CN101036826A - 密闭舱室空气净化系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种密闭舱室空气净化系统及其控制方法，其系统由三个子系统构成，一是主空气净化系统，也可称为吸附空气净化系统；二是副空气净化系统，也可称为催化燃烧空气净化系统；三是连接组合系统，也可称为脱附再生系统。其优点为集吸附、脱附、催化燃烧为一身，集成了密闭舱室空气净化的完美系统。本系统采用PLC微机统筹控制各个环节，既高效、节能，又环保卫生。本发明的空气净化系统及其控制方法，可根据要求设计成不同规格的空气净化设备，可用于核潜艇、AIP潜艇、常规潜艇、载人宇宙飞船，地下防空设施及空气达标车间的空气净化处理，是一种理想的密闭舱室空气净化系统及其控制方法。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种空气净化系统及其控制方法，特别是一种密闭舱室空气净化系统及其控制方法，其适用于潜艇、宇宙载人飞船和地下防空设施的空气净化处理。
二、背景技术：
目前的实际应用于密闭舱室内有机物污染的空气净化方法有两种，第一种为催化燃烧法，即催化燃烧系统；第二种为颗粒活性炭吸附法，即装填有颗粒活性炭或浸渍活性炭的各种空气过滤器。这两种处理方法都存在着一定的突出缺点，催化燃烧法工作温度高达315℃，耗电耗水量都比较大，例如处理风量为800m3/h的燃烧装置耗电量最大为50kw，6℃冷却水耗量为2t/h，冷却水耗电量不计算在上述耗电量内，燃烧装置体积大(约为2.85m3)，结构复杂，不易做到完善保温以降低装置表面温度。所以装置表面热量散失大，对舱室内环境温度影响大。如果对大流量800m3/h的空气加热到315℃，不但耗电量大，而且造成二次污染也大，很不利于对舱室空气质量和环境条件的控制；活性炭吸附净化空气的方法主要存在问题是使用寿命短，更换困难，使用费用高，不能进行再生重复使用，常常是超期使用而不能及时更换，造成处理净化空气效果差，这是现有技术的缺陷。
三、发明内容：
本发明的目的是设计一种密闭舱室空气净化系统及其控制方法，这种系统集吸附、脱附、催化燃烧三种处理方法为一身，是一种高效、节能、环保的空气净化系统及其控制方法，用以克服现有技术的缺陷。
本发明的目的可以通过下述实施方案来实现：本发明的系统由主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统组成，其特征是主空气净化系统为空气吸附净化系统；副空气净化系统为催化燃烧空气净化系统；连接组合系统把主空气净化系统和副空气净化系统有机地联结在一起形成吸附和催化燃烧并举的空气净化系统，连接组合系统也可称为脱附再生系统。
本发明主空气净化系统上有前滤器、风机甲和多单元活性炭纤维吸附床构成，吸附床个数的多少根据所要求的参数设置；如根据空气中有机污染物的浓度、空速、比速、阻力、装填吸附材料的重量、吸附时间、脱附时间等设置，一般3-7个单元吸附床组成一个空气净化吸附床；风机甲采用大风量、低压头、低噪声风机，其风量为：250m3/h-2500m3/h。
本发明风机甲的风量也可为600m3/h-1500m3/h。
本发明副空气净化系统即催化燃烧空气净化系统由风机乙、电加热器、燃烧催化床、热交换器、冷却器和酸性气体吸收器构成，风机乙采用的风量一般应为单元吸附床的1/3-1/2，燃烧催化床使用的催化剂是由半导体金属氧化物组成的霍加拉特剂或贵金属-Al2O3载体催化剂，催化燃烧温度300℃-315℃；风机乙将含有有机污染物的空气经电加热器预热到315℃，送入燃烧催化床，在催化剂的作用下，将有机物燃烧成H2O和CO2，从而从空气中除掉污染物，干净的空气再排回到舱室；副空气净化系统空气处理量为100m3/h-150m3/h，其中流动的空气也是从舱室内抽吸过来的，是舱室空气净化的组成部分，而且此空气中如果含有CO和H2气体时，将和有机污染物一起被消除掉。
本发明连接组合系统即吸附材料脱附再生系统由空气前滤器、风机丙、热交换器、一个单元吸附床构成，前两个组件是独立设备，后两个组件都是“借用设备”，通过后两个组件，组合联接系统把主空气净化系统和副空气净化系统巧妙结合为一体，本系统采用的风机丙的风量与风机乙相同，也是相当于单元吸附床风量的1/3-1/2，特殊情况也可采用与单元吸附床相同的风量；吸附材料脱附时间为7-15分钟，脱附时间的选择与单元吸附床个数和吸附时间有关，以n代表吸附床个数，以t代表脱附时间，单元吸附床吸附时间＝t×n；本系统脱附再生用的空气由风机丙从舱室空气中抽吸过来，这部分空气经热交换器被预热到100℃-120℃，并把脱附下来的有机污染物混合在其中经催化燃烧风机乙送入燃烧催化床进行消除净化。
本发明吸附材料采用活性炭纤维作为空气净化的吸附材料。
本发明的控制方法为主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统均通过PLC微机控制，PLC微机的主要控制点是：①风机甲、风机乙、风机丙的启动或停止；②燃烧电加热器工作状态和燃烧催化床工作温度控制，即300℃-315℃；③通过对k1、k1’、k2、k2’、k3、k3’、k4、k4’八只三通电磁阀的控制，达到对NO1、NO2、NO3、NO4四个单元吸附床的工作状态控制，依次进行吸附过程和脱附过程，吸附时间和脱附时间控制；④对冷却器6℃冷却水进出阀门的通断控制；⑤需要显示的运转参数的显示。
本发明的优点为采用了活性炭纤维作为吸附材料，采用了PLC微机的控制方法，采用了集吸附、脱附、催化燃烧为一身的净化系统，能够高效、节能、环保地处理和净化密闭舱室的空气，能够在密闭舱室内净化出合乎标准的空气并且在节能上有重大突破，与现有技术相比，更适合于在潜艇、宇宙载人飞船和地下防空设施中净化空气使用，是一种理想的密闭舱室空气净化系统及其控制方法。
四、附图说明：
图1为本发明的工艺流程图。
五、具体实施方式：
本发明由主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统组成，其特征是主空气净化系统为空气吸附净化系统；副空气净化系统为催化燃烧空气净化系统；连接组合系统把主空气净化系统和副空气净化系统有机地联结在一起形成吸附和催化燃烧并举的空气净化系统，连接组合系统也可称为脱附再生系统。
本发明主空气净化系统上有前滤器、风机甲和多单元活性炭纤维吸附床构成，吸附床个数的多少根据所要求的参数设置；如根据空气中有机污染物的浓度、空速、比速、阻力、装填吸附材料的重量、吸附时间、脱附时间等设置，一般3-7个单元吸附床组成一个空气净化吸附床；本发明采用4个单元吸附床组成一个空气净化吸附床。风机甲采用大风量、低压头、低噪声风机，其风量为：250m3/h-2500m3/h。
本发明风机甲的风量也可为600m3/h-1500m3/h。
本发明副空气净化系统即催化燃烧空气净化系统其由风机乙、电加热器、燃烧催化床、热交换器、冷却器和酸性气体吸收器构成，风机乙采用的风量一般应为单元吸附床的1/3-1/2，燃烧催化床使用的催化剂是由半导体金属氧化物组成的霍加拉特剂或贵金属-Al2O3载体催化剂，催化燃烧温度300℃-315℃；风机乙将含有有机污染物的空气经电加热器预热到315℃，送入燃烧催化床，在催化剂的作用下，将有机物燃烧成H2O和CO2，从而从空气中除掉污染物，干净的空气再排回到舱室；副空气净化系统空气处理量为100m3/h-150m3/h，其中流动的空气也是从舱室内抽吸过来的，是舱室空气净化的组成部分，而且此空气中如果含有CO和H2气体时，将和有机污染物一起被消除掉。
本发明连接组合系统即吸附材料脱附再生系统由空气前滤器、风机丙、热交换器、一个单元吸附床构成，前两个组件是独立设备，后两个组件都是“借用设备”，通过后两个组件，组合联接系统把主空气净化系统和副空气净化系统巧妙结合为一体，本系统采用的风机丙的风量与风机乙相同，也是相当于单元吸附床风量的1/3-1/2，特殊情况也可采用与单元吸附床相同的风量；吸附材料脱附时间为7-15分钟，脱附时间的选择与单元吸附床个数和吸附时间有关，以n代表吸附床个数，以t代表脱附时间，单元吸附床吸附时间＝t×n；本系统脱附再生用的空气由风机丙从舱室空气中抽吸过来，这部分空气经热交换器被预热到100℃-120℃，并把脱附下来的有机污染物混合在其中经催化燃烧风机乙送入燃烧催化床进行消除净化。
本发明吸附材料采用活性炭纤维作为空气净化的吸附材料。
本发明的控制方法为主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统均通过PLC微机控制，PLC微机的主要控制点是：①风机甲、风机乙、风机丙的启动或停止；②燃烧电加热器工作状态和燃烧催化床工作温度控制，即300℃-315℃；③通过对k1、k1’、k2、k2’、k3、k3’、k4、k4’八只三通电磁阀的控制，达到对NO1、NO2、NO3、NO4四个单元吸附床的工作状态控制，依次进行吸附过程和脱附过程，吸附时间和脱附时间控制；④对冷却器6℃冷却水进出阀门的通断控制；⑤需要显示的运转参数的显示。
本发明高效、节能、环保地处理和净化空气的机理为：
1、吸附净化，高效节能：本发明采用大风量风机以800m3/h为例，风机通过通风管道将各舱室含有有机污染物的空气送入以高性能活性炭纤维为吸附材料的多单元吸附床，对舱室污染空气进行大风量快速净化处理后在排回到各舱室内。由于潜艇内供人员呼吸的空气中所含的各种有机污染物不得超过50mg/m3卫生标准，属于低浓度ppm级有机物浓度，而活性炭纤维特性之一就是对ppm级低浓度有机污染物也有很快很高的吸附能力，是其它吸附材料不可相比的，所以净化效率很高为95％-100％。由于主流量空气净化是在潜艇环境温度条件下运行的，所以这里发生的电耗仅仅是风机的功率，由于吸附床的阻力不大，可以采用低压头风机，风机功率(800m3/h)也会从RS—燃烧装置的3Kw左右降至1.5Kw左右。本发明空气净化的方法总耗电量为8Kw左右，与总耗电量约为50Kw的RS—燃烧装置相比，可节电超过40Kw。所以这一空气净化方法是非常高效节能的。
2、脱附—催化燃烧，高效节能费用低：以吸附净化风量800m3/h和有4个单元吸附床为例，其中之一进入脱附过程，其余三个处于吸附过程，每个单元吸附床风量约270m3/h。进入脱附过程的单元吸附床其脱附风量可选用80m3/h-150m3/h，约等于单元吸附风量的1/3-1/2。催化燃烧风机乙与脱附风机丙选用相同风量，由于活性炭纤维脱附温度低，为105℃-110℃，而催化燃烧温度比较高，采用霍加拉特剂或贵金属催化剂，催化床温度为315℃，在燃烧催化床后安装热交换器，回收催化燃烧余热作为加热再生用的空气，回收的热量不但可以用于再生，而且又为燃烧催化床节省部分电能。
由于4个单元吸附床轮换进行吸附—脱附，脱附出来的有机污染物被催化燃烧掉，转化成H2O和CO2。催化燃烧风量小，例如可选用100m3/h的风机工作，相当于吸附风量的1/8。简便计算便知，进入脱附风量和燃烧风量中的有机物浓度大约为400mg/m3，有机物浓度仍然是很低的。本发明催化燃烧风量仅为RS—燃烧装置风量800m3/h的1/8，显然仅加热空气温度上升到315℃的电量就可以节省掉7/8，当然用于冷却排入舱室的清洁空气的6℃冷却水也相应大量减少。本发明的方法节电节水效果是非常明显的。潜艇设计专家们认为，每节约10Kw的电能，对改善潜艇性能就能起到一定的作用，是很有意义的。
活性炭纤维经吸附—脱附—吸附反复使用；用于催化燃烧的霍加拉特剂或贵金属催化剂，其用量也大大减少，使用寿命也相当长；用于后滤器除酸性气体的吸收剂也能明显减少。因此，按照本发明方法制备的空气净化设备或装置，其运行费用是比较低的。
3、以人为本，突出环保：高效、节能是本发明净化空气方法的重要方面之一，作为密闭舱室空气净化系统和控制方法，必须以人为本，符合环保要求是非常重要的。由于800m3/h的吸附净化风机甲工作压头有很大的降低，因此可以采用低压头、低噪声风机，不但省电，而且对舱室内降噪起到一定作用。采用本发明的工艺方法，设备的体积和重量也会有很大的降低。特别是催化燃烧床的体积有很大减少，相当于800m3/h催化燃烧床的1/8，是非常有意义的。由于体积小，使得催化燃烧器、换热器等的保温易于做到尽善尽美，大大降低了设备表面温度和热量散失，对舱内居住环境影响大大减小。与RS—催化燃烧装置相比，本发明把加热到315℃进行催化燃烧的空气流量降低到了100m3/h，大大降低了空气中氟利昂分解机率和分解总量，以及其它二次污染物的生成。二次污染物的大量减少，十分有利于舱室居住环境空气质量的提高和改善。耗电量的大幅下降，大大减轻了装置电源和自动控制电器元件的负荷，对改善装置的各项电性能指标起到明显作用。过去曾为达到装置的各项电性能指标要求，做出很大的努力和花费。总之，对以上几方面所提出的本发明方法的优越性，对居住舱室的环境的环保起到重要作用。
为什么要选用活性炭纤维作为密闭舱室空气净化的吸附材料呢？这是因为活性炭纤维有以下几点最独特特点：①吸附容量大，吸附速度快，特别是对低浓度ppm级的有机污染物也有很高的吸附能力，一些研究者认为它的吸附速度比颗粒活性炭要快2个数量级。②脱附速度快，脱附彻底，脱附温度低(105℃-110℃，脱附时间7-15分钟)，脱附后吸附性能完全恢复。③耐用，也即是稳定性非常好。有不少报道证明，活性炭纤维经吸附—脱附循环使用数百次而性能不发生明显变化。④耐热性能好，在空气中500℃不会发生燃烧，在使用中具有很高的安全性。按照本发明空气净化方法，活性炭纤维在吸附过程所达到的吸附量仅有5％，远离它的吸附容量(0.5g/g-0.8g/g)，所以安全性是非常高的，按照本发明空气净化方法，如果要求不是很高，颗粒活性炭也是能用的，但颗粒活性炭与活性炭纤维相比，有两点不足：①对低浓度ppm级的有机污染物吸附性能差，甚至不能吸附。例如有研究者报道，颗粒活性炭对100ppm以下的甲苯几乎没有吸附作用。②再生性能差，再生时间长，随着再生次数的增加而逐渐降低吸附性能。这些不足，在使用中将降低效果。
Claims (7)
1、一种密闭舱室空气净化系统，由主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统组成，其特征是主空气净化系统为空气吸附净化系统；副空气净化系统为催化燃烧空气净化系统；连接组合系统把主空气净化系统和副空气净化系统有机地联结在一起形成吸附和催化燃烧并举的空气净化系统，连接组合系统也可称为脱附再生系统。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征是主空气净化系统上有前滤器、风机甲和多单元活性炭纤维吸附床构成，吸附床个数的多少根据所要求的参数设置；如根据空气中有机污染物的浓度、空速、比速、阻力、装填吸附材料的重量、吸附时间、脱附时间等设置，一般3-7个单元吸附床组成一个空气净化吸附床；风机甲采用大风量、低压头、低噪声风机，其风量为：250m3/h-2500m3/h。
3、根据权利要求2所述的系统，其特征是风机甲的风量为600m3/h-1500m3/h。
4、根据权利要求1所述的系统，其特征是副空气净化系统即催化燃烧空气净化系统其由风机乙、电加热器、燃烧催化床、热交换器、冷却器和酸性气体吸收器构成，风机乙采用的风量一般应为单元吸附床的1/3——1/2，燃烧催化床使用的催化剂是由半导体金属氧化物组成的霍加拉特剂或贵金属-Al2O3载体催化剂，催化燃烧温度300℃——315℃；风机乙将含有有机污染物的空气经电加热器预热到315℃，送入燃烧催化床，在催化剂的作用下，将有机物燃烧成H2O和CO2，从而从空气中除掉污染物，干净的空气再排回到舱室；副空气净化系统空气处理量为100m3/h-150m3/h，其中流动的空气也是从舱室内抽吸过来的，是舱室空气净化的组成部分，而且此空气中如果含有CO和H2气体时，将和有机污染物一起被消除掉。
5、根据权利要求1所述的系统，其特征是连接组合系统即吸附材料脱附再生系统由空气前滤器、风机丙、热交换器、一个单元吸附床构成，前两个组件是独立设备，后两个组件都是“借用设备”，通过后两个组件，组合联接系统把主空气净化系统和副空气净化系统巧妙结合为一体，本系统采用的风机丙的风量与风机乙相同，也是相当于单元吸附床风量的1/3——1/2，特殊情况也可采用与单元吸附床相同的风量；吸附材料脱附时间为7-15分钟，脱附时间的选择与单元吸附床个数和吸附时间有关，以n代表吸附床个数，以t代表脱附时间，单元吸附床吸附时间＝t×n；本系统脱附再生用的空气由风机丙从舱室空气中抽吸过来，这部分空气经热交换器被预热到100℃——120℃，并把脱附下来的有机污染物混合在其中经催化燃烧风机乙送入燃烧催化床进行消除净化。
6、根据权利要求1所述的系统，其特征是吸附材料采用活性炭纤维作为空气净化的吸附材料。
7、根据权利要求1-6任一项权利要求所述的系统的控制方法，其特征是主空气净化系统、副空气净化系统和连接组合系统均通过PLC微机控制，PLC微机的主要控制点是：①风机甲、风机乙、风机丙的启动或停止；②燃烧电加热器工作状态和燃烧催化床工作温度控制，即300℃——315℃；③通过对k1、k1’、k2、k2’、k3、k3’、k4、k4’八只三通电磁阀的控制，达到对NO1、NO2、NO3、NO4四个单元吸附床的工作状态控制，依次进行吸附过程和脱附过程，吸附时间和脱附时间控制；④对冷却器6℃冷却水进出阀门的通断控制；⑤需要显示的运转参数的显示。
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