煤礦空壓機(jī)余熱回收及綜合利用技術(shù)研究

向艷蕾，楊 允

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300467)

0 引 言

我國(guó)煤炭企業(yè)規(guī)模龐大，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也是重點(diǎn)能耗企業(yè)[1-3]，除了常年電力、洗浴水、衣物烘干需求外，在冬季還有建筑采暖、井筒防凍的需求，在夏季還有建筑空調(diào)、井下降溫的需求[4,5]。目前，煤礦用熱大多通過(guò)鍋爐來(lái)滿足，而燃煤鍋爐存在熱效率低、污染物排放量大、能源浪費(fèi)等問(wèn)題[6]，燃?xì)忮仩t存在氮氧化物排放高、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。電鍋爐雖運(yùn)行相對(duì)安全，但應(yīng)用受煤礦電容量限制，且運(yùn)行費(fèi)用也較高[7]。

煤礦余熱資源豐富，具有種類多、體量大、品位低、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可利用余熱種類包括回風(fēng)、礦井水、設(shè)備冷卻水、空壓機(jī)潤(rùn)滑油、瓦斯發(fā)電機(jī)排煙及缸套冷卻水等[6,8]，為煤礦能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有利條件。

空壓機(jī)是煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。對(duì)于大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)，空壓機(jī)的能源消耗占全部生產(chǎn)設(shè)備能源消耗的10%～35%。空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，約80%～93%的電能轉(zhuǎn)化成熱能。此熱量通常以風(fēng)冷或水冷的形式排放到大氣環(huán)境中，不僅造成了能源的浪費(fèi)，也易造成環(huán)境的熱污染[9,10]。目前，諸多學(xué)者已開(kāi)展了空壓機(jī)余熱利用技術(shù)的研究，但存在以下3個(gè)問(wèn)題：缺乏理論分析，對(duì)空壓機(jī)工作過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理不清楚，導(dǎo)致熱回收機(jī)組選型不合適，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)一般由兩級(jí)板式換熱器組成[11-14]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電耗高、換熱效率低，另外，煤礦水質(zhì)硬度高也易導(dǎo)致二級(jí)板式換熱器結(jié)垢，嚴(yán)重影響換熱效率和熱水制備時(shí)間；余熱利用方式單一，一般只考慮利用空壓機(jī)余熱制取洗浴水，未考慮解決其它用熱需求，對(duì)于補(bǔ)充、保障熱源大多選用傳統(tǒng)鍋爐技術(shù)，鮮少選用可再生能源利用技術(shù)。

針對(duì)以上問(wèn)題，依據(jù)“余熱資源優(yōu)先、清潔能源輔助”的原則，以節(jié)能、減排、經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向，綜合考慮煤礦整體用能需求，開(kāi)展了空壓機(jī)余熱回收技術(shù)及綜合利用系統(tǒng)研究。隨后，以山西晉城市某煤礦為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行案例研究，以驗(yàn)證技術(shù)的有效性和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排效果。

1 空壓機(jī)余熱回收機(jī)理

1.1 空壓機(jī)工作原理

空壓機(jī)種類很多，其中水冷噴油螺桿空壓機(jī)在煤礦應(yīng)用最為廣泛，筆者即針對(duì)此類空壓機(jī)開(kāi)展相關(guān)研究。噴油螺桿空壓機(jī)主要由空氣濾清器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)體、油氣分離器、溫控器、油過(guò)濾器、油冷卻器、空氣冷卻器等部分組成。其中，機(jī)體由兩根互相嚙合的帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子(陰轉(zhuǎn)子和陽(yáng)轉(zhuǎn)子)構(gòu)成，陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與電動(dòng)機(jī)連接。

噴油螺桿空壓機(jī)工作流程如圖1所示?？諌簷C(jī)周圍的空氣經(jīng)濾清器過(guò)濾后被吸入到機(jī)體內(nèi)，機(jī)體內(nèi)的陽(yáng)轉(zhuǎn)子在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子跟著作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)周期性地改變每對(duì)齒槽間的容積來(lái)完成吸氣、壓縮、排氣過(guò)程。與此同時(shí)，往機(jī)體內(nèi)持續(xù)噴油，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻，由此產(chǎn)生由潤(rùn)滑油和壓縮空氣組成的高溫高壓油氣混合物。油氣混合物溫度通常在80 ℃～100 ℃之間，如果熱量不及時(shí)排走，潤(rùn)滑油會(huì)受熱乳化失去潤(rùn)滑作用，造成空壓機(jī)內(nèi)部溫度急劇升高而停機(jī)，更嚴(yán)重時(shí)潤(rùn)滑油會(huì)碳化，導(dǎo)致陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子無(wú)法被潤(rùn)滑而磨損。油氣混合物從機(jī)體內(nèi)流出后經(jīng)止回閥進(jìn)入到油氣分離器筒內(nèi)進(jìn)行油、氣分離。分離出的潤(rùn)滑油進(jìn)入油冷卻器內(nèi)冷卻，將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水，最后通過(guò)冷卻塔散發(fā)到大氣中。冷卻后的潤(rùn)滑油進(jìn)入油過(guò)濾器過(guò)濾后，再回到機(jī)體內(nèi)被循環(huán)使用。當(dāng)油氣分離器內(nèi)的空氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力維持閥開(kāi)啟，壓縮空氣進(jìn)入空氣冷卻器冷卻。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)冷凝液分離器分離后，再經(jīng)排氣裝置排出，最后通過(guò)管道送入井下使用。

空壓機(jī)理論壓氣過(guò)程中機(jī)體齒槽間的容積變化與空氣壓力變化曲線如圖2所示。圖中4-1和2-3是空氣質(zhì)量遷移過(guò)程，熱力狀態(tài)不發(fā)生變化；1-2為壓縮過(guò)程，空氣熱力狀態(tài)發(fā)生改變，具體如下：4-1為吸氣過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到與吸氣口相通時(shí)，開(kāi)始進(jìn)氣，隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒槽間容積不斷增大，氣體不斷進(jìn)入，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至吸氣溝槽封住吸氣口時(shí)吸氣過(guò)程結(jié)束，齒槽間容積達(dá)到最大值；1-2為壓縮過(guò)程，溝槽的密封面逐漸向排氣口移動(dòng)，齒間容積不斷減小，被密封在齒槽間的氣體所占據(jù)的體積也不斷減小，導(dǎo)致壓力升高，一直持續(xù)到齒槽間容積與排氣孔口相通為止，壓縮過(guò)程結(jié)束；2-3為排氣過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到齒槽間容積與排氣口相通時(shí)，開(kāi)始排氣，隨著齒槽間容積的不斷縮小，壓縮空氣逐漸通過(guò)排氣口排出，當(dāng)齒槽間容積變?yōu)?時(shí)壓縮空氣被完全排出，排氣過(guò)程結(jié)束。

除了機(jī)械摩擦損耗外，電動(dòng)機(jī)所耗電能全部轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械能(也叫軸功)，即：

W=Ws+Qds

(1)

其中,W為電動(dòng)機(jī)的功率，kW；Ws為實(shí)際壓縮過(guò)程所需軸功，kW；Qds為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損耗熱量，kW。

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損失用機(jī)械效率來(lái)表示，即

Qds=W(1-ηD)

(2)

其中，ηD為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率。

將空氣視為理想氣體并將壓縮過(guò)程視為可逆過(guò)程，壓縮過(guò)程空氣熱力參數(shù)變化情況如圖3所示。

圖3 3種壓縮過(guò)程的p-V和T-s圖

圖中1-2s和1-2T為兩種極端情況：前者為等熵壓縮過(guò)程，過(guò)程極快，熱能來(lái)不及傳給外界，軸功全部用于增加空氣的焓；后者為等溫壓縮過(guò)程，過(guò)程極慢，由軸功轉(zhuǎn)化而來(lái)的熱能全部向外界放出，空氣溫度保持不變。實(shí)際上，理論壓縮過(guò)程介于兩種極端情況之間，如圖中1-2n所示，即壓縮過(guò)程所耗軸功一部分用于增加氣體的焓，一部分轉(zhuǎn)化為熱能向外界放出。鑒于吸氣口和排氣口高度差與空氣流速差均很小，忽略空氣重力位能和宏觀動(dòng)能的變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律，理論壓縮過(guò)程軸功為[15]：

(3)

其中,W′s為理論壓縮過(guò)程所需軸功，kW；m為空氣質(zhì)量流量，kg/s；h2為壓縮過(guò)程終了空氣的焓，kJ/kg；h1為壓縮過(guò)程初始空氣的焓，kJ/kg；Qs為壓縮過(guò)程向外界放出的熱能，kW；0.287為空氣的氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；n為多變指數(shù)；T1為壓縮過(guò)程初始空壓的溫度，K；T2為壓縮過(guò)程終了空氣的溫度，K。

在實(shí)際運(yùn)行中，為了減少軸功并增加運(yùn)行可靠性，壓縮過(guò)程都盡可能采用冷卻措施，力求接近定溫壓縮。但由于擾動(dòng)、摩擦等不可逆因素的存在，實(shí)際壓縮過(guò)程比理論壓縮過(guò)程所需軸功要多，即：

Ws=W′s/ηT

(4)

其中，ηT為空壓機(jī)的定溫效率。

1.2 空壓機(jī)余熱回收原理

空壓機(jī)可回收利用的熱量包括三部分：① 空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量；② 油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量；③ 空氣冷卻器內(nèi)濕空氣中水蒸氣冷凝放出的熱量。其中，油冷卻器內(nèi)高溫潤(rùn)滑油散出的熱量占比最高，占空壓機(jī)輸入功率的70%～75%[16]。因此，噴油螺桿式空壓機(jī)最經(jīng)濟(jì)的熱量回收方法是在油氣分離器后加裝熱回收機(jī)組，回收高溫潤(rùn)滑油中的熱量用于加熱循環(huán)水，如圖4所示。為提高安全系數(shù)，將熱回收機(jī)組與原冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。潤(rùn)滑油在熱回收機(jī)組內(nèi)冷卻降溫后進(jìn)入溫控器利用感溫元件檢測(cè)油溫，如果油溫高于設(shè)定值，潤(rùn)滑油應(yīng)先進(jìn)入油冷卻器進(jìn)一步冷卻降溫，然后再進(jìn)入油過(guò)濾器經(jīng)過(guò)濾后再通往機(jī)體；如果油溫低于設(shè)定值，潤(rùn)滑油無(wú)需進(jìn)一步冷卻，直接進(jìn)入油過(guò)濾器經(jīng)過(guò)濾后通往機(jī)體。

圖4 噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收工作流程圖

2 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)

2.1 高效防垢換熱技術(shù)

為簡(jiǎn)化空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并解決二級(jí)板式換熱器的結(jié)垢問(wèn)題，提出了1種高效防垢換熱器，該換熱器兼具換熱和蓄能功能，結(jié)構(gòu)如圖5所示。換熱通過(guò)盤管實(shí)現(xiàn)，熱量由管內(nèi)熱流體通過(guò)盤管固體壁面?zhèn)鲗?dǎo)給管外冷流體。蓄能通過(guò)自來(lái)水箱實(shí)現(xiàn)，水箱外部采用聚氨酯泡沫保溫。

圖5 高效防垢換熱器結(jié)構(gòu)圖

盤管均勻安裝在自來(lái)水箱內(nèi)，管內(nèi)介質(zhì)為軟化水，管外介質(zhì)為自來(lái)水，通過(guò)一級(jí)分水器、二級(jí)分水器的均勻分配，保證進(jìn)入每一個(gè)盤管的循環(huán)水流量近似相等，實(shí)現(xiàn)對(duì)自來(lái)水箱內(nèi)自來(lái)水均勻加熱，保證自來(lái)水溫度的均勻性。盤管材質(zhì)為不銹鋼管，外形為圓形螺旋狀，可有效增加單位體積內(nèi)的換熱面積；另外彎曲的螺旋通道有利于增強(qiáng)流體的湍流狀態(tài)，減小通道內(nèi)流體阻力，有助于提高換熱效率。

換熱器內(nèi)的盤管采用螺旋狀圓管，彎曲的螺旋通道有利于增強(qiáng)管內(nèi)的湍流狀態(tài)，引起管道的振動(dòng)，從而加速管道表面水垢的脫落。另外，水垢與不銹鋼管的膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，水垢與不銹鋼管膨脹或收縮量不同，形成的剪切應(yīng)力可使水垢從盤管上脫離。水垢與不銹鋼的線膨脹系數(shù)、管內(nèi)外介質(zhì)溫度見(jiàn)表1。脫落的水垢通過(guò)排污管道排出。

表1 不銹鋼管與水垢參數(shù)表

自來(lái)水補(bǔ)水管道設(shè)置在自來(lái)水箱的上部，利用冷、熱水的密度差，可實(shí)現(xiàn)冷自來(lái)水自然下沉，熱自來(lái)水自然上浮，進(jìn)一步增加了自來(lái)水的擾動(dòng)，提高了盤管的換熱效率。

2.2 空壓機(jī)余熱綜合利用技術(shù)

綜合考慮煤礦洗浴水制取、建筑采暖、吊籃衣物烘干等用熱需求以及吊籃除濕、建筑制冷等用冷需求，提出了1種空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)，流程如圖6所示。

圖6 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)主要由熱回收機(jī)組、空氣源熱泵、高效防垢換熱器和新風(fēng)機(jī)組構(gòu)成。利用熱回收機(jī)組回收空壓機(jī)潤(rùn)滑油熱量來(lái)制取45 ℃～60 ℃循環(huán)水，一部分通入高效防垢換熱器加熱自來(lái)水，制取40 ℃～45 ℃熱水供職工洗??；一部分通入新風(fēng)機(jī)組加熱新風(fēng)，制取40 ℃左右新風(fēng)，利用風(fēng)道通入吊籃區(qū)域來(lái)烘干職工衣物；剩余部分作為采暖水用于建筑采暖。空氣源熱泵以電力為驅(qū)動(dòng)能源，制熱時(shí)以大氣為低溫?zé)嵩粗迫?5 ℃～60 ℃循環(huán)水，用作補(bǔ)充、備用熱源；制冷時(shí)以大氣為熱匯制取7 ℃冷凍水，用于建筑空調(diào)或吊籃除濕。

圖7為空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖?？諝庠礋岜?、空壓機(jī)、熱回收機(jī)組等構(gòu)成了熱源子系統(tǒng)；高效防垢換熱器、熱水箱、自來(lái)水箱、熱電偶、電纜浮球、電磁閥、溫控比例調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成了洗浴水子系統(tǒng)；初效過(guò)濾器、抽風(fēng)機(jī)、回風(fēng)熱回收器、表冷器、送風(fēng)機(jī)等組成了新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組與新風(fēng)道、回風(fēng)道等構(gòu)成了吊籃烘干子系統(tǒng)；采暖/制冷循環(huán)水泵與供、回水管道等構(gòu)成了采暖/制冷子系統(tǒng)。

圖7 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

該系統(tǒng)不需消耗天然氣、煤炭等一次能源，只需消耗少量電能，無(wú)直接污染物排放，具有自動(dòng)化程度高、洗浴水溫度恒定可控、換熱高效防垢、衣物干燥效果好等優(yōu)勢(shì)，具體工作原理如下：

(1)在熱水箱頂部設(shè)置熱電偶，并將其電線路與洗浴循環(huán)水泵串聯(lián)，通過(guò)熱水箱內(nèi)水溫的高低控制循環(huán)水泵的啟停，將熱水箱內(nèi)水溫控制在45℃～50℃。在洗浴水供水管道前端設(shè)置溫控比例調(diào)節(jié)閥，控制熱水箱內(nèi)熱水與自來(lái)水箱內(nèi)常溫水的混合比例，將洗浴水供水溫度維持在恒定值。

(2)在自來(lái)水箱和熱水箱頂部設(shè)置電纜浮球，并在兩水箱補(bǔ)水管道上設(shè)置電磁閥，同時(shí)將電纜浮球的電線路與電磁閥進(jìn)行串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)兩水箱的自動(dòng)補(bǔ)水，并將兩水箱水位控制在一定范圍內(nèi)。

(3)新風(fēng)在新風(fēng)機(jī)組內(nèi)依次被回風(fēng)、熱源循環(huán)水加熱；然后，由新風(fēng)管道均勻通入吊籃區(qū)域內(nèi)，充滿整個(gè)空間，對(duì)潮濕衣物實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角烘干；最后，回風(fēng)由回風(fēng)管道收集，在新風(fēng)機(jī)組內(nèi)與新風(fēng)交換熱量后排入大氣。

3 案例研究

以山西省晉城市某煤礦為應(yīng)用對(duì)象，該煤礦有4臺(tái)功率為375 kW的水冷噴油螺桿空壓機(jī)，兩用兩備，全年平均運(yùn)行負(fù)荷率為80%，每臺(tái)空壓機(jī)油冷卻器內(nèi)高溫潤(rùn)滑油冷卻散出的熱量占空壓機(jī)電功率的74%。采用上述空壓機(jī)余熱綜合利用技術(shù)，替換原有4 t/h燃煤鍋爐，完成全年350 t/d洗浴熱水制取及2 824 m2浴室采暖，并利用新風(fēng)機(jī)組，制取12 000 m3/h熱風(fēng)來(lái)烘干3 500個(gè)吊籃。

該案例2018年5月22日開(kāi)工建設(shè)，8月22日全部建成投產(chǎn)，初投資為392萬(wàn)元。空氣源熱泵、新風(fēng)機(jī)組、熱回收機(jī)組、高效防垢換熱器安裝臺(tái)數(shù)和容量見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用案例主要設(shè)備配置情況

截至2020年10月22日，案例已穩(wěn)定運(yùn)行一年零兩個(gè)月，每年運(yùn)行費(fèi)用98萬(wàn)，與原燃煤鍋爐方案相比，在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，具體如下：① 初投資增加326萬(wàn)元，但運(yùn)行費(fèi)用每年節(jié)省363.1萬(wàn)元(煤價(jià)按700元/t計(jì)算)，增加的初投資在1年內(nèi)可收回；② 充分利用空壓機(jī)潤(rùn)滑油中的余熱，僅需消耗少量電能，不需消耗天然氣、煤炭等一次能源，每年節(jié)省4 758 t標(biāo)準(zhǔn)煤；③ 無(wú)直接污染物排放，按1 t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.62 tCO2、8.5 kg SO2、7.4 kgNOx計(jì)算，每年CO2減排12 466 t、SO2減排40 t、NOx減排35 t。

4 結(jié) 論

基于空壓機(jī)余熱回收機(jī)理，綜合考慮煤礦整體用能需求，提出了1種空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用空氣源熱泵為補(bǔ)充、備用熱源，利用可再生的空氣熱能，能夠最大限度減少對(duì)化石能源以及電能的依賴。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了1種兼具換熱和蓄熱功能的高效防垢換熱技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可有效解決因煤礦水硬度高引發(fā)的板式換熱器結(jié)垢問(wèn)題。

將提出的空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)應(yīng)用于山西省晉城市某煤礦，結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性，同時(shí)表明因充分利用余熱、可再生能源，余熱綜合利用系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與燃煤鍋爐相比，系統(tǒng)初投資增加326萬(wàn)元，但運(yùn)行費(fèi)用每年節(jié)省363.1萬(wàn)元，系統(tǒng)增加的初投資在一年內(nèi)可收回；每年可節(jié)省4 758 t標(biāo)準(zhǔn)煤；每年CO2、SO2、NOx的減排量分別達(dá)到12 466 t、40 t和35 t。