浅谈催化氧化除油技术在无油压缩空气系统中的应用

（重庆鲍斯净化设备科技有限公司，重庆 401336）

1 引言

压缩空气作为工业生产中的重要动力源之一，其品质的可靠性对于正常生产的重要性不言而喻。一般，对于压缩空气的品质要求，主要关注压缩空气中的水、油、尘等污染物的含量指标。其中，油污染物、水油混合污染物等污染物的去除，一直是压缩空气品质提升的难点。

对压缩空气中油含量有严格要求的生产过程中，大多企业都选择无油压缩空气系统，其中以螺杆式无油压缩机应用最为广泛。干式螺杆无油压缩机通过一对相互啮合的转子对空气进行压缩，压缩腔室空气不与油接触。此外，水螺杆无油压缩机以水取代润滑油，实现压缩机的润滑、冷却、密封和降噪。这两类产品在实际生产中应用较多，但也存在一些问题。比如，这两类压缩机压缩腔室内的空气虽都不与润滑油接触，但无法处理本身空气中所含微量的油类杂质，在没有后续深度除油设备的情况下，用这两类压缩机得到的压缩空气中油含量很难达到ISO8573.1-2010中要求的Class_0级无油标准[1，2]。

另外，干式螺杆无油压缩机的转子的特殊涂层会在使用过程中磨损，压缩效率随使用时间衰减；其保养维护费用不菲。水润滑螺杆无油压缩机由于向压缩腔室内注水润滑，因空气本身并不洁净，需要对循环的水进行净化，否则可能会对转子等部件产生腐蚀且转子对材料要求较高，综合成本并不低。

用非无油压缩机制取“无油”压缩空气，即采用常规的有润滑油压缩机获取压缩空气，再通过后端除油设备处理，进而获得无油压缩空气。后端处理技术中，最具有典型代表性2种是吸附除油和催化氧化除油。

吸附除油主要利用吸附性的材料，如活性炭等，对油污染物进行吸附除油，该方法简单高效。选择高品质的吸附材料，容易获得无油压缩空气。但其问题是吸附材料的吸附容量较为有限，一旦吸附饱和，即需更换，且不易判断，后端被油类杂质污染风险较大。综合使用成本并不低。

催化氧化方式除油，其技术原理是油类（C6+碳氢类混合物）污染物在一定的温度及催化剂的作用下转化为二氧化碳和水。本文将对催化氧化除油特点进行分析，为获取无油压缩空气提供思路。

2 催化氧化除油技术的特点

（1）技术成熟可靠，催化氧化技术已有很长的历史，从著名英国化学家Davy发现铂能促进甲烷与醇蒸汽在空气中的氧化[3]，到他1840年所做关于混合气体无焰燃烧作用的研究的试验，再到20世纪50至60年代，随着汽车工业的发展，以及各国对环保与节能日益严格的要求，该技术迅速发展并工业化，至今已有近50年发展历史，由于其操作条件温和，对设备的要求不高，在工业生产及环境保护中得到广泛应用，久经实验室和工业的应用验证，技术可靠性强。压缩空气中的油污染物，从化学成分上来看是C6+类的有机化合物，选用合适的催化剂，通过催化氧化技术能够对其进行高效转化脱除。

（2）能彻底解决压缩空气油污染问题，催化氧化技术可有效去除液态油、油雾、油气凝胶，也能去除最难处理的油蒸气。既能去除压缩机润滑油混入压缩空气内的油，也能去除进入压缩机的空气中的油。因此，以催化氧化技术为基础的压缩空气净化设备既可应用于有润滑压缩机后端，也能应用在无油润滑压缩机的后端，彻底解决压缩空气中油类污染物的问题[4]。

（3）设备维护保养成本低，催化氧化技术的关键核心之一是催化剂，其作用是使油类污染物能够在较低温度下转化成二氧化碳和水。催化剂本身并不发生改变，不存在反应消耗问题，因此，理论上可以一直使用，即使考虑到使用条件及环境因素的影响，也有较长使用寿命，对于用户而言，后期维护保养成本低。

（4）整套系统的通用性强，基于催化氧化的后端压缩空气净化设备可搭配螺杆式油润滑压缩机、无油润滑压缩机、活塞式压缩机、涡旋机、旋片式压缩机等多种类型压缩机，而且适用压力范围广，高压、中压、低压均可配置，可以填补部分压力下没有相关无油润滑压缩机设备可选的空白。

（5）整套系统采购成本低，与上文提到的无油螺杆压缩机和水润滑螺杆压缩机不同，催化氧化除油技术在国内已开发且具有自主知识产权，其产品品质与国外同类产品相比毫不逊色，甚至在某些方面已经领先，且价格更为合理。对于大多数压缩空气用户而言，直接在已有的压缩机后端配置催化氧化除油系统，即可满足其使用无油压缩空气的需求。

3 催化氧化除油技术的短板

催化氧化除油设备的短板主要体现在以下几个方面：

（1）催化剂需要在一定的温度下使用，才能高效发挥作用，因此，这类设备冷开机时，需要预热时间，预热时间不够，催化剂床层温度达不到要求，处理效果会大打折扣。

（2）催化氧化除油设备通过内置换热器和设置保温层，可以将系统内的热量高效利用，但由于压缩空气本身会带走热量，以及少量的热散失，因此，需要消耗额外的电能转化成热能，来补充这部分热量损耗，以维持催化剂床层温度，确保催化氧化除油过程的高效进行。

（3）当压缩机油气分离系统出现故障，大量跑油的情况下，短时间大量的油进入催化剂床层，高速分解过程中会产生大量热量，导致系统超温。为确保系统安全，设备配套的自诊断系统判断油含量过高或者系统超温时，会自动切断进气阀门，此时虽然保护了装置与压缩空气系统，但会造成供气中断，影响到后续工序的生产用气。

（4）催化氧化过程将压缩空气中的油转化为水和二氧化碳，处理后压缩空气中的水和二氧化碳含量上升，可能会影响到后端的用气设备。

4 催化氧化法除油短板的风险防控

对于催化氧化除油技术的短板，通过流程的优化及合理的技术组合是比较容易解决的，使其运行风险完全可控。由于每个厂家对于此类设备的设计理念和风险控制上存在一定差异，这里以其中一款产品为例，介绍应时方案。

（1）设备首次开机需要进行预热，达到一定温度后才会开启阀门让压缩空气通过，避免未经除油的气体直接进入后方管路。对于2天以内的停机（以10 Nm3/min处理量设备为例，停机耗电量为每12 h约3 kW），建议用户可选择不关机，或者设置预约开机时间来让设备在投用前自动启动。同时为用户预留了物联网选配模块，可通过远程操作，提前开机。

（2）设备选用高效率的板式换热器，对反应后的热量进行回收，处理每立方米压缩空气所需要的电耗低至5 W。配合目前市面上的油润滑节能压缩机来使用，相对于干式无油压缩机可有效的降低总能耗。

（3）系统耐压耐温设计上留有足够的富余量，确保设备超温时的安全。控制系统上，采用全自动的PLC控制器，对设备运行温度进行多点实时监控，出现异常进行自我保护并快速切断气源以保护系统，同时确保含油压缩空气不会污染后方管路。系统配备独立冗余的安全控制系统确保其PLC控制失效的情况下，系统仍然安全可靠。

（4）对于有连续性用气需求的用户，可提供不断气的供气方案。当设备故障或保护停机时，自动启用旁路的活性炭吸附过滤除油系统，以确保供气的连续性，同时发出报警信号，用户可根据现场情况安排生产设备的停机，或维修保养压缩机、净化设备等，将异常情况对生产的影响降至最低。

（5）催化氧化类除油设备可以保护吸附式干燥机中的吸附剂不受油的污染，一般选择安装在其前端。对安装在冷干机后端的情况可做如下分析。压缩空气在经冷干机处理后，不仅能脱除水分，而且可以脱除部分油类污染物。经实验测定，油润滑螺杆式压缩机后端冷干机出口压缩空气中总油含量在1.2 mg/Nm3（压力露点5 ℃，压力：8 bar（G），若将此部分油（以C18平均分子量的饱和烃计）全部经催化氧化为水和二氧化碳，计算得到压缩空气增加的露点值不到0.1 ℃，在此情况下，催化氧化所生成的水对于压缩空气露点影响基本可以忽略不计；生成的二氧化碳在压缩空气中浓度也远远低于大气中本身所含的二氧化碳。

5 结论

由于催化氧化类除油设备属于压缩空气后处理设备的范畴，在目前没有更好地彻底除油的方法出现之前，可以说是在可靠安全的情况下比较少的选择之一，但它并不能独立使用，需配套各种类型的空压机，而催化氧化除油设备更多是去处理压缩机正常工作或者异常时带入压缩空气中的油类杂质，因此压缩机的可靠稳定性在整个压缩空气系统中仍占有非常大的比重。单就净化设备本身来说，在压缩空气品质、设备投入成本、维护成本、综合能耗、用气可靠性等方面，采用催化氧化除油技术获取无油压缩空气是一种较好的解决方案。