·360 北京科技大学学报 第36卷 离法、空气置换法等)、固体化学吸收法（碱性物质 测，气密性能良好，可视为密闭环境 反应法和超氧化物反应法)等0.针对潜艇、人防、 计算机 煤矿井下紧急避险设施等密闭空间的特殊环境，综 流量计 浓度 合考虑能耗量、可操作性、适应性、可靠性等多种因 检测仪 素，适宜选择能耗低、操作简单及可移植性强的固体 热球■ 化学吸收法进行二氧化碳浓度控制. 风速仪☑ 由于密闭环境中实际反应条件和反应动力学等 混合塔 因素限制，固体化学吸收剂吸收二氧化碳的过程实 质上是将二氧化碳气体多次通过吸收剂以实现降低 Co 风扇2 风扇1 二氧化碳浓度的循环净化过程.国内外相关学者已 经对密闭环境中固体化学吸收法控制二氧化碳浓度 图1密闭空间二氧化碳循环净化实验装置示意图 方面进行了一定的探索性研究.Stutte、何正杰、徐 Fig.I Schematic diagram of the carbon dioxide cycle purification de- 国林等5-)对密闭环境中人体自身代谢产生的有害 vice 气体进行了实验研究：姜磊和赵俊海圆、祝维燕 1.2实验材料 等回对深潜器与潜艇中二氧化碳及其他有害气体 循环净化进行了研究；Bamsey、栗婧、杜焱等o园研 为了研究密闭环境内二氧化碳净化的基本特 性，本实验选取LiOH、Ca(OH),和钠石灰三种常用 究了矿用救生舱中二氧化碳循环净化方式及装置. 吸收剂作为实验材料.对实验材料进行除杂质和粉 上述研究对密闭环境中固体化学吸收法控制二 尘处理，使其粉尘率等指标达到国家相关标准)要 氧化碳浓度提供了一定的理论参考和应用实例，但 求，并将经过处理的LiOH、Ca(OH),和钠石灰三种 未对化学吸收材料及循环净化反应特性进行深入研 吸收剂分别记为LI1、CAH和NA1剂.实验材料 究.笔者在国内外相关学者研究的基础上，选取几 的相关物化性质参数如表1所示. 种常用固体吸收剂作为吸收材料进行密闭环境二氧 化碳循环净化实验，通过分析其浓度衰减曲线与反 表1实验材料相关物化性质 应速率曲线，探究固体吸收剂常温吸收二氧化碳的 Table 1 Related physicochemical properties of experimental materials 实验 粒径/高度/堆密度/每克化合物理论 反应特性与基本规律，旨在对密闭环境固体化学吸 外型 材料 mmmm(g”cm~3)C02吸收量/g 收法控制二氧化碳浓度提供技术指导 L-1扁棒状固体6±0.53.5±0.50.76 0.92 实验测定装置及方法 CA-1长棒状固体3.5±0.56±0.5 0.72 0.59 NA-长棒状固体4±0.56.5±0.50.62 0.49 1.1实验装置 为了模拟密闭环境中化学吸收剂循环净化二氧 1.3实验方法及内容 化碳过程，搭建了如图1所示的实验装置.该装置 首先，打开浓度检测仪及计算机，开始对塔内 由混合塔、反应塔、风扇、浓度监测仪、热球风速仪、 CO2浓度进行实时采集存储，并确保阀门V1、V2、V3 计算机、CO2气瓶、减压阀、流量计、管路及阀门组 和风扇1、2均处于关闭状态，反应塔内装入一定 成.混合塔为不锈钢材质，容积188L,底部安装风 床层高度的吸收剂.然后，打开阀门V,将高压气 扇1：反应塔为不锈钢材质，直径150mm,容积8.8 瓶内纯度≥99.5%的C02气体通入混合塔，并经 L,反应塔下端有限位筛板，上端有活动筛板，吸收 由减压阀减至常压(101.325kPa),流量计控制 剂装填高度可通过上端筛板进行调节；风扇1作用 C0,进气量，待体积分数显示接近2%时关闭阀门 为均匀混合塔内气体，风扇2主要提供循环反应驱 V,停止进气.其次，打开风扇1，使混合塔内气体 动力；浓度检测仪可以对塔内C02气体体积分数进 充分均匀，浓度检测值基本维持恒定后，关闭风扇 行实时精确测定，测量范围0~2%，精度0.01%； 1,打开阀门V2、V:及风扇2，净化反应开始进行， QDF6数字型热球风速仪可测定反应塔内气体流 并用热球风速仪读取反应塔内的流速值.最后，待 速，测量范围0.05~30m·s-1,精度0.01ms-1;计 C02体积分数从2%左右降至0.03%附近时结束 算机通过组态软件对检测数据进行实时采集和记 实验. 录：管路及阀门(V1、V2和V)为PVC材质，总容积 本实验主要内容及具体环境条件及反应塔内平 约为12L.整套装置阀门及对接点均经过气密性检 均气体流速如表2所示.北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 离法、空气置换法等) 、固体化学吸收法( 碱性物质 反应法和超氧化物反应法) 等［4］． 针对潜艇、人防、 煤矿井下紧急避险设施等密闭空间的特殊环境，综 合考虑能耗量、可操作性、适应性、可靠性等多种因 素，适宜选择能耗低、操作简单及可移植性强的固体 化学吸收法进行二氧化碳浓度控制． 由于密闭环境中实际反应条件和反应动力学等 因素限制，固体化学吸收剂吸收二氧化碳的过程实 质上是将二氧化碳气体多次通过吸收剂以实现降低 二氧化碳浓度的循环净化过程． 国内外相关学者已 经对密闭环境中固体化学吸收法控制二氧化碳浓度 方面进行了一定的探索性研究． Stutte、何正杰、徐 国林等［5--7］对密闭环境中人体自身代谢产生的有害 气体进行了实验研究; 姜 磊 和 赵 俊 海［8］、祝维 燕 等［9］对深潜器与潜艇中二氧化碳及其他有害气体 循环净化进行了研究; Bamsey、栗婧、杜焱等［10--12］研 究了矿用救生舱中二氧化碳循环净化方式及装置． 上述研究对密闭环境中固体化学吸收法控制二 氧化碳浓度提供了一定的理论参考和应用实例，但 未对化学吸收材料及循环净化反应特性进行深入研 究． 笔者在国内外相关学者研究的基础上，选取几 种常用固体吸收剂作为吸收材料进行密闭环境二氧 化碳循环净化实验，通过分析其浓度衰减曲线与反 应速率曲线，探究固体吸收剂常温吸收二氧化碳的 反应特性与基本规律，旨在对密闭环境固体化学吸 收法控制二氧化碳浓度提供技术指导． 1 实验测定装置及方法 1. 1 实验装置 为了模拟密闭环境中化学吸收剂循环净化二氧 化碳过程，搭建了如图 1 所示的实验装置． 该装置 由混合塔、反应塔、风扇、浓度监测仪、热球风速仪、 计算机、CO2 气瓶、减压阀、流量计、管路及阀门组 成． 混合塔为不锈钢材质，容积 188 L，底部安装风 扇 1; 反应塔为不锈钢材质，直径 150 mm，容积 8. 8 L，反应塔下端有限位筛板，上端有活动筛板，吸收 剂装填高度可通过上端筛板进行调节; 风扇 1 作用 为均匀混合塔内气体，风扇 2 主要提供循环反应驱 动力; 浓度检测仪可以对塔内 CO2 气体体积分数进 行实时精确测定，测量范围 0 ～ 2% ，精度 0. 01% ; QDF--6 数字型热球风速仪可测定反应塔内气体流 速，测量范围 0. 05 ～ 30 m·s － 1，精度 0. 01 m·s － 1 ; 计 算机通过组态软件对检测数据进行实时采集和记 录; 管路及阀门( V1、V2 和 V3 ) 为 PVC 材质，总容积 约为 12 L． 整套装置阀门及对接点均经过气密性检 测，气密性能良好，可视为密闭环境． 图 1 密闭空间二氧化碳循环净化实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the carbon dioxide cycle purification de￾vice 1. 2 实验材料 为了研究密闭环境内二氧化碳净化的基本特 性，本实验选取 LiOH、Ca( OH) 2 和钠石灰三种常用 吸收剂作为实验材料． 对实验材料进行除杂质和粉 尘处理，使其粉尘率等指标达到国家相关标准［13］要 求，并将经过处理的 LiOH、Ca( OH) 2 和钠石灰三种 吸收剂分别记为 LI--1、CA--1 和 NA--1 剂． 实验材料 的相关物化性质参数如表 1 所示． 表 1 实验材料相关物化性质 Table 1 Ｒelated physicochemical properties of experimental materials 实验 材料 外型 粒径/ mm 高度/ mm 堆密度/ ( g·cm － 3 ) 每克化合物理论 CO2 吸收量/g LI--1 扁棒状固体 6 ± 0. 5 3. 5 ± 0. 5 0. 76 0. 92 CA--1 长棒状固体 3. 5 ± 0. 5 6 ± 0. 5 0. 72 0. 59 NA--1 长棒状固体 4 ± 0. 5 6. 5 ± 0. 5 0. 62 0. 49 1. 3 实验方法及内容 首先，打开浓度检测仪及计算机，开始对塔内 CO2 浓度进行实时采集存储，并确保阀门 V1、V2、V3 和风扇 1、2 均处于关闭状态，反应塔内装入一定 床层高度的吸收剂． 然后，打开阀门 V1，将高压气 瓶内纯度≥99. 5% 的 CO2 气体通入混合塔，并经 由减压 阀 减 至 常 压( 101. 325 kPa) ，流 量 计 控 制 CO2 进气量，待体积分数显示接近 2% 时关闭阀门 V1，停止进气． 其次，打开风扇 1，使混合塔内气体 充分均匀，浓度检测值基本维持恒定后，关闭风扇 1，打开阀门 V2、V3及风扇 2，净化反应开始进行， 并用热球风速仪读取反应塔内的流速值． 最后，待 CO2 体积分数从 2% 左右降至 0. 03% 附近时结束 实验． 本实验主要内容及具体环境条件及反应塔内平 均气体流速如表 2 所示． · 063 ·