空压机能量回收技术应用研究

熊根生

（苏州生益科技有限公司，江苏 苏州 215024）

1 引言

在现代化工厂中，空压机是主要辅助设备之一，也是能耗大户如：月产100万张覆铜板的工厂，空压机的耗电量在35万度/月，电费25万元/月。真正转换成压缩空气的能量只有30%左右，其余电能全部转化成热能浪费掉，对环境造成严重的“温室效应”污染。然而节能减排、低碳循环经济已经逐渐成为人们关注的焦点，通过对传统空压机的原理分析，空压机大量电能转化成热能由冷却油及压缩空气带走，现有技术的冷却方式是自然风加抽风机，冷却后的风直排入大气，造成能量的大量浪费，同时对设备的冷却效果并不佳，如：冷却油温度不能很好的控制在合理范围、压缩空气冷却出口温度依然达到50 ℃左右，造成压缩空气除湿效果差、冷却器瓷片容易堵塞等，通过新型工艺技术改进，将风冷改为水冷，实现75%以上的热能回收利用，同时有效解决现有技术瓶颈提升空压机的运行稳定性，降低空压机的维护费用。

2 工业空压机的基本原理及目前技术瓶颈

从以上空压机的原理示意图可以看出：空压机主要包括压缩机头马达、压缩机头、进风过滤器、油气分离器、油冷却器、压缩空气冷却器、冷却抽风系统、压缩空气除湿过滤及储气罐等。在电能的作用下压缩机高速旋转，一部分电能转化成压缩空气动能，大部份能量以热能的形式转移给冷却油及压缩空气。

油气分离器出口的油温可以达到90 ℃ ～ 95 ℃，需要进行冷却降温到50 ℃ ～ 60 ℃左右，如果油温无法降下将严重影响压缩机头及润滑油的使用寿命，油气分离器压缩空气出口的温度高达70 ℃，经过空气冷却器冷却后温度依然达到50 ℃ ～ 60 ℃左右，理论上压缩空气冷却效果越低越好，可以有效减缓除湿机的负荷，并有效杜绝压缩空气中冷凝水的产生，减少车间因压缩空气有水导致气动元件的损坏故障。从原理图上可以看出，油、压缩空气冷却原理是抽风机抽自然风（大气）冷却，热交换后的自然风又排入大气，冷却器的瓷片极易被空气粉尘堵塞影响冷却效果。

从以上分析简要可以得出目前空压机的技术缺陷：用抽风机耗能冷却、交换的热量直接排入大气，不仅浪费而且还污染环境、不但冷却效果不佳，也制约压缩空气质量及影响设备运行性能等。

图1 空压机原理示意图

3 空压机能量回收关键点及能量回收计算

通过对工业空压机原理及目前的技术缺陷基本分析，可以确定油气分离器出口的高温油及高温压缩空气是热能回收的关键技术要点。

以一台75 kw的空压机为例进行能量计算，产生压缩空气的能力720 m3/h

（1）高温油95℃左右降到55 ℃左右，温差在40 ℃左右

能量回收技术参数：

①压头冷却油量为35 L左右，约28 kg左右，流速按28 kg/min即1680 kg/h

②油冷却前T1＝95 ℃ 回收冷却后T2＝55 ℃ 则△T＝40℃

③油比热取C＝0.63 Kcal/℃/kg

冷却油热量回收Q1＝CM(t2－t1)＝0.63 Kcal/℃/kg×1680 kg×40 ℃＝42336 Kcal/h

（2）高温压缩空气70 ℃左右降到20 ℃左右，温差近50 ℃

能量回收技术参数：

①720立方米/小时压缩空气

②高温空气冷却前T1＝70 ℃

回收冷却后T2＝20℃ △T＝20℃

③空气比热为C＝0.34 Kcal/m3/℃

回收热量为Q2＝720 m3/h×(70－20)℃×0.34 Kcal/m3/℃＝12240 Kcal/h

（3）抽风冷却风机3 kW

1 Kwh＝3.6×106 J（焦耳）

1 Kcal＝4.18 KJ 即：1 Kwh＝(3.6×103)/4.18＝862 Kcal

每小时抽风机能量浪费Q3＝3×862＝2478 Kcal/h空压机产生的无价值能耗为：

Q＝Q1＋Q2＋Q3＝57054 Kcal/h

即相当于 66 kW的功率无价值消耗。因此理论上可回收功率为：66÷75＝88.25%

如果按照柴油的热燃值为10 000 Kcal/kg，一台75 kW空压机消耗无价值能源为：5.7 kg/h。如果一个月产能100万张板的CCL工厂，耗气大概6台75 kW的空压机同时运行即相当于每小时消耗的无价值能源为：6×5.7＝34.2 kg/h，油价按6元/kg，该厂理论可以回收能耗成本＝34.2×24×30×12×6＝178万元/年。

4 利用水交换实现对空压机浪费的热量进行回收

用水进行热量回收的计算：

1 t水温升1 ℃的能量计算：Q＝CM△T＝1000 Kcal按照理论推算空压机可回收利用的热量大概是空压机总功率的88%左右。考虑实际交换过程中的能量损耗，取空压机额定功率的75%作为能量可回收的系数，根据以上的计算关系可以得出以下回收热量与产生热水之间的关系换算表1。

由此可见空压机热量回收运行成本极低，值得广泛推广。产生的热水可以用于公司员工日常生活用水、生产设备消耗热水、设备热交换如：空调除湿、冬季车间办公楼取暖等，交换后的回水（低

表1 回收热量产生热水量换算关系表

5 空压机热量回收新型工艺技术

（1）新型热量回收技术创新点

从以上热量回收新型工艺流程可以看出，重大的技术突破点：

①风冷改由水冷、瓷片式交换器改用板式交换器。

②冷却水先经过“压缩空气板式交换器”进行热交换器，再经过油冷却交换器进行二次交换。

③取消抽风风机，有效防止瓷片交换器频繁堵塞的问题。

④油温及压缩空气的热量回收，大大降低碳的排放量，节能环保同时提升设备运行稳定性。

最大限度的降低压缩空气的温度进而减少压缩空气中的水分，其次在能量回收的情况下有效确保冷却油的温度控制50 ℃左右，以防止油温交换过低带来的负面影响。

图2 空压机热量回收新型工艺流程

图3

（2）空压机热水成本分析图（加热1吨水温升40 ℃运行费用比较）温）可以重新回到到循环水箱进行加热，实现低碳、节能、环保的生产理念。

6 总语

随着时代的进步，节能、环保、低碳将是全人类追求的永恒主题，更是企业参与全球竞争的强有力手段之一。空压机的节能空间巨大，如果利用新型的能量回收工艺技术将大大降低企业的能源消耗，真正意义上实现低碳减排，更好的承担一份社会责任。

[1]阿特拉斯空压机说明书.