茅靳丰 刘立瑶 吉少杰 陈飞

解放军理工大学国防工程学院

0 引言

应急密闭空间是指在外界突发灾害时，人员进行暂时避险、等待救援的有限空间[1]。人员在密闭空间内较长时间生存时，自身的新陈代谢会对空间内空气产生严重影响，其中CO2是代谢量最大的产物之一。在密闭环境内，对CO2浓度有严格的限制，潜艇中保证人员生存时其浓度要低于5%，矿用救生舱和避难硐室要求不高于1[2-5]。因此，为了提高人员生存保障能力，研究如何快速的去除CO2具有重要意义。

密闭空间中，为更高效地去除CO2，国内外学者从研究空间内CO2控制方法，浓度变化规律以及净化过程机理分析进行了大量研究。汪波等[6]就目前CO2气体的去除技术进行了总结与展望。Stutte G W，曹利波等[7-8]对密闭空间内人体代谢产生的有害气体进行了实验研究。Haghnegahdar M R等[9-11]分析了CO2在喷射床反应器内与Ca(OH)2反应的机理和影响因素。Bamsey M，栗婧等[12-13]研究了CO2循环净化方式以及利用碱石灰去除CO2效率的影响因素。

上述研究为密闭空间CO2的净化提供了一定的理论参考和应用实例。但很少涉及对CO2净化装置的设计及优化。笔者在国内外学者研究的基础上，设计了一种CO2净化装置，并利用数值模拟对其结构进行优化，最终通过实验测试其净化效果。结果表明，改进后的结构形式具有良好的气流组织，在CO2浓度为1的情况下，其净化效果满足人员生存需求。

1 CO2净化研究

1.1 净化方法选择

工程上常用的CO2净化方式主要分为以下五种：膜分离法，分子筛法，置换法，胺吸收法，碱金属及其氧化物法[14-17]。其中膜分离法，分子筛法和置换法为物理净化法，胺吸收法和碱金属及其氧化物法为化学净化法。CO2净化方式原理的不同决定了其不同的优缺点以及适用场所。表1为不同CO2净化方式的对比。

表1 不同CO2净化方式的对比

通过对不同CO2净化方式的优缺点以及适用场合的分析，选择碱金属及其氧化物法作为应急密闭空间CO2的净化方式，平时只需将足量的吸附剂储存在应急避难室内，在救援期利用吸附剂对室内CO2进行静态吸附或者动态吸附以控制室内CO2浓度。该方式简单，安全，成本较低。

1.2 人员CO2释放速率研究

实验采用6名青年男性进入尺寸为2.5 m×2.5 m×2.5 m的空气品质实验室并模拟避险人员进行轻度活动或静坐。空气品质实验室在进行密封之后，其泄气速率不超过170Pa/h，满足气密性标准[18]。实验期间，采用氧烛对密闭室供氧，控制内部氧气浓度保持在18.5%～22%之间，采用人力风机组织室内气流，保证二氧化碳和氧气浓度场的均匀性，采用CO2浓度测试仪记录其浓度值，直到CO2浓度达到1%。实验中CO2浓度单位用ppm表示，其变化曲线如图1所示。

图1 CO2浓度变化曲线

由图1可以看出，空气品质实验室内CO2浓度近似呈线性变化，说明人员CO2释放速率基本稳定。室内CO2初始浓度为467 ppm，当实验进行至72 min后，CO2浓度达到了1%，对浓度变化进行线性拟合，可以得到室内CO2浓度变化表达式，如式（1）所示，

式中：P为室内 CO2浓度，%；t为时间，min；0.0129为CO2浓度变化曲线的斜率；0.0467则为室内CO2初始浓度。

人员CO2释放速率计算式为：

式中：n为实验室人员数量，人；v为每名人员CO2释放速率，L/(min·人)；V为空气品质实验室容积，L。

已知空气品质实验室体积为15.625m3，实验人员为6人，根据式（2）可以得出人员CO2释放速率为0.335 L/(min·人)。

2 设备设计优化与实验

2.1 设计原则

碱金属及其氧化物作为CO2吸附剂，一般呈颗粒状，由于具有较强的碱性，在动态吸附过程中，使用不当会造成粉末外溢，对人员或者设备进行腐蚀，所以设计二氧化碳净化设备时，既要保证吸附剂与CO2具有足够大的接触面积，满足密闭空间CO2净化速率要求，又要避免造成吸附剂粉末外溢。

吸附剂动态吸附需要放置在二氧化碳净化药板上，便于吸附剂的快速放置和更换，将二氧化碳净化药板放置于净化箱内，利用人力风机对净化箱进行气流组织，设计时需综合考虑气流均匀流过净化药板表面，避免气流短路以及净化箱的流动阻力。

2.2 结构设计及优化

净化箱主要包括双开门，进出风口，净化药板以及静压段等结构，其中双开门用来取放药板，关闭之后具有密封作用，使进风无法通过门流出，防止气流短路。人力风机通过软管与进风口相连，组织气流通过静压段减少动压，增加静压，降低噪声，使气流均匀流过净化药板表面，CO2与吸附剂发生反应被吸附，净化后的空气从出风口送入室内，为避免气流短路，进出风口不在同一水平面，采用下送上出的气流组织形式，进出风口直径与人力风机直径一致。净化药板为网状结构使得吸附剂上下表面均可与气流接触，既可增大CO2净化速率，又可增大吸附剂的利用率，水平放置于净化箱内，减小气体的流动阻力，采用多层布置方式，增大吸附剂与气体的接触面积。其设计图如图2所示。

图2 净化箱设计示意图

利用Fluent对二氧化碳净化箱内流场进行数值模拟，用稳态的方法（steady）建立流场流动，不考虑能量变化，只开启流动方程，采用标准k-ε模型。忽略分子之间的粘性力，认为室内空气不可压，净化箱进风口为速度入口，进风速度为6.9m/s，出风口为压力出口。选用SIMPLEC方法，通过Order Upwind（二阶迎风）来提高计算精度。净化箱结构示意图和内部速度场分布模拟图如图3所示。

图3 净化箱气流组织

净化箱内的三维速度场无法完整的显示出来，采用在X、Y、Z三个轴上切面的方法来显示特征面的速度场，从图3可以看出，空气以6.9m/s的速度从进风口流入净化箱，随着流动截面积的增大，流速降低，流过下层净化药板之后沿壁面从出风口流出，静压段的稳流作用效果并不明显，而上层净化药板表面的空气流速普遍小于1m/s，空气流动性差，吸附剂无法与空气充分接触，影响净化箱的CO2净化吸附效率，也不利于吸附剂的更换。

为了使净化箱内的速度场分布更加均匀，避免气流死角的出现，在净化箱内设置折流板，同时减小静压段所占的体积，增大净化药板的长度，改进后的净化箱结构示意图和内部速度场分布图如图4所示。从图4（b）可以看出，净化箱增加折流板后，空气呈折线型流动，除流动中心区域空气流速达到5m/s之外，其它大部分区域空气流速较为平缓，为3m/s左右，不会造成吸附剂粉末飞溅，整个净化箱内不存在气流死角，满足净化箱的气流组织设计要求。

图4 改进后净化箱气流组织

净化箱经过优化设计之后，其主要参数指标则如表2。

表2 净化箱参数指标

2.3 净化箱性能分析

确定了净化箱的结构形式后，为了得到吸附剂的最佳净化效果，针对其布置形式进行实验性能分析。动态吸附条件下，从吸附剂表面流过的气体速度较大且吸附剂颗粒较小，为了便于吸附剂的取放以及避免粉末的飞溅，需要合理设计吸附剂的放置方式。为此提出了将吸附剂装入无纺布做成的袋子和直接平铺于纱网之上两种放置方式，并对其与人力风机配合使用时的动态吸附性能进行实验分析。

实验在密闭空气品质实验台内进行，环境温度26℃，相对湿度52%。采用CO2气瓶将其内部CO2浓度调节为 1.0%，2名成年男性进入密闭室内轮流以正常脚踏速度驱动人力风机，每隔 150 s记录一次室内的CO2浓度值，实验过程中测试净化箱的出风速度并计算出风量，吸附剂的两种放置方式对比如表3所示。

表3 吸附剂的两种放置方式对比

实验过程中，两种布置方式下净化箱出风量均为550～600 m 3 /h之间，忽略吸附剂不同布置方式对气流组织的影响。由于人员需要驱动人力风机，其活动量比静坐状态下要大，人均 CO2释放速率取 0.5 L/min，为便于分析将其转化为密闭室内 CO2浓度的增加速率，计算关系式如下。

式中：Y为人员呼出引起密闭室内 CO2浓度的增加速率；n人员数量；v为人员CO2释放速率；V为密闭室体积。经计算得出Y为32 ppm/(min·人)。

密闭室内人员呼出 CO2与吸附剂吸附 CO2同时进行，不同工况下的相关参数随时间变化曲线分别如图5和图6所示。

从图5（a）和图6（a）可以看出，吸附剂通过不断与CO2发生反应，密闭室内 CO2浓度不断减小，而随着反应的进行，后期吸附剂性能逐渐降低，空间内 CO2浓度趋于稳定，分别稳定在8.1×103ppm和6.1×103ppm。这是因为反应初期CO2与表面新鲜吸附剂充分接触，反应速率快，随着表面吸附剂逐渐反应完，其一方面阻碍了CO2与内部吸附剂的反应，另一方面也相当于降低了 CO2与吸附剂的接触面积，造成吸附速率下降，此时可以对吸附剂进行搅动以增加吸附速率。

图5 装入无纺布袋实验结果

图6 平铺在纱网上实验结果

从图5（b）和图6（b）可以看出，两种吸附剂布置方式其吸附速率随时间整体都呈下降趋势。实验期间，吸附剂装入无纺布袋布置方式吸附速率由 0.231 L/(kg·min)逐渐降低到 0.116 L/(kg·min)，平均吸附速率为0.176 L/(kg ·min)，吸附效果较差。在其它外界条件相同的条件下，当吸附剂的布置方式为平铺在纱网上时，吸附效率由 0.311 L/(kg·min)逐渐降低到 0.146 L/(kg ·min)，平均吸附速率为0.247 L/(kg ·min)，相比前者提高了40.3%。对比发现，吸附剂平铺方式的净化效率要优于装入无纺布方式，原因是前者相比后者具有更多的接触面积，可以对CO2充分吸附。

3 结论

本文通过真人实验和数值模拟，研制了二氧化碳净化箱并进行了结构优化；通过实验测试，得到了其净化性能，主要结论如下：

1）实验人员在模拟避险人员进行静坐或轻度劳动的条件下，人员平均CO2释放速率则为0.335 L/(min·人)。

2）相比采用静压段结构形式，在净化箱设置折流板具有更均匀的流场分布，可以满足气流组织设计的要求。

3）随着净化时间的增加，吸附剂吸附效率呈指数形式下降。同等条件下，吸附剂平铺形式比装入无纺袋形式效率提高40.3%。

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