應急避險空間二氧化碳凈化裝置研制與性能分析

茅靳豐 劉立瑤 吉少杰 陳飛

解放軍理工大學國防工程學院

0 引言

應急密閉空間是指在外界突發災害時，人員進行暫時避險、等待救援的有限空間[1]。人員在密閉空間內較長時間生存時，自身的新陳代謝會對空間內空氣產生嚴重影響，其中CO2是代謝量最大的產物之一。在密閉環境內，對CO2濃度有嚴格的限制，潛艇中保證人員生存時其濃度要低于5%，礦用救生艙和避難硐室要求不高于1[2-5]。因此，為了提高人員生存保障能力，研究如何快速的去除CO2具有重要意義。

密閉空間中，為更高效地去除CO2，國內外學者從研究空間內CO2控制方法，濃度變化規律以及凈化過程機理分析進行了大量研究。汪波等[6]就目前CO2氣體的去除技術進行了總結與展望。Stutte G W，曹利波等[7-8]對密閉空間內人體代謝產生的有害氣體進行了實驗研究。Haghnegahdar M R等[9-11]分析了CO2在噴射床反應器內與Ca(OH)2反應的機理和影響因素。Bamsey M，栗婧等[12-13]研究了CO2循環凈化方式以及利用堿石灰去除CO2效率的影響因素。

上述研究為密閉空間CO2的凈化提供了一定的理論參考和應用實例。但很少涉及對CO2凈化裝置的設計及優化。筆者在國內外學者研究的基礎上，設計了一種CO2凈化裝置，并利用數值模擬對其結構進行優化，最終通過實驗測試其凈化效果。結果表明，改進后的結構形式具有良好的氣流組織，在CO2濃度為1的情況下，其凈化效果滿足人員生存需求。

1 CO2凈化研究

1.1 凈化方法選擇

工程上常用的CO2凈化方式主要分為以下五種：膜分離法，分子篩法，置換法，胺吸收法，堿金屬及其氧化物法[14-17]。其中膜分離法，分子篩法和置換法為物理凈化法，胺吸收法和堿金屬及其氧化物法為化學凈化法。CO2凈化方式原理的不同決定了其不同的優缺點以及適用場所。表1為不同CO2凈化方式的對比。

表1 不同CO2凈化方式的對比

通過對不同CO2凈化方式的優缺點以及適用場合的分析，選擇堿金屬及其氧化物法作為應急密閉空間CO2的凈化方式，平時只需將足量的吸附劑儲存在應急避難室內，在救援期利用吸附劑對室內CO2進行靜態吸附或者動態吸附以控制室內CO2濃度。該方式簡單，安全，成本較低。

1.2 人員CO2釋放速率研究

實驗采用6名青年男性進入尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m的空氣品質實驗室并模擬避險人員進行輕度活動或靜坐。空氣品質實驗室在進行密封之后，其泄氣速率不超過170Pa/h，滿足氣密性標準[18]。實驗期間，采用氧燭對密閉室供氧，控制內部氧氣濃度保持在18.5%～22%之間，采用人力風機組織室內氣流，保證二氧化碳和氧氣濃度場的均勻性，采用CO2濃度測試儀記錄其濃度值，直到CO2濃度達到1%。實驗中CO2濃度單位用ppm表示，其變化曲線如圖1所示。

圖1 CO2濃度變化曲線

由圖1可以看出，空氣品質實驗室內CO2濃度近似呈線性變化，說明人員CO2釋放速率基本穩定。室內CO2初始濃度為467 ppm，當實驗進行至72 min后，CO2濃度達到了1%，對濃度變化進行線性擬合，可以得到室內CO2濃度變化表達式，如式（1）所示，

式中：P為室內 CO2濃度，%；t為時間，min；0.0129為CO2濃度變化曲線的斜率；0.0467則為室內CO2初始濃度。

人員CO2釋放速率計算式為：

式中：n為實驗室人員數量，人；v為每名人員CO2釋放速率，L/(min·人)；V為空氣品質實驗室容積，L。

已知空氣品質實驗室體積為15.625m3，實驗人員為6人，根據式（2）可以得出人員CO2釋放速率為0.335 L/(min·人)。

2 設備設計優化與實驗

2.1 設計原則

堿金屬及其氧化物作為CO2吸附劑，一般呈顆粒狀，由于具有較強的堿性，在動態吸附過程中，使用不當會造成粉末外溢，對人員或者設備進行腐蝕，所以設計二氧化碳凈化設備時，既要保證吸附劑與CO2具有足夠大的接觸面積，滿足密閉空間CO2凈化速率要求，又要避免造成吸附劑粉末外溢。

吸附劑動態吸附需要放置在二氧化碳凈化藥板上，便于吸附劑的快速放置和更換，將二氧化碳凈化藥板放置于凈化箱內，利用人力風機對凈化箱進行氣流組織，設計時需綜合考慮氣流均勻流過凈化藥板表面，避免氣流短路以及凈化箱的流動阻力。

2.2 結構設計及優化

凈化箱主要包括雙開門，進出風口，凈化藥板以及靜壓段等結構，其中雙開門用來取放藥板，關閉之后具有密封作用，使進風無法通過門流出，防止氣流短路。人力風機通過軟管與進風口相連，組織氣流通過靜壓段減少動壓，增加靜壓，降低噪聲，使氣流均勻流過凈化藥板表面，CO2與吸附劑發生反應被吸附，凈化后的空氣從出風口送入室內，為避免氣流短路，進出風口不在同一水平面，采用下送上出的氣流組織形式，進出風口直徑與人力風機直徑一致。凈化藥板為網狀結構使得吸附劑上下表面均可與氣流接觸，既可增大CO2凈化速率，又可增大吸附劑的利用率，水平放置于凈化箱內，減小氣體的流動阻力，采用多層布置方式，增大吸附劑與氣體的接觸面積。其設計圖如圖2所示。

圖2 凈化箱設計示意圖

利用Fluent對二氧化碳凈化箱內流場進行數值模擬，用穩態的方法（steady）建立流場流動，不考慮能量變化，只開啟流動方程，采用標準k-ε模型。忽略分子之間的粘性力，認為室內空氣不可壓，凈化箱進風口為速度入口，進風速度為6.9m/s，出風口為壓力出口。選用SIMPLEC方法，通過Order Upwind（二階迎風）來提高計算精度。凈化箱結構示意圖和內部速度場分布模擬圖如圖3所示。

圖3 凈化箱氣流組織

凈化箱內的三維速度場無法完整的顯示出來，采用在X、Y、Z三個軸上切面的方法來顯示特征面的速度場，從圖3可以看出，空氣以6.9m/s的速度從進風口流入凈化箱，隨著流動截面積的增大，流速降低，流過下層凈化藥板之后沿壁面從出風口流出，靜壓段的穩流作用效果并不明顯，而上層凈化藥板表面的空氣流速普遍小于1m/s，空氣流動性差，吸附劑無法與空氣充分接觸，影響凈化箱的CO2凈化吸附效率，也不利于吸附劑的更換。

為了使凈化箱內的速度場分布更加均勻，避免氣流死角的出現，在凈化箱內設置折流板，同時減小靜壓段所占的體積，增大凈化藥板的長度，改進后的凈化箱結構示意圖和內部速度場分布圖如圖4所示。從圖4（b）可以看出，凈化箱增加折流板后，空氣呈折線型流動，除流動中心區域空氣流速達到5m/s之外，其它大部分區域空氣流速較為平緩，為3m/s左右，不會造成吸附劑粉末飛濺，整個凈化箱內不存在氣流死角，滿足凈化箱的氣流組織設計要求。

圖4 改進后凈化箱氣流組織

凈化箱經過優化設計之后，其主要參數指標則如表2。

表2 凈化箱參數指標

2.3 凈化箱性能分析

確定了凈化箱的結構形式后，為了得到吸附劑的最佳凈化效果，針對其布置形式進行實驗性能分析。動態吸附條件下，從吸附劑表面流過的氣體速度較大且吸附劑顆粒較小，為了便于吸附劑的取放以及避免粉末的飛濺，需要合理設計吸附劑的放置方式。為此提出了將吸附劑裝入無紡布做成的袋子和直接平鋪于紗網之上兩種放置方式，并對其與人力風機配合使用時的動態吸附性能進行實驗分析。

實驗在密閉空氣品質實驗臺內進行，環境溫度26℃，相對濕度52%。采用CO2氣瓶將其內部CO2濃度調節為 1.0%，2名成年男性進入密閉室內輪流以正常腳踏速度驅動人力風機，每隔 150 s記錄一次室內的CO2濃度值，實驗過程中測試凈化箱的出風速度并計算出風量，吸附劑的兩種放置方式對比如表3所示。

表3 吸附劑的兩種放置方式對比

實驗過程中，兩種布置方式下凈化箱出風量均為550～600 m 3 /h之間，忽略吸附劑不同布置方式對氣流組織的影響。由于人員需要驅動人力風機，其活動量比靜坐狀態下要大，人均 CO2釋放速率取 0.5 L/min，為便于分析將其轉化為密閉室內 CO2濃度的增加速率，計算關系式如下。

式中：Y為人員呼出引起密閉室內 CO2濃度的增加速率；n人員數量；v為人員CO2釋放速率；V為密閉室體積。經計算得出Y為32 ppm/(min·人)。

密閉室內人員呼出 CO2與吸附劑吸附 CO2同時進行，不同工況下的相關參數隨時間變化曲線分別如圖5和圖6所示。

從圖5（a）和圖6（a）可以看出，吸附劑通過不斷與CO2發生反應，密閉室內 CO2濃度不斷減小，而隨著反應的進行，后期吸附劑性能逐漸降低，空間內 CO2濃度趨于穩定，分別穩定在8.1×103ppm和6.1×103ppm。這是因為反應初期CO2與表面新鮮吸附劑充分接觸，反應速率快，隨著表面吸附劑逐漸反應完，其一方面阻礙了CO2與內部吸附劑的反應，另一方面也相當于降低了 CO2與吸附劑的接觸面積，造成吸附速率下降，此時可以對吸附劑進行攪動以增加吸附速率。

圖5 裝入無紡布袋實驗結果

圖6 平鋪在紗網上實驗結果

從圖5（b）和圖6（b）可以看出，兩種吸附劑布置方式其吸附速率隨時間整體都呈下降趨勢。實驗期間，吸附劑裝入無紡布袋布置方式吸附速率由 0.231 L/(kg·min)逐漸降低到 0.116 L/(kg·min)，平均吸附速率為0.176 L/(kg ·min)，吸附效果較差。在其它外界條件相同的條件下，當吸附劑的布置方式為平鋪在紗網上時，吸附效率由 0.311 L/(kg·min)逐漸降低到 0.146 L/(kg ·min)，平均吸附速率為0.247 L/(kg ·min)，相比前者提高了40.3%。對比發現，吸附劑平鋪方式的凈化效率要優于裝入無紡布方式，原因是前者相比后者具有更多的接觸面積，可以對CO2充分吸附。

3 結論

本文通過真人實驗和數值模擬，研制了二氧化碳凈化箱并進行了結構優化；通過實驗測試，得到了其凈化性能，主要結論如下：

1）實驗人員在模擬避險人員進行靜坐或輕度勞動的條件下，人員平均CO2釋放速率則為0.335 L/(min·人)。

2）相比采用靜壓段結構形式，在凈化箱設置折流板具有更均勻的流場分布，可以滿足氣流組織設計的要求。

3）隨著凈化時間的增加，吸附劑吸附效率呈指數形式下降。同等條件下，吸附劑平鋪形式比裝入無紡袋形式效率提高40.3%。

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