煤礦空壓機(jī)余熱高效利用技術(shù)應(yīng)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(zé)任公司煤炭洗選中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000;2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市朝陽區(qū)，100102)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源需求量與日俱增，發(fā)展清潔高效的新能源也成為各行各業(yè)的首要任務(wù)?？諌簷C(jī)是一種用來壓縮氣體以提高氣體壓力的機(jī)械設(shè)備，空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，主要擔(dān)負(fù)著為各種氣動閥門和氣動工具等提供氣源的職責(zé)。

煤礦企業(yè)主要使用的是噴油螺桿式空壓機(jī)。螺桿式空壓機(jī)在壓縮空氣的過程中有將近90%的電能轉(zhuǎn)換成熱能，通過冷卻系統(tǒng)的散熱器排散到大氣中，造成能源的浪費(fèi)和相關(guān)污染。提高空壓機(jī)運(yùn)行性能，同時將其余熱回收加以利用可作為煤礦企業(yè)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(chǎn)生較好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會效益[1]。

1 空壓機(jī)余熱回收原理

1.1 空壓機(jī)冷卻

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

螺桿式空壓機(jī)在壓縮空氣的過程中，在進(jìn)氣口吸入空氣的同時還會從機(jī)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(jī)出口排出，進(jìn)入油氣分離器進(jìn)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(jīng)過油冷卻器時把熱量排入大氣中，再經(jīng)過潤滑油過濾器過濾后回到壓縮機(jī)頭開始進(jìn)行循環(huán)使用。

在空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)的排氣溫度不能過高也不能過低，排氣溫度通常<110 ℃，這是因?yàn)槿魷囟冗^高會導(dǎo)致潤滑油加速老化，機(jī)組零件會因?yàn)闊崦浂觿∧p，導(dǎo)致壓縮機(jī)壽命縮短，因此排氣溫度超過上限溫度時，控制系統(tǒng)會自動停機(jī)保護(hù)；若排氣溫度過低，則壓縮空氣中的水分很難被蒸發(fā)后隨空氣排出，這樣會導(dǎo)致潤滑油里的水分增多，造成潤滑油出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮空氣帶油，增加元部件被腐蝕的風(fēng)險，嚴(yán)重時會引起機(jī)頭卡死等安全隱患。在空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時，壓縮機(jī)的回油溫度在冬季時排氣溫度應(yīng)趨于下限，夏季則趨于上限。

空壓機(jī)機(jī)組的排氣溫度是通過機(jī)械式溫控三通閥對噴入機(jī)頭的潤滑油溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的，溫控三通調(diào)節(jié)閥通常采用分流式，包括1個進(jìn)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(jīng)過溫控三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行溫控分流，一路出油口接至油冷卻器，對潤滑油進(jìn)行降溫冷卻。冷卻方法有水冷和風(fēng)冷2種方法，冷卻后的潤滑油再回到壓縮機(jī)機(jī)頭；另一路出油口直接接至壓縮機(jī)機(jī)頭同冷卻后的潤滑油混合，溫控三通調(diào)節(jié)閥通過進(jìn)油溫度調(diào)節(jié)兩路出油比例，將回油溫度控制在60 ℃～70 ℃之間。

空壓機(jī)在工作中把電機(jī)輸入功率的80%～90%轉(zhuǎn)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(fēng)冷)中或水(水冷)中，以維持壓縮機(jī)的正常工作。

空壓機(jī)余熱回收技術(shù)就是把空壓機(jī)工作時散到潤滑油中的熱量，通過換熱裝置——空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，把熱量傳遞給介質(zhì)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(qū)職工生活熱水的制取，并能保障壓縮機(jī)的回油溫度趨于在冬季運(yùn)行時的排氣溫度，從而提高空壓機(jī)的工作效率。

1.2 余熱回收利用

煤礦企業(yè)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?？諌簷C(jī)的運(yùn)行是煤礦生產(chǎn)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(jī)余熱用于制取洗浴熱水，既能做到與生產(chǎn)同步，又能避免造成資源浪費(fèi)。但是洗浴熱水的用熱量和空壓機(jī)余熱回收量如何匹配，是保障空壓機(jī)安全運(yùn)行、余熱回收系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)洗浴熱水用熱量大于空壓機(jī)余熱回收量時，熱水制取量不能滿足洗浴熱水的需求量；當(dāng)洗浴熱水用熱量小于空壓機(jī)余熱回收量時，空壓機(jī)的回油溫度又會升高至排氣溫度上限，導(dǎo)致停機(jī)保護(hù)。因此空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)要解決的問題是，在洗浴熱水用熱負(fù)荷波動和空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)停用時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)，保障噴入壓縮機(jī)機(jī)頭的潤滑油溫度在60 ℃～70 ℃之間，以保障空壓機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)主要由空壓機(jī)余熱回收機(jī)組、潤滑油取熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)組成?？諌簷C(jī)余熱回收技術(shù)是從空壓機(jī)潤滑油中提取熱量，需對空壓機(jī)的潤滑油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，在潤滑油冷卻器的前端進(jìn)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(jī)余熱回收機(jī)組的進(jìn)油口，機(jī)組的出油口接到閥門后端引出的油管上，并將空壓機(jī)余熱回收機(jī)組串聯(lián)到潤滑油冷卻循環(huán)系統(tǒng)中。空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)工作時，高溫潤滑油先進(jìn)入空壓機(jī)余熱回收機(jī)組內(nèi)冷卻，放熱后的油溫≤70 ℃時，潤滑油通過空壓機(jī)原有冷卻器，此時冷卻器不開啟散熱功能；當(dāng)放熱后的油溫>70 ℃時，空壓機(jī)原有冷卻器開啟，潤滑油進(jìn)入冷卻器后再冷卻，并通過空壓機(jī)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(guān)閉閥門可將空壓機(jī)余熱回收機(jī)組切入或切出潤滑油冷卻循環(huán)系統(tǒng)，便于維護(hù)和檢修，并能隨時啟動空壓機(jī)原冷卻系統(tǒng)，切出空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)，保障空壓機(jī)運(yùn)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?yàn)楸编徆沤z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(jī)余熱回收機(jī)組，內(nèi)置釬焊板式高效換熱器和1套潤滑油溫度調(diào)節(jié)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(jī)工作時排出的余熱，與空壓機(jī)自身的潤滑油溫控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同工作，對空壓機(jī)和回油溫度進(jìn)行雙重控溫，以保障空壓機(jī)恒溫運(yùn)行[8-9]。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

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

按照運(yùn)行2臺空壓機(jī)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(shè)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(jī)余熱回功率，取440 kW；

T——日運(yùn)行小時數(shù)，取18 h/d；

t1——自來水溫度，取10℃；

t2——洗浴熱水溫度，取50℃。

系統(tǒng)設(shè)計安裝8臺換熱能力不小于220 kW的空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，高溫潤滑油在空壓機(jī)余熱回收機(jī)組中加熱介質(zhì)水，8臺空壓機(jī)余熱回收機(jī)組介質(zhì)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(cè)供熱，設(shè)計供水溫度65 ℃，回水溫度50 ℃，二次側(cè)進(jìn)水為10 ℃的自來水，輸出50 ℃洗浴熱水存儲在蓄熱水箱內(nèi)，供礦區(qū)職工洗浴。系統(tǒng)設(shè)置一次側(cè)循環(huán)泵，通過管道連接空壓機(jī)余熱回收機(jī)組和洗浴熱水換熱器一次側(cè)，加注軟化水，構(gòu)成中間循環(huán)系統(tǒng)；設(shè)置二次側(cè)循環(huán)泵，通過管道連接洗浴熱水換熱器二次側(cè)和蓄熱水箱，組成蓄熱系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)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(jù)煤礦職工洗浴用水特點(diǎn)來確定的，在煤炭企業(yè)白班的洗浴人數(shù)通常約占日洗浴總?cè)藬?shù)的50%，晚班和夜班人數(shù)較少，本系統(tǒng)蓄熱水箱容積按日產(chǎn)水量的60%設(shè)計，取水箱利用系數(shù)1.2，蓄熱水箱容積不小于122.4 m3。根據(jù)拼裝式不銹鋼水箱制作工藝，確定水箱內(nèi)膽尺寸為13 m×5 m×2 m，總?cè)莘e130 m3,水箱內(nèi)層鋼板采用304不銹鋼材質(zhì)，外層采用201不銹鋼保護(hù)層，中間是厚度為100 mm的聚氨酯保溫層，在-30 ℃以上的環(huán)境溫度下，24 h溫度損失不超過1 ℃?？諌簷C(jī)余熱高效利用系統(tǒng)主要設(shè)備清單見表1。

表1 空壓機(jī)余熱高效利用系統(tǒng)主要設(shè)備清單

續(xù)表1

系統(tǒng)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(nèi)管道用難燃 B1 級橡塑材料保溫，保溫厚度 50 mm，外保護(hù)層采用 0.4 mm 鋁皮；室外管道采用架空方式敷設(shè)，保溫采用難燃型聚氨酯發(fā)泡材料，保溫厚度為 60 mm；系統(tǒng)總配電功率53.50 kW,運(yùn)行功率26.75 kW。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

在空壓機(jī)余熱回收制取洗浴熱水系統(tǒng)中，主要的耗電設(shè)備是中間循環(huán)系統(tǒng)的一次循環(huán)泵,功率為11 kW；蓄熱循環(huán)系統(tǒng)二次循環(huán)泵,功率為7.5 kW；變頻熱水給水泵,功率為7.5 kW。按照系統(tǒng)全年運(yùn)行360 d、循環(huán)泵運(yùn)行18 h/d、給水泵累計運(yùn)行6 h/d計算系統(tǒng)耗電量，即循環(huán)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(jī)余熱回收系統(tǒng)的耗電量約為13.61萬kW·h/a，目前礦區(qū)內(nèi)用電綜合電價為0.85元/(kW·h)，因此系統(tǒng)年運(yùn)行能源費(fèi)用約為11.57萬元，再加上其他人工及維修保養(yǎng)費(fèi)用約8萬元，合計運(yùn)行費(fèi)用約為19.57萬元/a。

空壓機(jī)余熱回收制取洗浴熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水機(jī)組、太陽能熱水器及燃?xì)忮仩t制取洗浴熱水方案進(jìn)行比較，按照電價0.85元/(kW·h)、氣價3.46元/Nm3來計算，空壓機(jī)余熱回收制取洗浴熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性具有較為明顯的優(yōu)勢。不同洗浴熱水制取方案經(jīng)濟(jì)性比較見表2。

表2 不同洗浴熱水制取方案經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)比較分析后發(fā)現(xiàn)，采用空壓機(jī)余熱回收制取洗浴熱水系統(tǒng)方案，10年工程的總投資比太陽能熱水器方案節(jié)省575.38萬元，比空氣源熱泵熱水機(jī)組方案節(jié)省784.48萬元，是燃?xì)忮仩t方案費(fèi)用的25.68%。

2.3 環(huán)境效益分析

空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)的消耗電能為13.61萬kW·h/a，按照電力等價值0.303 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h)折算，系統(tǒng)1年耗能41.24 t標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤?？諌簷C(jī)余熱利用系統(tǒng)比太陽能熱水器方案年可節(jié)省170.53 t標(biāo)準(zhǔn)煤,節(jié)能率80.53%。每年減排CO2426.33 t、SO212.79 t、NOx6.39 t，可見其節(jié)能效果非?？捎^，環(huán)境效益非常顯著[11-12]。

3 結(jié)語

當(dāng)前，我國能源利用仍然存在著利用率低、經(jīng)濟(jì)性差、生態(tài)環(huán)境壓力大等突出問題。節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率是能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，是解決我國能源問題的根本途徑。在工業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)中，壓縮空氣是一種重要的動力源，廣泛用于驅(qū)動各種風(fēng)動機(jī)械和風(fēng)動工具。通過對煤礦空壓機(jī)余熱高效利用技術(shù)的分析以及在李家壕煤礦的工程實(shí)踐與應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，回收空壓機(jī)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(jīng)濟(jì)效益?？諌簷C(jī)余熱高效利用技術(shù)還可以用于冬季建筑采暖以及煤礦進(jìn)風(fēng)井防凍，契合國家節(jié)能環(huán)保政策，在工礦企業(yè)極具推廣與應(yīng)用意義。