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航空解决方案故事案例

商用飞机新型技术解决方案

产品:空客舱内空气过滤器

 

挑战

现代飞机舱内空气通过环境控制系统(ECS)提供,其用于控制舱内压力和舱内温度,保持空气质量,过滤/清除舱内的各种颗粒物质、烟雾、气味。

 

在典型的商用飞机舱内空气循环系统中,输入舱内的空气包含约50%的舱外空气,这些空气来自发动机压缩段(发动机“引气”)或辅助动力设备(APU),另外还含有约50%的已过滤和再循环空气。(注意:然而某些飞机设计现在采用“无引气”的ECS)。舱内空气颗粒过滤器通常位于再循环回路中,其额定钠焰测试效率通常高达99.9%或者相当于99.97%D.O.P(邻苯二甲酸二辛酯)。

 

在某些特定情况下可以采用较低水平的过滤,但通常可以选择升级至HEPA过滤(等于或大于EU H132级)。这种“真正HEPA”规格生产的过滤器,可实现清除再循环舱内空气中的颗粒污染物和控制微生物的优异标准。但是,某些导致颗粒物污染和异味的化合物以及挥发性和半挥发性有机化合物(VOCSVOC)可能会从外部空气系统进入,而该系统通常不提供过滤。为了给旅客和机组人员提供安全、健康和舒适的环境,现有和将来的飞机设计需要考虑提供充分净化的外部空气(“引气”)和再循环空气。

 

解决方案

 

A.用于清除VOC/异味的碳吸附剂

目前,舱内空气和其它工业运输系统使用吸附式设备进行气体清除,通常使用类似于颗粒过滤器的一次性过滤器装置。

 

吸附式过滤器采用固态非可燃性吸附剂,根据需要清除或分离的气体污染物选择吸附剂的选择吸附剂。(注:吸附是指气体、液体或溶质在固体表面上的积聚,而吸收是指一种物质渗入另一种物质、一种流体分散于或者溶解于另一种液体或固体)。

吸附式过滤器的优点是适用于低温应用(例如,炭吸附过滤器可在高达70°C158°F温度时有效工作),它们对各种气体污染物都有高吸附效率且不用电。但是,随着污染物在吸附剂上的积聚,过滤器的效率会下降。因此,需要定期维护、清除和更换滤芯。

 

颇尔目前提供组合式HEPA/异味吸附式过滤器,用于空客A320系列和空客A330/A340系列飞机,它们可与现有的颗粒物HEPA舱内空气滤芯充分互换。颇尔还正在对商业飞机用组合式颗粒物/VOC过滤器进行在飞评估,该过滤器设计用于过滤座舱空气供应。

 

B.用于清除VOC/异味的催化剂

催化氧化工作基于氧化而不是吸附污染物的原理。作为长途飞机的标准设备,臭氧转化器(OZC)已应用了10多年。组合式VOC/臭氧转化器(VOCZ)设备可用于Airbus A320A330/A340系列和A3804飞机。催化转化器由内含金属或陶瓷结构(蜂巢或者陶瓷珠)的金属外壳构成,内部结构表面上涂有合适的催化剂。根据要处理的污染物选择催化剂,可以包括二氧化锰、铂和钯等材料。除了分离氧气中的臭氧以外,合适的催化剂还可以将碳氢化合物类VOC/异味化合物转化为二氧化碳和水。这些装置装于飞机ECS的高温区,例如,外部空气供应或APU的下游。VOCZ装置需要空气工作温度最低为150 °C302°F),最好超过200 °C392°F),以确保有效氧化各种污染物。如果温度低于150°C 302°F),氧化性能会明显下降,某些污染物发生部分被氧化或根本不氧化。

 

因为这些装置安装在发动机或者APU(辅助动力设备)的下游,因此可以尽可能靠近污染物源头来解决问题。但是,根据航空工业臭氧转化器方面的经验,随着工作时间和次数的增加,催化转化器会累积污染物而逐渐丧失效率。另外,这些装置可能“偶尔”被烟雾事件毒化,当高浓度油污在短时间内进入空气系统就会导致这种情况。如果出现催化剂中毒或掩蔽,需要更换整个转化器或者再生或恢复催化剂。

 

C.用于清除颗粒物和VOC/异味化合物的非热式等离子体氧化

非热式等离子体氧化适于处理低VOC浓度的气流,可用于同时破坏不同空气污染物,例如,灰尘和微生物。

 

等离子体是物质的一种特殊气体状态,内含离子和自由移动电子的混合物。等离子体反应器内含强反应性的自由基,可以氧化空气中的污染物,例如,VOC和异味化合物,将其转化为二氧化碳和水。等离子体装置的优点是效率终生保持恒定。

 

但是,等离子体反应器的设计必须深思熟虑,以减少电力消耗,确保产生的臭氧水平可以接受。而且,应该要注意的是,被污染气体在等离子体反应器中的停留时间必须足够久,从而可以彻底氧化VOC/异味化合物。如果停留时间过短,部分氧化反应产生的中间体会返回再循环气流的机舱内,这些新化合物与初始化合物一样,都是有害物质。另外,如果VOC内出现氢和碳之外的分子,例如,氯,可能会产生盐酸等化合物。

 

因此,对于任何氧化系统,事先了解舱内空气污染物的特性极其重要,从而进行针对性处理,以避免产生有害氧化产物。

 

因为这些装置安装在发动机或者APU(辅助动力设备)的下游,因此可以尽可能靠近污染物源头来解决问题。但是,根据航空工业臭氧转化器方面的经验,随着工作时间和次数的增加,催化转化器会累积污染物而逐渐丧失效率。另外,这些装置可能“偶尔”被烟雾事件毒化,当高浓度油污在短时间内进入空气系统就会导致这种情况。如果出现催化剂中毒或掩蔽,需要更换整个转化器或者再生或恢复催化剂。

 

C.用于清除颗粒物和VOC/异味化合物的非热式等离子体氧化

非热式等离子体氧化适于处理低VOC浓度的气流,可用于同时破坏不同空气污染物,例如,灰尘和微生物。

 

等离子体是物质的一种特殊气体状态,内含离子和自由移动电子的混合物。等离子体反应器内含强反应性的自由基,可以氧化空气中的污染物,例如VOC和异味化合物,将其转化为二氧化碳和水。等离子体装置的优点是终生保持恒定效率。但是,等离子体反应器设计必须深思熟虑,以减少电力消耗,确保产生的臭氧水平可以接受。而且,应该要注意的是,被污染气体在等离子体反应器中的停留时间必须足够久,从而可以彻底氧化VOC/异味化合物。如果停留时间过短,部分氧化反应产生的中间体会返回再循环气流的机舱内,这些新化合物与初始化合物一样,都是有害物质。另外,如果VOC内出现氢和碳之外的分子,例如,氯,可能会产生盐酸等化合物。因此,对于任何氧化系统,事先了解舱内空气污染物的特性极其重要,从而进行针对性处理,以避免产生有害氧化产物。

 

III.颇尔光催化再生吸附(PCRA)系统

PCRA系统采用独特的吸附和光催化氧化,清除来自舱内空气供应的颗粒物和气体污染物。正如C节所述,化学氧化的缺点是可能产生有害副产物,这可能降低而不是改善舱内空气质量。而PCRA系统将解决该问题。

 

D.工作原理PCRA系统

PCRA系统含有基于吸附剂/光催化材料的专有吸附剂。其工作过程包括2个阶段:第1阶段-吸附剂吸附气态污染物。第2阶段-系统氧化吸附剂上的污染物(参见E节),然后将产物吹至舱外环境。PCRA的优点是吸附剂系统可完全再生,因此工作期间可全程维持高效率,其清除气流中的污染物而不是将其氧化,可以在舱内温度下工作,不会产生臭氧,压力损失极低以及功耗极低。

 

E.基本原理-光催化氧化(PCO

光催化是一种紫外(UV)线照射激活催化剂的氧化过程,该过程将气体污染物氧化为水和二氧化碳。最常用的一种催化剂是二氧化钛(TiO2),但也可以使用其它产品(例如,ZnOZrO2)。受到光子照射时,光催化剂会产生电子-空穴对(e-h+)。这些粒子与催化剂表面吸附的水蒸汽和氧气分子发生反应,产生强反应性的自由基,其中主要是羟基(OH*):

 

最后,这些强反应性氧离子和氢氧自由基氧化催化剂表面吸附的气体化学污染物,产生二氧化碳和水。

 

VOC + O2- + OH* → CO2 + H2O

 

典型的光催化氧化(PCO)设备包括两个基本部分:光催化网格(例如,褶皱结构滤材或者涂有薄层催化剂的吸附床,例如,TiO2)和紫外光源(例如,过滤板之间的UV光管)。PCO基本原理在技术上已经成熟,已有许多装置用于工业和民用领域。颇尔PCRA设备已在实验室条件下完成测试,结果显示VOC清除效率超过90%。后续将继续开发和验证航空准入装置。

 

结果

在典型的商用飞机舱内空气循环系统中,输入舱内的空气包含约50%的舱外空气,这些空气来自发动机压缩段(发动机“引气”)或APU,另外还含有约50%的已过滤和再循环空气。

 

大多数商用飞机采用HEPA过滤器或吸收器,它们位于空气再循环回路内。但某些颗粒、异味化合物和痕量化学VOC可能通过混合舱从外部空气系统进入,而混合舱内通常不过滤。

 

因此,为了为旅客和机组人员提供安全、健康和舒适的环境,现在和将来的飞机设计需要考虑充分净化外来空气(“引气”)和再循环空气。本文介绍当前可用的一些技术解决方案。