基于可再生吸附的核生化過(guò)濾技術(shù)

杜紅霞，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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基于可再生吸附的核生化過(guò)濾技術(shù)

杜紅霞，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：為提高艦船的核生化防護(hù)能力，針對(duì)現(xiàn)有濾毒通風(fēng)裝置需要定期更換、防護(hù)時(shí)間短等問(wèn)題，分析基于可再生吸附的核生化過(guò)濾技術(shù)，提出再生式核生化過(guò)濾裝置的技術(shù)方案。再生式核生化過(guò)濾裝置可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，進(jìn)行連續(xù)防護(hù)，大幅提升集體防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)能力，同時(shí)節(jié)約大量運(yùn)行和維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：可再生；吸附；核生化；過(guò)濾；濾毒通風(fēng)裝置

核武器、生物武器及化學(xué)武器的使用使得戰(zhàn)爭(zhēng)的突然性和破壞力空前增大。核生化武器對(duì)海上的打擊目標(biāo)主要為大型水面艦船和編隊(duì)，面對(duì)這些日益增長(zhǎng)的大規(guī)模殺傷性武器的威脅，要有效保障艦員的安全、保存艦船的有生力量、保證艦船的作戰(zhàn)性能，必須構(gòu)建起可靠、有效的核生化防護(hù)能力[1-2]。集體防護(hù)是艦船核生化防護(hù)的主要形式[3]。濾毒通風(fēng)裝置是集體防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，濾毒通風(fēng)裝置的防護(hù)能力和運(yùn)行時(shí)機(jī)是決定防護(hù)效果最關(guān)鍵的因素。采用傳統(tǒng)活性炭過(guò)濾技術(shù)的濾毒通風(fēng)裝置，吸附量會(huì)在使用一段時(shí)間后就會(huì)達(dá)到飽和，必須更換，是不可再生型過(guò)濾器。受到材料工藝及設(shè)備尺寸限制，目前不可再生型濾器對(duì)毒劑的防護(hù)時(shí)間有限。不可再生式濾器需要頻繁更換，給后勤保障帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)[4]。基于可再生吸附技術(shù)的再生式核生化過(guò)濾裝置是一種有效的解決方案，在可再生吸附過(guò)程中，吸附在高壓和低溫下進(jìn)行，采用低壓和高溫條件進(jìn)行吸附劑的再生。因此，再生式核生化過(guò)濾裝置可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，連續(xù)防護(hù)核生化污染物，同時(shí)減少給后勤保障帶來(lái)的負(fù)擔(dān)[5-6]。

1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

英國(guó)Air Control Technologies(ACT)和PALL Aerospace公司聯(lián)合研制了一種新型核生化過(guò)濾包，這種過(guò)濾包采用的是變壓吸附(PSA)過(guò)濾技術(shù)和空氣循環(huán)溫度控制技術(shù)[7]。PALL Aerospace公司研制的PSA可再生過(guò)濾組件采用填充了吸附劑的濾墊，此濾墊可在一定壓力下吸附氣體，并在壓力解除后解吸。過(guò)濾包一般有2個(gè)濾墊，一個(gè)處于使用狀態(tài)，在壓力下從受污染的空氣中吸附有毒氣體；另一個(gè)處于停用狀態(tài)，用于再生。這一過(guò)程所必需的高壓空氣以及空氣的加熱和冷卻由ACT公司的空氣循環(huán)系統(tǒng)提供。

ACT和PALL Aerospace公司還研發(fā)了PSA再生生命支援系統(tǒng)。該系統(tǒng)所用的過(guò)濾層提供了比以前的PSA系統(tǒng)更為強(qiáng)大的功能。除了裝配再生氣體過(guò)濾層外，該系統(tǒng)還把從氣體中吸掉潮氣的水分離裝置與除去微小塵粒和生物戰(zhàn)劑的高效微粒過(guò)濾裝置結(jié)合在一起。

歐洲幾個(gè)國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了一個(gè)致力于PTSA(變壓變溫吸附)再生過(guò)濾技術(shù)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目以法國(guó)國(guó)防部、意大利國(guó)防部和一個(gè)國(guó)際工業(yè)聯(lián)盟合作的方式進(jìn)行，此工業(yè)聯(lián)盟的成員有SP Defence公司(法國(guó))、Aerosekur公司(意大利)和Domnick Hunter公司(英國(guó))。

目前已投入市場(chǎng)的此類(lèi)裝備有英國(guó)Domnic Hunter公司研制的模塊式核生化過(guò)濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)抗空氣中各種污染物質(zhì)，并已分別通過(guò)神經(jīng)性毒劑、窒息和血液性毒劑、核粒子、病毒和細(xì)菌的測(cè)試，能明顯降低當(dāng)前活性炭基的核生化系統(tǒng)再補(bǔ)給、替換和處理過(guò)濾器的要求。該系統(tǒng)由美國(guó)士兵與化生基地測(cè)試并評(píng)估，結(jié)果成功達(dá)到或超過(guò)測(cè)試目標(biāo)。NCC凈化系統(tǒng)外觀見(jiàn)圖1。

圖1　英國(guó)多米尼克-漢德可再生NBC凈化系統(tǒng)

美國(guó)PALL公司的NBC/PSA系統(tǒng)在美國(guó)和北約機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有毒劑進(jìn)行了試驗(yàn)考核；荷蘭的TNO試驗(yàn)室在1988年對(duì)PSA樣機(jī)進(jìn)行了為期連續(xù)6個(gè)月的考核，毒劑試驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)能廣譜地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)條件下預(yù)計(jì)可能的毒劑提供連續(xù)的集體防護(hù)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，PSA出口未檢出可檢量的毒劑；1990年，美國(guó)空軍在巴爾特紀(jì)念研究所對(duì)NBC/PSA正式產(chǎn)品的類(lèi)似試驗(yàn)也表明該系統(tǒng)能在核化戰(zhàn)條件下可靠地提供清潔空氣。

20世紀(jì)80年代，變壓吸附已經(jīng)應(yīng)用于連續(xù)對(duì)抗核生化戰(zhàn)爭(zhēng)威脅的集體防護(hù)系統(tǒng)。資料顯示，美國(guó)里根號(hào)航母采用了變壓吸附濾毒通風(fēng)裝置。另外，美國(guó)陸軍成功地演示驗(yàn)證了在M1A1阿布拉姆斯主戰(zhàn)坦克、AH-15柯布拉直升機(jī)和AH-64阿帕奇直升機(jī)上安裝NBC/PSA系統(tǒng)，且PSA過(guò)程已被美軍列入幾個(gè)主要軍用裝備發(fā)展規(guī)劃[8-9]。

1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在可再生吸附方面的研究盡管起步較早，然而在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展相對(duì)較緩，直至進(jìn)入20世紀(jì)90年代，變壓/變溫吸附的優(yōu)越性才逐漸被國(guó)人認(rèn)可，多用于空分制氧制氮領(lǐng)域，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

防化研究院在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了將可再生吸附技術(shù)應(yīng)用于軍用毒劑過(guò)濾領(lǐng)域的預(yù)研工作，并研制了一套可再生過(guò)濾裝置原理樣機(jī)，防護(hù)試驗(yàn)表明該樣機(jī)對(duì)毒劑和有毒有害氣體具有良好的防護(hù)性能，防護(hù)性能大幅超過(guò)基于活性炭過(guò)濾的濾毒通風(fēng)裝置。該原理樣機(jī)采用了深冷法去除大分子毒劑，資源耗費(fèi)巨大。

2技術(shù)分析

2.1高效預(yù)過(guò)濾技術(shù)

在進(jìn)行吸附分離之前，需對(duì)染毒空氣進(jìn)行預(yù)處理，以濾除放射性灰塵、化學(xué)和生物毒劑等顆粒類(lèi)污染物。目前水面艦船采用粗效、中效、高效過(guò)濾器結(jié)合使用的方式去除顆粒類(lèi)污染物，吸附飽和以后，需要更換，粗效、中效過(guò)濾器更換成本較低，高效過(guò)濾器更換費(fèi)用較高。因此，考慮采用膜分離器代替高效過(guò)濾器進(jìn)行核生化顆粒類(lèi)污染物的過(guò)濾，使其具備長(zhǎng)期、連續(xù)、有效的處理能力和自清洗能力，無(wú)需后續(xù)維護(hù)。

陶瓷膜作為一類(lèi)新型的膜分離介質(zhì)，具有諸多材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：熱穩(wěn)定性好，耐高溫；化學(xué)穩(wěn)定性好，可耐酸堿物質(zhì)、有機(jī)溶劑和微生物的化學(xué)侵蝕；機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨，耐沖刷；在高壓下不變形，易清洗和再生；使用壽命長(zhǎng)。陶瓷膜由于膜材質(zhì)耐腐蝕，再生性能好，重復(fù)使用率高，從而減少更換次數(shù)，降低生產(chǎn)成本[10]。

以氧化鋁基體材料為基礎(chǔ)，制造出適合核生化處理用的陶瓷膜材料；核生化錯(cuò)流陶瓷膜分離器作為預(yù)處理與吸附凈化處理配套使用，可適用于未來(lái)核生化戰(zhàn)況污染物的連續(xù)防護(hù)，截留粒徑較小的微粒和生物氣溶膠。

2.2吸附材料改性與床層優(yōu)化

軍用吸附分離技術(shù)是依據(jù)毒劑蒸汽在吸附劑材料上的優(yōu)先吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)有毒物質(zhì)的脫除，從而達(dá)到凈化空氣的目的。各種毒劑除理化性質(zhì)和毒性差異之外有一個(gè)共同點(diǎn)，即只有其分子直徑小于吸附劑的孔徑，才可能被吸附劑吸附而達(dá)到脫除的目的。因此，要選擇具有適當(dāng)?shù)目讖椒植己统爻合旅摳侥芰?qiáng)的吸附劑[11]。

目前工業(yè)上常用的吸附劑有沸石分子篩、活性炭、硅膠和活性氧化鋁等。每種吸附劑都有其適合的防護(hù)范圍，要想具有較寬的防護(hù)范圍，需要復(fù)合多種吸附劑。

以沸石分子篩為基礎(chǔ)，引入功能離子，通過(guò)改性克服水的競(jìng)爭(zhēng)性吸附，提高吸附劑對(duì)生物戰(zhàn)劑與化學(xué)戰(zhàn)劑廣譜性的吸附能力，經(jīng)反復(fù)的材料合成-測(cè)試-優(yōu)化過(guò)程，研制出了BC-03#優(yōu)選吸附材料(見(jiàn)圖2)；設(shè)計(jì)了復(fù)合床層結(jié)構(gòu)，有針對(duì)性地設(shè)置吸附塔器內(nèi)部的功能結(jié)構(gòu)層，提高床層對(duì)化學(xué)戰(zhàn)劑廣譜性的吸附能力。將吸附劑顆粒與適量的粘結(jié)劑結(jié)合，使其固定化成型，從而避免高速氣流下的流態(tài)化，同時(shí)減少由于裝置搖晃、震動(dòng)等引起的顆粒之間摩擦和磨損。

圖2　BC-03#吸附材料

2.3吸附過(guò)濾工藝運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

吸附過(guò)濾過(guò)程是基于動(dòng)力學(xué)吸附分離與平衡吸附分離理論的吸附分離過(guò)程，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對(duì)變溫變壓吸附過(guò)程的吸附溫度、壓力、進(jìn)氣流量、吸附時(shí)間、清洗比、回流比、再生溫度等操作參數(shù)和過(guò)程性能之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬，可以指導(dǎo)吸附凈化過(guò)程的設(shè)計(jì)、選型及過(guò)程優(yōu)化。

根據(jù)吸附分離過(guò)程構(gòu)建變溫、變壓吸附分離模型，通過(guò)輸入流體的壓力、流速、溫度及組分等參數(shù)，可以得到吸附后的流體壓力、流速、溫度及組分等參數(shù)，輸出隨吸附時(shí)間、清洗比、回流比及再生溫度等操作參數(shù)而變化，并已完成參數(shù)設(shè)定與驗(yàn)證。當(dāng)濾毒通風(fēng)裝置運(yùn)行后，根據(jù)監(jiān)控軟件記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析并指導(dǎo)后續(xù)分離過(guò)程優(yōu)化。

2.4加速脫附技術(shù)

在吸附分離過(guò)程中，吸附材料的吸附性能決定了目標(biāo)組分是否可以實(shí)現(xiàn)分離，而脫附性能則決定了系統(tǒng)的處理精度和處理量。所以，強(qiáng)化脫附過(guò)程對(duì)保證單元濾除精度、減小裝置體積及降低系統(tǒng)資源消耗都具有很重要的意義。

變溫吸附是基于流體易吸附組分在常溫下吸附而在高溫下脫附而實(shí)現(xiàn)的，適用于溫度變化不大但吸附量變化很大的強(qiáng)吸附組分的分離。

在濾毒通風(fēng)裝置再生過(guò)程中引入了高溫加速脫附過(guò)程，脫附過(guò)程中開(kāi)啟加熱器，將氣體加熱到一定溫度，可增強(qiáng)吸附劑的解吸，徹底再生吸附劑。脫附結(jié)束前關(guān)閉加熱器后，繼續(xù)用清潔空氣逆流引入吸附塔進(jìn)行吹冷與置換，將脫附床層降溫至接近常溫。

3過(guò)濾裝置

基于可再生吸附的再生式核生化過(guò)濾裝置采用預(yù)過(guò)濾、換熱冷卻和吸附凈化三級(jí)處理過(guò)程對(duì)污染物的不同成分分別進(jìn)行凈化處理。

1)預(yù)過(guò)濾處理過(guò)程。染毒空氣先經(jīng)粗效過(guò)濾器濾除粒徑較大的顆粒和各種異物，然后進(jìn)入錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾器，粒徑較小的微粒和生物氣溶膠隨氣流進(jìn)入過(guò)濾器時(shí)，受到空氣動(dòng)力場(chǎng)作用向過(guò)濾介質(zhì)遷移，沉積在介質(zhì)表面形成濾餅并被穿過(guò)流的剪切力除去。

2)換熱冷卻處理過(guò)程。經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾的空氣被增壓后，通過(guò)換熱器將氣體溫度降低，毒劑分子在空氣中的飽和蒸汽壓也隨之降低。對(duì)于高沸點(diǎn)的毒劑，溫度降低有利于其冷凝，降低其在空氣中的濃度。另外，溫度對(duì)吸附質(zhì)與吸附材料表面的吸附力有很大影響。溫度降低時(shí)，分子動(dòng)能減小，其更容易被吸附材料所吸附。

3)吸附凈化處理過(guò)程。采用變壓吸附和變溫吸附相結(jié)合。變壓吸附利用吸附劑對(duì)不同氣體在吸附量、吸附速度、吸附推動(dòng)力等方面的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力的變化而變化的特性，在加壓時(shí)完成混合氣體的吸附分離，在降壓條件下完成吸附劑的再生，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離及吸附劑循環(huán)使用的目的。變溫吸附是基于流體易吸附組分在常溫下吸附而在高溫下脫附而實(shí)現(xiàn)的，需要不斷加熱再生。

再生式核生化過(guò)濾裝置主要由預(yù)過(guò)濾模塊、動(dòng)力模塊、吸附凈化模塊和監(jiān)控模塊組成，工作流程見(jiàn)圖3。

圖3　工作流程

染毒空氣經(jīng)由防爆閥，由風(fēng)機(jī)送入膜過(guò)濾器，陶瓷膜過(guò)濾材料截留了粒徑較大的微粒和氣溶膠，經(jīng)預(yù)過(guò)濾的空氣進(jìn)入動(dòng)力模塊；被過(guò)濾材料截留的微粒和氣溶膠隨流經(jīng)膜材料表面的空氣帶走，廢氣排放至艦外大氣。膜過(guò)濾器阻力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，采用壓縮空氣進(jìn)行反吹。

經(jīng)預(yù)過(guò)濾的空氣由高壓鼓風(fēng)機(jī)增壓后，通過(guò)換熱器將氣體溫度降低，換熱器采用冷媒水作為冷卻介質(zhì)。經(jīng)增壓和冷卻后的空氣進(jìn)入吸附凈化模塊做進(jìn)一步凈化處理。

經(jīng)預(yù)過(guò)濾和動(dòng)力模塊后的空氣進(jìn)入裝填有專(zhuān)用吸附劑的吸附塔，該專(zhuān)用吸附劑由3種改性沸石材料復(fù)合而成，可對(duì)染毒空氣中殘留的毒劑成分依次進(jìn)行截留，經(jīng)吸附凈化后的潔凈空氣經(jīng)毒劑濃度檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)合格后送至集防區(qū)。2臺(tái)吸附塔周期性切換吸附-脫附工作狀態(tài)，經(jīng)凈化處理的部分潔凈空氣逆向引入吸附塔進(jìn)行脫附，為加強(qiáng)解吸效果以及縮短解吸時(shí)間，在真空解吸的同時(shí)進(jìn)行加熱解吸，廢氣經(jīng)真空泵排放至艦外大氣。

監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)工藝流程、閥位的運(yùn)行狀態(tài)顯示和各儀表、傳感器的實(shí)時(shí)采樣顯示，對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中控制，并設(shè)置必要的故障報(bào)警點(diǎn)和操作安全連鎖。

4結(jié)束語(yǔ)

再生式核生化過(guò)濾裝置可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，能對(duì)核生化污染物進(jìn)行連續(xù)防護(hù)，無(wú)需頻繁更換過(guò)濾器，因此，該裝置可以有效保障艦員的安全、保證艦船的作戰(zhàn)性能，節(jié)約大量運(yùn)行和維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉虹,劉飛,王斌.海上核化生安全威脅與水面艦艇集體防護(hù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(7):151-155.

[2] 梅建庭,羅一丁.大型水面艦船集體防護(hù)體系的構(gòu)建與作用[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(5):98-101.

[3] 方勇.艦船核生化防御措施及規(guī)避行為[J].船海工程,2013,42(4):131-133.

[4] 加璐,程代云.軍用浸漬炭研究的歷史與現(xiàn)狀[J].防化學(xué)報(bào),1995(2):83.

[5] 趙秀國(guó),徐金喜,張文昌，等.可再生濾毒通風(fēng)裝置研究與設(shè)計(jì)[J].軍事醫(yī)學(xué),2013,37(8):571-573.

[6] WHITE D H. Military pressure swing adsorption systems come of age[J]. ASA News and The ASA Newsletter, 1992(2):14-15.

[7] 李旭霞,張鄆城.外軍艦船對(duì)核生化武器的防護(hù)[J].中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué),2004,11(2):124-126.

[8] 劉書(shū)子.美海軍艦用核生化集體防護(hù)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代艦船,1995(10):31-33.

[9] 包劍,羅雯軍,王吉.美國(guó)海軍水面艦艇核生化防護(hù)新發(fā)展[J].船海工程,2013,42(4):81-83, 88.

[10] 王雪學(xué).膜分離現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].化學(xué)進(jìn)展,1994(6):195.

[11] 程代云,史喜成.集體防護(hù)裝備技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

On the NBC Filtration Technology Based on Renewable Adsorption

DU Hong-xia, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The existing toxic gas filtering device has problems of short protection time and periodic replacement. Based on the renewable adsorption technology, renewable NBC filtration device is investigated to improve the NBC defense ability of warship. The renewable NBC filtration device can work long-term and continuously defend towards NBC pollutant, it significantly promote the protection ability of the collective protection system, can save a great deal of circulating and supporting cost in the meantime.

Key words:renewable; adsorption; NBC; filtration; toxic gas filtering device

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0004-04

第一作者簡(jiǎn)介：杜紅霞(1984-)，女，博士，工程師E-mail:dhx.cn@hotmail.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.002

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)