空气源热泵和风机余热综合再利用研究与应用

空气源热泵和风机余热综合再利用研究与应用

杨志会

冀中能源峰峰集团有限公司邯郸洗选厂 河北 邯郸 056000

摘 要：洗选厂采暖季利用现有燃气锅炉进行采暖和洗浴热水的制取，运行成本高，环保形势严峻现有设备不能满足环保要求且安全隐患大。螺杆式压风机空气压缩机通过其自身的散热系统来给高温高压的油、气降温的过程中，大量的热能就被无端的浪费了,且因为夏季气温较高，空压机本身的散热会力不从心，从而经常高温停机，给企业带来麻烦和损失。空气能热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气能热泵系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水，整个系统集热效率非常高。空压机余热回收机组既可以给空压机降温，又可以把余热转换成高水温。

关键词：选煤厂；空气能；空气源热泵；压风机；余热回收；采暖；洗浴；

邯郸洗选厂是中国自行设计安装的第一座大型矿区型炼焦煤选煤厂，年设计能力150万t，于1959年12月投产，50多年来，经过多次改造，技术装备水平不断提高。1998年，选煤厂采用跳汰粗选—重介精选一分级浮选的联合工艺流程。随着矿井机械化开采程度的不断提高，选煤厂实行精细化分选，提出四粒级选煤工艺，于2011年9月正式投产脱泥无压三产品重介旋流器-css粗煤泥分选-直接浮选-尾煤干燥成型工艺，分为南北2个系统，年处理量350万t。

1 国内外概况、水平和发展趋势

空气能热源的实施有利于贯彻落实清洁取暖实施方案，加快改善区域大气环境。能源和环境问题已是我国关注和迫切需要解决的主要问题之一。随着常规能源煤、石油、天然气的开采，这些能源被大量消耗、逐步减少，全国近年来清洁能源天然气市场在冬季出现了“气荒”现象，同时也带来了环境与安全问题，电能作为目前最清洁能源之一，其利用率高且稳定，产业市场前景可观。

空气源热泵技术经过近20年的研究发展，目前已形成一套从采购、安装、调试、售后闭环技术应用生产链，项目产品技术及质量均已成熟。

2 项目背景

邯郸洗选厂现有4台LGB-23燃气锅炉和1台LGB-12燃气锅炉。采暖季燃气锅炉主要负责厂区冬季采暖以及生活区浴室热水洗浴，非采暖季采用1台LGB-12燃气锅炉负责生活区浴室热水洗浴。邯郸洗选厂冬季供暖面积21700平方米；职工洗浴每天热水使用量约为30立方米。

2.1 燃气锅炉运行成本高

洗选厂采暖季利用现有燃气锅炉进行采暖和洗浴热水的制取，经测算采暖季（120天计算）液化气费用为120万元；其它水、电能源消耗费用为10万元；运行维护费每年累计为6万元；人工费60万元，即采暖季总成本为196万元。洗选厂非采暖季利用1台燃气锅炉进行洗浴热水制取，经测算液化气费用为30万元。因此燃气锅炉运行全年总成本为226万元。

2.2 环保形势严峻现有设备不能满足环保要求

根据国家现行环保政策，现有液化气锅炉已不符合国家执行环保要求，需在锅炉末端新增低氮燃烧装置，其改造费用昂贵。即使新增低氮燃烧装置也不能从根本上解决环保问题，后续相关在线监测会持续增加。因此目前环保形势严峻，高标准、高要求的政策下，现有设备势必会淘汰。

2.3 安全隐患大

目前采用液化气锅炉进行采暖和制热水，并在厂区内设有1个50立方液化石油气罐。从安全角度出发，液化石油气罐、附属设备及管道均为特种设备属于危险源，存在一定的安全隐患，地方应急局会将其作为重点监控对象。

2.4 液化气使用成本逐年升高“气荒”现象频繁出现

近年来尤其在冬季，我国多个省份液化气供应紧张，液化气价格明显上涨，多地出现居民用液化气断气现象，严重影响社会生产生活。作为季节性需求变动强的企业，天然气供应紧张势必给企业生产和生活带来较大的影响。

3 针对问题处理措施及方案

3.1 总体思路

利用空气能热源泵技术，满足当下环保要求，实现零排放。利用风机余热回收技术获得的热水，作为洗浴预热提高能耗比，显著改善节能效果；充分利用人工智能、物联网技术实现无人化值守。

3.2 空气热源泵主要技术

空气热源泵工作原理如图1

图1 空气热源泵机组流程图

在机组制热时，压缩机1吸入气液分离器11中低压制冷剂气体，经压缩机增压后排出高压气体，经过四通阀2至水换热气10，在水换热气中高压气体放热冷却为高压液体，而套管外的水被加热，达到使用要求。高压液体经小分液头13汇集后，通过单向阀组5中一个单向阀，流入贮液器6，此时，若有未冷凝的气体，则充于贮液器6顶部。液体又在储液器6底部，经干燥过滤器7后，去除水份和杂质，再经由视镜8后至膨胀阀9，高压液体经膨胀阀节流后，减压膨胀变为低压的制冷剂液体。经过单向阀5中一个单向阀和大分液头12后均匀进入风换热器3中，在此，制冷剂在换热器套管内吸热汽化，而铜管外由风扇4使空气循环，提供热源。低压气体从风换热器中汽化出来，经四通阀2后到气液分离器11中，经气液分离器至压缩机吸气口，并保证回压缩机的流体全部为气体。至此，完成一个制热循环。

3.3 风机余热回收技术

3.3.1 风机余热回收技术背景

现行螺杆式空气压缩机的工作流程如下：空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，从而分别得到高温高压的油、气。由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，最后送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环。

在以上过程中，高温高压的油、气所携带的热量大致相当于空气压缩机功率的3/4，其温度通常在80℃—100℃之间。螺杆式空气压缩机通过其自身的散热系统来给高温高压的油、气降温的过程中，大量的热能就被无端的浪费了,且因为夏季气温较高，空压机本身的散热会力不从心，从而经常高温停机，给企业带来麻烦和损失。

  为了充分利用螺杆式空压机所产生的余热, 并减少空压机高温的压力，该技术对螺杆式空气压缩机所产生的高温高压的气体及油进行冷却，不仅可以降低空压机机体温度使其正常运转而且可以提高空气压缩机的产气效率，增加产气量，也可使企业获得生产和生活所需的热水，严冬可加热到≥50℃，夏秋季节≥65℃。

3.3.2 新型空压机余热回收系统如图2

图2 新型空压机余热回收系统

3.3.3 空压机余热回收特点

空压机余热回收机组，螺杆空压机余热再利用装置占地面积小，不需专人看管，安全方便，既绿色环保又节能减排。全自动控制系统，无需人为操作，控制系统会根据温度、水位的情况做出判断，自行向余热回收机内注水，自行决定回收热量方式以及空压机的冷却方式。提高空压机的使用寿命，空压机工作温度的降低，减少了机器的故障，延长了设备的使用寿命，降低了维修成本，增大了空压机润滑油、油滤、油气分离器更换时限，相应延长了设备的使用期限。

3.3.4 风机余热回收系统介绍如图3

图3 系统原理图

自来水系统：自来水输送至冷水箱，受冷水箱液位仪表传输信号，电动阀控制，采用“高停低启”的控制方式。

空压机余热回收系统：通过水泵将循环水箱内的自来水输送至余热回收设备，能过空压机的润滑油与压缩空气换热成设定温度的热水，输送至循环水箱；热水为循环加热式，通过余热回收设备热水出口的温度仪表传输信号，控制冷水入口的电动阀开关量实现直热；每台设备都独立控制。

循环水箱：储热水箱主要用于储存热水，当末端有热水需求时，热水泵直接输送，当末端没有热水需求，或需求量很小时，制热设备不停止，持续不断的制造热水，这样就避免了高峰期用水量大，不能及时制出热水的问题。

4 系统设备参数的调整和试验结果的分析调试运行情况

4.1 采暖机组调试运作

采暖机组开启，经过机组预热及加载、升温等调试步骤，至回水达温50℃，开始进入制热性功能测试程序。为测试采暖空气源热泵机组制热性能，分三个阶段采用三个制热档次对采暖热泵进行了性能测试。

4.1.1 极限制热阶段

空气源热泵机组在邯郸最冷时段完全能够满足采暖供热需要。从耗电量来看，日均电耗1.8万度，日电费1万元，与燃气锅炉日燃气费用相当，但制热效果要好于燃气锅炉。

4.1.2 正常运行阶段

设置采暖回水温度45℃，实际回水温度43-45℃，与原燃气锅炉采暖相当。从采暖效果来看，从采暖效果看，室内温度22℃，与原燃气锅炉采暖温度持平，比国家规定的最低室温高4℃。从耗电量来看，日均电耗1.45万度，日均电费8000元。由此可见，在最寒冷的月份，采用空气源热泵采暖达到原有供暖水平，日费用要节省1500元。

4.1.3 经济运行阶段

为降低运行电费，采暖回水温度设置为35℃，实际回水温度34-36℃，进入经济运行阶段。从运行电费来看，日均电耗5000度，日均电费0.28万元。

从总体运行温度度来看，原燃气炉采暖室温不温度，变化较大，而空气源热泵采暖室温均恒稳定，舒适度要高。

4.2 风机余热回收系统运行情况

风机余热回收系统安装完毕投入运行。风机余热回收系统投入运行后，风机冷却效果良好，没有因排气温度过高，造成停机现象。加热30m3水箱40度，仅需10个小时。

4.3 洗浴机组运行情况

洗浴热泵机组安装完毕并投入运行。空气源热泵是从空气中汲取热量，随着环境温度的升高，同等能耗的空气源热泵制热量要有所增加，而同时冷水温度要有所上升，因而夏天洗浴电耗要空成倍降低，预计月电费要达到0.4万元以下，全年月均电费达到0.6万元，比原燃气锅炉燃气费降低1.9万元。

4.4 洗浴机组与风机余热回收试压情况

试验风机余热回收系统与空气能机组相结合试验。在空气能洗浴机组单独运行下，30立方水箱，温度43度，运行时间9个小时。利用空气余热回收机组预加热的试验，风机开机8小时，水箱温度32度。利用水泵将余热水抽至洗浴水箱，开启洗浴机组运行3小时，水箱温度43.5度。电耗0.57万度，电费0.27万元。试验是由于风机开机时间与洗浴时间匹配，甚至出现仅仅依靠分级余热回收系统就能满足职工洗浴。

5 经济效益分析

燃气锅炉采暖和洗浴，年运行费用高达230万元，其中全年燃气用量333吨，费用150万元（采暖燃气费120万元/采暖季，日均1万元；洗浴燃气费30万元/年，日均800元。）；循环泵等运转电费10万元；使用具有特殊工种资质的锅炉工8人，全年人工费60万元；年维修费10万元。仅就采暖而论，一个采暖季采暖费高达165万元，采暖面积为2.17万平方米，采暖单耗为76元/㎡，是国家规定居民集中供暖价格21元/㎡的3.6倍。

采暖费用根据以上试验数据，假设我厂在12月16日-元月31日最冷的一个半月（47天）采用正常采暖模式，电费为40万元；而在较温暖的11月15日-12月15日，以及2月1日-3月15日共计73天的时间内采用经济运行模式，电费为20万元。以上两项合计为一个取暖季电费为60万元。

由于空气源热泵运行采用无人值守、手机远程操控，因此系统运行费用仅为电费。这样算来，空气源热泵采暖系统在全采暖季运行费用比原有燃气锅炉费用降低105万元。

洗浴费用：冬季三个月平均电费达到0.8万元，夏季月均预计达到0.4万元，全年预计月均费用达到0.6万元，全年运行电费为7.2万元，比原燃气锅炉降低22.8万元。

以上采暖、洗浴两项运行费用全年合计为 83万元，比改造前降低147万元。

6 小结

经过实际使用，采暖机组供暖效果良好，老旧厂房不低于16℃，办公设施不低于17℃ 单身宿舍楼不低于21 ℃。满足实际采暖需要。

职工洗浴系统和风机余热回收系统单独试验和结合试验，均满足职工洗浴要求，风机余热回收系统投入运行更好的降低了运行费用。

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作者简介：杨志会（1986—），男，河南睢县人，2010年毕业于北华大学机械设计制造及其自动化专业，工学学士，冀中能源峰峰集团有限公司邯郸洗选厂工程师。