煤矿离心式空压机余热回收利用系统的改造

孟全

(淮沪煤电公司 丁集煤矿， 安徽 淮南 230141)

0 引言

空压机是煤矿企业的主要大型设备之一，在正常生产中具有连续运转的特性。但空压机的能耗较高，在产生压缩空气过程中用于增加空气势能所消耗的电能仅占总耗电量的15%，大约85%的电能转化为压缩空气热能，热量作为副产品则通过冷却系统排放到大气环境中。如果将这部分余热回收并有效利用可以给煤矿企业带来巨大的经济效益，降低生产成本。

从上世纪70年代以来，国内外学者和专家对空气压缩机余热回收进行了大量的研究与运用，以期对空压机中排放的大量热能进行回收。1982年威莱姆弗.麦克雷斯提出空气压缩机废热回收，对英格索兰50马力以上压缩机通过热力计算得到的理论回收值[1]。针对螺杆式空压机的热回收技术较成熟，应用案例较多[2-5],但对离心式空压机的热回收技术及应用案例较少，英格索兰提出对离心式空压机的全级热回收技术并取得应用[6-7]，开发了适用于多级离心机的高效热能回收系统，综合利用压缩废热，通过换热能向外界提供80 ℃～90 ℃的高品位热源水。

本文针对淮沪煤电有限公司丁集煤矿3台C950MX3HP型英格索兰离心式空压机，每台空压机功率为820 kW，压风量为153 m3/min，其运行方式为2台使用，1台备用。考虑丁集煤矿职工的洗浴用热水和空压机低温余热的综合利用，采用英格索兰离心式空压机热回收系统[7]对空压机进行余热回收改造，利用高效换热器、板式换热器和可编程控制技术(PLC)对3台空压机冷却系统进行改造，该系统经改造实际运行，其回收空气压缩过程中产生的热量，用于员工的洗浴用热水，取得了较好的效果。

1 离心式空压机余热利用原理

离心式空压机的主要特点是气量大,供气稳定。其工作原理是气体进入空压机后，随叶轮叶片高速旋转并向叶轮出口流动，空气的压力和动能不断提高，然后在扩压器作用下，压力进一步提高，再经过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩，从而不断提高气体压力。

针对多级离心式空压机的特点，英格索兰离心式空压机热回收系统采用全级热回收，即对每级压缩热都进行热回收。采用高效换热器实现空压机余热的回收，同时保证空压机的冷却，利用二次换热系统和热量输运系统，实现压缩废热到70℃高品位热水的转化，并应用于员工的洗浴用水，实现了离心式空压机压缩废热的高效回收利用。

2 离心式空压机余热利用方案

离心式空压机余热回收的同时兼顾离心式空压机的可靠性、运行性能、热回收效率这三方面要求。英格索兰多级离心机的高效热能回收系统包含3个子系统,即热量交换系统(高效换热器);热量输送系统(二次换热)；可编程控制系统(PLC)。图1是3台三级压缩的离心式空压机热回收系统流程图。

图1 离心式空压机热回收系统流程

1) 在离心式空压机的第一级、第二级和第三级分别设置了高效换热器。通过一次闭式循环系统实现对空压机热量的回收，其循环水要求必须是经过处理的软化水或除盐水。高效换热器是离心式空压机热量交换系统的核心部件，如图2所示，用于替代原离心压缩机的内置式冷却系统。通过专门设计的换热流程，将每级压缩后的空气和循环水进行热交换，获得高品质的90 ℃热源水，为确保压缩空气品质，独特的内部设计能充分分离并析出冷却过程产生的冷凝水。

2) 板式换热器是热量输送系统(二次换热)的主要设备，如图3所示。主要是实现高温热源水与洗浴用水的换热，由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点，热回收率可高达90%以上。

图2 高效换热器

图3 板式换热器

3) PLC控制模块采用程序逻辑控制器。采用彩色液晶显示屏，主要控制循环水泵的启停，系统补水，同时监测系统各处水温和水压，控制系统安全、可靠、使用广泛。

3 经济效益分析

离心式空压机热回收系统经改造后,其运行参数如表1所示。其系统运行平稳，实现了对空压机余热的综合高效利用，替代了员工洗浴用的锅炉，节约了能源。

表1 空压机热回收系统运行参数表

产水量要求(冬季环境温度≥2 ℃)按2台机组满负荷运行计算。员工洗浴用水的温度从平均20 ℃升至70 ℃计算，每天回收热量约为1.0亿kJ。改造前员工洗浴用水采用燃煤锅炉加热，燃用煤的发热量平均为3 800 kcal/kg,按燃烧效率回收热量60%计，则可节约燃煤约11 t/d，可节约4 000 t/d燃煤，则每年可节约费用约200万元。

4 结论

离心式空压机在产生压缩空气过程中产生大量的余热，将这部分余热回收并有效利用能给煤矿企业带来巨大的经济效益。考虑丁集煤矿职工的洗浴用热水和空压机低温余热的综合利用，采用英格索兰离心式空压机热回收系统对3台空压机冷却系统进行余热回收改造，回收空气压缩过程中产生的热量，用于员工的洗浴用水加热。改造后系统运行平稳，每年可节约费用约200万元。