煤矿空压机余热回收及综合利用技术研究

向艳蕾，杨 允

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

0 引 言

我国煤炭企业规模庞大，创造巨大经济效益的同时，也是重点能耗企业[1-3]，除了常年电力、洗浴水、衣物烘干需求外，在冬季还有建筑采暖、井筒防冻的需求，在夏季还有建筑空调、井下降温的需求[4,5]。目前，煤矿用热大多通过锅炉来满足，而燃煤锅炉存在热效率低、污染物排放量大、能源浪费等问题[6]，燃气锅炉存在氮氧化物排放高、运行费用高等问题。电锅炉虽运行相对安全，但应用受煤矿电容量限制，且运行费用也较高[7]。

煤矿余热资源丰富，具有种类多、体量大、品位低、稳定可靠等特点，可利用余热种类包括回风、矿井水、设备冷却水、空压机润滑油、瓦斯发电机排烟及缸套冷却水等[6,8]，为煤矿能源结构优化提供了有利条件。

空压机是煤矿压风系统的主要设备，是煤矿安全生产的重要保障。对于大多数生产企业，空压机的能源消耗占全部生产设备能源消耗的10%～35%。空压机在运行过程中，约80%～93%的电能转化成热能。此热量通常以风冷或水冷的形式排放到大气环境中，不仅造成了能源的浪费，也易造成环境的热污染[9,10]。目前，诸多学者已开展了空压机余热利用技术的研究，但存在以下3个问题：缺乏理论分析，对空压机工作过程中的能量转化机理不清楚，导致热回收机组选型不合适，影响系统运行效率和经济性；系统一般由两级板式换热器组成[11-14]，结构复杂、电耗高、换热效率低，另外，煤矿水质硬度高也易导致二级板式换热器结垢，严重影响换热效率和热水制备时间；余热利用方式单一，一般只考虑利用空压机余热制取洗浴水，未考虑解决其它用热需求，对于补充、保障热源大多选用传统锅炉技术，鲜少选用可再生能源利用技术。

针对以上问题，依据“余热资源优先、清洁能源辅助”的原则，以节能、减排、经济为导向，综合考虑煤矿整体用能需求，开展了空压机余热回收技术及综合利用系统研究。随后，以山西晋城市某煤矿为应用对象进行案例研究，以验证技术的有效性和系统的经济、节能、减排效果。

1 空压机余热回收机理

1.1 空压机工作原理

空压机种类很多，其中水冷喷油螺杆空压机在煤矿应用最为广泛，笔者即针对此类空压机开展相关研究。喷油螺杆空压机主要由空气滤清器、电动机、机体、油气分离器、温控器、油过滤器、油冷却器、空气冷却器等部分组成。其中，机体由两根互相啮合的带有螺旋型齿轮的转子(阴转子和阳转子)构成，阳转子通过驱动轴与电动机连接。

喷油螺杆空压机工作流程如图1所示。空压机周围的空气经滤清器过滤后被吸入到机体内，机体内的阳转子在电动机的带动下旋转，阴转子跟着作回转运动，通过周期性地改变每对齿槽间的容积来完成吸气、压缩、排气过程。与此同时，往机体内持续喷油，对转子进行润滑、冷却，由此产生由润滑油和压缩空气组成的高温高压油气混合物。油气混合物温度通常在80 ℃～100 ℃之间，如果热量不及时排走，润滑油会受热乳化失去润滑作用，造成空压机内部温度急剧升高而停机，更严重时润滑油会碳化，导致阴阳转子无法被润滑而磨损。油气混合物从机体内流出后经止回阀进入到油气分离器筒内进行油、气分离。分离出的润滑油进入油冷却器内冷却，将热量传递给循环冷却水，最后通过冷却塔散发到大气中。冷却后的润滑油进入油过滤器过滤后，再回到机体内被循环使用。当油气分离器内的空气压力达到设定值时，压力维持阀开启，压缩空气进入空气冷却器冷却。冷却后的压缩空气经冷凝液分离器分离后，再经排气装置排出，最后通过管道送入井下使用。

空压机理论压气过程中机体齿槽间的容积变化与空气压力变化曲线如图2所示。图中4-1和2-3是空气质量迁移过程，热力状态不发生变化；1-2为压缩过程，空气热力状态发生改变，具体如下：4-1为吸气过程，当转子运动到与吸气口相通时，开始进气，随着转子继续旋转，齿槽间容积不断增大，气体不断进入，当转子旋转至吸气沟槽封住吸气口时吸气过程结束，齿槽间容积达到最大值；1-2为压缩过程，沟槽的密封面逐渐向排气口移动，齿间容积不断减小，被密封在齿槽间的气体所占据的体积也不断减小，导致压力升高，一直持续到齿槽间容积与排气孔口相通为止，压缩过程结束；2-3为排气过程，当转子运动到齿槽间容积与排气口相通时，开始排气，随着齿槽间容积的不断缩小，压缩空气逐渐通过排气口排出，当齿槽间容积变为0时压缩空气被完全排出，排气过程结束。

除了机械摩擦损耗外，电动机所耗电能全部转化为驱动轴的机械能(也叫轴功)，即：

W=Ws+Qds

(1)

其中,W为电动机的功率，kW；Ws为实际压缩过程所需轴功，kW；Qds为电动机的机械摩擦损耗热量，kW。

电动机的机械摩擦损失用机械效率来表示，即

Qds=W(1-ηD)

(2)

其中，ηD为电动机的机械效率。

将空气视为理想气体并将压缩过程视为可逆过程，压缩过程空气热力参数变化情况如图3所示。

图3 3种压缩过程的p-V和T-s图

图中1-2s和1-2T为两种极端情况：前者为等熵压缩过程，过程极快，热能来不及传给外界，轴功全部用于增加空气的焓；后者为等温压缩过程，过程极慢，由轴功转化而来的热能全部向外界放出，空气温度保持不变。实际上，理论压缩过程介于两种极端情况之间，如图中1-2n所示，即压缩过程所耗轴功一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热能向外界放出。鉴于吸气口和排气口高度差与空气流速差均很小，忽略空气重力位能和宏观动能的变化，根据理想气体状态方程和热力学第一定律，理论压缩过程轴功为[15]：

(3)

其中,W′s为理论压缩过程所需轴功，kW；m为空气质量流量，kg/s；h2为压缩过程终了空气的焓，kJ/kg；h1为压缩过程初始空气的焓，kJ/kg；Qs为压缩过程向外界放出的热能，kW；0.287为空气的气体常数，kJ/(kg·K)；n为多变指数；T1为压缩过程初始空压的温度，K；T2为压缩过程终了空气的温度，K。

在实际运行中，为了减少轴功并增加运行可靠性，压缩过程都尽可能采用冷却措施，力求接近定温压缩。但由于扰动、摩擦等不可逆因素的存在，实际压缩过程比理论压缩过程所需轴功要多，即：

Ws=W′s/ηT

(4)

其中，ηT为空压机的定温效率。

1.2 空压机余热回收原理

空压机可回收利用的热量包括三部分：① 空气冷却器内被循环冷却水带走的热量；② 油冷却器内被循环冷却水带走的热量；③ 空气冷却器内湿空气中水蒸气冷凝放出的热量。其中，油冷却器内高温润滑油散出的热量占比最高，占空压机输入功率的70%～75%[16]。因此，喷油螺杆式空压机最经济的热量回收方法是在油气分离器后加装热回收机组，回收高温润滑油中的热量用于加热循环水，如图4所示。为提高安全系数，将热回收机组与原冷却系统串联。润滑油在热回收机组内冷却降温后进入温控器利用感温元件检测油温，如果油温高于设定值，润滑油应先进入油冷却器进一步冷却降温，然后再进入油过滤器经过滤后再通往机体；如果油温低于设定值，润滑油无需进一步冷却，直接进入油过滤器经过滤后通往机体。

图4 喷油螺杆空压机余热回收工作流程图

2 空压机余热综合利用系统

2.1 高效防垢换热技术

为简化空压机余热利用系统结构，并解决二级板式换热器的结垢问题，提出了1种高效防垢换热器，该换热器兼具换热和蓄能功能，结构如图5所示。换热通过盘管实现，热量由管内热流体通过盘管固体壁面传导给管外冷流体。蓄能通过自来水箱实现，水箱外部采用聚氨酯泡沫保温。

图5 高效防垢换热器结构图

盘管均匀安装在自来水箱内，管内介质为软化水，管外介质为自来水，通过一级分水器、二级分水器的均匀分配，保证进入每一个盘管的循环水流量近似相等，实现对自来水箱内自来水均匀加热，保证自来水温度的均匀性。盘管材质为不锈钢管，外形为圆形螺旋状，可有效增加单位体积内的换热面积；另外弯曲的螺旋通道有利于增强流体的湍流状态，减小通道内流体阻力，有助于提高换热效率。

换热器内的盘管采用螺旋状圆管，弯曲的螺旋通道有利于增强管内的湍流状态，引起管道的振动，从而加速管道表面水垢的脱落。另外，水垢与不锈钢管的膨胀系数不同，当温度变化时，水垢与不锈钢管膨胀或收缩量不同，形成的剪切应力可使水垢从盘管上脱离。水垢与不锈钢的线膨胀系数、管内外介质温度见表1。脱落的水垢通过排污管道排出。

表1 不锈钢管与水垢参数表

自来水补水管道设置在自来水箱的上部，利用冷、热水的密度差，可实现冷自来水自然下沉，热自来水自然上浮，进一步增加了自来水的扰动，提高了盘管的换热效率。

2.2 空压机余热综合利用技术

综合考虑煤矿洗浴水制取、建筑采暖、吊篮衣物烘干等用热需求以及吊篮除湿、建筑制冷等用冷需求，提出了1种空压机余热综合利用系统，流程如图6所示。

图6 空压机余热综合利用系统流程图

该系统主要由热回收机组、空气源热泵、高效防垢换热器和新风机组构成。利用热回收机组回收空压机润滑油热量来制取45 ℃～60 ℃循环水，一部分通入高效防垢换热器加热自来水，制取40 ℃～45 ℃热水供职工洗浴；一部分通入新风机组加热新风，制取40 ℃左右新风，利用风道通入吊篮区域来烘干职工衣物；剩余部分作为采暖水用于建筑采暖。空气源热泵以电力为驱动能源，制热时以大气为低温热源制取45 ℃～60 ℃循环水，用作补充、备用热源；制冷时以大气为热汇制取7 ℃冷冻水，用于建筑空调或吊篮除湿。

图7为空压机余热综合利用系统设计图。空气源热泵、空压机、热回收机组等构成了热源子系统；高效防垢换热器、热水箱、自来水箱、热电偶、电缆浮球、电磁阀、温控比例调节阀等构成了洗浴水子系统；初效过滤器、抽风机、回风热回收器、表冷器、送风机等组成了新风机组，新风机组与新风道、回风道等构成了吊篮烘干子系统；采暖/制冷循环水泵与供、回水管道等构成了采暖/制冷子系统。

图7 空压机余热综合利用系统设计图

该系统不需消耗天然气、煤炭等一次能源，只需消耗少量电能，无直接污染物排放，具有自动化程度高、洗浴水温度恒定可控、换热高效防垢、衣物干燥效果好等优势，具体工作原理如下：

(1)在热水箱顶部设置热电偶，并将其电线路与洗浴循环水泵串联，通过热水箱内水温的高低控制循环水泵的启停，将热水箱内水温控制在45℃～50℃。在洗浴水供水管道前端设置温控比例调节阀，控制热水箱内热水与自来水箱内常温水的混合比例，将洗浴水供水温度维持在恒定值。

(2)在自来水箱和热水箱顶部设置电缆浮球，并在两水箱补水管道上设置电磁阀，同时将电缆浮球的电线路与电磁阀进行串联连接，实现两水箱的自动补水，并将两水箱水位控制在一定范围内。

(3)新风在新风机组内依次被回风、热源循环水加热；然后，由新风管道均匀通入吊篮区域内，充满整个空间，对潮湿衣物实现360°无死角烘干；最后，回风由回风管道收集，在新风机组内与新风交换热量后排入大气。

3 案例研究

以山西省晋城市某煤矿为应用对象，该煤矿有4台功率为375 kW的水冷喷油螺杆空压机，两用两备，全年平均运行负荷率为80%，每台空压机油冷却器内高温润滑油冷却散出的热量占空压机电功率的74%。采用上述空压机余热综合利用技术，替换原有4 t/h燃煤锅炉，完成全年350 t/d洗浴热水制取及2 824 m2浴室采暖，并利用新风机组，制取12 000 m3/h热风来烘干3 500个吊篮。

该案例2018年5月22日开工建设，8月22日全部建成投产，初投资为392万元。空气源热泵、新风机组、热回收机组、高效防垢换热器安装台数和容量见表2。

表2 应用案例主要设备配置情况

截至2020年10月22日，案例已稳定运行一年零两个月，每年运行费用98万，与原燃煤锅炉方案相比，在经济、节能、减排方面具有显著的优势，具体如下：① 初投资增加326万元，但运行费用每年节省363.1万元(煤价按700元/t计算)，增加的初投资在1年内可收回；② 充分利用空压机润滑油中的余热，仅需消耗少量电能，不需消耗天然气、煤炭等一次能源，每年节省4 758 t标准煤；③ 无直接污染物排放，按1 t标准煤燃烧产生2.62 tCO2、8.5 kg SO2、7.4 kgNOx计算，每年CO2减排12 466 t、SO2减排40 t、NOx减排35 t。

4 结 论

基于空压机余热回收机理，综合考虑煤矿整体用能需求，提出了1种空压机余热综合利用系统，该系统采用空气源热泵为补充、备用热源，利用可再生的空气热能，能够最大限度减少对化石能源以及电能的依赖。同时，开发了1种兼具换热和蓄热功能的高效防垢换热技术，大大简化了系统结构，可有效解决因煤矿水硬度高引发的板式换热器结垢问题。

将提出的空压机余热综合利用系统应用于山西省晋城市某煤矿，结果验证了系统的可行性和有效性，同时表明因充分利用余热、可再生能源，余热综合利用系统在经济、节能、减排方面具有显著的优势。与燃煤锅炉相比，系统初投资增加326万元，但运行费用每年节省363.1万元，系统增加的初投资在一年内可收回；每年可节省4 758 t标准煤；每年CO2、SO2、NOx的减排量分别达到12 466 t、40 t和35 t。