時排出的余熱，與空壓機自身的潤滑油溫控制調節系統共同工作，對空壓機和回油溫度進行雙重控溫，以保障空壓機恒溫運行[8-9]。

2 應用實例

2.1 工程概況

李家壕煤礦空壓機余熱制取洗浴熱水工程位于內蒙古自治區鄂爾多斯市李家壕煤礦選煤廠，空壓機房安裝了8臺250 kW的螺桿式空壓機，日常運行2臺，其他6臺備用，8臺機組自動循環換切，保證每臺機組的運行時間相對均衡。本工程對8臺螺桿式空壓機進行潤滑油冷卻系統余熱回收改造，每臺空壓機對應安裝1臺空壓機余熱回收機組，空壓機運行時把潤滑油中的熱量回收用于加熱洗浴熱水，供礦區職工洗浴。1臺空壓機余熱回收機組最大的回收余熱功率約為空壓機軸功率的88%，即220 kW[10]。

按照運行2臺空壓機計算，余熱回收功率為440 kW，利用回收的熱量制取洗浴熱水，設計自來水溫度10℃，洗浴熱水溫度50℃，每天可以制取的洗浴熱水量是170 m3，計算見式(1)：

(1)

式中：G——熱水制取量，L/d；

P——空壓機余熱回功率，取440 kW；

T——日運行小時數，取18 h/d；

t1——自來水溫度，取10℃；

t2——洗浴熱水溫度，取50℃。

系統設計安裝8臺換熱能力不小于220 kW的空壓機余熱回收機組，高溫潤滑油在空壓機余熱回收機組中加熱介質水，8臺空壓機余熱回收機組介質水出水管匯集成一根主管道，再供給洗浴熱水換熱器一次側供熱，設計供水溫度65 ℃，回水溫度50 ℃，二次側進水為10 ℃的自來水，輸出50 ℃洗浴熱水存儲在蓄熱水箱內，供礦區職工洗浴。系統設置一次側循環泵，通過管道連接空壓機余熱回收機組和洗浴熱水換熱器一次側，加注軟化水，構成中間循環系統；設置二次側循環泵，通過管道連接洗浴熱水換熱器二次側和蓄熱水箱，組成蓄熱系統；系統設計變頻給水泵，把蓄熱水箱中的熱水送到職工浴室或其他用水單位。

蓄熱水箱容積是根據煤礦職工洗浴用水特點來確定的，在煤炭企業白班的洗浴人數通常約占日洗浴總人數的50%，晚班和夜班人數較少，本系統蓄熱水箱容積按日產水量的60%設計，取水箱利用系數1.2，蓄熱水箱容積不小于122.4 m3。根據拼裝式不銹鋼水箱制作工藝，確定水箱內膽尺寸為13 m×5 m×2 m，總容積130 m3,水箱內層鋼板采用304不銹鋼材質，外層采用201不銹鋼保護層，中間是厚度為100 mm的聚氨酯保溫層，在-30 ℃以上的環境溫度下，24 h溫度損失不超過1 ℃。空壓機余熱高效利用系統主要設備清單見表1。

表1 空壓機余熱高效利用系統主要設備清單

續表1

系統中供回水管道采用鍍鋅管，管材、管件等承壓能力均不低于1.6 MPa，室內管道用難燃 B1 級橡塑材料保溫，保溫厚度 50 mm，外保護層采用 0.4 mm 鋁皮；室外管道采用架空方式敷設，保溫采用難燃型聚氨酯發泡材料，保溫厚度為 60 mm；系統總配電功率53.50 kW,運行功率26.75 kW。

2.2 經濟性分析

在空壓機余熱回收制取洗浴熱水系統中，主要的耗電設備是中間循環系統的一次循環泵,功率為11 kW；蓄熱循環系統二次循環泵,功率為7.5 kW；變頻熱水給水泵,功率為7.5 kW。按照系統全年運行360 d、循環泵運行18 h/d、給水泵累計運行6 h/d計算系統耗電量，即循環泵的耗電量約為11.99萬kW·h/a、變頻給水泵的耗電量約為1.62萬kW·h/a。

由此可以得出，空壓機余熱回收系統的耗電量約為13.61萬kW·h/a，目前礦區內用電綜合電價為0.85元/(kW·h)，因此系統年運行能源費用約為11.57萬元，再加上其他人工及維修保養費用約8萬元，合計運行費用約為19.57萬元/a。

空壓機余熱回收制取洗浴熱水系統與空氣源熱泵熱水機組、太陽能熱水器及燃氣鍋爐制取洗浴熱水方案進行比較，按照電價0.85元/(kW·h)、氣價3.46元/Nm3來計算，空壓機余熱回收制取洗浴熱水系統的經濟性具有較為明顯的優勢。不同洗浴熱水制取方案經濟性比較見表2。

表2 不同洗浴熱水制取方案經濟性比較

經比較分析后發現，采用空壓機余熱回收制取洗浴熱水系統方案，10年工程的總投資比太陽能熱水器方案節省575.38萬元，比空氣源熱泵熱水機組方案節省784.48萬元，是燃氣鍋爐方案費用的25.68%。

2.3 環境效益分析

空壓機余熱利用系統的消耗電能為13.61萬kW·h/a，按照電力等價值0.303 kg標準煤/(kW·h)折算，系統1年耗能41.24 t標準煤；太陽能熱水器方案1年所消耗的電能為69.89萬kW·h，折算耗能211.77 t標準煤。空壓機余熱利用系統比太陽能熱水器方案年可節省170.53 t標準煤,節能率80.53%。每年減排CO2426.33 t、SO212.79 t、NOx6.39 t，可見其節能效果非常可觀，環境效益非常顯著[11-12]。

3 結語

當前，我國能源利用仍然存在著利用率低、經濟性差、生態環境壓力大等突出問題。節能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率是能源發展戰略的重要內容，是解決我國能源問題的根本途徑。在工業生產和建設中，壓縮空氣是一種重要的動力源，廣泛用于驅動各種風動機械和風動工具。通過對煤礦空壓機余熱高效利用技術的分析以及在李家壕煤礦的工程實踐與應用可以發現，回收空壓機余熱制取職工洗浴熱水，回收效率高、余熱利用率高，既減少了能源消耗和污染物的排放，又具有明顯的經濟效益。空壓機余熱高效利用技術還可以用于冬季建筑采暖以及煤礦進風井防凍，契合國家節能環保政策，在工礦企業極具推廣與應用意義。