螺桿空壓機熱回收裝置在煤礦中的應用

于世勇

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區 110172；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈撫示范區 110172）

0 引言

螺桿空壓機是一種通用機械，是工業領域中最為廣泛應用的第四大工質能源。在大多數生產工廠中，壓縮空氣的能源消耗占全部能源消耗的10%～35%。對于螺桿空壓機來說，其輸入能源的80%左右將轉化為壓縮熱，并由各種冷卻器帶走，排放到環境中，這些熱能并沒有得到很好的利用[1-3]。如果可以根據相應類型壓縮機的結構和原理，適當地進行改造，將其熱量回收，結合工廠實際情況將這些熱源進行利用，那么就可以變廢為寶，減少用于其他用途加熱的燃料消耗量，具有較好的節能降耗效果。

1 工程概況

山西某煤礦是山西省資源整合樣板礦，整合后井田面積為8.3236 km2，核定生產能力為270 萬t/a。礦井為斜井開拓，共有三條井筒，其中主斜井斜長為1098 m、傾角為16°，擔負全礦井煤炭提升及人員運送任務；副斜井長為563 m、傾角為23°，采用單鉤串車，擔負全礦井除人員外的輔助提升任務；另一條是回風斜井，傾角為8°～25°，擔負全礦井回風任務。

通過對山西某煤礦2020—2021 年職工浴堂用煤、用水情況進行了調查分析，該煤礦職工浴堂年耗煤達到308.4 t，折合費用達65 萬元，占公司2020 年總能耗的比例達到3.03%，總能耗占比高。為了降低該煤礦職工浴堂能耗費用和提高螺桿空壓機工作效率，通過技術論證，應用余熱回收節能技術對2 臺螺桿空壓機進行余熱回收利用節能技術改造，回收的余熱加熱水，供煤礦職工浴堂使用，可滿足該煤礦300余人的洗澡用水需求，可實現每年節約標煤52.7 t。從而可以淘汰該煤礦職工傳統鍋爐加熱模式，還可實現每年節約設備維護費2.5 萬元，同時可減少鍋爐操作維護人工費用，具有較好的社會經濟效益。

2 螺桿空壓機的能源消耗及熱能回收節能技術分析

通過統計分析研究，噴油螺桿式空壓機由于本身的設計結構和工作原理決定在額定工況下運行時只有30%的電能轉化為壓縮空氣的勢能，其余70%的電能以熱量的形式被冷卻水帶走或排入大氣，冷卻水的循環利用和降溫還要消耗大量電能，大量的熱空氣排入空壓機站房內使大氣溫度升高，溫度升高的空氣作為空壓機的加工氣源會使其效率下降，消耗的電能增加。高速運轉的空壓機排氣溫度高達90～105 ℃，導致更多的潤滑油處于氣相，不但增加了油氣分離的難度，同時還降低了潤滑油的使用壽命和供氣品質[4-5]。

由于螺桿空壓機所產生的熱量94%通過高溫氣體及潤滑油中排出，因此，螺桿空壓機的熱能具有很大的回收價值，利用熱能回收裝置在不改變機組原有性能的情況下，對空壓機的余熱進行回收，回收的熱能可轉換成65 ℃左右的高溫熱水，供職工浴堂使用，也可用于鍋爐補水、采暖、洗滌等。

該煤礦空壓站共有螺桿空壓機7 臺，額定功率為1680 kW，其中額定功率250 kW 的6 臺，額定功率180 kW 的變頻機1 臺。

一臺額定功率250 kW 的空壓機余熱每小時可加熱水（溫升50 ℃）量：

加熱溫升50℃的1t 水所需熱量計算如式（1）所示。

式中：Q 為熱能量，kJ；W 為水的質量；Δt 為水的溫差，℃；c 為水的比熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）。

將相關參數代入式（1）得：Q=210000 kJ。

250 kW 空壓機的余熱計算如式（2）所示。

式中：Q1為空壓機電能轉換為熱能量，kJ；P 為空壓機功率；η 為空壓機電能轉換為熱能的功率百分比，取70%；λ 為電能轉換為熱能的系數，取3.6×103kJ/kW。

將相關參數代入式（2）得：Q1=630000 kJ。

每小時可加熱水（溫升50 ℃）量計算如下：

將相關參數代入式（3）得T=3.0 t。每天按運行16 h計算，一天可加熱水（溫升50 ℃）量48.00 t。

一臺額定功率180 kW 的空壓機余熱每小時可加熱水（溫升50 ℃）量：與額定功率250 kW 的空壓機同理計算，由于是變頻機，加載負荷按70%計算，每小時可加熱水（溫升50 ℃）量為3.0 t×（180/250）×0.7=1.51 t。每天按16 h 計算，一天可加熱水（溫升50℃）量為24.16 t。

一臺額定功率250 kW 空壓機和一臺額定功率180 kW變頻空壓機一天可產熱水（溫升50 ℃）約72 t。

如果改造3 臺額定功率250 kW 空壓機和一臺額定功率180 kW變頻空壓機，每天可產熱水（溫升50 ℃）約168 t。

由于職工浴堂用水不具有連續性，需要將熱水進行儲存，因此，在空壓站設熱水儲罐。熱水通過保溫管道即可輸送到浴堂。所以，利用螺桿空壓機的余熱加熱職工浴堂用水是可行的，而且還節約大量的能源。

3 空壓機余熱回收節能改造技術方案與實施

2021 年公司對空壓站GA250（空冷機）和CA180（變頻）兩臺螺桿空壓機進行了余熱回收節能技術改造[6]。

1）將熱能回收機換熱器安裝在空壓機內，換熱系統與風冷系統能夠實現手動和自動兩種模式的相互切換，不需要進行熱交換時（儲水罐滿水、熱交換系統故障）應能自動切換到風冷狀態，保障空壓機的正常運行；同時也可以根據各種操作需要進行手動切換。

2）該余熱回收系統水源來自企業供水管網，經除垢處理、計量后用于熱交換。熱水儲存在空壓站現有儲水罐（4 只、每只有效水容積20 m3）內、儲水罐及熱水管道進行保溫。

3）儲水罐內的水溫低于供水溫度時，熱水循環泵（2 臺、1 用l 備）自動啟動運行，將水送入到換熱系統進行加熱，達到供水溫度時可以實現自動停止工作。

4）熱水供應浴堂設3 臺管道泵（流量20 m3/h、揚程40 m），1 用2 備，管道泵由變頻器進行控制，根據預先設定的供水壓力進行泵的啟、停和運行狀況調整，并具有休眠功能，滿足用水需要。到浴堂的熱水在空壓站加計量裝置。

5）對進入浴堂的熱水進行溫度檢測，由于浴堂不是連續用水，當熱水溫度低于供水溫度時，能夠自動開啟回流管路上的溫控閥門，將低溫水同流至儲水罐內，減少水的損耗。

6）室外電氣設備安設有防雨措施，根據占地情況，將現有儲水罐防雨棚向北延長。

7）控制系統能夠實現自動/手動操作，并考慮預留1 條熱水供給管路的控制。

4 改造后取得的效果與展望

改造后的250 kW 空壓機和180 kW 變頻空壓機，一天產熱水約80 t，儲水溫度60 ℃左右，最高達到70 ℃。

熱水滿足該煤礦職工浴堂300 余人的洗澡用熱水，每年可實現節約標煤52.7 t，節約費用97367 元，節約熱水爐的維護費每年2.5 萬元。每年共節約費用122367 元，并且減排氮氧化物約0.145 t。

由余熱的利用，空壓機冷卻器排氣溫度降低、空壓機運行溫度降低，散熱減少，空壓機廠房內的空氣溫度降低，空壓機進氣溫度降低，提高了空壓機的效率，延長了使用壽命。螺桿空壓機余熱同收節能技術在山西某煤礦的成功應用，取得了顯著的節能經濟效益和較好的減排社會效益，為后期進一步推廣奠定了基礎。

5 結語

螺桿空壓機熱回收裝置在山西某煤礦職工浴室中進行了實踐應用，利用空壓機余熱回收系統提供滿足洗浴要求的熱水，可以完全替代燃煤鍋爐房生產熱水的職能。當螺桿空壓機運行臺數減少、負荷降低或加載時間減少情況下，空壓機余熱回收系統和熱源備用系統仍能滿足職工淋浴用水量的需求，不因空壓機出力降低和臺數減少而再次啟用燃煤鍋爐供熱設備。非供暖期可以完全取代燃煤鍋爐的使用，還減少鍋爐房運行存在的安全風險，實現了“產煤不燒煤”的綠色目標。當前螺桿空壓機在目前的市場上占有較大份額，只需進行適當的改造，可以提供品位較高的熱源，用于鍋爐進水預熱、生活熱水、空調供熱等。山西某煤礦螺桿空壓機熱回收的成功實踐，對于使用螺桿壓縮機的企業進行節能減排工作，具有一定的借鑒意義，希望對廣大正在尋求節能方向的企業有所幫助。