常村煤礦空壓機余熱回收研究與應用

李鑫，常紅，高旭，陸曉科

（1.山西潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000；2.山西潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000；3.綠派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

常村煤礦空壓機余熱回收研究與應用

李鑫1，常紅2，高旭3，陸曉科3

（1.山西潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000；2.山西潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000；3.綠派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

空壓機的使用是煤礦生產過程中不可或缺的一部分。螺桿空壓機長期連續的運行過程中會產生大量的熱能，通常通過自帶冷卻系統散熱排放，沒有進行回收利用，造成了余熱浪費。常村煤礦通過開展空壓機余熱回收利用的研究，利用冷熱交換原理，將空壓機余熱充分收集起來，可加熱水至預設溫度供給職工洗浴，最終取代10 t燃煤小鍋爐熱水供應方式，減少我礦自用煤消耗量及空氣污染，節省鍋爐運轉所產生的各項費用，同時，有效降低了空壓機運行溫度，對我礦節能降耗、環境保護等工作具有極其重要的意義。

煤礦；空壓機余熱回收；替代鍋爐

1 常村礦空壓機余熱回收改造的基礎條件

1.1 設備基本情況

常村煤礦現有空壓機站兩個，其中，井口空壓機站擁有250 kW螺桿空壓機5臺，洗煤廠空壓機站擁有250 kW螺桿空壓機8臺，共計13臺。

1.2 熱水使用情況

常村礦目前熱水使用地點主要有職工澡堂、社區澡堂、招待所食堂等，每日消耗的熱水量在1 500 t左右。目前提供熱水方式是，夏季采用一臺10 t鍋爐提供；冬季通過35 t供暖鍋爐提供，年消耗煤炭超過7 000 t。

2 空壓機余熱回收原理及試驗論證

2.1 空壓機余熱回收裝置的技術背景

螺桿式空壓機長期連續的運行過程中，把電能最終會轉化成大量的熱能，這些熱能都通過空壓機自身散熱系統，被無端地廢氣排往大氣中。近年，空壓機的余熱利用越來越被人們所重視，有一些廠家開發的空壓機余熱回收的產品也能利用部分熱能，但這些產品并沒有作針對煤礦的專項設計，它們運行的實用性、經濟性、可靠性、安全性和效率都有待提高。

2.2 本次改造流程圖解

通過在螺桿式空氣壓縮機中加裝余熱回收設備，根據冷熱交換原理，將空壓機運行中的高溫熱能，收集利用起來，加熱為35~70℃熱水（圖1）。

圖1

2.3 空壓機余熱回收裝置熱量回收效率試驗研究

為對空壓機余熱回收效率進行論證，特安排本礦空壓機進行如下測試，并得到了相關試驗數據。

空壓機回收效率論證

（1）空壓機基本參數

型號：GA250 最高工作壓力：0.85 MPa

輸入功率：250 kW 排氣量：40 m3/min

額定電壓：380 V 額定轉速：1 489 r/min

（2）空壓機產生的熱量

空壓機產生的熱量主要包括三個部分：壓縮空氣產生的熱量、輸電熱損以及機械摩擦熱量。

（3）可回收的熱量

考慮到在做空壓機余熱回收時，不對壓縮機排氣產生影響，我們只回收冷卻油里的熱量高，經實際測得：

進油溫度T1:

1#機60.2oC 2#機56.6oC

3#機(備用) 4#機65.5oC

5#機54.7oC

平均：59.25oC

出油溫度T2:

1#機84.4oC 2#機81.1oC

3#機(備用) 4#機99.4oC

5#機78.8oC

平均：85.925oC

M——壓縮機頭噴油量223（kg/min）

C——螺桿油比熱 0.45（大卡/kg.℃）

根據熱力學公式，每小時油中含有熱量：

=0.45×223×(60×92%)×(T2-T1)

=0.45×223×（60×92%）×26.675

=147558.8大卡

空壓機做工產生的能量轉換熱量為：

25 0kW×860×92%=1 978 000大卡

其中，860——系數；1 KWH=860大卡；92%——加載率。

回收效率=回收能量（油中熱量）/空壓機做工產生能量轉換熱量：147558.8/1978000=0.746

因此可回收的熱量約占空壓機軸功率的74.6%，余熱回收率（含熱輻射損耗）為94%，則實際可回收的功率占空壓機軸功率的：74.6%×94%=70%。

2.4 空壓機回收熱量實際測試結果

空壓機加載率實際測得為90%，實際可回收效率經前面論證為70%，以下為理論單臺空壓機回收量如表1所示。

表1

自設備安裝運行后共進行了多次測試，分別進行了多個層次的溫升試驗，試驗結果如表2所示。

表2

結論：通過以上兩個表格的對比，空壓機余熱回收效率可達到理論回收效率，甚至略高。由此證明，空壓機余熱回收關鍵的回收效率是可以保證的，從油溫的理論論證到實際回收熱值的分析都證明了此點。

3 常村礦空壓機余熱回收改造實施方案

3.1 改造思路

通過安裝余熱回收裝置，對13臺空壓機全部進行改造，并將回收熱量轉化成澡堂洗浴等生活所需熱水，經新敷設保溫管路輸送到澡堂水塔后，供給各熱水使用地點。綜合其他節能和補水措施，取代現在使用的10 t燃煤鍋爐。對于夏季空壓機檢修時熱水提供問題，根據實際開機臺數，需要提前協調熱泵及鍋爐的使用。

3.2 改造方案

針對常村礦現有井口和洗煤廠兩個壓風機站，提出此如下改造方案，即：首先分別在井口5臺空壓機邊設置余熱回收裝置，并于空壓機房北側建儲水箱和控制機房。利用現有管溝敷設余熱利用回收系統管路至供暖隊儲水池，并入供暖隊現有冷、熱水供水系統。然后分別在洗煤廠8臺空壓機邊設置余熱回收裝置，于附近建儲水箱和控制機房。利用現有管溝敷設余熱利用回收系統管路至供暖隊儲水池，并入供暖隊現有冷、熱水供水系統，如圖2所示。

4 常村礦空壓機余熱回收技術針對性特點

4.1 空壓機余熱交換溫度電控技術

因根據熱水使用端熱水溫度需求不同，故需要對回收余熱的溫度進行控制。解決方案由一個溫度調節閥對壓縮機的油流量進行控制，并通過控制面板實現溫度的可目視數字化控制，從而確保了溫度的調節和空壓機壓縮機的最佳運行。

圖2 改造基本原理圖

4.2 設備自動化控制研究

空壓機余熱回收電氣控制系統，是針對煤礦空壓機余熱回收設備專門開發的一套控制系統，其具有以下特點：

（1）空壓機熱回收系統的泵站水泵自動、手動控制。

（2）空壓機熱回收系統相關溫度、壓力、水位檢測并實時顯示。

（3）與空壓機系統之間的連鎖控制。

（4）系統的無人值守、自動控制。

4.3 保溫水箱保溫效果研究

余熱回收系統采用循環加熱效果，且常村煤礦洗浴時段不同，設計有保溫水箱，其保溫層采用50 mm超厚橡塑保溫層，全自動整體發泡技術一次成型，內外雙層采用SUS304不銹鋼板精工模壓而成。

經試驗保溫時限為10~30℃下24h內靜止狀態下降溫在5 ℃以內；-10~10℃下24h內靜止狀態下降溫在10℃以內。

4.4 板式換熱器二次循環技術

根據調研，常村礦洗浴用水為深井水，礦物質含量高，經高溫加熱后容易出現結垢的現象，而余熱回收裝置作為一體機，拆卸清洗比較困難，且影響正常工作。因此，加入二次板換系統，增加一條純凈水和生活用水熱交換的工序，把結垢問題放在二次循環上，有效解決了結垢的問題。

4.5 二次循環軟化水設備及工藝

常村礦洗浴用水即屬于深井水，在上文中提到需要進行純凈水和深井水之間進行二次交換，因此需要設備解決一次交換中純凈水需求，利用納米晶產生的高能量，把水中游離的鈣、鎂、碳酸氫根離子打包成納米級的晶體，從而阻止游離離子生成水垢。

5 社會與經濟效益分析

5.1 總述

經過1年多的研究與實踐，常村煤礦空壓機余熱回收技術研究與應用成功，解決了常村煤礦空壓機余熱浪費的問題，保障了空壓機的正常運行，結合了熱泵與節水之后，替代原有10 t燃煤鍋爐，使常村煤礦取得了顯著的經濟效益和社會效益。消除了各級領導和工程技術人員對空壓機回收效率及使用安全方面的顧慮，同時有效緩解了長期以來一直困擾常村煤礦的空壓機夏季高溫停機的問題，且取得了顯著的經濟效益。

5.2 應用效果

決定空壓機余熱回收產水量的主要因素有進水溫度、出水溫度、空壓機運行數量、加載率等，現就運行臺數9臺（加載率91%）的情況下說明，具體參見表3。

表3

5.3 社會及經濟效益

產生經濟效益537.06萬元/年。

空壓機余熱回收，輔助以熱泵及節水措施，可以取代10 t鍋爐提供熱水，用于職工洗浴。大幅度減少常村煤礦自用煤消耗量、燃煤造成的環境污染及鍋爐運轉費、維修費、折舊費等各項費用，同時可以降低空壓機運轉溫度，保障空壓機正常運轉。

5.4 產生社會效益

（1）年減少CO2排放量12 889 t，相當于36公頃森林1年吸收的CO2量。

（2）年減少SO2排放量121 t，相當于168公頃柳杉林1年吸收的SO2量。

（以上數據以標煤計算）

5.5 推廣價值

（1） 空壓機熱能回收性強。經過理論及實踐的論證，在空壓機負載率100%的情況下，可實現回收空壓機軸功率的70%。熱水產量可達約800t/日，搭配水源熱泵最終替代10 t鍋爐提供熱水。

（2）有效降低空壓機運行溫度。根據對比，改造前空壓機運行平均溫度在90℃左右，改造后，空壓機運行平均溫度降低至70℃左右，有效降低了空壓機運行溫度，杜絕空壓機高溫運行隱患，延長空壓機壽命。

（3）空壓機余熱回收系統自動化程度高。通過空壓機余熱回收裝置對進出水溫的控制，以及對保溫水箱、水塔水位和水溫條件的精準控制，可實現根據實際需要設置溫度等技術參數，進而達到自動控制、自動補水的目的，充分考慮到了實際供水狀況，自動化程度高。

（4）可推廣性強。煤礦企業具有以下特性：數量較多的空壓機、職工洗浴的熱水需求、國家對礦用鍋爐控制收緊。另外空壓機余熱回收運行費用極低，因此扎根于常村煤礦進行的本次研究，具有極高的可推廣性。

[1] 毛寶霞，趙金明，張豪. 礦用空壓機空氣系統余熱回收的應用[J]. 中州煤炭，2010,8.

[2] 陸振乾，生兆昆. 空氣壓縮機熱能回收原理及應用效果[J]. 棉紡織技術，2011,39(2)

[3] 王曉璐. 無油螺桿空氣壓縮機熱回收系統的研究與開發[J]. 通用機械，2011,9.

TD443.2

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