【壓縮機(jī)網(wǎng)】1、引言

 

　　壓縮空氣是電力以外的第二大動(dòng)力源，作為一種廉價(jià)的動(dòng)力，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)中。壓縮空氣通常由電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)吸入空氣作功產(chǎn)生，屬于清潔能源。但目前大部分壓縮機(jī)工作時(shí)必須使用潤滑油，導(dǎo)致壓縮空氣中不可避免地含有油類雜質(zhì)，其主要成份為碳?xì)錈N類化合物，這些物質(zhì)影響壓縮空氣在后續(xù)過程中的使用[1-3]。因此，壓縮空氣中的含油量是其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的重要指標(biāo)之一。吸干機(jī)、制氮機(jī)、制氧機(jī)等設(shè)備的前端，明確要求采用無油壓縮空氣[4]；對(duì)于一些生產(chǎn)過程如激光焊接、高端噴涂、精密電子、光學(xué)器件、醫(yī)學(xué)醫(yī)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(bào)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(duì)于去除壓縮空氣中的油滴、油霧有較好效果，但對(duì)于壓縮空氣中的分子狀態(tài)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(dá)到無油水平。當(dāng)前市面上已有無油壓縮機(jī)產(chǎn)品，多采用關(guān)鍵構(gòu)件如壓縮螺桿無潤滑油壓縮來實(shí)現(xiàn)壓縮空氣無油，但為滿足無油壓縮，導(dǎo)致螺桿加工制造成本較高，整機(jī)價(jià)格昂貴，對(duì)于大多數(shù)行業(yè)而言，購制、使用和維護(hù)此類無油壓縮機(jī)的成本過高，無法匹配一般性生產(chǎn)的需要。近年來，基于催化氧化除油凈化原理，進(jìn)口的無油轉(zhuǎn)換器被介紹引入國內(nèi)，含油壓縮空氣經(jīng)該設(shè)備處理后能夠達(dá)到國標(biāo)無油水平，但售價(jià)高。

 

　　同樣基于催化氧化化學(xué)除油凈化原理，重慶鮑斯凈化設(shè)備科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱：鮑斯凈化）研發(fā)設(shè)計(jì)了一款超凈壓縮空氣凈化設(shè)備（CAC），填補(bǔ)了此領(lǐng)域的國內(nèi)空白。在原有壓縮機(jī)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(shè)備出口壓縮空氣達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(chǎn)品相比，可達(dá)到相同處理效果。本文首先簡(jiǎn)要對(duì)比了現(xiàn)有壓縮空氣除油凈化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，然后主要對(duì)凈化器CAC的除油工作原理、流程和運(yùn)行效果作一介紹，以期為壓縮空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jù)規(guī)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(jí)》第7.3條為壓縮空氣油含量指標(biāo)做出了劃分。如下表1所示。
 

  

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，壓縮空氣中的總油含量規(guī)定為液態(tài)油、懸浮油、油蒸氣三部分之和。其中，懸浮油也屬于液態(tài)油，它們是大量的油分子通過較強(qiáng)的范德華力和氫鍵而團(tuán)聚形成，可以將其視為小液滴微團(tuán)或顆粒物。因此，壓縮空氣中的液態(tài)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(dú)立的分子狀態(tài)，其尺寸遠(yuǎn)小于精密過濾器孔道尺寸，當(dāng)過濾孔道尺寸縮小到油蒸汽分子相當(dāng)尺寸時(shí)，過濾阻力增大，導(dǎo)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用困難。對(duì)于使用潤滑油的壓縮機(jī)，油蒸氣的含量?jī)H與壓縮空氣的溫度有關(guān)，可采用降溫使油蒸汽液化，然后再過濾的方法除油，但從實(shí)際使用情況是，由于濾芯無法100%將液態(tài)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(duì)于無油潤滑壓縮機(jī)，雖然壓縮機(jī)在壓縮過程中空氣并沒有與潤滑油接觸，但是環(huán)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(jī)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(zhì)。

 

　　（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(tài)下，發(fā)生從油蒸汽向油霧的相態(tài)轉(zhuǎn)變，以及小顆粒油霧團(tuán)聚成大顆粒油霧的轉(zhuǎn)變。通過顆粒物過濾的方式達(dá)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(jìn)行效果較好，潤滑油在低溫狀態(tài)下粘度會(huì)增加，過濾器的選擇十分重要。
 

　?。?）活性炭過濾。利用活性炭的大比表面積，對(duì)于壓縮空氣中的油類雜質(zhì)通過吸附而達(dá)到去除的目的。已有相關(guān)設(shè)計(jì)與具體使用，其主要問題在于無法確保連續(xù)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(shè)計(jì)和操作的復(fù)雜性，均會(huì)導(dǎo)致成本增加。

 

　?。?）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(fā)生催化氧化反應(yīng)，使之完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳與水的過程。由于壓縮空氣中氧氣含量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油含量的，因此過程進(jìn)行的關(guān)鍵在于提供油和氧氣快速反應(yīng)轉(zhuǎn)化場(chǎng)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(shè)備方法。由于二氧化碳?xì)怏w本身存在于大氣環(huán)境內(nèi)，且含量甚微，在大部分過程中可以不除去。

 

　　三種方法效果對(duì)比如表2所示。
 

 

　　3、超凈壓縮空氣凈化設(shè)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(fā)生深度氧化反應(yīng)，將得油類轉(zhuǎn)換為CO₂與H₂O，反應(yīng)過程如方程式（1）所示：
 

 

　　整個(gè)過程的核心是催化氧化觸媒，它是經(jīng)過載體的處理、負(fù)載活性物質(zhì)、干燥、焙燒等過程后得到的復(fù)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(jié)構(gòu)均勻，在載體豐富的孔道上負(fù)載了大量的活性物質(zhì)。經(jīng)氮?dú)馕奖缺砻妫˙ET）測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其具有200m²/g以上的比表面積，這為催化氧化反應(yīng)的發(fā)生提供了良好的場(chǎng)所。觸媒宏觀形狀為球形，平均直徑5mm，顆粒平均強(qiáng)度達(dá)到200N以上，特別適用于高壓除油反應(yīng)環(huán)境。長周期運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表明觸媒壽命在16000h以上。
 

 

　　3.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作過程

 

　　凈化器CAC外觀如圖2所示，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由過濾器、反應(yīng)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(jìn)入（1）精密過濾器，壓縮空氣在通過其中高效濾芯時(shí)，將含有的液態(tài)水進(jìn)行有效分離，以便降低設(shè)備的能耗，同時(shí)保護(hù)反應(yīng)系統(tǒng)；分離液態(tài)水后的壓縮空氣進(jìn)入（2）高效換熱器，在換熱器內(nèi)，來自精密過濾器的低溫氣體與來自反應(yīng)器的高溫氣體進(jìn)行充分熱量交換，將熱量回收，以達(dá)到降低加熱系統(tǒng)負(fù)荷的作用從而降低設(shè)備的能耗；升溫后的高溫壓縮空氣進(jìn)入由（3）（4）（5）組成的反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)在180～200℃范圍的溫度條件下發(fā)生催化氧化反應(yīng)，使得壓縮空氣中的油類雜質(zhì)被徹底脫除，從而達(dá)到凈化效果。被凈化后的壓縮空氣經(jīng)過（2）高效換熱器后，通過（6）壓力維持閥后進(jìn)入下游用氣單元。整個(gè)系統(tǒng)通過高精度溫度控制系統(tǒng)（7）進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)高效的運(yùn)行。
 

 

　　3.3 凈化效果

 

　　測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(yīng)溫度在200℃以上時(shí)，壓縮空氣出口油含量低于0.003mg/m3，達(dá)到無油等級(jí)。一些測(cè)試結(jié)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(fā)的設(shè)備適用于壓縮空氣壓力范圍在0.4～32.0MPaG之間，目前標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的處理氣量范圍在0.02Nm3/min～50Nm3/min?？膳涮自诟鞣N類型含油潤滑壓縮機(jī)或者無油潤滑壓縮機(jī)的后端，達(dá)到無油凈化的目的。由于經(jīng)180～200℃的處理，空氣中的細(xì)菌、病毒微生物等均可滅活，特別適用于食品、醫(yī)藥等對(duì)氣質(zhì)要求較高的場(chǎng)合。

 

　　4、結(jié)論

 

　　鮑斯凈化研發(fā)的超凈壓縮空氣凈化器CAC，采用自主研發(fā)生產(chǎn)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(zhuǎn)化為空氣中已存在的二氧化碳與水，在不帶入新雜質(zhì)的同時(shí)，達(dá)到除油的目的。整個(gè)過程并不會(huì)產(chǎn)生氣耗，可使得壓縮空氣中的油含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ISO8573-2010標(biāo)準(zhǔn)中的最低等級(jí)Class-1級(jí)氣體指標(biāo)（含油量≤0.01mg/Nm³）的水平，達(dá)到絕對(duì)無油水平。整個(gè)過程中由于全部氣體均會(huì)通過設(shè)備的高溫段，使得生產(chǎn)的壓縮空氣中無活菌檢出。反應(yīng)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(dá)到環(huán)保排放的標(biāo)準(zhǔn)。超凈壓縮空氣凈化器CAC是一款全新的應(yīng)用于壓縮空氣除油凈化領(lǐng)域的創(chuàng)新型設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)在此領(lǐng)域內(nèi)的空白，同時(shí)系列設(shè)備已通過了權(quán)威的德國TüV的Class_0級(jí)無油壓縮空氣凈化設(shè)備認(rèn)證，它將為客戶提供一種獲得穩(wěn)定的真正無油壓縮空氣氣源的新選擇。

  

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