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阿特拉斯·科普柯空壓機(jī) 0512-62910301

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干貨收藏 | 國(guó)內(nèi)外壓縮空氣凈化技術(shù)發(fā)展探討

作者: 博萊特空壓機(jī) 時(shí)間:2021.02.02 瀏覽量:1589

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壓縮空氣是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源,又是具有多種用途的工藝氣源。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?!谝粋€(gè)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(wàn)個(gè)微粒,其中大約80%在尺寸上小于2μm,空壓機(jī)吸氣過(guò)濾器無(wú)力消除。

此外,空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部也會(huì)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;水分——大氣中相對(duì)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(mén)銹蝕的根本原因,冬天結(jié)冰還會(huì)阻塞氣動(dòng)系統(tǒng)中的小孔通道。

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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(huì)有冷凝水析出,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(jiàn)表1)。所以在壓縮空氣系統(tǒng)中采用多級(jí)分離過(guò)濾裝置或?qū)嚎s空氣預(yù)處理成具有一定相對(duì)濕度的于燥氣是很必要的;油份——高速、高溫運(yùn)轉(zhuǎn)的空壓機(jī)采用潤(rùn)滑油可起到潤(rùn)滑、密封及冷卻作用,但污染了壓縮空氣。采用自潤(rùn)滑材料發(fā)展的少油機(jī)、半無(wú)油機(jī)和全無(wú)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(duì)于追求高可靠性的自動(dòng)化生產(chǎn)線無(wú)疑是一種威脅。

還應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出的是:從空壓機(jī)帶到系統(tǒng)中的油在任何情況下都沒(méi)有好處。因?yàn)榻?jīng)過(guò)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(duì)后續(xù)設(shè)備不僅起不到潤(rùn)滑作用,反而會(huì)破壞正常潤(rùn)滑;微生物——在制藥、生物工程,食品制造及包裝過(guò)程中,細(xì)菌和噬菌體的污染是不容忽視的。

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綜上所述,壓縮空氣中的污染物若得不到有效清除,其危害是很大的,主要體現(xiàn)在:一、降低產(chǎn)品質(zhì)量(影響加工精度、噴涂、電鍍質(zhì)量,藥品、食品染菌等);二、造成用氣設(shè)備的性能、壽命下降;三、危害凈化系統(tǒng)(如油能降低吸附劑性能,降低冷干機(jī)換熱效率等),此外由于氣動(dòng)元件的失效造成的停工、維修等間接損失,其代價(jià)往往為直接損失的上百、上千倍。

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(guó)用氣部門(mén)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(kāi)發(fā),市場(chǎng)需求與日俱增。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。

一、國(guó)外壓縮空氣凈化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

a、新思路、新技術(shù)——開(kāi)辟以后處理凈化方式獲取無(wú)油壓縮空氣的新思路,開(kāi)發(fā)出高效、低阻型除油過(guò)濾器,不僅成為無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(xiàng)技術(shù)建立在新型超細(xì)纖維過(guò)濾材料和凝聚式過(guò)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(guò)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(diǎn)2-10℃的較干燥空氣;吸附式干燥器甚至能達(dá)到壓力露點(diǎn)-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(guò)濾方法仍維持在幾微米至幾十微米過(guò)濾精度時(shí),采用超細(xì)纖維、中空纖維、濾膜等新材料的高效、超高效過(guò)濾器將過(guò)濾精度指標(biāo)一舉推進(jìn)到亞微米級(jí),為了獲得高性能的除油或除微生物效果,國(guó)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)越來(lái)越高——有資料顯示,日本壓縮空氣凈化裝置市場(chǎng)需求幾乎每隔五年間就要翻一翻;德國(guó)ultrafilter超濾公司在短短五年左右就發(fā)展成為國(guó)際性的跨國(guó)公司,英國(guó)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(mén)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(jí)上與國(guó)內(nèi)同等應(yīng)用相比,高出1~3個(gè)等級(jí)。質(zhì)量指標(biāo)不僅為供氣系統(tǒng)終端所要求,而且出現(xiàn)在凈化系統(tǒng)中。

e、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法日趨完善,這從ISO8573六易其稿即可看出。

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二、國(guó)內(nèi)氣源凈化技術(shù)與設(shè)備現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)壓縮空氣凈化技術(shù)及產(chǎn)品性能和普及程度與國(guó)外相比,落后10~20年。國(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)從七十年代末開(kāi)始仿制吸附式干燥器;八十年代末開(kāi)始仿制高效過(guò)濾器;冷凍干燥器近幾年剛開(kāi)始起步。國(guó)內(nèi)外凈化產(chǎn)品性能、普及程度比較見(jiàn)表2。

國(guó)內(nèi)壓縮空氣凈化裝置的開(kāi)發(fā)多從測(cè)繪仿制起步,技術(shù)及市場(chǎng)的發(fā)展與引進(jìn)規(guī)模的增長(zhǎng)同步。進(jìn)入九十年代,自主開(kāi)發(fā)與技術(shù)引進(jìn)的步伐加快。目前,國(guó)內(nèi)壓縮空氣凈化產(chǎn)品與國(guó)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)品的出現(xiàn)滿足了市場(chǎng)的部分需求,同時(shí)對(duì)提高國(guó)內(nèi)氣源凈化意識(shí)起到了明顯的推動(dòng)作用。

三、凝聚式高效過(guò)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(guò)程中潤(rùn)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(diǎn)和難點(diǎn)。雖然幾乎所有的壓縮空氣中都應(yīng)用了一級(jí)或數(shù)級(jí)分離、過(guò)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(guò)濾設(shè)備對(duì)其無(wú)能為力或效率極低,見(jiàn)表3。

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凝聚式過(guò)濾器是一種可連續(xù)去除壓縮空氣中懸浮液體微粒的高效/超高效過(guò)濾器,其工作原理比普通過(guò)濾器要復(fù)雜一些,主要區(qū)別在于:

a、采用高效/超高效過(guò)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(guò)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(guò)濾,纖維平均直徑小于1微米。它能有效捕集亞微米級(jí)粒子。圖1是美國(guó)LYDAIR公司ULPA超低穿透率空氣濾紙?jiān)诓煌人傧碌牧W臃旨?jí)透過(guò)率曲線。

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從圖中可以看出在0.12微米級(jí)粒子穿透率最強(qiáng)(過(guò)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?yàn)槌?xì)纖維的綜合過(guò)濾機(jī)理在起作用,粒子越大,慣性效應(yīng)越強(qiáng),粒子越小,擴(kuò)散效應(yīng)越強(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(duì)亞微米級(jí)粒子更具有獨(dú)特功能。實(shí)踐證明,以這類濾紙為主要過(guò)濾材料制成的兩種超高效過(guò)濾器-除油過(guò)濾器和滅菌過(guò)濾器,完全有能力捕集微小至0.01μm的油霧粒子和噬菌體。

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b、采用組合濾床結(jié)構(gòu)(圖2)。濾床由預(yù)過(guò)濾層,超細(xì)纖維層,過(guò)渡層和重力沉降層組成。氣體由里向外流動(dòng),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2右上為凝聚式濾芯,右下為滅菌過(guò)濾器濾芯。

污染物中的較大固體顆粒滯留在預(yù)過(guò)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(guò)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(dòng),最后隨氣流一起進(jìn)入最外層的開(kāi)孔型泡沫防擴(kuò)散套。由于這個(gè)套具有很大的表面積和大量的蜂窩狀孔隙,凝聚長(zhǎng)大的液滴匯集成液膜在重力沉降作用下落入集液槽排出,潔凈空氣在低速下脫離濾芯匯集輸出。

預(yù)過(guò)濾層和過(guò)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(shí)還分別承擔(dān)了整體預(yù)過(guò)濾和細(xì)小霧滴向液膜的疏導(dǎo)過(guò)渡。

c、可通過(guò)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(shí)以上,其間不需任何維護(hù),且效率始終不變。

四、壓縮空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法

1、介紹一些重要的標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表4)

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2、凝聚式過(guò)濾器的試驗(yàn)方法

由于凝聚式過(guò)濾器可用于液態(tài)油水微粒的連續(xù)過(guò)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(guó)際上一些比較權(quán)威的組織一直在努力試圖制定出一個(gè)較系統(tǒng)的試驗(yàn)方法,如Pneurop(歐州壓縮機(jī)、真空泵和風(fēng)動(dòng)工具制造商委員會(huì))在1982年推岀的全流量測(cè)試系統(tǒng)和1984年推出的部分流量測(cè)試系統(tǒng)以及由ISO/TC118/SC4(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織壓縮機(jī)、氣動(dòng)機(jī)械及氣動(dòng)工具委員會(huì)所轄第4分技術(shù)委員會(huì))綜合了這兩種測(cè)試系統(tǒng)而于1988年提出的ISO/DP8573/2。使壓縮空氣過(guò)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(duì)壓縮空氣系統(tǒng)中含油量(不包括油蒸氣)的試驗(yàn)方法和所用設(shè)備進(jìn)行了詳盡地說(shuō)明,可測(cè)量的油霧濃度為0.01~20mg/m3,測(cè)量精度約為±10%。但由于壓縮空氣過(guò)濾器性能評(píng)定和試驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性,這一試驗(yàn)方法僅作為ISO的推薦標(biāo)準(zhǔn),仍有待于完善。

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目前,國(guó)內(nèi)尚末建立符合該標(biāo)準(zhǔn)的含油量測(cè)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(yàn)-高效過(guò)濾器完整性試驗(yàn)。即用DOP法或NaCl法對(duì)被測(cè)過(guò)濾器進(jìn)行包括濾材性能及設(shè)計(jì)、制造過(guò)程的正確、可靠程度的效率試驗(yàn)。該方法具有較好的可比性。一般情況下,DOP試驗(yàn)效率每提高一個(gè)“9”,濾后含油量將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。DOP試驗(yàn)與含油量試驗(yàn)的相關(guān)關(guān)系可參見(jiàn)表5、表6,壓縮空氣凈化裝置分類、基本工作原理、結(jié)構(gòu)與在凈化系統(tǒng)中的作用(見(jiàn)表7)。

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壓縮空氣凈化系統(tǒng)典型工藝流程及所能達(dá)到的凈化指標(biāo)見(jiàn)圖3。

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對(duì)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(jí)表配置系統(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?qǐng)D3及選擇凈化設(shè)備和系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

目前,國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中的壓縮空氣質(zhì)量等級(jí)一般都達(dá)不到附件的推薦值,其原因除了國(guó)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(cái)力也是一個(gè)重要制約因素。但從國(guó)內(nèi)近幾年推廣應(yīng)用情況看,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在形成,壓縮空氣凈化裝置已在許多新建項(xiàng)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(guó)外水平,并為用戶產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

五、技術(shù)改進(jìn)與發(fā)展方向

過(guò)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(guò)濾器的凈化指標(biāo)已達(dá)0.01mg/m3,幾乎比無(wú)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(guó)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(wú)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(guò)濾器,以其各自的優(yōu)點(diǎn)競(jìng)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(wú)菌系統(tǒng)。

冷凍式干燥器:國(guó)外近期推出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(guó)產(chǎn)機(jī)的一半;無(wú)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(shí)際露點(diǎn)要求和工況變化及時(shí)調(diào)整干燥器的吸附、再生和均壓時(shí)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(shì),避其劣勢(shì)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(mén)設(shè)計(jì)的吸附式干燥器也得到廣泛應(yīng)用。

綜上所述,目前國(guó)內(nèi)壓縮空氣(氣體)凈化技術(shù)及應(yīng)用水平與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大差距,市場(chǎng)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(kāi)發(fā)和國(guó)產(chǎn)化,將有可能貽誤時(shí)機(jī),拉大本已存在的距離,因此,國(guó)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(kāi)發(fā),國(guó)產(chǎn)化相結(jié)合方式,組建獨(dú)資、合資、合作型企業(yè),以兩個(gè)掛靠,即技術(shù)向國(guó)際水平掛靠,經(jīng)營(yíng)向國(guó)際市場(chǎng)掛靠,步入蓬勃發(fā)展的凈化技術(shù)市場(chǎng)。

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此外,德、英、美、意、日等國(guó)的凈化器制造廠商也紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。事實(shí)上,目前國(guó)內(nèi)凈化行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)在相當(dāng)程度上反映了國(guó)外著名凈化器制造廠商在中國(guó)大陸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)然,在合作與競(jìng)爭(zhēng)中,最終受益的是各行各業(yè)的用戶。

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