基于催化氧化原理的压缩空气深度除油净化设备

基于催化氧化原理的压缩空气深度除油净化设备文/重庆鲍斯净化设备科技有限公司涂巧灵摘要：压缩空气净化主要解决除尘、除油、除水三个方面问题。为解决除油问题，基于催化氧化原理设计了一款新型压缩空气除油净化器。该设备可稳定、连续、可靠地转化压缩空气中的油，使任何含油压缩空气均能达到并远低于ISO8573-1一级质量标准，达到绝对无油水平。1、引言压缩空气是电力以外的第二大动力源，作为一种廉价的动力，广泛应用于各行各业的生产中。压缩空气通常由电力驱动压缩机对吸入空气作功产生，属于清洁能源。但目前大部分压缩机工作时必须使用润滑油，导致压缩空气中不可避免地含有油类杂质，其主要成份为碳氢烃类化合物，这些物质影响压缩空气在后续过程中的使用[1-3]。因此，压缩空气中的含油量是其质量标准中的重要指标之一。吸干机、制氮机、制氧机等设备的前端，明确要求采用无油压缩空气[4]；对于一些生产过程如激光焊接、高端喷涂、精密电子、光学器件、医学医疗、食品药品等都需要不含油的洁净压缩空气[3,5]。目前，有效可靠的压缩空气除油方法较少，已报道的压缩空气除油方法多采用加装专用除油部件，以物理方式除油。该方法对于去除压缩空气中的油滴、油雾有较好效果，但对于压缩空气中的分子状态的“油”（烃类）基本无法去除。因此，采用物理方法处理含油压缩空气很难达到无油水平。当前市面上已有无油压缩机产品，多采用关键构件如压缩螺杆无润滑油压缩来实现压缩空气无油，但为满足无油压缩，导致螺杆加工制造成本较高，整机价格昂贵，对于大多数行业而言，购制、使用和维护此类无油压缩机的成本过高，无法匹配一般性生产的需要。近年来，基于催化氧化除油净化原理，进口的无油转换器被介绍引入国内，含油压缩空气经该设备处理后能够达到国标无油水平，但售价高。同样基于催化氧化化学除油净化原理，重庆鲍斯净化设备科技有限公司（以下简称：鲍斯净化）研发设计了一款超净压缩空气净化设备（CAC），填补了此领域的国内空白。在原有压缩机出气口加装CAC后，可将压缩空气中的“油”氧化成为水和二氧化碳，确保净化设备出口压缩空气达到标准规定的无油水平，而且压缩空气总的压力损失很小。与国外同类型产品相比，可达到相同处理效果。本文首先简要对比了现有压缩空气除油净化方法的优缺点，然后主要对净化器CAC的除油工作原理、流程和运行效果作一介绍，以期为压缩空气净化设备的设计和制造提供参考。2、常用的压缩空气除油净化方法比较根据规范GB/T13277.1-2008（ISO8573-1eqv.）《压缩空气第1部分：污染物净化等级》第7.3条为压缩空气油含量指标做出了划分。如下表1所示。根据国家标准，压缩空气中的总油含量规定为液态油、悬浮油、油蒸气三部分之和。其中，悬浮油也属于液态油，它们是大量的油分子通过较强的范德华力和氢键而团聚形成，可以将其视为小液滴微团或颗粒物。因此，压缩空气中的液态油和悬浮油可以采用精密过滤器分离除去。而油蒸气在压缩空气中为独立的分子状态，其尺寸远小于精密过滤器孔道尺寸，当过滤孔道尺寸缩小到油蒸汽分子相当尺寸时，过滤阻力增大，导致压缩空气总压力损失随之增加，为保证用气压力要求，必然导致总耗能增大。因此，通过油雾过滤方式脱除油蒸汽方法理论上可行，实际应用困难。对于使用润滑油的压缩机，油蒸气的含量仅与压缩空气的温度有关，可采用降温使油蒸汽液化，然后再过滤的方法除油，但从实际使用情况是，由于滤芯无法100%将液态油滴、油雾除去，温度上升后，残余油滴、油雾迅速又汽化为油蒸汽。对于无油润滑压缩机，虽然压缩机在压缩过程中空气并没有与润滑油接触，但是环境空气中已含有的油蒸汽是无法去除的，因此无油润滑压缩机并不能保证压缩空气中一定不含油。目前，常用以下三种有效方式来处理压缩空气中的油类杂质。（1）采用降温+颗粒物过滤的方式。主要利用油在一定压力下不同温度的饱和蒸汽压的差别，使其在低温的状态下，发生从油蒸汽向油雾的相态转变，以及小颗粒油雾团聚成大颗粒油雾的转变。通过颗粒物过滤的方式达到过滤的目的，该方法可将压缩空气中大量的油雾除去。但需要注意，过滤在冷却后立即进行效果较好，润滑油在低温状态下粘度会增加，过滤器的选择十分重要。（2）活性炭过滤。利用活性炭的大比表面积，对于压缩空气中的油类杂质通过吸附而达到去除的目的。已有相关设计与具体使用，其主要问题在于无法确保连续除油，一般在1000h后需要更换已吸附饱和的活性炭[7]。高比表面积活性炭并不便宜，更换操作增加了吸附除油段设计和操作的复杂性，均会导致成本增加。（3）催化氧化除油。压缩空气在一定温度下，其中的油分子与压缩空气中的氧分子，在催化触媒的表面发生催化氧化反应，使之完全转化为二氧化碳与水的过程。由于压缩空气中氧气含量是远远大于油含量的，因此过程进行的关键在于提供油和氧气快速反应转化场所和适宜条件。通常出口压缩空气只需要考虑干燥除水，已有成熟可选设备方法。由于二氧化碳气体本身存在于大气环境内，且含量甚微，在大部分过程中可以不除去。三种方法效果对比如表2所示。3、超净压缩空气净化设备（CAC）工作原理3.1工作原理净化器CAC主要利用催化氧化原理，使压缩空气中的油类与的氧气在触媒表面发生深度氧化反应，将得油类转换为CO2与H2O，反应过程如方程式（1）所示：整个过程的核心是催化氧化触媒，它是经过载体的处理、负载活性物质、干燥、焙烧等过程后得到的复合活性材料，利用扫描电镜（SEM）得到其表面形貌如图1所示，可以看到，触媒表面晶相结构均匀，在载体丰富的孔道上负载了大量的活性物质。经氮气吸附比表面（BET）测定，发现其具有200m2/g以上的比表面积，这为催化氧化反应的发生提供了良好的场所。触媒宏观形状为球形，平均直径5mm，颗粒平均强度达到200N以上，特别适用于高压除油反应环境。长周期运转结果表明触媒寿命在16000h以上。3.2设计结构与工作过程净化器CAC外观如图2所示，其结构如图3所示，主要由过滤器、反应器、温度、压力控制单元等部分组成。其工作流程：将需要处理的压缩空气进入（1）精密过滤器，压缩空气在通过其中高效滤芯时，将含有的液态水进行有效分离，以便降低设备的能耗，同时保护反应系统；分离液态水后的压缩空气进入（2）高效换热器，在换热器内，来自精密过滤器的低温气体与来自反应器的高温气体进行充分热量交换，将热量回收，以达到降低加热系统负荷的作用从而降低设备的能耗；升温后的高温压缩空气进入由（3）（4）（5）组成的反应器系统内在180～200℃范围的温度条件下发生催化氧化反应，使得压缩空气中的油类杂质被彻底脱除，从而达到净化效果。被净化后的压缩空气经过（2）高效换热器后，通过（6）压力维持阀后进入下游用气单元。整个系统通过高精度温度控制系统（7）进行调节控制，实现设备平稳高效的运行。3.3净化效果测试发现，当压缩空气中油含量在150mg/Nm3左右，压缩空气处理量在30000Nm3/(m3催化剂·h)，反应温度在200℃以上时，压缩空气出口油含量低于0.003mg/m3，达到无油等级。一些测试结果如表3所示。净化器CAC可适用的范围广泛，鲍斯净化已开发的设备适用于压缩空气压力范围在0.4～32.0MPaG之间，目前标准设备的处理气量范围在0.02Nm3/min～50Nm3/min。可配套在各种类型含油润滑压缩机或者无油润滑压缩机的后端，达到无油净化的目的。由于经180～200℃的处理，空气中的细菌、病毒微生物等均可灭活，特别适用于食品、医药等对气质要求较高的场合。4、结论鲍斯净化研发的超净压缩空气净化器CAC，采用自主研发生产的专用催化氧化触媒，在温度180～200℃的条件下，将压缩空气中油转化为空气中已存在的二氧化碳与水，在不带入新杂质的同时，达到除油的目的。整个过程并不会产生气耗，可使得压缩空气中的油含量远远低于ISO8573-2010标准中的最低等级Class-1级气体指标（含油量≤0.01mg/Nm3）的水平，达到绝对无油水平。整个过程中由于全部气体均会通过设备的高温段，使得生产的压缩空气中无活菌检出。反应后的气体，由于油类被彻底去除，因此气体冷凝液中不再有油类污染物，可达到环保排放的标准。超净压缩空气净化器CAC是一款全新的应用于压缩空气除油净化领域的创新型设备，填补了国内在此领域内的空白，同时系列设备已通过了权威的德国TüV的Class_0级无油压缩空气净化设备认证，它将为客户提供一种获得稳定的真正无油压缩空气气源的新选择。参考文献[1]张喆,李前虎,李纲.空气压缩机干燥净化单元的优化[J].化工自动化及仪表,2018,45(02):112-114+165.[2]王荣生.压缩空气净化系统设计[J].中国新技术新产品,2013(12):166-167.[3]张洪雁.高洁净度压缩空气/气体的净化、过滤[J].洁净与空调技术,2004(04):56-62.[4]孙全江,李平方,石建国.冷干机和吸干机组合的压缩空气净化系统优化方案[J].科技创新与应用,2012(26):37-38.[5]朱莲华.制药生产所用压缩空气的认识性探讨[J].机电信息,2011(08):41-46.[6]GB/T13277.1-2008（ISO8573-1eqv.）《压缩空气第1部分：污染物净化等级》[S].