一種新型船用回風空氣凈化裝置

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

空調系統影響船員身心健康和工作生活環境的主要因素可分為以下三類。

1)氣態污染物。氣態污染物分為無機氣態污染物和有機氣態污染物。無機氣態污染物包括NO2、SO2、NH3、H2S等無機氣體。據報道，英國海軍用GC-MS技術定性分析出有機氣態污染物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、吸煙產生的煙霧、化學試劑以及從新風口吸入的煙氣、尾氣等均是氣態污染物的主要來源。

2)固體顆粒物和微生物。固體顆粒物主要由室內空氣中懸浮的各種粉塵微粒構成，包括從大氣中吸入霧霾和煙塵、人員日常生活中產生的細小的毛發、各種皮屑和殘渣等；微生物主要指包括空氣中分散的細菌、病毒等有害微生物。

3)空調器室噪聲。長期處于高噪聲環境中，不但會對聽力造成損傷，還會影響人員的身心健康。空調器室內風機、空調器噪聲大，若無隔聲措施，空調器室的噪聲可通過風管或回風格柵等傳遞到住室及工作室等處。

針對以上單個問題，均有獨立的解決方案，但各設備功能單一、效果欠佳、占用總體空間大。文中設計的裝置將空調回風除塵、殺菌、氣態污染物凈化、隔聲等功能一體化集成，旨在同時解決上述問題。

1 凈化技術方案論證

1.1 氣態污染物凈化技術方案

氣態污染物的凈化，是利用化學、物理及生物等方法，將污染物從廢氣中分離或轉化。氣態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，光照有機物使之分解；②在催化劑作用下，光照使氣態有機物分解。文獻[1]采用紫外光對用氯苯配制的模擬有毒有害氣體進行直接光降解實驗研究，考察并探討了紫外光降解氣態氯苯的影響因素及其動力學。文獻[2]分別從有機廢氣、無機有害氣體、空氣中微生物三個方面綜述光催化氧化處理氣相污染物的研究進展及應用，并對當前技術的局限性(催化效果低、回收難、光利用率低等)進行分析。根據目前船舶使用情況，光分解法的紫外線照射燈壽命短，易損壞。

文獻[3-4]采用高壓脈沖電暈法對模擬的低濃度、大氣量有機廢氣(乙醇、丙酮、甲醛及二氯甲烷)進行凈化處理實驗研究，分別從各類有機廢氣的處理效果、反應機理及影響因素等方面進行分析，結果表明能達到較好的治理效果。文獻[5-7]主要介紹了脈沖放電等離子體技術和表面放電等離子體技術在NOx、SOx、VOCS、有毒廢氣及脫臭等氣態污染物治理方面的應用，均能在常溫、常壓下處理氣態污染物，并能與電除塵器、袋式過濾器、催化床、活性炭床等相結合來凈化處理有毒廢氣。文獻[8]綜述了低溫等離子體技術(NTP)及NTP協同催化處理VOCs的機理及研究進展。與常規技術相比，等離子體分解法具有工藝簡單、可操作性好等特點，具有較好的應用前景。我國對這方面的研究較晚，大多還在試驗階段。為實現工業化，需要在反應器結構設計、研制高效催化劑等多方面做深入研究。

文獻[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。結果表明，該法可以有效脫除廢氣中硫化氫、硫醇等惡臭物質。文獻[10]利用紫外燈產生的低濃度臭氧對模擬甲醛廢氣進行了凈化效果實驗研究，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、成本低等優勢，但對于不易氧化組分，該方法難以凈化，因為臭氧本身是一種空氣污染物，極易產生二次污染。

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

吸附法分為物理吸附和化學吸附兩種。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，兩者之間不發生化學作用，是一種可逆過程, 低溫時吸附量較大，隨著溫度升高，被吸附質容易從固體表面脫附，利于吸附劑的再生和被吸附質的回收。化學吸附是由于固體表面與被吸附分子間的化學鍵力所引起，兩者之間結合牢固，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、綠色環保、凈化效率高、無二次污染等優點。船用氣態污染凈化可以選用可再生吸附技術。

1.2 固體顆粒物和微生物凈化技術方案

目前采用的固體顆粒物和微生物凈化技術主要有：旋風過濾、濕式過濾、袋式過濾、沉降過濾、慣性過濾、靜電過濾、負離子過濾和介質過濾。各類過濾技術的特點分析比較見表1。

表1 各類過濾技術的特點分析比較

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，產生污水和細菌微生物，不適合船舶有限總體資源和封閉性較強的特點；袋式過濾更適合有較大空間的工業領域的產品制備，其過濾方式造成阻力很大，基本不能加載入船舶空調通風系統；負離子主要利用空氣的彌漫性過濾，在特定場合可以結合空氣凈化使用，由于其負離子過量帶來諸多問題，不適宜作為船舶獨立的過濾技術。

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

靜電過濾技術已廣泛應用于各領域，具有效率高、過濾粒徑小(可達到1 μm以下)，能夠殺滅細菌、微生物等特點，過濾設備體積小，安裝調試方便，便于船舶空調通風系統加裝；靜電過濾可以利用超聲波進行清洗再生，節約運行成本。

2 新型船用回風空氣凈化裝置工作原理

根據凈化技術論證結果，設計一種新型船用回風空氣凈化裝置，工作原理見圖1。

圖1 新型船用回風空氣凈化裝置原理

來自空調服務房間已經被污染的空氣，通過進風口進入到隔聲組件內，可消除部分空氣流動噪聲，同時隔聲組件也可減弱風機和空調器室內設備的噪聲往外傳遞。經過隔聲處理后，回風空氣進入到粗效過濾器內，可過濾掉較大的顆粒物，防止對后續凈化功能段的損壞。經粗效過濾器初步過濾后再進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換的高壓電，使空氣發生電離，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生碰撞，粉塵顆粒吸附電子以后成為荷電粒子。荷電粒子經過積塵段離子箱時，在電場的作用下，帶負電的塵埃顆粒向正極運動，附在集塵段離子箱上。靜電式空氣過濾器產生的高壓電，還能殺死大量的細菌等微生物，起到殺菌除塵的作用。經過靜電式空氣過濾器的殺菌除塵處理后，空氣進入到空氣凈化器內。空氣凈化器采用多孔特種吸附材料，對回風空氣中的氣態污染物進行有效吸附過濾。被處理后的空氣通過冷觸媒過濾網，以祛除靜電式空氣過濾器在高壓電離時產生的少量臭氧，達到臭氧排放標準，避免產生二次污染。冷觸媒過濾網可在常溫常壓下催化分解臭氧，分解產生的活性氧可對各種有害氣體進行催化氧化分解，使其最終降解為二氧化碳和水。在催化反應過程中,冷觸媒作為催化劑，不直接參與反應。整個空氣流動過程由風機提供動力，使空氣從進風口依次經過各功能段后經送風口排出。風機采用減震器安裝在底座上，通過膨脹節與設備撓性連接。

電控箱可對靜電式空氣過濾器和風機的啟停及運行工況切換進行本地和遠程控制，并顯示設備的運行狀態。當靜電式空氣過濾器和風機故障時，電控箱可發出本地聲光并可將報警信號上傳至上級控制系統。電控箱設有根據運行時間和O3產生量的清洗提示功能，當某一項達到設置報警值時，會提示操作人員對靜電式空氣過濾器進行清洗。電控箱還具有消音和試燈等功能。電控箱采取集成設計，可對單臺或多臺回風空氣凈化單元本體供電和控制。

3 新型船用回風空氣凈化裝置主要功能

新型船用回風空氣凈化裝置主要功能如下。

1)新型船用回風空氣凈化裝置的風機采用雙速風機，兩檔可調，以匹配不同空調工況下的風量。

2)新型船用回風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、液態顆粒進行過濾，在設計面風速約2 m/s時，對≥2.0 μm粒徑顆粒物的過濾效率>90%(計數法單次凈化效率，按GB/T 14295—2008[11])，達到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)新型船用回風空氣凈化裝置的靜電式空氣過濾器O3產生的質量濃度1 h均值低于0.1 mg/m3，新型船用回風空氣凈化裝置的O3排放的質量濃度1 h均值低于0.01 mg/m3，O3排放的質量濃度極低，解決了二次污染問題。

4)新型船用回風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功能，并有指示燈提示；O3產生量達到質量濃度上限后，及時給出清洗提示。

5)氣態污染物質量濃度組分為GJB 7497—2012[13]規定容許的質量濃度5倍時，新型船用回風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》指標要求。空氣凈化器濾芯為多孔特種吸附材料，可再生循環利用，再生后的凈化效率經測試，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計權插入損失≥15 dB(A)。

7)電控箱用于靜電式空氣過濾器和風機的啟停及運行工況切換控制，并顯示運行狀態；設置靜電式過濾器故障報警、風機故障報警功能，形式為本地聲光并上傳至上級控制系統；根據運行時間和O3產生量設置清洗提示功能，提示操作管理人員對靜電式過濾器清洗；電控箱采取集成設計，可對單臺或多臺回風空氣凈化單元本體供電和控制。

4 結論

新型船用回風空氣凈化裝置將空調回風除塵、殺菌、氣態污染物凈化、隔聲等功能一體化集成，具有功能多樣、占用總體資源少、可再生使用等優點，能有效改善船舶艙室人員居住環境，保護船員的身心健康，在船舶空氣凈化領域具有廣泛的應用前景。