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摘 要：压缩空气作为一种重要的动力源，在生产生活中是必不可少的存在。在实际使用过程中，卷烟厂用气末端车间生产中使用的压缩空气质量含油量和固体颗粒严重超标，会影响卷烟生产过程中的质量，造成烟草产品不合格。而通过凝聚式过滤器、活性炭罐和除尘过滤器进行一系列处理之后，可以得到满足ISO 8573-1 2级含尘和1级油含量标准的高品质压缩空气，满足卷烟厂用气末端车间使用标准，从而得到高品质的烟草产品。
关键词：压缩空气 过滤 吸附 除尘
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：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
压缩空气是生产生活中必不可少的重要动力能源，目前，已经被广泛应用于各行各业中。伴随生产制造行业的不断发展进步，压缩空气广泛地应用于喷涂、食品饮料、包装、化工、制药、医疗、仪器仪表控制等各个方面，特别是间接或直接地接触到生产原料或者食品。所以，压缩空气也是烟草行业生产中的一个不可或缺的主要动力源，并在烟草生产的过程中有多方面的应用，在生产流程中对设备和仪器进行吹扫或驱动;并且压缩空气会直接接触到烟丝。在烟草生产过程中，压缩空气与烟丝直接接触并对设备和仪器进行吹扫或驱动。由于压缩空气中的含油量和含塵量会直接影响到烟草的品质，甚至会导致设备、仪器的灵敏度降低。所以烟草企业对含油和含尘指标都很重视。因此，需要保证在卷烟生产中的高质量产品，避免残次的烟草产品投放到市场中。此时，在卷烟过程中的压缩空气的品质就显得尤为重要。
需要确保压缩空气的含油和含尘量达到非常高的等级，根据ISO 8573-1的压缩空气质量标准，结合烟草公司的实际需求，需要在车间末端用气点的压缩空气中固体颗粒含量达到2级、油含量达到1级[1]。因此，采用合适的除油除尘设备就显得尤为重要。
1 压缩空气中油和颗粒的来源
压缩空气中的油主要来源于以下几方面：大环境空气中的油、空压机中的润滑油;管路和接头残留下的各类油脂。ISO 8573对油的标准做了定义，即由6个或更多碳原子（C6+）组成的碳氢化合物的混合物，如图1所示。
压缩空气中的固态颗粒杂质主要来源于以下几方面：大气中含有的灰尘、空压机运动部件的磨损、压缩空气金属管道的腐蚀颗粒、金属管道焊接过程中产生的焊渣及吸干机吸附剂产生的粉尘颗粒。受到环境的影响，大气中含有其他各种类型和尺寸的固态杂质，详见图2。
2 凝聚式过滤器除油除尘
压缩空气过滤器是用来针对过滤掉压缩空气中含有的固体颗粒杂质和油气溶胶而设置的。目前，普遍应用的是凝聚式过滤器[2]，其过滤原理如下。
（1）过程一——直接阻挡：直径较大的颗粒物，无法通过滤芯间隙，会直接被阻挡在滤芯的表层，如图3所示。
（2）过程二——碰撞分离：碰撞分离是由于颗粒的惯性，直径较小的颗粒物和油气溶胶在通过滤芯间隙之后，经过碰撞后会依附在滤芯的纤维上，如图4所示。
（3）过程三——布朗运动：悬浮在压缩空气中微小的颗粒物和液滴受到不平衡的冲撞产生运动，由于这种不平衡的冲撞，微粒的运动不断地改变方向，使其在做永不停息的无规则运动，最终使得微小的颗粒物和液滴依附在滤芯纤维上[3]，如图5所示。
（4）过程四——排液：如图6所示，滤芯最外层为液体收集层，随着时间的推移，小液滴会不断聚集。由于重力的作用，液滴会流入到过滤器的底部，并通过排水器排除。 经过上述4个过程的层层过滤（如图7），F级精密过滤器过滤后的杂质颗粒的过滤精度可达到1μm，而残油气溶胶的含量则最低可以降低到0.01。
虽然凝聚式过滤器能够过滤掉绝大多数的颗粒杂质和油气溶胶。不过，凝聚式过滤器是无法过滤掉压缩空气中包含的所有颗粒杂质;此时，权衡凝聚式过滤器的效果就是“过滤效率”。经过过滤器过滤之后的颗粒杂质数量占过滤之前的颗粒总数量的占比即为“过滤效率”[4]。
例如，过滤器入口处的压缩空气中含有5 000 000个尺寸为3μm的颗粒，在通过凝聚式过滤器的处理后，过滤器出口剩余5000个尺寸3μm的颗粒杂质，那么此凝聚式过滤器过滤效率为99.9（对3μm的颗粒）。
因为上述3个过滤过程的过滤效率不一样，所以凝聚式过滤器的过滤效率，为上述3个过滤过程的效率总和，即总过滤效率，详见图8。
经过凝聚式过滤器的处理后，能够过滤掉绝大多数的颗粒杂质和油气溶胶，不过，凝聚式过滤器是不能过滤和吸附油蒸气的。因此，为了进一步除去压缩空气中含有的油蒸气需要考虑采用活性炭罐进一步深度吸附压缩空气中的油蒸气。
3 通过活性炭罐除油
通过活性炭来吸附油蒸气和油气溶胶是当前比较通用的压缩空气除油方式之一[5]。活性炭是一种经特殊处理的炭，又被称为活性炭黑，如图9所示。通常是由有机原料在隔绝空气的条件下进行加热，从而减少非碳的成分，此过程称为炭。然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构，此过程称为活化。由于活化的过程是一个微观过程，此时大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀，从而使得活性炭表面形成了无数肉眼无法观察到细小孔隙，活性炭表面的微孔直径大多在2～50nm之间。因此，即便是少量的活性炭，也有巨大的表面积，每克活性炭的微孔，展开表面积可达500～1500m2。活性炭能吸附压缩空气中的油蒸气主要是通过范德华力、质量转移、毛细作用和分压差综合作用的结果，如图10所示。
范德华力（Vander Waals force）是指分子间作用力，又称范德瓦尔斯力，是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。当压缩空气流经活性炭时，油分子和活性炭之间会相互作用，极化后产生诱导偶极矩并相互吸引，这种相互耦合产生净的吸引作用;当活性炭和油分子之间的分子吸引力大于油分子之间的引力时，油分子会在活性炭表面凝聚。
质量转移（Mass transfer）是指蒸气的质量从一个局部净移到另一地方，应用到活性炭则是油分子从压缩空气内转移到活性炭表面。活性炭分子和油分子之间发生的电子转移，从而在两者间形成新的化学键，使得油蒸气能够停留在活性炭的表面。
毛细作用（Capillary action），指的是吸附剂所吸附的蒸气在其微孔中凝结的现象。活性炭吸内有大量的微孔，在某些吸附过程中，微孔内的吸附是在吸附剂微孔内发生体积填充。所以活性炭微孔内，由于吸附势能的作用，发生微孔填充现象，从而油蒸气被持续的吸附;而且油蒸气含量越高，吸附的效率也越高，毛细凝结的现象也变得更加显著。
分压差（Pressure difference）指的是两个区域某气体分压的差值，是气体扩散的动力，气体会从分压高的区域向分压低的区域扩散。活性炭吸附时，活性炭内的油蒸气分压低，而压缩空气中的油蒸气分压高，分压差使得气体进行扩散，从而油蒸气向活性炭内扩散，使得大量的油蒸气被活性炭吸附。
通过上述分析可知，当压缩空气中的油含量越高，油蒸气浓度越高时，活性炭的吸附效率也会变得越高[6]。
通过活性炭罐的吸附可以吸附掉压缩空气中的油气溶胶和油蒸汽，使得压缩空气中的油含量可以达到ISO 8573-1的1级油含量标准。不过除油效果会受到外界气体流速、温度、含油量及使用时长的影响。一旦活性炭吸附饱和后，吸附油的效率会大大降低。为了能够保证后端用气的压缩空气的质量，需要考虑定期更换活性炭，从而确保活性炭吸附油的效果。当然活性炭在吸附残油的同时，自身会产生一定的粉尘。因此，在活性炭罐后端需加装除尘过滤器除去压缩空气中的颗粒杂质[7]。
4 通过除尘过滤器除尘
在经过前端的吸附式干燥机，凝聚式过滤器和活性炭罐处理之后，压缩空气中已经几乎没有水分和残油，只是含有微量的活性炭粉尘，所以此时应该选择使用表面过滤方式，压缩空气由外向内流经滤芯，将粉尘拦截在滤芯外表面，需要时可以打开过滤器的排放阀将粉尘排放出去，减小压差损失[8-9]。如图11所示
5 方案简介
通过凝聚式过滤器，结合活性炭罐和除尘过滤器这样一系列配套的除油除尘的方案。此时，经过处理之后的用气点的压缩空气的含尘量和含油量达到一个极佳的使用标准和状态，从而保证压缩空气的标准可以到达客户的使用要求，如图12所示。这样的组合可以有效地处理压缩空气中的油和粉尘，经过处理之后的高质量的压缩空气，可以广泛地应用在烟草生产的各个过程中。
6 结语
在车间末端用气点采用了本套方案进行了改造升级，经过第三方检测机构现场测试，压缩空气中固体颗粒含量达到2级、油含量达到1级[1]，经过优化后的压缩空气品质到达了生产工艺要求。
本方案在四川中烟工业有限责任公司成都卷烟厂的成功运用，表明该方案將来也可以用于其他对固体颗粒含量和油含量要求较高的行业领域中，有切合实际的借鉴性，具有较好的推广价值。
参考文献
[1] GB/T 13277.1-2008， 压缩空气第1部分：污染物净化等级[S].
[2] 李海龙，李立清，郜豫川，等.用微孔填充理论研究活性炭对有机气体的吸附性能[J].化工环保，2007，27（2）：113-117.
[3] 王亚浩，欧阳欣，张维俊，等.烟草除尘过程中节能减排优化研究[J].云南化工，2019，46（6）：41-42，45.
[4] 黄亮.烟草企业除尘系统设计与实施[J].中国设备工程，2020（23）：99-101.
[5] 杨楚辉.烟草车间除尘及除异味系统施工与调试技术研究[J].中国设备工程，2020（15）：139-140.
[6] 李永进.烟草制丝车间的除尘技术探讨[J].中国高新技术企业，2016（19）：92-93.
[7] 陈奎.烟草废料粉碎机除尘装置[Z].重庆：重庆恒远晋通科技有限公司，2012-10-31.
[8] 宋旭东.烟草制丝工艺设备实时监测系统的研制[D].厦门：厦门大学，2019.
[9] 陈霖.烟草制丝滚筒内片烟加料特性研究[D].昆明：昆明理工大学，2019.
关键词：压缩空气 过滤 吸附 除尘
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：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
压缩空气是生产生活中必不可少的重要动力能源，目前，已经被广泛应用于各行各业中。伴随生产制造行业的不断发展进步，压缩空气广泛地应用于喷涂、食品饮料、包装、化工、制药、医疗、仪器仪表控制等各个方面，特别是间接或直接地接触到生产原料或者食品。所以，压缩空气也是烟草行业生产中的一个不可或缺的主要动力源，并在烟草生产的过程中有多方面的应用，在生产流程中对设备和仪器进行吹扫或驱动;并且压缩空气会直接接触到烟丝。在烟草生产过程中，压缩空气与烟丝直接接触并对设备和仪器进行吹扫或驱动。由于压缩空气中的含油量和含塵量会直接影响到烟草的品质，甚至会导致设备、仪器的灵敏度降低。所以烟草企业对含油和含尘指标都很重视。因此，需要保证在卷烟生产中的高质量产品，避免残次的烟草产品投放到市场中。此时，在卷烟过程中的压缩空气的品质就显得尤为重要。
需要确保压缩空气的含油和含尘量达到非常高的等级，根据ISO 8573-1的压缩空气质量标准，结合烟草公司的实际需求，需要在车间末端用气点的压缩空气中固体颗粒含量达到2级、油含量达到1级[1]。因此，采用合适的除油除尘设备就显得尤为重要。
1 压缩空气中油和颗粒的来源
压缩空气中的油主要来源于以下几方面：大环境空气中的油、空压机中的润滑油;管路和接头残留下的各类油脂。ISO 8573对油的标准做了定义，即由6个或更多碳原子（C6+）组成的碳氢化合物的混合物，如图1所示。
压缩空气中的固态颗粒杂质主要来源于以下几方面：大气中含有的灰尘、空压机运动部件的磨损、压缩空气金属管道的腐蚀颗粒、金属管道焊接过程中产生的焊渣及吸干机吸附剂产生的粉尘颗粒。受到环境的影响，大气中含有其他各种类型和尺寸的固态杂质，详见图2。
2 凝聚式过滤器除油除尘
压缩空气过滤器是用来针对过滤掉压缩空气中含有的固体颗粒杂质和油气溶胶而设置的。目前，普遍应用的是凝聚式过滤器[2]，其过滤原理如下。
（1）过程一——直接阻挡：直径较大的颗粒物，无法通过滤芯间隙，会直接被阻挡在滤芯的表层，如图3所示。
（2）过程二——碰撞分离：碰撞分离是由于颗粒的惯性，直径较小的颗粒物和油气溶胶在通过滤芯间隙之后，经过碰撞后会依附在滤芯的纤维上，如图4所示。
（3）过程三——布朗运动：悬浮在压缩空气中微小的颗粒物和液滴受到不平衡的冲撞产生运动，由于这种不平衡的冲撞，微粒的运动不断地改变方向，使其在做永不停息的无规则运动，最终使得微小的颗粒物和液滴依附在滤芯纤维上[3]，如图5所示。
（4）过程四——排液：如图6所示，滤芯最外层为液体收集层，随着时间的推移，小液滴会不断聚集。由于重力的作用，液滴会流入到过滤器的底部，并通过排水器排除。 经过上述4个过程的层层过滤（如图7），F级精密过滤器过滤后的杂质颗粒的过滤精度可达到1μm，而残油气溶胶的含量则最低可以降低到0.01。
虽然凝聚式过滤器能够过滤掉绝大多数的颗粒杂质和油气溶胶。不过，凝聚式过滤器是无法过滤掉压缩空气中包含的所有颗粒杂质;此时，权衡凝聚式过滤器的效果就是“过滤效率”。经过过滤器过滤之后的颗粒杂质数量占过滤之前的颗粒总数量的占比即为“过滤效率”[4]。
例如，过滤器入口处的压缩空气中含有5 000 000个尺寸为3μm的颗粒，在通过凝聚式过滤器的处理后，过滤器出口剩余5000个尺寸3μm的颗粒杂质，那么此凝聚式过滤器过滤效率为99.9（对3μm的颗粒）。
因为上述3个过滤过程的过滤效率不一样，所以凝聚式过滤器的过滤效率，为上述3个过滤过程的效率总和，即总过滤效率，详见图8。
经过凝聚式过滤器的处理后，能够过滤掉绝大多数的颗粒杂质和油气溶胶，不过，凝聚式过滤器是不能过滤和吸附油蒸气的。因此，为了进一步除去压缩空气中含有的油蒸气需要考虑采用活性炭罐进一步深度吸附压缩空气中的油蒸气。
3 通过活性炭罐除油
通过活性炭来吸附油蒸气和油气溶胶是当前比较通用的压缩空气除油方式之一[5]。活性炭是一种经特殊处理的炭，又被称为活性炭黑，如图9所示。通常是由有机原料在隔绝空气的条件下进行加热，从而减少非碳的成分，此过程称为炭。然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构，此过程称为活化。由于活化的过程是一个微观过程，此时大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀，从而使得活性炭表面形成了无数肉眼无法观察到细小孔隙，活性炭表面的微孔直径大多在2～50nm之间。因此，即便是少量的活性炭，也有巨大的表面积，每克活性炭的微孔，展开表面积可达500～1500m2。活性炭能吸附压缩空气中的油蒸气主要是通过范德华力、质量转移、毛细作用和分压差综合作用的结果，如图10所示。
范德华力（Vander Waals force）是指分子间作用力，又称范德瓦尔斯力，是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。当压缩空气流经活性炭时，油分子和活性炭之间会相互作用，极化后产生诱导偶极矩并相互吸引，这种相互耦合产生净的吸引作用;当活性炭和油分子之间的分子吸引力大于油分子之间的引力时，油分子会在活性炭表面凝聚。
质量转移（Mass transfer）是指蒸气的质量从一个局部净移到另一地方，应用到活性炭则是油分子从压缩空气内转移到活性炭表面。活性炭分子和油分子之间发生的电子转移，从而在两者间形成新的化学键，使得油蒸气能够停留在活性炭的表面。
毛细作用（Capillary action），指的是吸附剂所吸附的蒸气在其微孔中凝结的现象。活性炭吸内有大量的微孔，在某些吸附过程中，微孔内的吸附是在吸附剂微孔内发生体积填充。所以活性炭微孔内，由于吸附势能的作用，发生微孔填充现象，从而油蒸气被持续的吸附;而且油蒸气含量越高，吸附的效率也越高，毛细凝结的现象也变得更加显著。
分压差（Pressure difference）指的是两个区域某气体分压的差值，是气体扩散的动力，气体会从分压高的区域向分压低的区域扩散。活性炭吸附时，活性炭内的油蒸气分压低，而压缩空气中的油蒸气分压高，分压差使得气体进行扩散，从而油蒸气向活性炭内扩散，使得大量的油蒸气被活性炭吸附。
通过上述分析可知，当压缩空气中的油含量越高，油蒸气浓度越高时，活性炭的吸附效率也会变得越高[6]。
通过活性炭罐的吸附可以吸附掉压缩空气中的油气溶胶和油蒸汽，使得压缩空气中的油含量可以达到ISO 8573-1的1级油含量标准。不过除油效果会受到外界气体流速、温度、含油量及使用时长的影响。一旦活性炭吸附饱和后，吸附油的效率会大大降低。为了能够保证后端用气的压缩空气的质量，需要考虑定期更换活性炭，从而确保活性炭吸附油的效果。当然活性炭在吸附残油的同时，自身会产生一定的粉尘。因此，在活性炭罐后端需加装除尘过滤器除去压缩空气中的颗粒杂质[7]。
4 通过除尘过滤器除尘
在经过前端的吸附式干燥机，凝聚式过滤器和活性炭罐处理之后，压缩空气中已经几乎没有水分和残油，只是含有微量的活性炭粉尘，所以此时应该选择使用表面过滤方式，压缩空气由外向内流经滤芯，将粉尘拦截在滤芯外表面，需要时可以打开过滤器的排放阀将粉尘排放出去，减小压差损失[8-9]。如图11所示
5 方案简介
通过凝聚式过滤器，结合活性炭罐和除尘过滤器这样一系列配套的除油除尘的方案。此时，经过处理之后的用气点的压缩空气的含尘量和含油量达到一个极佳的使用标准和状态，从而保证压缩空气的标准可以到达客户的使用要求，如图12所示。这样的组合可以有效地处理压缩空气中的油和粉尘，经过处理之后的高质量的压缩空气，可以广泛地应用在烟草生产的各个过程中。
6 结语
在车间末端用气点采用了本套方案进行了改造升级，经过第三方检测机构现场测试，压缩空气中固体颗粒含量达到2级、油含量达到1级[1]，经过优化后的压缩空气品质到达了生产工艺要求。
本方案在四川中烟工业有限责任公司成都卷烟厂的成功运用，表明该方案將来也可以用于其他对固体颗粒含量和油含量要求较高的行业领域中，有切合实际的借鉴性，具有较好的推广价值。
参考文献
[1] GB/T 13277.1-2008， 压缩空气第1部分：污染物净化等级[S].
[2] 李海龙，李立清，郜豫川，等.用微孔填充理论研究活性炭对有机气体的吸附性能[J].化工环保，2007，27（2）：113-117.
[3] 王亚浩，欧阳欣，张维俊，等.烟草除尘过程中节能减排优化研究[J].云南化工，2019，46（6）：41-42，45.
[4] 黄亮.烟草企业除尘系统设计与实施[J].中国设备工程，2020（23）：99-101.
[5] 杨楚辉.烟草车间除尘及除异味系统施工与调试技术研究[J].中国设备工程，2020（15）：139-140.
[6] 李永进.烟草制丝车间的除尘技术探讨[J].中国高新技术企业，2016（19）：92-93.
[7] 陈奎.烟草废料粉碎机除尘装置[Z].重庆：重庆恒远晋通科技有限公司，2012-10-31.
[8] 宋旭东.烟草制丝工艺设备实时监测系统的研制[D].厦门：厦门大学，2019.
[9] 陈霖.烟草制丝滚筒内片烟加料特性研究[D].昆明：昆明理工大学，2019.