一種新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置

，，

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

空調(diào)系統(tǒng)影響船員身心健康和工作生活環(huán)境的主要因素可分為以下三類。

1)氣態(tài)污染物。氣態(tài)污染物分為無機(jī)氣態(tài)污染物和有機(jī)氣態(tài)污染物。無機(jī)氣態(tài)污染物包括NO2、SO2、NH3、H2S等無機(jī)氣體。據(jù)報(bào)道，英國海軍用GC-MS技術(shù)定性分析出有機(jī)氣態(tài)污染物195種，其中芳香族化合物42種，脂肪烴77種，含鹵化合物20種，含氧化合物18種，其他元素化合物4種。人員生活、涂刷的油漆、廚房油煙、吸煙產(chǎn)生的煙霧、化學(xué)試劑以及從新風(fēng)口吸入的煙氣、尾氣等均是氣態(tài)污染物的主要來源。

2)固體顆粒物和微生物。固體顆粒物主要由室內(nèi)空氣中懸浮的各種粉塵微粒構(gòu)成，包括從大氣中吸入霧霾和煙塵、人員日常生活中產(chǎn)生的細(xì)小的毛發(fā)、各種皮屑和殘?jiān)?；微生物主要指包括空氣中分散的?xì)菌、病毒等有害微生物。

3)空調(diào)器室噪聲。長期處于高噪聲環(huán)境中，不但會對聽力造成損傷，還會影響人員的身心健康?？照{(diào)器室內(nèi)風(fēng)機(jī)、空調(diào)器噪聲大，若無隔聲措施，空調(diào)器室的噪聲可通過風(fēng)管或回風(fēng)格柵等傳遞到住室及工作室等處。

針對以上單個(gè)問題，均有獨(dú)立的解決方案，但各設(shè)備功能單一、效果欠佳、占用總體空間大。文中設(shè)計(jì)的裝置將空調(diào)回風(fēng)除塵、殺菌、氣態(tài)污染物凈化、隔聲等功能一體化集成，旨在同時(shí)解決上述問題。

1 凈化技術(shù)方案論證

1.1 氣態(tài)污染物凈化技術(shù)方案

氣態(tài)污染物的凈化，是利用化學(xué)、物理及生物等方法，將污染物從廢氣中分離或轉(zhuǎn)化。氣態(tài)污染物的凈化有多種方法，目前較適合船用的方法主要有：光分解法、等離子體分解法、臭氧分解法、吸收法、吸附法等。

光分解法處理廢氣主要通過以下兩種形式：①直接在合適的波長下，光照有機(jī)物使之分解；②在催化劑作用下，光照使氣態(tài)有機(jī)物分解。文獻(xiàn)[1]采用紫外光對用氯苯配制的模擬有毒有害氣體進(jìn)行直接光降解實(shí)驗(yàn)研究，考察并探討了紫外光降解氣態(tài)氯苯的影響因素及其動力學(xué)。文獻(xiàn)[2]分別從有機(jī)廢氣、無機(jī)有害氣體、空氣中微生物三個(gè)方面綜述光催化氧化處理氣相污染物的研究進(jìn)展及應(yīng)用，并對當(dāng)前技術(shù)的局限性(催化效果低、回收難、光利用率低等)進(jìn)行分析。根據(jù)目前船舶使用情況，光分解法的紫外線照射燈壽命短，易損壞。

文獻(xiàn)[3-4]采用高壓脈沖電暈法對模擬的低濃度、大氣量有機(jī)廢氣(乙醇、丙酮、甲醛及二氯甲烷)進(jìn)行凈化處理實(shí)驗(yàn)研究，分別從各類有機(jī)廢氣的處理效果、反應(yīng)機(jī)理及影響因素等方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明能達(dá)到較好的治理效果。文獻(xiàn)[5-7]主要介紹了脈沖放電等離子體技術(shù)和表面放電等離子體技術(shù)在NOx、SOx、VOCS、有毒廢氣及脫臭等氣態(tài)污染物治理方面的應(yīng)用，均能在常溫、常壓下處理氣態(tài)污染物，并能與電除塵器、袋式過濾器、催化床、活性炭床等相結(jié)合來凈化處理有毒廢氣。文獻(xiàn)[8]綜述了低溫等離子體技術(shù)(NTP)及NTP協(xié)同催化處理VOCs的機(jī)理及研究進(jìn)展。與常規(guī)技術(shù)相比，等離子體分解法具有工藝簡單、可操作性好等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。我國對這方面的研究較晚，大多還在試驗(yàn)階段。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，需要在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制高效催化劑等多方面做深入研究。

文獻(xiàn)[9]分析了臭氧氧化法對硫化氫、硫醇等惡臭氣體的凈化處理效果。結(jié)果表明，該法可以有效脫除廢氣中硫化氫、硫醇等惡臭物質(zhì)。文獻(xiàn)[10]利用紫外燈產(chǎn)生的低濃度臭氧對模擬甲醛廢氣進(jìn)行了凈化效果實(shí)驗(yàn)研究，通過對比空氣凈化器，低濃度臭氧對甲醛的凈化處理效果更好。臭氧分解法具有效率高、成本低等優(yōu)勢，但對于不易氧化組分，該方法難以凈化，因?yàn)槌粞醣旧硎且环N空氣污染物，極易產(chǎn)生二次污染。

用吸收法凈化氣態(tài)污染物不僅效率高，而且還可以將某些污染物轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)品進(jìn)行綜合利用。因此，吸收法被廣泛地用于氣態(tài)污染物的凈化。含SO2、H2S、NOx、HF等污染物的廢氣可以經(jīng)過吸收法去除有害組分。由于廢氣量大、成分復(fù)雜、污染物濃度低，而吸收效率和吸收速率要求又比較高，所以物理吸收達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，多采用化學(xué)吸收來凈化氣態(tài)污染物。此法具有工藝成熟、設(shè)備簡單、投資較低等特點(diǎn)，但吸收液再生費(fèi)用高，容易造成二次污染或資源浪費(fèi)。

吸附法分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附是由固體吸附劑分子與氣體分子間的靜電力或范德華力引起的，兩者之間不發(fā)生化學(xué)作用，是一種可逆過程, 低溫時(shí)吸附量較大，隨著溫度升高，被吸附質(zhì)容易從固體表面脫附，利于吸附劑的再生和被吸附質(zhì)的回收?；瘜W(xué)吸附是由于固體表面與被吸附分子間的化學(xué)鍵力所引起，兩者之間結(jié)合牢固，不易脫附，吸附需要一定的活化能，吸附與脫附速度都較小，隨著溫度升高，吸附和脫附速率都明顯增加。

吸附凈化屬于干法工藝，具有工藝流程簡單、無腐蝕性、吸附材料可再生、綠色環(huán)保、凈化效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。船用氣態(tài)污染凈化可以選用可再生吸附技術(shù)。

1.2 固體顆粒物和微生物凈化技術(shù)方案

目前采用的固體顆粒物和微生物凈化技術(shù)主要有：旋風(fēng)過濾、濕式過濾、袋式過濾、沉降過濾、慣性過濾、靜電過濾、負(fù)離子過濾和介質(zhì)過濾。各類過濾技術(shù)的特點(diǎn)分析比較見表1。

表1 各類過濾技術(shù)的特點(diǎn)分析比較

通過以上分析，沉降過濾、慣性過濾適合大顆粒過濾，過濾方式對空間和能源消耗較大，不適合船舶上采用；濕式過濾需將空氣濕潤，產(chǎn)生污水和細(xì)菌微生物，不適合船舶有限總體資源和封閉性較強(qiáng)的特點(diǎn)；袋式過濾更適合有較大空間的工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品制備，其過濾方式造成阻力很大，基本不能加載入船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)；負(fù)離子主要利用空氣的彌漫性過濾，在特定場合可以結(jié)合空氣凈化使用，由于其負(fù)離子過量帶來諸多問題，不適宜作為船舶獨(dú)立的過濾技術(shù)。

介質(zhì)過濾和靜電過濾是船舶上適合采用的過濾技術(shù)，目前介質(zhì)過濾已廣泛應(yīng)用，但需頻繁更換濾網(wǎng)。過濾粒徑越小，阻力越大，不能除去人體可吸入的小顆粒，不能殺滅細(xì)菌、微生物，使其應(yīng)用受到限制。

靜電過濾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，具有效率高、過濾粒徑小(可達(dá)到1 μm以下)，能夠殺滅細(xì)菌、微生物等特點(diǎn)，過濾設(shè)備體積小，安裝調(diào)試方便，便于船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)加裝；靜電過濾可以利用超聲波進(jìn)行清洗再生，節(jié)約運(yùn)行成本。

2 新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置工作原理

根據(jù)凈化技術(shù)論證結(jié)果，設(shè)計(jì)一種新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置，工作原理見圖1。

圖1 新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置原理

來自空調(diào)服務(wù)房間已經(jīng)被污染的空氣，通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到隔聲組件內(nèi)，可消除部分空氣流動噪聲，同時(shí)隔聲組件也可減弱風(fēng)機(jī)和空調(diào)器室內(nèi)設(shè)備的噪聲往外傳遞。經(jīng)過隔聲處理后，回風(fēng)空氣進(jìn)入到粗效過濾器內(nèi)，可過濾掉較大的顆粒物，防止對后續(xù)凈化功能段的損壞。經(jīng)粗效過濾器初步過濾后再進(jìn)入到靜電式空氣過濾器的電離段離子箱，電離段離子箱通過高壓電源包轉(zhuǎn)換的高壓電，使空氣發(fā)生電離，形成大量自由電子。自由電子在漂移過程中和塵埃中的中性分子或顆粒發(fā)生碰撞，粉塵顆粒吸附電子以后成為荷電粒子。荷電粒子經(jīng)過積塵段離子箱時(shí)，在電場的作用下，帶負(fù)電的塵埃顆粒向正極運(yùn)動，附在集塵段離子箱上。靜電式空氣過濾器產(chǎn)生的高壓電，還能殺死大量的細(xì)菌等微生物，起到殺菌除塵的作用。經(jīng)過靜電式空氣過濾器的殺菌除塵處理后，空氣進(jìn)入到空氣凈化器內(nèi)。空氣凈化器采用多孔特種吸附材料，對回風(fēng)空氣中的氣態(tài)污染物進(jìn)行有效吸附過濾。被處理后的空氣通過冷觸媒過濾網(wǎng)，以祛除靜電式空氣過濾器在高壓電離時(shí)產(chǎn)生的少量臭氧，達(dá)到臭氧排放標(biāo)準(zhǔn)，避免產(chǎn)生二次污染。冷觸媒過濾網(wǎng)可在常溫常壓下催化分解臭氧，分解產(chǎn)生的活性氧可對各種有害氣體進(jìn)行催化氧化分解，使其最終降解為二氧化碳和水。在催化反應(yīng)過程中,冷觸媒作為催化劑，不直接參與反應(yīng)。整個(gè)空氣流動過程由風(fēng)機(jī)提供動力，使空氣從進(jìn)風(fēng)口依次經(jīng)過各功能段后經(jīng)送風(fēng)口排出。風(fēng)機(jī)采用減震器安裝在底座上，通過膨脹節(jié)與設(shè)備撓性連接。

電控箱可對靜電式空氣過濾器和風(fēng)機(jī)的啟停及運(yùn)行工況切換進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控制，并顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)靜電式空氣過濾器和風(fēng)機(jī)故障時(shí)，電控箱可發(fā)出本地聲光并可將報(bào)警信號上傳至上級控制系統(tǒng)。電控箱設(shè)有根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和O3產(chǎn)生量的清洗提示功能，當(dāng)某一項(xiàng)達(dá)到設(shè)置報(bào)警值時(shí)，會提示操作人員對靜電式空氣過濾器進(jìn)行清洗。電控箱還具有消音和試燈等功能。電控箱采取集成設(shè)計(jì)，可對單臺或多臺回風(fēng)空氣凈化單元本體供電和控制。

3 新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置主要功能

新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置主要功能如下。

1)新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的風(fēng)機(jī)采用雙速風(fēng)機(jī)，兩檔可調(diào)，以匹配不同空調(diào)工況下的風(fēng)量。

2)新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的靜電式空氣過濾器對空氣中的0.01～100 μm粒徑范圍的固態(tài)、液態(tài)顆粒進(jìn)行過濾，在設(shè)計(jì)面風(fēng)速約2 m/s時(shí)，對≥2.0 μm粒徑顆粒物的過濾效率>90%(計(jì)數(shù)法單次凈化效率，按GB/T 14295—2008[11])，達(dá)到GB/T 14295—2008中高中效過濾器的等級要求。按GB 21551.3—2010[12]測試，除菌率≥90%。

3)新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的靜電式空氣過濾器O3產(chǎn)生的質(zhì)量濃度1 h均值低于0.1 mg/m3，新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的O3排放的質(zhì)量濃度1 h均值低于0.01 mg/m3，O3排放的質(zhì)量濃度極低，解決了二次污染問題。

4)新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的靜電式空氣過濾器所有電路均具有電壓短路及過載保護(hù)功能，并有指示燈提示；O3產(chǎn)生量達(dá)到質(zhì)量濃度上限后，及時(shí)給出清洗提示。

5)氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度組分為GJB 7497—2012[13]規(guī)定容許的質(zhì)量濃度5倍時(shí)，新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置的空氣凈化器凈化3 h后的空氣滿足GJB 7497—2012《水面艦艇艙室空氣組分容許濃度》指標(biāo)要求?？諝鈨艋鳛V芯為多孔特種吸附材料，可再生循環(huán)利用，再生后的凈化效率經(jīng)測試，不低于原始效率的85%，阻力不大于原始阻力的115%。

6)隔聲組件用于吸收空氣噪聲，31.5 Hz～8 kHz倍頻程中心頻率范圍的A計(jì)權(quán)插入損失≥15 dB(A)。

7)電控箱用于靜電式空氣過濾器和風(fēng)機(jī)的啟停及運(yùn)行工況切換控制，并顯示運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)置靜電式過濾器故障報(bào)警、風(fēng)機(jī)故障報(bào)警功能，形式為本地聲光并上傳至上級控制系統(tǒng)；根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和O3產(chǎn)生量設(shè)置清洗提示功能，提示操作管理人員對靜電式過濾器清洗；電控箱采取集成設(shè)計(jì)，可對單臺或多臺回風(fēng)空氣凈化單元本體供電和控制。

4 結(jié)論

新型船用回風(fēng)空氣凈化裝置將空調(diào)回風(fēng)除塵、殺菌、氣態(tài)污染物凈化、隔聲等功能一體化集成，具有功能多樣、占用總體資源少、可再生使用等優(yōu)點(diǎn)，能有效改善船舶艙室人員居住環(huán)境，保護(hù)船員的身心健康，在船舶空氣凈化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。