造紙廠空壓機(jī)余熱回收利用的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃萌潔

（廣州造紙集團(tuán)有限公司，廣東廣州，511462）

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一，由于其具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在造紙、鋼鐵、采礦、紡織等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。產(chǎn)生壓縮空氣的空壓機(jī)是通過自身的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能又轉(zhuǎn)化為空氣勢能，提供氣源動(dòng)力[1-3]。在這一過程中，僅有15%的能量轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)工作需要的空氣勢能，剩余85%的能量轉(zhuǎn)化為熱量[4]，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走[5]。這些油氣混合物經(jīng)過分離，分別在各自的冷卻器（油冷卻器和氣冷卻器）中被冷卻介質(zhì)（水或空氣）帶走，導(dǎo)致熱量浪費(fèi)?？諌簷C(jī)運(yùn)行油溫一般可達(dá)80～100℃[6]，空壓機(jī)出口排氣溫度也在80～100℃，利用好這些余熱，是企業(yè)節(jié)能減排的重要工作，可為企業(yè)創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)創(chuàng)造良好的環(huán)境效益[7]。

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理是在不改變空壓機(jī)原有工作狀態(tài)的情況下，將潤滑油路及熱空氣接至機(jī)組外部，采用余熱回收裝置對(duì)高溫潤滑油和熱空氣進(jìn)行熱量交換，將油中及空氣中的熱能傳遞給水，用于生產(chǎn)熱水，實(shí)現(xiàn)熱能的利用[8-9]，如圖1 所示。簡單地說，加入余熱回收系統(tǒng)后，空壓機(jī)從單純的生產(chǎn)壓縮空氣變成既可以生產(chǎn)壓縮空氣又可以生產(chǎn)熱水。

圖1 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目中的造紙廠位于珠江出海口附近，配置了7 臺(tái)壓縮空氣排氣量40 m3的250 kW 雙螺桿式風(fēng)冷壓縮機(jī)。但每年有1/2 時(shí)間均是夏季的廣州，選擇風(fēng)冷空壓機(jī)對(duì)環(huán)境溫度及空氣流向的情況考慮不足，使得該車間在夏季時(shí)空壓機(jī)排氣溫度常年超過100℃，很多時(shí)候甚至接近110℃，容易引起設(shè)備跳停。嘗試了很多方法，但不論增加多少強(qiáng)排風(fēng)裝置作用均很小。另一方面，該車間生產(chǎn)工藝用水溫度約為55℃，因此一年四季補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)的常溫清水均需要用蒸汽加熱至接近該溫度。一邊是空壓機(jī)的超高溫，一邊是溫水系統(tǒng)不斷對(duì)常溫清水加熱，這就使得空壓機(jī)余熱回收在該車間有實(shí)施的條件和必要。

2 余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 回收熱量及加熱水量計(jì)算

按照該造紙生產(chǎn)線設(shè)備配置的需要，7 臺(tái)空壓機(jī)中的6臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)網(wǎng)使用，即通過壓力設(shè)定自動(dòng)啟動(dòng)停止；第7臺(tái)空壓機(jī)由生產(chǎn)工手動(dòng)控制。在正常生產(chǎn)時(shí)，至少有3臺(tái)空壓機(jī)長時(shí)間加載運(yùn)行；若紙幅斷紙需重新引紙時(shí)，或其他大用氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，聯(lián)網(wǎng)的6臺(tái)空壓機(jī)中其余的3臺(tái)空壓機(jī)檢測到壓力低于設(shè)定值自動(dòng)啟動(dòng)；第7 臺(tái)空壓機(jī)作為備用機(jī)，在聯(lián)網(wǎng)的6 臺(tái)空壓機(jī)有故障或者空氣壓力報(bào)警時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)。按照此使用情況，需要給聯(lián)網(wǎng)的6臺(tái)空壓機(jī)均配置余熱回收裝置，并與空壓機(jī)設(shè)置啟動(dòng)聯(lián)鎖，回收的熱量按照3臺(tái)24 h加載運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

改造6臺(tái)250 kW 空壓機(jī)，至少每天3臺(tái)24 h加載運(yùn)行，加載率95%，余熱回收效率70%[10]；溫水系統(tǒng)出水溫度55℃。

1 臺(tái)空壓機(jī)1 h 所提供熱能：Q1=250 kW× 1 臺(tái)×95% × 70% × 1 h=166.25 kWh；1 臺(tái)空壓機(jī)1 h 可利用熱量Q'=166.25 kWh × 3.6 MJ=598.5 MJ（功率與熱量轉(zhuǎn)換1 kWh≈3600 kJ）；3 臺(tái)空壓機(jī)1 h 可利用總熱量Q=598.5 MJ×3臺(tái)=1795.5 MJ，具體如表1所示。

表1 3臺(tái)空壓機(jī)1 h可回收熱量計(jì)算Table 1 Calculation of 1 h recoverable heat of 3 air compressors

以進(jìn)水溫度為20℃，出水溫度為55℃，溫差35℃，水比熱容4.2 kJ/(kg·℃)計(jì)算，理論上3 臺(tái)空壓機(jī)每天利用熱量可產(chǎn)熱水量為O2=1795.5 MJ÷35℃÷4.2 kJ/(kg·℃)×24 h/d=293.143 t/d，如表2所示。

表2 3臺(tái)空壓機(jī)每天可加熱水量計(jì)算Table 2 Calculation of daily heating water volume of 3 air compressors

2.2 余熱回收系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合該造紙生產(chǎn)線的空壓機(jī)實(shí)際配置使用情況，從水質(zhì)、投資、補(bǔ)水量等方面考慮，具體余熱回收系統(tǒng)流程為：6 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)各配置1 套余熱回收裝置，用于回收空壓機(jī)熱油及熱空氣中的熱，然后通過一次熱交換將水加熱，這些熱水作為內(nèi)循環(huán)水由循環(huán)水泵送至生產(chǎn)工藝溫水系統(tǒng)，與溫水系統(tǒng)的常溫清水進(jìn)行二次熱交換，將內(nèi)循環(huán)中的熱水熱能交換給清水，使得清水升溫，內(nèi)循環(huán)中的熱水降溫再送回至余熱回收裝置作為冷水使用。內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)配置一用一備2 臺(tái)熱介質(zhì)循環(huán)水泵及1 個(gè)用于補(bǔ)水和穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力的水箱，余熱回收裝置與空壓機(jī)聯(lián)鎖，空壓機(jī)啟動(dòng)余熱回收裝置啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)配置一套閉式循環(huán)智能控制系統(tǒng)，便于控制。圖2為余熱回收系統(tǒng)流程圖。

圖2 余熱回收系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of waste heat recovery system

此流程設(shè)計(jì)了2 個(gè)水系統(tǒng)，1 個(gè)為與溫水系統(tǒng)相連的水系統(tǒng)，從溫水系統(tǒng)的清水管接入，熱交換加熱后送入溫水系統(tǒng)的熱水池；1 個(gè)為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)，只在一次、二次熱交換器中不斷循環(huán)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：所有的熱交換主要均由內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)來完成，內(nèi)循環(huán)是一個(gè)閉式循環(huán)，水耗小、補(bǔ)水量少，補(bǔ)水由自來水經(jīng)軟化水設(shè)備（超濾過濾器）軟化處理后送入水箱；內(nèi)循環(huán)的水質(zhì)好，那么6套余熱回收裝置中的一次熱交換器、管道材料、循環(huán)泵均不需選用特殊的耐腐蝕材料；而用于二次熱交換兩側(cè)水質(zhì)不同，一側(cè)是內(nèi)循環(huán)水（軟水），一側(cè)是清水（普通水源水），需選用耐腐蝕的鈦板板式熱交換器。整個(gè)流程中只有一處設(shè)備配置需選用耐腐蝕材料，節(jié)約了項(xiàng)目的整體投入。缺點(diǎn)是：進(jìn)行了2次熱交換，熱利用率會(huì)有所降低，熱損耗會(huì)加大。

2.3 余熱回收系統(tǒng)主要設(shè)備配置設(shè)計(jì)

2.3.1余熱回收裝置

每臺(tái)空壓機(jī)各配置1套余熱回收裝置安裝于空壓機(jī)油路上回收熱油熱量，1 套余熱回收裝置安裝于空壓機(jī)排氣口回收熱空氣熱量，余熱回收裝置是主要的熱回收裝置。一般內(nèi)部熱交換器為釬焊式板式熱交換器或者管式熱交換器，各有優(yōu)缺點(diǎn)。板式熱交換器交換效率高、空間小，但板片間距離窄、容易結(jié)垢。釬焊式的板式熱交換器無法拆開清洗，如熱交換器堵塞效率降低，最終只能整臺(tái)更換。管式熱交換器管徑大，不容易結(jié)垢，如果結(jié)垢也可拆開清洗，但交換效率偏低，占地較大。該項(xiàng)目選擇配置了列管式熱交換器的余熱回收裝置，表3、表4分別為油、氣部分余熱回收裝置技術(shù)參數(shù)表。從表3、表4中可以看到，換熱能力、產(chǎn)水量已經(jīng)滿足需求，設(shè)備尺寸不大，從投用后的維護(hù)方面考慮選擇了此種余熱回收裝置。

表3 余熱回收裝置（油部分）技術(shù)參數(shù)表Table 3 Technical parameters of waste heat recovery unit(oil part)

表4 余熱回收裝置（氣部分）技術(shù)參數(shù)表Table 4 Technical parameters of waste heat recovery unit(air part)

2.3.2板式熱交換器

按照流程配置1 臺(tái)板式熱交換器用于內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)與溫水系統(tǒng)的熱交換，為水-水熱交換。介質(zhì)均是水，但水質(zhì)不同，熱側(cè)為軟水水質(zhì)，冷側(cè)為清水（經(jīng)過濾的河水）水質(zhì)，清水可能偶有氯離子含量高時(shí)，因此，材質(zhì)選擇鈦板。由于6 臺(tái)空壓機(jī)可能同時(shí)啟動(dòng)，那么回收的熱量最大值將達(dá)到3591 MJ，是1795.5 MJ 的2 倍，熱交換器需按照最大回收熱量及附加系數(shù)選擇。選擇的板式熱交換器技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 板式熱交換器參數(shù)Table 5 Technical parameters of waste heat recovery unit

2.3.3循環(huán)動(dòng)力設(shè)備

系統(tǒng)中高溫潤滑油循環(huán)利用原設(shè)備內(nèi)高壓分的壓力作為動(dòng)力源，外循環(huán)水系統(tǒng)利用原溫水系統(tǒng)水壓，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)配置一用一備2 臺(tái)7.5 kW 內(nèi)循環(huán)熱水泵。內(nèi)循環(huán)熱水泵技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 內(nèi)循環(huán)熱水泵技術(shù)參數(shù)Table 6 Technical parameters of internal circulation hot water pump

2.3.4管路系統(tǒng)

系統(tǒng)中內(nèi)外循環(huán)水輸送采用不銹鋼管道，外套PVC 保護(hù)管，中間填充聚氨酯發(fā)泡保溫材料。外套PVC保護(hù)管解決了傳統(tǒng)的管道外加保溫棉容易老化的缺點(diǎn)，可在最低程度上減少介質(zhì)在輸送過程中的熱量損失。

2.3.5膨脹水箱

為了補(bǔ)水及穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力，設(shè)計(jì)1 t 水箱，材料為內(nèi)304 外201 不銹鋼，保溫層用聚氨酯發(fā)泡保溫材料。

2.3.6控制系統(tǒng)

余熱回收系統(tǒng)配備控制界面，在線顯示板式熱交換器冷、熱側(cè)進(jìn)、出口水溫，顯示6臺(tái)余熱回收裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并控制水泵順序啟動(dòng)，水泵缺水時(shí)停泵報(bào)警，系統(tǒng)能自動(dòng)定期試運(yùn)行水泵，防止水泵長時(shí)間停止造成粘住，防止電機(jī)超電流、超溫、異常高壓等。

3 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 實(shí)施效果

完成改造后，冬季空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)排氣溫度從原來超過100℃降低至88～90℃，夏季空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)排氣溫度從原來超過105℃降低至92℃，空壓機(jī)故障跳停明顯減少；板式熱交換器冷水側(cè)出口溫度超過50℃，如圖3 所示，基本符合造紙工藝用溫水溫度。

圖3 余熱回收控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Fig.3 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system

從圖3 可以看出，內(nèi)循環(huán)管道壓力為0.27 MPa，循環(huán)熱水泵正常運(yùn)行，循環(huán)水泵基本達(dá)到額定流量50 m3/h，可以認(rèn)為熱側(cè)水量為50 m3/h，S1熱側(cè)進(jìn)出口溫差為：S1-S2=56.1℃-44.3℃=11.8℃，按照系統(tǒng)實(shí)際熱回收效率70%計(jì)算，回收熱量：Q=4.2×103kJ/(kg·℃) ×50 m3/h×11.8℃×70%=1734.6 MJ/h。

板式熱交換器吸熱與散熱量基本相等，S3冷側(cè)進(jìn)出口溫差為：S4-S3=53.7℃-37.0℃=16.7℃，每臺(tái)空壓機(jī)可產(chǎn)工藝溫水量=1734.6 MJ/h÷16.7℃÷4.2×103kJ/(t·℃)=24.73 t/h，3 臺(tái)空壓機(jī)實(shí)際可生產(chǎn)工藝溫水量=24.73 t/h×24 h/d=593.52 t/d。

實(shí)際每天產(chǎn)工藝溫水比理論計(jì)算多，達(dá)到設(shè)計(jì)能力。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

目前正常生產(chǎn)空壓機(jī)開機(jī)數(shù)3臺(tái)，實(shí)際回收熱量為1734.6 MJ/h，轉(zhuǎn)換為功率值為：P1=1734.6 MJ/h÷3.6 MJ/kWh=481.83 kW；正常運(yùn)行時(shí)有1 臺(tái)內(nèi)循環(huán)水泵7.5 kW，3 臺(tái)1.5 kW 熱回收裝置完成熱回收工作，每小時(shí)回收的熱量功率與余熱回收系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行電功率差為：481.83 kW-7.5 kW-3×1.5 kW=469.83 kW；每小時(shí)節(jié)約電能耗：469.83 kW×1 h=469.83 kWh；每天24 h 生產(chǎn)，按照電價(jià)0.6 元/kWh，每日節(jié)約電費(fèi)：469.83 kWh×24 h/d×0.6 元/kWh=6765.55 元/d；扣 除紙機(jī)生產(chǎn)停機(jī)檢修時(shí)間，每月生產(chǎn)28 天，每月節(jié)約電費(fèi)：6765.55 元/d×28 d ÷ 10000=18.94 萬元，如表7所示。

表7 每月節(jié)約電費(fèi)計(jì)算Table 7 Monthly electricity saving calculation

本項(xiàng)目總投資費(fèi)用為93 萬元（包含設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、稅費(fèi)等），每月可節(jié)約電費(fèi)18.94萬元。項(xiàng)目投資靜態(tài)回收期為0.41年。

4 結(jié)語

通過對(duì)造紙廠螺桿式空壓機(jī)余熱回收項(xiàng)目實(shí)際案例分析可見，工業(yè)余熱回收不僅降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度，而且節(jié)約了加熱常溫水所需的熱能，為企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益?？諌簷C(jī)余熱回收無疑在造紙廠中有很好的應(yīng)用前景，值得廣泛推廣。