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    壓縮機網(wǎng) >雜志精華>正文

    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備

       【壓縮機網(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,廣泛應用于各行各業(yè)的生產(chǎn)中。壓縮空氣通常由電力驅動(dòng)壓縮機對吸入空氣作功產(chǎn)生,屬于清潔能源。但目前大部分壓縮機工作時(shí)必須使用潤滑油,導致壓縮空氣中不可避免地含有油類(lèi)雜質(zhì),其主要成份為碳氫烴類(lèi)化合物,這些物質(zhì)影響壓縮空氣在后續過(guò)程中的使用[1-3]。因此,壓縮空氣中的含油量是其質(zhì)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(wú)油壓縮空氣[4];對于一些生產(chǎn)過(guò)程如激光焊接、高端噴涂、精密電子、光學(xué)器件、醫學(xué)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(zhuān)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(tài)的“油”(烴類(lèi))基本無(wú)法去除。因此,采用物理方法處理含油壓縮空氣很難達到無(wú)油水平。當前市面上已有無(wú)油壓縮機產(chǎn)品,多采用關(guān)鍵構件如壓縮螺桿無(wú)潤滑油壓縮來(lái)實(shí)現壓縮空氣無(wú)油,但為滿(mǎn)足無(wú)油壓縮,導致螺桿加工制造成本較高,整機價(jià)格昂貴,對于大多數行業(yè)而言,購制、使用和維護此類(lèi)無(wú)油壓縮機的成本過(guò)高,無(wú)法匹配一般性生產(chǎn)的需要。近年來(lái),基于催化氧化除油凈化原理,進(jìn)口的無(wú)油轉換器被介紹引入國內,含油壓縮空氣經(jīng)該設備處理后能夠達到國標無(wú)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,重慶鮑斯凈化設備科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng):鮑斯凈化)研發(fā)設計了一款超凈壓縮空氣凈化設備(CAC),填補了此領(lǐng)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(wú)油水平,而且壓縮空氣總的壓力損失很小。與國外同類(lèi)型產(chǎn)品相比,可達到相同處理效果。本文首先簡(jiǎn)要對比了現有壓縮空氣除油凈化方法的優(yōu)缺點(diǎn),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。
     
    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備
      
      根據國家標準,壓縮空氣中的總油含量規定為液態(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(guò)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(tài)油和懸浮油可以采用精密過(guò)濾器分離除去。而油蒸氣在壓縮空氣中為獨立的分子狀態(tài),其尺寸遠小于精密過(guò)濾器孔道尺寸,當過(guò)濾孔道尺寸縮小到油蒸汽分子相當尺寸時(shí),過(guò)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(guò)油霧過(guò)濾方式脫除油蒸汽方法理論上可行,實(shí)際應用困難。對于使用潤滑油的壓縮機,油蒸氣的含量?jì)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(guò)濾的方法除油,但從實(shí)際使用情況是,由于濾芯無(wú)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。對于無(wú)油潤滑壓縮機,雖然壓縮機在壓縮過(guò)程中空氣并沒(méi)有與潤滑油接觸,但是環(huán)境空氣中已含有的油蒸汽是無(wú)法去除的,因此無(wú)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(lái)處理壓縮空氣中的油類(lèi)雜質(zhì)。
     
     ?。?)采用降溫+顆粒物過(guò)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)轉變,以及小顆粒油霧團聚成大顆粒油霧的轉變。通過(guò)顆粒物過(guò)濾的方式達到過(guò)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(guò)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(guò)濾器的選擇十分重要。
     
     ?。?)活性炭過(guò)濾。利用活性炭的大比表面積,對于壓縮空氣中的油類(lèi)雜質(zhì)通過(guò)吸附而達到去除的目的。已有相關(guān)設計與具體使用,其主要問(wèn)題在于無(wú)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(huì )導致成本增加。
     
     ?。?)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,使之完全轉化為二氧化碳與水的過(guò)程。由于壓縮空氣中氧氣含量是遠遠大于油含量的,因此過(guò)程進(jìn)行的關(guān)鍵在于提供油和氧氣快速反應轉化場(chǎng)所和適宜條件。通常出口壓縮空氣只需要考慮干燥除水,已有成熟可選設備方法。由于二氧化碳氣體本身存在于大氣環(huán)境內,且含量甚微,在大部分過(guò)程中可以不除去。
     
      三種方法效果對比如表2所示。
     
    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備
     
      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(lèi)與的氧氣在觸媒表面發(fā)生深度氧化反應,將得油類(lèi)轉換為CO2與H2O,反應過(guò)程如方程式(1)所示:
     
    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備
     
      整個(gè)過(guò)程的核心是催化氧化觸媒,它是經(jīng)過(guò)載體的處理、負載活性物質(zhì)、干燥、焙燒等過(guò)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(zhì)。經(jīng)氮氣吸附比表面(BET)測定,發(fā)現其具有200m2/g以上的比表面積,這為催化氧化反應的發(fā)生提供了良好的場(chǎng)所。觸媒宏觀(guān)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(huán)境。長(cháng)周期運轉結果表明觸媒壽命在16000h以上。
     
    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備
     
      3.2 設計結構與工作過(guò)程
     
      凈化器CAC外觀(guān)如圖2所示,其結構如圖3所示,主要由過(guò)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(jìn)入(1)精密過(guò)濾器,壓縮空氣在通過(guò)其中高效濾芯時(shí),將含有的液態(tài)水進(jìn)行有效分離,以便降低設備的能耗,同時(shí)保護反應系統;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,來(lái)自精密過(guò)濾器的低溫氣體與來(lái)自反應器的高溫氣體進(jìn)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(jìn)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(fā)生催化氧化反應,使得壓縮空氣中的油類(lèi)雜質(zhì)被徹底脫除,從而達到凈化效果。被凈化后的壓縮空氣經(jīng)過(guò)(2)高效換熱器后,通過(guò)(6)壓力維持后進(jìn)入下游用氣單元。整個(gè)系統通過(guò)高精度溫度控制系統(7)進(jìn)行調節控制,實(shí)現設備平穩高效的運行。
     
    基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設備
     
      3.3 凈化效果
     
      測試發(fā)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(shí),壓縮空氣出口油含量低于0.003mg/m3,達到無(wú)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(kāi)發(fā)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??膳涮自诟鞣N類(lèi)型含油潤滑壓縮機或者無(wú)油潤滑壓縮機的后端,達到無(wú)油凈化的目的。由于經(jīng)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(zhì)要求較高的場(chǎng)合。
     
      4、結論
     
      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(zhuān)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(zhì)的同時(shí),達到除油的目的。整個(gè)過(guò)程并不會(huì )產(chǎn)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(wú)油水平。整個(gè)過(guò)程中由于全部氣體均會(huì )通過(guò)設備的高溫段,使得生產(chǎn)的壓縮空氣中無(wú)活菌檢出。反應后的氣體,由于油類(lèi)被徹底去除,因此氣體冷凝液中不再有油類(lèi)污染物,可達到環(huán)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(lǐng)域的創(chuàng )新型設備,填補了國內在此領(lǐng)域內的空白,同時(shí)系列設備已通過(guò)了權威的德國TüV的Class_0級無(wú)油壓縮空氣凈化設備認證,它將為客戶(hù)提供一種獲得穩定的真正無(wú)油壓縮空氣氣源的新選擇。
      
      參考文獻
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