無油壓縮空氣獲取方法探討

涂巧靈，瞿贈名＊，田剛，吳渝，杜泳川

（重慶鮑斯凈化設備科技有限公司，重慶 401336）

壓縮空氣作為一種重要動力源，用途十分廣泛。隨著各行業加工、制造技術水平和精度的不斷提高，對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熱門但又不好解決的問題。根據規范定義：壓縮空氣中6個或6個以上碳原子（C6+）組成的烴類混合物，統稱為油。壓縮空氣中油含量等級標準如表1所示。量在1～3mg/m3；而通過美國華瑞公司(RAE Systems)ppbRAE 3000 PID檢測儀在同一檢測口對油蒸氣檢測，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標準

影響壓縮空氣中的含油量的因素，除了壓縮機本身的潤滑油外，還有環境因素。

1 已有獲取無油或低油含量壓縮空氣的方法

1.1 無油潤滑壓縮機

無油潤滑壓縮機在壓縮過程中不使用潤滑油，獲得的壓縮空氣中含油量明顯下降。在測定無壓縮機后端壓縮空氣中油含量時發現，懸浮油與液態油幾乎沒有檢出，但油蒸氣仍有檢出。

圖1給出了在某機加工工業區車間內夏季測得的無油潤滑壓縮機生產的壓縮空氣的油蒸氣含量（采用專業壓縮空氣油蒸氣檢測儀—希爾思S120，下同），其含油量僅達到了3級標準。

由表1中可見，壓縮空氣中的總油含量是液態油、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級無油壓縮空氣則是由壓縮空氣使用者根據需要自行規定一個比規范中1級更高的標準。

壓縮空氣中油的來源主要有2個方面：

（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為實測得的重慶地區室內外油含量的一些數據。

由表2可知，室內、道路、工業區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；僅環境較好、人類活動較少的南山風景區的含量為0.008mg/m3，達到了1級的標準。

（2）壓縮過程中被帶入壓縮空氣的潤滑油。采用Dr?ger公司Aerotest Simultan HP中的油檢測盒，在不同取樣時長情況下測得微油潤滑壓縮機后的儲氣罐出口處懸浮油含

表2 重慶地區室內外空氣中含油量

圖1 機加工工業區車間內測試數據

表3給出了3個處于正常生產狀態的工廠使用無油壓縮機生產的壓縮空氣含油情況。由表3數據可見，在冷干機、過濾器等輔助設備的聯合處理下，壓縮空氣僅達到2級標準。

表3 三家生產企業所用無油壓縮機生產的壓縮空氣中油含量測試

表3測試結果表明，無油潤滑壓縮機生產的壓縮空氣并非真正無油，生產環境的空氣源質量是影響無油空壓機出口油含量的一個重要因素。壓縮機使用場所多位于工業生產聚集區，很難避免空氣源本身被污染的情況；即使在相對封閉的室內場所，無油潤滑壓縮機除了與空氣源接觸的部分是無油潤滑以外，其他機械部件的仍靠潤滑油潤滑，加之室內其他生產設備也可能用到潤滑油。因此，空氣源很難處于無油狀態。由于空氣中本身含油，壓縮過程水不斷凝結并被排出系統，這變相是一個空氣中的油被濃縮的過程，無油潤滑壓縮機出口也很難保證壓縮空氣無油。

無油潤滑壓縮機制造技術復雜，核心技術還處于壟斷，因此設備價格高，設備投入成本較大；加之缺乏潤滑油的保護，綜合維護保養的費用也較高。

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，在氣體壓力的驅動下，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，可去除絕大部分的懸浮油和液態油，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 冷凍式干燥機除油

冷凍式干燥機簡稱冷干機，是壓縮空氣凈化中的常用設備，主要用于壓縮空氣的脫水。其通過冷媒與壓縮空氣進行熱交換，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使大量的水蒸氣冷凝為液態水，再通過氣水分離脫除大部分水，通常通過冷干機的壓縮空氣壓力露點值在3～10℃的范圍內。

冷干機對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，油中對應物質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，因此，低溫狀態下壓縮空氣復熱前通過精密過濾器及時脫除冷凝的水和油，會起到事半功倍的效果，除油效率可達99%以上。

1.4 活性炭吸附除油

活性炭是一種具有很強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，活性炭對其吸附去除能力很強。活性炭不僅能去除壓縮空氣中的液態油和懸浮油，也能良好吸附去除油蒸氣，處理后壓縮空氣含油量可達GB/T 13277.1—2008規范1級標準。但是活性炭吸附是一個累積過程，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。活性炭的更換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，在無油壓縮空氣需求量不大的情況下可以選擇使用，同時需配備在線油蒸氣監測儀，一旦發現油蒸氣含量增加，可及時更換。

1.5 吸附式干燥機

吸附式干燥機是一種用于深度脫水的干燥設備，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，不可避免也會吸附液態油、油霧，油蒸氣，吸附原理與活性炭類似，因此運行初期末端壓縮空氣能達到無油狀態。但大多數油分子是長碳鏈碳氫化合物的混合物組成，其對應溫度下的飽和蒸汽壓較低、難以揮發，無法在吸附劑再生的過程中徹底解吸。因此，油含量會逐步累積，直至達到飽和。吸附的油覆蓋在吸附劑的孔道內以及外表面，阻礙吸附劑對于水的吸附，導致干燥劑脫水性能的逐漸下降。

圖2給出了吸附式干燥機運轉一段時間后，吸附了油的干燥劑與新鮮干燥劑的對比圖，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）對比圖

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

1.6 催化氧化除油

催化氧化除油是近年來發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生反應，最終生成二氧化碳與水，其總化學反應方程式如（1）所示：

以重慶鮑斯凈化設備科技有限公司（以下簡稱：鮑斯凈化）生產的超凈壓縮空氣凈化器CAC系列（以下簡稱：CAC）設備為例。其流程如圖3所示，系統主要由反應器、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過（4）高效換熱器與來自反應器的高溫壓縮空氣進行充分熱交換將熱量回收，升溫后的高溫壓縮空氣進入由（1）、（2）、（3）組成的反應器系統內，在180～200℃的低溫范圍發生較為徹底的催化氧化反應，使壓縮空氣中的油類雜質轉換成為CO2與H2O后被徹底除去，凈化后的高溫無油壓縮空氣經過（4）高效換熱器降溫后，通過（5）壓力維持閥后輸出。

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

CAC常規連接處理流程如圖4所示。將CAC設備連接在含油潤滑壓縮機或無油潤滑壓縮機（組）的后端，處理后壓縮空氣中的油含量可降低到一個非常低的水平。此外，壓縮空氣在處理過程中通過CAC設備高溫段后，空氣中的菌類等被滅活，適用于食品、醫藥等對壓縮空氣中油、菌含量有要求嚴格的行業。CAC處理過程測試數據見圖5。壓縮空氣的凈化壓力范圍在0.4～32.0MPaG，實測壓縮空氣油蒸氣含量穩定低于0.01mg/m3，可達到檢測儀的下限值0.003mg/m3，接近絕對無油水平。

圖3 CAC設備流程圖示意圖

圖4 CAC處理檢測流程

2 獲取無油壓縮空氣的技術方案探討

2.1 組合方案1：無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+冷凍式干燥機+過濾+活性炭過濾器

圖5 CAC處理后壓縮空氣含油量測試數據

圖6 組合方案1示意圖

無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+冷凍式干燥機+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水與水霧都會影響活性炭對油的吸附能力，冷凍式干燥機的脫水性能在本方案中比較關鍵。當采用無油潤滑壓縮機時，冷凍式干燥機主要起到脫除壓縮空氣中的水分作用，而采用含油潤滑壓縮機時除了脫除水分外，同時可脫除大多數油，可延長活性炭過濾器的使用壽命。該流程中所有設備需鄰近布置，冷凍式干燥機需選用帶進出口氣體換熱器功能的設備型號，以防止冷干帶出冷凝液后，因環境溫度過低，導致壓縮空氣再結露。

由于活性炭過濾器吸附能力有限，使用過程中無法再生，累計的有效使用時間并不確定。連續用氣工況，建議考慮無油潤滑壓縮機作為產氣設備；而間歇工況時可采用含油潤滑壓縮機，可方便更換活性炭吸附劑，避免活性炭飽和后，含油氣體污染后續管路而影響生產。建議通過在線監測氣體質量，判斷活性炭是否已吸附飽和需進行更換。

2.2 組合方案2：無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+催化氧化除油凈化設備

圖7 組合方案2示意圖

無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+催化氧化除油凈化設備組合方案如圖7所示。本組合方案采用催化氧化除油凈化設備，將環境中以及壓縮過程中所帶入的油進行轉化脫除，使壓縮空氣出口油含量穩定低于0.01mg/m3，達到零級水平，是一種可靠且有效獲取穩定無油壓縮空氣的方法。油在前段被徹底脫除后，為后續凈化如冷凍式干燥、吸附式干燥、制氮、制氧、膜式干燥等設備運轉提供了良好條件。整個系統可使用檢測儀在線監測出口氣體質量。

2.3 組合方案3：無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+冷凍式干燥機+過濾+催化氧化除油設備

圖8 組合方案3示意圖

無油/含油潤滑壓縮機+儲罐+過濾+冷凍式干燥機+過濾+催化氧化除油設備組合方案如圖8所示。本方案將冷凍式干燥機布置于催化氧化除油凈化設備前端，對含油潤滑壓縮機所產壓縮空氣的凈化效果特別突出。由于冷凍式干燥機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備的除油負荷，使其出口油含量可以持續穩定地達到零級無油水平。

3 結語

（1）實際測試數據表明：壓縮空氣中的油含量除了與壓縮機相關外，同時也受到了大氣環境的影響。用無油壓縮機獲取的壓縮空氣雖滿足大多數用戶的需求，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妥可行。

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

（3）根據用戶對壓縮空氣品質不同的要求，選取合適的在線油含量監測方式，對于避免壓縮機或后處理凈化設備出現異常的情況下造成對潔凈管路及產品造成的影響，也是一種行之有效的方法。

（4）對于壓縮空氣的凈化，本文主要從除油角度進行闡述，實際運用應根據各自具體情況，綜合考慮油、水、塵、菌等污染物以及設備采購、運行成本，選擇適宜的解決方案。