吳開龍 鄧 帥 陳 冰 趙睿愷 趙 力 李雙俊

(天津大學(xué) 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室 天津 300072)

2020年伊始，新冠病毒COVID-2019席卷全球，公共衛(wèi)生安全已成為影響人類命運共同體福祉的全球化挑戰(zhàn)。疫情肆虐暴露了現(xiàn)代城市公共安全衛(wèi)生體系仍存在諸多不足，基于文獻調(diào)研可以看出學(xué)界對公共安全的既有研究仍多集中于人口眾多的城市[1-2]和災(zāi)難頻發(fā)的地區(qū)[3-4]等，涉及鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全的研究較少。而現(xiàn)有的公共安全體系和技術(shù)，特別是防疫方面[5]，并不能較好的適用于鄉(xiāng)村。對SARS、H1N1等病毒的爆發(fā)案例進行回溯可知，鄉(xiāng)村這類基礎(chǔ)設(shè)施不強、規(guī)模化養(yǎng)殖集中、公共安全意識弱等地區(qū)所面臨的傷害是非常嚴(yán)重的。因此，迫切需要重新審視鄉(xiāng)村地區(qū)公共衛(wèi)生安全的特殊性，針對其防疫系統(tǒng)的脆弱性和防疫場景的多樣化展開針對性的技術(shù)攻關(guān)，將突發(fā)疫情時高成本的“堵”治向日常防治、疏導(dǎo)和維護過渡。

首先，防疫目前已成為鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全的重要考量，各類病毒中間宿主對規(guī)?；B(yǎng)殖的傷害將對鄉(xiāng)村脫貧攻堅及小康化產(chǎn)生毀滅影響，因此，鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全需要將病毒列為應(yīng)對對象。然而，不同于工廠、辦公建筑可集中對通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)進行定期且徹底的消毒，鄉(xiāng)村產(chǎn)品主要面向食品的農(nóng)產(chǎn)品，其日常維防工作不能過分依賴化學(xué)消殺，需轉(zhuǎn)向綠色消毒技術(shù)。

其次，流動性鉗制被認(rèn)為是阻擋病毒傳播的有效舉措。COVID-19因具有較強的“人傳人”特征，因此其爆發(fā)大大降低了人類社會的流動性。隨著疫情的進一步擴散，出現(xiàn)了部分“物傳人”的現(xiàn)象，水產(chǎn)攤位、航空集裝箱、冷鏈設(shè)施均有病毒被檢測出的報道，同時，車?yán)遄蛹把└獗砻姹粰z測出陽性的情況進一步說明病毒傳播的復(fù)雜性。因此，鄉(xiāng)村農(nóng)產(chǎn)品的綠色消殺解決方案凸顯重要性。CO2是農(nóng)作物實現(xiàn)高效光合作用的必備元素，提高其在大棚空氣中的濃度能夠增強光合作用[6]，適宜作物生長的CO2體積濃度一般應(yīng)處于0.1%)水平。目前CO2施肥技術(shù)較多采用大棚內(nèi)生物發(fā)酵的方法，如使用作物殘渣和動物糞便堆肥(CRAM)[7]來實現(xiàn)大棚中CO2的增量。C.O.Asadu等[8-9]分別考察了農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵CO2施肥對玉米和生菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。但上述方法需要廢棄物或糞便的堆積，容易產(chǎn)生細(xì)菌滋生等衛(wèi)生問題，與當(dāng)前衛(wèi)生防疫形勢相悖。蟲害不僅涉及公共衛(wèi)生，也涉及農(nóng)產(chǎn)品儲存和保值問題。作為生物載體，蟲鼠規(guī)?；枪残l(wèi)生安全是否達(dá)標(biāo)的直接宏觀指標(biāo)，在糧倉、農(nóng)舍等場景下，對其進行集中滅除是極其必要的日常措施。因此，迫切需要從防疫、增產(chǎn)和儲糧等方面尋找綠色環(huán)保無公害的技術(shù)措施。鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全需求如圖1所示。

圖1 鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全需求Fig.1 The requirements of public anti-epidemic and health in rural region

再次，對于防疫消毒方面，二氧化氯(ClO2)固釋是一種可行的綠色消毒及抑制技術(shù)。ClO2已在2003年SARS爆發(fā)期間被證實對病毒滅活效果較好[10]，有研究和案例認(rèn)可其制取為0.05%的噴霧，通過氣溶膠形式進入傳播途徑起效。此外，使用氣體ClO2滅菌已在禽流感[11]和埃博拉[12]疫情應(yīng)對中被證實有效。現(xiàn)有研究分別對硅膠吸附劑[13]、沸石吸附劑[14]和分子篩吸附劑[15]固載ClO2的研究進展進行了針對性研究，部分實驗結(jié)果顯示通過表面改性方法可以有效實現(xiàn)ClO2的固釋。這種將消毒殺菌功能引入吸附劑特性，利用“吸附-解吸”實現(xiàn)氣體調(diào)節(jié)的技術(shù)，目前通過前期實驗研究已有明確的吸附劑特性表征數(shù)據(jù)和ClO2活化及釋放動力學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

此外，針對糧食儲存和增產(chǎn)的問題，已有部分研究采用物理吸附的方法對CO2進行富集并直供大棚，這避免了制取環(huán)節(jié)中的糞便堆肥和菌蟲滋生等衛(wèi)生問題，具有一定的應(yīng)用潛力。Wang Tao等[16]對從空氣中捕集CO2并用于氣態(tài)施肥這一技術(shù)的能耗和經(jīng)濟性進行了探討，Li Bingyun等[17]報道了CO2捕獲技術(shù)的創(chuàng)新專利，M.K.Mondal等[18]對現(xiàn)有和新興的CO2捕集技術(shù)進行了文獻綜述，G.Ounoughene等[19]研究了暴露于環(huán)境空氣中的乙醇/氧化鈣混合物的碳捕獲性能，同時以二胺功能化硅膠為例，對其在干濕空氣中捕集碳進行了實驗分析。Song Juzheng等[20]揭示了樹脂類吸附劑通過變濕吸附吸附空氣的特性，初步論證了技術(shù)的合理性。在鄉(xiāng)村建筑，特別是糧儲建筑內(nèi)應(yīng)用氣體調(diào)節(jié)技術(shù)，進行減菌殺蟲已被證實是一種行之有效的技術(shù)舉措，其技術(shù)原理主要是低氧防治，現(xiàn)已證明氧體積濃度在4%以下就可達(dá)到殺蟲的效果。L.Moncini等[21]研究了采用分子篩吸附制氮系統(tǒng)，實現(xiàn)體積濃度98.5%的氮氣制取并用于谷倉殺蟲的實驗研究，證明氧氣體積濃度在2%以下時殺蟲效果較好。余吉慶等[22]進行了采用膜式分離制氮機制取體積濃度99.5%氮氣對昆明某谷倉進行氮氣氣調(diào)的實驗，同時探討了低能耗目標(biāo)下最優(yōu)供氮濃度的可行性。除糧食作物外，氮氣氣調(diào)作為一種綠色環(huán)保的物理殺蟲方式，在蔬果[23]和豆類[24]等鄉(xiāng)村作物殺蟲需求中被證實有效。

然而，上述研究較多針對單體技術(shù)，功能較為單一，缺少多功能設(shè)備來滿足平疫結(jié)合的需求，恰恰是“平疫結(jié)合”才能在全生命周期內(nèi)降低公共衛(wèi)生安全專用設(shè)備的成本，提升公共投入的使用率。因此，針對鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生安全需求和適用場景，基于氣固吸附和固載ClO2技術(shù)，開發(fā)一種兼具滅菌、驅(qū)蟲和富碳施肥的新型氣調(diào)機是十分必要的。本文的主要目的是利用仿真計算來研究操作條件改變時，氣調(diào)機的性能參數(shù)能否滿足現(xiàn)實中各場景的需求。氣調(diào)機的分離性能根據(jù)獲得的CO2和N2純度、回收率和生產(chǎn)率來衡量，系統(tǒng)能效指標(biāo)通過比能耗、最小分離功和第二定律效率來衡量。由于固載ClO2的釋放和消殺效果以見諸既有文獻，李忠銘等[25]報道固載ClO2的釋放周期可達(dá)10 d以上，平均質(zhì)量濃度約在6 mg/m3，當(dāng)ClO2的質(zhì)量濃度為0.31～0.36 mg/m3，僅需1 h，大腸桿菌的殺菌率就可達(dá)到99.55%；當(dāng)ClO2質(zhì)量濃度為1.64～1.78 mg/m3時，霉菌可在2 h內(nèi)達(dá)到100%的殺菌率，初步驗證了固釋ClO2的可行性。具體而言，首先對吸附劑的吸附性能進行測試，獲得其吸附等溫線；然后，對系統(tǒng)整體循環(huán)的各步驟進行建模描述，并利用仿真軟件進行計算；最后，根據(jù)提出的性能指標(biāo)對氣調(diào)機系統(tǒng)進行分析評估，驗證技術(shù)的可行性和合理性。

1 模型與方法

本文研究的新型氣調(diào)機系統(tǒng)可同時富集CO2和N2，因此該系統(tǒng)包含碳捕集循環(huán)和制氮循環(huán)。碳捕集循環(huán)采用變電吸附(electric swing adsorption，ESA)對CO2進行富集，制氮循環(huán)采用變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)對空氣中的N2進行富集，兩種循環(huán)相對獨立但又存在聯(lián)系。同時，對吸附劑進行改性設(shè)計，將穩(wěn)態(tài)ClO2溶液和釋放劑吸附在吸附劑上制成膠體、片劑、膏體、粉末等各種形狀的吸附性固體ClO2[26]，利用釋放出的ClO2氣體對周圍空氣進行殺菌清潔。由于ClO2固釋技術(shù)在現(xiàn)有研究中已有較為詳細(xì)的介紹并已證明有效，本文不再贅述，而集中于系統(tǒng)性能分析層面。

1.1 吸附劑選取

1.1.1 碳捕集循環(huán)的吸附劑材料和吸附平衡等溫線

該部分采用的吸附劑為沸石13X-APG。與普通13X分子篩不同，13X-APG對CO2的吸附能力更強。新材料需在623 K烘箱中烘干，除去其中的水和其他雜質(zhì)，測量吸附等溫線[27]。沸石13X-APG的主要性質(zhì)如表1所示。

表1 沸石13X-APG主要性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Main property parameters of zeolite 13X-APG

1.1.2 制氮循環(huán)的吸附劑材料和吸附平衡等溫線

變壓吸附制氮常用于工業(yè)領(lǐng)域，在本研究中該循環(huán)采用碳分子篩作為吸附劑。碳分子篩變壓吸附制氮是靠范德華力來分離氧氣和氮氣的，因此，分子篩的比表面積越大，孔徑分布越均勻，并且微孔或亞微孔數(shù)量越多，吸附量越大，制氮效率越高。碳分子篩的主要性質(zhì)如表2所示。

表2 碳分子篩的主要性質(zhì)參數(shù)Tab.2 Main property parameters of carbon molecular sieve

1.2 二氧化氯固釋技術(shù)

現(xiàn)有研究表明ClO2在空氣中的含量低于3 mg/L時對人體是沒有危害的，低濃度的ClO2氣體在空氣中不僅能有效殺死微生物細(xì)菌，保護人體免受細(xì)菌和其他微生物的侵害，免受傳染病的感染，而且它還是一種公認(rèn)的環(huán)境友好物質(zhì)。部分實驗結(jié)果顯示通過表面改性方法可以有效實現(xiàn)ClO2的固釋。本研究中采用吸附型固載ClO2，以所選吸附劑作為載體，將穩(wěn)態(tài)ClO2溶液和釋放劑直接噴灑在吸附劑上，混合成型后即可制成吸附型顆粒狀固載ClO2。通過該技術(shù)，可以將流經(jīng)吸附腔的氣體進行殺菌消毒，同時，釋放出來的ClO2氣體將隨著吸附腔出口的排氣均勻地噴灑出來，在疫情嚴(yán)峻的當(dāng)下，該技術(shù)在切斷病毒傳播途徑的方面起到了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)文獻[26]的研究結(jié)果，固載ClO2的釋放周期可達(dá)10 d以上，在第2 d左右空間質(zhì)量濃度達(dá)到最大值12.87 mg/m3，之后濃度隨時間的延長不斷下降。而殺菌率與濃度之間并沒有保持一致，最大殺菌率在濃度峰值之后出現(xiàn)，最大殺菌率可達(dá)100%。因此，固釋ClO2具有良好的殺菌效果，但在使用時需提前放置。

1.3 系統(tǒng)過程描述

氣調(diào)系統(tǒng)的原理如圖2所示，設(shè)計了一種碳捕集與制氮循環(huán)結(jié)合的新型氣調(diào)機系統(tǒng)。碳捕集和制氮循環(huán)各有兩個吸附腔，兩個吸附腔之間交替運行，實現(xiàn)循環(huán)工作。同時兩種循環(huán)既能單獨運行，又能彼此聯(lián)系，實現(xiàn)系統(tǒng)的串聯(lián)運行。系統(tǒng)相應(yīng)的循環(huán)順序如表3所示。該系統(tǒng)的計算模型基于快捷模型的質(zhì)量和能量守恒[28]。對于本文所有的研究案例，進行如下假設(shè)：

1)將氣相視為理想氣體；

2)忽略傳質(zhì)阻力；

3)忽略軸向混合，徑向梯度和熱擴散；

4)忽略吸附相的壓降和熱容量；

5)忽略吸附腔壁面熱容量的動態(tài)影響；

6)傳熱系數(shù)為定值。

設(shè)計了吸附、通電、帶電吹掃、冷卻4步ESA碳捕集循環(huán)和加壓、吸附、抽真空、吹掃4步PSA制氮循環(huán)。各循環(huán)的每個步驟的詳細(xì)工作解釋如下：

碳捕集循環(huán)原理如圖3所示。

C1～C4吸附腔；MT機械式混合腔；D1～D3 CO2煙氣儀；OD1～OD2氧氣濃度檢測儀；VP真空泵；PM真空泵功率表；Filter泵油過濾器；E壓縮機；FI1～FI4流量計；P1～P4壓力表；RV1～RV2調(diào)壓閥；TV三通換向閥；V1～V17電 磁閥；ZN1～ZN4止逆閥。圖2 氣調(diào)機系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of the gas conditioner system

圖3 碳捕集循環(huán)原理Fig.3 Principle of the carbon capture cycle

表3 系統(tǒng)循環(huán)順序Tab.3 Cycle sequence of the system

步驟1(吸附)：干燥后的CO2和N2同時進入系統(tǒng)的氣體分配罐中進行混合。然后，混合氣體流入塔中，并且CO2被選擇性地吸附在吸附劑的孔中。原料氣中的其他成分從吸附腔頂部流出。在這一步的最后，吸附腔內(nèi)的狀態(tài)與原料氣中的CO2分壓相同。

步驟2(通電)：吸附飽和后開始進行CO2解吸，此時吸附腔應(yīng)處于與原料氣飽和的均勻狀態(tài)。給電加熱管通電，吸附腔被間接加熱至所需的解吸溫度。當(dāng)吸附腔被加熱時，解吸的CO2從吸附腔的底部流出。

步驟3(帶電吹掃)：CO2解吸并排出吸附腔后會造成吸附腔內(nèi)的壓力降低，壓力降低會阻礙解吸出的CO2從吸附腔底部流出。為保證高效分離，利用高純N2從吸附腔頂部進入腔內(nèi)，將剩余的CO2帶出吸附腔，此時用到的高純N2來自制氮循環(huán)得到的N2。

步驟4(冷卻)：CO2解吸后，需要對吸附腔進行降溫，從而修復(fù)吸附劑以開始新的循環(huán)。在該步驟中，斷開電加熱管的電源，通過自然降溫或加強空氣自然對流來降低吸附腔的溫度，在該步驟內(nèi)氣體無流入/流出。當(dāng)床層溫度下降時，由于腔內(nèi)為密閉環(huán)境，床層壓力也隨之降低。當(dāng)溫度降至吸附開始時的溫度時，操作條件恢復(fù)，開始新的循環(huán)。

制氮循環(huán)的原理如圖4所示。

圖4 制氮循環(huán)原理Fig.4 Principle of the nitrogen production cycle

步驟1(加壓)：含有體積濃度78% N2和體積濃度21% O2的大氣在無油壓縮機的作用下以一定的壓力流入吸附腔。隨著腔內(nèi)氣體的不斷增多，腔內(nèi)的壓力逐漸增大并達(dá)到設(shè)定的吸附壓力。隨著壓力的不斷升高，吸附劑對O2的工作容量逐漸增大，出口端的N2純度逐漸升高。

步驟2(吸附)：由于碳分子篩上的微孔只允許動力學(xué)尺寸小的分子快速擴散至孔內(nèi)，并限制大直徑的分子進入，所以氣體混合物的組分可以被有效的分離。因此，直徑較小的O2可以快速通過微孔孔口擴散至孔內(nèi)，被選擇性的吸附在碳分子篩上，而N2直徑較大無法被吸附，從吸附腔的頂部流出，達(dá)到富集N2的目的。吸附過程中保持腔內(nèi)壓力不變。

步驟3(抽真空)：變壓吸附循環(huán)吸附劑的吸附量與壓力有關(guān)，壓力越大吸附量越大，相應(yīng)的壓力降低吸附量隨著降低。所以，為了更好的將吸附的O2等氣體完全解吸出來，只將壓力降至大氣壓力并不能實現(xiàn)。對吸附腔進行抽真空處理，將其中的壓力降至大氣壓力以下，從而使吸附劑盡可能的實現(xiàn)完全再生，為下一循環(huán)提供更好的的吸附環(huán)境。

步驟4(吹掃)：O2徹底解吸后吸附腔內(nèi)的壓力遠(yuǎn)低于大氣壓力，此時解吸出的O2等雜質(zhì)氣體不易排出。為保證高效分離，利用高純產(chǎn)品氣N2對其進行吹掃，將剩余的O2帶出吸附腔。

利用商業(yè)軟件對氣調(diào)機系統(tǒng)進行模擬研究，可以計算出每個步驟的持續(xù)時間以及整個循環(huán)過程中吸附腔內(nèi)的壓力、溫度等參數(shù)的變化。與吸附腔和原料氣相關(guān)的參數(shù)如表4所示。

表4 吸附腔和原料氣參數(shù)Tab.4 Parameters of the column and feed gas

1.4 性能指標(biāo)

由于本文研究的系統(tǒng)包括碳捕集和氮氣富集兩部分，因此需要對系統(tǒng)進行整體性的性能評價。為了評估和對比該系統(tǒng)在各種操作條件下的性能，本文考慮了6個關(guān)鍵性能指標(biāo)。性能指標(biāo)包括回收率(Re)、純度(Pu)、生產(chǎn)率(Pr)、比能耗(Eth)、最小分離功(Wmin)、第二定律效率(Eff2nd)。由于在實際應(yīng)用中對N2和CO2的體積濃度有要求，所以回收率、純度和生產(chǎn)率這3個指標(biāo)需要重點關(guān)注。這些性能指標(biāo)將在下面給出定義和詳細(xì)說明，圖5所示為根據(jù)所提出的指標(biāo)對系統(tǒng)整體評價的流程圖。

圖5 系統(tǒng)整體評價框架Fig.5 The comprehensive evaluation framework for system

考慮到該系統(tǒng)氣體捕集分離工藝的實際要求，CO2回收率(ReCO2)、N2回收率(ReN2)和CO2純度(PuCO2)、N2純度(PuN2)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NCO2,ads為CO2進氣量，mol；Ni,ele為在通電步驟下各組分i的解吸量，mol。NN2,ads,in為吸附過程中N2的進氣量，mol；Ni,ads,out為吸附過程中各組分i的排放量，mol。

此外，CO2生產(chǎn)率、N2生產(chǎn)率分別被定義為CO2的生產(chǎn)量和N2的生產(chǎn)量，由下式表示：

(5)

(6)

式中：tcycle為循環(huán)的總時間，h；ρb為吸附劑的堆積密度，kg/m3；Vb為吸附腔的體積，m3。

從能源效率的角度出發(fā)，3個指標(biāo)分別為比能耗(Eth)，最小分離功(Wmin)和第二定律效率(Eff2nd)。比能耗在碳捕集循環(huán)、制氮循環(huán)和系統(tǒng)整體3個方面分別定義如下：

(7)

(8)

(9)

式中：Qcycle為不同循環(huán)所消耗的能量，MJ；m為所獲得的氣體的質(zhì)量，kg。

在本文研究的系統(tǒng)中，通過吸附工藝進行氣體分離的輸入氣體被視為理想氣體的混合物。最小分離功Wmin(kJ/kg)[29]是理想氣體混合物在等溫等壓條件下不進行化學(xué)反應(yīng)的可逆分離所消耗的能量，與分離過程無關(guān)，只與分離過程的始末狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)之前的研究，碳捕集循環(huán)的最小分離功僅取決于由式(10)所述的氣體捕集工藝的4個參數(shù)；制氮循環(huán)的最小分離功由式(11)決定；系統(tǒng)整體的最小分離功由式(12)表示。循環(huán)的第二定律效率被視為Wmin和實際有用功Wac(kJ/kg)的比值[30]，碳捕集循環(huán)、制氮循環(huán)和系統(tǒng)整體的第二定律效率分別由式(13)、式(14)、式(15)表示：

Wmin-CO2=G(yCO2,TL,ReCO2,PuCO2)

(10)

Wmin-N2=G(yN2,T0,ReN2,PuN2)

(11)

Wmin-total=Wmin-CO2+Wmin-N2

(12)

其中，T0為環(huán)境溫度，T0=293 K。

(13)

(14)

(15)

2 結(jié)果與討論

本文從氣體分離工藝、能源效率兩方面對該系統(tǒng)總體性能進行了分析和討論。結(jié)果表明，改變碳捕集循環(huán)的吸附、解吸溫度，制氮循環(huán)的吸附壓力、出口流速等操作參數(shù)會對系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響。

2.1 吸附等溫線與模型驗證

關(guān)于CO2和N2的單組分吸附等溫線的實驗方法與實驗數(shù)據(jù)均參考前期研究成果[31]，并將實驗數(shù)據(jù)以Toth模型擬合。圖6所示為溫度分別為293、323、353、383 K時在0～122 kPa的壓力下沸石13X吸附CO2和N2的單組分吸附等溫線。采用Toth模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合后R2為0.98，擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明可以采用Toth模型對該吸附等溫線進行擬合。

符號：實驗數(shù)據(jù)；實線：Toth模型擬合結(jié)果圖6 沸石13X-APG在不同溫度下吸附CO2和N2的吸附等溫線Fig.6 Adsorption isotherms of CO2 and N2 on zeolite 13X-APG at different temperatures

O2和N2的單組分吸附平衡等溫線實驗數(shù)據(jù)[32]以Sips模型擬合。圖7所示為溫度分別為293、308、323 K時在0～1 023 kPa壓力下碳分子篩吸附O2和N2的單組分吸附等溫線。采用Sips模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合后R2為0.99，擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明可以采用Sips模型對該吸附等溫線進行擬合。

圖8所示為CO2回收率隨解吸溫度變化的模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對比，實驗數(shù)據(jù)來源于課題組搭建的實驗臺，實驗誤差為1.19%，可以看出實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果吻合較好。因此，選取的該模型可以用于本文的模擬研究。

符號：實驗數(shù)據(jù)；實線：Sips模型擬合結(jié)果圖7 碳分子篩在不同溫度下吸附O2和N2的吸附等溫線Fig.7 Adsorption isotherms of O2 and N2 on carbon molecular sieve at different temperatures

圖8 解吸溫度對CO2回收率影響的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的驗證Fig.8 Validation of simulation results against experimental data for impact of different desorption temperature on CO2 recovery

2.2 操作參數(shù)對性能指標(biāo)的影響

2.2.1 回收率

圖9(a)所示為CO2回收率隨解吸溫度和吸附溫度的變化。由圖9(a)可知，CO2回收率隨著解吸溫度和吸附溫度的溫差的增大而升高。當(dāng)溫差為105 K時CO2回收率達(dá)到最大值89.20%；當(dāng)溫差為55 K時CO2回收率最低，其值為41.52%。實際上，由吸附等溫線可以看出，吸附溫度越低，吸附劑的工作容量越高，因此在吸附階段需要更多的進料氣才能達(dá)到平衡；當(dāng)解吸溫度升高時，吸附劑的工作容量降低，從而可以回收更多的CO2。因此，當(dāng)溫差增大時，CO2回收率也隨之升高。圖9(b)所示為N2回收率隨吸附壓力和出口流速的變化。由圖9(b)可知，當(dāng)出口流速降低時，N2回收率隨之降低且降幅明顯；當(dāng)吸附壓力增大時，N2回收率略有升高，增幅相對較小。N2回收率在出口流速為0.1 m/s，吸附壓力為1.0 MPa時達(dá)到最大值76.25%；在出口流速為0.01 m/s，吸附壓力為0.6 MPa時達(dá)到最小值53.7%。這是因為變壓吸附為速度吸附，由吸附等溫線可知，碳分子篩對N2和O2均有吸附作用，且在壓力相同時對二者的吸附量接近。所以當(dāng)出口流速增大時，氣體在吸附劑內(nèi)部的微孔停留時間變短，導(dǎo)致吸附效果變差，使回收率增大。雖然CO2回收率最低僅為41.52%，但改變操作條件后大部分可達(dá)到60%以上，能夠滿足應(yīng)用場景對CO2的需求量。同時觀察到N2回收率在上述操作條件下均達(dá)到50%以上，雖然比不上CO2的回收率，但由于技術(shù)和吸附劑的不同，也達(dá)到氮氧分離的現(xiàn)有水平。

圖9 不同操作參數(shù)對CO2和N2回收率的影響Fig.9 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 recovery

2.2.2 純度

圖10(a)所示為解吸溫度和吸附溫度對CO2純度的影響。由圖10(a)可知，CO2純度隨著解吸和吸附溫度的溫差的增大而增大，與回收率的變化趨勢一致。CO2純度在溫差為105 K時達(dá)到最大值80.62%；在溫差為55 K時達(dá)到最小值57.90%。實際上，由CO2純度的定義可知，其值取決于吸附劑對各組分的工作容量，當(dāng)解吸溫度升高時，吸附劑對CO2的工作容量降低更為顯著，使解吸出來的混合氣體中含有更多的CO2，從而CO2純度升高。圖10(b)所示為N2純度隨著吸附壓力和出口流速的變化。由圖10(b)可知，N2純度隨吸附壓力的增大而增大，隨出口流速的增大而減小。N2純度在吸附壓力為1.0 MPa，出口流速為0.01 m/s時達(dá)到最大值97.05%；在吸附壓力為0.6 MPa，出口流速為0.1 m/s時達(dá)到最小值95.92%。與回收率類似，當(dāng)出口流速減小時，碳分子篩對氧氣的吸附效果越好，吸附壓力越大，吸附劑對各組分的工作容量均增大，使在吸附階段時出口的N2純度升高。由圖10可知，CO2的純度相對較低，最高僅為80%VOL，這是受到捕集工藝和吸附劑材料的影響。由于適宜作物生長的 CO2體積濃度一般應(yīng)處于0.1%水平，觀察到在上述操作條件下CO2純度均可達(dá)到要求，因此該研究具有可行性。

圖10 不同操作參數(shù)對CO2和N2純度的影響Fig.10 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 purity

2.2.3 生產(chǎn)率

圖11(a)所示為CO2生產(chǎn)率隨解吸溫度和吸附溫度的變化。由圖11(a)可知，CO2生產(chǎn)率隨著溫差的增大而升高，這與純度和回收率的變化規(guī)律一致。在溫差為105 K時CO2生產(chǎn)率達(dá)到最大值37.03 kg/(t·h)；在溫差為55 K時達(dá)到最小值18.43 kg/(t·h)。根據(jù)CO2生產(chǎn)率定義可知，其值的大小取決于每循環(huán)生產(chǎn)CO2的量和總循環(huán)的時間。溫差越大會導(dǎo)致吸附劑在每循環(huán)的工作容量增大，使循環(huán)結(jié)束后生產(chǎn)的CO2總量增多，但總循環(huán)時間會相應(yīng)增加從而達(dá)到設(shè)定的解吸溫度。總體來說，CO2生產(chǎn)率隨溫差的增大呈上升趨勢。圖11(b)所示為N2生產(chǎn)率隨吸附壓力和出口流速的變化。當(dāng)吸附壓力為1.0 MPa，出口流速為0.1 m/s時N2生產(chǎn)率達(dá)到最大值1 265.40 kg/(t·h)；在吸附壓力為0.6 MPa，出口流速為0.01 m/s時達(dá)到最小值575.10 kg/(t·h)。值得注意的是，N2生產(chǎn)率隨出口流速的增大而增大，隨吸附壓力的減小而降低，這與回收率的變化情況相類似。由N2生產(chǎn)率的定義可知，其大小不僅取決于每循環(huán)在吸附階段排放的N2量，還與總循環(huán)時間有關(guān)。出口流速增大時，會造成吸附劑的吸附效果變差，排氣量隨之增大；吸附壓力增大時，雖然吸附劑的工作容量增大，但進氣時間也隨之變長，導(dǎo)致進氣量增大，排氣量增大，從而N2生產(chǎn)率提高。

圖11 不同操作參數(shù)對CO2和N2生產(chǎn)率的影響Fig.11 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 productivity

2.2.4 比能耗

圖12(a)所示為碳捕集循環(huán)的比能耗隨解吸溫度和吸附溫度的變化，碳捕集循環(huán)的比能耗隨溫差的增大呈現(xiàn)下降的趨勢。圖12(b)所示為制氮循環(huán)的比能耗隨吸附壓力和出口流速的變化，制氮循環(huán)的比能耗隨吸附壓力的變化幅度較小，隨出口流速的增大而減小。圖12(c)所示為系統(tǒng)整體比能耗隨CO2純度和N2純度的變化。由圖12(c)可知，系統(tǒng)總比能耗大致呈現(xiàn)隨CO2純度的升高而減小，隨N2純度的升高而增大的趨勢。當(dāng)CO2純度為57.90%、N2純度為95.92%時，系統(tǒng)總比能耗達(dá)到最大值2.33 MJ/kg；當(dāng)CO2純度為72.37%、N2純度為96.02%時，系統(tǒng)總比能耗達(dá)到最小值1.85 MJ/kg，相應(yīng)的操作條件可通過氣體的純度對應(yīng)得到。實際上，CO2純度的升高會造成循環(huán)中吸附劑工作容量的增加和加熱吸附腔所需功耗的增加，而N2純度的升高同樣會使吸附劑的工作容量增大，但這會導(dǎo)致N2的回收量降低。根據(jù)比能耗的定義，總比能耗隨不同氣體的純度呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在圖12(c)中有一個數(shù)據(jù)點值得注意，CO2純度為80.62%、N2純度為97.05%，對應(yīng)的總比能耗為2.13 MJ/kg。該點的產(chǎn)氣純度相對較高，而系統(tǒng)比能耗處于中等水平，因此在該點處系統(tǒng)性能較好。

圖12 不同操作參數(shù)對比能耗的影響Fig.12 Impact of different operation parameters on specific energy consumption

2.2.5 最小分離功

圖13(a)所示為碳捕集循環(huán)的最小分離功隨解吸溫度和吸附溫度的變化。由圖13(a)可知，碳捕集循環(huán)的最小分離功隨溫差的增大而增大，這與CO2回收率和純度的變化趨勢類似。圖13(b)所示為制氮循環(huán)的最小分離功隨吸附壓力和出口流速的變化。由圖13(b)可知，制氮循環(huán)的最小分離功隨出口流速的變化幅度較小，隨吸附壓力的增大而增大，但總體變化較小且數(shù)值較小。圖13(c)所示為系統(tǒng)整體的最小分離功隨CO2純度和N2純度的變化，系統(tǒng)整體的Wmin最大值為100.44 kJ/kg，最小值為45.69 kJ/kg。根據(jù)其定義方程可知，循環(huán)的最小分離功主要取決于氣體回收率、純度、進氣組分以及吸附溫度。從碳分子篩的吸附等溫線可以看出，吸附劑對N2和O2的選擇吸附性不強，對兩種氣體的分離效果較差，因此該部分Wmin的數(shù)值較小。

圖13 不同操作參數(shù)對最小分離功的影響Fig.13 Impact of different operation parameters on minimum separation work

2.2.6 第二定律效率

圖14(a)所示為碳捕集循環(huán)的第二定律效率隨解吸溫度和吸附溫度的變化，碳捕集循環(huán)的Eff2nd隨溫差的增大而增大。圖14(b)所示為制氮循環(huán)的第二定律效率隨吸附壓力和出口流速的變化，由圖可知，制氮循環(huán)的Eff2nd隨出口流速的增大而增大，隨吸附壓力的降低而減小，且在小范圍內(nèi)浮動。圖14(c)所示為系統(tǒng)整體的第二定律效率隨CO2純度和N2純度的變化。由圖14(c)可知，系統(tǒng)整體的Eff2nd最大值為4.71%，最小值為1.96%。通常第二定律效率用于分析循環(huán)熱能利用的有效性。根據(jù)其定義公式，當(dāng)Wmin增大、Wac減小時，Eff2nd減小。因此，Eff2nd的變化趨勢與Wmin相似，與Eth相反。

圖14 不同操作參數(shù)對第二定律效率的影響Fig.14 Impact of different operation parameters on second law efficiency

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種面向鄉(xiāng)村公共衛(wèi)生的新型氣調(diào)機系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)碳捕集和氮氣制取兩種功能。為了對該系統(tǒng)進行整體性評估，從分離性能和能效性能兩方面采用6個指標(biāo)對其進行全面分析，得到如下結(jié)論：

1)該新型氣調(diào)機可同時獲得CO2和N2兩種氣體，對系統(tǒng)的操作條件進行調(diào)整，可獲得不同純度的CO2和N2，同時回收率和生產(chǎn)率也會受到影響。本研究表明，CO2純度最高可達(dá)到80.62%VOL，此時回收率為89.20%，生產(chǎn)率為36.90 kg/(t·h)；N2純度最高可達(dá)97.05%VOL，此時對應(yīng)的回收率為55.29%，生產(chǎn)率為896.95 kg/(t·h)。獲得的氣體參數(shù)可以達(dá)到實際應(yīng)用時的需求。

2)當(dāng)提高獲得的CO2的純度時，系統(tǒng)總比能耗有所下降，第二定律效率上升；當(dāng)提高獲得的N2的純度時，系統(tǒng)總比能耗和第二定律效率均有所升高。因此，在富集氣體的同時還要考慮系統(tǒng)的能效性能。當(dāng)CO2純度為80.62%、N2純度為97.05%時，對應(yīng)的總比能耗為2.13 MJ/kg，第二定律效率為4.71%，該點的產(chǎn)氣純度達(dá)到最高，而系統(tǒng)比能耗處于中等水平，因此在該點處系統(tǒng)整體性能較好，證明了該技術(shù)的可行性。

3)根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，固載二氧化氯具有較長的釋放周期和良好的殺菌效果。因此，將固釋二氧化氯應(yīng)用于所研究的氣調(diào)機中，可在一定程度上實現(xiàn)所處環(huán)境的空氣清潔和細(xì)菌滅活。