【壓縮機網】1、引言
壓縮空氣是電力以外的第二大動力源，作為一種廉價的動力，廣泛應用于各行各業的生產中。壓縮空氣通常由電力驅動壓縮機對吸入空氣作功產生，屬于清潔能源。但目前大部分壓縮機工作時必須使用潤滑油，導致壓縮空氣中不可避免地含有油類雜質，其主要成份為碳氫烴類化合物，這些物質影響壓縮空氣在后續過程中的使用[1-3]。因此，壓縮空氣中的含油量是其質量標準中的重要指標之一。吸干機、制氮機、制氧機等設備的前端，明確要求采用無油壓縮空氣[4]；對于一些生產過程如激光焊接、高端噴涂、精密電子、光學器件、醫學醫療、食品藥品等都需要不含油的潔凈壓縮空氣[3,5]。
目前，有效可靠的壓縮空氣除油方法較少，已報道的壓縮空氣除油方法多采用加裝專用除油部件，以物理方式除油。該方法對于去除壓縮空氣中的油滴、油霧有較好效果，但對于壓縮空氣中的分子狀態的“油”（烴類）基本無法去除。因此，采用物理方法處理含油壓縮空氣很難達到無油水平。當前市面上已有無油壓縮機產品，多采用關鍵構件如壓縮螺桿無潤滑油壓縮來實現壓縮空氣無油，但為滿足無油壓縮，導致螺桿加工制造成本較高，整機價格昂貴，對于大多數行業而言，購制、使用和維護此類無油壓縮機的成本過高，無法匹配一般性生產的需要。近年來，基于催化氧化除油凈化原理，進口的無油轉換器被介紹引入國內，含油壓縮空氣經該設備處理后能夠達到國標無油水平，但售價高。
同樣基于催化氧化化學除油凈化原理，重慶鮑斯凈化設備科技有限公司（以下簡稱：鮑斯凈化）研發設計了一款超凈壓縮空氣凈化設備（CAC），填補了此領域的國內空白。在原有壓縮機出氣口加裝CAC后，可將壓縮空氣中的“油”氧化成為水和二氧化碳，確保凈化設備出口壓縮空氣達到標準規定的無油水平，而且壓縮空氣總的壓力損失很小。與國外同類型產品相比，可達到相同處理效果。本文首先簡要對比了現有壓縮空氣除油凈化方法的優缺點，然后主要對凈化器CAC的除油工作原理、流程和運行效果作一介紹，以期為壓縮空氣凈化設備的設計和制造提供參考。
2、常用的壓縮空氣除油凈化方法比較
根據規范GB/T 13277.1-2008（ISO 8573-1 eqv.）《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》第7.3條為壓縮空氣油含量指標做出了劃分。如下表1所示。
根據國家標準，壓縮空氣中的總油含量規定為液態油、懸浮油、油蒸氣三部分之和。其中，懸浮油也屬于液態油，它們是大量的油分子通過較強的范德華力和氫鍵而團聚形成，可以將其視為小液滴微團或顆粒物。因此，壓縮空氣中的液態油和懸浮油可以采用精密過濾器分離除去。而油蒸氣在壓縮空氣中為獨立的分子狀態，其尺寸遠小于精密過濾器孔道尺寸，當過濾孔道尺寸縮小到油蒸汽分子相當尺寸時，過濾阻力增大，導致壓縮空氣總壓力損失隨之增加，為保證用氣壓力要求，必然導致總耗能增大。因此，通過油霧過濾方式脫除油蒸汽方法理論上可行，實際應用困難。對于使用潤滑油的壓縮機，油蒸氣的含量僅與壓縮空氣的溫度有關，可采用降溫使油蒸汽液化，然后再過濾的方法除油，但從實際使用情況是，由于濾芯無法100%將液態油滴、油霧除去，溫度上升后，殘余油滴、油霧迅速又汽化為油蒸汽。對于無油潤滑壓縮機，雖然壓縮機在壓縮過程中空氣并沒有與潤滑油接觸，但是環境空氣中已含有的油蒸汽是無法去除的，因此無油潤滑壓縮機并不能保證壓縮空氣中一定不含油。
目前，常用以下三種有效方式來處理壓縮空氣中的油類雜質。
（1）采用降溫+顆粒物過濾的方式。主要利用油在一定壓力下不同溫度的飽和蒸汽壓的差別，使其在低溫的狀態下，發生從油蒸汽向油霧的相態轉變，以及小顆粒油霧團聚成大顆粒油霧的轉變。通過顆粒物過濾的方式達到過濾的目的，該方法可將壓縮空氣中大量的油霧除去。但需要注意，過濾在冷卻后立即進行效果較好，潤滑油在低溫狀態下粘度會增加，過濾器的選擇十分重要。
（2）活性炭過濾。利用活性炭的大比表面積，對于壓縮空氣中的油類雜質通過吸附而達到去除的目的。已有相關設計與具體使用，其主要問題在于無法確保連續除油，一般在1000h后需要更換已吸附飽和的活性炭[7]。高比表面積活性炭并不便宜，更換操作增加了吸附除油段設計和操作的復雜性，均會導致成本增加。
（3）催化氧化除油。壓縮空氣在一定溫度下，其中的油分子與壓縮空氣中的氧分子，在催化觸媒的表面發生催化氧化反應，使之完全轉化為二氧化碳與水的過程。由于壓縮空氣中氧氣含量是遠遠大于油含量的，因此過程進行的關鍵在于提供油和氧氣快速反應轉化場所和適宜條件。通常出口壓縮空氣只需要考慮干燥除水，已有成熟可選設備方法。由于二氧化碳氣體本身存在于大氣環境內，且含量甚微，在大部分過程中可以不除去。
三種方法效果對比如表2所示。
3、超凈壓縮空氣凈化設備（CAC）工作原理
3.1 工作原理
凈化器CAC主要利用催化氧化原理，使壓縮空氣中的油類與的氧氣在觸媒表面發生深度氧化反應，將得油類轉換為CO2與H2O，反應過程如方程式（1）所示：
整個過程的核心是催化氧化觸媒，它是經過載體的處理、負載活性物質、干燥、焙燒等過程后得到的復合活性材料，利用掃描電鏡（SEM）得到其表面形貌如圖1所示，可以看到，觸媒表面晶相結構均勻，在載體豐富的孔道上負載了大量的活性物質。經氮氣吸附比表面（BET）測定，發現其具有200m2/g以上的比表面積，這為催化氧化反應的發生提供了良好的場所。觸媒宏觀形狀為球形，平均直徑5mm，顆粒平均強度達到200N以上，特別適用于高壓除油反應環境。長周期運轉結果表明觸媒壽命在16000h以上。
3.2 設計結構與工作過程
凈化器CAC外觀如圖2所示，其結構如圖3所示，主要由過濾器、反應器、溫度、壓力控制單元等部分組成。其工作流程：將需要處理的壓縮空氣進入（1）精密過濾器，壓縮空氣在通過其中高效濾芯時，將含有的液態水進行有效分離，以便降低設備的能耗，同時保護反應系統；分離液態水后的壓縮空氣進入（2）高效換熱器，在換熱器內，來自精密過濾器的低溫氣體與來自反應器的高溫氣體進行充分熱量交換，將熱量回收，以達到降低加熱系統負荷的作用從而降低設備的能耗；升溫后的高溫壓縮空氣進入由（3）（4）（5）組成的反應器系統內在180～200℃范圍的溫度條件下發生催化氧化反應，使得壓縮空氣中的油類雜質被徹底脫除，從而達到凈化效果。被凈化后的壓縮空氣經過（2）高效換熱器后，通過（6）壓力維持閥后進入下游用氣單元。整個系統通過高精度溫度控制系統（7）進行調節控制，實現設備平穩高效的運行。
3.3 凈化效果
測試發現，當壓縮空氣中油含量在150 mg/Nm3左右，壓縮空氣處理量在30000 Nm3/(m3催化劑·h)，反應溫度在200℃以上時，壓縮空氣出口油含量低于0.003mg/m3，達到無油等級。一些測試結果如表3所示。
凈化器CAC可適用的范圍廣泛，鮑斯凈化已開發的設備適用于壓縮空氣壓力范圍在0.4～32.0MPaG之間，目前標準設備的處理氣量范圍在0.02Nm3/min～50Nm3/min。可配套在各種類型含油潤滑壓縮機或者無油潤滑壓縮機的后端，達到無油凈化的目的。由于經180～200℃的處理，空氣中的細菌、病毒微生物等均可滅活，特別適用于食品、醫藥等對氣質要求較高的場合。
4、結論
鮑斯凈化研發的超凈壓縮空氣凈化器CAC，采用自主研發生產的專用催化氧化觸媒，在溫度180～200 ℃的條件下，將壓縮空氣中油轉化為空氣中已存在的二氧化碳與水，在不帶入新雜質的同時，達到除油的目的。整個過程并不會產生氣耗，可使得壓縮空氣中的油含量遠遠低于ISO8573-2010標準中的最低等級Class-1級氣體指標（含油量≤0.01mg/Nm3）的水平，達到絕對無油水平。整個過程中由于全部氣體均會通過設備的高溫段，使得生產的壓縮空氣中無活菌檢出。反應后的氣體，由于油類被徹底去除，因此氣體冷凝液中不再有油類污染物，可達到環保排放的標準。超凈壓縮空氣凈化器CAC是一款全新的應用于壓縮空氣除油凈化領域的創新型設備，填補了國內在此領域內的空白，同時系列設備已通過了權威的德國TüV的Class_0級無油壓縮空氣凈化設備認證，它將為客戶提供一種獲得穩定的真正無油壓縮空氣氣源的新選擇。
參考文獻
[1] 張喆,李前虎,李綱.空氣壓縮機干燥凈化單元的優化[J].化工自動化及儀表,2018,45(02):112-114+165.
[2] 王榮生.壓縮空氣凈化系統設計[J].中國新技術新產品,2013(12):166-167.
[3] 張洪雁.高潔凈度壓縮空氣/氣體的凈化、過濾[J].潔凈與空調技術,2004(04):56-62.
[4] 孫全江,李平方,石建國.冷干機和吸干機組合的壓縮空氣凈化系統優化方案[J].科技創新與應用,2012(26):37-38.
[5] 朱蓮華.制藥生產所用壓縮空氣的認識性探討[J].機電信息,2011(08):41-46.
[6] GB/T 13277.1-2008（ISO 8573-1 eqv.）《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》[S].
壓縮空氣是電力以外的第二大動力源，作為一種廉價的動力，廣泛應用于各行各業的生產中。壓縮空氣通常由電力驅動壓縮機對吸入空氣作功產生，屬于清潔能源。但目前大部分壓縮機工作時必須使用潤滑油，導致壓縮空氣中不可避免地含有油類雜質，其主要成份為碳氫烴類化合物，這些物質影響壓縮空氣在后續過程中的使用[1-3]。因此，壓縮空氣中的含油量是其質量標準中的重要指標之一。吸干機、制氮機、制氧機等設備的前端，明確要求采用無油壓縮空氣[4]；對于一些生產過程如激光焊接、高端噴涂、精密電子、光學器件、醫學醫療、食品藥品等都需要不含油的潔凈壓縮空氣[3,5]。
目前，有效可靠的壓縮空氣除油方法較少，已報道的壓縮空氣除油方法多采用加裝專用除油部件，以物理方式除油。該方法對于去除壓縮空氣中的油滴、油霧有較好效果，但對于壓縮空氣中的分子狀態的“油”（烴類）基本無法去除。因此，采用物理方法處理含油壓縮空氣很難達到無油水平。當前市面上已有無油壓縮機產品，多采用關鍵構件如壓縮螺桿無潤滑油壓縮來實現壓縮空氣無油，但為滿足無油壓縮，導致螺桿加工制造成本較高，整機價格昂貴，對于大多數行業而言，購制、使用和維護此類無油壓縮機的成本過高，無法匹配一般性生產的需要。近年來，基于催化氧化除油凈化原理，進口的無油轉換器被介紹引入國內，含油壓縮空氣經該設備處理后能夠達到國標無油水平，但售價高。
同樣基于催化氧化化學除油凈化原理，重慶鮑斯凈化設備科技有限公司（以下簡稱：鮑斯凈化）研發設計了一款超凈壓縮空氣凈化設備（CAC），填補了此領域的國內空白。在原有壓縮機出氣口加裝CAC后，可將壓縮空氣中的“油”氧化成為水和二氧化碳，確保凈化設備出口壓縮空氣達到標準規定的無油水平，而且壓縮空氣總的壓力損失很小。與國外同類型產品相比，可達到相同處理效果。本文首先簡要對比了現有壓縮空氣除油凈化方法的優缺點，然后主要對凈化器CAC的除油工作原理、流程和運行效果作一介紹，以期為壓縮空氣凈化設備的設計和制造提供參考。
2、常用的壓縮空氣除油凈化方法比較
根據規范GB/T 13277.1-2008（ISO 8573-1 eqv.）《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》第7.3條為壓縮空氣油含量指標做出了劃分。如下表1所示。
根據國家標準，壓縮空氣中的總油含量規定為液態油、懸浮油、油蒸氣三部分之和。其中，懸浮油也屬于液態油，它們是大量的油分子通過較強的范德華力和氫鍵而團聚形成，可以將其視為小液滴微團或顆粒物。因此，壓縮空氣中的液態油和懸浮油可以采用精密過濾器分離除去。而油蒸氣在壓縮空氣中為獨立的分子狀態，其尺寸遠小于精密過濾器孔道尺寸，當過濾孔道尺寸縮小到油蒸汽分子相當尺寸時，過濾阻力增大，導致壓縮空氣總壓力損失隨之增加，為保證用氣壓力要求，必然導致總耗能增大。因此，通過油霧過濾方式脫除油蒸汽方法理論上可行，實際應用困難。對于使用潤滑油的壓縮機，油蒸氣的含量僅與壓縮空氣的溫度有關，可采用降溫使油蒸汽液化，然后再過濾的方法除油，但從實際使用情況是，由于濾芯無法100%將液態油滴、油霧除去，溫度上升后，殘余油滴、油霧迅速又汽化為油蒸汽。對于無油潤滑壓縮機，雖然壓縮機在壓縮過程中空氣并沒有與潤滑油接觸，但是環境空氣中已含有的油蒸汽是無法去除的，因此無油潤滑壓縮機并不能保證壓縮空氣中一定不含油。
目前，常用以下三種有效方式來處理壓縮空氣中的油類雜質。
（1）采用降溫+顆粒物過濾的方式。主要利用油在一定壓力下不同溫度的飽和蒸汽壓的差別，使其在低溫的狀態下，發生從油蒸汽向油霧的相態轉變，以及小顆粒油霧團聚成大顆粒油霧的轉變。通過顆粒物過濾的方式達到過濾的目的，該方法可將壓縮空氣中大量的油霧除去。但需要注意，過濾在冷卻后立即進行效果較好，潤滑油在低溫狀態下粘度會增加，過濾器的選擇十分重要。
（2）活性炭過濾。利用活性炭的大比表面積，對于壓縮空氣中的油類雜質通過吸附而達到去除的目的。已有相關設計與具體使用，其主要問題在于無法確保連續除油，一般在1000h后需要更換已吸附飽和的活性炭[7]。高比表面積活性炭并不便宜，更換操作增加了吸附除油段設計和操作的復雜性，均會導致成本增加。
（3）催化氧化除油。壓縮空氣在一定溫度下，其中的油分子與壓縮空氣中的氧分子，在催化觸媒的表面發生催化氧化反應，使之完全轉化為二氧化碳與水的過程。由于壓縮空氣中氧氣含量是遠遠大于油含量的，因此過程進行的關鍵在于提供油和氧氣快速反應轉化場所和適宜條件。通常出口壓縮空氣只需要考慮干燥除水，已有成熟可選設備方法。由于二氧化碳氣體本身存在于大氣環境內，且含量甚微，在大部分過程中可以不除去。
三種方法效果對比如表2所示。
3、超凈壓縮空氣凈化設備（CAC）工作原理
3.1 工作原理
凈化器CAC主要利用催化氧化原理，使壓縮空氣中的油類與的氧氣在觸媒表面發生深度氧化反應，將得油類轉換為CO2與H2O，反應過程如方程式（1）所示：
整個過程的核心是催化氧化觸媒，它是經過載體的處理、負載活性物質、干燥、焙燒等過程后得到的復合活性材料，利用掃描電鏡（SEM）得到其表面形貌如圖1所示，可以看到，觸媒表面晶相結構均勻，在載體豐富的孔道上負載了大量的活性物質。經氮氣吸附比表面（BET）測定，發現其具有200m2/g以上的比表面積，這為催化氧化反應的發生提供了良好的場所。觸媒宏觀形狀為球形，平均直徑5mm，顆粒平均強度達到200N以上，特別適用于高壓除油反應環境。長周期運轉結果表明觸媒壽命在16000h以上。
3.2 設計結構與工作過程
凈化器CAC外觀如圖2所示，其結構如圖3所示，主要由過濾器、反應器、溫度、壓力控制單元等部分組成。其工作流程：將需要處理的壓縮空氣進入（1）精密過濾器，壓縮空氣在通過其中高效濾芯時，將含有的液態水進行有效分離，以便降低設備的能耗，同時保護反應系統；分離液態水后的壓縮空氣進入（2）高效換熱器，在換熱器內，來自精密過濾器的低溫氣體與來自反應器的高溫氣體進行充分熱量交換，將熱量回收，以達到降低加熱系統負荷的作用從而降低設備的能耗；升溫后的高溫壓縮空氣進入由（3）（4）（5）組成的反應器系統內在180～200℃范圍的溫度條件下發生催化氧化反應，使得壓縮空氣中的油類雜質被徹底脫除，從而達到凈化效果。被凈化后的壓縮空氣經過（2）高效換熱器后，通過（6）壓力維持閥后進入下游用氣單元。整個系統通過高精度溫度控制系統（7）進行調節控制，實現設備平穩高效的運行。
3.3 凈化效果
測試發現，當壓縮空氣中油含量在150 mg/Nm3左右，壓縮空氣處理量在30000 Nm3/(m3催化劑·h)，反應溫度在200℃以上時，壓縮空氣出口油含量低于0.003mg/m3，達到無油等級。一些測試結果如表3所示。
凈化器CAC可適用的范圍廣泛，鮑斯凈化已開發的設備適用于壓縮空氣壓力范圍在0.4～32.0MPaG之間，目前標準設備的處理氣量范圍在0.02Nm3/min～50Nm3/min。可配套在各種類型含油潤滑壓縮機或者無油潤滑壓縮機的后端，達到無油凈化的目的。由于經180～200℃的處理，空氣中的細菌、病毒微生物等均可滅活，特別適用于食品、醫藥等對氣質要求較高的場合。
4、結論
鮑斯凈化研發的超凈壓縮空氣凈化器CAC，采用自主研發生產的專用催化氧化觸媒，在溫度180～200 ℃的條件下，將壓縮空氣中油轉化為空氣中已存在的二氧化碳與水，在不帶入新雜質的同時，達到除油的目的。整個過程并不會產生氣耗，可使得壓縮空氣中的油含量遠遠低于ISO8573-2010標準中的最低等級Class-1級氣體指標（含油量≤0.01mg/Nm3）的水平，達到絕對無油水平。整個過程中由于全部氣體均會通過設備的高溫段，使得生產的壓縮空氣中無活菌檢出。反應后的氣體，由于油類被徹底去除，因此氣體冷凝液中不再有油類污染物，可達到環保排放的標準。超凈壓縮空氣凈化器CAC是一款全新的應用于壓縮空氣除油凈化領域的創新型設備，填補了國內在此領域內的空白，同時系列設備已通過了權威的德國TüV的Class_0級無油壓縮空氣凈化設備認證，它將為客戶提供一種獲得穩定的真正無油壓縮空氣氣源的新選擇。
參考文獻
[1] 張喆,李前虎,李綱.空氣壓縮機干燥凈化單元的優化[J].化工自動化及儀表,2018,45(02):112-114+165.
[2] 王榮生.壓縮空氣凈化系統設計[J].中國新技術新產品,2013(12):166-167.
[3] 張洪雁.高潔凈度壓縮空氣/氣體的凈化、過濾[J].潔凈與空調技術,2004(04):56-62.
[4] 孫全江,李平方,石建國.冷干機和吸干機組合的壓縮空氣凈化系統優化方案[J].科技創新與應用,2012(26):37-38.
[5] 朱蓮華.制藥生產所用壓縮空氣的認識性探討[J].機電信息,2011(08):41-46.
[6] GB/T 13277.1-2008（ISO 8573-1 eqv.）《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》[S].
網友評論
條評論
最新評論