汪永堅(jiān)，邢凱文

（貝克歐（上海） 凈化系統(tǒng)科技有限公司，上海 200120）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始重視壓縮空氣的品質(zhì)，特別是壓縮空氣中的含油量。在電子、芯片、高精密制造、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，對(duì)無(wú)油壓縮空氣品質(zhì)的需求也越來(lái)越高。因此對(duì)于無(wú)油的壓縮空氣的需求就變的越來(lái)越迫切。

2 壓縮空氣中油的種類和來(lái)源

要想獲得無(wú)油的壓縮空氣，我們必須了解壓縮空氣中油的種類和來(lái)源。ISO 8573對(duì)油做出了定義，即由6個(gè)或更多碳原子（C6+） 組成的碳?xì)浠衔锏幕旌衔铩?/p>

碳?xì)浠衔镏饕歉鞣N烴類物質(zhì)，如飽和烴，不飽和烴，芳香烴等等。

飽和烷烴的一些舉例如表1。

表1

在產(chǎn)生壓縮空氣的過(guò)程中會(huì)不可避免的混入空壓機(jī)、管道、閥門殘留的各類潤(rùn)滑油。而高沸點(diǎn)，高分子量烴類是潤(rùn)滑油主要組成部分，因此壓縮空氣中的油就是這類碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，沒(méi)有統(tǒng)一的化學(xué)式。

理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)油空壓機(jī)在生產(chǎn)壓縮空氣時(shí)，不會(huì)帶入額外的油，但這不意味著壓縮空氣里就沒(méi)有油了。我們的大氣環(huán)境中就存在油，越是工業(yè)區(qū)，越是污染嚴(yán)重的地方，環(huán)境中的油含量就越高。在一些鋼鐵，石化企業(yè)，空壓機(jī)入口的油含量甚至可以達(dá)到5 mg/m3，在這些區(qū)域，即使使用無(wú)油空壓機(jī)，產(chǎn)出的壓縮空氣含油量也無(wú)法達(dá)到ISO8573-1規(guī)定的1級(jí)油含量的標(biāo)準(zhǔn)。所以，使用無(wú)油空壓機(jī)可以最大限度的減少壓縮空氣中的含油量，但并不能保證得到的壓縮空氣都是無(wú)油的。

另外，從空壓機(jī)出口到終端用氣點(diǎn)，壓縮空氣會(huì)經(jīng)過(guò)大量的管道、閥門和接頭。這些管道、閥門和接頭只要某一點(diǎn)沒(méi)有處理干凈，就會(huì)污染整個(gè)管路的壓縮空氣，即使空壓機(jī)出口的壓縮空氣含油量合格，到達(dá)終端用氣點(diǎn)后，壓縮空氣的含油量也會(huì)增加，導(dǎo)致壓縮空氣無(wú)法正常使用。

因此，為了保證終端用氣點(diǎn)的需求，需要采取必要的措施來(lái)減少壓縮空氣中的含油量。

3 壓縮空氣除油方法

壓縮空氣中，油以液態(tài)、氣態(tài)和氣溶膠這3種形態(tài)存在（嚴(yán)格意義上來(lái)講，油氣溶膠中的油屬于液態(tài)，只是其體積和尺寸在特定范圍內(nèi)）。對(duì)于不同形態(tài)的油，需要使用不同的方法來(lái)去除。

3.1 過(guò)濾器除油

對(duì)于液態(tài)油和絕大多數(shù)的油氣溶膠，借助凝聚式過(guò)濾器，利用過(guò)濾原理即可以除去。過(guò)濾原理如下：

第一階段：直接攔截，見(jiàn)圖1：尺寸大于濾材間隙的輕體油滴顆粒被直接攔截在濾材表面層。

第二階段：撞擊分離，見(jiàn)圖2：撞擊分離主要依靠油滴顆粒的慣性，固體顆粒和液滴穿過(guò)濾材間隙后，撞擊濾材纖維并附著其上。

第三階段：布朗運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖3：微小的液滴沿著流向附著在濾材纖維上運(yùn)動(dòng)，不斷積聚成大的液滴；同時(shí)，細(xì)微油滴顆粒的不規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)也使其附著在濾材纖維上。

圖1 直接攔截

圖2 撞擊分離

圖3 布朗運(yùn)動(dòng)

第四階段：排液，見(jiàn)圖4：在最外面的集液層，液滴將逐漸凝聚并變大，然后在重力的作用下，流到過(guò)濾器的底部并排出。

通過(guò)以上3個(gè)階段的逐級(jí)過(guò)濾，凝聚式過(guò)濾器可以使殘油含量最低降至0.01mg/m3。但是，任何凝聚式過(guò)濾器都不可能完全過(guò)濾掉壓縮空氣中含有的雜質(zhì)；這時(shí)，衡量壓縮空氣過(guò)濾器過(guò)濾效果就是“過(guò)濾效率”。被過(guò)濾器分離、過(guò)濾出來(lái)的雜質(zhì)顆粒數(shù)目占雜質(zhì)顆?？倲?shù)目的百分比稱為“過(guò)濾效率”。

例如：過(guò)濾器入口處的壓縮空氣中含有100000個(gè)尺寸為1 μm的顆粒，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后，出口只剩下1個(gè)尺寸為1 μm的顆粒，則該過(guò)濾器的過(guò)濾效率為99.999%（對(duì)1 μm的顆粒）。

由于上述3個(gè)過(guò)濾階段的過(guò)濾效率并不相同，所以過(guò)濾器的過(guò)濾效率就是上述3個(gè)過(guò)濾階段的過(guò)濾效率的總和，見(jiàn)圖5。

從上圖中可以看出，不同階段的過(guò)濾效率是與雜質(zhì)顆粒的尺寸密切相關(guān)的。過(guò)濾之后，濾材中充滿了各種雜質(zhì)。

通過(guò)凝聚式過(guò)濾器的過(guò)濾可以達(dá)到除去絕大多數(shù)的液態(tài)油和油氣溶膠的目的，但是凝聚式過(guò)濾器是無(wú)法過(guò)濾油蒸氣的，所以通過(guò)凝聚式過(guò)濾器，最大能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 排液

圖5 過(guò)濾效率

3.2 通過(guò)活性炭過(guò)濾器除油

利用活性炭來(lái)吸附油蒸氣和油氣溶膠是目前非常普遍的一種壓縮空氣除油方式?；钚蕴?，又稱活性炭黑，是一種主要由含碳材料制成的外觀呈黑色、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴康闹饕煞殖颂家酝猓€有氧和氫等元素。活性炭材料中由大量肉眼看不到的微孔，1克活性炭材料中的微孔，展開(kāi)面積高達(dá)800～1500 m2?；钚蕴磕芪綁嚎s空氣中的油蒸氣主要是靠范德華力、毛細(xì)作用、質(zhì)量轉(zhuǎn)移和分壓差綜合作用的結(jié)果。

范德華力（VanderWaalsforce），又稱分子間的作用力，存在于中性分子或原子間的一種弱電性吸引力。壓縮空氣流經(jīng)活性炭顆粒表面時(shí)，油分子與活性炭分子間相互作用，相互吸引，當(dāng)活性炭和油分子之間的分子吸引力大于油分子之間的引力時(shí)，即使油蒸氣的壓力低于操作溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓，油分子也會(huì)在活性炭表面凝聚。不過(guò)這種作用力是比較微弱的，如果溫度升高到一定程度，活性炭和油分子之間的分子吸引力又會(huì)小于油分子之間的引力，凝聚在活性炭表面的油分子就會(huì)汽化并脫離活性炭，所以范德華吸附是一種物理吸附。

毛細(xì)作用（Capillaryaction），類似液體的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象?；钚蕴课絼﹥?nèi)含有大量的微孔，根據(jù)杜比寧（Dubinin） 及其學(xué)派的吸附勢(shì)能理論，對(duì)于某些吸附過(guò)程，微孔內(nèi)的吸附不是一層一層的吸附在孔壁上，而是在吸附劑微孔內(nèi)發(fā)生體積填充。所以活性炭微孔內(nèi)，由于吸附勢(shì)能的作用，發(fā)生微孔填充現(xiàn)象，油蒸氣不斷被吸附；并且油蒸汽含量越高（即油蒸氣的分壓越大），吸附量也越大，毛細(xì)凝聚現(xiàn)象也更加明顯。

質(zhì)量轉(zhuǎn)移（Masstransfer） 指的是油分子從壓縮空氣內(nèi)轉(zhuǎn)移到活性炭表面上?；钚蕴糠肿雍陀头肿影l(fā)生電子對(duì)共享或者電子轉(zhuǎn)移，使得兩者之間形成新的化學(xué)鍵，從而油蒸汽就牢牢地留在活性炭表面。不同于范德華力的物理吸附，質(zhì)量轉(zhuǎn)移是一種化學(xué)吸附（即兩者之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。

分壓差（Pressuredifference） 原理指的是2個(gè)區(qū)域某氣體分壓不一樣，氣體會(huì)從分壓高的區(qū)域向分壓低的區(qū)域擴(kuò)散。活性炭吸附作用使得活性炭?jī)?nèi)的油蒸氣分壓低，而活性炭外的油蒸氣分壓高，分壓差使得氣體有擴(kuò)散的動(dòng)力，促進(jìn)油蒸氣向活性炭?jī)?nèi)擴(kuò)散，從 而更好地被活性炭吸附。

通過(guò)以上分析可知，油分子量越大，油蒸氣濃度越高，活性炭的吸附量越高。所以對(duì)于小分子鏈的油蒸氣，在低濃度下，活性炭的吸附效果比較有限。

利用活性炭過(guò)濾器可以去除壓縮空氣中的油蒸氣和油氣溶膠，勉強(qiáng)能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)除油效果并不穩(wěn)定，受外界因素影響較大。活性炭吸附飽和后會(huì)失去除油能力，而活性炭的使用壽命受氣體流速、溫度、含油量影響，因此活性炭過(guò)濾器的使用壽命無(wú)法確定。為了不影響后端供氣，只能通過(guò)勤換活性炭來(lái)保證除油效果，會(huì)造成一定的浪費(fèi)。

3.3 通過(guò)無(wú)油催化機(jī)催化裂解方法除油

無(wú)論是采用過(guò)濾器還是活性炭吸附的方式除油，都有不少弊端，除油效果并不穩(wěn)定，對(duì)于一些要求嚴(yán)苛的行業(yè)，以上除油方式還是不夠的。目前比較先進(jìn)的方法是利用催化裂解原理去除壓縮空氣中的油。催化裂解，顧名思義就是利用化學(xué)的方法，通過(guò)裂變分解改變油的分子鏈，使其失去油分子的特性，達(dá)到除油的目的。

無(wú)油催化機(jī)為代表的產(chǎn)品，正是利用這一原理，如圖6（a），使其處理后的壓縮空氣達(dá)到無(wú)油的狀態(tài)。該設(shè)備的工作原理如下：

需要進(jìn)行除油的壓縮空氣經(jīng)過(guò)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入帶有催化劑的罐體內(nèi)，罐體自帶溫度控制系統(tǒng)，將反應(yīng)溫度控制在150℃左右，如圖6（b）。

壓縮空氣中的油分子（碳?xì)浠衔铮?在催化劑和氧氣的作用下，長(zhǎng)分子鏈斷裂成短分子鏈，短分子鏈繼續(xù)斷裂成更短的分子鏈（圖7），催化劑顆粒微孔的內(nèi)表面可以附著氧原子，含油壓縮空氣進(jìn)入到微孔中，氧分子靠近催化劑顆粒微孔的內(nèi)表面時(shí)，被分解為2個(gè)氧原子，并附著在內(nèi)表面。當(dāng)油分子鏈接觸到微孔內(nèi)表面時(shí)，其中的1個(gè)碳原子與2個(gè)氧原子化合為二氧化碳（CO2） 分子，而2個(gè)氫原子則與1個(gè)氧原子化合為水分子（H2O），油分子鏈也隨之?dāng)嗔眩㈦S二氧化碳和水分子一起與微孔內(nèi)表面脫離。斷裂后的油分子鏈繼續(xù)發(fā)生相同的化學(xué)反應(yīng)。

斷裂后的油分子鏈繼續(xù)發(fā)生相同的化學(xué)反應(yīng)，直到所有的油分子鏈全部斷裂，并與氧原子發(fā)生化合反應(yīng)為止。直至最終只有二氧化碳和水，作為反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)物隨壓縮空氣一起經(jīng)換熱器冷卻后，進(jìn)入后端管路（圖8）。

舉例說(shuō)明，如圖9：

實(shí)際上，油分子的裂解幾乎是“瞬間”完成的，反應(yīng)速度非?？?，所以經(jīng)過(guò)這一系列步驟后，壓縮空氣中的油能完全被處理掉。由于催化劑只是用于催化裂解反應(yīng)，而本身不參與反應(yīng)。因此催化劑本身有非常長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)，催化劑能夠保證良好的催化裂解反應(yīng)。而且除油效果不會(huì)隨著時(shí)間的推移降低，可以保證設(shè)備全壽命期穩(wěn)定的除油效果。

并且通過(guò)無(wú)油催化裂解后的壓縮空氣中的油含量可以優(yōu)于ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于無(wú)油催化裂解工藝溫度高達(dá)150°C，經(jīng)過(guò)無(wú)油催化機(jī)處理后的壓縮空氣中沒(méi)有活細(xì)菌、球菌和病毒。

利用催化裂解的方法可以去除壓縮空氣中的油蒸氣和油氣溶膠，甚至是液態(tài)油滴，由于是利用化學(xué)方法除油，因此除油速度和效率都非常高，幾乎可以將壓縮空氣中所有的油除干凈，完全能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)此種壓縮空氣除油方法還沒(méi)有大規(guī)模推廣開(kāi)來(lái)：一方面由于原理比較新，認(rèn)識(shí)的程度不深；另一方面除油設(shè)備的初始投資成本較高。

4 油含量檢測(cè)方法

通過(guò)以上方式對(duì)壓縮空氣中的油進(jìn)行處理后，我們還需要對(duì)壓縮空氣除油凈化的效果進(jìn)行評(píng)估，此時(shí)如何檢測(cè)壓縮空氣中的油含量就變得至關(guān)重要。

圖6

使用PID光離子油含量檢測(cè)儀可以持續(xù)在線監(jiān)測(cè)壓縮空氣中的油蒸氣含量。PID光離子油含量檢測(cè)儀工作原理，如圖10。

首先，壓縮空氣由減壓器1 減壓后至OCV compact的工作壓力。壓縮空氣分為2部分：一部分直接流向測(cè)量單元；另一部分流入凈化單元，凈化單元內(nèi)包含一套凈化裝置，利用催化裂解原理將這部分壓縮空氣內(nèi)所有碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為水（H2O） 和二氧化碳（CO2）。此時(shí)，這部分經(jīng)過(guò)凈化的壓縮空氣可作為標(biāo)準(zhǔn)氣體。

通過(guò)閥門2的控制，標(biāo)準(zhǔn)氣體和取樣氣體交替地進(jìn)入測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量單元內(nèi)的傳感器模塊3實(shí)時(shí)監(jiān)控待測(cè)氣體的溫度和壓力，滿足要求的待測(cè)氣體方可進(jìn)入后端PID檢測(cè)，光離子檢測(cè)器（PID） 可以發(fā)射紫外線。紫外線使得待測(cè)氣體內(nèi)碳?xì)浠衔锓肿与婋x，電離過(guò)的離子聚集在不同的正負(fù)極電極上形成電流，電信號(hào)被放大后精確測(cè)量，其數(shù)值與碳?xì)浠衔锖砍烧取y(cè)量結(jié)果以計(jì)算數(shù)值的形式顯示在觸摸屏上，如圖11。

圖7 催化裂解反應(yīng)過(guò)程

圖8 催化裂解反應(yīng)完成

圖9 舉例說(shuō)明

圖10 OCV compact油含量檢測(cè)儀原理圖

圖11 PID光電離過(guò)程

安裝在PID中的紫外線燈可對(duì)變化迅速作出反應(yīng)，即使在較高的油負(fù)荷（例如過(guò)濾器穿孔） 后，也始終可以再次運(yùn)行。這種經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用的測(cè)量技術(shù)，為客戶提供可靠測(cè)量的保證。

可以實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)值，并且可以通過(guò)4～20 mA模擬輸出或者RS-485通訊信號(hào)傳輸?shù)街锌兀坏?shù)值超差或者系統(tǒng)故障，都可以第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警，真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

同時(shí)，PID光離子油含量檢測(cè)儀是通過(guò)催化裂解的原理產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體，這樣能夠保證標(biāo)準(zhǔn)氣體的絕對(duì)無(wú)油，并且不會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。

雖然目前也有部分壓縮空氣殘油含量檢測(cè)設(shè)備也是利用PID檢測(cè)原理，不過(guò)作為對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)氣體一般是通過(guò)活性炭吸附的方式獲得的。而隨著使用時(shí)間越長(zhǎng)，活性炭吸附能力就會(huì)下降，這樣會(huì)導(dǎo)致作為對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)氣體無(wú)法做到真正的無(wú)油，從而會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大的誤差。

綜上所述，與通過(guò)活性炭吸附產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體的方式的技術(shù)相比，使用光離子檢測(cè)器（PID） 結(jié)合無(wú)油催化裂解技術(shù)檢測(cè)壓縮空氣中的油蒸氣含量非常迅速便捷，即便是微小的變化，也可以在最短的時(shí)間內(nèi)顯示差異并觸發(fā)警報(bào)。同時(shí)，通過(guò)催化裂解產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體，能夠確保標(biāo)準(zhǔn)氣體的無(wú)油，從而使得取樣氣體的測(cè)量結(jié)果更加可靠。

因此，通過(guò)PID光離子油含量檢測(cè)儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮空氣系統(tǒng)中殘油蒸氣含量，并立即知道壓縮空氣是否正常，從而能夠確保后端用氣的安全性和空氣質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同類型的除油設(shè)備，加之有效的油含量的檢測(cè)手段，才是確保壓縮空氣系統(tǒng)油含量的穩(wěn)定性處于實(shí)時(shí)的監(jiān)控下的最佳手段，這樣的搭配才是客戶在實(shí)際應(yīng)用中的最佳配置。從而能確保后端用氣的質(zhì)量能夠得到實(shí)時(shí)和有效的監(jiān)控。