CN112691497A - 乡村公共卫生的多功能气体调节系统以及调节方法 - Google Patents

乡村公共卫生的多功能气体调节系统以及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了乡村公共卫生的多功能气体调节系统以及调节方法，包括第一吸附腔和第二吸附腔，第一吸附腔内的吸附材料为沸石13X，第二吸附腔内的吸附材料为碳分子筛，通过调节与两个吸附腔连通的第一通气管、第二通气管、第一排气管、连接管、第二排气管、第一集气管和第二集气管，完成吸附‑解吸‑预排空三个步骤。本发明旨在提供操作简单，成本较低，可同时制备CO2和N2用于乡村公共卫生中大棚种植和粮储建筑的多功能气体调节系统。

Description

乡村公共卫生的多功能气体调节系统以及调节方法
技术领域
本发明涉及气体调节技术领域，尤其涉及乡村公共卫生的多功能气体调节系统以及调节方法。
背景技术
在大棚种植和粮储建筑中应用气体调节技术，是进行增产和减菌杀虫行之有效的技术举措。CO2是农作物实现高效光合作用的必备元素，适宜作物生长的CO2浓度一般应处于1000μmol/mol水平。然而，大棚环境内CO2浓度以大气300μmol/mol水平为上限，甚至在高密栽培大棚内光合作用旺盛、光照强烈的午间时段，CO2浓度甚至低于100μmol/mol，需要通过气体调节技术提高CO2浓度对大棚温室进一步增产。粮储建筑主要通过形成低氧环境减菌杀虫，通过气体调节技术可制备高纯度N2用于谷仓中，从而降低O2浓度。在现有的气体制备技术中只能一次性制备一种气体，功能单一，而且不便于在农业生产中进行使用。因此，现亟需操作简单，成本较低，可同时制备CO2和N2用于乡村公共卫生中大棚种植和粮储建筑的多功能气体调节系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供操作简单，成本较低，可同时制备CO2和N2用于乡村公共卫生中大棚种植和粮储建筑的多功能气体调节系统。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
乡村公共卫生的多功能气体调节系统，包括第一吸附腔和第二吸附腔，第一吸附腔内的吸附材料为沸石13X，第二吸附腔内的吸附材料为碳分子筛，所述第一吸附腔内设置有用于加热沸石13X的电加热管，所述第一吸附腔的进气侧设置有第一通气管，所述第二吸附腔的进气侧设置有第二通气管，第一通气管和第二通气管的末端均设置有止逆阀，第一通气管和第二通气管之间通过充气管相连通，充气管与第一通气管的连接端设置有第一电磁阀，充气管与第二通气管的连接端均设置有第二电磁阀，充气管中部连通有压缩机；
所述第一吸附腔的出气侧设置有第一排气管，第一排气管上依次设置有第一调压阀、二氧化碳烟气仪、流量计和第五电磁阀，并在末端设置有止逆阀，第一排气管在流量计和第五电磁阀之间设置有第一集气管，第一集气管上设置有第七电磁阀并与第一集气瓶相连通；所述第二吸附腔的出气侧设置有第二排气管，第二排气管上依次设置有第二调压阀、氧气浓度检测仪、流量计、真空泵和第六电磁阀，并在末端设置有止逆阀，第二排气管在真空泵和第六电磁阀之间设置有第二集气管，第二集气管上设置有第八电磁阀并与第二集气瓶相连通；所述第一排气管和所述第二排气管通过连接管相连通，连接管上设置有第九电磁阀。
本发明还具有乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，包括如下步骤：
(1)打开第一电磁阀使第一通气管将第一吸附腔与压缩机连通，通过压缩机将空气压入第一吸附腔通过沸石13X吸收CO2，打开第一调压阀和第五电磁阀，使吸附后的空气通入第一排气管排出，直至二氧化碳烟气仪检测到的CO2浓度高于0时，关闭以上阀门和压缩机停止CO2吸附；
(2)打开第二电磁阀使第二通气管将第二吸附腔与压缩机连通，通过压缩机将空气压入第二吸附腔中持续提高腔内气压，通过碳分子筛吸收O2，打开第二调压阀和第六电磁阀，使吸附后的空气通入第二排气管经氧气浓度检测仪检测后排出，当氧气浓度检测仪检测到排气中O2浓度低于1％时，关闭第六电磁阀，打开第八电磁阀连通第二吸附腔和第二集气瓶，将第二吸附腔内的N2通入第二集气瓶储存，当氧气浓度检测仪检测到排气中O2浓度高于1％时，关闭以上阀门和压缩机；
(3)对第一吸附腔内的电加热管进行通电加热，使第一吸附腔内的沸石13X受热解吸释放CO2，打开第一调压阀和第七电磁阀连通第一吸附腔和第一集气瓶，使解吸出的CO2通入第一集气瓶中储存，当解吸出的CO2浓度低于100ppm时，关闭以上阀门和电加热管停止解吸；
(4)打开第二调压阀和第六电磁阀，使第二吸附腔内的剩余气体从第二排气管排出，使第二吸附腔降低至环境压力解吸O2，当第二排气管上流量计气体流量为0时，打开真空泵对第二吸附腔进行抽真空，使第二吸附腔内的压力低于环境压力，碳分子筛受低压继续解吸释放O2，解吸出的O2由第二排气管排出，当氧气浓度检测仪检测到排气中O2浓度低于5％时，关闭以上阀门和真空泵；
(5)打开第三电磁阀、第九电磁阀、第二调节阀和第八电磁阀，使第二集气瓶中收集的N2通入第一吸附腔中，利用N2将第一吸附腔中剩余的CO2从第一通气管吹出，最后关闭以上阀门使第一吸附腔降温到环境温度；
(6)打开第四电磁阀、第二调压阀和第八电磁阀，使第二集气瓶中收集的N2通入第二吸附腔中，使N2将第二吸附腔中剩余的O2从第二通气管吹出，最后关闭以上阀门。
进一步的，步骤(2)压缩机将空气压入第二吸附腔中的高压环境为0.6-0.9MPa。
进一步的，步骤(2)中第二吸附腔内填充的碳分子筛为90kg，第二通气管的气体流速为1m3/s。
进一步的，步骤(3)中第一吸附腔解吸出的CO2由二氧化碳烟气仪进行检测，CO2浓度低于800μmol/mol时，关闭第七电磁阀打开第五电磁阀将解吸出的CO2由第三止逆阀排出，CO2浓度高于800μmol/mol时，关闭第五电磁阀将解吸出的CO2通入第一集气瓶中进行储存。
进一步的，步骤(3)中电加热管的加热温度为90120℃。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过吸附-解吸-预排空三个步骤循环制备CO2和N2，采用物理方式直接从外界环境抽吸空气进行制备，碳捕集循环采用变电吸附(ESA)对CO2进行富集，制氮循环采用变压吸附(PSA)对空气中的N2进行富集。CO2制备为先通过第一吸附腔内的沸石13X吸收CO2，再由第一吸附腔内的电加热管加热解吸出CO2，当CO2浓度符合储存标准时通入第一集气瓶中存储，同时受热解吸出CO2的沸石13X还可再次重复利用。N2制备为通过压缩机向第二吸附腔内增加气压，在高压环境下利用碳分子筛吸收O2，当O2浓度低于储存标准时，可使第二吸附腔内富集高浓度的N2，从而通入第二集气瓶中储存获得高浓度N2。当O2浓度高于储存标准时，碳分子筛趋于饱和，可通过自然释放第二吸附腔内的气体，再由真空泵对第二吸附腔进行抽真空，碳分子筛受低压最大化解吸O2，从而使碳分子筛可再次重复利用。本发明操作简单，成本较低，适于配合大棚种植和粮储建筑使用，不产生其他污染源，绿色环保。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：
1-第一吸附腔，2-第二吸附腔，3-第一通气管，4-第二通气管，5-第一排气管，6-连接管，7-第二排气管，8-第一集气管，9-第二集气管，10-第一电磁阀，11-第二电磁阀，12-第三电磁阀，13-第四电磁阀，14-第五电磁阀，15-第六电磁阀，16-第七电磁阀，17-第八电磁阀，18-第九电磁阀，19-第一集气瓶，20-第二集气瓶，21-压缩机，22-第一调压阀，23-第二调压阀，24-二氧化碳烟气仪，25-氧气浓度检测仪，26-流量计，27-真空泵，28-第一止逆阀，29-第二止逆阀，30-第三止逆阀，31-第四止逆阀，32-充气管。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，乡村公共卫生的多功能气体调节系统，包括第一吸附腔1和第二吸附腔2，第一吸附腔1内的吸附材料为沸石13X，第二吸附腔2内的吸附材料为碳分子筛，所述第一吸附腔1内设置有用于加热沸石13X的电加热管，所述第一吸附腔1的进气侧设置有第一通气管3，所述第二吸附腔2的进气侧设置有第二通气管4，第一通气管3和第二通气管4的末端均设置有止逆阀，第一通气管3和第二通气管4之间通过充气管32相连通，充气管32与第一通气管3的连接端设置有第一电磁阀10，充气管32与第二通气管4的连接端均设置有第二电磁阀11，充气管中部连通有压缩机21；
所述第一吸附腔1的出气侧设置有第一排气管5，第一排气管5上依次设置有第一调压阀22、二氧化碳烟气仪24、流量计26和第五电磁阀14，并在末端设置有止逆阀，第一排气管5在流量计26和第五电磁阀14之间设置有第一集气管8，第一集气管8上设置有第七电磁阀16并与第一集气瓶19相连通；所述第二吸附腔2的出气侧设置有第二排气管7，第二排气管7上依次设置有第二调压阀23、氧气浓度检测仪25、流量计26、真空泵27和第六电磁阀15，并在末端设置有止逆阀，第二排气管7在真空泵27和第六电磁阀15之间设置有第二集气管9，第二集气管9上设置有第八电磁阀17并与第二集气瓶20相连通；所述第一排气管5和所述第二排气管7通过连接管6相连通，连接管6上设置有第九电磁阀18。
本发明的调节方法包括如下步骤：
(1)第一吸附腔1对CO2的吸附过程：打开第一电磁阀10使第一通气管3将第一吸附腔1与压缩机21连通，通过压缩机21将空气压入第一吸附腔1通过沸石13X吸收CO2，打开第一调压阀22和第五电磁阀14，使被吸附CO2后的空气通入第一排气管5最终从第三止逆阀30排出，直至二氧化碳烟气仪24检测到的CO2浓度高于0时，证明第一吸附腔1内的沸石13X已吸附至趋于饱和，关闭以上阀门和压缩机21停止CO2吸附。
(2)第二吸附腔2对O2的吸附过程：打开第二电磁阀11使第二通气管4将第二吸附腔2与压缩机21连通，通过压缩机21将空气压入第二吸附腔2中持续提高腔内气压，压缩机21将空气压入第二吸附腔2中的高压环境为0.6-0.9MPa，通过形成高压环境让碳分子筛吸收O2，打开第二调压阀23和第六电磁阀15，使吸附后的空气通入第二排气管7经氧气浓度检测仪25检测后从第四止逆阀31排出，当氧气浓度检测仪25检测到排气中O2浓度低于1％时，关闭第六电磁阀15，打开第八电磁阀17连通第二吸附腔2和第二集气瓶20，将第二吸附腔2内富集的高浓度N2通入第二集气瓶20储存，当氧气浓度检测仪25检测到排气中O2浓度高于1％时，关闭以上阀门和压缩机21。
为保证高压环境下的第二吸附腔2中，碳分子筛对O2的吸附速度大于压缩机21通入气体的速度，第二吸附腔2内填充的碳分子筛为90kg，第二通气管4的气体流速为1m3/s。由于本发明制备N2的方式为先吸附O2再排放富集在第二吸附腔2中的高浓度N2，故无需对碳分子筛的微孔孔径大小进行限制，即使碳分子筛的微孔孔径较大会同时吸收N2，仍不会影响碳分子筛对O2的吸附，不会影响制备效果。
(3)第一吸附腔1对CO2的解吸过程：对第一吸附腔1内的电加热管进行通电加热，电加热管的加热温度为90-120℃。打开第一调压阀22使第一吸附腔1内的沸石13X受热解吸释放CO2，由二氧化碳烟气仪24进行检测，CO2浓度低于800μmol/mol时，关闭第七电磁阀16打开第五电磁阀14将解吸出的CO2由第三止逆阀30排出，CO2浓度高于800μmol/mol时，关闭第五电磁阀14打开第七电磁阀16，将解吸出的CO2通入第一集气瓶19中进行储存，从而获得高浓度的CO2。当解吸出的CO2浓度低于65μmol/mol时，沸石13X中的CO2含量较低不易于继续解吸，关闭第一调压阀22、第七电磁阀16和电加热管停止解吸。
(4)第二吸附腔2对O2的解吸过程：打开第二调压阀23和第六电磁阀15，使第二吸附腔2内的剩余气体从第二排气管7排出，第二吸附腔2降低至环境压力解吸O2，当第二排气管7上流量计26气体流量为0时，打开真空泵27对第二吸附腔2进行抽真空，使第二吸附腔2内的压力低于环境压力，碳分子筛受低压继续解吸释放O2，解吸出的O2由第二排气管7排出，当氧气浓度检测仪25检测到排气中O2浓度低于5％时，关闭以上阀门和真空泵27。
(5)第一吸附腔1对剩余CO2的预排空过程：打开第三电磁阀12、第九电磁阀18、第二调节阀23和第八电磁阀17，利用连接管6连通第一吸附腔1和第二集气瓶20，使第二集气瓶20中收集的高浓度N2通入第一吸附腔1中，利用N2将第一吸附腔1中剩余的CO2从第一通气管3末端的第一止逆阀28吹出，使第一吸附腔1内剩余CO2排空，最后关闭以上阀门使第一吸附腔1降温到环境温度，沸石13X内的CO2含量接近于步骤(1)中吸附CO2前的水平。
(6)第二吸附腔2对剩余O2的预排空过程：打开第四电磁阀13、第二调压阀23和第八电磁阀17，连通第二吸附腔2和第二集气瓶20，使第二集气瓶20中收集的N2通入第二吸附腔2中，利用N2将第二吸附腔2中剩余的O2从第二通气管4末端的第二止逆阀29吹出，最后关闭以上阀门，碳分子筛内的O2含量接近于步骤(2)中吸附O2前的水平。
通过上述吸附-解吸-预排空三个步骤，可一次性同时完成CO2和N2的制备，制备过程中还可通过两个流量计26检测计算制备的目标气体总量。预排空后的第一吸附腔1和第二吸附腔2，可重复进行步骤(1)和步骤(2)循环进行高浓度的CO2和N2的制备，使本调节系统可同时用于大棚种植和粮储建筑中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.乡村公共卫生的多功能气体调节系统，包括第一吸附腔(1)和第二吸附腔(2)，第一吸附腔(1)内的吸附材料为沸石13X，第二吸附腔(2)内的吸附材料为碳分子筛，其特征在于：所述第一吸附腔(1)内设置有用于加热沸石13X的电加热管，所述第一吸附腔(1)的进气侧设置有第一通气管(3)，所述第二吸附腔(2)的进气侧设置有第二通气管(4)，第一通气管(3)和第二通气管(4)的末端均设置有止逆阀，第一通气管(3)和第二通气管(4)之间通过充气管(32)相连通，充气管(32)与第一通气管(3)的连接端设置有第一电磁阀(10)，充气管(32)与第二通气管(4)的连接端均设置有第二电磁阀(11)，充气管(32)中部连通有压缩机(21)；
所述第一吸附腔(1)的出气侧设置有第一排气管(5)，第一排气管(5)上依次设置有第一调压阀(22)、二氧化碳烟气仪(24)、流量计(26)和第五电磁阀(14)，并在末端设置有止逆阀，第一排气管(5)在流量计(26)和第五电磁阀(14)之间设置有第一集气管(8)，第一集气管(8)上设置有第七电磁阀(16)并与第一集气瓶(19)相连通；所述第二吸附腔(2)的出气侧设置有第二排气管(7)，第二排气管(7)上依次设置有第二调压阀(23)、氧气浓度检测仪(25)、流量计(26)、真空泵(27)和第六电磁阀(15)，并在末端设置有止逆阀，第二排气管(7)在真空泵(27)和第六电磁阀(15)之间设置有第二集气管(9)，第二集气管(9)上设置有第八电磁阀(17)并与第二集气瓶(20)相连通；所述第一排气管(5)和所述第二排气管(7)通过连接管(6)相连通，连接管(6)上设置有第九电磁阀(18)。
2.乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)打开第一电磁阀(10)使第一通气管(3)将第一吸附腔(1)与压缩机(21)连通，通过压缩机(21)将空气压入第一吸附腔(1)通过沸石13X吸收CO2，打开第一调压阀(22)和第五电磁阀(14)，使吸附后的空气通入第一排气管(5)排出，直至二氧化碳烟气仪(24)检测到的CO2浓度高于0时，关闭以上阀门和压缩机(21)停止CO2吸附；
(2)打开第二电磁阀(11)使第二通气管(4)将第二吸附腔(2)与压缩机(21)连通，通过压缩机(21)将空气压入第二吸附腔(2)中持续提高腔内气压，通过碳分子筛吸收O2，打开第二调压阀(23)和第六电磁阀(15)，使吸附后的空气通入第二排气管(7)经氧气浓度检测仪(25)检测后排出，当氧气浓度检测仪(25)检测到排气中O2浓度低于1％时，关闭第六电磁阀(15)，打开第八电磁阀(17)连通第二吸附腔(2)和第二集气瓶(20)，将第二吸附腔(2)内的N2通入第二集气瓶(20)储存，当氧气浓度检测仪(25)检测到排气中O2浓度高于1％时，关闭以上阀门和压缩机(21)；
(3)对第一吸附腔(1)内的电加热管进行通电加热，使第一吸附腔(1)内的沸石13X受热解吸释放CO2，打开第一调压阀(22)和第七电磁阀(16)连通第一吸附腔(1)和第一集气瓶(19)，使解吸出的CO2通入第一集气瓶(19)中储存，当解吸出的CO2浓度低于100ppm时，关闭以上阀门和电加热管停止解吸；
(4)打开第二调压阀(23)和第六电磁阀(15)，使第二吸附腔(2)内的剩余气体从第二排气管(7)排出，使第二吸附腔(2)降低至环境压力解吸O2，当第二排气管(7)上流量计(26)气体流量为0时，打开真空泵(27)对第二吸附腔(2)进行抽真空，使第二吸附腔(2)内的压力低于环境压力，碳分子筛受低压继续解吸释放O2，解吸出的O2由第二排气管(7)排出，当氧气浓度检测仪(25)检测到排气中O2浓度低于5％时，关闭以上阀门和真空泵(27)；
(5)打开第三电磁阀(12)、第九电磁阀(18)、第二调节阀(23)和第八电磁阀(17)，使第二集气瓶(20)中收集的N2通入第一吸附腔(1)中，利用N2将第一吸附腔(1)中剩余的CO2从第一通气管(3)吹出，最后关闭以上阀门使第一吸附腔(1)降温到环境温度；
(6)打开第四电磁阀(13)、第二调压阀(23)和第八电磁阀(17)，使第二集气瓶(20)中收集的N2通入第二吸附腔(2)中，使N2将第二吸附腔(2)中剩余的O2从第二通气管(4)吹出，最后关闭以上阀门。
3.根据权利要求2所述的乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，其特征在于：步骤(2)中压缩机(21)将空气压入第二吸附腔(2)中的高压环境为0.6-0.9MPa。
4.根据权利要求2所述的乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，其特征在于：步骤(2)中第二吸附腔(2)内填充的碳分子筛为90kg，第二通气管(4)的气体流速为1m3/s。
5.根据权利要求2所述的乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，其特征在于：步骤(3)中第一吸附腔(1)解吸出的CO2由二氧化碳烟气仪(24)进行检测，CO2浓度低于800μmol/mol时，关闭第七电磁阀(16)打开第五电磁阀(14)将解吸出的CO2由第三止逆阀(30)排出，CO2浓度高于800μmol/mol时，关闭第五电磁阀(14)将解吸出的CO2通入第一集气瓶(19)中进行储存。
6.根据权利要求2所述的乡村公共卫生的多功能气体调节系统的调节方法，其特征在于：步骤(3)中电加热管的加热温度为90-120℃。
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