煤矿空气压缩机与余热利用系统的应用分析

引言：在碳达峰与碳中和战略目标驱动下，煤炭行业面临着能源消费结构转型与环境保护的双重挑战。矿井压风系统作为保障井下作业安全的核心设施，运行过程中产生的润滑油高温废气与机械摩擦废热，长期以直接排放方式处理，造成年均超百万吨标煤的能量浪费。空气压缩机工作产生热能，不仅营运成本高，而且对环境高温污染严重。传统煤矿空气压缩机多采用风冷或水冷方式降温，其中水冷系统需消耗大量水资源，而风冷系统则通过散热器将热量散发到井下或地面环境。在冬季，这些废热可能导致井下温度升高，增加通风降温成本；在夏季，地面机房的热污染问题更为突出。这种 " 一边消耗能源、一边排放能源" 的粗放模式，与现代矿山的节能要求形成鲜明反差。

一、空气压缩机余热产生机制与热力学特性

（一）空气压缩机热能转化原理

空气压缩机热能转化本质遵循热力学能量守恒定律，其运作过程中机械能向热能的转换源于气体压缩与设备运行的多重损耗机制。以螺杆式空气压缩机为例，螺杆结构在压缩空气时受绝热压缩效应主导，气体分子动能急剧增加引发温度梯度形成，在绝热压缩过程中，由于气体被快速压缩且与外界几乎无热量交换，分子间碰撞加剧导致动能转化为内能，使得压缩空气温度可急剧升高至 150-200^∘C ，这种温度梯度不仅会影响设备寿命（如润滑油高温氧化），还可能引发闪爆风险。压缩终温与初始温比遵循理想气体状态方程的指数关系，实际工程中因气缸壁散热及泄漏等因素导致等熵效率偏离理论值 [1]。机械摩擦生热集中于轴承与齿轮啮合界面，黏性润滑油的剪切流动通过黏滞耗散效应将部分动能转化为流体热能，转子的非均匀形变则在交变应力场中产生滞后损耗。冷却系统热交换过程通过强制对流将压缩热转移至循环介质，受限于冷却器散热面积的制约，未完全释放的热能在排气管道内持续富集形成中低温余热资源。

（二）废热排放特征与分析

空气压缩机废热排放特征表现为多节点分散性与能量品位阶梯化特性，其热能释放过程伴随设备运行参数与环境条件呈现显著动态波动。气体压缩环节产生的压缩热在排气管道内形成中高温废气流，温区范围覆盖 60℃至 120% ，具有周期性脉冲式排放特征；机械传动部件摩擦热则以中低品位热能形式经润滑系统与设备外壳持续耗散，散热功率随轴承转速与负载变化呈现非线性衰减趋势。机械传动部件摩擦热则以中低品位热能形式经润滑系统与设备外壳持续耗散，散热功率随轴承转速与负载变化呈现非线性衰减趋势。废热排放路径的能级结构可基于热力学㶲分析进行量化表征，其中压缩阶段排气余热㶲值最高，具备驱动有机朗肯循环发电的潜力；润滑油携带的摩擦热㶲值受温位限制通常适用于水源热泵提温利用，而壳体辐射热因与环境温差较小导致可用能占比低于热力学品质阈值。系统废热流耦合作用导致热力学品位存在时间维度衰减效应，主排气口热流密度在空载 - 满载切换时产生 40% 幅值波动，换热器表面污垢积聚加剧传热端温差劣化，进而引起余热回收系统的等效㶲效率下降 [2]。

二、空气压缩机余热利用系统构建与应用

（一）余热利用系统回收技术

煤矿空气压缩机余热利用系统的核心在于构建多源热能协同转化框架，针对气体压缩排气、机械摩擦散热及壳体辐射热等不同温位特征实施分级回收策略。煤矿用空气压缩机主要采用螺杆式机型，其工作原理是通过阴阳转子啮合压缩空气，在实现机械能向气压能转化的过程中，压缩过程产生的等温压缩热、电机运行热及机械摩擦热共同构成了庞大的余热资源。某型号 200kW 螺杆空压机连续运行时，日均可产生约 4000MJ 的余热，相当于 140kg 标准煤的发热量，这些热量若不回收，将通过冷却系统直接排入大气，造成环境污染和热能浪费。

煤矿空气压缩机余热利用系统采用 " 梯级回收 + 智能调控 " 的技术路线，主要由三大模块构成：

高效热交换模块：采用定制化壳管式换热器，将空压机润滑油与循环水进行热交换，换热效率达 92% 以上。

热量分配网络：通过变频水泵和智能阀门组，将回收的热量按需分配至井口保温（-20℃环境下可将进风温度提升至 5℃以上）、职工浴室（提供 45-55℃热水）、井下防冻（防止管道冻堵）等场景，实现" 一源多用"。

智能控制系统：搭载工业物联网平台，实时监测空压机排气温度、热负荷需求、管网压力等参数，动态调节换热功率，确保余热回收率稳定。

（二）余热利用系统的应用

余热利用系统就是将大部分的热能回收利用，通过高效的热交换装置，将空气压缩机运行过程中产生的废热转化为稳定热源，可以应用于煤矿日常运营的多个环节，如生活热水的稳定供应、工业流程的加热需求、空调系统的能源补给、清洗池的恒温控制以及冬季采暖的持续保障。这不仅有效降低了煤矿企业的热水采购和能源消耗成本，还通过优化能源结构，将回收的热能转化为潜在利润增长点。同时，系统在回收空压机等设备的热量时，有效降低了设备运行温度，减少了因过热引发的机械故障，从而延长了设备整体寿命，降低了维护频率和备件更换成本，例如风机冷却液（油）、油气分离器等材料的更换周期得以相应延长。

结语：

煤矿空气压缩机与余热利用系统的深度融合，标志着矿山能源管理从单向消耗模式向循环再生模式转变。通过热力学优化、材料创新与智能控制技术的协同应用，原本废弃的热能资源转化为具有经济价值的生产要素，有效降低矿山综合能耗与碳排放强度。在煤矿智能化转型的浪潮中，空压机余热利用系统不仅是一项节能技术，更是构建 " 煤矿微能源网 " 的关键节点。当每一台轰鸣的空压机都成为绿色能源的创造者，传统煤矿正加速向 " 零碳矿山 " 蜕变，为能源行业的可持续发展书写着生动注脚，回收的不仅是热量，更是煤矿高质量发展的新动能。

参考文献：

[1] 齐伟杰 , 常新磊 . 矿井压风机余热利用系统节能自动化研究与改进 [J].科技风 ,2019,(19):138+141.

[2] 李艳良 . 压风机与余热利用系统的实践 [J]. 山东煤炭科技 ,2019,(08):202-203+206 .

[3] 吴芝芹 . 煤矿供热系统改造可行性探讨 [J]. 科学技术创新 ,2020,(30):183-184.

作者简介：李颂（1986—），男，汉族，人，大学本科，工程师，研究方向：煤矿立井提升系统、矿井主通风机系统、空气压缩机系统、井下主排水系统安全管理。