CN106178827A - 一种非消耗型多源微量有害气体祛除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天航空生保环控技术领域，具体为一种非消耗型多源微量有害气体祛除装置及方法。本发明装置包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制系统；其中，吸附与解吸单元是一体化分离器，分为下、上吸附器两部分，下部分吸附器中以以大孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附原料气体中的有毒有害气体；上部分吸附器中中小孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附少量粒径更小的有毒有害气体分子和水份；两部分中间设置有解吸装置，用于对使用过的吸附剂进行加热再生。该一体化分离器可以有多个，并联或串联运行。该装置可有效的实现舱内多源微量有害气体的广谱性综合祛除，降低了系统重量、功耗和消耗品补给需求。

Description

一种非消耗型多源微量有害气体祛除装置及方法

技术领域

本发明属于航天航空生保环控技术领域，具体涉及一种生保环控系统中大气再生子系统的多源微量有害气体祛除装置及方法，更具体的，涉及一种非消耗型多源微量有害气体祛除装置及方法。

背景技术

环境控制与生命保障系统（简称环控生保系统，ECLSS）是载人航天飞行器最重要的系统，通常，环控生保系统有六个子系统组成：温度与湿度控制子系统、大气控制与供应子系统、大气再生子系统、火情探测与灭火子系统、水回收与管理子系统以及废物管理子系统。

大气再生子系统直接关系到飞行器乘员生命安全保障，主要功能包括二氧化碳清除、大气监测、微量污染物的控制等，在载人航天飞行器等密闭空间中，设备、装修材料、人居环境产生的杂质气体严重影响飞行器乘员的作业功效甚至生命健康。

目前，有关有害气体净化的方法有多种，如活性炭吸附法、催化氧化法、化学分解法、分子筛变压吸附法等。目前美国、俄罗斯、国际空间站内的有害气体净化技术方案主要有以下几种：

早期采用活性炭吸附技术，依靠活性炭对各种有害气体的物理吸附来解决密闭舱室有害气体净化的要求。而后，随着技术的不断进步，开始采用活性炭与催化剂催化氧化的方法对有害气体进行净化。同时在空间站引入分子筛变压吸附去除二氧化碳的同时，附带将部分有害气体一同经过变压吸附而去除，而后通过太空的真空环境对分子筛进行再生，并且采用多床式设计（如两床式、四床式）保证有害气体净化的连续性不因分子筛的再生而打断。目前其采用分子筛主要为5A分子筛、13X分子筛及硅胶，其对有害气体的净化受二氧化碳等物质的影响较大。

最近有报道，美国航空航天局(NASA)与威斯康星大学合作研制了Airocide空气净化系统，其采用催化氧化的方式，通过紫外线激发纳米二氧化钛来实现催化氧化有机物的目的，使各类有机物分解为二氧化碳和水，从而实现对有害气体的净化。但此技术未提及诸如二氧化氮等无机气体净化的情况。

目前我国航天器有害气体净化技术主要采取两种方式：一种是化学分解法，另一种为活性炭吸附与催化法相结合。

化学分解法已应用于天宫一号，其通过净化风机将舱内的大气引入净化罐，经过化学分解吸收后，使洁净的空气重新流回舱内。净化风机是空气净化装置正常工作的关键，它的能耗极低，仅相当于一个普通照明灯的能耗。为提高空气净化装置的可靠性，采用了双机方案，一旦主风机出现故障，即刻能自动切换到副风机工作状态，保障净化风机一直是处于工作状态。

另一种净化方式将高效活性炭和少量常温催化剂设置于净化罐内，形成组合式的净化装置，吸附吸收飞行器舱内的微量有害气体，这比较适用于飞船类短期飞行的航天器。

同时国内相关科研院所也对密闭舱室有害气体控制进行了大量的研究，如中船重工718所研制的一氧化碳催化剂、氢催化剂专门用于密闭空间一氧化碳及氢气的催化去除；东南大学、北京工业大学等对光激发二氧化钛催化降解有害气体做了大量的工作；其他还有采用活性炭纤维、生物活性炭、负离子、低温等离子体、气体膜分离法等方法或手段对有害气体的净化做了研究。但这些研究及成果还无法解决未来深空探测等更加长期或是对重量、功耗、补给限制更严格的任务的需求。

对于中长期飞行数月乃至数年的飞行器，如空间实验室或空间站，由于任务周期长，航天员所需的消耗性物质和产生的废物，如果全靠地面与空间往返飞行支持，则必然要投入巨大的维持飞行的运行费用。为此，需要发展可再生式的有害气体净化系统，实现部分消耗性物质的再生重复使用，最大限度地提高综合效益，降低运行费用。物理化学再生式有害气体净化技术将是空间实验室和空间站环控生保技术研究的重点，利用物理化学方法着重解决有害气体净化装置的再生使用就可节省出很大的等效发射重量，降低运行费用，提高综合效益。

非再生式有害气体祛除技术因吸收/吸附剂不可再生，属于消耗型处理技术，不仅需要大量携带，而且在中长期载人航天飞行任务时面临质量增加过快和再补给困难等问题，显然在长期的载人航天飞行任务中，物理尤其可再生式清除技术显然更具竞争力，它克服了非再生式处理技术的缺陷，因可再生，可获得更高的经济性、效费比，但是，因为传统分子筛对有害杂质气体与水存在竞争性吸附，甚至水还更为容易被分子筛吸附而大幅降低了其吸附能力，而使得装置设计更复杂，控制困难，重量、体积、功耗较大。

同时，即使采用吸附处理技术，传统单一分子筛床难以做到对复杂、多源的有害杂质气体做到广谱性吸附、祛除，此外，还有因为分子筛为颗粒类分子筛，在发射等存在振动、冲击的环境条件下这些分子筛容易破碎成粉末，即使正常运行也将因存在空间、体积等限制条件下，频繁切换、设计空速过高等客观设计条件带来分子筛的流化现象，不但降低了系统的使用寿命，也将污染其下游设备。

因此，在面向未来深空探测等更加长期或是对重量、功耗、补给限制更严格的飞行任务，研制一种 “基于吸附分离技术的可再生式多源微量有害气体广谱性综合去除技术”，降低环控生保系统的初始发射重量，降低系统本身能源消耗，减少消耗品补给量，实现系统的轻量化的同时并提高系统的可靠性，为我国空间站后续环控生保技术的升级奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重量轻、功耗低，使用寿命长的非消耗型多源微量有害气体祛除装置与方法。

为更好的描述本发明，有关本发明中的部分名字释义如下：

贫气，是指相对进入吸附器之前的原料气中的特定组分而言，经吸附器之后获得的较原料气中的该组分更低浓度的气体，如相对进入吸附器中的含有毒有害杂质的原料气体来说，吸附塔出口即获得较该原料气更低的浓度，称为贫气、净化后气体；

吸附器，也可称为吸附塔、吸附床、分离器，是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力；

变压吸附、吸附分离，PSA等词，本专业的技术人员会承认，这些方法所指不仅是PSA方法，还包括与之类似的方法，如真空变压吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更宽广的意义上理解。也就是说，对于周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，可以包括大于或等于大气压力，而周期性循环的解吸压力，一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，则包括小于或等于大气压力。

压力，除注明是表压，其它均指绝对压力；

难吸附组分，是指相对于较为容易吸附的组分而言，同样的，易吸附组分则是指相对于较难吸附的组分而言。

附图中，以字母V为头的符号，代表自动控制阀门：如V1A/V1B，V2，V3，V4，等等，都是自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，当然，也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动控制阀，在特定条件下，甚至可手动操作。

101A，101B，等是吸附器编号，装填有至少一种或多种吸附剂；

101C是安装在吸附器中的解吸装置，如微波加热器；

AB01，等代表压缩机械、升压设备；如鼓风机。

本发明设计的非消耗型多源微量有害气体祛除装置，参见图1所示，包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制系统，其中：

所述送风单元，至少为一个；该送风单元是一种升压设备AB01（如鼓风机）；送风单元通过管道与所述吸附与解吸单元连接，在该连接管道上设有控制阀门V1A，而且，在升压设备AB01与控制阀门 V1A之间的管道上还设有第一管道支路，在该支路上设置排空控制阀门V1B ；

所述吸附与解吸单元是一个一体化分离器，分为吸附器101A与吸附器101B下、上两部分，以轴向床为例,101A、101B均为圆桶形空腔，内由中空纤维分子筛填充满，两端各有至少一个接口,称之为进、出口，吸附器101A中以大孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，典型的，吸附剂孔径0.5～40nm，主要用于吸附原料气体中的有毒有害气体；吸附器101B中以中小孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，典型的，吸附剂孔径0.05～1nm，主要用于吸附少量粒径更小的有毒有害气体分子和水份；吸附器101A与吸附器101B组件之间为间壁空腔中设置有解吸装置101C（如微波加热器），用于对使用过的吸附剂进行加热再生；吸附器101B设有通向舱内的第二管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V2；吸附与解吸单元还设有通向舱外的第三管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V4。

基于本装置的非消耗型多源微量有害气体祛除流程如下：

来自舱内的含有有毒有害气体与水份的原料气，为常温、常压、0～100%RH相对湿度的气体，自进口A通过升压设备AB01（如鼓风机），升压设备AB01将原料气体升压至0～800KPa，并通过一换热器将温度降至常温，典型的，如5～60℃，然后通过管道送入一体化分离器，控制管道内气体流速为1～20m/s；

在一体化分离器中，控制气体流速≤1m/s，使原料气体中的有毒有害气体被吸附器101A中的吸附剂吸附；经过吸附器101A的气体被吸附了大部分有毒有害气体但仍然含有少量小分子有毒有害气体和富含水份继续通过吸附器101B，控制流速≤1m/s，由吸附器101B中吸附剂吸附气体中少量小分子有毒有害气体和水份，出来的气体是贫气（净化气体）；该气体进入第二管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V2自出口C返回舱内；

当吸附器101A与吸附器101B吸附器的吸附剂吸附饱和失效后，利用解吸装置101C，使吸附剂恢复功能，以便继续使用。

来自舱内的含有有毒有害气体与水份的原料气，为常温、常压、0～100%RH相对湿度的气体，自进口A通过升压设备AB01（如鼓风机），将原料气体升压至0～800KPa，通常，再经换热器将温度降至常温，典型的，如5～60℃，并通过管道送入一体化分离器，管道内气体设计流速1～20m/s；其中，原料气体中的有毒有害气体被吸附器101A中的吸附剂吸附，经过吸附器101A的气体，设计流速≤1m/s，被吸附了大部分有毒有害气体但仍然含有少量小分子有毒有害气体和富含水份继续通过吸附器101B，设计流速≤1m/s，由吸附器101B中吸附剂吸附气体中少量小分子有毒有害气体和水份，出来的气体是贫气（净化气体）；该气体进入第二管道支路，设计流速1～20m/s，通过控制调节阀V2自出口C返回舱内；当吸附器101A与吸附器101B吸附器的吸附剂吸附饱和失效后，可利用解吸装置101C（如微波加热器），使吸附剂恢复功能，以便继续使用。

使吸附剂恢复功能的操作流程如下，打开第一管道支路上的控制阀门 V1B ，关闭控制阀门V1A、第二管道支路上的控制阀门V2，利用深空的真空（打开第三管道支路上的制调节阀V4，联通出口D的真空源，或者自此口接真空泵）并辅以解吸装置101C的微波加热，使吸附剂彻底再生，以便继续使用。当然，也可采用如上技术原理以公知技术的多塔吸附分离装置实现连续使用。

本装置中，所述的一体化分离器可以有多个的并联或串联运行。

本发明与传统的吸附处理技术比较，全面克服了传统处理技术的缺陷，不仅可有效的实现舱内多源微量有害气体的广谱性综合祛除，降低了系统重量、功耗和消耗品补给需求，具有如下技术优势：

（1）广谱净化，净化过程连续并可再生

采用具有阶梯孔径特征的特种疏水型分子筛组成的复合床层可梯次拦击大分子、小分子，广谱性的祛除多源微量有害气体；

采用单床变压变温吸附技术构建吸附分离装置，本身无需物料补给可连续净化多源微量有害气体，并仅依靠深空固有的真空环境辅助以很低的能量消耗即可满足再生条件，保证长期循环使用寿命；

（2）体积小、重量轻

疏水型可广谱吸附多源微量有害气体的分子筛具有极低的水吸附容量及较高的多源微量有害气体吸附容量，为装置小型化、轻量化奠定了坚实的基础；

结合疏水型吸附剂开发的单床多种类分子筛的复合床层吸附分离流程相对现有技术分离流程更简单，还进一步降低了系统的体积与重量；

（3）净化过程能量消耗低

疏水型吸附剂复合床层不仅疏水，还具有较高的解吸速率，解吸能量需求低；

低传质阻力的一体化复合床层，通常可将床层压降降低至数十至数百帕，远低于常规分离床的压力降，进一步降低了系统的能量消耗。

附图说明

图1为本发明的非消耗型多源微量有害气体祛除装置图示。

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例以进一步描述本发明；

实施例1

一个6人乘员舱的舱内多源微量有毒有害气体祛除方案，设计目标为装置祛除能力不低于10年产生的污染物总量，装置对各类常见挥发性有机物有广谱净化能力，其中微量有害气体产生速率如下一览表：

表1 微量有害气体产生速率和浓度控制标准

装置自我具备再生能力，功耗不大于350W，全部净化器年平均物耗不大于10kg，初始重量不大于90kg，装置不造成新的有害气体污染

如附图1，系统设备组成设计如下表：

采用以上的设备及附图1示意的技术流程，舱内有毒有害气体祛除可满足使用要求，达到了预期的控制效果，而以上设备，概略尺寸不超过300×450×600mm，并可随舱内情况分布布置，概略质量小于60kg，其中：

（1）送风单元

舱内有害气体24h产生总量也即系统削减总量为5.21g，按分子筛对所述14种无机、有机的有害气体的最低吸附量为0.5%(wt%)设计，含有害气体浓度越低，吸附剂装填量越大，单次脱除效率不低于80%计，天吸附20h，解吸2h，2小时富裕，送风单元送风量约需100m3/h，送风压力即床层及管路、阀门的阻力，总计300PaG，风机装机功率40W，重量2kg，噪音小于50dBA；

（2）吸附单元

吸附单元直接体现有害气体脱除功效，是一个大、中、小孔径中空纤维分子筛串联连接并一体化设计的中空纤维分离器，其中，疏水型中空纤维分子筛A首先吸附其中的动力学粒径较大的多源有害气体，疏水型中空纤维分子筛B则吸附其中的动力学直径中、小的多源有害气体，而水分将通过整体分离床层的前端，净化后的气体介质自控制调节阀V2返回舱内，C为A、B组件之间的间壁空腔，内置微波发生器，并且，A与B串联连接，以耐微波材料外壳整体封装，其中：

中空纤维分离器A装填了2kg疏水型大孔径中空纤维分子筛材料，中空纤维分离器B装填了1kg疏水型中小孔径中空纤维分子筛材料，均预留有足够的富裕量，C为A、B组件之间的间壁空腔内置功率300W的微波发生器，重量3kg，床层总压降100pa；

为节省空间及重量，吸附单元仅设单塔。在接近吸附饱和点时，停止进气，吸附塔转入解吸脱附过程；

解吸单元主要由通往太空的阀门V4及通入吸附分离器A、B组件之间的间壁空腔C及管路组成，当床层吸附饱和后，可通过关闭阀V1、控制调节阀V2利用深空的真空（打开V4）并辅以微波加热（内置于整体吸附分离床层内）以彻底再生吸附床层，有害气体被排至太空而清除，解吸温度50-80℃，在真空及辅助微波的条件下，吸附剂所吸附的有害气体将陆续脱附出来，重新恢复活性，即可再次投入使用；

（3）控制系统及装置底盘、管路附件

控制系统用以控制V2的开度与开闭，以及V1/V3的开闭，实现分离器的吸附与解吸，控制系统及装置附件主要为:

1）为监视处理过程，配备必要的监测仪器仪表、执行器和控制软件；

2）设备底盘、管线和阀件。

控制系统能根据设定值和控制值的要求，自动开启或关闭、自动完成有害气体脱除。

各单元及单元内的各设备间的操作切换，均通过现场传感和控制系统自动实现，在装置调试合格后，无需专人值守。

以上描述的或附图所示的方法和装置中，通过吸附塔的气流型式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的型式，关于吸附塔内装填的吸附剂，每个都可包括有多个主要吸附层，或者也可没有或设有一个或更多的预处理层，用以吸附其它组分如水汽、二氧化碳等。另外，每个吸附剂层可包括单一品种的吸附剂或两种或两种以上吸附剂的混合物。

上述描述的或附图所示的方法、工艺参数或装置中，可作出各种各样的变动而不会背离本发明的范围，因此，其它的不违背本专利精神的方法、装置或结合应用的改良以及可在本发明的实践中采用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种非消耗型多源微量有害气体祛除装置，其特征在于，包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制系统，其中：

所述送风单元，至少为一个；该送风单元是一种升压设备AB01；送风单元通过管道与所述吸附与解吸单元连接，在该连接管道上设有控制阀门V1A，而且，在升压设备AB01与控制阀门 V1A之间的管道上还设有第一管道支路，在该支路上设置排空控制阀门 V1B ；

所述吸附与解吸单元是一个一体化分离器，分为吸附器101A与吸附器101B下、上两部分，对于轴向床, 吸附器101A、吸附器101B均为圆桶形空腔，内由中空纤维分子筛填充满，两端各有至少一个接口,称之为进、出口，吸附器101A中以大孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，吸附剂孔径为0.5～40nm，主要用于吸附原料气体中的有毒有害气体；吸附器101B中以中小孔径疏水型中空纤维分子筛作为吸附剂，吸附剂孔径为0.05～1nm，主要用于吸附少量粒径更小的有毒有害气体分子和水份；吸附器101A与吸附器101B组件之间为间壁空腔，其中设置有解吸装置101C，用于对使用过的吸附剂进行加热再生；吸附器101B设有通向舱内的第二管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V2；吸附与解吸单元还设有通向舱外的第三管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V4。

2.根据权利要求1所述的非消耗型多源微量有害气体祛除装置，其特征在于，所述升压设备AB01为一鼓风机，所述解吸装置101C为微波加热器。

3.根据权利要求1所述的非消耗型多源微量有害气体祛除装置，其特征在于，所述的一体化分离器有多个，并联或串联运行。

4.一种基于权利要求1-3之一所述装置的非消耗型多源微量有害气体祛除方法，其特征在于：

来自舱内的含有有毒有害气体与水份的原料气，为常温、常压、0～100%RH相对湿度的气体，自进口A通过升压设备AB01，升压设备AB01将原料气体升压至0～800KPa，并通过一换热器将温度降至5～60℃，然后通过管道送入一体化分离器，控制管道内气体流速为1～20m/s；

在一体化分离器中，控制气体流速≤1m/s，使原料气体中的有毒有害气体被吸附器101A中的吸附剂吸附；经过吸附器101A的气体被吸附了大部分有毒有害气体但仍然含有少量小分子有毒有害气体和富含水份继续通过吸附器101B，控制流速≤1m/s，由吸附器101B中吸附剂吸附气体中少量小分子有毒有害气体和水份，出来的气体是贫气即净化气体；该气体进入第二管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V2自出口C返回舱内；

当吸附器101A与吸附器101B吸附器的吸附剂吸附饱和失效后，利用解吸装置101C，使吸附剂恢复功能，以便继续使用。

5.根据权利要求4所述的非消耗型多源微量有害气体祛除方法，其特征在于，使吸附剂恢复功能的操作流程如下，打开第一管道支路上的控制阀门 V1B ，关闭控制阀门V1A、第二管道支路上的控制阀门V2；打开第三管道支路上的制调节阀V4，联通出口D的真空源，或者自此口接真空泵，使装置内呈真空状态，通过解吸装置101C的加热，使吸附剂彻底再生。