茅靳豐 劉立瑤 吉少杰 陳飛

解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院

0 引言

應(yīng)急密閉空間是指在外界突發(fā)災(zāi)害時，人員進(jìn)行暫時避險、等待救援的有限空間[1]。人員在密閉空間內(nèi)較長時間生存時，自身的新陳代謝會對空間內(nèi)空氣產(chǎn)生嚴(yán)重影響，其中CO2是代謝量最大的產(chǎn)物之一。在密閉環(huán)境內(nèi)，對CO2濃度有嚴(yán)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(nèi)外學(xué)者從研究空間內(nèi)CO2控制方法，濃度變化規(guī)律以及凈化過程機(jī)理分析進(jìn)行了大量研究。汪波等[6]就目前CO2氣體的去除技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望。Stutte G W，曹利波等[7-8]對密閉空間內(nèi)人體代謝產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行了實驗研究。Haghnegahdar M R等[9-11]分析了CO2在噴射床反應(yīng)器內(nèi)與Ca(OH)2反應(yīng)的機(jī)理和影響因素。Bamsey M，栗婧等[12-13]研究了CO2循環(huán)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(yīng)用實例。但很少涉及對CO2凈化裝置的設(shè)計及優(yōu)化。筆者在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種CO2凈化裝置，并利用數(shù)值模擬對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終通過實驗測試其凈化效果。結(jié)果表明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)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(xué)凈化法。CO2凈化方式原理的不同決定了其不同的優(yōu)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(yōu)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(yīng)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(yīng)急避難室內(nèi)，在救援期利用吸附劑對室內(nèi)CO2進(jìn)行靜態(tài)吸附或者動態(tài)吸附以控制室內(nèi)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(jìn)入尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m的空氣品質(zhì)實驗室并模擬避險人員進(jìn)行輕度活動或靜坐。空氣品質(zhì)實驗室在進(jìn)行密封之后，其泄氣速率不超過170Pa/h，滿足氣密性標(biāo)準(zhǔn)[18]。實驗期間，采用氧燭對密閉室供氧，控制內(nèi)部氧氣濃度保持在18.5%～22%之間，采用人力風(fēng)機(jī)組織室內(nèi)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(dá)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(zhì)實驗室內(nèi)CO2濃度近似呈線性變化，說明人員CO2釋放速率基本穩(wěn)定。室內(nèi)CO2初始濃度為467 ppm，當(dāng)實驗進(jìn)行至72 min后，CO2濃度達(dá)到了1%，對濃度變化進(jìn)行線性擬合，可以得到室內(nèi)CO2濃度變化表達(dá)式，如式（1）所示，

式中：P為室內(nèi) 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(nèi)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(shù)量，人；v為每名人員CO2釋放速率，L/(min·人)；V為空氣品質(zhì)實驗室容積，L。

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

2 設(shè)備設(shè)計優(yōu)化與實驗

2.1 設(shè)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(qiáng)的堿性，在動態(tài)吸附過程中，使用不當(dāng)會造成粉末外溢，對人員或者設(shè)備進(jìn)行腐蝕，所以設(shè)計二氧化碳凈化設(shè)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(tài)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(nèi)，利用人力風(fēng)機(jī)對凈化箱進(jìn)行氣流組織，設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

凈化箱主要包括雙開門，進(jìn)出風(fēng)口，凈化藥板以及靜壓段等結(jié)構(gòu)，其中雙開門用來取放藥板，關(guān)閉之后具有密封作用，使進(jìn)風(fēng)無法通過門流出，防止氣流短路。人力風(fēng)機(jī)通過軟管與進(jìn)風(fēng)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(fā)生反應(yīng)被吸附，凈化后的空氣從出風(fēng)口送入室內(nèi)，為避免氣流短路，進(jìn)出風(fēng)口不在同一水平面，采用下送上出的氣流組織形式，進(jìn)出風(fēng)口直徑與人力風(fēng)機(jī)直徑一致。凈化藥板為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(shè)計圖如圖2所示。

圖2 凈化箱設(shè)計示意圖

利用Fluent對二氧化碳凈化箱內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，用穩(wěn)態(tài)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。忽略分子之間的粘性力，認(rèn)為室內(nèi)空氣不可壓，凈化箱進(jìn)風(fēng)口為速度入口，進(jìn)風(fēng)速度為6.9m/s，出風(fēng)口為壓力出口。選用SIMPLEC方法，通過Order Upwind（二階迎風(fēng)）來提高計算精度。凈化箱結(jié)構(gòu)示意圖和內(nèi)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(nèi)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(jìn)風(fēng)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(fēng)口流出，靜壓段的穩(wěn)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(nèi)的速度場分布更加均勻，避免氣流死角的出現(xiàn)，在凈化箱內(nèi)設(shè)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(jìn)后的凈化箱結(jié)構(gòu)示意圖和內(nèi)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(qū)域空氣流速達(dá)到5m/s之外，其它大部分區(qū)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(nèi)不存在氣流死角，滿足凈化箱的氣流組織設(shè)計要求。

圖4 改進(jìn)后凈化箱氣流組織

凈化箱經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，其主要參數(shù)指標(biāo)則如表2。

表2 凈化箱參數(shù)指標(biāo)

2.3 凈化箱性能分析

確定了凈化箱的結(jié)構(gòu)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(jìn)行實驗性能分析。動態(tài)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(shè)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(wǎng)之上兩種放置方式，并對其與人力風(fēng)機(jī)配合使用時的動態(tài)吸附性能進(jìn)行實驗分析。

實驗在密閉空氣品質(zhì)實驗臺內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度26℃，相對濕度52%。采用CO2氣瓶將其內(nèi)部CO2濃度調(diào)節(jié)為 1.0%，2名成年男性進(jìn)入密閉室內(nèi)輪流以正常腳踏速度驅(qū)動人力風(fēng)機(jī)，每隔 150 s記錄一次室內(nèi)的CO2濃度值，實驗過程中測試凈化箱的出風(fēng)速度并計算出風(fēng)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(fēng)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(qū)動人力風(fēng)機(jī)，其活動量比靜坐狀態(tài)下要大，人均 CO2釋放速率取 0.5 L/min，為便于分析將其轉(zhuǎn)化為密閉室內(nèi) CO2濃度的增加速率，計算關(guān)系式如下。

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

密閉室內(nèi)人員呼出 CO2與吸附劑吸附 CO2同時進(jìn)行，不同工況下的相關(guān)參數(shù)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(fā)生反應(yīng)，密閉室內(nèi) CO2濃度不斷減小，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，后期吸附劑性能逐漸降低，空間內(nèi) CO2濃度趨于穩(wěn)定，分別穩(wěn)定在8.1×103ppm和6.1×103ppm。這是因為反應(yīng)初期CO2與表面新鮮吸附劑充分接觸，反應(yīng)速率快，隨著表面吸附劑逐漸反應(yīng)完，其一方面阻礙了CO2與內(nèi)部吸附劑的反應(yīng)，另一方面也相當(dāng)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(jìn)行攪動以增加吸附速率。

圖5 裝入無紡布袋實驗結(jié)果

圖6 平鋪在紗網(wǎng)上實驗結(jié)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(dāng)吸附劑的布置方式為平鋪在紗網(wǎng)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(fā)現(xiàn)，吸附劑平鋪方式的凈化效率要優(yōu)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(jié)論

本文通過真人實驗和數(shù)值模擬，研制了二氧化碳凈化箱并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過實驗測試，得到了其凈化性能，主要結(jié)論如下：

1）實驗人員在模擬避險人員進(jìn)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(jié)構(gòu)形式，在凈化箱設(shè)置折流板具有更均勻的流場分布，可以滿足氣流組織設(shè)計的要求。

3）隨著凈化時間的增加，吸附劑吸附效率呈指數(shù)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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