煤矿空压机余热高效利用技术应用研究——以李家壕煤矿为例

李 明,常 艇,张立忠,董甲武

(1.国能包头能源有限责任公司煤炭洗选中心，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000;2.北京中矿博能节能科技有限公司，北京市朝阳区，100102)

随着社会经济的高速发展，能源需求量与日俱增，发展清洁高效的新能源也成为各行各业的首要任务。空压机是一种用来压缩气体以提高气体压力的机械设备，空压机在工业生产中广泛应用，主要担负着为各种气动阀门和气动工具等提供气源的职责。

煤矿企业主要使用的是喷油螺杆式空压机。螺杆式空压机在压缩空气的过程中有将近90%的电能转换成热能，通过冷却系统的散热器排散到大气中，造成能源的浪费和相关污染。提高空压机运行性能，同时将其余热回收加以利用可作为煤矿企业的清洁能源之一，既能降低能源消耗，又可减少污染物的排放，可产生较好的环境效益、经济效益及社会效益[1]。

1 空压机余热回收原理

1.1 空压机冷却

笔者以李家壕煤矿选煤厂使用的螺杆式空压机为例，分析空压机的润滑油冷却系统及余热回收原理。

螺杆式空压机在压缩空气的过程中，在进气口吸入空气的同时还会从机头吸入润滑油，润滑油在工作中主要起到润滑、密封和冷却的作用，再与高压空气一同从压缩机出口排出，进入油气分离器进行油气分离。油气分离器中的润滑油存在着大量的热量，在经过油冷却器时把热量排入大气中，再经过润滑油过滤器过滤后回到压缩机头开始进行循环使用。

在空压机连续运行过程中，压缩机的排气温度不能过高也不能过低，排气温度通常<110 ℃，这是因为若温度过高会导致润滑油加速老化，机组零件会因为热胀而加剧磨损，导致压缩机寿命缩短，因此排气温度超过上限温度时，控制系统会自动停机保护；若排气温度过低，则压缩空气中的水分很难被蒸发后随空气排出，这样会导致润滑油里的水分增多，造成润滑油出现乳化现象，导致压缩空气带油，增加元部件被腐蚀的风险，严重时会引起机头卡死等安全隐患。在空压机冷却系统运行时，压缩机的回油温度在冬季时排气温度应趋于下限，夏季则趋于上限。

空压机机组的排气温度是通过机械式温控三通阀对喷入机头的润滑油温度进行自动调节的，温控三通调节阀通常采用分流式，包括1个进油口和2个出油口，从油气分离器出来的高温润滑油要先经过温控三通调节阀进行温控分流，一路出油口接至油冷却器，对润滑油进行降温冷却。冷却方法有水冷和风冷2种方法，冷却后的润滑油再回到压缩机机头；另一路出油口直接接至压缩机机头同冷却后的润滑油混合，温控三通调节阀通过进油温度调节两路出油比例，将回油温度控制在60 ℃～70 ℃之间。

空压机在工作中把电机输入功率的80%～90%转换成热量，由润滑油带走，在油气分离器中油和空气分离，此时润滑油的温度通常>90℃，在油冷却器中排放到大气(风冷)中或水(水冷)中，以维持压缩机的正常工作。

空压机余热回收技术就是把空压机工作时散到润滑油中的热量，通过换热装置——空压机余热回收机组，把热量传递给介质水，再通过水-水换热器加热自来水[2-7]，加热后的水可用于矿区职工生活热水的制取，并能保障压缩机的回油温度趋于在冬季运行时的排气温度，从而提高空压机的工作效率。

1.2 余热回收利用

煤矿企业一线工人的工作基本是3班工作制，必须保障每班工人下班后的洗浴需求。空压机的运行是煤矿生产的需要，洗浴热水也是煤矿一线工人的必需，因此利用空压机余热用于制取洗浴热水，既能做到与生产同步，又能避免造成资源浪费。但是洗浴热水的用热量和空压机余热回收量如何匹配，是保障空压机安全运行、余热回收系统稳定运行的关键。当洗浴热水用热量大于空压机余热回收量时，热水制取量不能满足洗浴热水的需求量；当洗浴热水用热量小于空压机余热回收量时，空压机的回油温度又会升高至排气温度上限，导致停机保护。因此空压机余热回收系统要解决的问题是，在洗浴热水用热负荷波动和空压机余热回收系统停用时，系统能自动调节，保障喷入压缩机机头的润滑油温度在60 ℃～70 ℃之间，以保障空压机安全稳定运行。

1.3 空压机余热回收系统

空压机余热回收系统主要由空压机余热回收机组、润滑油取热系统和供热系统组成。空压机余热回收技术是从空压机润滑油中提取热量，需对空压机的润滑油冷却系统进行改造，在润滑油冷却器的前端进油管上加装阀门，在阀门的前端和后端各引出一路油管，前端油管接至空压机余热回收机组的进油口，机组的出油口接到阀门后端引出的油管上，并将空压机余热回收机组串联到润滑油冷却循环系统中。空压机余热回收系统工作时，高温润滑油先进入空压机余热回收机组内冷却，放热后的油温≤70 ℃时，润滑油通过空压机原有冷却器，此时冷却器不开启散热功能；当放热后的油温>70 ℃时，空压机原有冷却器开启，润滑油进入冷却器后再冷却，并通过空压机原有的润滑油温度控制装置控制回油温度>60 ℃。通过开启或关闭阀门可将空压机余热回收机组切入或切出润滑油冷却循环系统，便于维护和检修，并能随时启动空压机原冷却系统，切出空压机余热回收系统，保障空压机运行安全。

祁连县地处祁连山中段，隶属于青海省海北藏族自治州。因为北邻古丝绸之路的首要通道甘肃省河西走廊，所以祁连县又被称为“青海北大门”。

空压机余热回收机组，内置钎焊板式高效换热器和1套润滑油温度调节装置，以保障热量回收后的润滑油温度趋于下限，最大限度地回收空压机工作时排出的余热，与空压机自身的润滑油温控制调节系统共同工作，对空压机和回油温度进行双重控温，以保障空压机恒温运行[8-9]。

2 应用实例

2.1 工程概况

李家壕煤矿空压机余热制取洗浴热水工程位于内蒙古自治区鄂尔多斯市李家壕煤矿选煤厂，空压机房安装了8台250 kW的螺杆式空压机，日常运行2台，其他6台备用，8台机组自动循环换切，保证每台机组的运行时间相对均衡。本工程对8台螺杆式空压机进行润滑油冷却系统余热回收改造，每台空压机对应安装1台空压机余热回收机组，空压机运行时把润滑油中的热量回收用于加热洗浴热水，供矿区职工洗浴。1台空压机余热回收机组最大的回收余热功率约为空压机轴功率的88%，即220 kW[10]。

按照运行2台空压机计算，余热回收功率为440 kW，利用回收的热量制取洗浴热水，设计自来水温度10℃，洗浴热水温度50℃，每天可以制取的洗浴热水量是170 m3，计算见式(1)：

(1)

式中：G——热水制取量，L/d；

P——空压机余热回功率，取440 kW；

T——日运行小时数，取18 h/d；

t1——自来水温度，取10℃；

t2——洗浴热水温度，取50℃。

系统设计安装8台换热能力不小于220 kW的空压机余热回收机组，高温润滑油在空压机余热回收机组中加热介质水，8台空压机余热回收机组介质水出水管汇集成一根主管道，再供给洗浴热水换热器一次侧供热，设计供水温度65 ℃，回水温度50 ℃，二次侧进水为10 ℃的自来水，输出50 ℃洗浴热水存储在蓄热水箱内，供矿区职工洗浴。系统设置一次侧循环泵，通过管道连接空压机余热回收机组和洗浴热水换热器一次侧，加注软化水，构成中间循环系统；设置二次侧循环泵，通过管道连接洗浴热水换热器二次侧和蓄热水箱，组成蓄热系统；系统设计变频给水泵，把蓄热水箱中的热水送到职工浴室或其他用水单位。

蓄热水箱容积是根据煤矿职工洗浴用水特点来确定的，在煤炭企业白班的洗浴人数通常约占日洗浴总人数的50%，晚班和夜班人数较少，本系统蓄热水箱容积按日产水量的60%设计，取水箱利用系数1.2，蓄热水箱容积不小于122.4 m3。根据拼装式不锈钢水箱制作工艺，确定水箱内胆尺寸为13 m×5 m×2 m，总容积130 m3,水箱内层钢板采用304不锈钢材质，外层采用201不锈钢保护层，中间是厚度为100 mm的聚氨酯保温层，在-30 ℃以上的环境温度下，24 h温度损失不超过1 ℃。空压机余热高效利用系统主要设备清单见表1。

表1 空压机余热高效利用系统主要设备清单

续表1

系统中供回水管道采用镀锌管，管材、管件等承压能力均不低于1.6 MPa，室内管道用难燃 B1 级橡塑材料保温，保温厚度 50 mm，外保护层采用 0.4 mm 铝皮；室外管道采用架空方式敷设，保温采用难燃型聚氨酯发泡材料，保温厚度为 60 mm；系统总配电功率53.50 kW,运行功率26.75 kW。

2.2 经济性分析

在空压机余热回收制取洗浴热水系统中，主要的耗电设备是中间循环系统的一次循环泵,功率为11 kW；蓄热循环系统二次循环泵,功率为7.5 kW；变频热水给水泵,功率为7.5 kW。按照系统全年运行360 d、循环泵运行18 h/d、给水泵累计运行6 h/d计算系统耗电量，即循环泵的耗电量约为11.99万kW·h/a、变频给水泵的耗电量约为1.62万kW·h/a。

由此可以得出，空压机余热回收系统的耗电量约为13.61万kW·h/a，目前矿区内用电综合电价为0.85元/(kW·h)，因此系统年运行能源费用约为11.57万元，再加上其他人工及维修保养费用约8万元，合计运行费用约为19.57万元/a。

空压机余热回收制取洗浴热水系统与空气源热泵热水机组、太阳能热水器及燃气锅炉制取洗浴热水方案进行比较，按照电价0.85元/(kW·h)、气价3.46元/Nm3来计算，空压机余热回收制取洗浴热水系统的经济性具有较为明显的优势。不同洗浴热水制取方案经济性比较见表2。

表2 不同洗浴热水制取方案经济性比较

经比较分析后发现，采用空压机余热回收制取洗浴热水系统方案，10年工程的总投资比太阳能热水器方案节省575.38万元，比空气源热泵热水机组方案节省784.48万元，是燃气锅炉方案费用的25.68%。

2.3 环境效益分析

空压机余热利用系统的消耗电能为13.61万kW·h/a，按照电力等价值0.303 kg标准煤/(kW·h)折算，系统1年耗能41.24 t标准煤；太阳能热水器方案1年所消耗的电能为69.89万kW·h，折算耗能211.77 t标准煤。空压机余热利用系统比太阳能热水器方案年可节省170.53 t标准煤,节能率80.53%。每年减排CO2426.33 t、SO212.79 t、NOx6.39 t，可见其节能效果非常可观，环境效益非常显著[11-12]。

3 结语

当前，我国能源利用仍然存在着利用率低、经济性差、生态环境压力大等突出问题。节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率是能源发展战略的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径。在工业生产和建设中，压缩空气是一种重要的动力源，广泛用于驱动各种风动机械和风动工具。通过对煤矿空压机余热高效利用技术的分析以及在李家壕煤矿的工程实践与应用可以发现，回收空压机余热制取职工洗浴热水，回收效率高、余热利用率高，既减少了能源消耗和污染物的排放，又具有明显的经济效益。空压机余热高效利用技术还可以用于冬季建筑采暖以及煤矿进风井防冻，契合国家节能环保政策，在工矿企业极具推广与应用意义。