矿井地面空压机余热回收利用的研究

王 瑶

（同煤集团挖金湾煤业公司， 山西 大同 037042）

引言

在综采工作面中，为了达到节能生产的目的，对工作面采煤机、掘进机、输送机以及液压支架等大型机电设备运行的控制进行不断优化，进而避免能源的过度消耗。另外，充分回收利用煤炭生产过程中的能量同样也能够间接达到节能减排的目的。压缩空气作为综采工作面生产的主要动力源之一，由空气压缩机产生。空气压缩机（空压机）是一种将电能转化为机械能，从而达到提升气体压力的机械设备，并被广泛应用于煤矿井下的生产中[1-2]。经研究表明，空气压缩机在正常运行过程中真正能够提高空气势能的电能仅占15%，其余85%的电能以热量的形式排放至空气中，大大造成了电能的浪费。为了解决上述问题，需对85%电能所产生的热量进行回收利用，不仅能够降低能源成本，还能够达到环保的目的。本文将着重研究矿井地面空压机余热的回收利用。

1 空压机余热回收系统现状分析

空压机余热回收的核心思想是将空压机正常运行过程中未被充分利用的85%的热能进行充分利用。其主要途径为将空气中的热能传递至水中，使得水温升高，将加热后水用于职工洗澡、车间采暖以及工业用热水等，这样不仅达到设备降温，提升设备运行效率、延长设备使用寿命的目的，还能够实现对空气中热能的充分利用，以达到节能减排，降低煤矿运行成本的目的。

经研究可知，目前挖金湾矿空气压缩机在实际运行过程中存在以下问题：

1）无法对空气压缩机在实际运行中所产生的热量进行充分回收利用，造成了大量热能的浪费[3]；

2）尽管当前余热回收系统能够实现对余热的部分回收利用，但是该系统无法实现对回收系统各项参数的实时监测，进而无法达到对余热回收系统的智能化控制。

2 空压机余热回收系统的设计

2.1 余热回收流程的设计

1）由于空压机在启动初期润滑油温度低，故在启动初期可将润滑油直接通过旁通回路进入空压机的机头[4]；

2）待空压机润滑油温度升高后，旁通回路关闭，润滑油经一次板式换热器与软水进行热交换；

3）系统中引入PLC控制系统对其中水箱水位、管道泵运行及水温情况进行实时监测，并根据监测结果及需求启停换热循环管道泵；

4）待换热循环管道泵开启后，根据回水温度及水箱水位判断是否需要动作三通球阀。

>2.2 设备选型

由上述余热回收流程可知，该余热回收系统的核心及关键设备包括有一次换热设备、二次换热设备、管道泵、保温水箱、相应传感器以及PLC控制器等。其中，换热设备是实现余热充分回收的关键[5]。为达到对空压机余热的充分回收，本系统采用一次换热和二次换热设备两种。

一次换热设备的设计依据：润滑油进油温度为90℃，回油温度为70℃；软化水进水温度为55℃，回水温度为85℃。

二次换热设备的设计依据：软化水进水温度为85℃，回水温度为55℃；生活水进水温度为20℃，回水温度为60℃。

换热设备的关键选型参数为换热器面积，根据设计依据可通过公式（1）进行计算得出换热器所需的面积：

式中：k为富裕系数，一般取1.1；Q为换热功率；β为换热器污垢系数，一般取0.8；K为换热器的传热系数，其中一次换热设备K1=800 W/（m2·℃）、二次换热设备K2=3 000 W/（m2·℃）；Δt1为一次换热器设备中润滑油进油温度与软化水回水温度差5℃；Δt2为二次换热设备中软化水进水温度与生活水回水温度差25℃。经计算可得，一次换热器所需面积S1=28m2；二次换热器所需面积S2=11 m2。

换热器选型结果如表1所示。

表1 换热设备明细

3 余热系统应用效果评估

为验证本文所设计余热回收系统的可行性，特对该余热回收系统下的热量回收及热水量进行评估计算。

3.1 空压机耗能现状分析

本文仅对地面空压机的耗能情况进行分析，空压机的功率为220 kW，每天工作时长为18 h，共有3台空压机同时运行，可计算出地面空压机每天的耗能11 880 kW·h。

3.2 热量回收的预测

3.2.1 回收热量的计算

空压机润滑油所吸收热量计算公式如下：

式中：m为润滑油每小时流经换热设备的质量，取10.26 t/h；c为润滑油的比热容，取2 030 J/（kg·℃）；Δt为温差，取20℃；1 kW·h电的热能为860 kcal。带入数值计算得Q=116 kW。

回收率P=Q/Q空。式中：Q空为空压机的功率，取220 kW；Q为换热功率，取116 kW。代入数值计算得P为53%

每天回收的热量为Q回收。Q回收=11 880 kW·h/d×53%×860 kcal/kW·h=5 414 904 kcal/d。

3.2.2 生产热水量的预测

本文以夏季为依据进行计算，设夏季生活水进水温度为20℃，回水温度为60℃。经计算可知，每吨水每提升1℃所需的热量为1 000 kcal。则由该系统回收的热量所产生水量Q水=135 t。

一年按照300 d计算，则一年可由空压机余热回收热量所产生的热水总量为4.05万t。根据矿井每年所需洗浴热水量为8.42万t，总费用为66.31万元。则可知，采用空压机余热回收利用的方案后每年可节约费用为：4.05万t×66.31万元/8.42万t=31.89万元。

4 结语

空压机作为煤矿井上、地面正常生产中必不可少的设备，其在正常运行过程中所产生的85%的热量均被浪费至空气中。为了响应节能减排政策的号召，应充分利用散发至空气中的热量。针对地面空压机在实际运行过程中热量未被充分回收的问题，设计了相应的余热回收系统，预计每年可由空压机回收的热量所产生热水量为4.05万t，每年共可节约费用为31.89万元，为挖金湾矿节能生产奠定了扎实的基础。