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基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設(shè)備

   【壓縮機(jī)網(wǎng)】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(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)中。壓縮空氣通常由電力驅(qū)動壓縮機(jī)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(jī)工作時必須使用潤滑油,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(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)價格昂貴,對于大多數(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(以下簡稱:鮑斯凈化)研發(fā)設(shè)計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。本文首先簡要對比了現(xiàn)有壓縮空氣除油凈化方法的優(yōu)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(shè)備的設(shè)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(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》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。
 
基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設(shè)備
 
 
  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,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,實際應(yīng)用困難。對于使用潤滑油的壓縮機(jī),油蒸氣的含量僅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)。
 
 ?。?)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(zhì)通過吸附而達(dá)到去除的目的。已有相關(guān)設(shè)計與具體使用,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)計和操作的復(fù)雜性,均會導(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(shè)備
 
  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:
 
基于催化氧化原理的壓縮空氣深度除油凈化設(shè)備
 
  整個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)氮氣吸附比表面(BET)測定,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。長周期運轉(zhuǎn)結(jié)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(shè)備
 
  3.2 設(shè)計結(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,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)壓力維持后進(jìn)入下游用氣單元。整個系統(tǒng)通過高精度溫度控制系統(tǒng)(7)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,實現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)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(shè)備
 
  3.3 凈化效果
 
  測試發(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,壓縮空氣出口油含量低于0.003mg/m3,達(dá)到無油等級。一些測試結(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。可配套在各種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)藥等對氣質(zhì)要求較高的場合。
 
  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,達(dá)到除油的目的。整個過程并不會產(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Class-1級氣體指標(biāo)(含油量≤0.01mg/Nm3)的水平,達(dá)到絕對無油水平。整個過程中由于全部氣體均會通過設(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,同時系列設(shè)備已通過了權(quán)威的德國TüV的Class_0級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。
 
 
  參考文獻(xiàn)
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  [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].

標(biāo)簽: 凈化設(shè)備催化氧化  

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