浅谈螺杆空压机热能的回收利用

引言

压缩空气所应用的行业范围非常广泛,几乎涉及石化、冶金、机械、国防、电子、科研、食品、医药等工业生产的各个领域。在制药企业中,它主要用于仪器仪表的自动控制以及物料输送、气流粉碎等工艺生产过程中。

螺杆空压机是一种将电能转化为机械能,再将机械能转化为风能的设备。在这个能量转化的过程中,设备会产生大量的热能,一是来源于空气压缩时因体积缩小而导致的温度升高,这是机械能转化过程中一种普通的物理现象:二是机械螺杆高速运转与气体摩擦而产生的热量。这些热量通过空压机润滑油这个载体,作为废热经散热排风机排至周围环境中,不仅污染环境,还会对设备正常运行造成安全隐患。具体表现在:首先,空压机在高速运行的状态下,产生大量的热能,润滑油温度一般会高于90℃,空压机的散热风机基本上处于连续运转状态,增加了电力的无谓消耗和设备的运行成本:其次,空压机润滑油长期在高温状态下使用,与金属以及氮氧化物、硫化物产生氧化反应会生成酮、酸等化学物及含氧不溶物:最后,由于被压缩的空气中含有水分,润滑油和水高温混合而生成乳状物,使得空压机得不到充分的润滑,降低了润滑油的润滑效果,增加了设备的故障发生率,体现在设备的维护保养上,必须缩短润滑油的使用更换时间,增加了设备的维修保养费用。

1空压机热能回收的原理

空压机热能回收转换机组是根据热能转换原理将空压机高温润滑油中所含热量回收转移到饮用水中(图1）。

该设备的主体就是一台换热器,将空压机的高温润滑油导出,和常温饮用水分两路进入换热器,润滑油经换热器换热降温后再回到空压机油桶用于设备冷却,饮用水经换热器吸收热量升温后进入不锈钢储热保温水箱,实现一次换热,经过反复循环换热,可达到需求温度(55～70℃,可自行设定）,当回收的热量不够时也可以通过保温水箱的电加热管来辅助加热。当保温水箱的热水达到设定的高水温时,水箱的饮用水阀自动开启补水,热能回收机组的热水电动阀自动关闭,停止产水,处于待机状态:空压机的润滑油达到高温时,散热排风机自动开启来降低油温。当保温水箱达到设定的低水温时,热水补水电动阀自动打开,热能回收转换机组继续工作,产出热水输送到水箱。

2空压机热能回收的情况分析

按照设计院的初步设计方案,江中药业新建项目的压缩空气总需求量为60m3/min,需配置3台20m3/min、电功率110kw的螺杆空压机。

根据热量公式进行计算:

式中:Q为热量(kcal）:C为水的比热容,C=1kcal/(kg·℃）:m为水的质量(kg）:△t为水的温度变化(℃）。

在此设定饮用水温度为常温25℃,经吸热后的热水温度为65℃,A1=40℃。那么,1t水升高40℃需吸收热量Q=1×1000×40=40000kcal。

经与相关企业交流及测算,空压机在运行过程中产生的余热量01=空压机电机实际功率(kw）×70%(额定制热率,与空压机的加载率和使用时间有关,一般每天使用16h以上且加载率不低于90%,可以达到70%）x80%(热回收率）×860kcal/(kw·h）(电热值）=110×3×70%×80%×860=158928kcal/h,则可以产生热水量0=余热量(1/(=158928÷40000≈4t/h。新建项目为两班制生产,按每天15h计算,利用回收空压机热量可日产热水60t。

年回收的热量换算成电量=(1÷860kcal/(kw·h）×15hx220d/a≈60.98万kw·h/a,电费按0.7元/(kw·h）计,折算成每年节省电费为60.98×0.7≈42.7万元。

此外,上述换算的电量60.98万kw·h/a折合成标煤,减排效果十分明显,如表1所示。

表1  环境减排效益统计表

3案例应用介绍

基于以上情况分析,为节约能源,遵循绿色制造理念,同时为了改善工作场所的工作环境,保障设备的正常运行,通过前期调研以及与相关企业的交流,在新建项目的空压机房中增加了空压机热能回收转换机组,配套3台循环水泵(两用一备）、1台15t的不锈钢保温储罐(带辅助电加热）及发泡保温循环管道(约800m）,总投资约50万元,投资回收期50÷42.7≈1.2年,非常具有投资价值。

空压机热能回收转换机组产生的热水可用于工艺生产、暖通或作为生活热水用于员工淋浴。以员工淋浴为例,在该项目中,全公司总定员为910人,其中生产定员为680人:宿舍楼为5层建筑,可入住220人。现暂按每天淋浴人数700人、每人次用热水50L计,每天需用热水35t。还有另外一部分热水约25t,可用于车间的中药提取工艺生产或空调制热。

此外,原初步设计中,淋浴用水采用太阳能热水器。经询价,空压机热能回收机组的使用可节约宿舍楼和生产车间热水器的投资约108.5万元,同时减少了太阳能热水器的屋顶面占用面积,更有利于屋顶光伏发电项目的实施,产生更多的光伏发电收益。

4建议

综上所述,采用空压机热能回收转换机组可以获得以下效益:

(1）节约能源。不同于其他产热设备,空压机热能回收转换机组无须任何燃料就能得到热水,同时安装该设备后,空压机的润滑油油温得以降低,散热排风机可以在绝大部分时间停止运行,因此,在节能的同时还节省了电力费用。

(2）有利于设备保护保养。安装该机组后,空压机可以在最适合的运行温度下运行,润滑油的温度能稳定在75～85℃,减少了润滑油氧化物、乳化物的产生,空压机的工作效率得以提高,使用寿命得以延长。

(3）减排。从表1可以看到,项目的实施,每年可减少二氧化碳排放超过440t,因此,建议有条件的企业能积极考虑空压机热能回收设备的使用,以达到节能降耗、精益生产的目的,进一步提高企业的经济效益和社会效益。

在有些企业中,空压机是根据压缩空气的使用量在各车间分开布置,这样布置并无不妥,可以减少管道投资和压缩空气的管损,但如果考虑实施空压机热能回收,建议在新建或改造项目中,空压机还是尽可能集中布置,这样可以减少热能回收设备的投资成本,同时有利于全公司压缩空气的统筹调度使用。

对于新建项目,前期可能因用气设备少,空压机不能满负荷运行或运行时间短、间歇时间长,所产热量少,导致热水产量少或温度不足,此时由热水罐自带的电加热管负责加热:而当热水罐达到设定温度时,空压机散热排风机会自动开启来降低压缩机油温,这样就会进一步降低余热回收量,同时消耗电能。因此,建议空压机热能回收设备应分期逐步增加完善。

此外,热水循环管道越长,热量损失越多,因此空压机房的设置与热水使用点的距离应尽可能缩短。

5结语

空压机热能回收转换机组由于无须任何燃料,因此不会产生环境污染,同时能变废为宝:由于空压机热能回收机组的使用,相当于减少了锅炉等热力设备的燃料消耗以及由此产生的烟尘、粉尘和氮氧化物等污染物的大气排放,可以达到低碳、节能、减排的目的,非常符合我国的能源环保政策,也有利于实现碳达峰、碳中和的战略目标。空压机回收利用的热量,除了用于生活热水制备外,还可用于空调采暖、工艺生产。因此,空压机热能回收转换机组的应用前景必将十分广阔。