淺談螺桿空壓機熱能的回收利用

蔣恒波 彭曙明 羅康福

摘 要：通過對空壓機熱能回收原理的描述和熱能回收的計算分析，結合實例，探討了空壓機熱能回收機組在節能、降耗、減排等方面的效益及其廣闊的應用前景，并提出了項目實施的若干建議。

關鍵詞：空壓機;熱能回收;節能;減排

0 引言

壓縮空氣所應用的行業范圍非常廣泛，幾乎涉及石化、冶金、機械、國防、電子、科研、食品、醫藥等工業生產的各個領域。在制藥企業中，它主要用于儀器儀表的自動控制以及物料輸送、氣流粉碎等工藝生產過程中。

螺桿空壓機是一種將電能轉化為機械能，再將機械能轉化為風能的設備。在這個能量轉化的過程中，設備會產生大量的熱能，一是來源于空氣壓縮時因體積縮小而導致的溫度升高，這是機械能轉化過程中一種普通的物理現象;二是機械螺桿高速運轉與氣體摩擦而產生的熱量。這些熱量通過空壓機潤滑油這個載體，作為廢熱經散熱排風機排至周圍環境中，不僅污染環境，還會對設備正常運行造成安全隱患。具體表現在：首先，空壓機在高速運行的狀態下，產生大量的熱能，潤滑油溫度一般會高于90 ℃，空壓機的散熱風機基本上處于連續運轉狀態，增加了電力的無謂消耗和設備的運行成本;其次，空壓機潤滑油長期在高溫狀態下使用，與金屬以及氮氧化物、硫化物產生氧化反應會生成酮、酸等化學物及含氧不溶物;最后，由于被壓縮的空氣中含有水分，潤滑油和水高溫混合而生成乳狀物，使得空壓機得不到充分的潤滑，降低了潤滑油的潤滑效果，增加了設備的故障發生率，體現在設備的維護保養上，必須縮短潤滑油的使用更換時間，增加了設備的維修保養費用。

1 空壓機熱能回收的原理

空壓機熱能回收轉換機組是根據熱能轉換原理將空壓機高溫潤滑油中所含熱量回收轉移到飲用水中（圖1）。該設備的主體就是一臺換熱器，將空壓機的高溫潤滑油導出，和常溫飲用水分兩路進入換熱器，潤滑油經換熱器換熱降溫后再回到空壓機油桶用于設備冷卻，飲用水經換熱器吸收熱量升溫后進入不銹鋼儲熱保溫水箱，實現一次換熱，經過反復循環換熱，可達到需求溫度（55～70 ℃，可自行設定），當回收的熱量不夠時也可以通過保溫水箱的電加熱管來輔助加熱。當保溫水箱的熱水達到設定的高水溫時，水箱的飲用水閥自動開啟補水，熱能回收機組的熱水電動閥自動關閉，停止產水，處于待機狀態;空壓機的潤滑油達到高溫時，散熱排風機自動開啟來降低油溫。當保溫水箱達到設定的低水溫時，熱水補水電動閥自動打開，熱能回收轉換機組繼續工作，產出熱水輸送到水箱。

2 空壓機熱能回收的情況分析

按照設計院的初步設計方案，江中藥業新建項目的壓縮空氣總需求量為60 m3/min，需配置3臺20 m3/min、電功率110 kW的螺桿空壓機。

根據熱量公式進行計算：

Q=CmΔt

式中：Q為熱量（kcal）;C為水的比熱容，C=1 kcal/（kg·℃）;m為水的質量（kg）;Δt為水的溫度變化（℃）。

在此設定飲用水溫度為常溫25 ℃，經吸熱后的熱水溫度為65 ℃，Δt=40 ℃。那么，1 t水升高40 ℃需吸收熱量Q=1×1 000×40=40 000 kcal。

經與相關企業交流及測算，空壓機在運行過程中產生的余熱量Q1=空壓機電機實際功率（kW）×70%（額定制熱率，與空壓機的加載率和使用時間有關，一般每天使用16 h以上且加載率不低于90%，可以達到70%）×80%（熱回收率）×860 kcal/（kW·h）（電熱值）=110×3×70%×80%×860=158 928 kcal/h，則可以產生熱水量M=余熱量Q1/Q=

158 928÷40 000≈4 t/h。新建項目為兩班制生產，按每天15 h計算，利用回收空壓機熱量可日產熱水60 t。

年回收的熱量換算成電量=Q1÷860 kcal/（kW·h）×15 h×220 d/a≈60.98萬kW·h/a，電費按0.7元/（kW·h）計，折算成每年節省電費為60.98×0.7≈42.7萬元。

此外，上述換算的電量60.98萬kW·h/a折合成標煤，減排效果十分明顯，如表1所示。

3 案例應用介紹

基于以上情況分析，為節約能源，遵循綠色制造理念，同時為了改善工作場所的工作環境，保障設備的正常運行，通過前期調研以及與相關企業的交流，在新建項目的空壓機房中增加了空壓機熱能回收轉換機組，配套3臺循環水泵（兩用一備）、1臺15 t的不銹鋼保溫儲罐（帶輔助電加熱）及發泡保溫循環管道（約800 m），總投資約50萬元，投資回收期50÷42.7≈1.2年，非常具有投資價值。

空壓機熱能回收轉換機組產生的熱水可用于工藝生產、暖通或作為生活熱水用于員工淋浴。以員工淋浴為例，在該項目中，全公司總定員為910人，其中生產定員為680人;宿舍樓為5層建筑，可入住220人。現暫按每天淋浴人數700人、每人次用熱水50 L計，每天需用熱水35 t。還有另外一部分熱水約25 t，可用于車間的中藥提取工藝生產或空調制熱。

此外，原初步設計中，淋浴用水采用太陽能熱水器。經詢價，空壓機熱能回收機組的使用可節約宿舍樓和生產車間熱水器的投資約108.5萬元，同時減少了太陽能熱水器的屋頂面占用面積，更有利于屋頂光伏發電項目的實施，產生更多的光伏發電收益。

4 建議

綜上所述，采用空壓機熱能回收轉換機組可以獲得以下效益：

（1）節約能源。不同于其他產熱設備，空壓機熱能回收轉換機組無須任何燃料就能得到熱水，同時安裝該設備后，空壓機的潤滑油油溫得以降低，散熱排風機可以在絕大部分時間停止運行，因此，在節能的同時還節省了電力費用。

（2）有利于設備保護保養。安裝該機組后，空壓機可以在最適合的運行溫度下運行，潤滑油的溫度能穩定在75～85 ℃，減少了潤滑油氧化物、乳化物的產生，空壓機的工作效率得以提高，使用壽命得以延長。

（3）減排。從表1可以看到，項目的實施，每年可減少二氧化碳排放超過440 t，因此，建議有條件的企業能積極考慮空壓機熱能回收設備的使用，以達到節能降耗、精益生產的目的，進一步提高企業的經濟效益和社會效益。

在有些企業中，空壓機是根據壓縮空氣的使用量在各車間分開布置，這樣布置并無不妥，可以減少管道投資和壓縮空氣的管損，但如果考慮實施空壓機熱能回收，建議在新建或改造項目中，空壓機還是盡可能集中布置，這樣可以減少熱能回收設備的投資成本，同時有利于全公司壓縮空氣的統籌調度使用。

對于新建項目，前期可能因用氣設備少，空壓機不能滿負荷運行或運行時間短、間歇時間長，所產熱量少，導致熱水產量少或溫度不足，此時由熱水罐自帶的電加熱管負責加熱;而當熱水罐達到設定溫度時，空壓機散熱排風機會自動開啟來降低壓縮機油溫，這樣就會進一步降低余熱回收量，同時消耗電能。因此，建議空壓機熱能回收設備應分期逐步增加完善。

此外，熱水循環管道越長，熱量損失越多，因此空壓機房的設置與熱水使用點的距離應盡可能縮短。

5 結語

空壓機熱能回收轉換機組由于無須任何燃料，因此不會產生環境污染，同時能變廢為寶;由于空壓機熱能回收機組的使用，相當于減少了鍋爐等熱力設備的燃料消耗以及由此產生的煙塵、粉塵和氮氧化物等污染物的大氣排放，可以達到低碳、節能、減排的目的，非常符合我國的能源環保政策，也有利于實現碳達峰、碳中和的戰略目標。空壓機回收利用的熱量，除了用于生活熱水制備外，還可用于空調采暖、工藝生產。因此，空壓機熱能回收轉換機組的應用前景必將十分廣闊。

收稿日期：2021-09-08

作者簡介：蔣恒波（1992—），男，江西南昌人，助理工程師，從事制藥生產和設備管理工作。