無油壓縮空氣獲取方法探討

涂巧靈，瞿贈(zèng)名＊，田剛，吳渝，杜泳川

（重慶鮑斯凈化設(shè)備科技有限公司，重慶 401336）

壓縮空氣作為一種重要?jiǎng)恿υ?，用途十分廣泛。隨著各行業(yè)加工、制造技術(shù)水平和精度的不斷提高，對(duì)于壓縮空氣潔凈度的要求越來越高。影響壓縮空氣潔凈度的4種主要污染物分別是水、塵、油、菌，其中油的去除一直是一個(gè)熱門但又不好解決的問題。根據(jù)規(guī)范定義：壓縮空氣中6個(gè)或6個(gè)以上碳原子（C6+）組成的烴類混合物，統(tǒng)稱為油。壓縮空氣中油含量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。量在1～3mg/m3；而通過美國(guó)華瑞公司(RAE Systems)ppbRAE 3000 PID檢測(cè)儀在同一檢測(cè)口對(duì)油蒸氣檢測(cè)，其含量在4～6mg/m3，其總油含量在5～9mg/m3。

表1 壓縮空氣中油含量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

影響壓縮空氣中的含油量的因素，除了壓縮機(jī)本身的潤(rùn)滑油外，還有環(huán)境因素。

1 已有獲取無油或低油含量壓縮空氣的方法

1.1 無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)

無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)在壓縮過程中不使用潤(rùn)滑油，獲得的壓縮空氣中含油量明顯下降。在測(cè)定無壓縮機(jī)后端壓縮空氣中油含量時(shí)發(fā)現(xiàn)，懸浮油與液態(tài)油幾乎沒有檢出，但油蒸氣仍有檢出。

圖1給出了在某機(jī)加工工業(yè)區(qū)車間內(nèi)夏季測(cè)得的無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣的油蒸氣含量（采用專業(yè)壓縮空氣油蒸氣檢測(cè)儀—希爾思S120，下同），其含油量?jī)H達(dá)到了3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

由表1中可見，壓縮空氣中的總油含量是液態(tài)油、懸浮油和油蒸氣3部分之和，其中無油壓縮空氣要求其總含油量≤0.01mg/m3，而0級(jí)無油壓縮空氣則是由壓縮空氣使用者根據(jù)需要自行規(guī)定一個(gè)比規(guī)范中1級(jí)更高的標(biāo)準(zhǔn)。

壓縮空氣中油的來源主要有2個(gè)方面：

（1）空氣中本身所含的微量油。該部分油主要以油蒸氣形式存在，含量隨空氣的受污染程度而變化。表2為實(shí)測(cè)得的重慶地區(qū)室內(nèi)外油含量的一些數(shù)據(jù)。

由表2可知，室內(nèi)、道路、工業(yè)區(qū)大氣中的烴類化合物含量較高，均＞0.01mg/Nm3，屬于含油水平的空氣；僅環(huán)境較好、人類活動(dòng)較少的南山風(fēng)景區(qū)的含量為0.008mg/m3，達(dá)到了1級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）壓縮過程中被帶入壓縮空氣的潤(rùn)滑油。采用Dr?ger公司Aerotest Simultan HP中的油檢測(cè)盒，在不同取樣時(shí)長(zhǎng)情況下測(cè)得微油潤(rùn)滑壓縮機(jī)后的儲(chǔ)氣罐出口處懸浮油含

表2 重慶地區(qū)室內(nèi)外空氣中含油量

圖1 機(jī)加工工業(yè)區(qū)車間內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3給出了3個(gè)處于正常生產(chǎn)狀態(tài)的工廠使用無油壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣含油情況。由表3數(shù)據(jù)可見，在冷干機(jī)、過濾器等輔助設(shè)備的聯(lián)合處理下，壓縮空氣僅達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 三家生產(chǎn)企業(yè)所用無油壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣中油含量測(cè)試

表3測(cè)試結(jié)果表明，無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣并非真正無油，生產(chǎn)環(huán)境的空氣源質(zhì)量是影響無油空壓機(jī)出口油含量的一個(gè)重要因素。壓縮機(jī)使用場(chǎng)所多位于工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)，很難避免空氣源本身被污染的情況；即使在相對(duì)封閉的室內(nèi)場(chǎng)所，無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)除了與空氣源接觸的部分是無油潤(rùn)滑以外，其他機(jī)械部件的仍靠潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，加之室內(nèi)其他生產(chǎn)設(shè)備也可能用到潤(rùn)滑油。因此，空氣源很難處于無油狀態(tài)。由于空氣中本身含油，壓縮過程水不斷凝結(jié)并被排出系統(tǒng)，這變相是一個(gè)空氣中的油被濃縮的過程，無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)出口也很難保證壓縮空氣無油。

無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)制造技術(shù)復(fù)雜，核心技術(shù)還處于壟斷，因此設(shè)備價(jià)格高，設(shè)備投入成本較大；加之缺乏潤(rùn)滑油的保護(hù)，綜合維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用也較高。

1.2 精密過濾器除油

本文中過濾器泛指除了活性炭過濾器外的過濾器，其通過不同精度的孔徑大小，在氣體壓力的驅(qū)動(dòng)下，顆粒物（粉塵、液滴等）被阻擋而使空氣潔凈度得到提高。過濾器的過濾精度受濾芯孔徑大小的限制，使用精度較高的小孔徑濾芯時(shí)，可去除絕大部分的懸浮油和液態(tài)油，但其無法過濾油蒸氣，因此，僅使用精密過濾器無法使壓縮空氣中油含量降至較低水平。

1.3 冷凍式干燥機(jī)除油

冷凍式干燥機(jī)簡(jiǎn)稱冷干機(jī)，是壓縮空氣凈化中的常用設(shè)備，主要用于壓縮空氣的脫水。其通過冷媒與壓縮空氣進(jìn)行熱交換，利用水蒸氣在不同溫度下飽和蒸汽壓的差別，在降低壓縮空氣溫度的同時(shí)使大量的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，再通過氣水分離脫除大部分水，通常通過冷干機(jī)的壓縮空氣壓力露點(diǎn)值在3～10℃的范圍內(nèi)。

冷干機(jī)對(duì)于油的脫除也具有較好的效果。油蒸氣在不同溫度下的飽和蒸汽壓有差別，溫度越低，油中對(duì)應(yīng)物質(zhì)的飽和蒸汽壓也就越低，壓縮空氣里的油蒸氣含量也就越低，加上溫度的降低使液滴狀的油品的黏度變高而不易流動(dòng)，因此，低溫狀態(tài)下壓縮空氣復(fù)熱前通過精密過濾器及時(shí)脫除冷凝的水和油，會(huì)起到事半功倍的效果，除油效率可達(dá)99%以上。

1.4 活性炭吸附除油

活性炭是一種具有很強(qiáng)吸附能力的非極性吸附劑，其比表面積一般在600～2000m2/g。壓縮空氣中的油（C6+以上烴類混合物）極性很弱，活性炭對(duì)其吸附去除能力很強(qiáng)?；钚蕴坎粌H能去除壓縮空氣中的液態(tài)油和懸浮油，也能良好吸附去除油蒸氣，處理后壓縮空氣含油量可達(dá)GB/T 13277.1—2008規(guī)范1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。但是活性炭吸附是一個(gè)累積過程，隨著吸附量增加，其吸附能力逐漸下降，直至吸附飽和后失去除油能力，因此必須定期更換活性炭吸附劑，才能保證脫油效果?；钚蕴康母鼡Q周期受很多因素影響，如初裝量、壓縮空氣中的初始油含量、溫度等。所以活性炭吸附除油多用于間歇生產(chǎn)，在無油壓縮空氣需求量不大的情況下可以選擇使用，同時(shí)需配備在線油蒸氣監(jiān)測(cè)儀，一旦發(fā)現(xiàn)油蒸氣含量增加，可及時(shí)更換。

1.5 吸附式干燥機(jī)

吸附式干燥機(jī)是一種用于深度脫水的干燥設(shè)備，常用硅膠、活性氧化鋁、氧化鋁分子篩等作為脫水干燥劑，其中以活性氧化鋁及分子篩的應(yīng)用最為廣泛。

由于干燥劑具有較大的比表面積，在吸附脫水的同時(shí)，不可避免也會(huì)吸附液態(tài)油、油霧，油蒸氣，吸附原理與活性炭類似，因此運(yùn)行初期末端壓縮空氣能達(dá)到無油狀態(tài)。但大多數(shù)油分子是長(zhǎng)碳鏈碳?xì)浠衔锏幕旌衔锝M成，其對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓較低、難以揮發(fā)，無法在吸附劑再生的過程中徹底解吸。因此，油含量會(huì)逐步累積，直至達(dá)到飽和。吸附的油覆蓋在吸附劑的孔道內(nèi)以及外表面，阻礙吸附劑對(duì)于水的吸附，導(dǎo)致干燥劑脫水性能的逐漸下降。

圖2給出了吸附式干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，吸附了油的干燥劑與新鮮干燥劑的對(duì)比圖，可明顯看到吸附油后的干燥劑已幾乎完全變色，這一過程的快慢取決于壓縮空氣中的油含量。

圖2 吸附了油的干燥劑（左）與新鮮干燥劑（右）對(duì)比圖

由于受制于前端氣源的限制，吸附式干燥機(jī)雖然有輔助除油能力，但對(duì)于用戶來說并非是需要的除油方式，其不具持續(xù)性，反而會(huì)影響吸附式干燥機(jī)的脫水能力。

1.6 催化氧化除油

催化氧化除油是近年來發(fā)展起來的一種新型的壓縮空氣除油方法，其原理是在一定溫度下將壓縮空氣中的油在觸媒作用下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，最終生成二氧化碳與水，其總化學(xué)反應(yīng)方程式如（1）所示：

以重慶鮑斯凈化設(shè)備科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱：鮑斯凈化）生產(chǎn)的超凈壓縮空氣凈化器CAC系列（以下簡(jiǎn)稱：CAC）設(shè)備為例。其流程如圖3所示，系統(tǒng)主要由反應(yīng)器、換熱器、壓力控制單元等部分組成。其工作流程如下：需處理的含油壓縮空氣經(jīng)過（4）高效換熱器與來自反應(yīng)器的高溫壓縮空氣進(jìn)行充分熱交換將熱量回收，升溫后的高溫壓縮空氣進(jìn)入由（1）、（2）、（3）組成的反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)，在180～200℃的低溫范圍發(fā)生較為徹底的催化氧化反應(yīng)，使壓縮空氣中的油類雜質(zhì)轉(zhuǎn)換成為CO2與H2O后被徹底除去，凈化后的高溫?zé)o油壓縮空氣經(jīng)過（4）高效換熱器降溫后，通過（5）壓力維持閥后輸出。

與傳統(tǒng)除油技術(shù)手段相比，催化氧化除油幾乎不受入口壓縮空氣源品質(zhì)、壓力、溫度以及濕度的影響，對(duì)于液態(tài)油、懸浮油、油蒸氣均有理想的脫除效果。

CAC常規(guī)連接處理流程如圖4所示。將CAC設(shè)備連接在含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)或無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)（組）的后端，處理后壓縮空氣中的油含量可降低到一個(gè)非常低的水平。此外，壓縮空氣在處理過程中通過CAC設(shè)備高溫段后，空氣中的菌類等被滅活，適用于食品、醫(yī)藥等對(duì)壓縮空氣中油、菌含量有要求嚴(yán)格的行業(yè)。CAC處理過程測(cè)試數(shù)據(jù)見圖5。壓縮空氣的凈化壓力范圍在0.4～32.0MPaG，實(shí)測(cè)壓縮空氣油蒸氣含量穩(wěn)定低于0.01mg/m3，可達(dá)到檢測(cè)儀的下限值0.003mg/m3，接近絕對(duì)無油水平。

圖3 CAC設(shè)備流程圖示意圖

圖4 CAC處理檢測(cè)流程

2 獲取無油壓縮空氣的技術(shù)方案探討

2.1 組合方案1：無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+冷凍式干燥機(jī)+過濾+活性炭過濾器

圖5 CAC處理后壓縮空氣含油量測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 組合方案1示意圖

無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+冷凍式干燥機(jī)+過濾+活性炭過濾器組合方案如圖6所示。在本組合方案中，由于壓縮空氣中的液態(tài)水與水霧都會(huì)影響活性炭對(duì)油的吸附能力，冷凍式干燥機(jī)的脫水性能在本方案中比較關(guān)鍵。當(dāng)采用無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)時(shí)，冷凍式干燥機(jī)主要起到脫除壓縮空氣中的水分作用，而采用含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)時(shí)除了脫除水分外，同時(shí)可脫除大多數(shù)油，可延長(zhǎng)活性炭過濾器的使用壽命。該流程中所有設(shè)備需鄰近布置，冷凍式干燥機(jī)需選用帶進(jìn)出口氣體換熱器功能的設(shè)備型號(hào)，以防止冷干帶出冷凝液后，因環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致壓縮空氣再結(jié)露。

由于活性炭過濾器吸附能力有限，使用過程中無法再生，累計(jì)的有效使用時(shí)間并不確定。連續(xù)用氣工況，建議考慮無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)作為產(chǎn)氣設(shè)備；而間歇工況時(shí)可采用含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，可方便更換活性炭吸附劑，避免活性炭飽和后，含油氣體污染后續(xù)管路而影響生產(chǎn)。建議通過在線監(jiān)測(cè)氣體質(zhì)量，判斷活性炭是否已吸附飽和需進(jìn)行更換。

2.2 組合方案2：無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+催化氧化除油凈化設(shè)備

圖7 組合方案2示意圖

無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+催化氧化除油凈化設(shè)備組合方案如圖7所示。本組合方案采用催化氧化除油凈化設(shè)備，將環(huán)境中以及壓縮過程中所帶入的油進(jìn)行轉(zhuǎn)化脫除，使壓縮空氣出口油含量穩(wěn)定低于0.01mg/m3，達(dá)到零級(jí)水平，是一種可靠且有效獲取穩(wěn)定無油壓縮空氣的方法。油在前段被徹底脫除后，為后續(xù)凈化如冷凍式干燥、吸附式干燥、制氮、制氧、膜式干燥等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供了良好條件。整個(gè)系統(tǒng)可使用檢測(cè)儀在線監(jiān)測(cè)出口氣體質(zhì)量。

2.3 組合方案3：無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+冷凍式干燥機(jī)+過濾+催化氧化除油設(shè)備

圖8 組合方案3示意圖

無油/含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)+儲(chǔ)罐+過濾+冷凍式干燥機(jī)+過濾+催化氧化除油設(shè)備組合方案如圖8所示。本方案將冷凍式干燥機(jī)布置于催化氧化除油凈化設(shè)備前端，對(duì)含油潤(rùn)滑壓縮機(jī)所產(chǎn)壓縮空氣的凈化效果特別突出。由于冷凍式干燥機(jī)本身具有除油凈化的能力，在很大程度上降低了催化氧化類除油凈化設(shè)備的除油負(fù)荷，使其出口油含量可以持續(xù)穩(wěn)定地達(dá)到零級(jí)無油水平。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明：壓縮空氣中的油含量除了與壓縮機(jī)相關(guān)外，同時(shí)也受到了大氣環(huán)境的影響。用無油壓縮機(jī)獲取的壓縮空氣雖滿足大多數(shù)用戶的需求，但采用行之有效的后處理凈化方式獲取無油壓縮空氣更為穩(wěn)妥可行。

（2）采用精密過濾、冷凍干燥、活性炭吸附等凈化設(shè)備均有除油效果，但這些以物理除油為主的方法存在除油效果有限、不能穩(wěn)定除油等問題。催化氧化除油通過化學(xué)轉(zhuǎn)化方式，可得到高品質(zhì)、連續(xù)、穩(wěn)定的壓縮空氣。

（3）根據(jù)用戶對(duì)壓縮空氣品質(zhì)不同的要求，選取合適的在線油含量監(jiān)測(cè)方式，對(duì)于避免壓縮機(jī)或后處理凈化設(shè)備出現(xiàn)異常的情況下造成對(duì)潔凈管路及產(chǎn)品造成的影響，也是一種行之有效的方法。

（4）對(duì)于壓縮空氣的凈化，本文主要從除油角度進(jìn)行闡述，實(shí)際運(yùn)用應(yīng)根據(jù)各自具體情況，綜合考慮油、水、塵、菌等污染物以及設(shè)備采購(gòu)、運(yùn)行成本，選擇適宜的解決方案。