螺桿空壓機(jī)熱回收裝置在煤礦中的應(yīng)用

于世勇

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區(qū) 110172；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈撫示范區(qū) 110172）

0 引言

螺桿空壓機(jī)是一種通用機(jī)械，是工業(yè)領(lǐng)域中最為廣泛應(yīng)用的第四大工質(zhì)能源。在大多數(shù)生產(chǎn)工廠中，壓縮空氣的能源消耗占全部能源消耗的10%～35%。對(duì)于螺桿空壓機(jī)來(lái)說，其輸入能源的80%左右將轉(zhuǎn)化為壓縮熱，并由各種冷卻器帶走，排放到環(huán)境中，這些熱能并沒有得到很好的利用[1-3]。如果可以根據(jù)相應(yīng)類型壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行改造，將其熱量回收，結(jié)合工廠實(shí)際情況將這些熱源進(jìn)行利用，那么就可以變廢為寶，減少用于其他用途加熱的燃料消耗量，具有較好的節(jié)能降耗效果。

1 工程概況

山西某煤礦是山西省資源整合樣板礦，整合后井田面積為8.3236 km2，核定生產(chǎn)能力為270 萬(wàn)t/a。礦井為斜井開拓，共有三條井筒，其中主斜井斜長(zhǎng)為1098 m、傾角為16°，擔(dān)負(fù)全礦井煤炭提升及人員運(yùn)送任務(wù)；副斜井長(zhǎng)為563 m、傾角為23°，采用單鉤串車，擔(dān)負(fù)全礦井除人員外的輔助提升任務(wù)；另一條是回風(fēng)斜井，傾角為8°～25°，擔(dān)負(fù)全礦井回風(fēng)任務(wù)。

通過對(duì)山西某煤礦2020—2021 年職工浴堂用煤、用水情況進(jìn)行了調(diào)查分析，該煤礦職工浴堂年耗煤達(dá)到308.4 t，折合費(fèi)用達(dá)65 萬(wàn)元，占公司2020 年總能耗的比例達(dá)到3.03%，總能耗占比高。為了降低該煤礦職工浴堂能耗費(fèi)用和提高螺桿空壓機(jī)工作效率，通過技術(shù)論證，應(yīng)用余熱回收節(jié)能技術(shù)對(duì)2 臺(tái)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收利用節(jié)能技術(shù)改造，回收的余熱加熱水，供煤礦職工浴堂使用，可滿足該煤礦300余人的洗澡用水需求，可實(shí)現(xiàn)每年節(jié)約標(biāo)煤52.7 t。從而可以淘汰該煤礦職工傳統(tǒng)鍋爐加熱模式，還可實(shí)現(xiàn)每年節(jié)約設(shè)備維護(hù)費(fèi)2.5 萬(wàn)元，同時(shí)可減少鍋爐操作維護(hù)人工費(fèi)用，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 螺桿空壓機(jī)的能源消耗及熱能回收節(jié)能技術(shù)分析

通過統(tǒng)計(jì)分析研究，噴油螺桿式空壓機(jī)由于本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理決定在額定工況下運(yùn)行時(shí)只有30%的電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的勢(shì)能，其余70%的電能以熱量的形式被冷卻水帶走或排入大氣，冷卻水的循環(huán)利用和降溫還要消耗大量電能，大量的熱空氣排入空壓機(jī)站房?jī)?nèi)使大氣溫度升高，溫度升高的空氣作為空壓機(jī)的加工氣源會(huì)使其效率下降，消耗的電能增加。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的空壓機(jī)排氣溫度高達(dá)90～105 ℃，導(dǎo)致更多的潤(rùn)滑油處于氣相，不但增加了油氣分離的難度，同時(shí)還降低了潤(rùn)滑油的使用壽命和供氣品質(zhì)[4-5]。

由于螺桿空壓機(jī)所產(chǎn)生的熱量94%通過高溫氣體及潤(rùn)滑油中排出，因此，螺桿空壓機(jī)的熱能具有很大的回收價(jià)值，利用熱能回收裝置在不改變機(jī)組原有性能的情況下，對(duì)空壓機(jī)的余熱進(jìn)行回收，回收的熱能可轉(zhuǎn)換成65 ℃左右的高溫?zé)崴?，供職工浴堂使用，也可用于鍋爐補(bǔ)水、采暖、洗滌等。

該煤礦空壓站共有螺桿空壓機(jī)7 臺(tái)，額定功率為1680 kW，其中額定功率250 kW 的6 臺(tái)，額定功率180 kW 的變頻機(jī)1 臺(tái)。

一臺(tái)額定功率250 kW 的空壓機(jī)余熱每小時(shí)可加熱水（溫升50 ℃）量：

加熱溫升50℃的1t 水所需熱量計(jì)算如式（1）所示。

式中：Q 為熱能量，kJ；W 為水的質(zhì)量；Δt 為水的溫差，℃；c 為水的比熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）得：Q=210000 kJ。

250 kW 空壓機(jī)的余熱計(jì)算如式（2）所示。

式中：Q1為空壓機(jī)電能轉(zhuǎn)換為熱能量，kJ；P 為空壓機(jī)功率；η 為空壓機(jī)電能轉(zhuǎn)換為熱能的功率百分比，取70%；λ 為電能轉(zhuǎn)換為熱能的系數(shù)，取3.6×103kJ/kW。

將相關(guān)參數(shù)代入式（2）得：Q1=630000 kJ。

每小時(shí)可加熱水（溫升50 ℃）量計(jì)算如下：

將相關(guān)參數(shù)代入式（3）得T=3.0 t。每天按運(yùn)行16 h計(jì)算，一天可加熱水（溫升50 ℃）量48.00 t。

一臺(tái)額定功率180 kW 的空壓機(jī)余熱每小時(shí)可加熱水（溫升50 ℃）量：與額定功率250 kW 的空壓機(jī)同理計(jì)算，由于是變頻機(jī)，加載負(fù)荷按70%計(jì)算，每小時(shí)可加熱水（溫升50 ℃）量為3.0 t×（180/250）×0.7=1.51 t。每天按16 h 計(jì)算，一天可加熱水（溫升50℃）量為24.16 t。

一臺(tái)額定功率250 kW 空壓機(jī)和一臺(tái)額定功率180 kW變頻空壓機(jī)一天可產(chǎn)熱水（溫升50 ℃）約72 t。

如果改造3 臺(tái)額定功率250 kW 空壓機(jī)和一臺(tái)額定功率180 kW變頻空壓機(jī)，每天可產(chǎn)熱水（溫升50 ℃）約168 t。

由于職工浴堂用水不具有連續(xù)性，需要將熱水進(jìn)行儲(chǔ)存，因此，在空壓站設(shè)熱水儲(chǔ)罐。熱水通過保溫管道即可輸送到浴堂。所以，利用螺桿空壓機(jī)的余熱加熱職工浴堂用水是可行的，而且還節(jié)約大量的能源。

3 空壓機(jī)余熱回收節(jié)能改造技術(shù)方案與實(shí)施

2021 年公司對(duì)空壓站GA250（空冷機(jī)）和CA180（變頻）兩臺(tái)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了余熱回收節(jié)能技術(shù)改造[6]。

1）將熱能回收機(jī)換熱器安裝在空壓機(jī)內(nèi)，換熱系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式的相互切換，不需要進(jìn)行熱交換時(shí)（儲(chǔ)水罐滿水、熱交換系統(tǒng)故障）應(yīng)能自動(dòng)切換到風(fēng)冷狀態(tài)，保障空壓機(jī)的正常運(yùn)行；同時(shí)也可以根據(jù)各種操作需要進(jìn)行手動(dòng)切換。

2）該余熱回收系統(tǒng)水源來(lái)自企業(yè)供水管網(wǎng)，經(jīng)除垢處理、計(jì)量后用于熱交換。熱水儲(chǔ)存在空壓站現(xiàn)有儲(chǔ)水罐（4 只、每只有效水容積20 m3）內(nèi)、儲(chǔ)水罐及熱水管道進(jìn)行保溫。

3）儲(chǔ)水罐內(nèi)的水溫低于供水溫度時(shí)，熱水循環(huán)泵（2 臺(tái)、1 用l 備）自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，將水送入到換熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，達(dá)到供水溫度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止工作。

4）熱水供應(yīng)浴堂設(shè)3 臺(tái)管道泵（流量20 m3/h、揚(yáng)程40 m），1 用2 備，管道泵由變頻器進(jìn)行控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的供水壓力進(jìn)行泵的啟、停和運(yùn)行狀況調(diào)整，并具有休眠功能，滿足用水需要。到浴堂的熱水在空壓站加計(jì)量裝置。

5）對(duì)進(jìn)入浴堂的熱水進(jìn)行溫度檢測(cè)，由于浴堂不是連續(xù)用水，當(dāng)熱水溫度低于供水溫度時(shí)，能夠自動(dòng)開啟回流管路上的溫控閥門，將低溫水同流至儲(chǔ)水罐內(nèi)，減少水的損耗。

6）室外電氣設(shè)備安設(shè)有防雨措施，根據(jù)占地情況，將現(xiàn)有儲(chǔ)水罐防雨棚向北延長(zhǎng)。

7）控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)操作，并考慮預(yù)留1 條熱水供給管路的控制。

4 改造后取得的效果與展望

改造后的250 kW 空壓機(jī)和180 kW 變頻空壓機(jī)，一天產(chǎn)熱水約80 t，儲(chǔ)水溫度60 ℃左右，最高達(dá)到70 ℃。

熱水滿足該煤礦職工浴堂300 余人的洗澡用熱水，每年可實(shí)現(xiàn)節(jié)約標(biāo)煤52.7 t，節(jié)約費(fèi)用97367 元，節(jié)約熱水爐的維護(hù)費(fèi)每年2.5 萬(wàn)元。每年共節(jié)約費(fèi)用122367 元，并且減排氮氧化物約0.145 t。

由余熱的利用，空壓機(jī)冷卻器排氣溫度降低、空壓機(jī)運(yùn)行溫度降低，散熱減少，空壓機(jī)廠房?jī)?nèi)的空氣溫度降低，空壓機(jī)進(jìn)氣溫度降低，提高了空壓機(jī)的效率，延長(zhǎng)了使用壽命。螺桿空壓機(jī)余熱同收節(jié)能技術(shù)在山西某煤礦的成功應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益和較好的減排社會(huì)效益，為后期進(jìn)一步推廣奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

螺桿空壓機(jī)熱回收裝置在山西某煤礦職工浴室中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，利用空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)提供滿足洗浴要求的熱水，可以完全替代燃煤鍋爐房生產(chǎn)熱水的職能。當(dāng)螺桿空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少、負(fù)荷降低或加載時(shí)間減少情況下，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)和熱源備用系統(tǒng)仍能滿足職工淋浴用水量的需求，不因空壓機(jī)出力降低和臺(tái)數(shù)減少而再次啟用燃煤鍋爐供熱設(shè)備。非供暖期可以完全取代燃煤鍋爐的使用，還減少鍋爐房運(yùn)行存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了“產(chǎn)煤不燒煤”的綠色目標(biāo)。當(dāng)前螺桿空壓機(jī)在目前的市場(chǎng)上占有較大份額，只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，可以提供品位較高的熱源，用于鍋爐進(jìn)水預(yù)熱、生活熱水、空調(diào)供熱等。山西某煤礦螺桿空壓機(jī)熱回收的成功實(shí)踐，對(duì)于使用螺桿壓縮機(jī)的企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排工作，具有一定的借鑒意義，希望對(duì)廣大正在尋求節(jié)能方向的企業(yè)有所幫助。