張澤飛，殷衛(wèi)峰，向艷蕾，郭金良，劉自學(xué)，劉東東，李佳佳，閆文瑞，楊 允

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；3.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450；4.河南能源化工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450046；5.河南龍宇能源股份有限公司車集煤礦，河南 永城 476600)

0 引 言

空壓機(jī)是煤礦生產(chǎn)和輸送壓縮空氣的動(dòng)力設(shè)備，在工作過程中，約80%～93%的電能轉(zhuǎn)化成熱能[1-3]，若此熱能不及時(shí)排出，產(chǎn)生的高溫不僅會(huì)降低空壓機(jī)運(yùn)行效率和產(chǎn)氣量，還會(huì)降低設(shè)備的使用壽命[4,5]。為保證空壓機(jī)正常運(yùn)行，通常需采用冷卻系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)潤(rùn)滑油和壓縮空氣進(jìn)行冷卻。目前常用的冷卻方式有2種:風(fēng)冷卻和水冷卻。前者采用空氣通過強(qiáng)制對(duì)流的方式對(duì)潤(rùn)滑油和壓縮空氣進(jìn)行冷卻，機(jī)組運(yùn)行溫度為88 ℃～96 ℃；后者采用水帶走空壓機(jī)熱量，機(jī)組運(yùn)行溫度為80 ℃～85 ℃。然而，不論采取何種冷卻方式，空壓機(jī)工作過程中產(chǎn)生的熱量均會(huì)散失到大氣環(huán)境中，造成能量的大量浪費(fèi)。以螺桿式空壓機(jī)為例，在其產(chǎn)生的總熱量中，約有95%的熱量可以回收利用，其中潤(rùn)滑油可回收的熱量為73%，壓縮空氣可回收的熱量為22%[6-7]。

空壓機(jī)余熱品位較高，排熱量相對(duì)穩(wěn)定，近年來已得到廣泛研究。目前空壓機(jī)余熱回收技術(shù)可分為直接利用技術(shù)和間接利用技術(shù)，不同技術(shù)形式的應(yīng)用場(chǎng)合、供能對(duì)象及存在的問題都不同。鑒于此，系統(tǒng)梳理了空壓機(jī)余熱資源的利用技術(shù)、存在的問題及發(fā)展前景，為合理選擇空壓機(jī)余熱利用技術(shù)提供理論參考。

1 直接利用技術(shù)

1.1 熱風(fēng)直接利用技術(shù)

風(fēng)冷空壓機(jī)冷卻排風(fēng)通常經(jīng)風(fēng)管排至室外，排風(fēng)溫度較進(jìn)風(fēng)溫度高10 ℃～15 ℃，通常采用熱風(fēng)直接利用技術(shù)對(duì)余熱進(jìn)行回收，即將冷卻熱風(fēng)直接送至需加熱的場(chǎng)所，如冬季有采暖需求的室內(nèi)或有防凍需求的井口房、常年需除濕的吊籃空間[8]。該方式投資小、施工簡(jiǎn)單、余熱回收效率高。

1.2 熱水直接利用技術(shù)

熱水直接利用技術(shù)將水冷空壓機(jī)吸熱后的冷卻水直接送至用熱設(shè)備[9]。受空壓機(jī)性能的制約，冷卻水進(jìn)口溫度不宜高于33 ℃，出水溫度應(yīng)低于40 ℃。若冷卻水出水溫度過高，將影響空壓機(jī)的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致停機(jī)故障的發(fā)生[10]。因此，采用此技術(shù)時(shí)，產(chǎn)生的冷卻水僅能用于低溫用熱場(chǎng)所。此技術(shù)將空壓機(jī)冷卻水直接引入供熱系統(tǒng)，因冷卻水水質(zhì)較差且易受污染，在實(shí)際生產(chǎn)中鮮少采用。

2 間接利用技術(shù)

空壓機(jī)余熱間接利用技術(shù)通過在原有冷卻系統(tǒng)中增加換熱器、水泵、溫控閥等設(shè)備，將高溫潤(rùn)滑油管路和壓縮空氣管路接入換熱器，利用水與高溫油、氣的換熱來實(shí)現(xiàn)余熱回收利用的目的。此技術(shù)采用外置換熱器換熱，不需受空壓機(jī)性能的制約，換熱器的進(jìn)水溫度可以適當(dāng)降低，一般可以直接利用自然水源，供水溫度可以達(dá)到55 ℃以上[9]。由此看出，采用間接利用技術(shù)可以使空壓機(jī)余熱得到更廣泛的應(yīng)用。

換熱器是余熱間接利用技術(shù)的主要設(shè)備，目前應(yīng)用較多的換熱器為管殼式換熱器和板式換熱器。與管殼式換熱器相比，板式換熱器熱阻低、傳熱效率高，更有利于低品位熱能的回收；相同工況下，傳熱系數(shù)高約2倍～4倍，設(shè)備體積小約2/3；操作更靈活，安裝和清洗更為方便[11-13]。因此，板式換熱器在空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛。

當(dāng)采用間接利用技術(shù)回收空壓機(jī)余熱時(shí)，為提高安全系數(shù)將換熱器與原冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。正常情況下空壓機(jī)噴油溫度需控制在60 ℃～80 ℃[14]。潤(rùn)滑油在換熱器內(nèi)冷卻降溫后進(jìn)入溫控器利用感溫元件檢測(cè)油溫，若油溫高于設(shè)定值，潤(rùn)滑油先進(jìn)入原油冷卻器進(jìn)一步冷卻降溫，再進(jìn)入油過濾器經(jīng)過濾后通向機(jī)體；若油溫低于設(shè)定值，潤(rùn)滑油無需進(jìn)一步冷卻，直接進(jìn)入油過濾器經(jīng)過濾后通向機(jī)體[15]。

2.1 一級(jí)換熱技術(shù)

一級(jí)換熱系統(tǒng)由換熱器、儲(chǔ)水箱和水泵組成。空壓機(jī)余熱一級(jí)換熱系統(tǒng)如圖1所示。高溫潤(rùn)滑油在換熱器中與冷水換熱，將冷水加熱至一定溫度后由水泵將熱水送至儲(chǔ)水箱，供礦區(qū)生活、生產(chǎn)使用[13,16]。

圖1 空壓機(jī)余熱一級(jí)換熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Primary heat transfer system of air compressor waste heat

該技術(shù)要求儲(chǔ)水箱具有一定的保溫能力。一級(jí)換熱技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較多[17]。然而礦區(qū)生活、生產(chǎn)用水一般為深井水，礦物質(zhì)含量高，加熱至50 ℃以上易結(jié)垢，使換熱器傳熱惡化，大幅降低傳熱效率，造成熱能的嚴(yán)重浪費(fèi)。水垢的存在堵塞換熱器通道，使系統(tǒng)阻力增大，影響設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運(yùn)行，因而需增加水處理裝置。硅磷晶水處理器是目前常用的水處理設(shè)備，向硅磷晶罐中加入硅磷晶，經(jīng)加藥罐轉(zhuǎn)換向外輸出具有防腐阻垢性能的水[12]，在一級(jí)換熱系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但硅磷晶屬于化學(xué)產(chǎn)品，其含有微量的重金屬隨著硅磷晶的溶解帶入水中。人體在洗澡時(shí)皮膚毛孔會(huì)因溫度上升而張開，重金屬會(huì)通過身體被放大的毛孔吸入體表，該毒害物質(zhì)暫時(shí)殘存在皮膚內(nèi)，一部分易被吸收及滲入皮膚內(nèi)層血液各個(gè)毛細(xì)血管，對(duì)身體產(chǎn)生一定的威脅。

2.2 兩級(jí)換熱技術(shù)

為徹底解決水結(jié)垢問題，兩級(jí)換熱技術(shù)被提出和應(yīng)用[17-19]。其中，一級(jí)換熱為油-水換熱，采用軟化水與高溫潤(rùn)滑油進(jìn)行熱量交換；二級(jí)換熱為水-水換熱，被潤(rùn)滑油加熱后的軟化水與自來水進(jìn)行二次換熱，得到一定溫度的熱水供生產(chǎn)、生活使用。兩級(jí)換熱系統(tǒng)如圖2所示。賈玲和吳勇生[1]采用兩級(jí)換熱技術(shù)對(duì)空壓機(jī)余熱進(jìn)行回收，用于制取洗浴熱水，研究表明兩級(jí)換熱技術(shù)的耗煤量和運(yùn)行費(fèi)用均顯著低于電鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐技術(shù)。

圖2 兩級(jí)換熱系統(tǒng)示意Fig.2 Two-stage heat transfer system

兩級(jí)換熱技術(shù)在一級(jí)換熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入中間換熱介質(zhì)軟化水，將結(jié)垢問題轉(zhuǎn)移至二級(jí)換熱器上，可避免因油-水換熱器腐蝕或積垢對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行造成影響。然而，二級(jí)換熱器結(jié)垢仍會(huì)嚴(yán)重降低換熱效率并延長(zhǎng)熱水制備時(shí)間。為此，楊允[20，21]等發(fā)明了1種高效防垢換熱器，該換熱器通過螺旋狀換熱盤管，一方面能有效提高換熱效率，另一方面可使水垢自行脫落，從而有效避免水垢積累，在兩級(jí)換熱系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。

2.3 熱泵提熱技術(shù)

目前，已有學(xué)者對(duì)吸收式熱泵和壓縮式熱泵在空壓機(jī)余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在空壓機(jī)原冷卻系統(tǒng)中，冷卻水的入口溫度取決于環(huán)境溫度，但采用熱泵系統(tǒng)后，冷卻水入口溫度不再受環(huán)境溫度的限制，有利于空壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

劉明軍[22]等采用換熱器和溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組相結(jié)合的方式，回收空壓機(jī)潤(rùn)滑油的熱量，既可用于冬季供暖也可用于夏季制冷以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱資源的有效利用。研究表明采用該技術(shù)回收4.25 MW的空壓機(jī)的余熱用于夏季制冷，年回收余熱相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)煤2 688 t，CO2、SO2和NOx年減排量分別可達(dá)6 570 t、197 t和98 t，年節(jié)省電費(fèi)136萬元，具有顯著的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益[23]。

RADIUK[24]提出以空壓機(jī)原冷卻系統(tǒng)的冷卻水為壓縮式熱泵低溫?zé)嵩磥碇迫∠丛崴?，研究表明采用該技術(shù)回收功率1.5 MW的空壓機(jī)的余熱，相當(dāng)于每年節(jié)省1 660 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

熱泵提熱技術(shù)雖有效提高供熱能力也可用于夏季制冷，但因空壓機(jī)余熱體量有限且初投資和運(yùn)行費(fèi)用均高于兩級(jí)換熱技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中鮮少采用。

3 技術(shù)比較

空壓機(jī)余熱利用技術(shù)多樣，不同利用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 空壓機(jī)余熱利用技術(shù)總結(jié)Table 1 Summary of waste heat utilization technology of air compressor

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)雙碳目標(biāo)的提出，煤礦企業(yè)作為高能耗企業(yè)，節(jié)能減排勢(shì)在必行，空壓機(jī)余熱作為1種穩(wěn)定的余熱資源，具有廣闊的利用前景。筆者從利用技術(shù)、存在的問題、發(fā)展前景等3個(gè)方面系統(tǒng)梳理了空壓機(jī)余熱資源，結(jié)果表明:

(1)空壓機(jī)余熱直接利用技術(shù)根據(jù)空壓機(jī)冷卻方式的不同，可分為熱風(fēng)直接利用和熱水直接利用。熱風(fēng)直接利用技術(shù)回收的熱能品味低，一般僅用于井筒防凍；熱水直接利用技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但水質(zhì)差且易受污染，不利于空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)空壓機(jī)余熱間接利用技術(shù)通過增加中間換熱器回收空壓機(jī)余熱，不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響，是目前應(yīng)用較多且發(fā)展前景較大的利用方式。然而，該技術(shù)通常存在換熱器結(jié)垢問題，未來相關(guān)發(fā)展需要克服此問題。熱泵技術(shù)可有效提高系統(tǒng)的供熱能力，且吸收式熱泵還可實(shí)現(xiàn)冬季制熱和夏季制冷，但熱泵系統(tǒng)投資較高。

(3)當(dāng)?shù)V區(qū)用水水質(zhì)較好，不易結(jié)垢時(shí)，建議采用熱水直接利用技術(shù)；反之，則需采用間接利用技術(shù)。若系統(tǒng)對(duì)能源品味要求較高，或兼有冷熱兩用需求時(shí)，建議采用熱泵提熱技術(shù)。