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壓縮空氣凈化技術發展與應用
責任編輯：作者：admin人氣：650 發表時間：2021-04-13
開拓設計選型思路 加速技改造步伐
西安聯合超濾凈化設備有限公司 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，其應用范圍遍及石油、化工、冶金、電力、機械、輕工、紡織、汽車制造、電子、食品、醫藥、生化、國防、科研等行業和部門。不理想的是壓縮空氣中含有相當數量的雜質，主要有：固體微粒——在一個典型的大城市環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，空壓機吸氣過濾器無力消除。此外，空壓機系統內部也會不斷產生磨屑、銹渣和油的碳化物，它們將加速用氣設備的磨損，導致密封失效；水份——大氣中相對濕度一般高達65%以上，經壓縮冷凝后，即成為濕飽和空氣，并夾帶大量的液態水滴，它們是設備、管道和閥門銹蝕的根本原因，冬天結冰還會阻塞氣動系統中的小孔通道。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化為液態水滴(見表1)。所以在壓縮空氣系統中采用多級分離過濾裝置或將壓縮空氣預處理成具有一定相對濕度的于燥氣是很必要的；油份——高速、高溫運轉的空壓機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。采用自潤滑材料發展的少油機、半無油機和全無油機雖然降低了壓縮空氣中的含油量，但也隨之產生了易損件壽命降低，機器內部和管路系統銹蝕以及空壓機在磨合期、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線無疑是一種威脅。此外還應強調指岀：從空壓機帶到系統中的油在任何情況下都沒有好處。因為經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，對后續設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 |
隨著科學技術的進步和工業現代化的發展，特別是高技術產業的興起，壓縮空氣(氣體)的污染及其凈化技術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，市場需求奔與日俱增。壓縮空氣凈化技術的發展不僅為新興的高技術產業和傳統工業改造提供潔凈、可靠的氣源，而且自身也從高新技術的發展中受益匪淺。
2. 國外壓縮空氣凈化技術的發展動態
a) 新思路、新技術——開辟以后處理凈化方式獲取無油壓縮空氣新思路，開發出高
效、低阻型除油過濾器，不僅成為無油潤滑壓縮機的有力競爭對手，而且促進了各種噴油壓縮機(螺桿、蝸旋、轉子等)的發展，該項技術建立在新型超細纖維過濾材料和凝聚式過濾機理基礎上。
b) 除水方法和設備多樣化——凝聚式高效過濾器可幾乎百分之百的分離液態微滴，
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到壓力露點-70℃以下的超干燥空氣。
c) 超濾裝置發展速度極快——當傳統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一舉推進到亞微米級，為了獲得高性能的除油或除微生物效果，國外一些名牌產品的商業性能指標已達到0.01微米，濾效高達99.9999%以上。
d) 凈化氣源應用范圍日趨擴展，質量指標赿來赿高——據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展成為國際性的跨國公司，英國Domnick公司進入九十年代已成為兼有氣、水凈化的跨專業公司，濾芯已從筒狀發展為折疊式；凈化氣源不僅成為許多高科技工業部門的必備生產條件，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工業。在質量等級上與國內同等應用相比，高岀1~3個等級(見附件)。質量指標不僅為供氣系統終端所要求，而且岀現在凈化系統中。
e) 相應的標準、試驗方法日趨完善，這從ISO8573六易其稿即可看岀。
3. 國內氣源凈化技術與設備現狀
國內壓縮空氣凈化技術及產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展成熟；七十年代中后期，高效過濾器取得明顯進步；八十年代冷凍式干燥器得到普及，超濾技術發展引人注目。國內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。國內外凈化產品性能、普及程度比較見表2。
表2
| 產品種類 | 國 外 | 國 內 |
| 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2~10℃，已推廣普及 | 壓力露點2~10℃，以引進組裝為主，發展較快 |
| 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，(無標準試驗臺) |
| 滅菌過濾器 | 對0.01μm粒子，效率高達99.9999%以上，正在推廣應用 | 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。進入九十年代，自主開發與技術引進的步伐加快。目前，國內壓縮空氣凈化產品與國外同類型產品相比，品種和質量都存在一定差距，有些品種尚屬空白。但這些產品的岀現滿足了市場的部分需求，同時對提高國內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理與結構
由于大氣中水蒸氣的存在和空壓機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用了一級或數級分離、過濾裝置，但由于冷凝作用產生了數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)，而傳統的分離、過濾設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 | 以擴散效應為主 |
| 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 |
| 經濟除凈粒徑(μm) | >100 | >40 | 5~10 | 3~50 | 0.01~1 |
a) 采用高效/超高效過濾介質——超細玻璃纖維濾紙。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%。超細纖維過濾屬于以擴散、攔截、碰撞等綜合機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(過濾效率最低)，即在超高效、超低微粒子的情況下，只要超細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。這是因為超細纖維的綜合過濾機理在起作用，粒子赿大，慣性效應赿強，粒子赿小，擴散效應赿強，在一定比速下，必然有一粒徑成為臨界值，所以超細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) 采用組合濾床結構(圖2)。濾床由預過濾層，超細纖維層，過渡層和重力沉降
層組成。氣體由里向外流動，表面積逐漸擴大。這也是區別傳統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 濾芯工作原理與結構示意圖
污染物中的較大固體顆粒滯留在預過濾層中，并最終阻塞纖維孔隙，導致阻力損失
上升，濾芯壽命終結。呈懸浮狀的液體、固體微粒進入主過濾層—超細纖維床。微小的氣溶膠粒子在密集纖維床的直接攔截、慣性碰撞和布朗擴散等機理的綜合作用下，被收集在一根根超細纖維絲上，并趨于集結、凝聚。在壓差和氣流的作用下，逐漸向外移動，最后隨氣流一起進入最外層的開孔型泡沫防擴散套。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。
預過濾層和過渡層為高強度的中效化纖濾材，可有效保護夾層中的超細玻璃纖維濾紙，同時還分別承擔了整體預過濾和細小霧滴向液膜的疏導過渡。
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
優越的經濟、技術綜合指標(高效、低阻、容塵量大)。濾芯壽命高達12000小時以上，其間不需任何維護，且效率始終不變。
5. 壓縮空氣凈化標準與試驗方法
5.1 介紹一些重要的標準（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油水微粒的連續過濾，因此在壓縮空氣凈化系統中起著極其重要的作用，其發展速度相當迅速，應用范圍日益擴大。國際上一些比較權威的組織一直在努力試圖制定岀一個較系統的試驗方法，如Pneurop(歐州壓縮機、真空泵和風動工具制造商委員會)在1982年推岀的全流量測試系統和1984年推岀的部分流量測試系統以及由ISO/TC118/SC4(國際標準化組織壓縮機、氣動機械及氣動工具委員會所轄第4 分技術委員會)綜合了這兩種測試系統而于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一標準。該標準對壓縮空氣系統中含油量(不包括油蒸氣)的試驗方法和所用設備進行了詳盡地說明，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的復雜性，這一試驗方法僅作為ISO的推薦標準，仍有待于完善。目前國內尚末建立符合該標準的含油量測試系統，但能夠進行該標準中所規定的相關性試驗－高效過濾器完整性試驗。即用DOP法或NaCl法對被測過濾器進行包括濾材性能及設計、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量級。DOP試驗與含油量試驗的相關關系可參見表5、表6。
表4
| 標準 分類 |
國際(國外) | 國 內 | 備 注 |
| 基 礎 應 用 類 |
ISO3649-1980《空氣或其它氣體的凈化裝置—名詞術語》ISO5598-1985《流體動力系統和零部件術語》ISO/8573/1-91《一般用壓縮空氣第一部分污染物和質量等級》 | GB送審稿《壓縮空氣凈化術語》 GB4830-84《工業自動化儀表氣源壓力范圍和質量》 GB/T13277-91《一般用壓縮空氣質量等級》 JB/T5967-91《氣動元件、氣動系統的空氣介質質量等級》 |
等效采用92年7月1日起執行 |
| 產 品 類 |
ISO7183-1986《壓縮空氣干燥器的規范與試驗》 ISO/DP8573/2-1988《一般用壓縮空氣質量等級和試驗第二部分—油霧試驗方法》 |
GB10896-89《壓縮空氣干燥器規范與試驗》 JB/T6432-92《壓縮空氣凈化設備型號編制方法》 JB/TQ征求意見稿《無熱再生壓縮空氣干燥器產品質量分級》 |
等效采用 |
| 相 關 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境控制要求》 |
GBJ29-90《壓縮空氣站設計規范》 |
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
| 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 | 基本原理與結構 | 作 用 | |
| 過濾 器 |
前置過濾器 | 慣性碰撞為主，中效纖維，燒結材料 | 濾除1μm以上顆粒 |
| 精密過濾器 | 以擴散攔截效應為主 超細纖維組合 | 濾除0.01~1μm以上微粒 | |
| 超精密過濾器 | 以擴散效應為主 超細纖維組合 | 濾除0.01μm以上微粒 | |
| 活性炭過濾器 | 兩級活性炭吸附+超細纖維過濾 | 除油蒸氣、臭味 | |
| 滅菌過濾器 | 以擴散效應為主 超高效、耐濕熱材料 | 濾除細菌、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參照ISO8573推薦的典型應用和質量分級表(見附件)配置系統?，F代工業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及附件選擇凈化設備和系統。
目前，國內實際應用中的壓縮空氣質量等級一般都達不到附件的推薦值，其原因除了國產凈化裝置的品種和質量不足外，使用單位的重視程度和財力也是一個重要制約因素。但從國內近幾年推廣應用情況看，國內市場正在形成，壓縮空氣凈化裝置已在許多新建項目中得到應用，一些用戶的氣源質量已達到或接近國外水平，并為用戶產生了較好的經濟效益。
6. 技術改進與發展方向
過濾器：超濾技術仍在持續發展，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、低阻濾材的應用，除油過濾器的凈化指標已達0.01mg/m3，幾乎比
無油活塞壓縮機的性能提高一百倍，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，可推廣應用至任何需要無油工藝氣體之系統。由超細玻璃纖維和折疊膜構成的兩種滅菌過濾器，以其各自的優點競相比美，廣泛應用于制藥、生物工程，有機酸、酶制劑、啤酒等發酵工藝或其它無菌系統。
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式冷干機，其能耗僅為國產機的一半；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相結合的智能型控制器能根據用戶的實際露點要求和工況變化及時調整干燥器的吸附、再生和均壓時間，其節能效果可達30~50%。此外，綜合變壓吸附(PSA)和變溫吸附(TSA)之優勢，避其劣勢的微熱再生型干燥器以及零排放(不消耗產品氣)和利用壓縮機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)，專門設計的吸附式干燥器也得到廣泛應用。
綜上所述，目前國內壓縮空氣(氣體)凈化技術及應用水平與國外先進水平仍有較大差距，市場潛力頗大。由于潔凈技術中融入眾多高科技成份，單純依靠自主開發和國產化，將有可能貽誤時機，拉大本已存在的距離，因此，國內已有數家凈化器廠商采用引進技術，利用外資、進口關鍵零部件和自主開發，國產化相結合方式，組建獨資、合資、合作型企業，以兩個掛靠，即技術向國際水平掛靠，經營向國際市場掛靠，步入蓬勃發展的凈化技術市場。此外，德、英、美、意、日等國的凈化器制造廠商也紛紛進入中國市場。事實上，目前國內凈化行業的競爭在相當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。當然，在合作與競爭中，最終受益的是各行各業的用戶。
西安聯合超濾凈化設備有限公司是國內首家引進世界著名氣體、流體凈化器廠商—德國ultrafilter(超濾公司)技術和關鍵元件，按照中國壓力容器標準生產外殼，并在自主開發與國產化方面邁岀較大步伐的高技術企業，現已成為國內超濾產品最大生產基地，并在向中、高壓，超大型、工藝氣方向發展；新型冷干機、微熱吸附式干燥器，以及配置重大節能效應的第四代智能型干燥器控制儀也將陸續推岀，其高起點、高速度、先進的體制和充足的后勁為行業所矚目。可以預料。隨著中國進一步改革開放和國家實力的不斷增強，壓縮空氣(氣體)凈化技術及其推廣普及將會獲得更大、更快的發展，并將為各行業用戶創造更多、更好的經濟效益。
