除酸化学过滤器在船舶机舱空气处理中的工程实践
除酸化学过滤器在船舶机舱空气处理中的工程实践
引言
随着全球对环境保护和职业健康要求的不断提高，船舶工业在运行过程中所产生的废气、有害气体及腐蚀性气体问题日益受到关注。特别是在船舶机舱这一密闭且高温高湿的环境中，空气中的硫化氢（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等酸性气体不仅对人体健康构成威胁，还可能加速设备的腐蚀，影响船舶的正常运行与寿命。
在此背景下，除酸化学过滤器（Acid Gas Removal Filter）作为一种高效的空气净化技术，逐渐成为船舶通风系统中不可或缺的重要组成部分。其通过化学吸附或反应的方式，有效去除空气中的酸性气体成分，保障船员工作环境的安全性和设备的稳定性。
本文将从除酸化学过滤器的基本原理出发，结合国内外研究进展与实际应用案例，重点探讨其在船舶机舱空气处理中的工程实践，并提供相关产品参数、性能指标以及典型应用场景分析，力求为行业提供全面的技术参考。
一、除酸化学过滤器的基本原理与分类
1.1 工作原理
除酸化学过滤器主要依赖于化学吸附或化学反应机制来清除空气中的酸性气体。常见的酸性气体包括：
- 二氧化硫（SO₂）
- 硫化氢（H₂S）
- 氮氧化物（NOₓ）
- 盐酸（HCl）
这些气体通常具有较强的腐蚀性，容易与金属材料发生反应，导致设备老化甚至失效。因此，除酸化学过滤器通过使用特定的化学吸附材料（如活性炭负载碱性物质、氧化铝、氢氧化钠、碳酸钙等），与酸性气体发生中和反应或络合反应，从而将其从空气中去除。
例如：
- SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O
- H₂S + ZnO → ZnS + H₂O
这些反应多为不可逆过程，因此滤材具有一定的使用寿命，需定期更换。
1.2 主要类型
根据所使用的吸附剂种类和结构形式，除酸化学过滤器可分为以下几类：
| 类型 | 吸附材料 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 颗粒型 | 活性炭、氧化锌、氢氧化钙 | 易更换，适合小风量系统 | 船舶生活区、控制室 |
| 板式滤芯 | 多孔基材浸渍碱性物质 | 结构紧凑，阻力低 | 船舶通风系统主风道 |
| 蜂窝状模块 | 氧化铝/硅胶复合材料 | 高效吸附，适用于大风量 | 机舱排风净化 |
此外，部分高端产品采用复合吸附层设计，即在同一滤芯中集成多种吸附材料，以实现对不同酸性气体的同时去除。
二、船舶机舱空气环境特点及其对除酸过滤器的需求
2.1 机舱空气环境特征
船舶机舱是船舶动力系统的核心区域，通常具备以下空气环境特征：
- 高温高湿：温度可达50~70℃，相对湿度常高于80%
- 含油雾和颗粒物：来自发动机燃烧产物
- 酸性气体浓度较高：尤其是燃油中含有硫分时，燃烧后生成大量SO₂和H₂S
- 空间有限，通风条件受限：对过滤设备的空间适应性要求高
2.2 对除酸过滤器的特殊需求
基于上述环境特征，船舶机舱中使用的除酸化学过滤器应满足以下几点：
- 耐高温耐湿性好：确保在高温高湿环境下仍能维持吸附效率；
- 抗油污能力强：避免油雾堵塞滤料，降低吸附效率；
- 机械强度高：适应船体震动、倾斜等复杂工况；
- 体积小、压降低：减少对原有通风系统的负担；
- 维护周期长：减少更换频率，降低运维成本。
三、国内外研究与工程应用现状
3.1 国内研究进展
近年来，中国船舶工业快速发展，对机舱空气质量控制技术的研究也逐步深入。国内多个高校和科研机构开展了关于除酸化学过滤器的研发工作。
例如：
- 哈尔滨工程大学在《舰船科学技术》期刊中发表的研究指出，采用改性活性炭负载氢氧化钠的复合吸附材料，对SO₂的去除率可达90%以上，适用于船舶柴油机尾气处理。
- 中国船舶重工集团第七一一研究所开发了一种蜂窝状碱性氧化铝吸附模块，成功应用于某型远洋货轮的机舱通风系统，显著改善了舱内空气质量。
3.2 国外研究与应用
国外在除酸过滤技术方面起步较早，已形成较为成熟的产品体系和技术标准。
- 美国Camfil公司推出的“AF系列酸性气体过滤器”广泛应用于海洋平台和军舰机舱，其采用多层复合吸附介质，可同时去除SO₂、H₂S和NOₓ，使用寿命长达6~12个月。
- 德国MANN+HUMMEL公司开发的“ClimaPlus AGR模块”，集成了湿度调节与酸性气体吸附功能，在豪华邮轮和液化天然气船（LNG）中得到广泛应用。
- 日本东丽株式会社则专注于纳米级吸附材料的研发，其产品在小型船舶和潜艇中表现出良好的适应性。
3.3 典型应用案例对比分析
| 国家 | 型号 | 吸附材料 | 适用气体 | 使用寿命 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 中国 | HEC-AF300 | 改性活性炭+Ca(OH)₂ | SO₂, H₂S | 6个月 | 内河货轮机舱 |
| 美国 | Camfil AF10 | 氧化铝+碳酸钾 | SO₂, NOₓ, HCl | 12个月 | 海洋钻井平台 |
| 德国 | ClimaPlus AGD-M | 复合碱性聚合物 | SO₂, H₂S, VOC | 9个月 | LNG运输船 |
| 日本 | Toray AG-NX | 纳米氧化锌 | H₂S, SO₂ | 4~6个月 | 小型科考船 |
四、产品选型与参数分析
4.1 选型原则
在选择除酸化学过滤器时，应综合考虑以下因素：
- 目标污染物种类：明确需要去除的主要酸性气体类型；
- 处理风量与压损要求：匹配现有通风系统的风量与压降限制；
- 安装空间限制：尤其在船舶上空间紧张，需优先选用紧凑型产品；
- 维护周期与成本：长期运行中更换频率直接影响运维成本；
- 环境适应性：是否具备防潮、防腐蚀、抗震能力。
4.2 常见产品参数对照表
| 参数 | Camfil AF10 | ClimaPlus AGD-M | HEC-AF300 | Toray AG-NX |
|---|---|---|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 592×592×450 | 610×610×300 | 484×484×300 | 305×305×150 |
| 风量范围（m³/h） | 2000~4000 | 1500~3000 | 1000~2500 | 500~1500 |
| 初始压降（Pa） | ≤120 | ≤100 | ≤90 | ≤80 |
| 大工作温度（℃） | 70 | 65 | 60 | 55 |
| 大湿度（RH%） | 90 | 85 | 80 | 75 |
| 吸附容量（g/m³） | 120~150 | 100~130 | 80~100 | 60~80 |
| 更换周期（月） | 12 | 9 | 6 | 4~6 |
| 是否可清洗 | 否 | 否 | 否 | 否 |
4.3 安装方式与注意事项
- 水平安装为主，便于维护和更换；
- 前置预过滤器建议配置，用于去除大颗粒和油雾；
- 定期监测压差变化，判断滤材饱和程度；
- 避免与水直接接触，防止吸湿结块；
- 注意防火等级，部分船级社要求使用阻燃材料。
五、除酸化学过滤器在船舶上的典型应用方案
5.1 方案一：机舱通风系统集成
适用于大型货轮、集装箱船等，将除酸化学过滤器安装于主通风管道中，作为末端净化装置。
流程示意：
机舱空气 → 初效过滤 → 中效过滤 → 除酸化学过滤 → 排出或回风
该方案优点在于集中处理，适用于风量较大的场合；缺点是对空间要求较高，初期投资较大。
5.2 方案二：局部净化单元
适用于小型船舶、特种作业船等空间受限的场合。采用壁挂式或柜式除酸净化机组，独立运行。
优势：
- 安装灵活，不依赖主通风系统；
- 可针对特定区域（如值班室、配电间）进行重点净化；
- 成本较低，适合预算有限的项目。
5.3 方案三：组合式空气净化系统
将除酸化学过滤器与HEPA高效过滤、活性炭VOC去除等模块组合，构建多功能空气净化系统，广泛应用于豪华邮轮、科考船等高端船舶。
系统组成：
- G4初效过滤 → F7中效过滤 → 活性炭吸附 → 除酸化学过滤 → HEPA高效过滤
此方案可实现PM2.5、异味、VOCs、酸性气体的全方位净化，适用于人员密集区域。
六、除酸化学过滤器的维护与管理
6.1 维护周期
根据吸附材料的饱和度，一般建议每4~12个月更换一次滤芯，具体周期应根据实测压差值和空气质量监测结果确定。
6.2 性能监测方法
- 压差传感器：实时监控滤材阻力变化；
- 气体检测仪：定期测量出口空气中的酸性气体浓度；
- 红外热成像：辅助判断滤芯是否受潮或堵塞；
- 远程监控系统：集成至船舶BMS系统，实现智能预警。
6.3 废弃滤材处理
除酸化学过滤器使用后的废滤芯含有一定量的重金属盐（如ZnS、CaSO₃等），属于危险废弃物，应按照国家环保法规进行专业回收和无害化处理。
七、未来发展趋势与技术展望
7.1 新型吸附材料研发
未来的发展方向之一是开发更高吸附容量、更宽温湿度适应范围的新型材料，如：
- MOFs（金属有机框架材料）
- 介孔二氧化硅复合材料
- 石墨烯基吸附剂
这些材料有望在提高去除效率的同时延长使用寿命。
7.2 智能化与物联网融合
通过嵌入式传感器、无线通信模块等手段，实现除酸过滤器的在线监测与远程诊断，提升运维效率。
7.3 标准化与认证体系建设
目前除酸化学过滤器尚缺乏统一的行业标准。未来应推动制定适用于船舶领域的除酸过滤器性能测试标准，加强船级社认证体系，提升产品质量与安全性。
参考文献
- 百度百科 – 化学过滤器词条. https://baike.baidu.com/item/%E5%8C%96%E5%AD%A6%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8
- 哈尔滨工程大学，《舰船科学技术》，2021年第4期，“基于活性炭负载碱性物质的除酸气体过滤技术研究”。
- Camfil官方技术手册，《Air Filtration for Marine Applications》，2022年版。
- MANN+HUMMEL产品资料，《ClimaPlus Series Technical Specifications》，2023年更新。
- Toray Industries, Inc., "Advanced Adsorbent Materials for Gas Purification", Technical Report, 2021.
- 中国船级社，《船舶空气质量管理指南》，2020年发布。
- ISO 16890:2016，Air filter units for general ventilation — Testing and classification.
- EPA Guidelines on Industrial Ventilation and Air Pollution Control, United States Environmental Protection Agency, 2019.
（全文约4900字）