淺談螺桿空壓機(jī)熱能的回收利用

引言

壓縮空氣所應(yīng)用的行業(yè)范圍非常廣泛,幾乎涉及石化、冶金、機(jī)械、國(guó)防、電子、科研、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在制藥企業(yè)中,它主要用于儀器儀表的自動(dòng)控制以及物料輸送、氣流粉碎等工藝生產(chǎn)過程中。

螺桿空壓機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能的設(shè)備。在這個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過程中,設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,一是來源于空氣壓縮時(shí)因體積縮小而導(dǎo)致的溫度升高,這是機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程中一種普通的物理現(xiàn)象:二是機(jī)械螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)與氣體摩擦而產(chǎn)生的熱量。這些熱量通過空壓機(jī)潤(rùn)滑油這個(gè)載體,作為廢熱經(jīng)散熱排風(fēng)機(jī)排至周圍環(huán)境中,不僅污染環(huán)境,還會(huì)對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行造成安全隱患。具體表現(xiàn)在:首先,空壓機(jī)在高速運(yùn)行的狀態(tài)下,產(chǎn)生大量的熱能,潤(rùn)滑油溫度一般會(huì)高于90℃,空壓機(jī)的散熱風(fēng)機(jī)基本上處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),增加了電力的無謂消耗和設(shè)備的運(yùn)行成本:其次,空壓機(jī)潤(rùn)滑油長(zhǎng)期在高溫狀態(tài)下使用,與金屬以及氮氧化物、硫化物產(chǎn)生氧化反應(yīng)會(huì)生成酮、酸等化學(xué)物及含氧不溶物:最后,由于被壓縮的空氣中含有水分,潤(rùn)滑油和水高溫混合而生成乳狀物,使得空壓機(jī)得不到充分的潤(rùn)滑,降低了潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果,增加了設(shè)備的故障發(fā)生率,體現(xiàn)在設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)上,必須縮短潤(rùn)滑油的使用更換時(shí)間,增加了設(shè)備的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

1空壓機(jī)熱能回收的原理

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組是根據(jù)熱能轉(zhuǎn)換原理將空壓機(jī)高溫潤(rùn)滑油中所含熱量回收轉(zhuǎn)移到飲用水中(圖1）。

該設(shè)備的主體就是一臺(tái)換熱器,將空壓機(jī)的高溫潤(rùn)滑油導(dǎo)出,和常溫飲用水分兩路進(jìn)入換熱器,潤(rùn)滑油經(jīng)換熱器換熱降溫后再回到空壓機(jī)油桶用于設(shè)備冷卻,飲用水經(jīng)換熱器吸收熱量升溫后進(jìn)入不銹鋼儲(chǔ)熱保溫水箱,實(shí)現(xiàn)一次換熱,經(jīng)過反復(fù)循環(huán)換熱,可達(dá)到需求溫度(55～70℃,可自行設(shè)定）,當(dāng)回收的熱量不夠時(shí)也可以通過保溫水箱的電加熱管來輔助加熱。當(dāng)保溫水箱的熱水達(dá)到設(shè)定的高水溫時(shí),水箱的飲用水閥自動(dòng)開啟補(bǔ)水,熱能回收機(jī)組的熱水電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉,停止產(chǎn)水,處于待機(jī)狀態(tài):空壓機(jī)的潤(rùn)滑油達(dá)到高溫時(shí),散熱排風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟來降低油溫。當(dāng)保溫水箱達(dá)到設(shè)定的低水溫時(shí),熱水補(bǔ)水電動(dòng)閥自動(dòng)打開,熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組繼續(xù)工作,產(chǎn)出熱水輸送到水箱。

2空壓機(jī)熱能回收的情況分析

按照設(shè)計(jì)院的初步設(shè)計(jì)方案,江中藥業(yè)新建項(xiàng)目的壓縮空氣總需求量為60m3/min,需配置3臺(tái)20m3/min、電功率110kw的螺桿空壓機(jī)。

根據(jù)熱量公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Q為熱量(kcal）:C為水的比熱容,C=1kcal/(kg·℃）:m為水的質(zhì)量(kg）:△t為水的溫度變化(℃）。

在此設(shè)定飲用水溫度為常溫25℃,經(jīng)吸熱后的熱水溫度為65℃,A1=40℃。那么,1t水升高40℃需吸收熱量Q=1×1000×40=40000kcal。

經(jīng)與相關(guān)企業(yè)交流及測(cè)算,空壓機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱量01=空壓機(jī)電機(jī)實(shí)際功率(kw）×70%(額定制熱率,與空壓機(jī)的加載率和使用時(shí)間有關(guān),一般每天使用16h以上且加載率不低于90%,可以達(dá)到70%）x80%(熱回收率）×860kcal/(kw·h）(電熱值）=110×3×70%×80%×860=158928kcal/h,則可以產(chǎn)生熱水量0=余熱量(1/(=158928÷40000≈4t/h。新建項(xiàng)目為兩班制生產(chǎn),按每天15h計(jì)算,利用回收空壓機(jī)熱量可日產(chǎn)熱水60t。

年回收的熱量換算成電量=(1÷860kcal/(kw·h）×15hx220d/a≈60.98萬kw·h/a,電費(fèi)按0.7元/(kw·h）計(jì),折算成每年節(jié)省電費(fèi)為60.98×0.7≈42.7萬元。

此外,上述換算的電量60.98萬kw·h/a折合成標(biāo)煤,減排效果十分明顯,如表1所示。

表1  環(huán)境減排效益統(tǒng)計(jì)表

3案例應(yīng)用介紹

基于以上情況分析,為節(jié)約能源,遵循綠色制造理念,同時(shí)為了改善工作場(chǎng)所的工作環(huán)境,保障設(shè)備的正常運(yùn)行,通過前期調(diào)研以及與相關(guān)企業(yè)的交流,在新建項(xiàng)目的空壓機(jī)房中增加了空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組,配套3臺(tái)循環(huán)水泵(兩用一備）、1臺(tái)15t的不銹鋼保溫儲(chǔ)罐(帶輔助電加熱）及發(fā)泡保溫循環(huán)管道(約800m）,總投資約50萬元,投資回收期50÷42.7≈1.2年,非常具有投資價(jià)值。

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組產(chǎn)生的熱水可用于工藝生產(chǎn)、暖通或作為生活熱水用于員工淋浴。以員工淋浴為例,在該項(xiàng)目中,全公司總定員為910人,其中生產(chǎn)定員為680人:宿舍樓為5層建筑,可入住220人?，F(xiàn)暫按每天淋浴人數(shù)700人、每人次用熱水50L計(jì),每天需用熱水35t。還有另外一部分熱水約25t,可用于車間的中藥提取工藝生產(chǎn)或空調(diào)制熱。

此外,原初步設(shè)計(jì)中,淋浴用水采用太陽能熱水器。經(jīng)詢價(jià),空壓機(jī)熱能回收機(jī)組的使用可節(jié)約宿舍樓和生產(chǎn)車間熱水器的投資約108.5萬元,同時(shí)減少了太陽能熱水器的屋頂面占用面積,更有利于屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施,產(chǎn)生更多的光伏發(fā)電收益。

4建議

綜上所述,采用空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組可以獲得以下效益:

(1）節(jié)約能源。不同于其他產(chǎn)熱設(shè)備,空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組無須任何燃料就能得到熱水,同時(shí)安裝該設(shè)備后,空壓機(jī)的潤(rùn)滑油油溫得以降低,散熱排風(fēng)機(jī)可以在絕大部分時(shí)間停止運(yùn)行,因此,在節(jié)能的同時(shí)還節(jié)省了電力費(fèi)用。

(2）有利于設(shè)備保護(hù)保養(yǎng)。安裝該機(jī)組后,空壓機(jī)可以在最適合的運(yùn)行溫度下運(yùn)行,潤(rùn)滑油的溫度能穩(wěn)定在75～85℃,減少了潤(rùn)滑油氧化物、乳化物的產(chǎn)生,空壓機(jī)的工作效率得以提高,使用壽命得以延長(zhǎng)。

(3）減排。從表1可以看到,項(xiàng)目的實(shí)施,每年可減少二氧化碳排放超過440t,因此,建議有條件的企業(yè)能積極考慮空壓機(jī)熱能回收設(shè)備的使用,以達(dá)到節(jié)能降耗、精益生產(chǎn)的目的,進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在有些企業(yè)中,空壓機(jī)是根據(jù)壓縮空氣的使用量在各車間分開布置,這樣布置并無不妥,可以減少管道投資和壓縮空氣的管損,但如果考慮實(shí)施空壓機(jī)熱能回收,建議在新建或改造項(xiàng)目中,空壓機(jī)還是盡可能集中布置,這樣可以減少熱能回收設(shè)備的投資成本,同時(shí)有利于全公司壓縮空氣的統(tǒng)籌調(diào)度使用。

對(duì)于新建項(xiàng)目,前期可能因用氣設(shè)備少,空壓機(jī)不能滿負(fù)荷運(yùn)行或運(yùn)行時(shí)間短、間歇時(shí)間長(zhǎng),所產(chǎn)熱量少,導(dǎo)致熱水產(chǎn)量少或溫度不足,此時(shí)由熱水罐自帶的電加熱管負(fù)責(zé)加熱:而當(dāng)熱水罐達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),空壓機(jī)散熱排風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟來降低壓縮機(jī)油溫,這樣就會(huì)進(jìn)一步降低余熱回收量,同時(shí)消耗電能。因此,建議空壓機(jī)熱能回收設(shè)備應(yīng)分期逐步增加完善。

此外,熱水循環(huán)管道越長(zhǎng),熱量損失越多,因此空壓機(jī)房的設(shè)置與熱水使用點(diǎn)的距離應(yīng)盡可能縮短。

5結(jié)語

空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組由于無須任何燃料,因此不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染,同時(shí)能變廢為寶:由于空壓機(jī)熱能回收機(jī)組的使用,相當(dāng)于減少了鍋爐等熱力設(shè)備的燃料消耗以及由此產(chǎn)生的煙塵、粉塵和氮氧化物等污染物的大氣排放,可以達(dá)到低碳、節(jié)能、減排的目的,非常符合我國(guó)的能源環(huán)保政策,也有利于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)?？諌簷C(jī)回收利用的熱量,除了用于生活熱水制備外,還可用于空調(diào)采暖、工藝生產(chǎn)。因此,空壓機(jī)熱能回收轉(zhuǎn)換機(jī)組的應(yīng)用前景必將十分廣闊。