馬道頭選煤廠螺桿空壓機余熱回收利用方案探索

段旭東，同秀林

(1.大同煤礦集團 馬道頭煤業(yè)公司，山西 大同 037101；2.唐山德安科技有限公司，河北 唐山 063000)

馬道頭煤業(yè)公司選煤廠(以下簡稱“馬道頭選煤廠”)是與礦井同工業(yè)場區(qū)布置的礦井型動力煤選煤廠，設計規(guī)模為20.00 Mt/a，處理能力為60 606.06 t/d。馬道頭選煤廠主廠房布置有一個空壓機機房，配備13臺風冷式螺桿空壓機(單機工作壓力為0.75 MPa，滿載功率為250 kW)，為車間內的加壓過濾機、壓濾機、介質桶等提供冷風。螺桿空壓機是整個選煤廠的能耗大戶，其能耗占總能耗的15%。螺桿空壓機的能耗除少部分轉化為機械能外，大部分轉化為熱能，被空氣帶走。目前，這部分熱能不能產生任何效益，而且夏季還要配備相關裝置為螺桿空壓機降溫，導致選煤廠運行成本進一步增加。

為了加強應對全球氣候變化，我國政府要求2020年單位工業(yè)增加值二氧化碳排放量比2015年下降22%。這給工礦企業(yè)帶來巨大的轉型壓力，高能耗企業(yè)將被加速關停或被高成本逼停。在這種大背景下，將螺桿空壓機的余熱回收利用[1]，不但可以產生一定的經濟效益，而且能夠帶來一定的社會效益和環(huán)境效益。為此，參照我國燃煤電廠余熱回收利用的成功案例，探索螺桿空壓機余熱回收利用方案。

1 余熱體量測算

通過產品平衡表得知，馬道頭選煤廠<0.25 mm粒級煤泥量占原煤入選量的7.66%，而這部分煤泥需要通過加壓過濾機、壓濾機等設備處理。該選煤廠每年有1.532 Mt煤泥需要處理，需要13臺螺桿空壓機工作365 d，日均運行時間為19 h。通常螺桿空壓機的卸載功率是滿載功率的50%左右，卸載能耗是滿載能耗的15%～20%[2]，折算后螺桿空壓機每日的滿載運行時間為15.80 h。因此，單臺螺桿空壓機每天的能耗為4 350 kW·h，13臺螺桿空壓機每天的總能耗為56 550 kW·h。

一般情況下，螺桿空壓機能耗中的20%轉化為壓縮空氣的機械能和電機的熱能等，其他80%轉化為暫時沒有回收的熱能，逸散在空氣之中。這80%熱能中除2%的輻射熱能外[3-4]，其他熱能皆為可回收熱能(余熱)。通過計算可知：余熱體量為44 109 kW·h，十分可觀。如果將其合理回收利用，則可以產生一定的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

2 余熱回收利用方案

2.1 方案選擇原則

螺桿空壓機余熱回收利用有著良好的效益，選擇方案的前提是必須保證螺桿空壓機正常運行，且不能影響對其進行維護和保養(yǎng)。在設備選型方面，優(yōu)先選擇成熟的余熱回收利用設備，在集中控制[5]、管道布置等方面，必須結合現場實際情況，將余熱回收利用系統(tǒng)對原生產系統(tǒng)的影響降到最低[6]。

2.2 余熱回收方案

依據方案選擇原則，借鑒我國燃煤電廠余熱回收利用的成功案例，選擇合適的余熱回收系統(tǒng)來回收螺桿空壓機的余熱。一般情況下，常用余熱回收設備的熱能回收效率在50%左右，冷水進入余熱回收系統(tǒng)后，可以直接加熱到52～75 ℃之間，此時螺桿空壓機的排氣溫度可以控制在85～89 ℃之間，能夠保證螺桿空壓機處于最佳運行狀態(tài)[7]。余熱回收設備的出水溫度可以根據具體需要設定，即根據用水端的水池溫度、水位實現自動調控[8]。

由于在螺桿空壓機系統(tǒng)中加設了熱能回收器，螺桿空壓機散熱加快，夏季空壓機房幾乎不需要其他冷卻裝置輔助潤滑油降溫，使冷干機負荷大大降低，冷干機的濾芯更換頻率、氟利昂添加數量大為減少，除水、除油效果大為改善[9]。

2.3 余熱利用方案

由于馬道頭選煤廠屬于礦井型選煤廠，礦區(qū)內有大量下井員工，每天約有1 100人需要洗浴。據統(tǒng)計，每天的熱水(溫度為50℃)平均用量為120 t。將120 t水溫為15 ℃的自來水加熱到50 ℃需要的熱能約為500 kW·h。根據理論測算，余熱體量為44 109 kW·h，考慮到余熱回收設備的熱能回收效率在50%左右，實際可利用余熱為22 054.50 kW·h，完全滿足職工浴室洗浴用水加熱的需求。因此，將螺桿空壓機余熱回收后作為職工浴室洗浴熱水熱源的方案可行，但還有大量余熱未被有效利用。

根據大量余熱未被有效利用的情況，結合礦區(qū)的采暖需要，將其作為冬季鍋爐輔助加熱的熱源。大同地區(qū)的采暖期為每年11月1日至次年4月15日，共計166 d。如將余熱作為冬季鍋爐輔助加熱的熱源，每年可節(jié)約大量燃料(煤炭)。

3 效益評估

3.1 投資與成本

余熱回收系統(tǒng)前期投資約為34萬元，除了自動控制系統(tǒng)和電動閥門耗費少量電能外，其他部分基本不消耗能量。余熱回收系統(tǒng)中的運轉部件只有閥門、壓力表、流量表等，這些部件需要不定期維修和更換，因此需要少量投資[10]。熱能回收器、管道及其他輔助系統(tǒng)幾乎不需要定期更換，后期維護成本較低。

3.2 效益預測

根據余熱利用方案，每天回收的螺桿空壓機余熱為56 550 kW·h，將其作為職工浴室洗浴熱水的熱源，并將未有效利用的余熱作為冬季鍋爐輔助加熱的熱源，這樣鍋爐燃煤量大幅減少。根據職工洗浴要求和冬季取暖需求，每年可節(jié)約熱能4.80×106kW·h，相當于463 t標準煤。因此，螺桿空壓機熱能回收系統(tǒng)運行后，每年可節(jié)約標準煤463 t。按照29.30 MJ/kg標準煤的市場價格800元/t計算，每年可節(jié)省資金37萬元。

在此方案中，取暖期對螺桿空壓機的余熱利用充分，可以實現回收的余熱全部利用；非取暖期對螺桿空壓機的余熱利用不夠充分，每天只能采用部分余熱對洗浴用水進行加熱處理，但也可節(jié)省不少資金。根據初步應用效果，余熱回收系統(tǒng)運行后不影響螺桿空壓機的正常運行，螺桿空壓機的排氣溫度下降明顯。此外，燃煤污染物排放量減少，對環(huán)境的污染減少，也帶來了一定的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

4 結語

在國家去產能的大背景下，工礦企業(yè)必須不斷挖潛堵漏，提升企業(yè)產能效率，加快釋放先進產能。馬道頭選煤廠在借鑒我國燃煤電廠余熱回收利用成功案例的基礎上，對選煤廠螺桿空壓機余熱進行回收利用。在余熱回收利用系統(tǒng)運行初期，系統(tǒng)狀態(tài)良好，前期投資可在一年內全部收回，經濟效益較好，同時產生了一定的社會效益和環(huán)境效益。

壓縮空氣是僅次于電能的第二大動力源，與其他能源相比，有著清潔干凈、傳輸方便、無毒無害、沒有起火危險、適應各種條件、空氣取用方便等優(yōu)點。由于沒有起火危險，加上螺桿空壓機的優(yōu)異性能，其被作為重要氣源已廣泛應用在工礦企業(yè)。各工礦企業(yè)應結合實際情況，合理利用螺桿空壓機余熱，進而降低工礦企業(yè)能耗。