无油压缩空气获取方法探讨

涂巧灵，瞿赠名＊，田刚，吴渝，杜泳川

（重庆鲍斯净化设备科技有限公司，重庆 401336）

压缩空气作为一种重要动力源，用途十分广泛。随着各行业加工、制造技术水平和精度的不断提高，对于压缩空气洁净度的要求越来越高。影响压缩空气洁净度的4种主要污染物分别是水、尘、油、菌，其中油的去除一直是一个热门但又不好解决的问题。根据规范定义：压缩空气中6个或6个以上碳原子（C6+）组成的烃类混合物，统称为油。压缩空气中油含量等级标准如表1所示。量在1～3mg/m3；而通过美国华瑞公司(RAE Systems)ppbRAE 3000 PID检测仪在同一检测口对油蒸气检测，其含量在4～6mg/m3，其总油含量在5～9mg/m3。

表1 压缩空气中油含量等级标准

影响压缩空气中的含油量的因素，除了压缩机本身的润滑油外，还有环境因素。

1 已有获取无油或低油含量压缩空气的方法

1.1 无油润滑压缩机

无油润滑压缩机在压缩过程中不使用润滑油，获得的压缩空气中含油量明显下降。在测定无压缩机后端压缩空气中油含量时发现，悬浮油与液态油几乎没有检出，但油蒸气仍有检出。

图1给出了在某机加工工业区车间内夏季测得的无油润滑压缩机生产的压缩空气的油蒸气含量（采用专业压缩空气油蒸气检测仪—希尔思S120，下同），其含油量仅达到了3级标准。

由表1中可见，压缩空气中的总油含量是液态油、悬浮油和油蒸气3部分之和，其中无油压缩空气要求其总含油量≤0.01mg/m3，而0级无油压缩空气则是由压缩空气使用者根据需要自行规定一个比规范中1级更高的标准。

压缩空气中油的来源主要有2个方面：

（1）空气中本身所含的微量油。该部分油主要以油蒸气形式存在，含量随空气的受污染程度而变化。表2为实测得的重庆地区室内外油含量的一些数据。

由表2可知，室内、道路、工业区大气中的烃类化合物含量较高，均＞0.01mg/Nm3，属于含油水平的空气；仅环境较好、人类活动较少的南山风景区的含量为0.008mg/m3，达到了1级的标准。

（2）压缩过程中被带入压缩空气的润滑油。采用Dräger公司Aerotest Simultan HP中的油检测盒，在不同取样时长情况下测得微油润滑压缩机后的储气罐出口处悬浮油含

表2 重庆地区室内外空气中含油量

图1 机加工工业区车间内测试数据

表3给出了3个处于正常生产状态的工厂使用无油压缩机生产的压缩空气含油情况。由表3数据可见，在冷干机、过滤器等辅助设备的联合处理下，压缩空气仅达到2级标准。

表3 三家生产企业所用无油压缩机生产的压缩空气中油含量测试

表3测试结果表明，无油润滑压缩机生产的压缩空气并非真正无油，生产环境的空气源质量是影响无油空压机出口油含量的一个重要因素。压缩机使用场所多位于工业生产聚集区，很难避免空气源本身被污染的情况；即使在相对封闭的室内场所，无油润滑压缩机除了与空气源接触的部分是无油润滑以外，其他机械部件的仍靠润滑油润滑，加之室内其他生产设备也可能用到润滑油。因此，空气源很难处于无油状态。由于空气中本身含油，压缩过程水不断凝结并被排出系统，这变相是一个空气中的油被浓缩的过程，无油润滑压缩机出口也很难保证压缩空气无油。

无油润滑压缩机制造技术复杂，核心技术还处于垄断，因此设备价格高，设备投入成本较大；加之缺乏润滑油的保护，综合维护保养的费用也较高。

1.2 精密过滤器除油

本文中过滤器泛指除了活性炭过滤器外的过滤器，其通过不同精度的孔径大小，在气体压力的驱动下，颗粒物（粉尘、液滴等）被阻挡而使空气洁净度得到提高。过滤器的过滤精度受滤芯孔径大小的限制，使用精度较高的小孔径滤芯时，可去除绝大部分的悬浮油和液态油，但其无法过滤油蒸气，因此，仅使用精密过滤器无法使压缩空气中油含量降至较低水平。

1.3 冷冻式干燥机除油

冷冻式干燥机简称冷干机，是压缩空气净化中的常用设备，主要用于压缩空气的脱水。其通过冷媒与压缩空气进行热交换，利用水蒸气在不同温度下饱和蒸汽压的差别，在降低压缩空气温度的同时使大量的水蒸气冷凝为液态水，再通过气水分离脱除大部分水，通常通过冷干机的压缩空气压力露点值在3～10℃的范围内。

冷干机对于油的脱除也具有较好的效果。油蒸气在不同温度下的饱和蒸汽压有差别，温度越低，油中对应物质的饱和蒸汽压也就越低，压缩空气里的油蒸气含量也就越低，加上温度的降低使液滴状的油品的黏度变高而不易流动，因此，低温状态下压缩空气复热前通过精密过滤器及时脱除冷凝的水和油，会起到事半功倍的效果，除油效率可达99%以上。

1.4 活性炭吸附除油

活性炭是一种具有很强吸附能力的非极性吸附剂，其比表面积一般在600～2000m2/g。压缩空气中的油（C6+以上烃类混合物）极性很弱，活性炭对其吸附去除能力很强。活性炭不仅能去除压缩空气中的液态油和悬浮油，也能良好吸附去除油蒸气，处理后压缩空气含油量可达GB/T 13277.1—2008规范1级标准。但是活性炭吸附是一个累积过程，随着吸附量增加，其吸附能力逐渐下降，直至吸附饱和后失去除油能力，因此必须定期更换活性炭吸附剂，才能保证脱油效果。活性炭的更换周期受很多因素影响，如初装量、压缩空气中的初始油含量、温度等。所以活性炭吸附除油多用于间歇生产，在无油压缩空气需求量不大的情况下可以选择使用，同时需配备在线油蒸气监测仪，一旦发现油蒸气含量增加，可及时更换。

1.5 吸附式干燥机

吸附式干燥机是一种用于深度脱水的干燥设备，常用硅胶、活性氧化铝、氧化铝分子筛等作为脱水干燥剂，其中以活性氧化铝及分子筛的应用最为广泛。

由于干燥剂具有较大的比表面积，在吸附脱水的同时，不可避免也会吸附液态油、油雾，油蒸气，吸附原理与活性炭类似，因此运行初期末端压缩空气能达到无油状态。但大多数油分子是长碳链碳氢化合物的混合物组成，其对应温度下的饱和蒸汽压较低、难以挥发，无法在吸附剂再生的过程中彻底解吸。因此，油含量会逐步累积，直至达到饱和。吸附的油覆盖在吸附剂的孔道内以及外表面，阻碍吸附剂对于水的吸附，导致干燥剂脱水性能的逐渐下降。

图2给出了吸附式干燥机运转一段时间后，吸附了油的干燥剂与新鲜干燥剂的对比图，可明显看到吸附油后的干燥剂已几乎完全变色，这一过程的快慢取决于压缩空气中的油含量。

图2 吸附了油的干燥剂（左）与新鲜干燥剂（右）对比图

由于受制于前端气源的限制，吸附式干燥机虽然有辅助除油能力，但对于用户来说并非是需要的除油方式，其不具持续性，反而会影响吸附式干燥机的脱水能力。

1.6 催化氧化除油

催化氧化除油是近年来发展起来的一种新型的压缩空气除油方法，其原理是在一定温度下将压缩空气中的油在触媒作用下与氧气发生反应，最终生成二氧化碳与水，其总化学反应方程式如（1）所示：

以重庆鲍斯净化设备科技有限公司（以下简称：鲍斯净化）生产的超净压缩空气净化器CAC系列（以下简称：CAC）设备为例。其流程如图3所示，系统主要由反应器、换热器、压力控制单元等部分组成。其工作流程如下：需处理的含油压缩空气经过（4）高效换热器与来自反应器的高温压缩空气进行充分热交换将热量回收，升温后的高温压缩空气进入由（1）、（2）、（3）组成的反应器系统内，在180～200℃的低温范围发生较为彻底的催化氧化反应，使压缩空气中的油类杂质转换成为CO2与H2O后被彻底除去，净化后的高温无油压缩空气经过（4）高效换热器降温后，通过（5）压力维持阀后输出。

与传统除油技术手段相比，催化氧化除油几乎不受入口压缩空气源品质、压力、温度以及湿度的影响，对于液态油、悬浮油、油蒸气均有理想的脱除效果。

CAC常规连接处理流程如图4所示。将CAC设备连接在含油润滑压缩机或无油润滑压缩机（组）的后端，处理后压缩空气中的油含量可降低到一个非常低的水平。此外，压缩空气在处理过程中通过CAC设备高温段后，空气中的菌类等被灭活，适用于食品、医药等对压缩空气中油、菌含量有要求严格的行业。CAC处理过程测试数据见图5。压缩空气的净化压力范围在0.4～32.0MPaG，实测压缩空气油蒸气含量稳定低于0.01mg/m3，可达到检测仪的下限值0.003mg/m3，接近绝对无油水平。

图3 CAC设备流程图示意图

图4 CAC处理检测流程

2 获取无油压缩空气的技术方案探讨

2.1 组合方案1：无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+冷冻式干燥机+过滤+活性炭过滤器

图5 CAC处理后压缩空气含油量测试数据

图6 组合方案1示意图

无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+冷冻式干燥机+过滤+活性炭过滤器组合方案如图6所示。在本组合方案中，由于压缩空气中的液态水与水雾都会影响活性炭对油的吸附能力，冷冻式干燥机的脱水性能在本方案中比较关键。当采用无油润滑压缩机时，冷冻式干燥机主要起到脱除压缩空气中的水分作用，而采用含油润滑压缩机时除了脱除水分外，同时可脱除大多数油，可延长活性炭过滤器的使用寿命。该流程中所有设备需邻近布置，冷冻式干燥机需选用带进出口气体换热器功能的设备型号，以防止冷干带出冷凝液后，因环境温度过低，导致压缩空气再结露。

由于活性炭过滤器吸附能力有限，使用过程中无法再生，累计的有效使用时间并不确定。连续用气工况，建议考虑无油润滑压缩机作为产气设备；而间歇工况时可采用含油润滑压缩机，可方便更换活性炭吸附剂，避免活性炭饱和后，含油气体污染后续管路而影响生产。建议通过在线监测气体质量，判断活性炭是否已吸附饱和需进行更换。

2.2 组合方案2：无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+催化氧化除油净化设备

图7 组合方案2示意图

无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+催化氧化除油净化设备组合方案如图7所示。本组合方案采用催化氧化除油净化设备，将环境中以及压缩过程中所带入的油进行转化脱除，使压缩空气出口油含量稳定低于0.01mg/m3，达到零级水平，是一种可靠且有效获取稳定无油压缩空气的方法。油在前段被彻底脱除后，为后续净化如冷冻式干燥、吸附式干燥、制氮、制氧、膜式干燥等设备运转提供了良好条件。整个系统可使用检测仪在线监测出口气体质量。

2.3 组合方案3：无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+冷冻式干燥机+过滤+催化氧化除油设备

图8 组合方案3示意图

无油/含油润滑压缩机+储罐+过滤+冷冻式干燥机+过滤+催化氧化除油设备组合方案如图8所示。本方案将冷冻式干燥机布置于催化氧化除油净化设备前端，对含油润滑压缩机所产压缩空气的净化效果特别突出。由于冷冻式干燥机本身具有除油净化的能力，在很大程度上降低了催化氧化类除油净化设备的除油负荷，使其出口油含量可以持续稳定地达到零级无油水平。

3 结语

（1）实际测试数据表明：压缩空气中的油含量除了与压缩机相关外，同时也受到了大气环境的影响。用无油压缩机获取的压缩空气虽满足大多数用户的需求，但采用行之有效的后处理净化方式获取无油压缩空气更为稳妥可行。

（2）采用精密过滤、冷冻干燥、活性炭吸附等净化设备均有除油效果，但这些以物理除油为主的方法存在除油效果有限、不能稳定除油等问题。催化氧化除油通过化学转化方式，可得到高品质、连续、稳定的压缩空气。

（3）根据用户对压缩空气品质不同的要求，选取合适的在线油含量监测方式，对于避免压缩机或后处理净化设备出现异常的情况下造成对洁净管路及产品造成的影响，也是一种行之有效的方法。

（4）对于压缩空气的净化，本文主要从除油角度进行阐述，实际运用应根据各自具体情况，综合考虑油、水、尘、菌等污染物以及设备采购、运行成本，选择适宜的解决方案。