淺談螺桿空壓機(jī)熱能的回收利用

蔣恒波 彭曙明 羅康福

摘 要：通過對(duì)空壓機(jī)熱能回收原理的描述和熱能回收的計(jì)算分析，結(jié)合實(shí)例，探討了空壓機(jī)熱能回收機(jī)組在節(jié)能、降耗、減排等方面的效益及其廣闊的應(yīng)用前景，并提出了項(xiàng)目實(shí)施的若干建議。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);熱能回收;節(jié)能;減排

0 引言

壓縮空氣所應(yīng)用的行業(yè)范圍非常廣泛，幾乎涉及石化、冶金、機(jī)械、國防、電子、科研、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在制藥企業(yè)中，它主要用于儀器儀表的自動(dòng)控制以及物料輸送、氣流粉碎等工藝生產(chǎn)過程中。

螺桿空壓機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能的設(shè)備。在這個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過程中，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，一是來源于空氣壓縮時(shí)因體積縮小而導(dǎo)致的溫度升高，這是機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程中一種普通的物理現(xiàn)象;二是機(jī)械螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)與氣體摩擦而產(chǎn)生的熱量。這些熱量通過空壓機(jī)潤滑油這個(gè)載體，作為廢熱經(jīng)散熱排風(fēng)機(jī)排至周圍環(huán)境中，不僅污染環(huán)境，還會(huì)對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行造成安全隱患。具體表現(xiàn)在：首先，空壓機(jī)在高速運(yùn)行的狀態(tài)下，產(chǎn)生大量的熱能，潤滑油溫度一般會(huì)高于90 ℃，空壓機(jī)的散熱風(fēng)機(jī)基本上處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，增加了電力的無謂消耗和設(shè)備的運(yùn)行成本;其次，空壓機(jī)潤滑油長期在高溫狀態(tài)下使用，與金屬以及氮氧化物、硫化物產(chǎn)生氧化反應(yīng)會(huì)生成酮、酸等化學(xué)物及含氧不溶物;最后，由于被壓縮的空氣中含有水分，潤滑油和水高溫混合而生成乳狀物，使得空壓機(jī)得不到充分的潤滑，降低了潤滑油的潤滑效果，增加了設(shè)備的故障發(fā)生率，體現(xiàn)在設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)上，必須縮短潤滑油的使用更換時(shí)間，增加了設(shè)備的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

1 空壓機(jī)熱能回收的原理

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組是根據(jù)熱能轉(zhuǎn)換原理將空壓機(jī)高溫潤滑油中所含熱量回收轉(zhuǎn)移到飲用水中（圖1）。該設(shè)備的主體就是一臺(tái)換熱器，將空壓機(jī)的高溫潤滑油導(dǎo)出，和常溫飲用水分兩路進(jìn)入換熱器，潤滑油經(jīng)換熱器換熱降溫后再回到空壓機(jī)油桶用于設(shè)備冷卻，飲用水經(jīng)換熱器吸收熱量升溫后進(jìn)入不銹鋼儲(chǔ)熱保溫水箱，實(shí)現(xiàn)一次換熱，經(jīng)過反復(fù)循環(huán)換熱，可達(dá)到需求溫度（55～70 ℃，可自行設(shè)定），當(dāng)回收的熱量不夠時(shí)也可以通過保溫水箱的電加熱管來輔助加熱。當(dāng)保溫水箱的熱水達(dá)到設(shè)定的高水溫時(shí)，水箱的飲用水閥自動(dòng)開啟補(bǔ)水，熱能回收機(jī)組的熱水電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，停止產(chǎn)水，處于待機(jī)狀態(tài);空壓機(jī)的潤滑油達(dá)到高溫時(shí)，散熱排風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟來降低油溫。當(dāng)保溫水箱達(dá)到設(shè)定的低水溫時(shí)，熱水補(bǔ)水電動(dòng)閥自動(dòng)打開，熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組繼續(xù)工作，產(chǎn)出熱水輸送到水箱。

2 空壓機(jī)熱能回收的情況分析

按照設(shè)計(jì)院的初步設(shè)計(jì)方案，江中藥業(yè)新建項(xiàng)目的壓縮空氣總需求量為60 m3/min，需配置3臺(tái)20 m3/min、電功率110 kW的螺桿空壓機(jī)。

根據(jù)熱量公式進(jìn)行計(jì)算：

Q=CmΔt

式中：Q為熱量（kcal）;C為水的比熱容，C=1 kcal/（kg·℃）;m為水的質(zhì)量（kg）;Δt為水的溫度變化（℃）。

在此設(shè)定飲用水溫度為常溫25 ℃，經(jīng)吸熱后的熱水溫度為65 ℃，Δt=40 ℃。那么，1 t水升高40 ℃需吸收熱量Q=1×1 000×40=40 000 kcal。

經(jīng)與相關(guān)企業(yè)交流及測算，空壓機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱量Q1=空壓機(jī)電機(jī)實(shí)際功率（kW）×70%（額定制熱率，與空壓機(jī)的加載率和使用時(shí)間有關(guān)，一般每天使用16 h以上且加載率不低于90%，可以達(dá)到70%）×80%（熱回收率）×860 kcal/（kW·h）（電熱值）=110×3×70%×80%×860=158 928 kcal/h，則可以產(chǎn)生熱水量M=余熱量Q1/Q=

158 928÷40 000≈4 t/h。新建項(xiàng)目為兩班制生產(chǎn)，按每天15 h計(jì)算，利用回收空壓機(jī)熱量可日產(chǎn)熱水60 t。

年回收的熱量換算成電量=Q1÷860 kcal/（kW·h）×15 h×220 d/a≈60.98萬kW·h/a，電費(fèi)按0.7元/（kW·h）計(jì)，折算成每年節(jié)省電費(fèi)為60.98×0.7≈42.7萬元。

此外，上述換算的電量60.98萬kW·h/a折合成標(biāo)煤，減排效果十分明顯，如表1所示。

3 案例應(yīng)用介紹

基于以上情況分析，為節(jié)約能源，遵循綠色制造理念，同時(shí)為了改善工作場所的工作環(huán)境，保障設(shè)備的正常運(yùn)行，通過前期調(diào)研以及與相關(guān)企業(yè)的交流，在新建項(xiàng)目的空壓機(jī)房中增加了空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組，配套3臺(tái)循環(huán)水泵（兩用一備）、1臺(tái)15 t的不銹鋼保溫儲(chǔ)罐（帶輔助電加熱）及發(fā)泡保溫循環(huán)管道（約800 m），總投資約50萬元，投資回收期50÷42.7≈1.2年，非常具有投資價(jià)值。

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組產(chǎn)生的熱水可用于工藝生產(chǎn)、暖通或作為生活熱水用于員工淋浴。以員工淋浴為例，在該項(xiàng)目中，全公司總定員為910人，其中生產(chǎn)定員為680人;宿舍樓為5層建筑，可入住220人?，F(xiàn)暫按每天淋浴人數(shù)700人、每人次用熱水50 L計(jì)，每天需用熱水35 t。還有另外一部分熱水約25 t，可用于車間的中藥提取工藝生產(chǎn)或空調(diào)制熱。

此外，原初步設(shè)計(jì)中，淋浴用水采用太陽能熱水器。經(jīng)詢價(jià)，空壓機(jī)熱能回收機(jī)組的使用可節(jié)約宿舍樓和生產(chǎn)車間熱水器的投資約108.5萬元，同時(shí)減少了太陽能熱水器的屋頂面占用面積，更有利于屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施，產(chǎn)生更多的光伏發(fā)電收益。

4 建議

綜上所述，采用空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組可以獲得以下效益：

（1）節(jié)約能源。不同于其他產(chǎn)熱設(shè)備，空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組無須任何燃料就能得到熱水，同時(shí)安裝該設(shè)備后，空壓機(jī)的潤滑油油溫得以降低，散熱排風(fēng)機(jī)可以在絕大部分時(shí)間停止運(yùn)行，因此，在節(jié)能的同時(shí)還節(jié)省了電力費(fèi)用。

（2）有利于設(shè)備保護(hù)保養(yǎng)。安裝該機(jī)組后，空壓機(jī)可以在最適合的運(yùn)行溫度下運(yùn)行，潤滑油的溫度能穩(wěn)定在75～85 ℃，減少了潤滑油氧化物、乳化物的產(chǎn)生，空壓機(jī)的工作效率得以提高，使用壽命得以延長。

（3）減排。從表1可以看到，項(xiàng)目的實(shí)施，每年可減少二氧化碳排放超過440 t，因此，建議有條件的企業(yè)能積極考慮空壓機(jī)熱能回收設(shè)備的使用，以達(dá)到節(jié)能降耗、精益生產(chǎn)的目的，進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在有些企業(yè)中，空壓機(jī)是根據(jù)壓縮空氣的使用量在各車間分開布置，這樣布置并無不妥，可以減少管道投資和壓縮空氣的管損，但如果考慮實(shí)施空壓機(jī)熱能回收，建議在新建或改造項(xiàng)目中，空壓機(jī)還是盡可能集中布置，這樣可以減少熱能回收設(shè)備的投資成本，同時(shí)有利于全公司壓縮空氣的統(tǒng)籌調(diào)度使用。

對(duì)于新建項(xiàng)目，前期可能因用氣設(shè)備少，空壓機(jī)不能滿負(fù)荷運(yùn)行或運(yùn)行時(shí)間短、間歇時(shí)間長，所產(chǎn)熱量少，導(dǎo)致熱水產(chǎn)量少或溫度不足，此時(shí)由熱水罐自帶的電加熱管負(fù)責(zé)加熱;而當(dāng)熱水罐達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，空壓機(jī)散熱排風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟來降低壓縮機(jī)油溫，這樣就會(huì)進(jìn)一步降低余熱回收量，同時(shí)消耗電能。因此，建議空壓機(jī)熱能回收設(shè)備應(yīng)分期逐步增加完善。

此外，熱水循環(huán)管道越長，熱量損失越多，因此空壓機(jī)房的設(shè)置與熱水使用點(diǎn)的距離應(yīng)盡可能縮短。

5 結(jié)語

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組由于無須任何燃料，因此不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，同時(shí)能變廢為寶;由于空壓機(jī)熱能回收機(jī)組的使用，相當(dāng)于減少了鍋爐等熱力設(shè)備的燃料消耗以及由此產(chǎn)生的煙塵、粉塵和氮氧化物等污染物的大氣排放，可以達(dá)到低碳、節(jié)能、減排的目的，非常符合我國的能源環(huán)保政策，也有利于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)?？諌簷C(jī)回收利用的熱量，除了用于生活熱水制備外，還可用于空調(diào)采暖、工藝生產(chǎn)。因此，空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組的應(yīng)用前景必將十分廣闊。

收稿日期：2021-09-08

作者簡介：蔣恒波（1992—），男，江西南昌人，助理工程師，從事制藥生產(chǎn)和設(shè)備管理工作。