空壓機(jī)能量回收技術(shù)應(yīng)用研究

熊根生

（蘇州生益科技有限公司，江蘇 蘇州 215024）

1 引言

在現(xiàn)代化工廠中，空壓機(jī)是主要輔助設(shè)備之一，也是能耗大戶如：月產(chǎn)100萬(wàn)張覆銅板的工廠，空壓機(jī)的耗電量在35萬(wàn)度/月，電費(fèi)25萬(wàn)元/月。真正轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的能量只有30%左右，其余電能全部轉(zhuǎn)化成熱能浪費(fèi)掉，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”污染。然而節(jié)能減排、低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)空壓機(jī)的原理分析，空壓機(jī)大量電能轉(zhuǎn)化成熱能由冷卻油及壓縮空氣帶走，現(xiàn)有技術(shù)的冷卻方式是自然風(fēng)加抽風(fēng)機(jī)，冷卻后的風(fēng)直排入大氣，造成能量的大量浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)設(shè)備的冷卻效果并不佳，如：冷卻油溫度不能很好的控制在合理范圍、壓縮空氣冷卻出口溫度依然達(dá)到50 ℃左右，造成壓縮空氣除濕效果差、冷卻器瓷片容易堵塞等，通過(guò)新型工藝技術(shù)改進(jìn)，將風(fēng)冷改為水冷，實(shí)現(xiàn)75%以上的熱能回收利用，同時(shí)有效解決現(xiàn)有技術(shù)瓶頸提升空壓機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低空壓機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。

2 工業(yè)空壓機(jī)的基本原理及目前技術(shù)瓶頸

從以上空壓機(jī)的原理示意圖可以看出：空壓機(jī)主要包括壓縮機(jī)頭馬達(dá)、壓縮機(jī)頭、進(jìn)風(fēng)過(guò)濾器、油氣分離器、油冷卻器、壓縮空氣冷卻器、冷卻抽風(fēng)系統(tǒng)、壓縮空氣除濕過(guò)濾及儲(chǔ)氣罐等。在電能的作用下壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，一部分電能轉(zhuǎn)化成壓縮空氣動(dòng)能，大部份能量以熱能的形式轉(zhuǎn)移給冷卻油及壓縮空氣。

油氣分離器出口的油溫可以達(dá)到90 ℃ ～ 95 ℃，需要進(jìn)行冷卻降溫到50 ℃ ～ 60 ℃左右，如果油溫?zé)o法降下將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)頭及潤(rùn)滑油的使用壽命，油氣分離器壓縮空氣出口的溫度高達(dá)70 ℃，經(jīng)過(guò)空氣冷卻器冷卻后溫度依然達(dá)到50 ℃ ～ 60 ℃左右，理論上壓縮空氣冷卻效果越低越好，可以有效減緩除濕機(jī)的負(fù)荷，并有效杜絕壓縮空氣中冷凝水的產(chǎn)生，減少車(chē)間因壓縮空氣有水導(dǎo)致氣動(dòng)元件的損壞故障。從原理圖上可以看出，油、壓縮空氣冷卻原理是抽風(fēng)機(jī)抽自然風(fēng)（大氣）冷卻，熱交換后的自然風(fēng)又排入大氣，冷卻器的瓷片極易被空氣粉塵堵塞影響冷卻效果。

從以上分析簡(jiǎn)要可以得出目前空壓機(jī)的技術(shù)缺陷：用抽風(fēng)機(jī)耗能冷卻、交換的熱量直接排入大氣，不僅浪費(fèi)而且還污染環(huán)境、不但冷卻效果不佳，也制約壓縮空氣質(zhì)量及影響設(shè)備運(yùn)行性能等。

圖1 空壓機(jī)原理示意圖

3 空壓機(jī)能量回收關(guān)鍵點(diǎn)及能量回收計(jì)算

通過(guò)對(duì)工業(yè)空壓機(jī)原理及目前的技術(shù)缺陷基本分析，可以確定油氣分離器出口的高溫油及高溫壓縮空氣是熱能回收的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

以一臺(tái)75 kw的空壓機(jī)為例進(jìn)行能量計(jì)算，產(chǎn)生壓縮空氣的能力720 m3/h

（1）高溫油95℃左右降到55 ℃左右，溫差在40 ℃左右

能量回收技術(shù)參數(shù)：

①壓頭冷卻油量為35 L左右，約28 kg左右，流速按28 kg/min即1680 kg/h

②油冷卻前T1＝95 ℃ 回收冷卻后T2＝55 ℃ 則△T＝40℃

③油比熱取C＝0.63 Kcal/℃/kg

冷卻油熱量回收Q1＝CM(t2－t1)＝0.63 Kcal/℃/kg×1680 kg×40 ℃＝42336 Kcal/h

（2）高溫壓縮空氣70 ℃左右降到20 ℃左右，溫差近50 ℃

能量回收技術(shù)參數(shù)：

①720立方米/小時(shí)壓縮空氣

②高溫空氣冷卻前T1＝70 ℃

回收冷卻后T2＝20℃ △T＝20℃

③空氣比熱為C＝0.34 Kcal/m3/℃

回收熱量為Q2＝720 m3/h×(70－20)℃×0.34 Kcal/m3/℃＝12240 Kcal/h

（3）抽風(fēng)冷卻風(fēng)機(jī)3 kW

1 Kwh＝3.6×106 J（焦耳）

1 Kcal＝4.18 KJ 即：1 Kwh＝(3.6×103)/4.18＝862 Kcal

每小時(shí)抽風(fēng)機(jī)能量浪費(fèi)Q3＝3×862＝2478 Kcal/h空壓機(jī)產(chǎn)生的無(wú)價(jià)值能耗為：

Q＝Q1＋Q2＋Q3＝57054 Kcal/h

即相當(dāng)于 66 kW的功率無(wú)價(jià)值消耗。因此理論上可回收功率為：66÷75＝88.25%

如果按照柴油的熱燃值為10 000 Kcal/kg，一臺(tái)75 kW空壓機(jī)消耗無(wú)價(jià)值能源為：5.7 kg/h。如果一個(gè)月產(chǎn)能100萬(wàn)張板的CCL工廠，耗氣大概6臺(tái)75 kW的空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行即相當(dāng)于每小時(shí)消耗的無(wú)價(jià)值能源為：6×5.7＝34.2 kg/h，油價(jià)按6元/kg，該廠理論可以回收能耗成本＝34.2×24×30×12×6＝178萬(wàn)元/年。

4 利用水交換實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)浪費(fèi)的熱量進(jìn)行回收

用水進(jìn)行熱量回收的計(jì)算：

1 t水溫升1 ℃的能量計(jì)算：Q＝CM△T＝1000 Kcal按照理論推算空壓機(jī)可回收利用的熱量大概是空壓機(jī)總功率的88%左右?？紤]實(shí)際交換過(guò)程中的能量損耗，取空壓機(jī)額定功率的75%作為能量可回收的系數(shù)，根據(jù)以上的計(jì)算關(guān)系可以得出以下回收熱量與產(chǎn)生熱水之間的關(guān)系換算表1。

由此可見(jiàn)空壓機(jī)熱量回收運(yùn)行成本極低，值得廣泛推廣。產(chǎn)生的熱水可以用于公司員工日常生活用水、生產(chǎn)設(shè)備消耗熱水、設(shè)備熱交換如：空調(diào)除濕、冬季車(chē)間辦公樓取暖等，交換后的回水（低

表1 回收熱量產(chǎn)生熱水量換算關(guān)系表

5 空壓機(jī)熱量回收新型工藝技術(shù)

（1）新型熱量回收技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

從以上熱量回收新型工藝流程可以看出，重大的技術(shù)突破點(diǎn)：

①風(fēng)冷改由水冷、瓷片式交換器改用板式交換器。

②冷卻水先經(jīng)過(guò)“壓縮空氣板式交換器”進(jìn)行熱交換器，再經(jīng)過(guò)油冷卻交換器進(jìn)行二次交換。

③取消抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，有效防止瓷片交換器頻繁堵塞的問(wèn)題。

④油溫及壓縮空氣的熱量回收，大大降低碳的排放量，節(jié)能環(huán)保同時(shí)提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

最大限度的降低壓縮空氣的溫度進(jìn)而減少壓縮空氣中的水分，其次在能量回收的情況下有效確保冷卻油的溫度控制50 ℃左右，以防止油溫交換過(guò)低帶來(lái)的負(fù)面影響。

圖2 空壓機(jī)熱量回收新型工藝流程

圖3

（2）空壓機(jī)熱水成本分析圖（加熱1噸水溫升40 ℃運(yùn)行費(fèi)用比較）溫）可以重新回到到循環(huán)水箱進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)理念。

6 總語(yǔ)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，節(jié)能、環(huán)保、低碳將是全人類(lèi)追求的永恒主題，更是企業(yè)參與全球競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)有力手段之一?？諌簷C(jī)的節(jié)能空間巨大，如果利用新型的能量回收工藝技術(shù)將大大降低企業(yè)的能源消耗，真正意義上實(shí)現(xiàn)低碳減排，更好的承擔(dān)一份社會(huì)責(zé)任。

[1]阿特拉斯空壓機(jī)說(shuō)明書(shū).