基于变压吸附的可再生滤毒通风设备研制_邢佳康.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20220802作者简介:邢佳康(1999)，男，硕士研究生，主要从事地下工程内部环境保障研究。通讯作者:毛维(1980)，男，硕士，高级工程师，主要从事地下工程内部环境保障研究。Email:morewell 。引用格式:邢佳康，毛维，侯普民，等基于变压吸附的可再生滤毒通风设备研制 J 防护工程，2023，45(1):6165XING Jiakang，MAO Wei，HOU Pumin，et al Development of regenerable filtration and ventilation equipment based on pressure swingadsorption JProtective Engineering，2023，45(1):6165基于变压吸附的可再生滤毒通风设备研制邢佳康毛维侯普民李超峰李娟邢哲理(军事科学院国防工程研究院，北京 100850)摘要针对现有防护工程滤毒通风系统防护时间短、防护频谱窄的难题，研制了一种长时、广谱、可再生滤毒通风设备，设备由抗冲击波阀、颗粒物过滤模块、染毒气体净化系统、控制系统和故障报警系统等组成。滤毒设备采用双塔六步变压吸附的方案，同步交替完成吸附和脱附再生过程，吸附时压力为 0.50.6 MPa，脱附时压力为 0.1MPa。结果表明，可再生通风设备具有污染物广谱吸附和吸附剂原位再生能力，可实现染毒空气的持续净化。关键词滤毒通风;变压吸附;防护工程;原位再生Development of regenerable filtration and ventilation equipmentbased on pressure swing adsorptionXING Jiakang，MAO Wei，HOU Pumin，LI Chaofeng，LI Juan，XING Zheli(Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Beijing 100850，China)AbstractIn view of the problems of short protection time and narrow protection spectrum of the existing protectiveengineering s filtration and ventilation system，a long duration，broadspectrum，regenerable filtration and ventila-tion equipment is developed The equipment consists of blast valves，particulate filter modules，a poisoned air puri-fication system，a control system and a fault alarming system The poison filtration equipment adopts the double tow-er sixstep pressure swing adsorption solution，which can synchronously and alternately complete the adsorption anddesorption regeneration process，with an adsorption pressure of 05 06 MPa，and a desorption pressure of 01MPa The results show that the regenerable filtration ventilation equipment has the capability of broadspectrum ad-sorption of pollutants and in situ regeneration of adsorbents，which can realize continuous purification ofpoisoned airKeywordsfiltration and ventilation;pressure swing adsorption;protective engineering;insitu regeneration现代生物化学科学与技术的发展使得生化武器发展迅速，其呈现出研发成本降低，种类不断增加，毒剂作用时间不断加长等发展趋势;同时化学战剂一旦应用于战争中，对战局影响极大1。例如，沙林，维埃克斯等神经性毒剂可造成中枢及外周神经紊乱，且具有速杀性，难以迅速救治，同时被救治患者也常伴有多种并发症2，对防护工程现有通风防护提出了新的挑战。工程现有战时通风方式包括清洁通风、隔绝通风和滤毒通风等3。清洁通风是工程战时通风主要手段，其直接采用外界空气作为工程内新风来源，因此外界空气被污染或染毒时，清洁通风失效。隔绝通风方式保证了外界空气污染情况下工程内部的空气安全，但因工程内部无新风补充，二氧化碳浓度持续上升，为保证工程内部二氧化碳容许体积浓度满足规范要求，系统需转入滤毒通风状态。现有滤毒通风一般使用装填浸渍活性炭滤毒罐，工作原理依靠浸渍铜铬银等金属盐溶液后负载防护工程2023 年在活性炭表面的金属低价离子或单质与空气中毒剂分子进行化学吸附生成配位化合物5，但滤毒罐为单次防护，吸附及催化反应饱和后无法再生;同时对穿透性较强的化学毒剂，如全氟异丁烯等吸附性较弱。舒畅6 设计了一种具有数据分析和控制反馈的风机系统，该设备解决了现有滤毒通风设备无法应用于不同环境的问题。但工程滤毒通风还面临着现有设备单次防护时间有限等问题，长时间滤毒通风后，需要对相关设备进行更换，增加了人员暴露染毒风险。为了有效应对现有工程“有限时长”隔绝防护以及以浸渍活性炭为吸附剂的滤毒通风系统可能存在的风险，迫切需要研发一种可针对多种性质污染物的长时滤毒设备。1可再生滤毒通风设备结构设计可再生滤毒通风设备主要由抗冲击波阀、颗粒物过滤模块、染毒气体净化系统、运行控制系统等组成，如图 1 所示。抗冲击波阀可抵消冲击波余压，防止工程外部爆炸冲击波对后端过滤装置的损害;颗粒物过滤模块和染毒气体净化系统可对细菌病毒、放射性气溶胶、颗粒灰尘、化学毒剂等不同理化性质的污染物吸附净化;运行控制系统具有集中监控与监测功能，可实现设备远程启停控制、工艺流程画面显示、系统运行数据实时采样显示以及故障报警等功能。整个设备采用标准化、模块化设计，能够在不更改现有滤毒通风管路设置的基础上实现对传统过滤吸收器及风机的替换安装。图 1可再生滤毒通风设备构成示意图1.1颗粒物过滤模块颗粒物过滤模块由壳体和玻璃纤维滤芯 2 个部分组成，实物如图 2 所示。壳体同抗冲击波阀协同保证滤芯在冲击波余压冲击下正常工作;滤芯成分综合考虑设备的整体结构及各净化单元的结构空间，选择平行折叠式玻璃纤维空气过滤纸，具有高展开面积，高空间利用率、气流分布均匀及结构阻力小等特点。模块前端连接通风管道，实现连续进风，后端与设备滤毒模块连接，承担设备初滤功能。外界污染空气经油网滤尘后自工程口部进入放置在染毒区的颗粒物过滤模块中，在此除去生物细菌及颗粒灰尘等污染物，剩余污染物穿过该模块进入后续净化环节。当模块运行时过滤性能显著下降或整体结构遭到破坏无法使用时，可在关闭通风系统管道阀门后对模块进行整体更换。图 2颗粒物过滤模块实物按照 GB/T 142952008空气过滤器 和 GB/T135542020 高效空气过滤器 规范要求，对颗粒物过滤模块的过滤效率进行了检测，如图 3 所示。分别对0.1、0.10.2、0.20.3、0.3 m 等4 组不同粒径的颗粒物过滤效率进行了测试，过滤效率分别为99.999 978 4%、99.999 952 1%、99.999 978 7%、99.999 995 9%，皆满足高效过滤器7 指标要求。图 3颗粒物过滤效率测试系统示意图26第 45 卷 第 1 期邢佳康，等:基于变压吸附的可再生滤毒通风设备研制传统过滤吸收器需按照 GB/T 340122017通风系统用空气净化装置 规范要求，对设备的初阻力和终阻力进行测试。但可再生滤毒通风设备包括空气压缩机，净化后空气在设备出口具有较大动压，净化空气通过储气罐送往工程内部时，可调节储气罐出口压力，与送风管道阻力比较并以此决定管道内是否需另配备风机。1.2染毒空气净化模块染毒空气净化模块位于颗粒物净化模块后端，承担设备二次过滤功能，模块包括空气压缩机、原料气罐、复合床层吸附塔 A、B 以及净化空气储气罐等。染毒空气净化模块采用基于变压吸附原理的物理吸附方式8，利用吸附剂在不同压力下对目标分子吸附容量的差异，通过压力的周期性变化实现对染毒空气的吸附分离和净化9。吸附过程中，吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中;同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其他吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相，由于压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数越多，因而压力越高平衡吸附容量也就越大，故本设备采用超压吸附、常压脱附的工作模式。吸附塔是染毒空气净化模块的核心，吸附塔床层设计及吸附剂选用关系到整个设备的使用性能。不同吸附剂的孔隙大小分布、比表面积和表面性质具有差异性，且由于吸附质分子的大小、结构、极性等性质各不相同，吸附剂对混合气体中的各组分吸附能力和吸附容量也各不相同。为实现对不同毒剂的广谱吸附，吸附塔层采用了轴向 4 床复合结构，内部填充 4 种不同孔径的吸附剂10，吸附剂填充厚度及孔径分布范围如表 1 所示。第 1 层采用氧化铝，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 1 层进入第 2 层;第 2 层采用介孔吸附剂改性硅胶，主要去除高沸点低挥发的化学毒剂;第 3 层采用微孔吸附剂活性炭，主要去除低沸点毒剂;第 4 层采用细孔吸附剂 13X 分子筛，主要去除剩余毒剂。对比浸渍活性炭滤毒器的活性炭层径向并联方式，轴向复合床层保证了各层吸附剂对染毒空气依次发生吸附，避免了浸渍活性炭滤毒器可能出现的活性炭层吸附不匀，部分床层提前穿透失效的风险。硅胶、氧化铝、非浸渍活性炭及分子筛均为多孔材料，具有较大比表面积和孔体积。各材料表面与目标吸附质以分子间作用力为主导，极少存在化学反应及化学键的形成，即主要发生物理吸附。因而由传统浸渍活性炭物理及化学吸附并存的吸附模式变为便于脱附的物理吸附为主导，将传统滤毒器吸附饱和即失效变为吸附完成后床层可原位再生。表 1吸附塔装填参数层数吸附剂名称厚度/mm孔径分布范围目标过滤物第 1 层氧化铝40水蒸汽、低沸点化学毒剂第 2 层 改性硅胶280介孔高沸点低挥发毒剂第 3 层活性炭550微孔低沸点毒剂第 4 层分子筛227细孔剩余毒剂设备运行时，为减小空压机压力波动对吸附床层的影响和保证出气连续性及吸附塔正常工作压力，空气压缩机后端设置原料气罐，吸附塔后端设置产品气罐。原料气罐内升压后的染毒空气经过可自动启闭电磁阀进入吸附端吸附塔中，吸附端吸附塔压力升高至 0.50.6 MPa，毒剂分子经 4 层吸附剂过滤后被留在床层内，洁净空气自塔顶流入储气罐内。同时，再生脱附端吸附塔降压至 0.1 MPa，毒剂从吸附剂中减压脱附，排至工程外部。吸附压力下，吸附剂对毒剂的吸附容量为 V1;脱附压力下，吸附剂对毒剂的吸附容量降至 V2。脱附工况下，吸附剂对毒剂吸附容量随压力降低而减小，实现对已吸附毒剂的脱附再生。当压力再次升至吸附压力时，吸附剂可提供新吸附容量即 V1 V2，此时吸附剂原有毒剂残留量 V2对吸附过程没有影响。1.3运行控制系统现有设备如 FP1000 过滤器等均通过进出口压差控制气体流动实现吸附，