一种新型船用回风空气净化装置

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

空调系统影响船员身心健康和工作生活环境的主要因素可分为以下三类。

1)气态污染物。气态污染物分为无机气态污染物和有机气态污染物。无机气态污染物包括NO2、SO2、NH3、H2S等无机气体。据报道，英国海军用GC-MS技术定性分析出有机气态污染物195种，其中芳香族化合物42种，脂肪烃77种，含卤化合物20种，含氧化合物18种，其他元素化合物4种。人员生活、涂刷的油漆、厨房油烟、吸烟产生的烟雾、化学试剂以及从新风口吸入的烟气、尾气等均是气态污染物的主要来源。

2)固体颗粒物和微生物。固体颗粒物主要由室内空气中悬浮的各种粉尘微粒构成，包括从大气中吸入雾霾和烟尘、人员日常生活中产生的细小的毛发、各种皮屑和残渣等；微生物主要指包括空气中分散的细菌、病毒等有害微生物。

3)空调器室噪声。长期处于高噪声环境中，不但会对听力造成损伤，还会影响人员的身心健康。空调器室内风机、空调器噪声大，若无隔声措施，空调器室的噪声可通过风管或回风格栅等传递到住室及工作室等处。

针对以上单个问题，均有独立的解决方案，但各设备功能单一、效果欠佳、占用总体空间大。文中设计的装置将空调回风除尘、杀菌、气态污染物净化、隔声等功能一体化集成，旨在同时解决上述问题。

1 净化技术方案论证

1.1 气态污染物净化技术方案

气态污染物的净化，是利用化学、物理及生物等方法，将污染物从废气中分离或转化。气态污染物的净化有多种方法，目前较适合船用的方法主要有：光分解法、等离子体分解法、臭氧分解法、吸收法、吸附法等。

光分解法处理废气主要通过以下两种形式：①直接在合适的波长下，光照有机物使之分解；②在催化剂作用下，光照使气态有机物分解。文献[1]采用紫外光对用氯苯配制的模拟有毒有害气体进行直接光降解实验研究，考察并探讨了紫外光降解气态氯苯的影响因素及其动力学。文献[2]分别从有机废气、无机有害气体、空气中微生物三个方面综述光催化氧化处理气相污染物的研究进展及应用，并对当前技术的局限性(催化效果低、回收难、光利用率低等)进行分析。根据目前船舶使用情况，光分解法的紫外线照射灯寿命短，易损坏。

文献[3-4]采用高压脉冲电晕法对模拟的低浓度、大气量有机废气(乙醇、丙酮、甲醛及二氯甲烷)进行净化处理实验研究，分别从各类有机废气的处理效果、反应机理及影响因素等方面进行分析，结果表明能达到较好的治理效果。文献[5-7]主要介绍了脉冲放电等离子体技术和表面放电等离子体技术在NOx、SOx、VOCS、有毒废气及脱臭等气态污染物治理方面的应用，均能在常温、常压下处理气态污染物，并能与电除尘器、袋式过滤器、催化床、活性炭床等相结合来净化处理有毒废气。文献[8]综述了低温等离子体技术(NTP)及NTP协同催化处理VOCs的机理及研究进展。与常规技术相比，等离子体分解法具有工艺简单、可操作性好等特点，具有较好的应用前景。我国对这方面的研究较晚，大多还在试验阶段。为实现工业化，需要在反应器结构设计、研制高效催化剂等多方面做深入研究。

文献[9]分析了臭氧氧化法对硫化氢、硫醇等恶臭气体的净化处理效果。结果表明，该法可以有效脱除废气中硫化氢、硫醇等恶臭物质。文献[10]利用紫外灯产生的低浓度臭氧对模拟甲醛废气进行了净化效果实验研究，通过对比空气净化器，低浓度臭氧对甲醛的净化处理效果更好。臭氧分解法具有效率高、成本低等优势，但对于不易氧化组分，该方法难以净化，因为臭氧本身是一种空气污染物，极易产生二次污染。

用吸收法净化气态污染物不仅效率高，而且还可以将某些污染物转化成有用的产品进行综合利用。因此，吸收法被广泛地用于气态污染物的净化。含SO2、H2S、NOx、HF等污染物的废气可以经过吸收法去除有害组分。由于废气量大、成分复杂、污染物浓度低，而吸收效率和吸收速率要求又比较高，所以物理吸收达不到排放标准，多采用化学吸收来净化气态污染物。此法具有工艺成熟、设备简单、投资较低等特点，但吸收液再生费用高，容易造成二次污染或资源浪费。

吸附法分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是由固体吸附剂分子与气体分子间的静电力或范德华力引起的，两者之间不发生化学作用，是一种可逆过程, 低温时吸附量较大，随着温度升高，被吸附质容易从固体表面脱附，利于吸附剂的再生和被吸附质的回收。化学吸附是由于固体表面与被吸附分子间的化学键力所引起，两者之间结合牢固，不易脱附，吸附需要一定的活化能，吸附与脱附速度都较小，随着温度升高，吸附和脱附速率都明显增加。

吸附净化属于干法工艺，具有工艺流程简单、无腐蚀性、吸附材料可再生、绿色环保、净化效率高、无二次污染等优点。船用气态污染净化可以选用可再生吸附技术。

1.2 固体颗粒物和微生物净化技术方案

目前采用的固体颗粒物和微生物净化技术主要有：旋风过滤、湿式过滤、袋式过滤、沉降过滤、惯性过滤、静电过滤、负离子过滤和介质过滤。各类过滤技术的特点分析比较见表1。

表1 各类过滤技术的特点分析比较

通过以上分析，沉降过滤、惯性过滤适合大颗粒过滤，过滤方式对空间和能源消耗较大，不适合船舶上采用；湿式过滤需将空气湿润，产生污水和细菌微生物，不适合船舶有限总体资源和封闭性较强的特点；袋式过滤更适合有较大空间的工业领域的产品制备，其过滤方式造成阻力很大，基本不能加载入船舶空调通风系统；负离子主要利用空气的弥漫性过滤，在特定场合可以结合空气净化使用，由于其负离子过量带来诸多问题，不适宜作为船舶独立的过滤技术。

介质过滤和静电过滤是船舶上适合采用的过滤技术，目前介质过滤已广泛应用，但需频繁更换滤网。过滤粒径越小，阻力越大，不能除去人体可吸入的小颗粒，不能杀灭细菌、微生物，使其应用受到限制。

静电过滤技术已广泛应用于各领域，具有效率高、过滤粒径小(可达到1 μm以下)，能够杀灭细菌、微生物等特点，过滤设备体积小，安装调试方便，便于船舶空调通风系统加装；静电过滤可以利用超声波进行清洗再生，节约运行成本。

2 新型船用回风空气净化装置工作原理

根据净化技术论证结果，设计一种新型船用回风空气净化装置，工作原理见图1。

图1 新型船用回风空气净化装置原理

来自空调服务房间已经被污染的空气，通过进风口进入到隔声组件内，可消除部分空气流动噪声，同时隔声组件也可减弱风机和空调器室内设备的噪声往外传递。经过隔声处理后，回风空气进入到粗效过滤器内，可过滤掉较大的颗粒物，防止对后续净化功能段的损坏。经粗效过滤器初步过滤后再进入到静电式空气过滤器的电离段离子箱，电离段离子箱通过高压电源包转换的高压电，使空气发生电离，形成大量自由电子。自由电子在漂移过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞，粉尘颗粒吸附电子以后成为荷电粒子。荷电粒子经过积尘段离子箱时，在电场的作用下，带负电的尘埃颗粒向正极运动，附在集尘段离子箱上。静电式空气过滤器产生的高压电，还能杀死大量的细菌等微生物，起到杀菌除尘的作用。经过静电式空气过滤器的杀菌除尘处理后，空气进入到空气净化器内。空气净化器采用多孔特种吸附材料，对回风空气中的气态污染物进行有效吸附过滤。被处理后的空气通过冷触媒过滤网，以祛除静电式空气过滤器在高压电离时产生的少量臭氧，达到臭氧排放标准，避免产生二次污染。冷触媒过滤网可在常温常压下催化分解臭氧，分解产生的活性氧可对各种有害气体进行催化氧化分解，使其最终降解为二氧化碳和水。在催化反应过程中,冷触媒作为催化剂，不直接参与反应。整个空气流动过程由风机提供动力，使空气从进风口依次经过各功能段后经送风口排出。风机采用减震器安装在底座上，通过膨胀节与设备挠性连接。

电控箱可对静电式空气过滤器和风机的启停及运行工况切换进行本地和远程控制，并显示设备的运行状态。当静电式空气过滤器和风机故障时，电控箱可发出本地声光并可将报警信号上传至上级控制系统。电控箱设有根据运行时间和O3产生量的清洗提示功能，当某一项达到设置报警值时，会提示操作人员对静电式空气过滤器进行清洗。电控箱还具有消音和试灯等功能。电控箱采取集成设计，可对单台或多台回风空气净化单元本体供电和控制。

3 新型船用回风空气净化装置主要功能

新型船用回风空气净化装置主要功能如下。

1)新型船用回风空气净化装置的风机采用双速风机，两档可调，以匹配不同空调工况下的风量。

2)新型船用回风空气净化装置的静电式空气过滤器对空气中的0.01～100 μm粒径范围的固态、液态颗粒进行过滤，在设计面风速约2 m/s时，对≥2.0 μm粒径颗粒物的过滤效率>90%(计数法单次净化效率，按GB/T 14295—2008[11])，达到GB/T 14295—2008中高中效过滤器的等级要求。按GB 21551.3—2010[12]测试，除菌率≥90%。

3)新型船用回风空气净化装置的静电式空气过滤器O3产生的质量浓度1 h均值低于0.1 mg/m3，新型船用回风空气净化装置的O3排放的质量浓度1 h均值低于0.01 mg/m3，O3排放的质量浓度极低，解决了二次污染问题。

4)新型船用回风空气净化装置的静电式空气过滤器所有电路均具有电压短路及过载保护功能，并有指示灯提示；O3产生量达到质量浓度上限后，及时给出清洗提示。

5)气态污染物质量浓度组分为GJB 7497—2012[13]规定容许的质量浓度5倍时，新型船用回风空气净化装置的空气净化器净化3 h后的空气满足GJB 7497—2012《水面舰艇舱室空气组分容许浓度》指标要求。空气净化器滤芯为多孔特种吸附材料，可再生循环利用，再生后的净化效率经测试，不低于原始效率的85%，阻力不大于原始阻力的115%。

6)隔声组件用于吸收空气噪声，31.5 Hz～8 kHz倍频程中心频率范围的A计权插入损失≥15 dB(A)。

7)电控箱用于静电式空气过滤器和风机的启停及运行工况切换控制，并显示运行状态；设置静电式过滤器故障报警、风机故障报警功能，形式为本地声光并上传至上级控制系统；根据运行时间和O3产生量设置清洗提示功能，提示操作管理人员对静电式过滤器清洗；电控箱采取集成设计，可对单台或多台回风空气净化单元本体供电和控制。

4 结论

新型船用回风空气净化装置将空调回风除尘、杀菌、气态污染物净化、隔声等功能一体化集成，具有功能多样、占用总体资源少、可再生使用等优点，能有效改善船舶舱室人员居住环境，保护船员的身心健康，在船舶空气净化领域具有广泛的应用前景。