煤矿空压机余热利用节能技术的研究与应用

2013-08-16郭坤闪刘新重

科技视界 2013年1期

郭坤闪刘新重

（平顶山天安煤业股份有限公司八矿，河南平顶山467012）

0 引言

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，由于其具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等诸多优点，使其在现代工业领域中应用越来越广泛。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源，在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%-35%。

根据行业调查分析，空压机系统5 年的运行费用组成如下图1 所示）：系统的初期设备投资及设备维护费用占到总费用的23%，而电能消耗（电费）占到77%，几乎所有的系统浪费最终都是体现在电费上。

图1 空压机系统的费用组成

研究发现空压机运行时会产生大量的压缩热，压缩热消耗的能量占机组运行功率的85%，通常这部分能量通过机组的风冷或水冷系统交换到大气当中。这就造成了空压机主产品成了热量，副产品才是压缩空气，形成一种本末倒置的不合理局面：使用副产品，浪费主产品，并且还要用冷却系统来吸收消耗主产品，形成二次能源浪费。

螺杆压缩机由于本身的设计结构和工作原理决定，它的绝热效率在0.65-0.85 之间。对于空气压缩机，设计供油温度一般在50-60℃，实际运行时的排气温度往往在80-90℃之间。高的排气温度会导致更多的润滑油处于气相，增加油气分离的难度，降低润滑油的使用寿命。除了机械摩擦导致的热能损失外，主要是因为压缩气体时热能转换的热能损失，压缩机的绝热效率仅有60-80%。通常空压机实际运行中，只有20-30%的能量变成空气势能（即：将常压空气变成高压空气），而大部分能量则通过各种形式被消耗，其中大部分变成热能排放到空气中。有鉴于此，空压机的余热利用越来越被人们所重视。

本文通过对平煤八矿矿水冷型喷油螺杆空压机余热回收系统进行实践性研究分析，为其他企业空压机余热回收提供借鉴。

1 研究背景

平煤股份八矿是平煤神马集团下属的大型煤炭生产企业，具有360 万吨/年的煤炭生产加工能力。为了维持生产，该矿共建设了三套压风系统，共14 台螺杆式空压机。其中新副井压风房配备了6 台螺杆式空压机（功率250kW，产气量48m3/min），采用水冷方式将压缩机热量排出，造成了极大的浪费。

矿区职工澡堂每天约有2000 人洗澡，根据统计其职工澡堂热水用量如表1。

由表1 可知，洗澡热水用量为230t/天左右，根据洗澡用水温度设定冬天50℃，夏天45℃，自来水常年恒温15℃，推算得知澡堂用热水所需最大热量为：

Q=C*M*ΔT=4186J/（KG·℃）*（230*1000）KG*（50-15）℃=33697.3 MJ。

为此矿上配备两台燃煤锅炉，其耗煤量（2011 年）统计如下：（冬季按24 小时，夏季按6 小时，春秋按9 小时运行）每小时燃煤按0.5吨计算；

冬季（11.15-3.15）：四个月×12 吨/天.台×2 台×30 天=2880 吨；

夏季（5.15-8.15）：三个月×3 吨/天.台×1 台×30 天=270 吨；

春、秋季节：五个月×4.5/天.台×1 台×30 天=675 吨；

合计为：2880 吨+270 吨+675 吨=3825 吨。

按照节能改造后最多只保留冬季一台锅炉运行目标核算，所节约的一台锅炉能耗基准节煤量为：2880 吨/2+270 吨+675 吨=2385 吨，按每吨煤最低保守价格700 元/吨计算，则每年运行费用：2385 吨×700元/吨=166.95 万元。

表1 平煤八矿热水使用量

2 空压机余热改造

2.1 空压机余热计算

平煤八矿新副井空压机在额定工矿下的运行参数为：

吸气压力Ps=101325Pa，排气压力Pd=735498Pa，压缩机的实际容积流量Qv=48m3/min，压缩机的实际轴功率P=250kW，吸气温度T0=25℃，喷油温度T1=76℃,排气温度T2=90℃。采用冷却润滑油的定压比热容C0=2039J/（KG·℃），空气的定压比热容C1=1005J/（KG·℃），根据空压机轴功率公式有：

P=(PsQv)/(RT0)C1(T2－T0)+ qmC0(T2－T1)

由此可得喷油的质量流量qm=6.73kg/s，所获喷油的质量流量是根据理论公式计算而得，即假设喷油螺杆压缩机不向外界散失热量，同时排气与排油温度相等，但实际上空压机必然向外界散热而油气之间也存在换热温差。测算得出实际的喷油量约为理论容积流量的110%，则可得喷油的实际容积流量为7.403kg/s。因此，每台压缩机可回收余热约208.63kW，即每天可回收热量18025.63MJ。

2.2 改造方案

澡堂每天热水最大需热量为33697.3MJ，而每台空压机可提供余热量为18025.63MJ，因此对2 台空压机进行余热利用改造，可以满足热水需求。

系统结构如下图2 所示：

图2 系统结构图

空压机内部改造如下图3 所示：

图3 空压机内部改造图

由图3 可知，空压机余热回收的改造是通过在原有油路管道中接入板式换热器来实现的；同时，为了提高安全系数，保留原有冷却系统，使空压机余热回收系统与原有冷却系统串联。经油气分离后，高温气直接通往余热回收系统中的板式换热器ERG，高温油则经温度感应器检测其温度：若高温油温度低于76℃，则不用进行热交换，直接通过过滤器通往油路循环系统，若高温油温度高于76℃，则需进行热交换后再进入油路循环系统。

当保温水箱热水温度低于设定值时（一般设定为60℃），关闭油管三通阀与原有油冷却系统进口联通的阀门b 和d，使高温油通过板式换热器ERG 与自来水换热，以回收空压机余热；当保温水箱热水温度超过设定值时，关闭油管三通电磁阀与板式换热器联通的阀门c 和d，打开阀门a 和b,使热油通过空压机油冷却系统冷却，以保证空压机的效率；当保温水箱的水位超过设定值时，关闭三通电磁阀与板式换热器联通的阀门a 和b，高温油通过原有油冷却系统冷却。