除油除塵設(shè)備在煙草行業(yè)的應(yīng)用

陳利 胡茂凌 晏吉

摘? 要：壓縮空氣作為一種重要的動(dòng)力源，在生產(chǎn)生活中是必不可少的存在。在實(shí)際使用過(guò)程中，卷煙廠用氣末端車間生產(chǎn)中使用的壓縮空氣質(zhì)量含油量和固體顆粒嚴(yán)重超標(biāo)，會(huì)影響卷煙生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量，造成煙草產(chǎn)品不合格。而通過(guò)凝聚式過(guò)濾器、活性炭罐和除塵過(guò)濾器進(jìn)行一系列處理之后，可以得到滿足ISO 8573-1 2級(jí)含塵和1級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)壓縮空氣，滿足卷煙廠用氣末端車間使用標(biāo)準(zhǔn)，從而得到高品質(zhì)的煙草產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：壓縮空氣? 過(guò)濾? 吸附? 除塵

中圖分類號(hào)：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（a）-0190-05

Application of Oil Removal and Dust Removal Equipment in Tobacco Industry

CHEN Li? HU Maoling? YAN Ji

（Chengdu Cigarette Factory of China Tobacco Sichuan Industry Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610066 China）

Abstract： As an important power source， compressed air is essential in production and life. In the actual use process， the oil content and solid particles of compressed air used in the production of gas terminal workshop of cigarette factory seriously exceed the standard， which will affect the quality of cigarette production and cause unqualified tobacco products. After a series of treatment through coagulation filter， activated carbon tank and dust removal filter， we can get high-quality compressed air that meets ISO 8573-1， grade 2 dust content and grade 1 oil content standards， and meet the use standards of gas end workshop of cigarette factory， so as to obtain high-quality tobacco products.

Key Words： Compressed air;? Filtration;? Adsorption;? Dust removal

壓縮空氣是生產(chǎn)生活中必不可少的重要?jiǎng)恿δ茉矗壳埃呀?jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。伴隨生產(chǎn)制造行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，壓縮空氣廣泛地應(yīng)用于噴涂、食品飲料、包裝、化工、制藥、醫(yī)療、儀器儀表控制等各個(gè)方面，特別是間接或直接地接觸到生產(chǎn)原料或者食品。所以，壓縮空氣也是煙草行業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)不可或缺的主要?jiǎng)恿υ矗⒃跓煵萆a(chǎn)的過(guò)程中有多方面的應(yīng)用，在生產(chǎn)流程中對(duì)設(shè)備和儀器進(jìn)行吹掃或驅(qū)動(dòng);并且壓縮空氣會(huì)直接接觸到煙絲。在煙草生產(chǎn)過(guò)程中，壓縮空氣與煙絲直接接觸并對(duì)設(shè)備和儀器進(jìn)行吹掃或驅(qū)動(dòng)。由于壓縮空氣中的含油量和含塵量會(huì)直接影響到煙草的品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備、儀器的靈敏度降低。所以煙草企業(yè)對(duì)含油和含塵指標(biāo)都很重視。因此，需要保證在卷煙生產(chǎn)中的高質(zhì)量產(chǎn)品，避免殘次的煙草產(chǎn)品投放到市場(chǎng)中。此時(shí)，在卷煙過(guò)程中的壓縮空氣的品質(zhì)就顯得尤為重要。

需要確保壓縮空氣的含油和含塵量達(dá)到非常高的等級(jí)，根據(jù)ISO 8573-1的壓縮空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合煙草公司的實(shí)際需求，需要在車間末端用氣點(diǎn)的壓縮空氣中固體顆粒含量達(dá)到2級(jí)、油含量達(dá)到1級(jí)[1]。因此，采用合適的除油除塵設(shè)備就顯得尤為重要。

1? 壓縮空氣中油和顆粒的來(lái)源

壓縮空氣中的油主要來(lái)源于以下幾方面：大環(huán)境空氣中的油、空壓機(jī)中的潤(rùn)滑油;管路和接頭殘留下的各類油脂。ISO 8573對(duì)油的標(biāo)準(zhǔn)做了定義，即由6個(gè)或更多碳原子（C6+）組成的碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮鐖D1所示。

壓縮空氣中的固態(tài)顆粒雜質(zhì)主要來(lái)源于以下幾方面：大氣中含有的灰塵、空壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的磨損、壓縮空氣金屬管道的腐蝕顆粒、金屬管道焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊渣及吸干機(jī)吸附劑產(chǎn)生的粉塵顆粒。受到環(huán)境的影響，大氣中含有其他各種類型和尺寸的固態(tài)雜質(zhì)，詳見(jiàn)圖2。

2? 凝聚式過(guò)濾器除油除塵

壓縮空氣過(guò)濾器是用來(lái)針對(duì)過(guò)濾掉壓縮空氣中含有的固體顆粒雜質(zhì)和油氣溶膠而設(shè)置的。目前，普遍應(yīng)用的是凝聚式過(guò)濾器[2]，其過(guò)濾原理如下。

（1）過(guò)程一——直接阻擋：直徑較大的顆粒物，無(wú)法通過(guò)濾芯間隙，會(huì)直接被阻擋在濾芯的表層，如圖3所示。

（2）過(guò)程二——碰撞分離：碰撞分離是由于顆粒的慣性，直徑較小的顆粒物和油氣溶膠在通過(guò)濾芯間隙之后，經(jīng)過(guò)碰撞后會(huì)依附在濾芯的纖維上，如圖4所示。

（3）過(guò)程三——布朗運(yùn)動(dòng)：懸浮在壓縮空氣中微小的顆粒物和液滴受到不平衡的沖撞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，由于這種不平衡的沖撞，微粒的運(yùn)動(dòng)不斷地改變方向，使其在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，最終使得微小的顆粒物和液滴依附在濾芯纖維上[3]，如圖5所示。

（4）過(guò)程四——排液：如圖6所示，濾芯最外層為液體收集層，隨著時(shí)間的推移，小液滴會(huì)不斷聚集。由于重力的作用，液滴會(huì)流入到過(guò)濾器的底部，并通過(guò)排水器排除。

經(jīng)過(guò)上述4個(gè)過(guò)程的層層過(guò)濾（如圖7），F(xiàn)級(jí)精密過(guò)濾器過(guò)濾后的雜質(zhì)顆粒的過(guò)濾精度可達(dá)到1μm，而殘油氣溶膠的含量則最低可以降低到0.01。

雖然凝聚式過(guò)濾器能夠過(guò)濾掉絕大多數(shù)的顆粒雜質(zhì)和油氣溶膠。不過(guò)，凝聚式過(guò)濾器是無(wú)法過(guò)濾掉壓縮空氣中包含的所有顆粒雜質(zhì);此時(shí)，權(quán)衡凝聚式過(guò)濾器的效果就是“過(guò)濾效率”。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾之后的顆粒雜質(zhì)數(shù)量占過(guò)濾之前的顆粒總數(shù)量的占比即為“過(guò)濾效率”[4]。

例如，過(guò)濾器入口處的壓縮空氣中含有5 000 000個(gè)尺寸為3μm的顆粒，在通過(guò)凝聚式過(guò)濾器的處理后，過(guò)濾器出口剩余5000個(gè)尺寸3μm的顆粒雜質(zhì)，那么此凝聚式過(guò)濾器過(guò)濾效率為99.9（對(duì)3μm的顆粒）。

因?yàn)樯鲜?個(gè)過(guò)濾過(guò)程的過(guò)濾效率不一樣，所以凝聚式過(guò)濾器的過(guò)濾效率，為上述3個(gè)過(guò)濾過(guò)程的效率總和，即總過(guò)濾效率，詳見(jiàn)圖8。

經(jīng)過(guò)凝聚式過(guò)濾器的處理后，能夠過(guò)濾掉絕大多數(shù)的顆粒雜質(zhì)和油氣溶膠，不過(guò)，凝聚式過(guò)濾器是不能過(guò)濾和吸附油蒸氣的。因此，為了進(jìn)一步除去壓縮空氣中含有的油蒸氣需要考慮采用活性炭罐進(jìn)一步深度吸附壓縮空氣中的油蒸氣。

3? 通過(guò)活性炭罐除油

通過(guò)活性炭來(lái)吸附油蒸氣和油氣溶膠是當(dāng)前比較通用的壓縮空氣除油方式之一[5]。活性炭是一種經(jīng)特殊處理的炭，又被稱為活性炭黑，如圖9所示。通常是由有機(jī)原料在隔絕空氣的條件下進(jìn)行加熱，從而減少非碳的成分，此過(guò)程稱為炭。然后與氣體反應(yīng)，表面被侵蝕，產(chǎn)生微孔發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu)，此過(guò)程稱為活化。由于活化的過(guò)程是一個(gè)微觀過(guò)程，此時(shí)大量的分子碳化物表面侵蝕是點(diǎn)狀侵蝕，從而使得活性炭表面形成了無(wú)數(shù)肉眼無(wú)法觀察到細(xì)小孔隙，活性炭表面的微孔直徑大多在2～50nm之間。因此，即便是少量的活性炭，也有巨大的表面積，每克活性炭的微孔，展開表面積可達(dá)500～1500m2。活性炭能吸附壓縮空氣中的油蒸氣主要是通過(guò)范德華力、質(zhì)量轉(zhuǎn)移、毛細(xì)作用和分壓差綜合作用的結(jié)果，如圖10所示。

范德華力（Vander Waals force）是指分子間作用力，又稱范德瓦爾斯力，是存在于中性分子或原子之間的一種弱堿性的電性吸引力。當(dāng)壓縮空氣流經(jīng)活性炭時(shí)，油分子和活性炭之間會(huì)相互作用，極化后產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩并相互吸引，這種相互耦合產(chǎn)生凈的吸引作用;當(dāng)活性炭和油分子之間的分子吸引力大于油分子之間的引力時(shí)，油分子會(huì)在活性炭表面凝聚。

質(zhì)量轉(zhuǎn)移（Mass transfer）是指蒸氣的質(zhì)量從一個(gè)局部?jī)粢频搅硪坏胤剑瑧?yīng)用到活性炭則是油分子從壓縮空氣內(nèi)轉(zhuǎn)移到活性炭表面。活性炭分子和油分子之間發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移，從而在兩者間形成新的化學(xué)鍵，使得油蒸氣能夠停留在活性炭的表面。

毛細(xì)作用（Capillary action），指的是吸附劑所吸附的蒸氣在其微孔中凝結(jié)的現(xiàn)象。活性炭吸內(nèi)有大量的微孔，在某些吸附過(guò)程中，微孔內(nèi)的吸附是在吸附劑微孔內(nèi)發(fā)生體積填充。所以活性炭微孔內(nèi)，由于吸附勢(shì)能的作用，發(fā)生微孔填充現(xiàn)象，從而油蒸氣被持續(xù)的吸附;而且油蒸氣含量越高，吸附的效率也越高，毛細(xì)凝結(jié)的現(xiàn)象也變得更加顯著。

分壓差（Pressure difference）指的是兩個(gè)區(qū)域某氣體分壓的差值，是氣體擴(kuò)散的動(dòng)力，氣體會(huì)從分壓高的區(qū)域向分壓低的區(qū)域擴(kuò)散。活性炭吸附時(shí)，活性炭?jī)?nèi)的油蒸氣分壓低，而壓縮空氣中的油蒸氣分壓高，分壓差使得氣體進(jìn)行擴(kuò)散，從而油蒸氣向活性炭?jī)?nèi)擴(kuò)散，使得大量的油蒸氣被活性炭吸附。

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)壓縮空氣中的油含量越高，油蒸氣濃度越高時(shí)，活性炭的吸附效率也會(huì)變得越高[6]。

通過(guò)活性炭罐的吸附可以吸附掉壓縮空氣中的油氣溶膠和油蒸汽，使得壓縮空氣中的油含量可以達(dá)到ISO 8573-1的1級(jí)油含量標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)除油效果會(huì)受到外界氣體流速、溫度、含油量及使用時(shí)長(zhǎng)的影響。一旦活性炭吸附飽和后，吸附油的效率會(huì)大大降低。為了能夠保證后端用氣的壓縮空氣的質(zhì)量，需要考慮定期更換活性炭，從而確保活性炭吸附油的效果。當(dāng)然活性炭在吸附殘油的同時(shí)，自身會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵。因此，在活性炭罐后端需加裝除塵過(guò)濾器除去壓縮空氣中的顆粒雜質(zhì)[7]。

4? 通過(guò)除塵過(guò)濾器除塵

在經(jīng)過(guò)前端的吸附式干燥機(jī)，凝聚式過(guò)濾器和活性炭罐處理之后，壓縮空氣中已經(jīng)幾乎沒(méi)有水分和殘油，只是含有微量的活性炭粉塵，所以此時(shí)應(yīng)該選擇使用表面過(guò)濾方式，壓縮空氣由外向內(nèi)流經(jīng)濾芯，將粉塵攔截在濾芯外表面，需要時(shí)可以打開過(guò)濾器的排放閥將粉塵排放出去，減小壓差損失[8-9]。如圖11所示

5? 方案簡(jiǎn)介

通過(guò)凝聚式過(guò)濾器，結(jié)合活性炭罐和除塵過(guò)濾器這樣一系列配套的除油除塵的方案。此時(shí)，經(jīng)過(guò)處理之后的用氣點(diǎn)的壓縮空氣的含塵量和含油量達(dá)到一個(gè)極佳的使用標(biāo)準(zhǔn)和狀態(tài)，從而保證壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)可以到達(dá)客戶的使用要求，如圖12所示。這樣的組合可以有效地處理壓縮空氣中的油和粉塵，經(jīng)過(guò)處理之后的高質(zhì)量的壓縮空氣，可以廣泛地應(yīng)用在煙草生產(chǎn)的各個(gè)過(guò)程中。

6? 結(jié)語(yǔ)

在車間末端用氣點(diǎn)采用了本套方案進(jìn)行了改造升級(jí)，經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，壓縮空氣中固體顆粒含量達(dá)到2級(jí)、油含量達(dá)到1級(jí)[1]，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的壓縮空氣品質(zhì)到達(dá)了生產(chǎn)工藝要求。

本方案在四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司成都卷煙廠的成功運(yùn)用，表明該方案將來(lái)也可以用于其他對(duì)固體顆粒含量和油含量要求較高的行業(yè)領(lǐng)域中，有切合實(shí)際的借鑒性，具有較好的推廣價(jià)值。

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