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空压机余热回收利用方案与实践应用

摘要

针对空压机运行过程中大量余热浪费的问题，本文提出“按需匹配、梯级利用、经济高效”的方案设计核心原则，系统梳理了按余热来源（润滑油循环系统、压缩空气排气系统）分类的差异化回收方案，以及按利用场景（工业生产辅助、建筑舒适、能源再生）分类的综合应用方案。通过明确各方案的系统组成、

工作流程、适用场景，结合设备选型匹配、系统安全保障、运行维护管理等关键实施要点，为企业空压机余热回收提供技术路径。

关键词

空压机；余热回收；润滑油余热；压缩空气余热；有机朗肯循环；节能效益

一、引言

空压机作为工业领域核心动力设备，其电能转化为气体压力能的效率仅为30%-70%，其余能量以余热形式通过润滑油、压缩空气等载体散失，其中润滑油余热温度稳定在60-90℃，压缩空气排气温度可达80-150℃，具备极高的回收价值。当前工业企业对空压机余热的回收利用率不足40%，不仅造成能源浪费，还需额外消耗电能或化石燃料满足供暖、供热水等需求。

为此，本文基于不同余热来源的特性与企业实际需求，设计多场景适配的余热回收方案，明确方案实施的技术细节与可行性，助力工业领域节能降耗与“双碳”目标实现。

二、方案设计核心原则

 空压机余热回收需以“需求导向、效率优先、经济合理”为基础，遵循三大核心原则：

1. 按需匹配原则：优先锁定温度高、能量密度大的余热载体（润滑油余热回收率60%-80%，压缩空气余热回收率40%-60%），结合用户端供暖、供热水、生产预热、发电等实际需求设计系统，避免“为回收而回收”导致的设备闲置。

2. 梯级利用原则：根据余热温度分级分配用途，60-90℃润滑油余热优先用于供暖、供热水（温度需求50-60℃）；80-150℃压缩空气余热可用于锅炉给水预热（温度需求40-60℃）或驱动ORC发电（需80℃以上热源），实现“高温高用、低温低用”。

3. 经济高效原则：控制初投资成本，确保节能收益覆盖设备成本，回收期控制在3年以内（主流方案回收期1-2年）；同时简化系统结构，降低运行维护难度与成本。

三、按余热来源分类的具体回收方案

空压机余热主要来源于润滑油循环系统与压缩空气排气系统，两类余热的温度范围、流量稳定性差异显著，需采用差异化的回收技术路径。

3.1 润滑油余热回收方案

 3.1.1 核心原理

 螺杆式、活塞式空压机的润滑油在循环中同时吸收机械摩擦热与压缩热，温度稳定在60-90℃，属于中低温余热，适合通过间壁式换热将热量传递给冷水或空气，转化为可用热能。该方案不受空压机负荷波动影响，回收稳定性高。

3.1.2 典型方案：润滑油-水换热供暖/供热水系统

3.1.2.1 系统组成

 板式换热器：选用304不锈钢材质，换热效率≥90%，板片间距2-3mm，适配润滑油黏度（≤100cSt），避免油垢堵塞；

循环水泵：采用变频离心泵，扬程15-30m（匹配换热器阻力5-8m、管道阻力8-12m、水箱高度2-5m），流量根据余热回收量计算；

储热水箱：采用不锈钢材质，容积按日需求1/3设计（如每日5吨热水需求，水箱容积2-3m³），配备聚氨酯保温层（厚度≥50mm），散热损失≤2%/24h；

温控阀：采用电动三通阀，响应时间≤5s，根据润滑油出口温度（设定值45-55℃）自动调节冷水流量。

辅助设备：

润滑油过滤器：精度10μm，防止油泥、金属碎屑堵塞换热器；

安全阀：开启压力1.2倍系统工作压力（油侧≤1.0MPa，水侧≤0.6MPa），避免超压风险。

3.1.2.2 工作流程

1. 热量释放阶段：空压机润滑油从油箱流出后，经过滤器过滤杂质，进入板式换热器的“油侧通道”，释放热量后温度从60-90℃降至45-55℃，返回空压机主机继续参与润滑循环；

2. 热量吸收阶段：冷水（自来水或循环水）经变频水泵输送至换热器“水侧通道”，吸收热量后温度从20-30℃升至50-60℃，进入储热水箱；

3. 热量分配阶段：储热水箱内的热水通过管网按需输送至车间暖气片/地暖（供暖）、员工浴室（生活热水）或生产清洗线（工艺预热）；

4. 温控调节阶段：当润滑油出口温度＜45℃时，温控阀自动减小冷水流量，降低换热效率；当温度＞55℃时，增大冷水流量，确保润滑油温度稳定在安全范围。

3.1.2.3 适用场景

有稳定热水/供暖需求的制造业工厂、食品加工厂、大型车间；

单台空压机功率≥37kW（润滑油流量≥50L/min），年运行时间≥3000小时。

3.2 压缩空气余热回收方案

3.2.1 核心原理

 压缩空气从空压机主机排出时，因气体压缩过程中的分子摩擦与能量转化，温度可达80-150℃（活塞式空压机温度更高，可达120-150℃），携带大量显热。若直接进入干燥机等后处理设备，不仅浪费余热，还会增加干燥机能耗（如冷冻式干燥机需额外降温至40℃以下），因此需在压缩空气进入后处理系统前完成余热回收。

3.2.2 典型方案：压缩空气-水换热预热锅炉给水

3.2.2.1 系统组成

套管式换热器：内管材质316不锈钢（耐压缩空气高压），压力耐受≥1.6MPa，换热效率≥85%；

给水泵：变频离心泵，扬程20-40m（匹配锅炉进水压力），流量根据锅炉补水量设计；

温度传感器：安装在压缩空气出口端，精度±1℃，触发温度设定为40℃。

辅助设备：

汽水分离器：旋风式结构，分离效率≥99%，避免冷凝水进入后处理系统；

旁通阀：电动球阀，响应时间≤3s，当压缩空气出口温度＜40℃时自动开启，确保后处理系统正常运行。

3.2.2.2 工作流程

1. 余热回收阶段：空压机排出的高温压缩空气（80-150℃，压力0.8-1.0MPa）进入套管式换热器“气侧通道”，释放热量后温度降至40-60℃；

2. 锅炉给水预热阶段：锅炉补水（常温20-30℃）经给水泵送入换热器“水侧通道”，吸收热量后升温至40-60℃，再送入锅炉；

3. 冷凝水分离阶段：换热后的压缩空气进入汽水分离器，分离出冷凝水（排放量约0.5-1L/min），排入废水处理系统；

4. 旁通保护阶段：当压缩空气出口温度＜40℃（可能导致冷凝水冻结或干燥机负荷骤增），旁通阀自动打开，压缩空气直接进入后处理系统。

3.2.2.3 适用场景

配备锅炉的化工、纺织、食品企业（需持续补充锅炉给水）；

压缩空气排气温度≥80℃、流量≥5Nm³/min的活塞式空压机或大型螺杆机。

四、按余热利用场景分类的综合方案

基于企业不同场景的能源需求，将空压机余热与生产、建筑用能需求结合，设计“一站式”综合回收方案，提升余热利用率至80%以上。

4.1 工业生产辅助场景：余热用于工艺预热

4.1.1 方案：空压机余热-生产用水预热系统

针对食品加工（清洗、杀菌）、电镀（镀液恒温）、化工（原料溶解）等需热水参与的工艺，设计“双热源联合换热”系统：

1. 双热源集成：先通过板式换热器回收润滑油余热，将冷水从20℃加热至50℃；再通过套管式换热器回收压缩空气余热，进一步加热至60-70℃，满足工艺热水温度需求；

2. 恒温控制：配备PLC控制系统，通过调节换热器冷水流量，确保热水温度稳定在±2℃，避免温度波动影响产品质量；

3. 余热储存：若工艺用水为间歇需求（如每日3班制生产），增设10-20m³保温储水箱（保温层厚度≥80mm），储存非生产时段的余热，避免热量浪费。

应用效果：某食品加工厂采用该方案后，生产用热水（每日需求20吨，65℃）完全由空压机余热供应，年节约电加热费用约35万元，设备投资6万元，回收期2个月。

4.2 建筑舒适场景：余热用于供暖/供冷

4.2.1 方案1：余热-地暖/暖气片供暖系统

适用场景：北方地区工厂车间、办公楼、员工宿舍（供暖面积≤5000㎡，单台空压机功率≥75kW）；

系统设计：

1. 回收润滑油余热加热冷水至50-55℃，通过分集水器分配至地暖管道（间距200mm，埋深50mm）或暖气片（散热面积按100W/㎡计算）；

2. 室温控制：每个房间安装室温传感器（设定值18-20℃），通过电动调节阀调节热水流量，当室温≥20℃时减小流量，≤18℃时增大流量，避免过热浪费；

3. 热源补充：冬季空压机负荷低于50%时，余热不足，联动10-20kW电辅热装置（仅在余热不足时启动），确保供暖稳定。

节能效益：某汽车零部件厂2台75kW空压机余热供暖（面积2000㎡），替代原燃气锅炉，年节约天然气1.8万m³（价格3元/m³），节约费用5.4万元，设备投资4.5万元，回收期10个月。

4.2.2 方案2：余热-吸收式供冷热系统

针对夏热冬冷地区企业的“冬供暖、夏供冷”需求，设计“余热驱动制冷”一体化系统：

系统组成：空压机余热回收系统（润滑油+压缩空气双热源）、溴化锂吸收式制冷机（制冷量50-200kW，COP值1.2-1.5）、风机盘管（供冷/供暖切换）；

工作流程：

夏季供冷：回收的余热将冷水加热至60-80℃，送入溴化锂制冷机发生器，加热溴化锂溶液产生制冷剂蒸汽，推动制冷循环，输出7-12℃冷冻水，通过风机盘管为建筑供冷；

冬季供暖：余热加热的50-55℃热水直接送入风机盘管，切换为供暖模式；

优势：夏季供冷无需消耗电能（仅水泵功耗，约为传统中央空调的10%），比传统空调节能60%-70%；冬季供暖替代燃气锅炉，减少碳排放。

4.3 能源再生场景：余热-ORC发电系统

4.3.1 核心原理

利用空压机余热（润滑油60-90℃、压缩空气80-150℃）加热低沸点有机工质（如R245fa，沸点38.1℃），使其蒸发为高压蒸汽（压力1.2-1.5MPa），推动螺杆膨胀机旋转，带动发电机发电，实现“余热→机械能→电能”的转化，发电效率8%-12%。

4.3.2 系统组成

余热回收模块：板式换热器（油-工质换热）、套管式换热器（气-工质换热），将有机工质加热至80-100℃；

发电模块：膨胀机、永磁同步发电机、冷凝器（水冷式，冷凝温度30-40℃）、工质泵（变频控制，压力2.0-2.5MPa）；

控制系统：PLC控制柜，实时监测余热温度、工质压力、发电量，自动调节工质流量，确保发电系统稳定运行。

4.3.3 适用场景

大型空压机站（多台空压机并联，总功率≥500kW），如石化、钢铁厂（余热总量≥200kW，年运行时间≥8000小时）；电价≥0.8元/度或有“余电上网”政策的地区。

五、方案实施关键注意事项

5.1 设备选型匹配

 设备选型直接决定余热回收系统的效率与稳定性，需根据余热特性、需求参数精准匹配：

润滑油换热：优先选板式换热器（换热效率高、体积小），若润滑油黏度＞100cSt（如低温环境使用高黏度润滑油），需选用宽流道板式换热器（板片间距≥3mm），避免油垢堆积堵塞；

压缩空气换热：选耐高压设备，套管式换热器（压力耐受≥1.6MPa）适合中小流量（≤20Nm³/min），壳管式换热器（压力耐受≥2.5MPa）适合大流量（＞20Nm³/min），且需做内壁防腐处理（防止压缩空气中冷凝水腐蚀）。

循环水泵：流量按“余热回收量÷（水的比热容×温度差）”计算，扬程需叠加换热器阻力（板式换热器5-8m，套管式换热器8-12m）、管道阻力（每100m管道阻力5-8m）及水箱高度；优先选变频泵，负荷波动时可节能15%-20%。

风机：润滑油-空气换热系统需选低噪音轴流风机（噪音≤75dB），风量按“余热回收量÷（空气的比热容×温度差×空气密度）”计算。

5.2 系统安全保障

需建立“温度、压力、流量”三重安全防护体系，避免设备损坏或生产中断：

温度保护：

润滑油侧：设置温度传感器（安装在换热器出口），当温度＜45℃（黏度升高导致润滑不良）或＞60℃（加速油老化）时，触发声光报警，同时温控阀自动调节流量；若温度持续异常（＞65℃或＜40℃），系统停机并联动空压机报警。

压缩空气侧：出口温度低于40℃时，旁通阀自动打开；高于80℃时（换热失效），报警并提示清洗换热器。

压力保护：

换热器、储水箱、管道均需安装安全阀，开启压力为系统工作压力的1.2倍（润滑油侧工作压力≤1.0MPa，安全阀开启压力1.2MPa；水侧工作压力≤0.6MPa，安全阀开启压力0.72MPa）；

润滑油管路安装单向阀，防止空压机停机时润滑油倒流进入余热回收系统。

流量保护：

循环水泵、工质泵（ORC系统）设置流量开关，当流量低于额定值的70%（如管道堵塞）时，报警并停机，避免空转损坏泵体。

5.3 运行维护管理

通过标准化运维延长设备寿命，确保回收效率稳定：

定期清洗：

板式换热器：每3-6个月拆洗一次，用5%-8%柠檬酸溶液（温度40-50℃）循环清洗2-3小时，去除油垢、水垢；清洗后需做水压试验（油侧1.2MPa、水侧0.72MPa，保压30分钟无泄漏）。

空气过滤器、油过滤器：每1-2个月更换一次（根据环境粉尘浓度调整，高粉尘环境每月更换），避免杂质进入换热器。

参数监测：

建立运行台账，每日记录润滑油进出口温度、压缩空气进出口温度、热水温度、流量、压力等参数；每周分析回收效率（回收效率=实际回收热量÷理论可回收热量×100%），若效率下降＞10%，及时排查清洗。

季节调整：

夏季：若无需供暖/供热水，可将余热回收系统切换至“旁通模式”，避免热水闲置导致的能量浪费；

冬季：增加储热水箱保温措施（如包裹岩棉保温层），减少散热损失（保温后散热损失可从5%/24h降至2%/24h以内）。

七、结论与展望

7.1 结论

1. 空压机余热回收具备“技术成熟、效益显著”的特点，其中润滑油-水换热供暖/供热水方案最具推广价值，投资回收期短（1-2年）、适用场景广，可满足80%以上中小工业企业需求；

2. 按“余热来源分类设计、按需求场景综合利用”的思路，可实现余热利用率提升至80%以上，显著降低企业能源成本（主流方案年节能收益2-20万元），同时减少碳排放（单台75kW空压机年减排CO₂约120吨）；

3. 系统安全与运维是关键，通过“温度-压力-流量”三重防护、定期清洗与参数监测，可确保设备稳定运行5年以上，回收效率衰减≤10%。