煤矿空压机余热利用节能技术的研究与应用

【摘 要】针对煤矿行业空气压缩机大量余热散失浪费的现状，提出了一种废热利用方案，结合具体项目实践，对方案设计采用的主要设备以及节能效益进行论述。实践证明，项目改造后可为企业大量节省运行费用。本文论述的煤矿空压机热能回收节能技术不仅为煤矿企业提供一种可借鉴的成熟方案，也为空压机热能回收在其他工业上的节能技改提供了可借鉴的途径。

【关键词】空压机；热回收；节能；改造

0 引言

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，由于其具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等诸多优点，使其在现代工业领域中应用越来越广泛。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源，在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%-35%。

根据行业调查分析，空压机系统5年的运行费用组成如下图1所示）：系统的初期设备投资及设备维护费用占到总费用的23%，而电能消耗（电费）占到77%，几乎所有的系统浪费最终都是体现在电费上。

图1 空压机系统的费用组成

研究发现空压机运行时会产生大量的压缩热，压缩热消耗的能量占机组运行功率的85%，通常这部分能量通过机组的风冷或水冷系统交换到大气当中。这就造成了空压机主产品成了热量，副产品才是压缩空气，形成一种本末倒置的不合理局面：使用副产品，浪费主产品，并且还要用冷却系统来吸收消耗主产品，形成二次能源浪费。

螺杆压缩机由于本身的设计结构和工作原理决定，它的绝热效率在0.65-0.85之间。对于空气压缩机，设计供油温度一般在50-60℃，实际运行时的排气温度往往在80-90℃之间。高的排气温度会导致更多的润滑油处于气相，增加油气分离的难度，降低润滑油的使用寿命。除了机械摩擦导致的热能损失外，主要是因为压缩气体时热能转换的热能损失，压缩机的绝热效率仅有60-80%。通常空压机实际运行中，只有20-30%的能量变成空气势能（即：将常压空气变成高压空气），而大部分能量则通过各种形式被消耗，其中大部分变成热能排放到空气中。有鉴于此，空压机的余热利用越来越被人们所重视。

本文通过对平煤八矿矿水冷型喷油螺杆空压机余热回收系统进行实践性研究分析，为其他企业空压机余热回收提供借鉴。

1 研究背景

平煤股份八矿是平煤神马集团下属的大型煤炭生产企业，具有 360万吨/年的煤炭生产加工能力。为了维持生产，该矿共建设了三套压风系统，共14台螺杆式空压机。其中新副井压风房配备了6台螺杆式空压机（功率250kW，产气量48m3/min），采用水冷方式将压缩机热量排出，造成了极大的浪费。

矿区职工澡堂每天约有2000人洗澡，根据统计其职工澡堂热水用量如表1。

由表1可知，洗澡热水用量为230t/天左右，根据洗澡用水温度设定冬天50℃，夏天45℃，自来水常年恒温15℃，推算得知澡堂用热水所需最大热量为：

Q=C*M*ΔT=4186J/（KG·℃）*（230*1000）KG*（50-15）℃=33697.3 MJ。

为此矿上配备两台燃煤锅炉，其耗煤量（2011年）统计如下：（冬季按24小时，夏季按6小时，春秋按9小时运行）每小时燃煤按0.5吨计算；

冬季（11.15-3.15）：四个月×12吨/天.台×2台×30天=2880吨；

夏季（5.15-8.15）：三个月×3吨/天.台×1台×30天=270吨；

春、秋季节：五个月×4.5/天.台×1台×30天=675吨；

合计为：2880吨+270吨+675吨=3825吨。

按照节能改造后最多只保留冬季一台锅炉运行目标核算，所节约的一台锅炉能耗基准节煤量为：2880吨/2+270吨+675吨=2385吨，按每吨煤最低保守价格700元/吨计算，则每年运行费用：2385吨×700元/吨=166.95万元。

表1 平煤八矿热水使用量

2 空压机余热改造

2.1 空压机余热计算

平煤八矿新副井空压机在额定工矿下的运行参数为：

吸气压力Ps=101325Pa，排气压力Pd=735498Pa，压缩机的实际容积流量Qv=48m3/min，压缩机的实际轴功率P=250kW，吸气温度T0=25℃，喷油温度T1=76℃，排气温度T2=90℃。采用冷却润滑油的定压比热容C0=2039J/（KG·℃），空气的定压比热容C1=1005J/（KG·℃），根据空压机轴功率公式有：

P=（PsQv）/（RT0）C1（T2-T0）+ qmC0（T2-T1）

由此可得喷油的质量流量qm=6.73kg/s，所获喷油的质量流量是根据理论公式计算而得，即假设喷油螺杆压缩机不向外界散失热量，同时排气与排油温度相等，但实际上空压机必然向外界散热而油气之间也存在换热温差。测算得出实际的喷油量约为理论容积流量的110%，则可得喷油的实际容积流量为7.403kg/s。因此，每台压缩机可回收余热约208.63kW，即每天可回收热量18025.63MJ。

2.2 改造方案

澡堂每天热水最大需热量为33697.3MJ，而每台空压机可提供余热量为18025.63MJ，因此对2台空压机进行余热利用改造，可以满足热水需求。

系统结构如下图2所示：

图2 系统结构图

空压机内部改造如下图3所示：

图3 空压机内部改造图

由图3可知，空压机余热回收的改造是通过在原有油路管道中接入板式换热器来实现的；同时，为了提高安全系数，保留原有冷却系统，使空压机余热回收系统与原有冷却系统串联。经油气分离后，高温气直接通往余热回收系统中的板式换热器ERG，高温油则经温度感应器检测其温度：若高温油温度低于76℃，则不用进行热交换，直接通过过滤器通往油路循环系统，若高温油温度高于76℃，则需进行热交换后再进入油路循环系统。

当保温水箱热水温度低于设定值时（一般设定为60℃），关闭油管三通阀与原有油冷却系统进口联通的阀门b和d，使高温油通过板式换热器ERG与自来水换热，以回收空压机余热；当保温水箱热水温度超过设定值时，关闭油管三通电磁阀与板式换热器联通的阀门c和d，打开阀门a和b，使热油通过空压机油冷却系统冷却，以保证空压机的效率；当保温水箱的水位超过设定值时，关闭三通电磁阀与板式换热器联通的阀门a和b，高温油通过原有油冷却系统冷却。

2.3 主要设备选型

板式换热器2台：SS304不锈钢可拆卸式板式换热器；

循环水泵2台：4kW立式不锈钢多级离心泵2台（一用一备）；

保溫水箱1个：100t（循环缓冲水仓）；

电气控制箱1个：核心器件为西门子S7-300控制系统；

除以上主要配置外系统还配有相应阀门、仪表及保温管道，项目投资额为52万元，明细如下：

板式换热器：12×2=24万元

循环水泵：2.09×2=4.18万元

保温水箱：0.09×100=9万元

电器控制箱：1×2=2万元

配套设备及施工：12.82万元

3 节能效益分析

项目改造完成后，经12个月（2011年8月～2012年8月）的观察发现，热回收系统运行良好，不影响压缩机正常工作，具有很好的经济社会效益。

每年节约费用为：166.95-52=114.95万元。

空压机系统存在的大量电能转化为热量，从而造成能源浪费的现象，是可以通过全面的系统解决方案来消除和弥补的。结合热回收系统对原有的空气压缩系统进行改造，既可以解决空压机冷却散热的难题，又可以充分利用废热，减少常规燃料的消耗量，具有良好的经济和社会效益。

该项目的应用不仅为煤矿企业提供一种可借鉴的成熟方案，也为空压机热能回收在其他工业上的节能技改提供了可借鉴的途径。

【参考文献】

[1]岑曦.空气压缩机热能回收系统的开发[D].上海：上海交通大学，2010.

[2]郑永星.喷油式螺杆压缩机的选用与能耗[J].设备管理与维修，2000（04）.

[责任编辑：王迎迎]

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