向艷蕾，楊 允

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300467)

0 引 言

我國煤炭企業(yè)規(guī)模龐大，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益的同時，也是重點能耗企業(yè)[1-3]，除了常年電力、洗浴水、衣物烘干需求外，在冬季還有建筑采暖、井筒防凍的需求，在夏季還有建筑空調(diào)、井下降溫的需求[4,5]。目前，煤礦用熱大多通過鍋爐來滿足，而燃煤鍋爐存在熱效率低、污染物排放量大、能源浪費等問題[6]，燃?xì)忮仩t存在氮氧化物排放高、運行費用高等問題。電鍋爐雖運行相對安全，但應(yīng)用受煤礦電容量限制，且運行費用也較高[7]。

煤礦余熱資源豐富，具有種類多、體量大、品位低、穩(wěn)定可靠等特點，可利用余熱種類包括回風(fēng)、礦井水、設(shè)備冷卻水、空壓機潤滑油、瓦斯發(fā)電機排煙及缸套冷卻水等[6,8]，為煤礦能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有利條件。

空壓機是煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。對于大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)，空壓機的能源消耗占全部生產(chǎn)設(shè)備能源消耗的10%～35%?？諌簷C在運行過程中，約80%～93%的電能轉(zhuǎn)化成熱能。此熱量通常以風(fēng)冷或水冷的形式排放到大氣環(huán)境中，不僅造成了能源的浪費，也易造成環(huán)境的熱污染[9,10]。目前，諸多學(xué)者已開展了空壓機余熱利用技術(shù)的研究，但存在以下3個問題：缺乏理論分析，對空壓機工作過程中的能量轉(zhuǎn)化機理不清楚，導(dǎo)致熱回收機組選型不合適，影響系統(tǒng)運行效率和經(jīng)濟性；系統(tǒng)一般由兩級板式換熱器組成[11-14]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電耗高、換熱效率低，另外，煤礦水質(zhì)硬度高也易導(dǎo)致二級板式換熱器結(jié)垢，嚴(yán)重影響換熱效率和熱水制備時間；余熱利用方式單一，一般只考慮利用空壓機余熱制取洗浴水，未考慮解決其它用熱需求，對于補充、保障熱源大多選用傳統(tǒng)鍋爐技術(shù)，鮮少選用可再生能源利用技術(shù)。

針對以上問題，依據(jù)“余熱資源優(yōu)先、清潔能源輔助”的原則，以節(jié)能、減排、經(jīng)濟為導(dǎo)向，綜合考慮煤礦整體用能需求，開展了空壓機余熱回收技術(shù)及綜合利用系統(tǒng)研究。隨后，以山西晉城市某煤礦為應(yīng)用對象進行案例研究，以驗證技術(shù)的有效性和系統(tǒng)的經(jīng)濟、節(jié)能、減排效果。

1 空壓機余熱回收機理

1.1 空壓機工作原理

空壓機種類很多，其中水冷噴油螺桿空壓機在煤礦應(yīng)用最為廣泛，筆者即針對此類空壓機開展相關(guān)研究。噴油螺桿空壓機主要由空氣濾清器、電動機、機體、油氣分離器、溫控器、油過濾器、油冷卻器、空氣冷卻器等部分組成。其中，機體由兩根互相嚙合的帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子(陰轉(zhuǎn)子和陽轉(zhuǎn)子)構(gòu)成，陽轉(zhuǎn)子通過驅(qū)動軸與電動機連接。

噴油螺桿空壓機工作流程如圖1所示。空壓機周圍的空氣經(jīng)濾清器過濾后被吸入到機體內(nèi)，機體內(nèi)的陽轉(zhuǎn)子在電動機的帶動下旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子跟著作回轉(zhuǎn)運動，通過周期性地改變每對齒槽間的容積來完成吸氣、壓縮、排氣過程。與此同時，往機體內(nèi)持續(xù)噴油，對轉(zhuǎn)子進行潤滑、冷卻，由此產(chǎn)生由潤滑油和壓縮空氣組成的高溫高壓油氣混合物。油氣混合物溫度通常在80 ℃～100 ℃之間，如果熱量不及時排走，潤滑油會受熱乳化失去潤滑作用，造成空壓機內(nèi)部溫度急劇升高而停機，更嚴(yán)重時潤滑油會碳化，導(dǎo)致陰陽轉(zhuǎn)子無法被潤滑而磨損。油氣混合物從機體內(nèi)流出后經(jīng)止回閥進入到油氣分離器筒內(nèi)進行油、氣分離。分離出的潤滑油進入油冷卻器內(nèi)冷卻，將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水，最后通過冷卻塔散發(fā)到大氣中。冷卻后的潤滑油進入油過濾器過濾后，再回到機體內(nèi)被循環(huán)使用。當(dāng)油氣分離器內(nèi)的空氣壓力達到設(shè)定值時，壓力維持閥開啟，壓縮空氣進入空氣冷卻器冷卻。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)冷凝液分離器分離后，再經(jīng)排氣裝置排出，最后通過管道送入井下使用。

空壓機理論壓氣過程中機體齒槽間的容積變化與空氣壓力變化曲線如圖2所示。圖中4-1和2-3是空氣質(zhì)量遷移過程，熱力狀態(tài)不發(fā)生變化；1-2為壓縮過程，空氣熱力狀態(tài)發(fā)生改變，具體如下：4-1為吸氣過程，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動到與吸氣口相通時，開始進氣，隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒槽間容積不斷增大，氣體不斷進入，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至吸氣溝槽封住吸氣口時吸氣過程結(jié)束，齒槽間容積達到最大值；1-2為壓縮過程，溝槽的密封面逐漸向排氣口移動，齒間容積不斷減小，被密封在齒槽間的氣體所占據(jù)的體積也不斷減小，導(dǎo)致壓力升高，一直持續(xù)到齒槽間容積與排氣孔口相通為止，壓縮過程結(jié)束；2-3為排氣過程，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動到齒槽間容積與排氣口相通時，開始排氣，隨著齒槽間容積的不斷縮小，壓縮空氣逐漸通過排氣口排出，當(dāng)齒槽間容積變?yōu)?時壓縮空氣被完全排出，排氣過程結(jié)束。

除了機械摩擦損耗外，電動機所耗電能全部轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸的機械能(也叫軸功)，即：

W=Ws+Qds

(1)

其中,W為電動機的功率，kW；Ws為實際壓縮過程所需軸功，kW；Qds為電動機的機械摩擦損耗熱量，kW。

電動機的機械摩擦損失用機械效率來表示，即

Qds=W(1-ηD)

(2)

其中，ηD為電動機的機械效率。

將空氣視為理想氣體并將壓縮過程視為可逆過程，壓縮過程空氣熱力參數(shù)變化情況如圖3所示。

圖3 3種壓縮過程的p-V和T-s圖

圖中1-2s和1-2T為兩種極端情況：前者為等熵壓縮過程，過程極快，熱能來不及傳給外界，軸功全部用于增加空氣的焓；后者為等溫壓縮過程，過程極慢，由軸功轉(zhuǎn)化而來的熱能全部向外界放出，空氣溫度保持不變。實際上，理論壓縮過程介于兩種極端情況之間，如圖中1-2n所示，即壓縮過程所耗軸功一部分用于增加氣體的焓，一部分轉(zhuǎn)化為熱能向外界放出。鑒于吸氣口和排氣口高度差與空氣流速差均很小，忽略空氣重力位能和宏觀動能的變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律，理論壓縮過程軸功為[15]：

(3)

其中,W′s為理論壓縮過程所需軸功，kW；m為空氣質(zhì)量流量，kg/s；h2為壓縮過程終了空氣的焓，kJ/kg；h1為壓縮過程初始空氣的焓，kJ/kg；Qs為壓縮過程向外界放出的熱能，kW；0.287為空氣的氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；n為多變指數(shù)；T1為壓縮過程初始空壓的溫度，K；T2為壓縮過程終了空氣的溫度，K。

在實際運行中，為了減少軸功并增加運行可靠性，壓縮過程都盡可能采用冷卻措施，力求接近定溫壓縮。但由于擾動、摩擦等不可逆因素的存在，實際壓縮過程比理論壓縮過程所需軸功要多，即：

Ws=W′s/ηT

(4)

其中，ηT為空壓機的定溫效率。

1.2 空壓機余熱回收原理

空壓機可回收利用的熱量包括三部分：① 空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量；② 油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量；③ 空氣冷卻器內(nèi)濕空氣中水蒸氣冷凝放出的熱量。其中，油冷卻器內(nèi)高溫潤滑油散出的熱量占比最高，占空壓機輸入功率的70%～75%[16]。因此，噴油螺桿式空壓機最經(jīng)濟的熱量回收方法是在油氣分離器后加裝熱回收機組，回收高溫潤滑油中的熱量用于加熱循環(huán)水，如圖4所示。為提高安全系數(shù)，將熱回收機組與原冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。潤滑油在熱回收機組內(nèi)冷卻降溫后進入溫控器利用感溫元件檢測油溫，如果油溫高于設(shè)定值，潤滑油應(yīng)先進入油冷卻器進一步冷卻降溫，然后再進入油過濾器經(jīng)過濾后再通往機體；如果油溫低于設(shè)定值，潤滑油無需進一步冷卻，直接進入油過濾器經(jīng)過濾后通往機體。

圖4 噴油螺桿空壓機余熱回收工作流程圖

2 空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)

2.1 高效防垢換熱技術(shù)

為簡化空壓機余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并解決二級板式換熱器的結(jié)垢問題，提出了1種高效防垢換熱器，該換熱器兼具換熱和蓄能功能，結(jié)構(gòu)如圖5所示。換熱通過盤管實現(xiàn)，熱量由管內(nèi)熱流體通過盤管固體壁面?zhèn)鲗?dǎo)給管外冷流體。蓄能通過自來水箱實現(xiàn)，水箱外部采用聚氨酯泡沫保溫。

圖5 高效防垢換熱器結(jié)構(gòu)圖

盤管均勻安裝在自來水箱內(nèi)，管內(nèi)介質(zhì)為軟化水，管外介質(zhì)為自來水，通過一級分水器、二級分水器的均勻分配，保證進入每一個盤管的循環(huán)水流量近似相等，實現(xiàn)對自來水箱內(nèi)自來水均勻加熱，保證自來水溫度的均勻性。盤管材質(zhì)為不銹鋼管，外形為圓形螺旋狀，可有效增加單位體積內(nèi)的換熱面積；另外彎曲的螺旋通道有利于增強流體的湍流狀態(tài)，減小通道內(nèi)流體阻力，有助于提高換熱效率。

換熱器內(nèi)的盤管采用螺旋狀圓管，彎曲的螺旋通道有利于增強管內(nèi)的湍流狀態(tài)，引起管道的振動，從而加速管道表面水垢的脫落。另外，水垢與不銹鋼管的膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時，水垢與不銹鋼管膨脹或收縮量不同，形成的剪切應(yīng)力可使水垢從盤管上脫離。水垢與不銹鋼的線膨脹系數(shù)、管內(nèi)外介質(zhì)溫度見表1。脫落的水垢通過排污管道排出。

表1 不銹鋼管與水垢參數(shù)表

自來水補水管道設(shè)置在自來水箱的上部，利用冷、熱水的密度差，可實現(xiàn)冷自來水自然下沉，熱自來水自然上浮，進一步增加了自來水的擾動，提高了盤管的換熱效率。

2.2 空壓機余熱綜合利用技術(shù)

綜合考慮煤礦洗浴水制取、建筑采暖、吊籃衣物烘干等用熱需求以及吊籃除濕、建筑制冷等用冷需求，提出了1種空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)，流程如圖6所示。

圖6 空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)主要由熱回收機組、空氣源熱泵、高效防垢換熱器和新風(fēng)機組構(gòu)成。利用熱回收機組回收空壓機潤滑油熱量來制取45 ℃～60 ℃循環(huán)水，一部分通入高效防垢換熱器加熱自來水，制取40 ℃～45 ℃熱水供職工洗??；一部分通入新風(fēng)機組加熱新風(fēng)，制取40 ℃左右新風(fēng)，利用風(fēng)道通入吊籃區(qū)域來烘干職工衣物；剩余部分作為采暖水用于建筑采暖?？諝庠礋岜靡噪娏轵?qū)動能源，制熱時以大氣為低溫?zé)嵩粗迫?5 ℃～60 ℃循環(huán)水，用作補充、備用熱源；制冷時以大氣為熱匯制取7 ℃冷凍水，用于建筑空調(diào)或吊籃除濕。

圖7為空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)設(shè)計圖。空氣源熱泵、空壓機、熱回收機組等構(gòu)成了熱源子系統(tǒng)；高效防垢換熱器、熱水箱、自來水箱、熱電偶、電纜浮球、電磁閥、溫控比例調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成了洗浴水子系統(tǒng)；初效過濾器、抽風(fēng)機、回風(fēng)熱回收器、表冷器、送風(fēng)機等組成了新風(fēng)機組，新風(fēng)機組與新風(fēng)道、回風(fēng)道等構(gòu)成了吊籃烘干子系統(tǒng)；采暖/制冷循環(huán)水泵與供、回水管道等構(gòu)成了采暖/制冷子系統(tǒng)。

圖7 空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)設(shè)計圖

該系統(tǒng)不需消耗天然氣、煤炭等一次能源，只需消耗少量電能，無直接污染物排放，具有自動化程度高、洗浴水溫度恒定可控、換熱高效防垢、衣物干燥效果好等優(yōu)勢，具體工作原理如下：

(1)在熱水箱頂部設(shè)置熱電偶，并將其電線路與洗浴循環(huán)水泵串聯(lián)，通過熱水箱內(nèi)水溫的高低控制循環(huán)水泵的啟停，將熱水箱內(nèi)水溫控制在45℃～50℃。在洗浴水供水管道前端設(shè)置溫控比例調(diào)節(jié)閥，控制熱水箱內(nèi)熱水與自來水箱內(nèi)常溫水的混合比例，將洗浴水供水溫度維持在恒定值。

(2)在自來水箱和熱水箱頂部設(shè)置電纜浮球，并在兩水箱補水管道上設(shè)置電磁閥，同時將電纜浮球的電線路與電磁閥進行串聯(lián)連接，實現(xiàn)兩水箱的自動補水，并將兩水箱水位控制在一定范圍內(nèi)。

(3)新風(fēng)在新風(fēng)機組內(nèi)依次被回風(fēng)、熱源循環(huán)水加熱；然后，由新風(fēng)管道均勻通入吊籃區(qū)域內(nèi)，充滿整個空間，對潮濕衣物實現(xiàn)360°無死角烘干；最后，回風(fēng)由回風(fēng)管道收集，在新風(fēng)機組內(nèi)與新風(fēng)交換熱量后排入大氣。

3 案例研究

以山西省晉城市某煤礦為應(yīng)用對象，該煤礦有4臺功率為375 kW的水冷噴油螺桿空壓機，兩用兩備，全年平均運行負(fù)荷率為80%，每臺空壓機油冷卻器內(nèi)高溫潤滑油冷卻散出的熱量占空壓機電功率的74%。采用上述空壓機余熱綜合利用技術(shù)，替換原有4 t/h燃煤鍋爐，完成全年350 t/d洗浴熱水制取及2 824 m2浴室采暖，并利用新風(fēng)機組，制取12 000 m3/h熱風(fēng)來烘干3 500個吊籃。

該案例2018年5月22日開工建設(shè)，8月22日全部建成投產(chǎn)，初投資為392萬元?？諝庠礋岜?、新風(fēng)機組、熱回收機組、高效防垢換熱器安裝臺數(shù)和容量見表2。

表2 應(yīng)用案例主要設(shè)備配置情況

截至2020年10月22日，案例已穩(wěn)定運行一年零兩個月，每年運行費用98萬，與原燃煤鍋爐方案相比，在經(jīng)濟、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢，具體如下：① 初投資增加326萬元，但運行費用每年節(jié)省363.1萬元(煤價按700元/t計算)，增加的初投資在1年內(nèi)可收回；② 充分利用空壓機潤滑油中的余熱，僅需消耗少量電能，不需消耗天然氣、煤炭等一次能源，每年節(jié)省4 758 t標(biāo)準(zhǔn)煤；③ 無直接污染物排放，按1 t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.62 tCO2、8.5 kg SO2、7.4 kgNOx計算，每年CO2減排12 466 t、SO2減排40 t、NOx減排35 t。

4 結(jié) 論

基于空壓機余熱回收機理，綜合考慮煤礦整體用能需求，提出了1種空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用空氣源熱泵為補充、備用熱源，利用可再生的空氣熱能，能夠最大限度減少對化石能源以及電能的依賴。同時，開發(fā)了1種兼具換熱和蓄熱功能的高效防垢換熱技術(shù)，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可有效解決因煤礦水硬度高引發(fā)的板式換熱器結(jié)垢問題。

將提出的空壓機余熱綜合利用系統(tǒng)應(yīng)用于山西省晉城市某煤礦，結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性，同時表明因充分利用余熱、可再生能源，余熱綜合利用系統(tǒng)在經(jīng)濟、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢。與燃煤鍋爐相比，系統(tǒng)初投資增加326萬元，但運行費用每年節(jié)省363.1萬元，系統(tǒng)增加的初投資在一年內(nèi)可收回；每年可節(jié)省4 758 t標(biāo)準(zhǔn)煤；每年CO2、SO2、NOx的減排量分別達到12 466 t、40 t和35 t。