舰船可再生滤毒通风技术研究进展

杜 平，魏世超，肖春英，贾建国

(1.海军驻保定地区航空军事代表室，河北 保定 071000；2.中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

0 引 言

随着时代的推移，科技的发展，拥有核生化大规模杀伤性武器的国家不断增多，虽然和平与发展是当今时代的主题，但在局部战争，恐怖组织中使用核生化武器的风险在加大[1]，尤其是原料和生产工艺设备相对容易得到，成本较低的化学武器，更是成为许多穷国和恐怖组织首选的威慑力量。

舰船作为一个独立的战斗集体，而舰上人员集中、密度大、活动范围小，当遭受核生化武器袭击或工业毒剂污染时，不像陆地人员那样可以撤出沾染区。水面舰艇集体防护系统是在核生化袭击以及工业次生危害发生时，保护舰员及其工作环境免受核生化污染，保持舰员在核生化环境下的生存和战斗能力的装备技术。因此，世界各海军强国对海军水面舰艇集体防护系统的重视程度越来越高

滤毒通风装置是海军舰船面对核生化武器威胁以及生化恐怖袭击保障战斗人员安全，不受核生化沾染集体防护的关键设备。传统的滤毒通风装置采用玻璃纤维制备的高效滤器和浸渍有金属氧化物的活性炭滤器组合技术来分级净化空气。其中浸渍炭滤器工作一段时间后，防护剂量达到饱和，必须停机更换，给后勤保障带来沉重负担，是海军舰船核生化防护性能进一步提高的制约因素。全时防护，更宽防护谱，后勤保障维护简单是滤毒通风技术的发展方向。

近年来随着技术发展，国外将变温变压技术引入到核生化防护领域，提出可再生滤毒通风技术，克服滤器只能单次使用寿命有限，需要频繁更换的缺点，并且扩大防护谱，可以对经典军用毒剂以及多种工业有毒气体进行有效防护。美国海军也十分看好可再生防护装置，美国海军舰载集体防护系统的项目主管Richard Warder表示，持续增长的全寿命费用，以及化学毒剂种类的不断增多，使单向活性炭过滤系统很难满足未来核化生防护的需要，可再生防护系统能够满足这些要求，有集成到美国海军各种军舰上的可能。

1 传统滤毒通风技术

水面舰艇集防系统构成复杂主要包括空气监控设备、密和超压控制设备、滤毒通风设备以及其他辅助设备[2-3]。滤毒通风装置是整个集防系统的核心设备。传统滤毒通风技术是以玻璃纤维制备的高效滤器和浸渍有金属氧化物的活性炭滤器为核心单元进行分级净化空气。核生化污染的空气首先通过初效滤器，滤除空气中大颗粒沾染物，进入高效滤器。高效滤器的过滤效率一般在99.999%以上，能够有效去除核生化沾染中的放射性灰尘、毒烟、毒雾、生物战剂等气溶胶污染。最后进入浸渍活性炭滤器，利用吸附和催化的原理将染毒空气中气态的化学毒剂吸附，难以吸附的化学毒剂在浸渍炭催化剂的作用下，生成无毒物质，将洁净空气送入集防区。

针对核生化污染中“核”、“生”污染主要通过高效滤器来祛除，具有较长的防护时间。而对于气态的“化”污染目前各国海军普遍采用的是浸渍有催化剂的炭吸附材料通过吸附和催化来防护，这种滤器能够在一定时间内有效防护军用毒剂，但是炭滤器寿命有限，一定时间后必须更换，造成后勤维修保障的负担，正是传统炭滤器的这一限制，催生了可再生滤毒通风技术的发展[4]。

2 可再生滤毒通风技术

2.1 国外发展现状

变压吸附系统自1956年美国W.斯卡斯特罗发现变压吸附分离基本工艺以后，目前已广泛应用于气体干燥、空气分离、净化等领域。20世纪80年代已被开发用于集防器材，美国和英国率先取得突破。

美国Pall公司研制的核化生可再生系统在美国和北约的机构针对现有的毒剂进行试验考核[2]。1988年在北约成员荷兰的TNO Prins Maurits实验室对样机进行6个月的实毒考核，证实该系统能够提供连续的集体防护。1990年在美国空军巴特尔纪念研究所再次对样机进行验证，证实该系统能够在核生化条件下，可靠地提供洁净的空气。美国陆军在M1A1“阿布拉姆”主战坦克，AH-15“柯布拉”直升机和AH-64“阿帕奇”直升机上安装了可再生核化生防护系统并进行成功演示验证。

图1 Pall公司的可再生滤毒通风装备Fig.1 The Pall company regenerable filter ventilation device

英国BAE宇航系统公司设计建造的装甲车中，采用英国Domnick Hunter公司研制的可再生防护系统，由空气涡轮压缩机提供空气，并与装甲车环境控制系统共用换热器和过滤器等设备，因此功率、体积和重量较小。目前这套装置已经安装到英国陆军的“特洛伊”和“泰坦”装甲工程车上。

欧洲的其他国家对于可再生滤毒通风技术也非常重视，法国国防部、意大利国防部和一个国际工业联盟，联合开展了基于变压变温吸附的可再生滤毒通风技术的研究项目。

2.2 再生滤毒通风技术原理

可再生滤毒通风技术中的可再生概念主要针对传统滤毒通风技术中的制约因素化学毒剂而言。基于可逆的物理吸附，温度越低、压力越高，吸附量越大，反之，温度越高、压力越低，则吸附量越小。通过化学毒剂在吸附剂上的吸附进行防护，在吸附剂上的脱附实现再生循环使用。

通常有2个吸附单元轮流吸附和再生，其中一个吸附单元在高压常温下运行，染毒的空气经过吸附床，毒剂分子吸附在吸附剂上，空气得到净化。另一个吸附单元进入低压高温的脱附再生阶段，利用一部分干净空气进行吹扫，促进吸附剂再生。经过吸附-再生循环使用，达到连续进行防护的目的。

图2 可再生滤毒通风技术原理Fig.2 The principle of the regenerable filter ventilation technology

可再生吸附技术与传统的单次使用的浸渍炭滤器相比具有多种优势：1）能够实现长时间连续防护，在核生化攻击时，不需要脱离战场；2）后勤保障负担小，只需要简单的机械维护；3）防护谱系宽，能够防护现有经典的毒剂和绝大部分工业有毒气体。

2.3 吸附剂和床层结构研究

化学毒剂种类多，分子大小不一，性质各异。可再生滤毒通风技术要求必须能够脱除大量性质不同的化学毒剂。因此得到具有适当的孔径分布和吸附脱附平衡的吸附剂，是可再生滤毒通风技术的核心问题[3]。

Pall公司的Verrando等[4]用13X分子筛作为吸附剂，利用工业变压吸附干燥机作为测试样机，以一氯甲烷和DMMP（甲基膦酸二甲酯）分别作低沸点和高沸点的毒剂模拟剂进行实验，结果证实13X分子筛具有良好的毒剂吸附和再生能力，并且为了防止在反复的压力冲击下吸附剂的粉化，提出了利用高分子聚合物实现吸附剂床层固定的方法。具体分为3个步骤：1）预热吸附剂小球；2）将8～100 μm的聚合物颗粒和预热的吸附剂小球混合均匀，聚合物颗粒质量占总质量的2%～5%；3）在一定压力下，加热到聚合物的熔融状态，然后冷却，得到自支撑结构，可以有效地防止吸附剂的粉化并且基本保持吸附剂的吸附性能，没有明显的衰减。

国内的张家毅等[5]也以13X分子筛为吸附剂，二氯甲烷和DMMP为模拟剂，分别对二氯甲烷及DMMP在13X分子筛上的吸附等温线，透过曲线及解吸曲线进行试验研究，建立数学模型，结果表明，甲基膦酸二甲酯比二氯甲烷易于透过也易于解吸

但是由于13X分子筛的强吸水性，水和毒剂在吸附剂上的吸附存在竞争关系，水的含量对毒剂的防护性能有重要影响，13X分子筛与水的结合力极强，脱附需要较高的能量（一般需要200℃～300℃）。Holmes等[6]研究发现微孔吸附剂例如13X分子筛，对DMMP的吸附量低，再生性差，单纯的压力变换对DMMP的脱附影响较小，需要提高温度来促进脱附再生。提出采用3层床结构，第1层采用介孔吸附剂，主要去除高沸点低挥发的化学毒剂，水蒸汽和低沸点化学毒剂穿过第1层不被吸附；第2层采用除水吸附剂，主要去除水蒸汽和少部分低沸点化学毒剂，而绝大多数低沸点毒剂穿过第2层进入第3层；第3层采用微孔吸附剂主要去除低沸点毒剂。再生时，热气流反向经过床层，优先脱附低沸点毒剂，然后再脱附水蒸汽和高沸点毒剂。

图3 吸附床层结构设计Fig.3 The structure design of adsorbent bed

Pall公司设计的可再生滤毒通风设备的吸附床采用活性炭+分子筛的双层床结构，第1层的活性炭主要来去除高沸点的化学毒剂，减轻第2层分子筛吸附负担。分子筛主要吸附去除低沸点的化学毒剂，采用这种结构利于吸附剂的再生，降低再生能耗。

Domnick Hunter公司正在开发的下一代可再生吸附技术，吸附材料采用多孔的分子筛中空纤维，目前正在实验考核中。用分子筛中空纤维制备的滤器可以极大的提高吸附容量和吸附速率，能够极大程度地减小吸附床的尺寸重量以及整个装置的能量消耗，将大大促进可再生滤毒通风技术在空间受限的舰船上的应用。

2.4 可再生滤毒通风技术工艺设计

可再生滤毒通风设备一般包括加压设备、换热冷却设备、可再生吸附模块、控制系统等部分[7-8]。

一般的高压风机难以完成所需要的加压任务，若是单独为此装置加压，一定会导致装置功率高、体积和重量超标的问题，限制该技术的应用范围。通过共用发动机涡轮增压集成到环境控制系统等手段，可以有效减小装置功率、体积和重量。

空气增压后，温度上升通过换热冷却设备将气体温度降低，然后进入可再生吸附模块。温度降低一方面有利于高沸点化学毒剂的冷凝，降低其在空气中的浓度。另一方面保证进入吸附模块的空气在合适的温度湿度条件下吸附。

在可再生吸附模块中涉及到工作压力，再生温度，反吹气量等参数。根据吸附剂的特点，选择合适的工作压力。压力选择过高，势必增加能量消耗和对设备的要求，压力选择过低，会导致防护容量不够。在国外的现有设备中，Pall公司研发的可再生滤毒单元吸附压力在0.3 bar，最低不能低于0.25 bar，Domnick Hunter公司研发的模块化可再生滤毒设备吸附压力在0.6 bar。提高温度和反吹气量可以有效促进吸附剂的再生，但再生温度过高，能耗增加，吹冷的时间也会越长，反吹气量增大，造成脱附成本过高。综合以上参数选择合适的切换周期，保证装置可靠连续运行。

2.5 可再生滤毒通风技术在舰船应用中存在的问题

可再生滤毒通风设备由于系统构成复杂，附属设备多，并且需要较高的压力和温度，造成采购成本高，体积和重量大，能耗高等问题。

可再生滤毒通风技术存在二次污染的问题。再生尾气中含有高浓度的化学毒剂，需要从系统排放到周围大气中，在染毒区域执行持续性作战任务时可以接受，但脱离沾染区后，在洁净的区域必须严格控制染毒空气的排放。除此之外，由于高沸点毒剂在换热冷却设备中会冷凝下来，也会造成二次污染。

可再生滤毒通风技术对可靠性的要求更高，传统的滤毒通风技术采用负压引风的方式，大大降低了染毒空气泄漏的危险，而可再生滤毒通风技术需要在加压的状态下吸附，增加了泄漏风险，对装置的气密性提出了更高的要求。此外，装置在长时间加压加热条件下运行，对频繁启闭的程控阀门也提出了更高的要求。

这些不利因素很大程度上限制了可再生滤毒通风技术在舰船上的应用。

3 结 语

本文对海军水面舰艇集体防护系统采用的传统滤毒通风技术原理以及存在的问题进行简要介绍，详细讨论了可再生滤毒通风技术在国外的发展现状和技术原理，并对核心吸附剂和床层结构的研究、工艺设计以及存在问题进行详细讨论。新型可再生滤毒通风技术可以对核生化污染物进行连续防护，无需频繁更换，大大减轻后勤保障的压力和维护成本。但同时也存在采购成本高，体积和重量大，能耗高，二次污染和泄漏风险等问题，限制了可再生滤毒通风技术在舰船上的应用。研制性能更加优异的新型吸附材料，使吸附和脱吸更易实现，降低能耗，优化工艺流程，降低设备的体积、重量和能耗要求是可再生滤毒通风技术进一步发展的方向。