案例分享：乳制品行业压缩空气系统无油化改造案例浅析
摘 要：阐述催化式除油系统在内蒙古蒙牛圣牧高科奶业有限公司喷油螺杆压缩机系统改造项目中的应用，结合催化燃烧式除油原理，以及改造后实际应用效果，针对乳制品及相关食品行业对无油空气等级的严格要求，提出一种将含油压缩空气系统无油化改造思路和方法，并针对无油螺杆压缩机实际运行环境提
出优化建议。
关键词：无油压缩空气；喷油螺杆压缩机；除油；催化燃烧；无油螺杆压缩
引言
内蒙古蒙牛圣牧高科奶业有限公司是蒙牛集团全资子公司，位于巴彦淖尔市磴口工业园区，主要生产高端有机牛奶，预处理、灌装、包装等工段严格遵循有机奶加工流程和标准，严把质量细节，其中压缩空气严格按食品级质量要求控制油含量。
该厂一期空气压缩机机房配置5台喷油螺杆压缩机、3台干式无油螺杆压缩机，按含油压缩空气系统和无油压缩空气系统分别给厂区供气。其中，含油压缩空气系统仅提供不接触乳品的动力用气等，供气余量大，压缩机存在长期待机未运行情况。压缩机配置情况详见表1。
表1 项目现场压缩机配置表
为实现包括不接触乳制品的用气点全无油供气，决定升级改造现有含油压缩空气系统。既提高生产品质，降低由于含油压缩空气导致乳制品间接污染风险，又充分发挥闲置喷油螺杆压缩机生产能力，还能在生产中与现有无油压缩机系统灵活配合，提升厂区无油压缩空气供应稳定性。
1 改造方案
(1)冷凝法适用于油含量较高场合，将气体降到一定温度，油蒸气凝结分离达到除油目的。该法对油含量处理能力强，但无法彻底脱除油蒸气，适用于油含量高且净化要求相对较低场合。
(2)吸附法典型代表是活性炭吸附，利用吸附材料大比表面积以及对油类杂质较强的吸附能力。该法高效简单，但受吸附容量限制，饱和后会失效，适用于油含量相对较低的油蒸气脱除。 (3)催化燃烧法是一种新技术，油类杂质属于碳氢类化合物，压缩空气在一定温度下通过催化剂床层，其中的油转化为CO₂和H₂O，达到去除目的。总反应方程式：
该法催化剂不会在使用中消耗，处理能力强，效果稳定高效。同时，由于床层温度稳定维持在150℃以上，且空气在床层有一定停留时间，除油同时活菌在高温下也被有效灭活，更适于食品和医药等对菌敏感的生产行业。笔者在原含油压缩空气系统增设基于催化燃烧式原理的除油设备，实现含油系统向无油系统升级改造。
设备处理流程见图1。待处理含油压缩空气经自动控制阀进入高效换热器，与反应器出来的高温气体换热升温后进入反应器，在催化剂作用下将压缩空气中的油反应转化为CO₂和H₂O，达到除油目的。净化的无油压缩空气经高效换热器回收热量后送出。整个过程需要热量通过加热器补充。
图1 催化式除油设备流程简图
2 压缩空气系统改造情况
现有喷油螺杆压缩机与催化式除油系统配置情况见表2。
表2 压缩机与催化式除油系统配置表
按表2方式改造前、后系统，见图2、图3。在该基础上，针对系统进行以下3点优化。
(1)考虑催化式除油设备故障时系统供气连续性，配置对应处理气量的活性炭过滤器旁路，在催化式除油设备故障、检修、失电等情况下自动切换到旁路，实现压缩空气连续供气。
(2)催化式除油设备本身需要高温条件确保无油转化，虽然设置有高效进出口换热器，由于无法实现100%热交换，因此催化式除油设备出口压缩空气温度会较入口高10～15℃。为避免温升影响后端吸附式干燥机除水性能，在出口增设水冷器降温，控制进入吸附式干燥机的压缩空气温度。
(3)考虑喷油螺杆压缩机存在故障跑油可能性，在催化式除油系统前端设置两级气液分离器，降低压缩机跑油故障时由于润滑油大量进入催化式除油设备导致剧烈反应保护停机风险。
通过以上优化，系统稳定性和可靠性进一步提升。其中，催化式除油系统现场安装情况见图4。
图2 改造前喷油螺杆压缩机系统流程简图
图3 改造后无油压缩机系统流程简图 图4 喷油螺杆压缩机4#、5#配套的催化式除油系统现场照片
3 系统改造后效果评价及分析
3.1 油含量检测说明
压缩空气中的总含油量是液态油、悬浮油和油蒸气含量总和。液态油、悬浮油与油蒸气是同一物质的不同形态，在对应温度与压力条件下可相互转换。经压缩机后冷却器冷却后的排气温度45℃，0.8MPa条件下对应饱和油蒸气含量约2.0mg/m³，加上油气分离筒未完全分离悬浮油，压缩机出口总油含量值会更高。含油压缩空气在经催化式除油设备处理后温度55 ℃，如含饱和油蒸气，含量将会比45℃时更高，因此只需针对净化后压缩空气中的油蒸气含量进行检测，就能反映净化效果。此次检测取气位置选取在除油机出口，水冷器前端管路(图3)。
油蒸气含量采用SUTO公司在线油蒸气检测仪S120检测，原理是利用PID传感器中的紫外灯，以离子化方式将检测气体中油蒸气浓度转化成能被检测到的离子电流方式，实现物质量的测量，检出精度可达0.001mg/m³。
3.2 油含量检测结果
为验证系统改造效果，改造系统完成并运行7天后，分别对现场喷油螺杆压缩机配套的催化式除油系统出口、干式无油螺杆压缩机出口进行油含量检测。
检测结果汇总见表3。3套催化式除油系统出口的油含量0.001～0.003mg/m³(图5、图6、图7)，结果满足规范GB/T 13277.1—2023由企业制定的比1 级油含量要求更高的0 级无油标准≤0.0045mg/m³。同时，使用同一检测设备检测干式无油螺杆压缩机出口的油含量，数值0.025mg/m³(图8)，仅达到规范GB/T 13277.1—2023的2级压缩空气油含量标准。
图5 喷油螺杆压缩机1#配套改造系统出口油含量检测结果 图6 喷油螺杆压缩机2#、3#配套改造系统出口油含量检测结果
图7 喷油螺杆压缩机4#、5#配套改造系统出口油含量检测结果 图8 干式无油螺杆压缩机出口油含量检测结果
表3 油含量检测结果统计表
3.3 结果分析及建议
油含量检测结果显示，增加催化式除油系统后，对应系统出口的油含量检测结果均达到0级无油标准，在实现无油压缩空气供应基础上，系统后端吸附式干燥机消除油污染对吸附剂性能影响，全面提升压缩空气的供气品质，以优于干式无油螺杆压缩机性能指标供应无油压缩空气。
同一机房内的干式无油螺杆压缩机出口油含量指标检测结果仅达到2级质量标准，原因可能是干式无油螺杆压缩机、喷油螺杆压缩机安装在同一机房内，房间较密闭，设备运行过程难免释放油气，导致干式无油螺杆压缩机吸入环境空气含油，因此在干式无油螺杆压缩机出口检测油含量值0.025mg/m³，仅达国标2级。需指出的是，这一指标并不表明干式无油螺杆压缩机异常。要改善该问题可考虑做好机房内部通风，尽量保证环境空气洁净，确保出口压缩空气质量合格。
4 结论
乳制品及整个食品行业质量安全意识和要求不断提高。蒙牛集团作为中国乳业国家队，更牢记并践行“民以食为天、食以奶为先、奶以安为要”的重要嘱托，在整个食品安全系统中，已形成独具特色的质量管理体系，乳制品生产重要动力源——压缩空气是其质量管理体系的重要环节。笔者以内蒙古蒙牛圣牧高科奶业有限公司改造项目为例，设计喷油螺杆压缩机、催化式除油系统组合方案，生产无油压缩空气，并对改造后的系统实测评价，结果表明，催化式除油系统出口压缩空气达到GB/T 13277.1—2023规定的最高洁净级别，即0级无油标准，实现该厂高品质压缩空气全面供气，确保乳品质量安全。此外，无油空气压缩机作为目前获取无油压缩空气的常用方法，需考虑其使用环境空气质量，避免因空气中挥发性有机物多，导致压缩空气品质下降。确保全流程各环节真正无油后，才能确保无油压缩空气高品质供应。
转载《中国乳业》2024第6期:《乳制品行业压缩空气系统无油化改造案例浅析》
