造紙廠空壓機余熱回收利用的設計與應用

黃萌潔

（廣州造紙集團有限公司，廣東廣州，511462）

壓縮空氣是工業領域中應用最廣泛的動力源之一，由于其具有安全、無公害、調節性能好、輸送方便等諸多優點，使其在造紙、鋼鐵、采礦、紡織等現代工業領域中應用越來越廣泛。產生壓縮空氣的空壓機是通過自身的機械運轉結構將電能轉化為機械能，機械能又轉化為空氣勢能，提供氣源動力[1-3]。在這一過程中，僅有15%的能量轉化為生產工作需要的空氣勢能，剩余85%的能量轉化為熱量[4]，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走[5]。這些油氣混合物經過分離，分別在各自的冷卻器（油冷卻器和氣冷卻器）中被冷卻介質（水或空氣）帶走，導致熱量浪費。空壓機運行油溫一般可達80～100℃[6]，空壓機出口排氣溫度也在80～100℃，利用好這些余熱，是企業節能減排的重要工作，可為企業創造良好經濟效益的同時創造良好的環境效益[7]。

空壓機余熱回收系統原理是在不改變空壓機原有工作狀態的情況下，將潤滑油路及熱空氣接至機組外部，采用余熱回收裝置對高溫潤滑油和熱空氣進行熱量交換，將油中及空氣中的熱能傳遞給水，用于生產熱水，實現熱能的利用[8-9]，如圖1 所示。簡單地說，加入余熱回收系統后，空壓機從單純的生產壓縮空氣變成既可以生產壓縮空氣又可以生產熱水。

圖1 空壓機余熱回收系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system

1 項目背景

本項目中的造紙廠位于珠江出海口附近，配置了7 臺壓縮空氣排氣量40 m3的250 kW 雙螺桿式風冷壓縮機。但每年有1/2 時間均是夏季的廣州，選擇風冷空壓機對環境溫度及空氣流向的情況考慮不足，使得該車間在夏季時空壓機排氣溫度常年超過100℃，很多時候甚至接近110℃，容易引起設備跳停。嘗試了很多方法，但不論增加多少強排風裝置作用均很小。另一方面，該車間生產工藝用水溫度約為55℃，因此一年四季補充進入系統的常溫清水均需要用蒸汽加熱至接近該溫度。一邊是空壓機的超高溫，一邊是溫水系統不斷對常溫清水加熱，這就使得空壓機余熱回收在該車間有實施的條件和必要。

2 余熱回收系統的設計

2.1 回收熱量及加熱水量計算

按照該造紙生產線設備配置的需要，7 臺空壓機中的6臺空壓機聯網使用，即通過壓力設定自動啟動停止；第7臺空壓機由生產工手動控制。在正常生產時，至少有3臺空壓機長時間加載運行；若紙幅斷紙需重新引紙時，或其他大用氣設備啟動時，聯網的6臺空壓機中其余的3臺空壓機檢測到壓力低于設定值自動啟動；第7 臺空壓機作為備用機，在聯網的6 臺空壓機有故障或者空氣壓力報警時手動啟動。按照此使用情況，需要給聯網的6臺空壓機均配置余熱回收裝置，并與空壓機設置啟動聯鎖，回收的熱量按照3臺24 h加載運行的空壓機進行計算。

改造6臺250 kW 空壓機，至少每天3臺24 h加載運行，加載率95%，余熱回收效率70%[10]；溫水系統出水溫度55℃。

1 臺空壓機1 h 所提供熱能：Q1=250 kW× 1 臺×95% × 70% × 1 h=166.25 kWh；1 臺空壓機1 h 可利用熱量Q'=166.25 kWh × 3.6 MJ=598.5 MJ（功率與熱量轉換1 kWh≈3600 kJ）；3 臺空壓機1 h 可利用總熱量Q=598.5 MJ×3臺=1795.5 MJ，具體如表1所示。

表1 3臺空壓機1 h可回收熱量計算Table 1 Calculation of 1 h recoverable heat of 3 air compressors

以進水溫度為20℃，出水溫度為55℃，溫差35℃，水比熱容4.2 kJ/(kg·℃)計算，理論上3 臺空壓機每天利用熱量可產熱水量為O2=1795.5 MJ÷35℃÷4.2 kJ/(kg·℃)×24 h/d=293.143 t/d，如表2所示。

表2 3臺空壓機每天可加熱水量計算Table 2 Calculation of daily heating water volume of 3 air compressors

2.2 余熱回收系統流程設計

結合該造紙生產線的空壓機實際配置使用情況，從水質、投資、補水量等方面考慮，具體余熱回收系統流程為：6 臺聯網的空壓機各配置1 套余熱回收裝置，用于回收空壓機熱油及熱空氣中的熱，然后通過一次熱交換將水加熱，這些熱水作為內循環水由循環水泵送至生產工藝溫水系統，與溫水系統的常溫清水進行二次熱交換，將內循環中的熱水熱能交換給清水，使得清水升溫，內循環中的熱水降溫再送回至余熱回收裝置作為冷水使用。內循環水系統配置一用一備2 臺熱介質循環水泵及1 個用于補水和穩定內循環水系統水量、壓力的水箱，余熱回收裝置與空壓機聯鎖，空壓機啟動余熱回收裝置啟動，整個系統配置一套閉式循環智能控制系統，便于控制。圖2為余熱回收系統流程圖。

圖2 余熱回收系統流程圖Fig.2 Flow chart of waste heat recovery system

此流程設計了2 個水系統，1 個為與溫水系統相連的水系統，從溫水系統的清水管接入，熱交換加熱后送入溫水系統的熱水池；1 個為內循環水系統，只在一次、二次熱交換器中不斷循環。該設計的優點是：所有的熱交換主要均由內循環水系統來完成，內循環是一個閉式循環，水耗小、補水量少，補水由自來水經軟化水設備（超濾過濾器）軟化處理后送入水箱；內循環的水質好，那么6套余熱回收裝置中的一次熱交換器、管道材料、循環泵均不需選用特殊的耐腐蝕材料；而用于二次熱交換兩側水質不同，一側是內循環水（軟水），一側是清水（普通水源水），需選用耐腐蝕的鈦板板式熱交換器。整個流程中只有一處設備配置需選用耐腐蝕材料，節約了項目的整體投入。缺點是：進行了2次熱交換，熱利用率會有所降低，熱損耗會加大。

2.3 余熱回收系統主要設備配置設計

2.3.1余熱回收裝置

每臺空壓機各配置1套余熱回收裝置安裝于空壓機油路上回收熱油熱量，1 套余熱回收裝置安裝于空壓機排氣口回收熱空氣熱量，余熱回收裝置是主要的熱回收裝置。一般內部熱交換器為釬焊式板式熱交換器或者管式熱交換器，各有優缺點。板式熱交換器交換效率高、空間小，但板片間距離窄、容易結垢。釬焊式的板式熱交換器無法拆開清洗，如熱交換器堵塞效率降低，最終只能整臺更換。管式熱交換器管徑大，不容易結垢，如果結垢也可拆開清洗，但交換效率偏低，占地較大。該項目選擇配置了列管式熱交換器的余熱回收裝置，表3、表4分別為油、氣部分余熱回收裝置技術參數表。從表3、表4中可以看到，換熱能力、產水量已經滿足需求，設備尺寸不大，從投用后的維護方面考慮選擇了此種余熱回收裝置。

表3 余熱回收裝置（油部分）技術參數表Table 3 Technical parameters of waste heat recovery unit(oil part)

表4 余熱回收裝置（氣部分）技術參數表Table 4 Technical parameters of waste heat recovery unit(air part)

2.3.2板式熱交換器

按照流程配置1 臺板式熱交換器用于內循環水系統與溫水系統的熱交換，為水-水熱交換。介質均是水，但水質不同，熱側為軟水水質，冷側為清水（經過濾的河水）水質，清水可能偶有氯離子含量高時，因此，材質選擇鈦板。由于6 臺空壓機可能同時啟動，那么回收的熱量最大值將達到3591 MJ，是1795.5 MJ 的2 倍，熱交換器需按照最大回收熱量及附加系數選擇。選擇的板式熱交換器技術參數如表5所示。

表5 板式熱交換器參數Table 5 Technical parameters of waste heat recovery unit

2.3.3循環動力設備

系統中高溫潤滑油循環利用原設備內高壓分的壓力作為動力源，外循環水系統利用原溫水系統水壓，內循環水系統配置一用一備2 臺7.5 kW 內循環熱水泵。內循環熱水泵技術參數如表6所示。

表6 內循環熱水泵技術參數Table 6 Technical parameters of internal circulation hot water pump

2.3.4管路系統

系統中內外循環水輸送采用不銹鋼管道，外套PVC 保護管，中間填充聚氨酯發泡保溫材料。外套PVC保護管解決了傳統的管道外加保溫棉容易老化的缺點，可在最低程度上減少介質在輸送過程中的熱量損失。

2.3.5膨脹水箱

為了補水及穩定內循環水系統水量、壓力，設計1 t 水箱，材料為內304 外201 不銹鋼，保溫層用聚氨酯發泡保溫材料。

2.3.6控制系統

余熱回收系統配備控制界面，在線顯示板式熱交換器冷、熱側進、出口水溫，顯示6臺余熱回收裝置實時運行狀態，并控制水泵順序啟動，水泵缺水時停泵報警，系統能自動定期試運行水泵，防止水泵長時間停止造成粘住，防止電機超電流、超溫、異常高壓等。

3 實施效果及經濟性分析

3.1 實施效果

完成改造后，冬季空壓機加載運行時排氣溫度從原來超過100℃降低至88～90℃，夏季空壓機加載運行時排氣溫度從原來超過105℃降低至92℃，空壓機故障跳停明顯減少；板式熱交換器冷水側出口溫度超過50℃，如圖3 所示，基本符合造紙工藝用溫水溫度。

圖3 余熱回收控制系統運行參數Fig.3 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system

從圖3 可以看出，內循環管道壓力為0.27 MPa，循環熱水泵正常運行，循環水泵基本達到額定流量50 m3/h，可以認為熱側水量為50 m3/h，S1熱側進出口溫差為：S1-S2=56.1℃-44.3℃=11.8℃，按照系統實際熱回收效率70%計算，回收熱量：Q=4.2×103kJ/(kg·℃) ×50 m3/h×11.8℃×70%=1734.6 MJ/h。

板式熱交換器吸熱與散熱量基本相等，S3冷側進出口溫差為：S4-S3=53.7℃-37.0℃=16.7℃，每臺空壓機可產工藝溫水量=1734.6 MJ/h÷16.7℃÷4.2×103kJ/(t·℃)=24.73 t/h，3 臺空壓機實際可生產工藝溫水量=24.73 t/h×24 h/d=593.52 t/d。

實際每天產工藝溫水比理論計算多，達到設計能力。

3.2 經濟性分析

目前正常生產空壓機開機數3臺，實際回收熱量為1734.6 MJ/h，轉換為功率值為：P1=1734.6 MJ/h÷3.6 MJ/kWh=481.83 kW；正常運行時有1 臺內循環水泵7.5 kW，3 臺1.5 kW 熱回收裝置完成熱回收工作，每小時回收的熱量功率與余熱回收系統設備運行電功率差為：481.83 kW-7.5 kW-3×1.5 kW=469.83 kW；每小時節約電能耗：469.83 kW×1 h=469.83 kWh；每天24 h 生產，按照電價0.6 元/kWh，每日節約電費：469.83 kWh×24 h/d×0.6 元/kWh=6765.55 元/d；扣 除紙機生產停機檢修時間，每月生產28 天，每月節約電費：6765.55 元/d×28 d ÷ 10000=18.94 萬元，如表7所示。

表7 每月節約電費計算Table 7 Monthly electricity saving calculation

本項目總投資費用為93 萬元（包含設備費、安裝費、稅費等），每月可節約電費18.94萬元。項目投資靜態回收期為0.41年。

4 結語

通過對造紙廠螺桿式空壓機余熱回收項目實際案例分析可見，工業余熱回收不僅降低了空壓機運行時的溫度，而且節約了加熱常溫水所需的熱能，為企業帶來了經濟效益。空壓機余熱回收無疑在造紙廠中有很好的應用前景，值得廣泛推廣。