Nowe spojrzenie na bezolejowe uzdatnianie

Bezolejowe sprężone powietrze stało się nieodzownym elementem wielu gałęzi przemysłu. Przykładem może tu być przemysł spożywczy, farmaceutyczny, elektroniczny, jak również wszelkie rodzaje przemysłu tworzyw sztucznych.

Bezolejowe sprężone powietrze uzyskuje się poprzez zastosowanie bezolejowych kompresorów tłokowych lub śrubowych albo też poprzez sprężanie olejowe i następujące po nim uzdatnianie do jakości wymaganej przy bezolejowym sprężonym powietrzu.
Oba systemy mają nie tylko zalety, ale także wyraźne wady. Od wielu lat znany jest w przemyśle samochodowym katalizator. Na podobnej zasadzie działa również opatentowane urządzenie ECO-TEC. Poprzez tak zwaną katalityczną oksydację urządzenie to usuwa ze spężonego powietrza (sprężonego np. przy użyciu olejowego kompresora tłokowego lub śrubowego) zawartą w nim resztę oleju (2-4 mg/m3). Wynikiem tego procesu jest absolutnie bezolejowe powietrze spełniające wysokie wymagania normy ISO 8573-1, klasa 1. Proces ten jest wyjątkowo ekonomiczny i niezawodny.
Bezolejowe sprężarki tłokowe i śrubowe związane są z o wiele wyższymi nakładami inwestycyjnymi w porównaniu ze sprężarkami smarowanymi olejem. Poza tym koszty serwisu i napraw kompresorów bezolejowych są również bez porównania wyższe, ponieważ spowodowane są wyższą zużywalnością i krótszą żywotnością podzespołów. Innym mankamentem systemów sprężających bezolejowo jest fakt, iż poprzez wzrastające z biegiem czasu zużycie podzespołów sprężających (jak wirniki śruby, blok wirnika, tłoki itd.) spada wyraźnie wydajność jednostki sprężającej. Panujące przy sprężaniu bezolejowym wysokie temperatury również przyczyniają się do pogorszenia ogólnej sprawności sprężania. W wielu przypadkach jest również tak, że mimo bezolejowego sprężania konieczne jest następujące po nim uzdatnianie sprężonego powietrza, w celu osiągnięcia wymogów ISO 8573-1.


Ekologia w pełnym wydaniu. Porównanie jakości kondensatu: z prawj kondensat wydzielony ze standardowej instalacji bezolejowego uzdatniania, z lewej kondensat po urządzeniu EcoTec.
Powietrze sprężane bezolejowo jest często zanieczyszczone olejem zawartym np. w zasysanym powietrzu atmosferycznym.
Z kolei olejowe sprężarki tłokowe i śrubowe wytwarzają sprężone powietrze, które mimo wydajnej separacji zawiera ok. 2-4 mg/m3 oleju. W przypadku wymaganego bezolejowego powietrza oznacza to skomplikowany proces uzdatniania. Filtry wstępne i dokładne oczyszczają sprężone powietrze z kropelek oleju, jak również z aerozoli. Filtry z węglem aktywnym pozwalają uzyskać powietrze absolutnie bezolejowe i suche. Jednak filtry te są zawsze słabym punkten instalacji uzdatniania powietrza, ponieważ wymagają spełnienia następujących warunków:
- Zdolność pochłaniania węglowodorów i oparów olejowych przez filtry spada drastycznie ze wzrostem temperatury. Częstotliwość koniecznej wymiany wkładów filtrów z węglem aktywnym określana jest przez ich producentów dla temperatury 21°C. W praktyce temperatura pracy filtra leży pomiędzy 30 a 40°C, czyli o wiele wyżej. Ponieważ podwyższenie temperatury pracy o 10°C powoduje zmniejszenie długości cyklu między wymianami o ok. 90%, żywotność wkładu filtra aktywnego redukuje się w praktyce do ok. 500 roboczogodzin.
- Zdolność pochłaniania i żywotność wkładu zależy też w wysokim stopniu od koncentracji początkowej oleju w sprężonym powietrzu, jak również wilgotności względnej sprężonego powietrza (ciśnieniowy punkt rosy). Wyższe wartości wymienionych parametrów również wpływają na wyraźne skrócenie długości życia wkładów. Wymagana wartość maksymalnej zawartości resztkowej oleju w uzdatnionym powietrzu (np. 0,003 mg/m3) może zostać przekroczona już po krótkim okresie pracy.
- Zużyte wkłady filtra z węglem aktywnym nie mogą być regenerowane i podlegają kosztownej utylizacji.
Kompletny proces filtracji przebiega w większości przypadków 6-stopniowo. W filtrze wstępnym (1. stopień) zatrzymywane są większe zanieczyszczenia (pył, kropelki wody, starte resztki metalu). Mikrofiltry (2. stopień) eliminują cząsteczki stałe do wielkości 0,01 µm, a także aerozole wody i oleju. Trzeci stopień to tzw. sub-mikrofiltry, które zatrzymują najmniejsze płynne cząstki oleju. Teraz sprężone powietrze jest już co prawda czyste, zawiera jednak jeszcze wodę i olej w postaci gazowej. Kolejnym, czwartym stopniem, jest więc osuszenie powietrza przy pomocy osuszacza adsorpcyjnego o punkcie rosy –70°C. Po tym procesie, wszystkie nieskondensowane cząstki oleju zatrzymywane są przez filtr lub adsorber z węglem aktywnym (5. stopień). Ostatnim elementem jest filtr pyłowy (6. stopień), który eliminuje porwane drobne cząsteczki węgla aktywnego i cząsteczki z wkładu osuszacza adsorpcyjnego. Sprężone powietrze opuszcza ten układ czyste i suche.
Tego typu układy wymagają jednak bardzo wysokich nakładów w zakresie kontroli i serwisu. W celu utrzymania jakości powietrza należy bardzo precyzyjnie przestrzegać okresów wymiany wkladów czterech filtrów, jak również osuszacza adsorpcyjnego. Zużyte wkłady trzech z wymienionych czterech filtrów stanowią odpady specjalne w rozumieniu przepisów europejskich i muszą być w fachowy sposób utylizowane. Podobnie rzecz się ma z wytrąconym kondensatem (ilość oleju do 2000 mg/litr), który musi również zostać poddany oczyszczeniu i fachowej utylizacji. W przypadku niedopełnienia wymogów istnieje poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego, a zakładom grożą w przyszłości wysokie grzywny.
Alternatywą do wyżej wymienionych jest system EcoTec, stosowany między innymi przez firmę RELO GmbH Verdichter z Bautzen. System ten pozwala na zupełnie nowe spojrzenie na problematykę kosztów, bezpieczeństwa procesu uzdatniania i zagadnień ochrony środowiska. Zasada działania systemu EcoTec polega na przemianie oleju i innych węglowodorów w procesie fizyko-chemicznym w wodę i dwutlenek węgla przy zastosowaniu specjalnego konwertera. Po przemianie sprężone powietrze uznawane jest za absolutnie bezolejowe (maks. Ilość oleju 0,003 mg/m3 w/g ISO 8573-1, klasa 1) i może wykorzystywane do wszelkich zastosowań wymagających bezolejowego sprężonego powietrza. Zalety systemu EcoTec przekonują coraz więcej użytkowników. Są to:
- Sprawność sytemu wynosi zawsze 100% i jest niezależna od koncentracji oleju, od temperatury i poziomu wilgotności.
- Kondensat powstający jako wynik reakcji jest przejrzysty jak woda i całkowicie pozbawiony oleju (ilość węglowodorów < 1mg/Litr). Wegług wszelkich przepisów ochrony środowiska może być bezpośrednio odprowadzony do kanalizacji lub wykorzystany wtórnie jako woda w procesie technologicznym. Odpadają całkowicie problemy gromadzenia i utylizacji kondensatu, jak również koszty utylizacji i koszty administracyjne z nią związane.
- Nie są konieczne żadne prace serwisowe w okresie pracy konwertera (gwarantowane 15.000 godzin pracy bez serwisu).
- Serwis ogranicza się do zwykłych konroli wzrokowych podczas serwisu kompresora.
- Żywotność zainstalowanych za konwerterem fitrów (np. filtr sterylny) wydłuża się znacznie, ponieważ filtry nie mają styczności z olejem, który powodowałby zatykanie porów wkładu filtra.
- Wydajność zainstalowanego za konwerterem osuszacza ziębniczego wzrasta, gdyż brak jest osadzającego się zwykle na powierzchni wymiennika oleju, który powoduje spadek współczynnika wymiany cieplnej.
- Istnieje możliwość zastosowania po konwerterze osuszacza membranowego, ponieważ wykluczone jest niebezpieczeństwo kontaminacji olejem.
Urządzenie EcoTec może być instalowane bezpośrednio przez producenta kompresorów jako część sprężarki. Przykładem jest tu seria RL-ET firmy RELO GmbH (w przedziałach mocy od 3.0 do 30.0 kW).

Schematyczne przedstawienie konwertera EcoTec.

Kompresor RELO RL-ET 22-10
z systemen EcoTec.

Przykłady osobnych urządzeń EcoTec.

Konwerter EcoTec może być również zainstalowany jako osobne urządzenie i podłączony do już istniejącego układu sprężarek, bądź sieci sprężonego powietrza np. w przypadku, gdzie z powodów zmian technologicznych potrzebne jest nagle bezolejowe powietrze (np. dla części produkcji). Rodzaj i typ istniejącego już kompresora nie mają tutaj znaczenia.
W wersji zintegrowanej z kompresorem ciepłe sprężone powietrze z jednostki spężającej (ok. 80 °C) zostaje podgrzane w wymienniku do temperatury ok. 130 do 150 °C. Następnie trafia do konwertera urządzenia EcoTec wypełnionego katalizatorem. Poprzez ogrzewanie elektryczne katalizator zostaje utrzymywany w stałej temperaturze pracy, koniecznej do zaistnienia procesu. Podczas przepływu powietrza przez zbiornik konwertera, zachodzi katalityczna oksydacja zawartych w powietrzu węglowodorów. Sprężone powietrze opuszcza zbiornik z temperaturą ok. 180 °C i zostaje ponownie schłodzone w wymienniku ciepła do ok. 70°C. Następnie powietrze przechodzi przez chłodnicę i trafia odpowiednio (w zależności od wymogów procesu) do osuszacza ziębniczego lub adsorpcyjnego, gdzie zostaje osuszone.
W przypadku urządzeń osobnych zasada działania jest taka sama. Jedyną różnicą jest zastosowanie tam o wiele efektywniejszych wymienników ciepła (spr. powietrze ma ok. 35°C a nie 80°C), w celu podgrzania powietrza do odpowiedniej temperatury.
Sercem konwertera jest system stały, zawierający tzw. mega-, makro- i mikro-pory. Wysokiej porowatości systemu zawdzięcza konwerter swą dużą powierzchnię (ok. 200 m2/g). Cząsteczki powietrza i oleju trafiają na powierzchnię konwertera. Jego system zawiera aktywne centra naładowane atomami tlenu. Proces oksydacji przebiega w następujący sposób. Cząsteczki oleju, które zetknęły się z powierzchnią zostają tu przetrzymane i rozbite na części. Uwolnione w ten sposób atomy reagują natychmiast z tlenem zawartym w sprężonym powietrzu. Dokonuje się wymiana tlenu i elektronów.

Ten proces trwa tak długo, aż cząsteczki oleju całkowicie zostaną rozbite na dwultenek węgla i wodę, które jako naturalne części składowe powietrza opuszczają konwerter. Podczas gdy sprawność wkładu filtra w węglem aktywnym średnio po 400 godz. sięga 80%, po 800 godz. tylko 10%, a po 1000 godz. zanika – producent urządzenia EcoTec gwarantuje 100% wydajność pracy konwertera przez 15.000 godzin. Przy pracy 24 godz. na dobę i 365 dni w roku są to prawie dwa lata bezserwisowej ciąglej pracy ze 100% wydajnością, niezależnie od temperatury, wilgotności i koncentracji oleju. Temperatura pracy sterowana elektrycznie jest zawsze stała. Po upływie 15.000 roboczogodzin należy wymienić katalizator, który poddany potem uzdatnieniu może być ponownie wykorzystany. Wpływa to bardzo pozytywnie na bilans energetyczny i ekologiczny.
Niezawodny system bezpieczeństwa gwarantuje pewne funkcjonowanie urządzeń EcoTec. Przy zbyt wysokiej temperaturze pracy lub zbyt wysokiej koncentracji oleju w przepływającym powietrzu sterowanie urządzenia wykazuje awarię. W obu przypadkach dopływ powietrza zostaje natychmiast zamknięty. Przy zwiększonej temperaturze następuje automatyczne odłaczenie systemu ogrzewania. Kompresor zostaje natychmiast wyłączony. Przy przekroczonej temperaturze pracy urządzenie może zostać uruchomione dopiero po ręcznym zresetowaniu alarmu ogranicznika temperatury. Przy przekroczeniu dopuszczalnej koncentracji oleju należy przed ponownym uruchomieniem usunąć usterkę separatora kompresora.
Przeprowadzone wyliczenia wykazały, że przy zastosowaniu urządzenia EcoTec, zamiast stacji kompresorów bezolejowych lub olejowych z następującym uzdatnianiem, całkowite koszty składające się z kosztów inwestycji, serwisu i energii w pięcioletnim okresie obliczeniowym zostają obniżone o 23%. Ważnym czynnikiem jest tu niskie zużycie energii urządzeń EcoTec – rzędu 5 W/m3/min. Szacuje się, że w najbliższej przyszłości technologia ta znajdzie szerokie zastosowanie na rynku. Urządzenia EcoTec dostępne są dla wydajności kompresorów od 1 do 50 m3/min.

Opracował
Dipl.-Ing. Piotr Skibiński
RELO GmbH Verdichter, Bautzen
Przedstawiciel firmy Relo w Polsce
Pneumat System Sp. z o.o.
ul. Baczyńskiego 23
51-121 Wrocław
e-mail: handel@pneumat.com.pl
www.pneumat.com.pl

W artykule wykorzystano materiały firmy Rotocomp Verdichter