螺杆空压机热回收装置在煤矿中的应用

于世勇

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈抚示范区 110172；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈抚示范区 110172）

0 引言

螺杆空压机是一种通用机械，是工业领域中最为广泛应用的第四大工质能源。在大多数生产工厂中，压缩空气的能源消耗占全部能源消耗的10%～35%。对于螺杆空压机来说，其输入能源的80%左右将转化为压缩热，并由各种冷却器带走，排放到环境中，这些热能并没有得到很好的利用[1-3]。如果可以根据相应类型压缩机的结构和原理，适当地进行改造，将其热量回收，结合工厂实际情况将这些热源进行利用，那么就可以变废为宝，减少用于其他用途加热的燃料消耗量，具有较好的节能降耗效果。

1 工程概况

山西某煤矿是山西省资源整合样板矿，整合后井田面积为8.3236 km2，核定生产能力为270 万t/a。矿井为斜井开拓，共有三条井筒，其中主斜井斜长为1098 m、倾角为16°，担负全矿井煤炭提升及人员运送任务；副斜井长为563 m、倾角为23°，采用单钩串车，担负全矿井除人员外的辅助提升任务；另一条是回风斜井，倾角为8°～25°，担负全矿井回风任务。

通过对山西某煤矿2020—2021 年职工浴堂用煤、用水情况进行了调查分析，该煤矿职工浴堂年耗煤达到308.4 t，折合费用达65 万元，占公司2020 年总能耗的比例达到3.03%，总能耗占比高。为了降低该煤矿职工浴堂能耗费用和提高螺杆空压机工作效率，通过技术论证，应用余热回收节能技术对2 台螺杆空压机进行余热回收利用节能技术改造，回收的余热加热水，供煤矿职工浴堂使用，可满足该煤矿300余人的洗澡用水需求，可实现每年节约标煤52.7 t。从而可以淘汰该煤矿职工传统锅炉加热模式，还可实现每年节约设备维护费2.5 万元，同时可减少锅炉操作维护人工费用，具有较好的社会经济效益。

2 螺杆空压机的能源消耗及热能回收节能技术分析

通过统计分析研究，喷油螺杆式空压机由于本身的设计结构和工作原理决定在额定工况下运行时只有30%的电能转化为压缩空气的势能，其余70%的电能以热量的形式被冷却水带走或排入大气，冷却水的循环利用和降温还要消耗大量电能，大量的热空气排入空压机站房内使大气温度升高，温度升高的空气作为空压机的加工气源会使其效率下降，消耗的电能增加。高速运转的空压机排气温度高达90～105 ℃，导致更多的润滑油处于气相，不但增加了油气分离的难度，同时还降低了润滑油的使用寿命和供气品质[4-5]。

由于螺杆空压机所产生的热量94%通过高温气体及润滑油中排出，因此，螺杆空压机的热能具有很大的回收价值，利用热能回收装置在不改变机组原有性能的情况下，对空压机的余热进行回收，回收的热能可转换成65 ℃左右的高温热水，供职工浴堂使用，也可用于锅炉补水、采暖、洗涤等。

该煤矿空压站共有螺杆空压机7 台，额定功率为1680 kW，其中额定功率250 kW 的6 台，额定功率180 kW 的变频机1 台。

一台额定功率250 kW 的空压机余热每小时可加热水（温升50 ℃）量：

加热温升50℃的1t 水所需热量计算如式（1）所示。

式中：Q 为热能量，kJ；W 为水的质量；Δt 为水的温差，℃；c 为水的比热容，取4.2 kJ/（kg·℃）。

将相关参数代入式（1）得：Q=210000 kJ。

250 kW 空压机的余热计算如式（2）所示。

式中：Q1为空压机电能转换为热能量，kJ；P 为空压机功率；η 为空压机电能转换为热能的功率百分比，取70%；λ 为电能转换为热能的系数，取3.6×103kJ/kW。

将相关参数代入式（2）得：Q1=630000 kJ。

每小时可加热水（温升50 ℃）量计算如下：

将相关参数代入式（3）得T=3.0 t。每天按运行16 h计算，一天可加热水（温升50 ℃）量48.00 t。

一台额定功率180 kW 的空压机余热每小时可加热水（温升50 ℃）量：与额定功率250 kW 的空压机同理计算，由于是变频机，加载负荷按70%计算，每小时可加热水（温升50 ℃）量为3.0 t×（180/250）×0.7=1.51 t。每天按16 h 计算，一天可加热水（温升50℃）量为24.16 t。

一台额定功率250 kW 空压机和一台额定功率180 kW变频空压机一天可产热水（温升50 ℃）约72 t。

如果改造3 台额定功率250 kW 空压机和一台额定功率180 kW变频空压机，每天可产热水（温升50 ℃）约168 t。

由于职工浴堂用水不具有连续性，需要将热水进行储存，因此，在空压站设热水储罐。热水通过保温管道即可输送到浴堂。所以，利用螺杆空压机的余热加热职工浴堂用水是可行的，而且还节约大量的能源。

3 空压机余热回收节能改造技术方案与实施

2021 年公司对空压站GA250（空冷机）和CA180（变频）两台螺杆空压机进行了余热回收节能技术改造[6]。

1）将热能回收机换热器安装在空压机内，换热系统与风冷系统能够实现手动和自动两种模式的相互切换，不需要进行热交换时（储水罐满水、热交换系统故障）应能自动切换到风冷状态，保障空压机的正常运行；同时也可以根据各种操作需要进行手动切换。

2）该余热回收系统水源来自企业供水管网，经除垢处理、计量后用于热交换。热水储存在空压站现有储水罐（4 只、每只有效水容积20 m3）内、储水罐及热水管道进行保温。

3）储水罐内的水温低于供水温度时，热水循环泵（2 台、1 用l 备）自动启动运行，将水送入到换热系统进行加热，达到供水温度时可以实现自动停止工作。

4）热水供应浴堂设3 台管道泵（流量20 m3/h、扬程40 m），1 用2 备，管道泵由变频器进行控制，根据预先设定的供水压力进行泵的启、停和运行状况调整，并具有休眠功能，满足用水需要。到浴堂的热水在空压站加计量装置。

5）对进入浴堂的热水进行温度检测，由于浴堂不是连续用水，当热水温度低于供水温度时，能够自动开启回流管路上的温控阀门，将低温水同流至储水罐内，减少水的损耗。

6）室外电气设备安设有防雨措施，根据占地情况，将现有储水罐防雨棚向北延长。

7）控制系统能够实现自动/手动操作，并考虑预留1 条热水供给管路的控制。

4 改造后取得的效果与展望

改造后的250 kW 空压机和180 kW 变频空压机，一天产热水约80 t，储水温度60 ℃左右，最高达到70 ℃。

热水满足该煤矿职工浴堂300 余人的洗澡用热水，每年可实现节约标煤52.7 t，节约费用97367 元，节约热水炉的维护费每年2.5 万元。每年共节约费用122367 元，并且减排氮氧化物约0.145 t。

由余热的利用，空压机冷却器排气温度降低、空压机运行温度降低，散热减少，空压机厂房内的空气温度降低，空压机进气温度降低，提高了空压机的效率，延长了使用寿命。螺杆空压机余热同收节能技术在山西某煤矿的成功应用，取得了显著的节能经济效益和较好的减排社会效益，为后期进一步推广奠定了基础。

5 结语

螺杆空压机热回收装置在山西某煤矿职工浴室中进行了实践应用，利用空压机余热回收系统提供满足洗浴要求的热水，可以完全替代燃煤锅炉房生产热水的职能。当螺杆空压机运行台数减少、负荷降低或加载时间减少情况下，空压机余热回收系统和热源备用系统仍能满足职工淋浴用水量的需求，不因空压机出力降低和台数减少而再次启用燃煤锅炉供热设备。非供暖期可以完全取代燃煤锅炉的使用，还减少锅炉房运行存在的安全风险，实现了“产煤不烧煤”的绿色目标。当前螺杆空压机在目前的市场上占有较大份额，只需进行适当的改造，可以提供品位较高的热源，用于锅炉进水预热、生活热水、空调供热等。山西某煤矿螺杆空压机热回收的成功实践，对于使用螺杆压缩机的企业进行节能减排工作，具有一定的借鉴意义，希望对广大正在寻求节能方向的企业有所帮助。