一种催化燃烧惰化油箱的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于防火防爆技术领域，具体涉及一种催化燃烧惰化油箱的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]油箱由于受到外界点火源的作用，例如闪电、静电、明火、加热等原因，会产生燃烧和爆炸从而导致人员伤亡或财产损失。因此如何有效避免油箱燃烧爆炸的安全问题一直以来受到社会的广泛关注。
[0003]以飞行器中燃烧爆炸问题为例，如在越南战争中，美国空军由于受到地面火力攻击而损失了数千架飞机。在这些损失中，由于燃油失火导致的损失比例高达50%。机舱安全研宄技术小组(CSRTG, Cabin Safety Research Technical Group)对从 1966 到 2009 年全世界3726起民机事故统计结果显示，共有370起事故与油箱燃烧爆炸有关。由此可见，无论对于军机还是民机，都必须采用有效的措施来防止油箱燃爆。飞机油箱的防火抑爆能力不仅关系到飞机的生存能力和易损性，同时也关系到飞机的利用率、成本和乘客的安全。
[0004]从上世纪50年代起，美国军方就开始了采用氮气、Halonl301 (哈龙)气体惰化油箱的研宄工作，而采用中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术(OBIGGS, On-BoardInert Gas Generat1n system)成为了目前实用和经济的飞机油箱燃爆抑制技术，其在F-15、F-22、F-35、C-17和A400等新型军机上得到了广泛应用。美国联邦航空管理局(FAA，Federal Aviat1n Administrat1n)也颁发一系列修正案、咨询通报和适航规章，促使波音787、空客380等新型飞机在设计阶段已采用中空纤维膜机载惰化技术，同时，波音737、747、777及空客A320、A321等现役飞机也进行了或正在进行惰化系统改装工作。
[0005]我国从2008年开始，在民机领域与高校合作，消化吸收国外中空纤维膜机载制氮惰化技术，采用国外供应商帕克和伊顿产品，将其用于国产大飞机、支线飞机和公务机上。而在军用领域，则自行设计机载制氮惰化系统，并加装在运输机战斗机上。此外，在油轮、特种车辆等领域也有采用氮气来置换填充油箱，达到惰化目的的报道。
[0006]但是，从国内外的应用现状来看，制氮惰化技术仍然存在很多问题。归纳起来包括以下几个方面:1)目前中空纤维膜膜技术分离效率仍然较低，以伊顿(Eaton)公司产品为例，制取Ikg氮浓度为95%的惰化气体时，需要消耗约4kg引气，而若氮浓度提升至98%时，则消耗的引气量达到1kg以上，导致系统效率过低。2)分离膜入口绝对压力通常要达到400kPa以上，但是在很多场合并没有这样高压力的气源，因此需要增加压气机，从而导致投资成本升高，可靠性降低。3)膜丝内径通常仅0.5mm左右，膜表面渗透孔径更是小至
0.1-0.2mm，因此对空气品质要求很高，此外气源中的臭氧也对膜的寿命有极大影响。例如国内装备机载制氮惰化系统的波音飞机，分离膜性能衰减远超过预期，某型军机的分离膜供应商也仅能保证分离膜使用寿命为10年，而更换一次分离膜的费用达千万元。4)惰化过程中，采用富氮气体填充油箱气相空间，在此过程中，会导致部分燃油蒸汽随被置换出油箱夕卜，造成燃油的额外消耗，同时污染环境。
[0007]催化燃烧又称为催化氧化技术，是指在催化剂的作用下，废气中的有机物进行深度无焰氧化，生成二氧化碳和水的过程，此过程是一种不可逆过程。催化燃烧目前大多用于处理VOCs气体。因为引入催化剂降低了反应所需的活化能，催化氧化法与直接燃烧相比，反应温度要低很多，大多在250°C~400°C的温度区间内，大部分碳氢化合物和一氧化碳通过催化剂反应器床层很快可完全氧化，反应速率高，二次污染物NOx和CO的量很少，VOCs去除率尚，具有尚效节能和环境友好的功能。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服制氮惰化技术效率低、价格昂贵及适用范围窄等缺点，基于催化燃烧，提供一种催化燃烧惰化油箱的装置及其方法。
[0009]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
一种催化燃烧惰化油箱的装置，包括油箱，所述油箱的气体出口通过管道分别与气泵入口，脱附加热器入口，喷水器气体入口及风机出口连接，所述气泵的出口至第二阻火器之间通过管道顺次连接有第一阻火器，电加热器，预热器冷侧通道和催化反应器，所述第二阻火器出口至第二水分离器气体入口之间通过管道顺次连接有所述预热器热侧通道，所述脱附加热器热侧通道，第一水分离器气体通道和惰气冷却器热侧通道，所述第二水分离器气体出口通过管道分别与第三截止阀入口及第四截止阀入口连接，所述第三截止阀出口通过管道分别与第一截止阀出口及第一吸附器入口连接，所述第四截止阀出口通过管道分别与第二截止阀出口及第二吸附器入口连接；所述脱附加热器冷侧出口通过管道分别与所述第一截止阀入口及第二截止阀入口连接；所述惰气冷却器冷侧通道出口与喷水器气体出口连接；所述喷水器液体入口通过管道分别与所述第一水分离器液体出口及所述第二水分离器液体出口连接；所述第一吸附器出口通道管道分别与第六截止阀入口及第八截止阀入口连接；所述第二吸附器出口通道管道分别与第五截止阀入口及第七截止阀入口连接；所述第五截止阀出口及所述第六截止阀出口通过管道与所述油箱气体入口连接；所述惰气冷却器冷侧通道出口、所述第七截止阀出口及所述第八截止阀出口与环境大气连通。
[0010]优选的，所述油箱底部燃油出口至洗涤喷射器燃油入口之间通过管道连接有油泵，所述洗涤喷射器出口在所述油箱底部最低液面下，所述洗涤喷射器气体入口通过管道与所述第五截止阀出口及所述第六截止阀出口连接。
[0011]进一步的，所述油箱是一种容纳可燃燃油的容器，包括飞机燃油箱，汽车油箱，轮船油箱。
[0012]进一步的，其特征在于，所述第一吸附器和第一吸附器中所用吸附材料为分子筛、硅胶、氯化锂等对水蒸气有吸附作用的固体颗粒或粉末。
[0013]一种催化燃烧惰化油箱的方法，采用如上所述的热泵蒸馏装置，其包括以下过程:1)催化反应过程:开启所述气泵抽吸所述油箱中上部气相空间的可燃混合气，可燃混合气由燃油蒸汽、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气及其他微量杂质构成，开启所述风机抽吸来自环境的空气，并与可燃混合气在所述气泵入口处混合后，流经所述风机、所述第一阻火器、所述电加热器及所述预热器热侧通道升温，升温后的可燃混合气进入所述催化反应器进行催化燃烧反应，将可燃混合气中的燃油蒸汽氧化为二氧化碳和水蒸汽，可燃混合气中燃油蒸汽含量降低，二氧化碳浓度升高，变成高含水量惰化混合气；
2)反应产物冷却和除水过程:从所述催化反应器出口流出的高含水量惰化混合气在所述脱附加热器热侧通道中释放热量，将流经所述脱附加热器冷侧通道，并来自于环境的空气加热，释放热量后的高含水量惰化混合气中的部分水蒸气转变为液态水后，变为中含水量惰化混合气；中含水量惰化混合气在所述第一水分离器中将气体和液态水分离后流入所述惰气冷却器热侧通道，由从所述喷水器气体出口流出含液态水和空气的混合物冷却，进一步释放热量、降低温度并将水蒸气转变为液态水后，变为低含水量惰化混合气；所述第一水分离器和所述第二水分离器中分离下来的液态水通过各自液体出口进入处所述喷水器中，并在所述喷水器中与来自所述风机中的空气混合后进入所述惰气冷却器冷却通道被流经所述惰气冷却器热却通道的中含水量惰化混合气加热，加热过程中液态水被蒸发，提高了换热效率；
3)吸附和脱附过程:
模式①一打开所述第三截止阀和所述第六截止阀，关闭所述第一截止阀和所述第八截止阀，使所述第一吸附器工作在吸附状态，同时打开所述第二截止阀和所述第七截止阀，关闭所述第四截止阀和所述第五截止阀，使所述第二吸附器工作在脱附状态；从所述第二水分离器气体出口流出的低含水量惰化混合气进入所述第一吸附器，低含水量惰化混合气中水蒸气在所述第一吸附器中被吸附剂吸附变为微含水量惰化混合气，同时所述第一吸附器中吸附剂内的水分含量逐渐升高；由所述风机泵入的外界环境空气在所述脱附