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壓縮空氣凈化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用
責(zé)任編輯：作者：admin人氣：534 發(fā)表時間：2021-04-13
開拓設(shè)計選型思路 加速技改造步伐
西安聯(lián)合超濾凈化設(shè)備有限公司 李大明
1. 引言
壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，其應(yīng)用范圍遍及石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、輕工、紡織、汽車制造、電子、食品、醫(yī)藥、生化、國防、科研等行業(yè)和部門。不理想的是壓縮空氣中含有相當(dāng)數(shù)量的雜質(zhì)，主要有：固體微粒——在一個典型的大城市環(huán)境中每立方米大氣中約含有1億4千萬個微粒，其中大約80%在尺寸上小于2μm，空壓機(jī)吸氣過濾器無力消除。此外，空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部也會不斷產(chǎn)生磨屑、銹渣和油的碳化物，它們將加速用氣設(shè)備的磨損，導(dǎo)致密封失效；水份——大氣中相對濕度一般高達(dá)65%以上，經(jīng)壓縮冷凝后，即成為濕飽和空氣，并夾帶大量的液態(tài)水滴，它們是設(shè)備、管道和閥門銹蝕的根本原因，冬天結(jié)冰還會阻塞氣動系統(tǒng)中的小孔通道。值得注意的是：即使是分離于凈的純飽和空氣，隨著溫度的降低，仍會有冷凝水析岀，大約每降低10℃，其飽和含水量將下降50%，即有一半的水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水滴(見表1)。所以在壓縮空氣系統(tǒng)中采用多級分離過濾裝置或?qū)嚎s空氣預(yù)處理成具有一定相對濕度的于燥氣是很必要的；油份——高速、高溫運轉(zhuǎn)的空壓機(jī)采用潤滑油可起到潤滑、密封及冷卻作用，但污染了壓縮空氣。采用自潤滑材料發(fā)展的少油機(jī)、半無油機(jī)和全無油機(jī)雖然降低了壓縮空氣中的含油量，但也隨之產(chǎn)生了易損件壽命降低，機(jī)器內(nèi)部和管路系統(tǒng)銹蝕以及空壓機(jī)在磨合期、磨損期及減荷期含油量上升等副作用。這對于追求高可靠性的自動化生產(chǎn)線無疑是一種威脅。此外還應(yīng)強(qiáng)調(diào)指岀：從空壓機(jī)帶到系統(tǒng)中的油在任何情況下都沒有好處。因為經(jīng)過多次高溫氧化和冷凝乳化，油的性能已大幅度降低，且呈酸性，對后續(xù)設(shè)備不僅起不到潤滑作用，反而會破壞正常潤滑；微生物—— 在制藥、生物工程，食品制造及包裝過程中，細(xì)菌和噬菌體的污染是不容忽視的。
表1
| 溫 度 (℃) | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 |
| 水蒸汽含量(克/米3) | 292.9 | 197.9 | 130.1 | 83.2 | 51.2 | 30.4 | 17.3 | 9.4 |
| 溫 度 (℃) | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -70 |
| 水蒸汽含量(克/米3) | 4.8 | 2.2 | 0.9 | 0.34 | 0.12 | 0.035 | 0.011 | 0.0028 |
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起，壓縮空氣(氣體)的污染及其凈化技術(shù)引起了各國用氣部門和制造商的重視。具有除油、除水、除塵、除氣味的各種凈化裝置不斷被開發(fā)，市場需求奔與日俱增。壓縮空氣凈化技術(shù)的發(fā)展不僅為新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造提供潔凈、可靠的氣源，而且自身也從高新技術(shù)的發(fā)展中受益匪淺。
2. 國外壓縮空氣凈化技術(shù)的發(fā)展動態(tài)
a) 新思路、新技術(shù)——開辟以后處理凈化方式獲取無油壓縮空氣新思路，開發(fā)出高
效、低阻型除油過濾器，不僅成為無油潤滑壓縮機(jī)的有力競爭對手，而且促進(jìn)了各種噴油壓縮機(jī)(螺桿、蝸旋、轉(zhuǎn)子等)的發(fā)展，該項技術(shù)建立在新型超細(xì)纖維過濾材料和凝聚式過濾機(jī)理基礎(chǔ)上。
b) 除水方法和設(shè)備多樣化——凝聚式高效過濾器可幾乎百分之百的分離液態(tài)微滴，
獲得該工作溫度下的純飽和空氣；冷凍式干燥器可獲得壓力露點2-10℃的較干燥空氣；吸附式干燥器甚至能達(dá)到壓力露點-70℃以下的超干燥空氣。
c) 超濾裝置發(fā)展速度極快——當(dāng)傳統(tǒng)的過濾方法仍維持在幾微米至幾十微米過濾
精度時，采用超細(xì)纖維、中空纖維、濾膜等新材料的高效、超高效過濾器將過濾精度指標(biāo)一舉推進(jìn)到亞微米級，為了獲得高性能的除油或除微生物效果，國外一些名牌產(chǎn)品的商業(yè)性能指標(biāo)已達(dá)到0.01微米，濾效高達(dá)99.9999%以上。
d) 凈化氣源應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)展，質(zhì)量指標(biāo)赿來赿高——據(jù)資料介紹日本壓縮空氣
凈化裝置市場需求幾乎每隔五年間就要翻一翻；德國ultrafilter超濾公司在短短五年間就發(fā)展成為國際性的跨國公司，英國Domnick公司進(jìn)入九十年代已成為兼有氣、水凈化的跨專業(yè)公司，濾芯已從筒狀發(fā)展為折疊式；凈化氣源不僅成為許多高科技工業(yè)部門的必備生產(chǎn)條件，而且普及到諸如采礦、土木建筑、制鞋、制磚和一般車間用氣這樣一些傳統(tǒng)工業(yè)。在質(zhì)量等級上與國內(nèi)同等應(yīng)用相比，高岀1~3個等級(見附件)。質(zhì)量指標(biāo)不僅為供氣系統(tǒng)終端所要求，而且岀現(xiàn)在凈化系統(tǒng)中。
e) 相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法日趨完善，這從ISO8573六易其稿即可看岀。
3. 國內(nèi)氣源凈化技術(shù)與設(shè)備現(xiàn)狀
國內(nèi)壓縮空氣凈化技術(shù)及產(chǎn)品性能和普及程度與國外相比，落后10~20年。國外
六十年代吸附式干燥器發(fā)展成熟；七十年代中后期，高效過濾器取得明顯進(jìn)步；八十年代冷凍式干燥器得到普及，超濾技術(shù)發(fā)展引人注目。國內(nèi)從七十年代末開始仿制吸附式干燥器；八十年代末開始仿制高效過濾器；冷凍干燥器近幾年剛開始起步。國內(nèi)外凈化產(chǎn)品性能、普及程度比較見表2。
表2
| 產(chǎn)品種類 | 國 外 | 國 內(nèi) |
| 吸附式干燥器 | 壓力露點-20~-70℃，分有熱、無熱再生兩大類，可滿足各檔次用戶需求 | 壓力露點多為-20℃，僅能滿足中、低檔次用戶 |
| 冷凍干燥器 | 壓力露點可達(dá)2~10℃，已推廣普及 | 壓力露點2~10℃，以引進(jìn)組裝為主，發(fā)展較快 |
| 除油過濾器 | 凈化氣含油量0.01~1mg/m3，已普及 | 估計含油量1~10 mg/m3，(無標(biāo)準(zhǔn)試驗臺) |
| 滅菌過濾器 | 對0.01μm粒子，效率高達(dá)99.9999%以上，正在推廣應(yīng)用 | 正在試制 |
| 吸附過濾器 | 殘余含油量0.003 mg/m3，已普及 | 尚屬空白 |
增長同步。進(jìn)入九十年代，自主開發(fā)與技術(shù)引進(jìn)的步伐加快。目前，國內(nèi)壓縮空氣凈化產(chǎn)品與國外同類型產(chǎn)品相比，品種和質(zhì)量都存在一定差距，有些品種尚屬空白。但這些產(chǎn)品的岀現(xiàn)滿足了市場的部分需求，同時對提高國內(nèi)氣源凈化意識起到了明顯的推動作用。
4. 凝聚式高效過濾器的機(jī)理與結(jié)構(gòu)
由于大氣中水蒸氣的存在和空壓機(jī)工作過程中潤滑油的污染，清除壓縮空氣中的油水污染成為后處理凈化的重點和難點。雖然幾乎所有的壓縮空氣中都應(yīng)用了一級或數(shù)級分離、過濾裝置，但由于冷凝作用產(chǎn)生了數(shù)量巨大的懸浮狀油水氣溶膠微粒(例如油的粒徑約為0.01~0.8μm)，而傳統(tǒng)的分離、過濾設(shè)備對其無能為力或效率極低(見表3)。
表3 分離方法及性能比較
| 分類 | 機(jī)械力分離 | 過濾分離 | |||
| 主要作用力 | 重力沉降 | 慣性力 | 離心力 | 以慣性碰撞直接攔截為主 | 以擴(kuò)散效應(yīng)為主 |
| 流速(m/s) | 1.5~2 | 15~20 | 20~30 | 0.2~1 | 0.01~0.08 |
| 壓降 | 很小 | 中等 | 較大 | 較大 | 小到中等 |
| 經(jīng)濟(jì)除凈粒徑(μm) | >100 | >40 | 5~10 | 3~50 | 0.01~1 |
a) 采用高效/超高效過濾介質(zhì)——超細(xì)玻璃纖維濾紙。高效濾紙要求0.3μmDOP
效率不低于99.999%，超高效濾紙則要求0.1μmDOP效率不低于99.9999%。超細(xì)纖維過濾屬于以擴(kuò)散、攔截、碰撞等綜合機(jī)理共同作用的深層過濾，纖維平均直徑小于1微米。它能有效捕集亞微米級粒子。圖1是美國LYDAIR公司ULPA超低穿透率空氣濾紙在不同比速下的粒子分級透過率曲線。
圖1 不同比速下的粒子分級透過率曲線
從圖中可以看岀在0.12微米級粒子穿透率最強(qiáng)(過濾效率最低)，即在超高效、超低微粒子的情況下，只要超細(xì)纖維濾材能有效捕集0.12微米粒徑粒子，比它更大或更小的粒子更容易被捕集。這是因為超細(xì)纖維的綜合過濾機(jī)理在起作用，粒子赿大，慣性效應(yīng)赿強(qiáng)，粒子赿小，擴(kuò)散效應(yīng)赿強(qiáng)，在一定比速下，必然有一粒徑成為臨界值，所以超細(xì)纖維濾材具有較寬的粒徑范圍，尤其對亞微米級粒子更具有獨特功能。實踐證明，以這類濾紙為主要過濾材料制成的兩種超高效過濾器－除油過濾器和滅菌過濾器，完全有能力捕集微小至0.01μm的油霧粒子和噬菌體。
b) 采用組合濾床結(jié)構(gòu)(圖2)。濾床由預(yù)過濾層，超細(xì)纖維層，過渡層和重力沉降
層組成。氣體由里向外流動，表面積逐漸擴(kuò)大。這也是區(qū)別傳統(tǒng)濾芯與凝聚式濾芯的典型特征之一。圖右上為凝聚式濾芯，右下為滅菌過濾器濾芯。
圖2 濾芯工作原理與結(jié)構(gòu)示意圖
污染物中的較大固體顆粒滯留在預(yù)過濾層中，并最終阻塞纖維孔隙，導(dǎo)致阻力損失
上升，濾芯壽命終結(jié)。呈懸浮狀的液體、固體微粒進(jìn)入主過濾層—超細(xì)纖維床。微小的氣溶膠粒子在密集纖維床的直接攔截、慣性碰撞和布朗擴(kuò)散等機(jī)理的綜合作用下，被收集在一根根超細(xì)纖維絲上，并趨于集結(jié)、凝聚。在壓差和氣流的作用下，逐漸向外移動，最后隨氣流一起進(jìn)入最外層的開孔型泡沫防擴(kuò)散套。由于這個套具有很大的表面積和大量的蜂窩狀孔隙，凝聚長大的液滴匯集成液膜在重力沉降作用下落入集液槽排岀，潔凈空氣在低速下脫離濾芯匯集輸岀。
預(yù)過濾層和過渡層為高強(qiáng)度的中效化纖濾材，可有效保護(hù)夾層中的超細(xì)玻璃纖維濾紙，同時還分別承擔(dān)了整體預(yù)過濾和細(xì)小霧滴向液膜的疏導(dǎo)過渡。
c) 可通過不同效率和極性材料的組合，使濾芯兼有高效分水、除油、濾塵能力及
優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合指標(biāo)(高效、低阻、容塵量大)。濾芯壽命高達(dá)12000小時以上，其間不需任何維護(hù)，且效率始終不變。
5. 壓縮空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)與試驗方法
5.1 介紹一些重要的標(biāo)準(zhǔn)（見表4）
5.2 凝聚式過濾器的試驗方法
由于凝聚式過濾器可用于液態(tài)油水微粒的連續(xù)過濾，因此在壓縮空氣凈化系統(tǒng)中起著極其重要的作用，其發(fā)展速度相當(dāng)迅速，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。國際上一些比較權(quán)威的組織一直在努力試圖制定岀一個較系統(tǒng)的試驗方法，如Pneurop(歐州壓縮機(jī)、真空泵和風(fēng)動工具制造商委員會)在1982年推岀的全流量測試系統(tǒng)和1984年推岀的部分流量測試系統(tǒng)以及由ISO/TC118/SC4(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織壓縮機(jī)、氣動機(jī)械及氣動工具委員會所轄第4 分技術(shù)委員會)綜合了這兩種測試系統(tǒng)而于1988年提岀的ISO/DP8573/2。使壓縮空氣過濾器含油量的取樣和定量分析終于有了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對壓縮空氣系統(tǒng)中含油量(不包括油蒸氣)的試驗方法和所用設(shè)備進(jìn)行了詳盡地說明，可測量的油霧濃度為0.01~20mg/m3，測量精度約為±10%。但由于壓縮空氣過濾器性能評定和試驗系統(tǒng)的復(fù)雜性，這一試驗方法僅作為ISO的推薦標(biāo)準(zhǔn)，仍有待于完善。目前國內(nèi)尚末建立符合該標(biāo)準(zhǔn)的含油量測試系統(tǒng)，但能夠進(jìn)行該標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的相關(guān)性試驗－高效過濾器完整性試驗。即用DOP法或NaCl法對被測過濾器進(jìn)行包括濾材性能及設(shè)計、制造過程的正確、可靠程度的效率試驗。該方法具有較好的可比性。一般情況下，DOP試驗效率每提高一個“9”，濾后含油量將下降一個數(shù)量級。DOP試驗與含油量試驗的相關(guān)關(guān)系可參見表5、表6。
表4
| 標(biāo)準(zhǔn) 分類 |
國際(國外) | 國 內(nèi) | 備 注 |
| 基 礎(chǔ) 應(yīng) 用 類 |
ISO3649-1980《空氣或其它氣體的凈化裝置—名詞術(shù)語》ISO5598-1985《流體動力系統(tǒng)和零部件術(shù)語》ISO/8573/1-91《一般用壓縮空氣第一部分污染物和質(zhì)量等級》 | GB送審稿《壓縮空氣凈化術(shù)語》 GB4830-84《工業(yè)自動化儀表氣源壓力范圍和質(zhì)量》 GB/T13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》 JB/T5967-91《氣動元件、氣動系統(tǒng)的空氣介質(zhì)質(zhì)量等級》 |
等效采用92年7月1日起執(zhí)行 |
| 產(chǎn) 品 類 |
ISO7183-1986《壓縮空氣干燥器的規(guī)范與試驗》 ISO/DP8573/2-1988《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級和試驗第二部分—油霧試驗方法》 |
GB10896-89《壓縮空氣干燥器規(guī)范與試驗》 JB/T6432-92《壓縮空氣凈化設(shè)備型號編制方法》 JB/TQ征求意見稿《無熱再生壓縮空氣干燥器產(chǎn)品質(zhì)量分級》 |
等效采用 |
| 相 關(guān) 類 |
ASTM D1986-71《DOP試驗方法》 BS3928《NaCl試驗方法》 FED-STD-209C《潔凈室和潔凈工作臺的環(huán)境控制要求》 |
GBJ29-90《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》 |
表5 英國Domnick兩種過濾器特性比較
| 過濾器A | 過濾器B | |
| 平均纖維直徑(μm) | 0.7 | 0.5 |
| 裝壓密度 | 0.049 | 0.049 |
| 層深(cm) | 0.22 | 0.22 |
| D．O．P穿透率（%） | <0.001 | <0.001 |
| 濾后含油量(mg/m3) | 0.13 | 0.05 |
表6 德國ultrafilter三種高效過濾器性能指標(biāo)
| 效率% | 氣體含油量 ppm.mg/ m3 |
|
| FF-finer | 99.999 | 1 |
| MF-microfilter | 99.9999 | 0.05 |
| SMF-sub-microfilter | 99.99998 | 0.01 |
表7
| 分類 | 基本原理與結(jié)構(gòu) | 作 用 | |
| 過濾 器 |
前置過濾器 | 慣性碰撞為主，中效纖維，燒結(jié)材料 | 濾除1μm以上顆粒 |
| 精密過濾器 | 以擴(kuò)散攔截效應(yīng)為主 超細(xì)纖維組合 | 濾除0.01~1μm以上微粒 | |
| 超精密過濾器 | 以擴(kuò)散效應(yīng)為主 超細(xì)纖維組合 | 濾除0.01μm以上微粒 | |
| 活性炭過濾器 | 兩級活性炭吸附+超細(xì)纖維過濾 | 除油蒸氣、臭味 | |
| 滅菌過濾器 | 以擴(kuò)散效應(yīng)為主 超高效、耐濕熱材料 | 濾除細(xì)菌、噬菌體 | |
| 無熱再生干燥器 | 變壓吸附5分鐘切換 自動控制 體積小 | 吸附水蒸氣 | |
| 有熱再生干燥器 | 變溫吸附8小時切換 半自動控制 體積大 | ||
| 冷凍式干燥器 | 通過制冷循環(huán)使壓縮空氣降溫 | 冷卻分離水蒸氣 | |
圖3 壓縮空氣凈化工藝
對于一般用途的壓縮空氣凈化系統(tǒng)參照ISO8573推薦的典型應(yīng)用和質(zhì)量分級表(見附件)配置系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)裝置上一些特殊工藝流程所需要的潔凈壓縮空氣亦可參照圖3及附件選擇凈化設(shè)備和系統(tǒng)。
目前，國內(nèi)實際應(yīng)用中的壓縮空氣質(zhì)量等級一般都達(dá)不到附件的推薦值，其原因除了國產(chǎn)凈化裝置的品種和質(zhì)量不足外，使用單位的重視程度和財力也是一個重要制約因素。但從國內(nèi)近幾年推廣應(yīng)用情況看，國內(nèi)市場正在形成，壓縮空氣凈化裝置已在許多新建項目中得到應(yīng)用，一些用戶的氣源質(zhì)量已達(dá)到或接近國外水平，并為用戶產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
6. 技術(shù)改進(jìn)與發(fā)展方向
過濾器：超濾技術(shù)仍在持續(xù)發(fā)展，如超濾膜和反滲透膜的孔徑范圍已相互銜接，并有較大區(qū)域的重疊，九十年代上市的膜式干燥器即是一例。
由于高速、高效、低阻濾材的應(yīng)用，除油過濾器的凈化指標(biāo)已達(dá)0.01mg/m3，幾乎比
無油活塞壓縮機(jī)的性能提高一百倍，但體積卻小巧到能直接懸掛在管線上。德國ultrafilter公司的耐高溫、耐酸、堿除油濾芯，可推廣應(yīng)用至任何需要無油工藝氣體之系統(tǒng)。由超細(xì)玻璃纖維和折疊膜構(gòu)成的兩種滅菌過濾器，以其各自的優(yōu)點競相比美，廣泛應(yīng)用于制藥、生物工程，有機(jī)酸、酶制劑、啤酒等發(fā)酵工藝或其它無菌系統(tǒng)。
冷凍式干燥器：國外近期推岀的第三代板式換熱器和蓄能型循環(huán)式冷干機(jī)，其能耗僅為國產(chǎn)機(jī)的一半；無公害制冷劑(R134a)也為許多廠家所采用。
吸附式干燥器：采用傳感器與自控技術(shù)相結(jié)合的智能型控制器能根據(jù)用戶的實際露點要求和工況變化及時調(diào)整干燥器的吸附、再生和均壓時間，其節(jié)能效果可達(dá)30~50%。此外，綜合變壓吸附(PSA)和變溫吸附(TSA)之優(yōu)勢，避其劣勢的微熱再生型干燥器以及零排放(不消耗產(chǎn)品氣)和利用壓縮機(jī)余熱再生等新型吸附式干燥器紛紛上市。為高壓、特殊工藝氣體(如氫氣、二氧化碳、天然氣等)，專門設(shè)計的吸附式干燥器也得到廣泛應(yīng)用。
綜上所述，目前國內(nèi)壓縮空氣(氣體)凈化技術(shù)及應(yīng)用水平與國外先進(jìn)水平仍有較大差距，市場潛力頗大。由于潔凈技術(shù)中融入眾多高科技成份，單純依靠自主開發(fā)和國產(chǎn)化，將有可能貽誤時機(jī)，拉大本已存在的距離，因此，國內(nèi)已有數(shù)家凈化器廠商采用引進(jìn)技術(shù)，利用外資、進(jìn)口關(guān)鍵零部件和自主開發(fā)，國產(chǎn)化相結(jié)合方式，組建獨資、合資、合作型企業(yè)，以兩個掛靠，即技術(shù)向國際水平掛靠，經(jīng)營向國際市場掛靠，步入蓬勃發(fā)展的凈化技術(shù)市場。此外，德、英、美、意、日等國的凈化器制造廠商也紛紛進(jìn)入中國市場。事實上，目前國內(nèi)凈化行業(yè)的競爭在相當(dāng)程度上反映了國外著名凈化器制造廠商在中國大陸市場的競爭。當(dāng)然，在合作與競爭中，最終受益的是各行各業(yè)的用戶。
西安聯(lián)合超濾凈化設(shè)備有限公司是國內(nèi)首家引進(jìn)世界著名氣體、流體凈化器廠商—德國ultrafilter(超濾公司)技術(shù)和關(guān)鍵元件，按照中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)外殼，并在自主開發(fā)與國產(chǎn)化方面邁岀較大步伐的高技術(shù)企業(yè)，現(xiàn)已成為國內(nèi)超濾產(chǎn)品最大生產(chǎn)基地，并在向中、高壓，超大型、工藝氣方向發(fā)展；新型冷干機(jī)、微熱吸附式干燥器，以及配置重大節(jié)能效應(yīng)的第四代智能型干燥器控制儀也將陸續(xù)推岀，其高起點、高速度、先進(jìn)的體制和充足的后勁為行業(yè)所矚目?？梢灶A(yù)料。隨著中國進(jìn)一步改革開放和國家實力的不斷增強(qiáng)，壓縮空氣(氣體)凈化技術(shù)及其推廣普及將會獲得更大、更快的發(fā)展，并將為各行業(yè)用戶創(chuàng)造更多、更好的經(jīng)濟(jì)效益。
