煤礦空壓機(jī)余熱利用節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭坤閃 劉新重

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南平頂山467012）

0 引言

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一，由于其具有安全、無(wú)公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 但要得到品質(zhì)優(yōu)良的壓縮空氣需要消耗大量能源，在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%-35%。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，空壓機(jī)系統(tǒng)5 年的運(yùn)行費(fèi)用組成如下圖1 所示）：系統(tǒng)的初期設(shè)備投資及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用占到總費(fèi)用的23%，而電能消耗（電費(fèi)）占到77%，幾乎所有的系統(tǒng)浪費(fèi)最終都是體現(xiàn)在電費(fèi)上。

圖1 空壓機(jī)系統(tǒng)的費(fèi)用組成

研究發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機(jī)組運(yùn)行功率的85%，通常這部分能量通過(guò)機(jī)組的風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)交換到大氣當(dāng)中。 這就造成了空壓機(jī)主產(chǎn)品成了熱量，副產(chǎn)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(chǎn)品，浪費(fèi)主產(chǎn)品，并且還要用冷卻系統(tǒng)來(lái)吸收消耗主產(chǎn)品，形成二次能源浪費(fèi)。

螺桿壓縮機(jī)由于本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理決定，它的絕熱效率在0.65-0.85 之間。 對(duì)于空氣壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)供油溫度一般在50-60℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的排氣溫度往往在80-90℃之間。 高的排氣溫度會(huì)導(dǎo)致更多的潤(rùn)滑油處于氣相，增加油氣分離的難度，降低潤(rùn)滑油的使用壽命。除了機(jī)械摩擦導(dǎo)致的熱能損失外，主要是因?yàn)閴嚎s氣體時(shí)熱能轉(zhuǎn)換的熱能損失，壓縮機(jī)的絕熱效率僅有60-80%。 通?？諌簷C(jī)實(shí)際運(yùn)行中，只有20-30%的能量變成空氣勢(shì)能（即：將常壓空氣變成高壓空氣），而大部分能量則通過(guò)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(jī)的余熱利用越來(lái)越被人們所重視。

本文通過(guò)對(duì)平煤八礦礦水冷型噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐性研究分析，為其他企業(yè)空壓機(jī)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(tuán)下屬的大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)， 具有360 萬(wàn)噸/年的煤炭生產(chǎn)加工能力。 為了維持生產(chǎn)，該礦共建設(shè)了三套壓風(fēng)系統(tǒng)，共14 臺(tái)螺桿式空壓機(jī)。其中新副井壓風(fēng)房配備了6 臺(tái)螺桿式空壓機(jī)（功率250kW，產(chǎn)氣量48m3/min），采用水冷方式將壓縮機(jī)熱量排出，造成了極大的浪費(fèi)。

礦區(qū)職工澡堂每天約有2000 人洗澡， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jù)洗澡用水溫度設(shè)定冬天50℃，夏天45℃，自來(lái)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(tái)燃煤鍋爐，其耗煤量（2011 年）統(tǒng)計(jì)如下：（冬季按24 小時(shí)，夏季按6 小時(shí)，春秋按9 小時(shí)運(yùn)行）每小時(shí)燃煤按0.5噸計(jì)算；

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

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

春、秋季節(jié)：五個(gè)月×4.5/天.臺(tái)×1 臺(tái)×30 天=675 噸；

合計(jì)為：2880 噸+270 噸+675 噸=3825 噸。

按照節(jié)能改造后最多只保留冬季一臺(tái)鍋爐運(yùn)行目標(biāo)核算，所節(jié)約的一臺(tái)鍋爐能耗基準(zhǔn)節(jié)煤量為：2880 噸/2+270 噸+675 噸=2385 噸，按每噸煤最低保守價(jià)格700 元/噸計(jì)算， 則每年運(yùn)行費(fèi)用：2385 噸×700元/噸=166.95 萬(wàn)元。

表1 平煤八礦熱水使用量

2 空壓機(jī)余熱改造

2.1 空壓機(jī)余熱計(jì)算

平煤八礦新副井空壓機(jī)在額定工礦下的運(yùn)行參數(shù)為：

吸氣壓力Ps=101325Pa，排氣壓力Pd=735498Pa，壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量Qv=48m3/min，壓縮機(jī)的實(shí)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(rùn)滑油的定壓比熱容C0=2039J/（KG·℃），空氣的定壓比熱容C1=1005J/（KG·℃），根據(jù)空壓機(jī)軸功率公式有：

P=(PsQv)/(RT0)C1(T2－T0)+ qmC0(T2－T1)

由此可得噴油的質(zhì)量流量qm=6.73kg/s，所獲噴油的質(zhì)量流量是根據(jù)理論公式計(jì)算而得， 即假設(shè)噴油螺桿壓縮機(jī)不向外界散失熱量，同時(shí)排氣與排油溫度相等，但實(shí)際上空壓機(jī)必然向外界散熱而油氣之間也存在換熱溫差。測(cè)算得出實(shí)際的噴油量約為理論容積流量的110%，則可得噴油的實(shí)際容積流量為7.403kg/s。 因此，每臺(tái)壓縮機(jī)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(tái)空壓機(jī)可提供余熱量為18025.63MJ，因此對(duì)2 臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行余熱利用改造，可以滿足熱水需求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空壓機(jī)內(nèi)部改造如下圖3 所示：

圖3 空壓機(jī)內(nèi)部改造圖

由圖3 可知，空壓機(jī)余熱回收的改造是通過(guò)在原有油路管道中接入板式換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的；同時(shí)，為了提高安全系數(shù)，保留原有冷卻系統(tǒng)，使空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)與原有冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。經(jīng)油氣分離后，高溫氣直接通往余熱回收系統(tǒng)中的板式換熱器ERG， 高溫油則經(jīng)溫度感應(yīng)器檢測(cè)其溫度：若高溫油溫度低于76℃，則不用進(jìn)行熱交換，直接通過(guò)過(guò)濾器通往油路循環(huán)系統(tǒng)，若高溫油溫度高于76℃，則需進(jìn)行熱交換后再進(jìn)入油路循環(huán)系統(tǒng)。

當(dāng)保溫水箱熱水溫度低于設(shè)定值時(shí)（一般設(shè)定為60℃），關(guān)閉油管三通閥與原有油冷卻系統(tǒng)進(jìn)口聯(lián)通的閥門b 和d，使高溫油通過(guò)板式換熱器ERG 與自來(lái)水換熱，以回收空壓機(jī)余熱；當(dāng)保溫水箱熱水溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉油管三通電磁閥與板式換熱器聯(lián)通的閥門c 和d，打開閥門a 和b,使熱油通過(guò)空壓機(jī)油冷卻系統(tǒng)冷卻，以保證空壓機(jī)的效率；當(dāng)保溫水箱的水位超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉三通電磁閥與板式換熱器聯(lián)通的閥門a 和b，高溫油通過(guò)原有油冷卻系統(tǒng)冷卻。

2.3 主要設(shè)備選型

板式換熱器2 臺(tái)：SS304 不銹鋼可拆卸式板式換熱器；

循環(huán)水泵2 臺(tái)：4kW 立式不銹鋼多級(jí)離心泵2 臺(tái)（一用一備）；

保溫水箱1 個(gè)：100t（循環(huán)緩沖水倉(cāng)）；

電氣控制箱1 個(gè)：核心器件為西門子S7-300 控制系統(tǒng)；

除以上主要配置外系統(tǒng)還配有相應(yīng)閥門、儀表及保溫管道，項(xiàng)目投資額為52 萬(wàn)元，明細(xì)如下：

板式換熱器：12×2=24 萬(wàn)元

循環(huán)水泵：2.09×2=4.18 萬(wàn)元

保溫水箱：0.09×100=9 萬(wàn)元

電器控制箱：1×2=2 萬(wàn)元

配套設(shè)備及施工：12.82 萬(wàn)元

3 節(jié)能效益分析

項(xiàng)目改造完成后，經(jīng)12 個(gè)月（2011 年8 月～2012 年8 月）的觀察發(fā)現(xiàn)，熱回收系統(tǒng)運(yùn)行良好，不影響壓縮機(jī)正常工作，具有很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

每年節(jié)約費(fèi)用為：166.95-52=114.95 萬(wàn)元。

空壓機(jī)系統(tǒng)存在的大量電能轉(zhuǎn)化為熱量，從而造成能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，是可以通過(guò)全面的系統(tǒng)解決方案來(lái)消除和彌補(bǔ)的。 結(jié)合熱回收系統(tǒng)對(duì)原有的空氣壓縮系統(tǒng)進(jìn)行改造，既可以解決空壓機(jī)冷卻散熱的難題，又可以充分利用廢熱，減少常規(guī)燃料的消耗量，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

該項(xiàng)目的應(yīng)用不僅為煤礦企業(yè)提供一種可借鑒的成熟方案，也為空壓機(jī)熱能回收在其他工業(yè)上的節(jié)能技改提供了可借鑒的途徑。

［1］岑曦.空氣壓縮機(jī)熱能回收系統(tǒng)的開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

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