基于可再生吸附的核生化过滤技术

杜红霞，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



基于可再生吸附的核生化过滤技术

杜红霞，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：为提高舰船的核生化防护能力，针对现有滤毒通风装置需要定期更换、防护时间短等问题，分析基于可再生吸附的核生化过滤技术，提出再生式核生化过滤装置的技术方案。再生式核生化过滤装置可以长时间运行，进行连续防护，大幅提升集体防护系统的防护能力，同时节约大量运行和维护成本。

关键词：可再生；吸附；核生化；过滤；滤毒通风装置

核武器、生物武器及化学武器的使用使得战争的突然性和破坏力空前增大。核生化武器对海上的打击目标主要为大型水面舰船和编队，面对这些日益增长的大规模杀伤性武器的威胁，要有效保障舰员的安全、保存舰船的有生力量、保证舰船的作战性能，必须构建起可靠、有效的核生化防护能力[1-2]。集体防护是舰船核生化防护的主要形式[3]。滤毒通风装置是集体防护系统的关键设备，滤毒通风装置的防护能力和运行时机是决定防护效果最关键的因素。采用传统活性炭过滤技术的滤毒通风装置，吸附量会在使用一段时间后就会达到饱和，必须更换，是不可再生型过滤器。受到材料工艺及设备尺寸限制，目前不可再生型滤器对毒剂的防护时间有限。不可再生式滤器需要频繁更换，给后勤保障带来沉重的负担[4]。基于可再生吸附技术的再生式核生化过滤装置是一种有效的解决方案，在可再生吸附过程中，吸附在高压和低温下进行，采用低压和高温条件进行吸附剂的再生。因此，再生式核生化过滤装置可以长时间运行，连续防护核生化污染物，同时减少给后勤保障带来的负担[5-6]。

1国内外发展现状

1.1国外发展现状

英国Air Control Technologies(ACT)和PALL Aerospace公司联合研制了一种新型核生化过滤包，这种过滤包采用的是变压吸附(PSA)过滤技术和空气循环温度控制技术[7]。PALL Aerospace公司研制的PSA可再生过滤组件采用填充了吸附剂的滤垫，此滤垫可在一定压力下吸附气体，并在压力解除后解吸。过滤包一般有2个滤垫，一个处于使用状态，在压力下从受污染的空气中吸附有毒气体；另一个处于停用状态，用于再生。这一过程所必需的高压空气以及空气的加热和冷却由ACT公司的空气循环系统提供。

ACT和PALL Aerospace公司还研发了PSA再生生命支援系统。该系统所用的过滤层提供了比以前的PSA系统更为强大的功能。除了装配再生气体过滤层外，该系统还把从气体中吸掉潮气的水分离装置与除去微小尘粒和生物战剂的高效微粒过滤装置结合在一起。

欧洲几个国家联合开展了一个致力于PTSA(变压变温吸附)再生过滤技术的项目，该项目以法国国防部、意大利国防部和一个国际工业联盟合作的方式进行，此工业联盟的成员有SP Defence公司(法国)、Aerosekur公司(意大利)和Domnick Hunter公司(英国)。

目前已投入市场的此类装备有英国Domnic Hunter公司研制的模块式核生化过滤系统。该系统可对抗空气中各种污染物质，并已分别通过神经性毒剂、窒息和血液性毒剂、核粒子、病毒和细菌的测试，能明显降低当前活性炭基的核生化系统再补给、替换和处理过滤器的要求。该系统由美国士兵与化生基地测试并评估，结果成功达到或超过测试目标。NCC净化系统外观见图1。

图1　英国多米尼克-汉德可再生NBC净化系统

美国PALL公司的NBC/PSA系统在美国和北约机构对现有毒剂进行了试验考核；荷兰的TNO试验室在1988年对PSA样机进行了为期连续6个月的考核，毒剂试验证实该系统能广谱地对战场条件下预计可能的毒剂提供连续的集体防护，在整个试验过程中，PSA出口未检出可检量的毒剂；1990年，美国空军在巴尔特纪念研究所对NBC/PSA正式产品的类似试验也表明该系统能在核化战条件下可靠地提供清洁空气。

20世纪80年代，变压吸附已经应用于连续对抗核生化战争威胁的集体防护系统。资料显示，美国里根号航母采用了变压吸附滤毒通风装置。另外，美国陆军成功地演示验证了在M1A1阿布拉姆斯主战坦克、AH-15柯布拉直升机和AH-64阿帕奇直升机上安装NBC/PSA系统，且PSA过程已被美军列入几个主要军用装备发展规划[8-9]。

1.2国内发展现状

国内在可再生吸附方面的研究尽管起步较早，然而在较长的一段时间内发展相对较缓，直至进入20世纪90年代，变压/变温吸附的优越性才逐渐被国人认可，多用于空分制氧制氮领域，并带来了巨大的经济效益。

防化研究院在国内首次开展了将可再生吸附技术应用于军用毒剂过滤领域的预研工作，并研制了一套可再生过滤装置原理样机，防护试验表明该样机对毒剂和有毒有害气体具有良好的防护性能，防护性能大幅超过基于活性炭过滤的滤毒通风装置。该原理样机采用了深冷法去除大分子毒剂，资源耗费巨大。

2技术分析

2.1高效预过滤技术

在进行吸附分离之前，需对染毒空气进行预处理，以滤除放射性灰尘、化学和生物毒剂等颗粒类污染物。目前水面舰船采用粗效、中效、高效过滤器结合使用的方式去除颗粒类污染物，吸附饱和以后，需要更换，粗效、中效过滤器更换成本较低，高效过滤器更换费用较高。因此，考虑采用膜分离器代替高效过滤器进行核生化颗粒类污染物的过滤，使其具备长期、连续、有效的处理能力和自清洗能力，无需后续维护。

陶瓷膜作为一类新型的膜分离介质，具有诸多材料无法比拟的优点，主要表现在：热稳定性好，耐高温；化学稳定性好，可耐酸碱物质、有机溶剂和微生物的化学侵蚀；机械强度高，耐磨，耐冲刷；在高压下不变形，易清洗和再生；使用寿命长。陶瓷膜由于膜材质耐腐蚀，再生性能好，重复使用率高，从而减少更换次数，降低生产成本[10]。

以氧化铝基体材料为基础，制造出适合核生化处理用的陶瓷膜材料；核生化错流陶瓷膜分离器作为预处理与吸附净化处理配套使用，可适用于未来核生化战况污染物的连续防护，截留粒径较小的微粒和生物气溶胶。

2.2吸附材料改性与床层优化

军用吸附分离技术是依据毒剂蒸汽在吸附剂材料上的优先吸附来实现有毒物质的脱除，从而达到净化空气的目的。各种毒剂除理化性质和毒性差异之外有一个共同点，即只有其分子直径小于吸附剂的孔径，才可能被吸附剂吸附而达到脱除的目的。因此，要选择具有适当的孔径分布和常温常压下脱附能力强的吸附剂[11]。

目前工业上常用的吸附剂有沸石分子筛、活性炭、硅胶和活性氧化铝等。每种吸附剂都有其适合的防护范围，要想具有较宽的防护范围，需要复合多种吸附剂。

以沸石分子筛为基础，引入功能离子，通过改性克服水的竞争性吸附，提高吸附剂对生物战剂与化学战剂广谱性的吸附能力，经反复的材料合成-测试-优化过程，研制出了BC-03#优选吸附材料(见图2)；设计了复合床层结构，有针对性地设置吸附塔器内部的功能结构层，提高床层对化学战剂广谱性的吸附能力。将吸附剂颗粒与适量的粘结剂结合，使其固定化成型，从而避免高速气流下的流态化，同时减少由于装置摇晃、震动等引起的颗粒之间摩擦和磨损。

图2　BC-03#吸附材料

2.3吸附过滤工艺运行参数优化

吸附过滤过程是基于动力学吸附分离与平衡吸附分离理论的吸附分离过程，采用计算机数值模拟计算的方法，对变温变压吸附过程的吸附温度、压力、进气流量、吸附时间、清洗比、回流比、再生温度等操作参数和过程性能之间的关系进行数值模拟，可以指导吸附净化过程的设计、选型及过程优化。

根据吸附分离过程构建变温、变压吸附分离模型，通过输入流体的压力、流速、温度及组分等参数，可以得到吸附后的流体压力、流速、温度及组分等参数，输出随吸附时间、清洗比、回流比及再生温度等操作参数而变化，并已完成参数设定与验证。当滤毒通风装置运行后，根据监控软件记录的运行数据分析并指导后续分离过程优化。

2.4加速脱附技术

在吸附分离过程中，吸附材料的吸附性能决定了目标组分是否可以实现分离，而脱附性能则决定了系统的处理精度和处理量。所以，强化脱附过程对保证单元滤除精度、减小装置体积及降低系统资源消耗都具有很重要的意义。

变温吸附是基于流体易吸附组分在常温下吸附而在高温下脱附而实现的，适用于温度变化不大但吸附量变化很大的强吸附组分的分离。

在滤毒通风装置再生过程中引入了高温加速脱附过程，脱附过程中开启加热器，将气体加热到一定温度，可增强吸附剂的解吸，彻底再生吸附剂。脱附结束前关闭加热器后，继续用清洁空气逆流引入吸附塔进行吹冷与置换，将脱附床层降温至接近常温。

3过滤装置

基于可再生吸附的再生式核生化过滤装置采用预过滤、换热冷却和吸附净化三级处理过程对污染物的不同成分分别进行净化处理。

1)预过滤处理过程。染毒空气先经粗效过滤器滤除粒径较大的颗粒和各种异物，然后进入错流陶瓷膜过滤器，粒径较小的微粒和生物气溶胶随气流进入过滤器时，受到空气动力场作用向过滤介质迁移，沉积在介质表面形成滤饼并被穿过流的剪切力除去。

2)换热冷却处理过程。经过预过滤的空气被增压后，通过换热器将气体温度降低，毒剂分子在空气中的饱和蒸汽压也随之降低。对于高沸点的毒剂，温度降低有利于其冷凝，降低其在空气中的浓度。另外，温度对吸附质与吸附材料表面的吸附力有很大影响。温度降低时，分子动能减小，其更容易被吸附材料所吸附。

3)吸附净化处理过程。采用变压吸附和变温吸附相结合。变压吸附利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附推动力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性，在加压时完成混合气体的吸附分离，在降压条件下完成吸附剂的再生，从而实现气体分离及吸附剂循环使用的目的。变温吸附是基于流体易吸附组分在常温下吸附而在高温下脱附而实现的，需要不断加热再生。

再生式核生化过滤装置主要由预过滤模块、动力模块、吸附净化模块和监控模块组成，工作流程见图3。

图3　工作流程

染毒空气经由防爆阀，由风机送入膜过滤器，陶瓷膜过滤材料截留了粒径较大的微粒和气溶胶，经预过滤的空气进入动力模块；被过滤材料截留的微粒和气溶胶随流经膜材料表面的空气带走，废气排放至舰外大气。膜过滤器阻力超过设定值时，采用压缩空气进行反吹。

经预过滤的空气由高压鼓风机增压后，通过换热器将气体温度降低，换热器采用冷媒水作为冷却介质。经增压和冷却后的空气进入吸附净化模块做进一步净化处理。

经预过滤和动力模块后的空气进入装填有专用吸附剂的吸附塔，该专用吸附剂由3种改性沸石材料复合而成，可对染毒空气中残留的毒剂成分依次进行截留，经吸附净化后的洁净空气经毒剂浓度检测设备检测合格后送至集防区。2台吸附塔周期性切换吸附-脱附工作状态，经净化处理的部分洁净空气逆向引入吸附塔进行脱附，为加强解吸效果以及缩短解吸时间，在真空解吸的同时进行加热解吸，废气经真空泵排放至舰外大气。

监控模块实现工艺流程、阀位的运行状态显示和各仪表、传感器的实时采样显示，对工艺运行参数进行集中控制，并设置必要的故障报警点和操作安全连锁。

4结束语

再生式核生化过滤装置可以长时间连续运行，能对核生化污染物进行连续防护，无需频繁更换过滤器，因此，该装置可以有效保障舰员的安全、保证舰船的作战性能，节约大量运行和维护成本。

参考文献

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[11] 程代云,史喜成.集体防护装备技术基础[M].北京：国防工业出版社,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

中图分类号：U664.156

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0004-04

第一作者简介：杜红霞(1984-)，女，博士，工程师E-mail:dhx.cn@hotmail.com

基金项目：国家部委基金资助项目

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:船舶保障系统设计