引言空压机是现代工业中电机系统的四大能耗设备之一，仅次于风机和水泵。每年空压机的电耗占全国发电量的6%~9%[1]。空压机中50%的输入功率转化为压缩空气能[2]，同时80%以上输入功率体量的热量以废热形式排到周围环境中[3-4]。随着碳达峰碳中和节点的接近，空压机用户和空压机厂家越来越重视空气压缩过程中的废热回收[5-8]。但是由于空压机废热的能源品位低，主要用于加热热水或预热工艺，导致空压机废热回收的关键节点在于回收废热的稳定消耗。空压机出口的压缩空气一般要经过干燥和过滤才能供下游使用，供给高品质压缩空气需求用户时，压缩空气还要再经过分子筛进行脱水干燥才能满足露点要求。分子筛吸水饱和时，需要加热再生。吸附干燥塔的进口压缩空气温度越低，再生时的加热负荷越低。空气压缩时的初始温度每降低3 ℃，轴功率约下降1%[9]。因此，空压站房本身就具有潜在的用冷需求。根据工程咨询案例对空压机的余热回收制冷工艺进行热力学模拟和经济可行性分析。1空压机余热回收利用现状空气压缩时压缩机对空气做功，温度升高，受限于设备本体材料和润滑油的热稳定性，压缩机的排气温度通常不超过160 ℃，压缩比一般在2.5以下。为了达到更高的压力，需要对压缩空气进行级间冷却后再进行下级压缩，级间冷却带走的热量为空压机余热。压缩空气的能量密度低，废热回收的体量小，一般不具备利用价值。离心式空压机设备自身的复杂和精细结构也增加了废热回收的困难。油润滑空压机废热回收技术简单成熟，制取65 ℃左右热水，有稳定热水用户时，可以连续进行废热回收，经济效益十分可观[10]。离心空压机废热回收技术复杂，但可以获得更高温度的热水，目前是各大主流离心空压机厂家的研究热点。但这些废热回收均以制成热水为目的，热水温度一般在85 ℃以下，仅能够用于洗澡和工艺热水，同时空压机功率很大，一般在2 000 kW以上[7,11]，使废热回收应用受到很大限制。郭正[12]开发了一种离心空压机多级余热回收利用系统，但未说明余热回收的体量和品位。2余热回收制冷分析根据2021年的国家统计年鉴数据，2019年我国能源消费总量为48.75亿吨标准煤。其中，居民生活能源消费量为6.17亿吨标准煤，低品位热能需求约占全社会消耗的12.66%。如果此部分能源中的40%通过各种余热回收技术提供，可以节省约2.47亿吨标准煤，经济效益和环境效益可观。通过余热回收进行制冷已经是比较成熟的工艺，在化工和钢铁等高耗能产业，相关应用已作为工艺标准得到广泛推广。在煤化工中的煤气净化和回收工艺方面，利用高温进气进行制冷，再利用所得冷量进行低温冷凝，几乎实现能量全利用。在炼钢冶炼方面，可以利用高温余热做蒸汽喷射制冷。空气压缩机作为一种成熟的通用型动力设备，具有高效精确的制造理论，设备主流厂家积累了大量可靠的变量数据，为设备改造提供了变量影响分析的基础。随着计算机应用技术的发展，工艺模拟技术越来越成熟，通过流程模拟评判技术可行性，优化设计方案，可以为项目执行和工程落地提供可靠而必要的指导。以某品牌的一台中小型离心空压机为样本，进行余热回收可行性分析，通过Aspen Hysys软件模拟其运行参数，并经厂家确认，与产品的实际工作参数十分接近。空压机压缩过程运行参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.T001表1空压机压缩过程运行参数项目轴功率/kW压缩出口换热器出口循环水量(32 ℃/38 ℃)/(m3/h)温度/℃压力/kPa温度/℃压力/kPa一级压缩407.6124.322336.2521648.0二级压缩428.8144.648537.8047864.2三级压缩410.7141.71 10036.501 09364.63空压机余热回收及吸收制冷工艺模拟空压机的余热回收方案主要包括3个部分：第一部分使用2段式换热器，第一段利用60 ℃热水，将压缩空气温度降到70 ℃以下，水温升到95 ℃；第二段利用32 ℃循环水，将压缩空气温度降到40 ℃以下，满足进行下级压缩的温度要求，循环水回水温度在37 ℃以下。第二部分将回收的95 ℃热水作为溴化锂制冷机组的热源，通过吸收制冷工艺提供12 ℃的冷水；热水出溴化锂机组的温度为60 ℃，再回到2段式换热器进口，组成完整的余热回收循环。第三部分将溴化锂制冷机组的12 ℃冷水用于3级压缩空气降温，使进入吸附干燥塔的压缩空气温度低于20 ℃。空气压缩过程模拟和余热回收流程如图1和图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.F001图1空气压缩过程模拟流程10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.F002图2空气压缩过程余热回收流程4节能效益和投资回收期分析根据流程模拟结果，空压机余热回收过程的运行状态参数如表2所示。增加余热回收工艺时，空压机运行功率增加5.0 kW，约为额定功率的0.4%，同时回收95 ℃热水19.1 m3/h，回收热功率804.2 kW，约为额定功率的64.5%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.T002表2空压机余热回收过程的运行状态参数项目轴功率/kW压缩出口换热器1段出口换热器2段出口回收热水量(60 ℃/95 ℃)/(m3/h)冷却水消耗量/(m3/h)备注温度/℃压力/kPa温度/℃压力/kPa温度/℃压力/kPa一级压缩407.6124.32237021936.82155.118.232 ℃/38 ℃循环水二级压缩433.3146.34857048137.14777.222.432 ℃/38 ℃循环水三级压缩411.2141.81 100701 09620.01 0926.844.512 ℃/17 ℃冷冻水将95 ℃热水作为溴化锂制冷机组热源，通过吸收制冷工艺获得12 ℃冷水，满足空调和工艺冷却需求。根据文献[13]和市场调研，热水型溴化锂制冷机组的热水进出温度为95 ℃/60 ℃，冷水进出口温度为17 ℃/12 ℃，COP值约0.8，同时消耗循环水。热水型溴化锂制冷机组能量消耗如表3所示。电功率为6.5 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.T003表3热水型溴化锂制冷机组能量消耗项目进出口温度/℃流量/(m3/h)热水95/6019.1冷水17/12106.9循环水消耗32/37221.4饱和压缩空气进入吸附干燥塔前，利用32 ℃/37 ℃的循环水冷却，压缩空气饱和温度为36.5 ℃，含水量为0.38%（质量比）；利用12 ℃/17 ℃的冷冻水冷却，压缩空气饱和温度为20 ℃，含水量为0.14%（质量比）。吸附干燥塔一般根据32 ℃/37 ℃的循环水冷却工艺进行设计，使用12 ℃/17 ℃冷冻水冷却后，压缩空气含水量大幅降低，大约可降低63.15%的吸附干燥塔负荷，即可节省再生时间63.15%。项目对空压机级间废热进行回收，制成95 ℃热水，使回收余热品位得到有效提升，可以分别用于供暖期的采暖和供冷期的供冷，按供暖期4个月和供冷期8个月计算经济回收效益。供暖期可以节省采暖蒸汽量m0如下：m0=q0C0×1 000 (1)M=m0×T (2)式中：m0——节省的蒸汽量，t/h；q0——余热回收热功率，取804.2 kW；C0——采暖蒸气有效热值，取2 300 kJ/kg；M——年可节省蒸气量，t/a。经计算，供暖期年可节省蒸汽量3 628.8 t/a。供冷期代替蒸气压缩制冷，冷水机组可节省用电量Q为：W=q0×k1k2 (3)Q=W×T (4)式中：Q——年节省用电量，kWh；W——吸收制冷节省下的用电功率，kW；k1——热水型溴化锂制冷机组的制冷系数，取0.8；k2——蒸气压缩制冷冷水机组的制冷系数，取4.5。经计算，供冷期可节省用电量823 500.8 kWh。空压机余热回收可节省经济收益如表4可知。余热回收的经济效益约为184万元/a。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.021.T004表4空压机余热回收可节省经济收益项目可代替能源节省量经济效益/(元/a)合计1 839 564.8供暖期（4个月）0.2 MPa蒸汽（280元/t）总蒸汽量3 628.8 t/a1 016 064.0供冷期（8个月）压缩制冷用电（1.0元/kWh）总电量823 500.8 kWh823 500.8根据文献[14]并咨询市场主流的溴化锂制冷机组生产商，本项目的关键设备溴化锂制冷机组约80万/台，其他设备和改造费约40万，总投资为120万。项目投资平均回收期为7.8个月。随着碳交易市场逐渐成熟，空压机余热回收节省的蒸汽和电量，可以转化为碳排放权，在提升公司形象的同时增大经济效益。随着空压机使用年限的增加，压缩效率下降，轴功率增加，余热回收量也随之增加，空压机余热回收制冷工艺可以降低部分运营成本。5结语根据热力学原理，利用主流模拟软件进行工艺流程验证，与厂家确认各产品的制造和改造难度，证实空压机余热回收制冷工艺的技术可行性。通过实际应用工况进行经济回收期核算，发现本工艺全年运行的经济效益在184万元以上，投资平均回收期约7.8个月。空压机余热回收制冷的难点在于空压机厂家的配合，大多知名压缩机厂家不会为某种附加功能而改造自己的定型产品。空压机余热回收制冷的重点是余热回收换热器方案，关系到空压机主要功能的稳定和制冷量的大小。若国产空压机厂家能够主动适应“双碳”趋势，加强余热回收型离心空压机的研发，提供可靠的高品位余热和压缩空气，将形成独特的竞争优势。