杜 平，魏世超，肖春英，賈建國

(1.海軍駐保定地區(qū)航空軍事代表室，河北 保定 071000；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

隨著時(shí)代的推移，科技的發(fā)展，擁有核生化大規(guī)模殺傷性武器的國家不斷增多，雖然和平與發(fā)展是當(dāng)今時(shí)代的主題，但在局部戰(zhàn)爭，恐怖組織中使用核生化武器的風(fēng)險(xiǎn)在加大[1]，尤其是原料和生產(chǎn)工藝設(shè)備相對(duì)容易得到，成本較低的化學(xué)武器，更是成為許多窮國和恐怖組織首選的威懾力量。

艦船作為一個(gè)獨(dú)立的戰(zhàn)斗集體，而艦上人員集中、密度大、活動(dòng)范圍小，當(dāng)遭受核生化武器襲擊或工業(yè)毒劑污染時(shí)，不像陸地人員那樣可以撤出沾染區(qū)。水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)是在核生化襲擊以及工業(yè)次生危害發(fā)生時(shí)，保護(hù)艦員及其工作環(huán)境免受核生化污染，保持艦員在核生化環(huán)境下的生存和戰(zhàn)斗能力的裝備技術(shù)。因此，世界各海軍強(qiáng)國對(duì)海軍水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)的重視程度越來越高

濾毒通風(fēng)裝置是海軍艦船面對(duì)核生化武器威脅以及生化恐怖襲擊保障戰(zhàn)斗人員安全，不受核生化沾染集體防護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)的濾毒通風(fēng)裝置采用玻璃纖維制備的高效濾器和浸漬有金屬氧化物的活性炭濾器組合技術(shù)來分級(jí)凈化空氣。其中浸漬炭濾器工作一段時(shí)間后，防護(hù)劑量達(dá)到飽和，必須停機(jī)更換，給后勤保障帶來沉重負(fù)擔(dān)，是海軍艦船核生化防護(hù)性能進(jìn)一步提高的制約因素。全時(shí)防護(hù)，更寬防護(hù)譜，后勤保障維護(hù)簡單是濾毒通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展方向。

近年來隨著技術(shù)發(fā)展，國外將變溫變壓技術(shù)引入到核生化防護(hù)領(lǐng)域，提出可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)，克服濾器只能單次使用壽命有限，需要頻繁更換的缺點(diǎn)，并且擴(kuò)大防護(hù)譜，可以對(duì)經(jīng)典軍用毒劑以及多種工業(yè)有毒氣體進(jìn)行有效防護(hù)。美國海軍也十分看好可再生防護(hù)裝置，美國海軍艦載集體防護(hù)系統(tǒng)的項(xiàng)目主管Richard Warder表示，持續(xù)增長的全壽命費(fèi)用，以及化學(xué)毒劑種類的不斷增多，使單向活性炭過濾系統(tǒng)很難滿足未來核化生防護(hù)的需要，可再生防護(hù)系統(tǒng)能夠滿足這些要求，有集成到美國海軍各種軍艦上的可能。

1 傳統(tǒng)濾毒通風(fēng)技術(shù)

水面艦艇集防系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜主要包括空氣監(jiān)控設(shè)備、密和超壓控制設(shè)備、濾毒通風(fēng)設(shè)備以及其他輔助設(shè)備[2-3]。濾毒通風(fēng)裝置是整個(gè)集防系統(tǒng)的核心設(shè)備。傳統(tǒng)濾毒通風(fēng)技術(shù)是以玻璃纖維制備的高效濾器和浸漬有金屬氧化物的活性炭濾器為核心單元進(jìn)行分級(jí)凈化空氣。核生化污染的空氣首先通過初效濾器，濾除空氣中大顆粒沾染物，進(jìn)入高效濾器。高效濾器的過濾效率一般在99.999%以上，能夠有效去除核生化沾染中的放射性灰塵、毒煙、毒霧、生物戰(zhàn)劑等氣溶膠污染。最后進(jìn)入浸漬活性炭濾器，利用吸附和催化的原理將染毒空氣中氣態(tài)的化學(xué)毒劑吸附，難以吸附的化學(xué)毒劑在浸漬炭催化劑的作用下，生成無毒物質(zhì)，將潔凈空氣送入集防區(qū)。

針對(duì)核生化污染中“核”、“生”污染主要通過高效濾器來祛除，具有較長的防護(hù)時(shí)間。而對(duì)于氣態(tài)的“化”污染目前各國海軍普遍采用的是浸漬有催化劑的炭吸附材料通過吸附和催化來防護(hù)，這種濾器能夠在一定時(shí)間內(nèi)有效防護(hù)軍用毒劑，但是炭濾器壽命有限，一定時(shí)間后必須更換，造成后勤維修保障的負(fù)擔(dān)，正是傳統(tǒng)炭濾器的這一限制，催生了可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展[4]。

2 可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

變壓吸附系統(tǒng)自1956年美國W.斯卡斯特羅發(fā)現(xiàn)變壓吸附分離基本工藝以后，目前已廣泛應(yīng)用于氣體干燥、空氣分離、凈化等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代已被開發(fā)用于集防器材，美國和英國率先取得突破。

美國Pall公司研制的核化生可再生系統(tǒng)在美國和北約的機(jī)構(gòu)針對(duì)現(xiàn)有的毒劑進(jìn)行試驗(yàn)考核[2]。1988年在北約成員荷蘭的TNO Prins Maurits實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣機(jī)進(jìn)行6個(gè)月的實(shí)毒考核，證實(shí)該系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的集體防護(hù)。1990年在美國空軍巴特爾紀(jì)念研究所再次對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)該系統(tǒng)能夠在核生化條件下，可靠地提供潔凈的空氣。美國陸軍在M1A1“阿布拉姆”主戰(zhàn)坦克，AH-15“柯布拉”直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)上安裝了可再生核化生防護(hù)系統(tǒng)并進(jìn)行成功演示驗(yàn)證。

圖1 Pall公司的可再生濾毒通風(fēng)裝備Fig.1 The Pall company regenerable filter ventilation device

英國BAE宇航系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)建造的裝甲車中，采用英國Domnick Hunter公司研制的可再生防護(hù)系統(tǒng)，由空氣渦輪壓縮機(jī)提供空氣，并與裝甲車環(huán)境控制系統(tǒng)共用換熱器和過濾器等設(shè)備，因此功率、體積和重量較小。目前這套裝置已經(jīng)安裝到英國陸軍的“特洛伊”和“泰坦”裝甲工程車上。

歐洲的其他國家對(duì)于可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)也非常重視，法國國防部、意大利國防部和一個(gè)國際工業(yè)聯(lián)盟，聯(lián)合開展了基于變壓變溫吸附的可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)的研究項(xiàng)目。

2.2 再生濾毒通風(fēng)技術(shù)原理

可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)中的可再生概念主要針對(duì)傳統(tǒng)濾毒通風(fēng)技術(shù)中的制約因素化學(xué)毒劑而言?；诳赡娴奈锢砦?，溫度越低、壓力越高，吸附量越大，反之，溫度越高、壓力越低，則吸附量越小。通過化學(xué)毒劑在吸附劑上的吸附進(jìn)行防護(hù)，在吸附劑上的脫附實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)使用。

通常有2個(gè)吸附單元輪流吸附和再生，其中一個(gè)吸附單元在高壓常溫下運(yùn)行，染毒的空氣經(jīng)過吸附床，毒劑分子吸附在吸附劑上，空氣得到凈化。另一個(gè)吸附單元進(jìn)入低壓高溫的脫附再生階段，利用一部分干凈空氣進(jìn)行吹掃，促進(jìn)吸附劑再生。經(jīng)過吸附-再生循環(huán)使用，達(dá)到連續(xù)進(jìn)行防護(hù)的目的。

圖2 可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)原理Fig.2 The principle of the regenerable filter ventilation technology

可再生吸附技術(shù)與傳統(tǒng)的單次使用的浸漬炭濾器相比具有多種優(yōu)勢：1）能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間連續(xù)防護(hù)，在核生化攻擊時(shí)，不需要脫離戰(zhàn)場；2）后勤保障負(fù)擔(dān)小，只需要簡單的機(jī)械維護(hù)；3）防護(hù)譜系寬，能夠防護(hù)現(xiàn)有經(jīng)典的毒劑和絕大部分工業(yè)有毒氣體。

2.3 吸附劑和床層結(jié)構(gòu)研究

化學(xué)毒劑種類多，分子大小不一，性質(zhì)各異。可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)要求必須能夠脫除大量性質(zhì)不同的化學(xué)毒劑。因此得到具有適當(dāng)?shù)目讖椒植己臀矫摳狡胶獾奈絼强稍偕鸀V毒通風(fēng)技術(shù)的核心問題[3]。

Pall公司的Verrando等[4]用13X分子篩作為吸附劑，利用工業(yè)變壓吸附干燥機(jī)作為測試樣機(jī)，以一氯甲烷和DMMP（甲基膦酸二甲酯）分別作低沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)的毒劑模擬劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)13X分子篩具有良好的毒劑吸附和再生能力，并且為了防止在反復(fù)的壓力沖擊下吸附劑的粉化，提出了利用高分子聚合物實(shí)現(xiàn)吸附劑床層固定的方法。具體分為3個(gè)步驟：1）預(yù)熱吸附劑小球；2）將8～100 μm的聚合物顆粒和預(yù)熱的吸附劑小球混合均勻，聚合物顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的2%～5%；3）在一定壓力下，加熱到聚合物的熔融狀態(tài)，然后冷卻，得到自支撐結(jié)構(gòu)，可以有效地防止吸附劑的粉化并且基本保持吸附劑的吸附性能，沒有明顯的衰減。

國內(nèi)的張家毅等[5]也以13X分子篩為吸附劑，二氯甲烷和DMMP為模擬劑，分別對(duì)二氯甲烷及DMMP在13X分子篩上的吸附等溫線，透過曲線及解吸曲線進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，甲基膦酸二甲酯比二氯甲烷易于透過也易于解吸

但是由于13X分子篩的強(qiáng)吸水性，水和毒劑在吸附劑上的吸附存在競爭關(guān)系，水的含量對(duì)毒劑的防護(hù)性能有重要影響，13X分子篩與水的結(jié)合力極強(qiáng)，脫附需要較高的能量（一般需要200℃～300℃）。Holmes等[6]研究發(fā)現(xiàn)微孔吸附劑例如13X分子篩，對(duì)DMMP的吸附量低，再生性差，單純的壓力變換對(duì)DMMP的脫附影響較小，需要提高溫度來促進(jìn)脫附再生。提出采用3層床結(jié)構(gòu)，第1層采用介孔吸附劑，主要去除高沸點(diǎn)低揮發(fā)的化學(xué)毒劑，水蒸汽和低沸點(diǎn)化學(xué)毒劑穿過第1層不被吸附；第2層采用除水吸附劑，主要去除水蒸汽和少部分低沸點(diǎn)化學(xué)毒劑，而絕大多數(shù)低沸點(diǎn)毒劑穿過第2層進(jìn)入第3層；第3層采用微孔吸附劑主要去除低沸點(diǎn)毒劑。再生時(shí)，熱氣流反向經(jīng)過床層，優(yōu)先脫附低沸點(diǎn)毒劑，然后再脫附水蒸汽和高沸點(diǎn)毒劑。

圖3 吸附床層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 The structure design of adsorbent bed

Pall公司設(shè)計(jì)的可再生濾毒通風(fēng)設(shè)備的吸附床采用活性炭+分子篩的雙層床結(jié)構(gòu)，第1層的活性炭主要來去除高沸點(diǎn)的化學(xué)毒劑，減輕第2層分子篩吸附負(fù)擔(dān)。分子篩主要吸附去除低沸點(diǎn)的化學(xué)毒劑，采用這種結(jié)構(gòu)利于吸附劑的再生，降低再生能耗。

Domnick Hunter公司正在開發(fā)的下一代可再生吸附技術(shù)，吸附材料采用多孔的分子篩中空纖維，目前正在實(shí)驗(yàn)考核中。用分子篩中空纖維制備的濾器可以極大的提高吸附容量和吸附速率，能夠極大程度地減小吸附床的尺寸重量以及整個(gè)裝置的能量消耗，將大大促進(jìn)可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)在空間受限的艦船上的應(yīng)用。

2.4 可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

可再生濾毒通風(fēng)設(shè)備一般包括加壓設(shè)備、換熱冷卻設(shè)備、可再生吸附模塊、控制系統(tǒng)等部分[7-8]。

一般的高壓風(fēng)機(jī)難以完成所需要的加壓任務(wù)，若是單獨(dú)為此裝置加壓，一定會(huì)導(dǎo)致裝置功率高、體積和重量超標(biāo)的問題，限制該技術(shù)的應(yīng)用范圍。通過共用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓集成到環(huán)境控制系統(tǒng)等手段，可以有效減小裝置功率、體積和重量。

空氣增壓后，溫度上升通過換熱冷卻設(shè)備將氣體溫度降低，然后進(jìn)入可再生吸附模塊。溫度降低一方面有利于高沸點(diǎn)化學(xué)毒劑的冷凝，降低其在空氣中的濃度。另一方面保證進(jìn)入吸附模塊的空氣在合適的溫度濕度條件下吸附。

在可再生吸附模塊中涉及到工作壓力，再生溫度，反吹氣量等參數(shù)。根據(jù)吸附劑的特點(diǎn)，選擇合適的工作壓力。壓力選擇過高，勢必增加能量消耗和對(duì)設(shè)備的要求，壓力選擇過低，會(huì)導(dǎo)致防護(hù)容量不夠。在國外的現(xiàn)有設(shè)備中，Pall公司研發(fā)的可再生濾毒單元吸附壓力在0.3 bar，最低不能低于0.25 bar，Domnick Hunter公司研發(fā)的模塊化可再生濾毒設(shè)備吸附壓力在0.6 bar。提高溫度和反吹氣量可以有效促進(jìn)吸附劑的再生，但再生溫度過高，能耗增加，吹冷的時(shí)間也會(huì)越長，反吹氣量增大，造成脫附成本過高。綜合以上參數(shù)選擇合適的切換周期，保證裝置可靠連續(xù)運(yùn)行。

2.5 可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)在艦船應(yīng)用中存在的問題

可再生濾毒通風(fēng)設(shè)備由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，附屬設(shè)備多，并且需要較高的壓力和溫度，造成采購成本高，體積和重量大，能耗高等問題。

可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)存在二次污染的問題。再生尾氣中含有高濃度的化學(xué)毒劑，需要從系統(tǒng)排放到周圍大氣中，在染毒區(qū)域執(zhí)行持續(xù)性作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)可以接受，但脫離沾染區(qū)后，在潔凈的區(qū)域必須嚴(yán)格控制染毒空氣的排放。除此之外，由于高沸點(diǎn)毒劑在換熱冷卻設(shè)備中會(huì)冷凝下來，也會(huì)造成二次污染。

可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)對(duì)可靠性的要求更高，傳統(tǒng)的濾毒通風(fēng)技術(shù)采用負(fù)壓引風(fēng)的方式，大大降低了染毒空氣泄漏的危險(xiǎn)，而可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)需要在加壓的狀態(tài)下吸附，增加了泄漏風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)裝置的氣密性提出了更高的要求。此外，裝置在長時(shí)間加壓加熱條件下運(yùn)行，對(duì)頻繁啟閉的程控閥門也提出了更高的要求。

這些不利因素很大程度上限制了可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)在艦船上的應(yīng)用。

3 結(jié) 語

本文對(duì)海軍水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)采用的傳統(tǒng)濾毒通風(fēng)技術(shù)原理以及存在的問題進(jìn)行簡要介紹，詳細(xì)討論了可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)在國外的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)原理，并對(duì)核心吸附劑和床層結(jié)構(gòu)的研究、工藝設(shè)計(jì)以及存在問題進(jìn)行詳細(xì)討論。新型可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)可以對(duì)核生化污染物進(jìn)行連續(xù)防護(hù)，無需頻繁更換，大大減輕后勤保障的壓力和維護(hù)成本。但同時(shí)也存在采購成本高，體積和重量大，能耗高，二次污染和泄漏風(fēng)險(xiǎn)等問題，限制了可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)在艦船上的應(yīng)用。研制性能更加優(yōu)異的新型吸附材料，使吸附和脫吸更易實(shí)現(xiàn)，降低能耗，優(yōu)化工藝流程，降低設(shè)備的體積、重量和能耗要求是可再生濾毒通風(fēng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。