小麦制粉车间空压机余热综合利用系统设计与应用

曹维让，王保法，陈 洁，吕莹果

（1.郑州华森粮食工程有限公司，郑州 450052；2.河南海弗星换热科技有限公司,河南 新乡 453000；3.河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052）

随着环境保护意识的逐渐强化，国家近年来出台了一系列节能减排的工作方针、政策，进一步完善节能减排工作。根据国务院2013年国发〔2013〕37号《关于印发大气污染防治行动计划的通知》文件精神，2019年底前，除保留必要的应急和调峰燃煤采暖锅炉外，各市建成区和有条件的县城要完成10t/h及以下燃煤锅炉淘汰工作，禁止新建20 t/h及以下燃煤锅炉；其它城镇建成区不再新建10 t/h及以下的燃煤锅炉[1]。现有的小麦制粉车间一般建在城市远郊或农村，缺少城市配套的电厂余热蒸汽管道，甚至天然气管道也相对较少。散煤禁烧后，麸皮、小包装面粉烘干采用电及天然气直接加热空气或电及天然气加热水制成蒸汽，再加热麸皮、小包装面粉，采取电或天然气制热烘干，成本相对较高，企业负担增大，产品利润降低[2]。因此，节能降耗是面粉企业亟待解决的问题，在工艺流程和设备选型等方面既要考虑现代化、自动化、智能化，也要综合考虑企业运行成本和经济效益，采用节能新技术，做好节能降耗工作，企业才可实现持续降本增效，提高产品的市场竞争力[3-4]。

小麦制粉车间需要热能的主要是润麦和干燥环节。小麦在制粉过程中，需要对清理过的干小麦进行加水润麦，经过加水的小麦在润麦仓静置18～36 h后，在制粉过程中小麦皮层与胚乳更易分离，有利于提高出粉率及高等级粉的出率。长江以北地区的冬季环境寒冷，润麦添加冷水时，润麦效果不理想，不利于小麦制粉，需要提高车间室内温度或用温水进行润麦[5-6]，目前靠电能直接加热水温或蒸汽加热水温。小麦制粉工艺具有独特性，在制粉过程中逐级研磨及筛理，前路到后路的面粉水分逐步降低，且麸皮的水分最高，夏季室外环境温度高的情况下，不利于高水分产品的长期储存及运输，在不影响制粉工艺的基础上，需要对麸皮及小包装面粉进行烘干，提高其保质期[7]，而电能加热能耗较高，据调查，在小麦制粉过程中，能源消耗占小麦生产总成本的6%，其中电费占产品总加工费用的 30%[8]，若能减少此部分热能的电耗，将有效降低生产成本。

小麦制粉过程中，由于自动化程度的提高，许多气动装置需要高压气源做动力，尤其是高压脉冲、色选机、流量秤和打包机等用气量大的设备的使用，空压机的数量增多、配备的型号及功率增大，空压机在运行过程中，空气压缩机从空气中吸入空气，经过压缩后将高压空气排出，这一过程不但提高了空气的压缩势能，同时产生了大量的热量，而真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占约20%，大约80%的电能转换为热量。需要指出的是，由于压缩机内部循环对油温有要求，加上不同温度的热值不同，换热器换热效率不同，根据工程实际经验，可以被利用热量折合压缩机轴功率约为88%，如果将这部分热量回收，可节省大量能源费用。

现实中一方面需要热能加热烘干或制热水，另一方面是热能直接浪费掉。如何利用热泵新技术使这部分热能得到综合利用，把空压机排掉的热能重新利用起来。热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的高效节能装置，也是全世界倍受关注的新能源技术，在众多领域得到应用[9-12]。河南海弗星换热科技有限公司与郑州华森粮食工程有限公司共同合作，经过多年的潜心研究，结合小麦制粉工艺、板式（壳管）换热技术、高温水源热泵技术等综合技术，开发了一套小麦制粉车间空压机余热能源综合利用解决方案，形成了智能控制专利技术与高温水源热泵热风机专利技术。本文通过对小麦制粉车间热能进行计算与分析，设计空压机余热综合利用方案，采用独特热能回收、储存、输送和转换，对制粉车间空压机余热进行综合利用，变废为宝。

1 小麦制粉车间热能计算与分析

1.1 空压机工作原理及热量的产生

图1为空压机的工作原理图，空压机是一种用以压缩气体的设备。在空压机工作过程中，电动机在电能作用下，对空压机系统做功，使系统内能增加，表现为油温和压缩气体温度升高。

图1 空压机工作原理图[13]

为保证空压机润滑油三大功能正常发挥，空压机运行温度有一个合理、最佳温度范围：60～85℃。

如果空压机工作超过85℃，则空压机机油有老化、结焦趋向，润滑效果降低，密封效果变差，从而导致空压机故障，影响空压机正常运行；而当空压机工作温度低于60℃时，压缩空气中的水分有凝结于润滑油中的趋向，润滑油中的水分使油品乳化变质，润滑效果变差，影响空压机的正常运行。因此，将空压机工作温度控制在合理范围内，工作温度的相对稳定，有利于空压机稳定运行，有利于延长空压机的使用寿命。多数空压机制造厂家出厂机组设定风扇运转温度为85℃启动，风扇运转温度为75℃停止。螺杆空压机的产气量会随着机组运行温度的升高而降低。在实际使用中，空压机的机械效率不会稳定在80℃标定的产气量上工作。温度每上升1℃，产气量就下降0.5%，温度升高10℃，产气量就下降5%。一般风冷散热的空压机都在88～96℃间运行，其降幅都在4%～8%，夏天更甚。

若能将此热能利用改造，使空压机组排气运行温度和油温均控制在最佳温度范围以内，降低螺杆空压机散热风扇运转时间，节约电能，同时，也能更好地保证空压机正常运行和产气量。图2所示为空压机热量构成。

图2 空压机热量构成图

空气压缩机作为制造行业的能耗大户，受到越来越多的关注，节能潜力巨大。从压缩机的生命周期成本结构分析，节能重心在能耗。压缩机在工矿企业的平均耗能占整个企业能耗的30%左右，部分行业的压缩机耗电量占总耗电量的比例高达70%。压缩机由于自身工作特性，运行过程中将产生大量的压缩热能，其中2%的压缩热被辐射损失；9%的热量被电机带走，4%的压缩热残留在压缩空气内，并进入工厂的空气管道中；85%的压缩热，通过冷却介质（油、水或风）带走。

由图3可见，空压机产生的热量中，有85%是可以回收利用的，空压机中气冷却器13%的热量和油冷却器72%的热量是可以利用的，对这部分热量进行改造和回收利用，将帮助企业节省大量的热能运行及投资成本。

图3 空压机热量利用情况

1.2 小麦制粉车间的空压机余热与所需热能计算

以新建600 t/d的面粉车间为例，计算车间空压机余热能量、麸皮烘干和温水润麦所需的热量，以及员工生活用热情况。

1.2.1 空压机配备情况

车间一楼空压机房配备3台37 kW的空压机，总功率为111 kW，空压机加载率80%，运行时间为24 h，运行过程中所产生的热量由自身散热系统直接排放到空压机房大气中，到了夏季需要一个3 kW·h的风机向室外鼓风排放热量。这些热量大部分是可以被回收再利用的，它们可用于制备热水方便员工生活所用，在确保空压机的正常工作的同时，最大程度地降低了企业的热源运行成本。

管式设备热量计算：空压机运行时间按每天24h，采用单油回收，按65%回收效率保守估算，入口水温按15℃估算（根据全年平均进水温度估算），热水水温按55℃计算，结果如表1，可知该空压站每小时回收功率为：57.7 kW。

表1 空压机可回收热能

1.2.2 麸皮烘干所需的热能

处理小麦600 t/d制粉车间，麸皮出率为16%，每小时麸皮产量为：600×16%÷24=4 t；麸皮烘干降低1.5%水分计算，每小时降低水分：4 000×1.5%=60kg；1 kg水分蒸发需要的热量为600大卡，加上20%的热损耗率计算，共需要：600×60×1.2=43 200大卡，每小时需要功率数：43 200÷860=50.2 kW。

1.2.3 润麦加温水所需的热能

处理小麦600 t/d制粉车间，原粮水分为10.5%～12.5%，平均按11.5%计算，入磨水分按15.5%计算，润麦加水为4%，每小时需要加水：600×4%÷24=1 t，冬季水温由15℃加热到60℃，即每小时需要热量：1×1 000×（60-15）=45 000 大卡，即耗电功率为：45 000÷860=52.3 kW。

1.2.4 冬季办公楼及员工宿舍供暖面积

北方节能建筑，办公室供暖热量需求：60 W/m2，职工宿舍供暖热量需求：40 W/m2计算，办公楼、宿舍楼面积分别按按400 m2、500 m2计算，共需热能：（60×400+500×40）÷1 000=44.0 kW。

1.2.5 员工洗浴生活热水所需热量

工厂按100人计算，每天按60%的员工洗浴计算，每人每天洗浴所需温水为40 kg计算，共计：100×40×0.6=2 400 kg,1 kg水温由15℃升至45℃需要热能30大卡，工厂每天的生活热水需要能耗：2400×30÷860=83.72 kW， 即每小时耗电：83.72÷24=3.49 kW。

1.2.6 空压机余热功率与需要热量对比分析

由表2可以看出，空压机余热若能按计划回收利用，麸皮烘干季节同时可以制备生活热水，但供暖季节不能同时满足温水润麦与供暖，当单独温水润麦或单独供暖时，可以同时满足员工生活热水。

表2 空压机余热与车间生产及生活用热表

2 空压机余热利用系统设计

2.1 设计目标及范围

（1）采用空压机余热回收利用系统降低能源消耗方式。

（2）零运营成本制取热水，满足生产及生活的需求。

（3）空压机余热利用系统工程设计范围：主要包含空压机余热回收系统、清洗池热水制备系统、相关的配电自控系统、管沟工程及室外管网系统。

2.2 设计原则

为贯彻落实好国家节能减排政策，使改造项目更好的达到预定目标，本次设计方案遵循以下原则：

（1）采用技术先进、环保、安全可靠的工艺技术和设备，避免对周边生态造成影响。充分发挥社会和环境效益。

（2）在设计中力求厂区布置紧凑、环境优雅、建筑美观，做到与厂区建设相协调，成为经济、社会和环境三方的良好统一体。

（3）为实现系统无人值守，并且确保设备安全、可靠、平稳运行，系统运行实行集中自动化控制。

（4）应采取措施降低设备结垢的风险，以保证系统的运行寿命。

（5）项目建设目标应该符合国家有关行业规定和行业标准，工程设计严格执行国家相关设计规范和标准。

2.3 空压机热回收必须遵循的原则

（1）保证压缩机运行的安全性和稳定性。

（2）保证供水的安全性和稳定性。

（3）能量回收设备运行，保留压缩机原有冷却系统，能量回收系统与原有冷却系统并联运行，全自动切换。

（4）能量回收设备安装及运行，要保证压缩机压力控制和单位时间排气量正常。

（5）能量回收过程中停止原散热系统，实现降低总系统运行能耗，这样可以大大地提升压缩机多余能量的利用率。

（6）将回收回来的热量，尽可能地将介质加热到最高温度，以增加适用范围。

（7）空气压缩机过低或过高温度运行，都将直接影响到设备的安全和能效，实时监测和控制，以确保最佳的运行温度。

2.4 空压机余热回收管路改造

根据以上原则，设计空压机热回收系统方案。图4为空压机热回收管路改造连接示意图，图中含油、气双回收方案，如果单是油回收，则不需要改造气路，只改油路，油阀采用不锈钢耐温球阀，法兰连接间采用金属垫片。图4中，润滑油在气、油分离器中分离后，将高温的润滑油经过管道引出，进入到换热设备内。在换热设备内，与水换热后再通过油管回到空压机机体内，为保证空压机的运行稳定，避免因换热设备维护检修等问题，在设计过程中，另外再设计一条回路即旁通管路，直接将高温油连接到换热设备的回油端。

图4 空压机余热回收管路改造连接示意图

3 热能综合利用方案

3.1 热能综合利用方案工艺

空压机热能综合利用方案工艺见图5。

图5 空压机热能综合利用方案工艺图

3.2 热水制取系统

空压机热能综合利用方案设计为空压机余热加热制备热水，对空压机余热进行节能改造利用，安装空压机余热回收机组，空压机余热回收机组并联安装。为了确保空压机运行的安全稳定，在空压机余热回收机组油路上安装了三通调节阀，即便空压机余热回收设备出现故障，也不会影响空压机的正常运行。空压机余热回收机组就近空压机安装，尽量减少油管路的长度，降低空压机润滑油路系统的阻力，确保空压机润滑油路系统的正常工作。空压机余热回收机组与空压机之间油管路阀门采用法兰碟阀，油管路选择承压能力不小于1.6 MPa，耐温不小于150℃的管道，安装距离短于1 m，空压机内部采用耐高压软管，外部采用不锈钢管焊接，超过1 m采用不锈钢管硬管安装，并加大油管管径。

3.3 储能系统

由于空压机工作是间断性的，而用热是连续性的，为此必须把空压机运行过程中产生的热能储存下来，并连续供出去。空压机产生的热能通过热交换器直接加热水，热水通过循环泵的作用，不断把热能储存到专用的储水罐中，这样保证了下道工序的热能供应连续性。

3.4 热水应用

温水润麦、供暖及生活热水，直接通过循环水泵把热水供应到另外的热水罐中，根据所需不同温度自动调节，直接应用。

3.5 热水转换热风

在麸皮、面粉烘干中，必须把高温热水转换为热风，才能够使用，储能水罐的高温热水在循环泵的作用下，通过管道供应到需要热风的地方，热水通过我们自主研发具有国家知识产权的高温水源热泵热风机，置换成热风，能效比在3～6，即制3 kW热量的热风，只需要耗电0.5～1 kW的电，比传统的电热制备热风，节约成本在60%以上，出口热风根据干燥物需要降低的水分百分比，可在65～110℃之间自动调整，达到更节能的效果。具体工作原理为：机组在PLC的控制下，第一翅片换热器加热过滤净化后的新风，降温后的热水与蒸发换热器的冷媒进行热量交换，冷媒经过压缩机后变成气体，气体在冷凝换热器内加热导热油，使导热油温达到125℃左右，导热油在循环泵的作用下，经过第二翅片换热器加热预热过的新风，使温度达到105℃左右，热风在风机的作用下与粉状物料（面粉、麸皮）混合，通过气流干燥系统干燥物料。代替传统的电加热或燃气燃烧加热的方式进行物料烘干，节能、环保、安全。

3.6 节能效益对比

以15℃的冷水加热至45℃的热水，每吨需要30 000千卡热量为例进行耗能计算，对比用电、气、热泵等能源，经济对比如表3。

表3 能耗及经济对比

可见，在以上几种能源中，电能直接驱动电热水器是最贵的，液化气和天然气相对较便宜，电能驱动热泵最为节约，而如能将空压机产生的余热全部回收利用，几乎不产生额外的能耗。

如空压机余热全部利用，等于每天节约电费：57.7×0.65×24=900.12元（表1中计算得知空压机可回收57.7 kW·h），按年生产天数300 d计算，年节约电费：900.12×300=270 036元，即间接比原来可创收27万元，可大大提高制粉企业的效益。

另外，热能回收系统在工作时，由于充分利用了空压机工作时的余热，减少了空压机的高温运行状态，使散热系统的冷却风扇自动停止工作，一方面降低了空压机的故障，延长了空压机的使用寿命，另一方面也减少了干燥机的工作负荷，进一步达到了节能效果。

空压机余热利用系统在运行过程中不排放废气，空压机的余热得到合理利用，同时夏季也取缔了空压机房的排热风机，降低城市热岛效应，每年还可为企业节省下巨额的制备热水的费用，环保、节能同时为空压机降温，原有冷却系统停止运行，为节能减排做出贡献。

4 结论

本设计通过空压机余热利用热泵技术，颠覆了传统观念，解决了空压机余热需要风机驱动来排放、而麸皮、面粉烘干找到新热源的问题，达到废热利用，减少热污染，降低碳排放，同时也降低了企业的运营成本，实现多赢的效果；该技术解决方案替代原有传统技术方案，只需要把传统热源部分用新技术的设备替代即可，费用增加不大，方便快捷；可根据实际情况在不同季节对空压机余热灵活利用，夏季进行热水热风转换对麸皮、小包装面粉进行烘干；冬季热水用于温水润麦或职工宿舍、办公室供暖，平时多余的热量用于职工生活用水，在满足环保要求的同时节能降耗，做到智能控制、自动切换。