煤礦離心式空壓機余熱回收利用系統的改造

孟全

(淮滬煤電公司 丁集煤礦， 安徽 淮南 230141)

0 引言

空壓機是煤礦企業的主要大型設備之一，在正常生產中具有連續運轉的特性。但空壓機的能耗較高，在產生壓縮空氣過程中用于增加空氣勢能所消耗的電能僅占總耗電量的15%，大約85%的電能轉化為壓縮空氣熱能，熱量作為副產品則通過冷卻系統排放到大氣環境中。如果將這部分余熱回收并有效利用可以給煤礦企業帶來巨大的經濟效益，降低生產成本。

從上世紀70年代以來，國內外學者和專家對空氣壓縮機余熱回收進行了大量的研究與運用，以期對空壓機中排放的大量熱能進行回收。1982年威萊姆弗.麥克雷斯提出空氣壓縮機廢熱回收，對英格索蘭50馬力以上壓縮機通過熱力計算得到的理論回收值[1]。針對螺桿式空壓機的熱回收技術較成熟，應用案例較多[2-5],但對離心式空壓機的熱回收技術及應用案例較少，英格索蘭提出對離心式空壓機的全級熱回收技術并取得應用[6-7]，開發了適用于多級離心機的高效熱能回收系統，綜合利用壓縮廢熱，通過換熱能向外界提供80 ℃～90 ℃的高品位熱源水。

本文針對淮滬煤電有限公司丁集煤礦3臺C950MX3HP型英格索蘭離心式空壓機，每臺空壓機功率為820 kW，壓風量為153 m3/min，其運行方式為2臺使用，1臺備用。考慮丁集煤礦職工的洗浴用熱水和空壓機低溫余熱的綜合利用，采用英格索蘭離心式空壓機熱回收系統[7]對空壓機進行余熱回收改造，利用高效換熱器、板式換熱器和可編程控制技術(PLC)對3臺空壓機冷卻系統進行改造，該系統經改造實際運行，其回收空氣壓縮過程中產生的熱量，用于員工的洗浴用熱水，取得了較好的效果。

1 離心式空壓機余熱利用原理

離心式空壓機的主要特點是氣量大,供氣穩定。其工作原理是氣體進入空壓機后，隨葉輪葉片高速旋轉并向葉輪出口流動，空氣的壓力和動能不斷提高，然后在擴壓器作用下，壓力進一步提高，再經過彎道、回流器流入下一級葉輪進一步壓縮，從而不斷提高氣體壓力。

針對多級離心式空壓機的特點，英格索蘭離心式空壓機熱回收系統采用全級熱回收，即對每級壓縮熱都進行熱回收。采用高效換熱器實現空壓機余熱的回收，同時保證空壓機的冷卻，利用二次換熱系統和熱量輸運系統，實現壓縮廢熱到70℃高品位熱水的轉化，并應用于員工的洗浴用水，實現了離心式空壓機壓縮廢熱的高效回收利用。

2 離心式空壓機余熱利用方案

離心式空壓機余熱回收的同時兼顧離心式空壓機的可靠性、運行性能、熱回收效率這三方面要求。英格索蘭多級離心機的高效熱能回收系統包含3個子系統,即熱量交換系統(高效換熱器);熱量輸送系統(二次換熱)；可編程控制系統(PLC)。圖1是3臺三級壓縮的離心式空壓機熱回收系統流程圖。

圖1 離心式空壓機熱回收系統流程

1) 在離心式空壓機的第一級、第二級和第三級分別設置了高效換熱器。通過一次閉式循環系統實現對空壓機熱量的回收，其循環水要求必須是經過處理的軟化水或除鹽水。高效換熱器是離心式空壓機熱量交換系統的核心部件，如圖2所示，用于替代原離心壓縮機的內置式冷卻系統。通過專門設計的換熱流程，將每級壓縮后的空氣和循環水進行熱交換，獲得高品質的90 ℃熱源水，為確保壓縮空氣品質，獨特的內部設計能充分分離并析出冷卻過程產生的冷凝水。

2) 板式換熱器是熱量輸送系統(二次換熱)的主要設備，如圖3所示。主要是實現高溫熱源水與洗浴用水的換熱，由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點，熱回收率可高達90%以上。

圖2 高效換熱器

圖3 板式換熱器

3) PLC控制模塊采用程序邏輯控制器。采用彩色液晶顯示屏，主要控制循環水泵的啟停，系統補水，同時監測系統各處水溫和水壓，控制系統安全、可靠、使用廣泛。

3 經濟效益分析

離心式空壓機熱回收系統經改造后,其運行參數如表1所示。其系統運行平穩，實現了對空壓機余熱的綜合高效利用，替代了員工洗浴用的鍋爐，節約了能源。

表1 空壓機熱回收系統運行參數表

產水量要求(冬季環境溫度≥2 ℃)按2臺機組滿負荷運行計算。員工洗浴用水的溫度從平均20 ℃升至70 ℃計算，每天回收熱量約為1.0億kJ。改造前員工洗浴用水采用燃煤鍋爐加熱，燃用煤的發熱量平均為3 800 kcal/kg,按燃燒效率回收熱量60%計，則可節約燃煤約11 t/d，可節約4 000 t/d燃煤，則每年可節約費用約200萬元。

4 結論

離心式空壓機在產生壓縮空氣過程中產生大量的余熱，將這部分余熱回收并有效利用能給煤礦企業帶來巨大的經濟效益。考慮丁集煤礦職工的洗浴用熱水和空壓機低溫余熱的綜合利用，采用英格索蘭離心式空壓機熱回收系統對3臺空壓機冷卻系統進行余熱回收改造，回收空氣壓縮過程中產生的熱量，用于員工的洗浴用水加熱。改造后系統運行平穩，每年可節約費用約200萬元。