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无油空压机与空气无油关系浅析

  在食品饮料、医药医疗、精密加工以及电镀、喷漆、发泡等行业的气辅设备环节,有工作经验的人应该清楚,洁净无油的压缩空气是生产制造必不可少的资源之一。因此,作为压缩机设备及解决方案供应商的厂家、代理商、经销商从业者,经常被问到:如果使用无油润滑空气压缩机是否能够省掉压缩空气净化设备?按照字面理解,无油压缩机生产出来的即为洁净的无油压缩空气,无需再额外配置一堆压缩空气后处理装置。

  然而事实并非如此,即便无油空压机确实具有优于有油润滑压缩机的一些特点。但是对于不少用户工况来说,要实现高质量压缩空气所需的下游净化要求是相同的,即须配备高品质的压缩空气净化设备。

  为何如此说?本文将从以下几个方面来一一阐述,如有不同见解,欢迎补充讨论。

  空压机有油与无油

  从能量转换角度来讲,压缩空气的获取过程就是将机械能转换为内能即压力势能。所有型式的空气压缩机,都是通过在压缩阶段连续浓缩空气将机械动力转化为气动动力。以双螺杆空压机为例,它是利用两根互相啮合的螺杆作相对旋转运动来压缩空气。区别在于,喷油式螺杆压缩机通常不设同步齿轮,由阳转子直接带动阴转子转动(阴阳转子并不直接接触,有约5-10丝的间隙,靠喷入的润滑油裹在转子上形成油膜);而干式无油螺杆压缩机中阳转子(主动转子)靠同步齿轮带动阴转子(从动转子),转子啮合过程中互不接触。

  这样一个连续不断的运行过程需要相当大的作用力和能量才能完成,无论是喷油润滑还是无油压缩机,这些热量都会因能量守恒而存在。因此,它们都需要润滑和冷却以防止压缩机局部高温产生形变,进而磨损和损坏。也就是说,无油空气压缩机也需要使用油来润滑其运动部件并带走因运动摩擦而产生的热量。 那么,无油空压机的“无油”是如何而来的呢?简单地说,无油空压机在压缩阶段不使用油,油不会与排出的压缩空气流接触。所以,“无油机”是与喷油螺杆压缩机相对而言的一种叫法。与有油润滑空压机相比,无油机中混入压缩空气的油要少得多,喷油螺杆压缩机喷油量可能高达机器容积排量的1%。尽管如此,无油空压机仍然无法做到百分之百没有润滑油,因为它需要润滑油用于曲轴箱中作为内部再循环冷却剂。这是任何类型的空气压缩机(包括无油空压机)都潜在存在的空气污染源之一。

  压缩空气污染源

  从用气端来看,不管用户使用的是有油润滑压缩机还是无油机,压缩空气污染的来源都是相同的。所以,下游系统设计考虑和空气净化设备的需求也是一样的。区别在于,有油润滑压缩机因为油与空气大量接触,对压缩空气的污染程度较重,需要额外设计一套润滑油分离、循环系统。也就是说,无论是无油机还是有油空压机,生产出来的压缩空气都必须进行处理,特别是对于气体品质要求高的应用领域。

  让我们来看看一套普通无油空压机的压缩空气污染源都有哪些?

  1)大气环境

  我们知道,空气压缩机的工作介质是空气,而空气的来源是地球上无处不在的大气。但是,大气环境并不是一尘不染,其中混杂着大量粉尘颗粒、蒸汽、油污分子等。当空气密度不高时,不明显。但是,当空气被压缩之后,其中的各种杂质就在压缩空气系统中积聚形成有害污染物。挥发性有机化合物 (VOC)、碳氢化合物、一氧化碳和二氧化碳、二氧化硫、一氧化二氮、有机颗粒、灰尘、污垢颗粒和其他污染物都存在于大气环境中。除有机物外,各种微生物和细菌同样普遍存在,尤其是在医疗、食品和其他高品质压缩空气应用中。当被带入空压机的进气口时,这些元素可以以油污的形式存在。

  行业资料报道,根据英国机构环境食品和农村事务部DEFRA在2012年到2015年的监测报告显示,英国大气环境中的油蒸气含量在0.05mg/m-0.5mg/m,不能达到ISO标准的Class2到Class3级的水平。这些油蒸气主要来源于汽车尾气排放、化工污染等等。而我国的部分工业区环境比这更恶劣,环境中的油蒸气含量更高。

  2)设备本身污染

  无油空气压缩机再循环中间冷却器和单独的齿轮箱通常安装有通气阀,热油气体可能通过通气阀中逸出到压缩机周围的空间中。这种带有油分子的蒸汽排放可以立即被压缩机的进气口吸进去,从而将润滑油颗粒间接引入压缩空气中。

  3)输气管道及后处理设备

  我们都知道,要定期排出储气罐内的积水,否则可能造成储气罐腐蚀,水位上涨容积变小,还可能给用气端携带大量有油污的水汽(因储气罐与干燥机等的设计位置不同会有所差异);压缩空气输气管道可能会产生腐蚀,蚀渣混入气流中流向用气端;汽水分离器可能会因为失灵而导致压缩空气含水过高等。

  绝对无油与Class 0

  市场上很多营销活动和术语往往会导致用户对无油压缩机所期望的空气质量产生误解。有些无油机销售人员在做市场宣传时称自家产品获得了第三方权威机构认证(最为常见的是德国莱茵TüV认证),产出的压缩空气含油量达到Class 0,可以达到绝对无油。事实上,这个表述是不够严谨的,因为Class 0 不等于绝对无油。不管是国际标准ISO8573-1 2010《压缩空气 第1部分杂质和质量等级》,还是我国现行标准GB/T 13277.1-2008《压缩空气 第1部分:污染物净化等级》,关于含油等级的划分中都明确表示,Class 0的定义为“由设备使用者或制造商制定的比等级1更高的要求”,而不是低于1级的就是0级,更不是绝对无油。这个定义可以理解为,只有压缩空气含油等级高于1级,且符合用户需求的含油量所代表的0级才有意义。由制造商单方宣布的Class 0,只能说技术上含油量超到了1级水平,因为上述两项标准只规定了1级总油浓度是小于等于0.01mg/m3,但没有规定1级浓度的下限或者0级浓度的上限。

  所以,单靠无油空气压缩机本身无法产生明显不含外来污染物的空气。同样,将压缩空气中的杂质(压缩空气中的主要污染物——固体颗粒、水、油)减少到绝对零值在工业级生产中是不可能的,就像制造绝对真空一样。

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  那是不是“无油”这个说法在空压机行业就完全无用了呢?当然不是,因为实际生产应用中,我们的目标通常不是绝对去除所有杂质,而是在具备经济可行性、技术可行性的基础上,实现极高水平的去除,所以一些公司和技术人员会用更加专业和谨慎的术语——技术上的无油空气。在这一语境下,“技术上的无油压缩空气”指的就是最低的总油含量。比如,在经过活性炭过滤器后过滤,含油测量值低至0.003mg/m3就可以称为无油压缩空气。 显然,技术上的无油压缩空气只能通过使用压缩空气后处理设备来实现,包括特定类型的压缩空气过滤器和干燥机。我们可以根据用气端的气体品质要求来选用不同的后处理组合方案。当然,压缩空气来自于有油压缩机还是无油压缩机最为关键。压缩空气后处理设备包含但不限于以下类型:

  1.过滤器

  通过过滤器,减少压缩空气系统中的油和水气溶胶、大气颗粒物、微生物和金属/非金属颗粒物(如锈片或矿物垢)的含量,保证系统的洁净,以及设备正常运转。防止不符合用气端品质要求,以及导致空压系统故障产生。

  2.干燥机

  干燥机分为冷冻式干燥机和吸附式干燥机,主要作用是去除压缩空气中的水分,使空气更加干燥洁净。无油空压机先天的物理性无油已经让压缩空气品质上了一个台阶,所以干燥设备通常配吸干机。由于无油空压机都是大排量且多机组,耗电成本十分惊人。其排气温度都在110℃以上,热量回收利用的经济效益十分可观,因此,近几年业界在高端市场开始流行使用压缩热再生吸干机。

  3.储气罐

  用于存储压缩空气的储罐,它不仅能降低气流脉动,还能将压缩空气中所含水分和油分等杂质沉淀,从而达到除油除水的作用。一般“湿罐”安装在干燥机之前,“干罐”安装在之后(湿罐是指储存含有饱和水分压缩空气的储气罐,干罐相反)。

  4.油水分离器和冷凝水排放

  油水分离器主要作用就是把压缩空气中的润滑油和水分分离开(此处针对的是有油压缩机产生的带压气液混合物)。另外,压缩空气中的水分会在油气分离器中凝结,如果油中含有过多水分会造成润滑油乳化,导致压缩机主机润滑不良,油气分离效果变差,引起空压机部件锈蚀。所以,需要科学制定空压系统中的冷凝水排放周期和时长。

  5.活性炭吸附过滤器

  利用活性炭来吸附油蒸汽和油气溶胶是目前非常普遍的一种压缩空气除油方式。活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大。活性炭能吸附压缩空气中的油蒸汽主要是靠范德华力、毛细作用、质量转移和分压差综合作用的结果。

  6.无菌过滤器

  通过使用筛网过滤器或膜过滤器从气流中去除更多的固体颗粒,包括微生物,以达到无菌产品相关质量要求。

  小结

  随着我国生产制造不断转型升级,对无油压缩空气的需求也越来越大,因而近些年,压缩机行业在干式无油螺杆压缩机的基础上,又开发出了离心式压缩机和水润滑无油单双螺杆压缩机。而在压缩气体后处理领域,各种高能效过滤设备、干燥设备层出不穷,这既是行业企业发展的机遇,也是很多用户只知其一不知其二,利益受损很大的一个领域。希望行业各方能够共同努力,将无油空气市场做大做强。



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