一種空壓機余熱深度回收利用系統的研究

劉明軍 蘇盈賀 姜 金 曲豐遠 黃明碩

（松下制冷（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

空壓機廣泛應用于空分、化學合成、氣體輸送以及食品、藥品等工業領域，空壓機工作過程中消耗的大量電能只有15%的能量可以轉換為空氣勢能，剩下85%的能量只能轉換為熱能，最終通過風冷或水冷的方式交換到大氣中，造成了能源的浪費。本文對空壓機余熱深度回收利用系統進行研究，深度挖掘空壓機余熱資源，積極推進余熱技術利用，采取適合的解決方案，實現了余熱資源的有效利用，希望為今后的余熱深度回收利用及節能減排工作提供參考。

1 空壓機市場調研

1.1 空壓機的主要應用范圍

空壓機的應用領域十分廣泛，但是不同的行業對于空壓機的要求各不相同。空壓機的主要應用范圍如表1所示。

表1 空壓機的主要應用范圍

1.2 空壓機余熱調查

根據行業調查分析，空壓機系統運行費用占比如圖1所示。系統的初期設備投資及設備維護費用占總費用的23%，電能消耗（電費）占77%。

圖1 空壓機系統運行費用占比

根據空壓機的特性，空壓機運行時會產生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機組運行功率的85%，壓縮空氣勢能占15%，如圖2所示。通常這部分能量會通過機組的風冷或水冷系統交換到大氣中，因此，壓縮機的熱回收是持續降低空氣系統損耗，提高客戶生產力的必要手段。

1.3 不同種類空壓機的應用情況及其余熱分析

不同種類空壓機的應用情況及其余熱分析如表2所示。

1.4 不同種類空壓機的工藝流程介紹

（1）噴油螺桿空壓機：油冷卻熱量、后冷卻熱量較大，可進行回收，回收率達85%，其工藝流程如圖3所示。

圖2 空壓機運行時空氣勢能和熱能能量占比

圖3 噴油螺桿空壓機工藝流程

表2 不同種類空壓機的應用情況及其余熱分析

（2）無油螺桿空壓機：兩級冷卻熱量都可進行回收，回收率達93%，其工藝流程如圖4所示。

（3）離心空壓機：三級冷卻熱量都可進行回收，回收率達91%，其工藝流程如圖5所示。

（4）軸流空壓機：冷卻熱量可進行回收，回收率達85%，其工藝流程如圖6所示。

2 技術方案

為解決現有空壓機系統能源消耗大、運行成本高、污染環境等問題，提出一種空壓機余熱深度回收利用系統，空壓機的余熱熱源裝置與余熱深度回收利用系統雙向連接。余熱深度回收利用系統包括余熱取熱裝置、吸收式熱泵及輔助換熱器。余熱熱源裝置經余熱取熱裝置取出熱量并轉化為高溫余熱水。制冷工況下，余熱水接入吸收式熱泵，用作吸收式熱泵驅動熱源制取冷水，經輔助換熱器的低溫側輸出生活熱水；供暖工況下，余熱水接入吸收式熱泵，用作吸收式熱泵的驅動熱源，經輔助換熱器的高溫側進入吸收式熱泵降溫后回到余熱取熱裝置，供暖水經輔助換熱器換熱及吸收式熱泵升溫后輸出。空壓機余熱深度回收利用系統對空壓機余熱進行深度回收，實現了余熱資源的有效利用。

圖4 無油螺桿空壓機工藝流程

圖5 離心空壓機工藝流程

圖6 軸流空壓機工藝流程

2.1 噴油螺桿空壓機余熱回收方案

采用余熱取熱裝置和溴化鋰吸收式機組相結合的方式，回收噴油螺桿空壓機運行時的油冷卻熱量和后冷卻熱量，回收的余熱可用于夏季制冷、冬季供暖，實現了余熱資源的有效利用，提高了空壓機的運行效率，節省了制冷、供暖的能源消耗。噴油螺桿空壓機余熱回收方案如圖7所示。

2.2 離心空壓機余熱回收方案

采用余熱取熱裝置與余熱回收機組最佳匹配的方式，對離心式空壓機的各級壓縮熱量進行分段回收，這種余熱回收方式能夠實現能源的最大化利用，為國家的節能減排做出了突出的貢獻。離心空壓機余熱回收方案（夏季制冷/冬季供暖）如圖8、圖9所示。

3 空壓機余熱深度回收利用系統技術原理

制冷工況下，余熱取熱裝置的余熱水入口連接發生器的驅動熱源入口，發生器的驅動熱源出口連接輔助換熱器的高溫側入口，輔助換熱器的高溫側出口連接余熱水出口，輔助換熱器的低溫側入口與生活熱水入口管路連接，輔助換熱器的低溫側出口與生活熱水出口管路連接，吸收器及冷凝器中設置有冷卻水管路，蒸發器中設置有冷水管路。

供暖工況下，余熱取熱裝置的余熱水入口連接發生器的驅動熱源入口，發生器的驅動熱源出口連接輔助換熱器的高溫側入口，輔助換熱器的高溫側出口連接蒸發器的冷水入口管路，蒸發器的冷水出口管路連接余熱水出口，吸收器及冷凝器中設置有冷卻水管路，供暖熱水的一條支路連接輔助換熱器的低溫側入口，另一條支路連接冷卻水入口管路，冷卻水出口管路及輔助換熱器的低溫側出口管路匯流后連接供暖熱水出口管路。

圖7 噴油螺桿空壓機余熱回收方案

圖8 離心空壓機余熱回收方案（夏季制冷）

圖9 離心空壓機余熱回收方案（冬季供暖）

空壓機余熱深度回收利用系統有制冷工況、供暖工況可供選擇，夏季制冷工況運行時，可制取7～20 ℃的冷水及45～60 ℃的生活熱水，冬季供暖工況運行時可制取45～60 ℃的熱水，因此，不論夏季還是冬季均可實現余熱側大溫差換熱，回收的余熱可用于制冷、制熱、制取生活熱水，實現了余熱資源的有效利用。

4 經濟可行性分析

下文以某空壓機站為例，對噴油螺桿空壓機余熱回收方案進行經濟性分析。

（1）冬季供暖節省天然氣費用。采用空壓機余熱深度回收利用系統代替原有真空鍋爐，可提供供熱量400 kW（344 000 kcal），原有真空鍋爐供熱效率0.937，天然氣熱值8 500 kcal/Nm3，年供暖150天，每天運轉24 h，天然氣價格3.7元/Nm3，年節省天然氣耗量=供熱量÷鍋爐效率÷天然氣熱值×運行時間=344 000÷0.937÷8 500×150×24≈155 490 Nm3，年節省天然氣費用：155 490×3.7=575 313元。

（2）夏季制冷節省電費。采用空壓機余熱深度回收利用系統代替原有電制冷機組，可提供制冷量300 kW，原電制冷機組COP 為5.0，年制冷150天，每天運行16 h，電價0.8元/kWh，年降低耗電量=制冷量÷機組能效×運行時間=300÷5.0×150×16=144 000 kWh，年節省電費：144 000×0.8=115 200元。

（3）采用空壓機余熱深度回收利用系統后增加的電費。水泵耗電3.5 kWh，吸收式機組耗電3.6 kWh，年耗電量：3.5×（150×24+150×16）+3.6×150×16=29 640 kWh，年增加電費：29 640×0.8=23 712元。

（4）改造后年增加收益 ：575 313 +115 200 -23 712=666 801元。

（5）投資回收期。空壓機余熱深度回收利用系統投資包括油冷卻回收器、溴化鋰機組及系統，預計費用為125萬元。由此可見，實施改造投資回收期不到2年，經濟可行性高。

5 經濟效益與社會效益評價

空壓機廣泛應用于空分、化學合成、氣體輸送以及食品、藥品、工業等領域，空壓機工作過程中消耗的大量電能絕大部分轉化為熱能，最終通過機組的風冷或水冷系統交換到大氣當中，可回收熱能的能量占機組運行功率的85%以上。

某制藥公司有6臺離心式空壓機，總功率為7 200 kW，原散熱方式為水冷式散熱。改造安裝6套空壓機余熱深度回收利用系統及配套空壓機余熱回收專用制冷機組后，回收的余熱用于夏季制冷、冬季供暖。年回收余熱相當于標煤節省2 160 t，CO2減排5 280 t，SO2減排158 t，NOx減排79 t，年節省電費207萬元。離心空壓機余熱回收案例如圖10所示。

圖10 離心空壓機余熱回收案例

某公司空壓機站有噴油螺桿空壓機17臺，每臺空壓機功率為250 kW，總功率為4 250 kW，原散熱方式為水冷式散熱。改造安裝17套空壓機余熱深度回收利用系統及配套專用制冷機組后，其中13臺空壓機的熱水量即可滿足制冷工藝需求，其余4臺空壓機作為備用。回收的余熱用于夏季制冷，年回收余熱相當于標煤節省2 688 t，CO2減排6 570 t，SO2減排197 t，NOx減排98 t，年節省電費136萬元。噴油螺桿空壓機余熱回收案例如圖11所示。水

圖11 噴油螺桿空壓機余熱回收案例

6 市場前景

在我國大力發展“低碳經濟”的大趨勢下，能源的消費日益增長，能源節能性產品也日益受到關注，而在諸多領域空壓機余熱深度回收利用系統可以充分地利用空壓機余熱作為熱源，滿足建筑制冷、供暖及工廠工藝的需求，既節省了能源，又符合國家環保健康、可持續發展的能源政策的要求。

7 結語

采用空壓機余熱深度回收利用系統，一方面可將空壓機余熱進行回收利用，提高能源利用率；另一方面回收的余熱可用于夏季制冷、冬季供暖，夏季節省電力消耗，冬季節省天然氣消耗。本文通過對空壓機余熱深度回收利用系統的研究，實現了空壓機余熱資源的深度挖掘和有效利用，為今后的余熱深度回收利用及節能減排等方面的工作提供了參考。