CN113750740A - 用于去除二氧化碳的洗涤器设备和受控气氛操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于从受控环境中进行二氧化碳(CO2)去除的活性炭洗涤器设备300及其操作方法。洗涤器设备被配置成在吸附配置与再生配置之间切换，在该吸附配置中，洗涤器设备被配置为将富含CO2的气体从受控环境提供给包含用于CO2吸附的活性炭的吸附剂床(302)，并将经处理的气体返回到受控环境，在该再生配置中，洗涤器设备被构造成从受控环境的外部向吸附剂床提供再生气体以解吸CO2并再生活性炭，并将富含CO2的气体排放到受控环境的外部。该方法包括在多个循环中交替地在吸附配置和再生配置下操作洗涤器设备，其中洗涤器设备以每小时4至30个循环之间的循环频率被操作。加热器(303)被控制以在再生配置下加热吸附剂床。

Description

用于去除二氧化碳的洗涤器设备和受控气氛操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于从受控环境中去除二氧化碳(CO2)的活性炭洗涤器设备、和一种操作用于受控气氛应用的洗涤器设备的方法。特别地，尽管不是排他地，本发明涉及用于与运输制冷系统一起使用的这种洗涤器设备和方法，所述运输制冷系统例如用于冷藏车和海运集装箱。
背景技术
受控气氛是本领域的用于指示对封闭空间内的气体混合物的控制的术语。受控气氛对于产品(诸如水果和蔬菜)的运输尤其相关。例如，可能期望的是控制里面储存有产品储的环境内的二氧化碳、氧气和其他组成气体的相对比例。术语“受控气氛”在本文中用于指示产品(即，被配置成控制封闭空间中的气体混合物的产品)的类别，而表述“受控环境”用于表示这种封闭空间本身内的气体体积。
众所周知，使用再生洗涤器设备从受控气氛中去除二氧化碳。用于与这种系统一起使用的典型的吸附剂包括沸石(铝硅酸盐矿物)，诸如沸石 13x。
已知在气体过滤和控制系统中提供活性炭，特别是用于去除挥发性有机化合物。然而，由于其相对较低的吸附效率和高温再生过程，还没有考虑为再生吸附提供实用的解决方案。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种操作活性炭洗涤器设备以从受控环境去除二氧化碳(CO2)的方法；
其中洗涤器设备被构造成在吸附配置与再生配置之间切换，
所述洗涤器设备被构造成在所述吸附配置下，从受控环境向吸附剂床提供富含CO2的气体，并将经处理的气体返回到所述受控环境，其中所述吸附剂床包括用于CO2吸附的活性炭；
所述洗涤器设备被构造成在所述再生配置下，从所述受控环境的外部向所述吸附剂床提供再生气体以解吸CO2并使所述活性炭再生，并将富含CO2的气体排放到所述受控环境的外部；
所述方法包括：
在多个循环中交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作所述洗涤器设备，每个循环都包括在所述吸附配置下的单个时段和在所述再生配置下的单个时段；
其中所述洗涤器设备以每小时4至30个循环之间的循环频率被操作；
控制加热器以在所述再生配置下加热所述吸附剂床。
吸附剂床可以通过直接加热吸附剂床上游的再生气体从而间接地加热吸附剂床而被加热。吸附剂床可以通过将热量从传热元件传递到吸附剂床而被直接加热。例如，传热元件可以是电加热器的加热元件，或者可以是热泵的热交换元件。
吸附剂床可以主要包含活性炭。例如，吸附剂床可以不小于70wt.％活性炭，或吸附剂床的不低于80wt.％、或不小于90wt.％、或不小于95 wt.％、或不小于99wt.％是活性炭。吸附剂床可以由活性炭组成。
循环频率可以在每小时10至20个循环之间。
对于每个循环来说，洗涤器设备可以以1∶1与5∶1之间的循环比率操作，该循环比率被定义为在吸附配置下的时段与在再生配置下的时段之间的比率。循环比率可以在2∶1与4∶1之间。
对于每个循环，洗涤器设备可以在再生配置下被操作以持续至少45 秒，例如1分钟或更长时间。
在每个循环期间，吸附剂床可以被加热到不超过75℃(例如，不超过 50℃、不超过40℃、或不超过30℃)的最大平均温度。最大平均温度可以不低于15℃，例如不低于20℃。
表述“最大平均温度”涉及吸附剂床被加热到的最高平均温度。因此，所述最大平均温度不是床不能被加热超过的温度极限，而是在循环期间所述吸附剂床被加热到的实际最高平均温度(且在再生配置下的操作期间进行加热，使得通常在再生配置下的时段结束时达到最高平均温度)。
在每个循环期间，进行加热可以使得所排放的富含CO2的气体在被从吸附剂床排放时具有不超过75℃(例如不超过50℃、不超过40℃、或不超过30℃)的最大温度。在每个循环期间，进行加热可以使得所排放的富含CO2的气体在被从吸附剂床排放时具有不低于15℃(例如不低于20℃) 的最大温度。
加热器可以被控制以在再生配置期间相对于吸附剂床中的吸附剂材料的重量以不超过5kW/kg(例如不超过3kW/kg)的最大比热传导率将热量传递给吸附剂床。
洗涤器设备可以被操作以使得，在再生配置下的操作期间通过吸附剂床的气体的体积流量高于在吸附配置下的操作期间通过吸附剂床的气体的体积流量。
在再生配置下的操作期间的体积流量可以比在吸附配置下的操作期间的体积流量大至少50％。
吸附剂床可以被构造成使得通过吸附剂床的平均流速在吸附配置下小于0.5m/s，而在再生配置下大于0.5m/s。
循环比率可以是可变的。控制器可以响应于分别确定安装有洗涤器设备的受控气氛系统的低电力条件和高电力条件，使循环比率在相对较低的比率与相对较高的比率之间变化。低电力条件可以对应于在不接入岸电的情况下从本地电源向受控气氛系统供应电力，而高电力条件对应于从岸电源向受控气氛系统供应电力。
洗涤器设备可以安装在受控气氛系统(诸如用于海运集装箱、拖车或卡车的运输制冷系统)中。
受控气氛系统可以被操作以调节受控环境内的二氧化碳的水平。该调节可以包括确定将二氧化碳的水平降低到阈值或以下的要求。响应于确定降低二氧化碳的水平的要求，洗涤器设备可以在CO2减少模式中被操作 (即，被控制以操作)，以从受控环境去除二氧化碳，直到二氧化碳被减少到阈值或以下。在CO2减少模式下的操作期间，洗涤器设备可以交替地在吸附配置和再生配置下操作(即，被控制以操作)。
因此，尽管在CO2减少模式下操作，洗涤器设备还是周期性地被操作，以使得洗涤器设备不执行二氧化碳的吸附(即，在再生配置下)。如果具有多个洗涤器设备，则每一个洗涤器设备都可以在CO2减少模式下的操作期间同时在再生配置下操作，以使得尽管洗涤器设备在CO2减少模式下操作，但是没有洗涤器设备执行吸附。
该调节可以包括确定二氧化碳的水平被降低到阈值或以下。该确定可以包括确定二氧化碳的水平在目标范围内。响应于该确定，洗涤器设备可以被置于待机模式下，在该待机模式下，所述洗涤器设备以比在CO2减少模式下相对较低的CO2去除速率被停用或操作(即，被控制以操作)。可以通过打开加热器和/或鼓风机来停用洗涤器设备。在被停用时，洗涤器可以被置处于再生配置下。即使被停用并处于再生配置下，也可能存在使吸附剂床再生的再生气体的被动(即，非受迫)流。
根据第二方面，公开了一种用于从受控环境去除二氧化碳的洗涤器设备，该洗涤器设备包括：
吸附剂床，所述吸附剂床包括用于CO2吸附的活性炭；
气体交换机构，所述气体交换机构被构造成在吸附配置与再生配置之间切换，
在所述吸附配置下，所述吸附剂床与受控环境入口流体连通，以从受控环境接收富含CO2的气体以便进行吸附，并且在所述吸附配置下，所述吸附剂床与受控环境出口流体连通，以将经处理的气体返回到所述受控环境；
在所述再生配置下，所述吸附剂床与再生气体入口流体连通，以从所述受控环境的外部接收再生气体以便进行解吸，并且在所述再生配置下，所述吸附剂床与外部出口流体连通，以将富含CO2的气体排放到所述受控环境的外部；
加热器，所述加热器被构造成在所述再生配置下加热所述吸附剂床；
控制器，所述控制器被构造成使所述洗涤器设备在多个循环中交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作，每个循环都包括在所述吸附配置下的单个时段和所述再生配置下的单个时段；
其中所述控制器被构造成使所述洗涤器设备以每小时4至30个循环之间的循环频率操作，所述循环频率例如在每小时10至20个循环之间；
其中所述控制器被构造成控制所述加热器以在所述再生配置下加热所述吸附剂床。
洗涤器设备可以包括用于引导气体通过吸附剂床的一个或多个鼓风机。控制器可以被构造成控制一个或多个鼓风机，以使得在再生配置下的操作期间通过吸附剂床的气体的体积流量高于在吸附配置下的操作期间通过吸附剂床的气体的体积流量。在所述再生配置下的操作期间的体积流量可以比在所述吸附配置下的操作期间的体积流量大至少50％。
加热器相对于吸附剂床中的吸附剂材料的重量可以具有用于加热吸附剂床的不超过5kW/kg的最大比热传导率，所述最大比热传导率例如不超过3kW/kg。
所述控制器可以被构造成使洗涤器设备以在1∶1与5∶1之间的循环比率操作，所述循环比率被定义为在吸附配置下的时段与在所述再生配置下的时段之间的比率，所述循环比率例如在2∶1与4∶1之间。
根据第三方面，公开了一种受控气氛系统，所述受控气氛系统例如是运输制冷系统，该受控气氛系统包括根据第二方面的洗涤器设备。
受控气氛系统可以被构造成调节受控环境内的二氧化碳的水平，并且可以被构造成确定将二氧化碳的水平降低到阈值或以下的要求。受控气氛系统可以被构造成响应于确定降低二氧化碳的水平的要求，在CO2减少模式下操作所述洗涤器设备。洗涤器设备可以被构造成在CO2减少模式下的操作期间交替地在吸附配置和再生配置下操作。
本公开扩展到上文关于本公开的第一至第三方面以及本文其他地方描述的方法和设备的特征的任何组合，除了互斥的这种组合之外。
附图说明
作为示例现在将参考附图描述本发明，在附图中：
图1是包括洗涤器设备的示例性冷藏运输集装箱的局部示意性剖视侧视图；
图2是示例性洗涤器设备的简化剖视图；
图3是另一个示例性洗涤器设备的简化剖视图；
图4至图6是在循环洗涤器操作的不同频率下的二氧化碳去除的测试的曲线图；以及
图7是操作洗涤器设备的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于CO2去除的洗涤器设备的操作，其中洗涤器设备的吸附剂材料是活性炭。
仅作为示例，将参考在冷藏运输系统(特别是冷藏运输集装箱)的冷藏模块中使用的示例来描述本发明。然而，应当理解的是，本公开主要涉及洗涤器设备及其操作方法，其同样适用于其他类型的安装和环境。
图1示意性地示出了包括外壁102的运输集装箱100，所述外壁将内部气体的内部受控环境与外部气体的外部气氛分离。作为示例，货物104 设置在集装箱的货物空间105中，诸如装载新鲜水果和蔬菜，并且受控环境是填充封闭的货物空间105的气体的体积。图1是示出包括制冷模块200 的集装箱的第一端的局部视图。为了简化附图，集装箱和货物104的背离集装箱的第一端的端部未示出，如延续线106所示。
制冷模块200安装在运输集装箱中，以提供冷藏运输集装箱。制冷模块200通常设置在集装箱的与运输集装箱100的壁102相邻的一个端部处。
制冷模块200包括结构框架202，该结构框架当被安装在集装箱100 中时位于集装箱内，并且是敞开的以便允许回程空气108流被引导到制冷模块200的部件(如下文将描述的那样)，并且将供应空气110流输送到货物空间。
制冷模块200包括外壁204，该外壁可以用作运输集装箱100的将集装箱的内部环境与外部气氛分离的外壁。
示例性制冷模块200包括制冷回路，该制冷回路包括设置在外壁204 的内部上的蒸发器206和设置在外壁204的外部的冷凝器208。制冷回路可以包括压缩机、膨胀阀和连接回路的部件的流动管线，如本领域中已知的那样，蒸发器被构造成使得在使用中，将热量从内部气体传递到循环制冷剂，并且冷凝器被配置成将热量从制冷剂传递到外部气体。
在本示例中，蒸发器风扇210被设置成引导回程空气108流通过蒸发器206以被冷却，并且然后作为供应空气110被引导到货物空间。在这个特定示例中，制冷模块被配置成使得回程空气向下流动通过制冷模块，并且蒸发器风扇210设置在上游，并且因此通常位于蒸发器206上方。然而，在其他示例中，蒸发器风扇210可以相对于蒸发器设置在上游或下游，并且通过所述蒸发器风扇210的流的具体取向和方向可以不同。
制冷模块还包括二氧化碳去除设备300(“洗涤器设备”)、用于监控与内部气体的成分相关的参数的气体传感器224。和控制器226。如图1所示，在本示例中，控制器226设置在制冷模块的外壁204的外部，而二氧化碳去除设备300和气体传感器224设置在外壁204的内部。
在这个特定示例中，二氧化碳去除设备300和气体传感器224设置在蒸发器风扇210和蒸发器206之间，使得蒸发器风扇210被配置成引导回程空气108流朝向二氧化碳去除设备并经过传感器224。然而，在其他示例中可以采用其他相对位置，并且回程空气流可以通过设备300的集成的鼓风机或者通过设备的上游或下游的鼓风机被输送通过二氧化碳去除设备。
如图1所示，制冷模块200还包括新鲜空气通风口212，该新鲜空气出口被配置成选择性地打开和关闭，以允许新鲜空气流进入货物空间105，如本领域已知的那样。
在上述示例的变型例中，可以设置用于在受控环境中控制气体混合物的额外设备，无论所述额外设备是作为制冷模块200的一部分还是要安装在集装箱100中的另一模块。受控气氛系统通常可以分为被动式和主动式。被动式系统往往依赖于高浓度下的组成气体被吸附剂自然吸附或穿过选择性渗透膜或分子筛。主动式系统通常涉及控制入口气体流的组成的系统，该入口气体流替代(即，冲洗掉)受控环境内的内部气体，以调节受控环境的整体组成。例如，一些主动式系统使用压缩机和选择性渗透膜或分子筛，以便产生、调节入口气体流的组成，从而提供相对减少量的氧气和相对增加量的一种或多种其它组分气体，诸如氮气。可以设想的是，本文所述的洗涤器设备(无论所述洗涤器设备是否被结合在运输制冷系统的制冷模块或一些其他安装件中)可以与被动和主动系统、新鲜空气通风口等的所有方式结合使用。
图2示出了二氧化碳去除设备300(在本文中也被称为洗涤器设备) 的示例性配置。在这个示例中，洗涤器设备包括含有活性炭的吸附剂床302。在这个特定的示例中，吸附剂床302由活性炭组成。在其他示例中，吸附剂床可以主要包含活性炭，例如吸附剂床可以是不小于70wt.％的活性炭，或吸附剂床的不低于80wt.％、或不小于90wt.％、或不小于95wt.％、或不小于99wt.％是活性炭。
提供活性炭的具体形式可以变化，使得本公开同样适用于在颗粒尺寸、表面积与重量比、孔隙率等方面彼此不同的吸附剂床。合适类型的活性炭的示例是可从德国Silcarbon Aktivkohle GmbH以商品名Silcon SIL-40-3s 获得的粒状活性炭，其具有3mm的特征直径。
在本示例中，吸附剂床302设有加热器303，该加热器具有延伸穿过吸附剂床302，以用于直接加热的加热线圈。在这个特定示例中，加热器 303被配置成以高达每千克吸附剂材料2kW的速率将热量传递到吸附剂床，但是在其他示例中，该加热器303可以被配置成传递更多或更少的热能。在本公开中设想了其他形式的加热，这将在下面参照图3进行简要描述。
在该示例中，吸附剂床302设置在导管304内，该导管具有分别连接到入口切换歧管306和出口切换歧管308的入口部分和出口部分。入口切换歧管306被配置成选择性地从两个端口中的一个向导管304的入口部分提供气体，所述两个端口包括入口内部气体端口318和外部气体入口端口 320，所述入口内部气体端口318被配置成从受控环境接收内部气体流，以便在吸附剂床处去除二氧化碳，所述外部气体入口端口320被配置成从受控环境的外部接收再生气流(例如外部气体，诸如环境空气)，以便从吸附剂床解吸二氧化碳。出口切换歧管308被配置成将气体从导管304的出口部分选择性地提供给两个端口中的一个，所述两个端口包括出口内部气体端口338和出口外部气体端口340，所述出口内部气体端口338被配置成将经处理的气体从吸附剂床返回到受控环境，所述出口外部气体端口 340被配置成将富含CO2的气体排放到受控环境的外部。鼓风机305(诸如风扇)设置在导管304内，以可控地沿着导管304输送气体。在这个示例中，鼓风机305设置在吸附剂床302的上游，但是在其他示例中，一个或多个鼓风机305可以设置在用于驱动气体通过导管304的任何合适的位置。
切换歧管306、308中的每一个都包括用于在多个位置之间进行切换的气体阀的适当装置，所述气体阀的适当装置专门以流体连通的方式连接导管304与气体端口318、320、338、340中相应的一个气体端口。
洗涤器设备还包括控制器360，在该示例中该控制器可操作地联接到切换歧管306、308中的每一个、联接到加热器303、和联接到鼓风机305。
切换歧管306、308一起形成气体交换机构，该气体交换机构被配置成在吸附配置和再生配置之间切换。在吸附配置下，吸附剂床302与受控环境入口(即入口内部气体端口318)流体连通，以从受控环境接收富含 CO2的气体以便进行吸附，并且吸附剂床302与受控环境出口(即出口内部气体端口338)流体连通，以将经处理的气体返回到受控环境。可防止与入口外部气体端口338和出口外部气体端口340的流体连通。在再生配置下，吸附剂床302与再生气体入口(即入口外部气体端口320)流体连通，以从受控环境的外部接收再生气体以便进行解吸，并且吸附剂床302 与外部出口(即出口外部气体端口340)流体连通，以将富含CO2的气体排放到受控环境的外部。可防止与入口内部气体端口318和出口内部气体端口320的流体连通。
控制器360被配置成控制气体交换机构，以在吸附配置和再生配置之间切换。控制器360还被配置成当处于再生配置时使加热器303加热吸附剂床302。控制器360还被配置成控制鼓风机305，例如关闭和打开鼓风机305。控制器306可操作，以改变鼓风机305的速度，并且从而改变通过导管304的流的速度(或体积流量)，如下文将描述的那样。在这个示例中，洗涤器设备被配置为单向流动通过吸附剂床302，这是因为在一个端部处有入口歧管，而在另一端部处有出口歧管。然而，应该理解的是，洗涤器设备可以具有任何合适的配置，并且确实可以配置成当分别在吸附构造和再生配置下操作时，使气体在不同的方向上通过吸附剂床。
在这个示例中，控制器360还被配置成监控从温度传感器362接收到的信号，以用于监控洗涤器设备300的操作温度。温度传感器362可以设置在任何合适的位置，这取决于要测量什么量以及实施什么形式的控制 (如果有的话)。可以设想的是，加热器303可以由控制器360基于操作温度被控制，例如以确保在再生配置下的操作期间操作温度在操作范围内。
如本领域所知，再生性能方面的相关因素是吸附剂床的温度(即床内的吸附剂材料的温度)。由于再生气体经过吸附剂床，因此在气体被从吸附剂床排放时气体的温度可以等于吸附剂床的温度或至少是吸附剂床的温度的函数(例如吸附剂床内的吸附剂材料的平均温度)。
在这个示例中，监控对应于吸附剂床的温度的操作温度，特别是通过在吸附剂床的下游在导管304内设置温度传感器362。在其他示例中，一个或多个温度传感器可以位于其他位置，一用于监控吸附剂床的温度，例如一个或多个可以分布在吸附剂床302内，以使得能够估计吸附剂床的平均温度。
如图2所示，洗涤器设备300的控制器360以可操作的方式联接到制冷模块200的控制器226，以使得制冷模块200的控制器226可以指令洗涤器设备300的控制器360改变所述洗涤器设备300的操作模式，如将在下面进一步详细描述的那样。
简而言之，图3示出了洗涤器设备300’，其具有与上面参照图2描述的洗涤器设备300相似的配置，不同之处仅在于加热器的形式和布置。在这个示例中，加热器303’设置在吸附剂床302的上游，以便在再生配置下加热提供给吸附剂床302的气体流。因此，在这个实施例中，通过加热气体(该气体然后加热吸附剂床)间接地加热吸附剂床302。以下描述同样适用于图2的洗涤器设备300和图3的洗涤器设备300’。为了以下描述的简洁性，可以参考“洗涤器设备300”，但是应当认为其同样适用于任一示例。
在讨论洗涤器设备300的操作和相关优点之前，关于使用活性炭以便去除CO2的现有技术记述如下。
虽然活性炭是用于吸附CO2的已知吸附剂材料，但活性炭还没有被认为是用于可控气氛的再生吸附系统的实用选择。
特别地，来自活性炭制造商的发布的技术信息指示，活性炭具有较低的吸附效率(按重量计约为3％——即，二氧化碳的量等于活性炭的重量的3％)。进一步，这种发布的技术信息指示活性炭将在高温(例如250℃或更高)下被再生。再进一步，这种发布的技术信息指示，对于CO2去除应用，应当使用被称为浸渍活性炭的活性炭类型(即，浸渍有额外的化学物质以增强特定气体和分子的吸附)。然而，这种浸渍活性炭被理解是一次性使用的，并且不适合用于再生。
由美国Cabot公司已经公布了关于活性炭的这种技术信息的示例。关于用于活性炭的再活化服务的信息表指示超过900℃的热再活化温度。在本申请的优先权日之前发布的信息表的副本可在“Internet Archive” (“Wayback Machine”)上获得，网址为：web.archive.org/web/20200421162405/https：/www.cabotcorp.com/solutions/products-plus/activated-carbon/reactivation-services
由捷克共和国的TROX KS Filter a.s参考在高达830°的温度下持续30 分钟的活性炭再活化过程发布了这种技术信息的另外的示例。与其他技术相比，再活化过程被描述为具有相当大的质量优势(具体参考了其他技术诸如在250至350℃的范围内的热解吸)，并声明较低的温度不会导致活化表面的恢复。在本申请的优先权日之前发布的记述信息表的副本可在“InternetArchive”(“Wayback Machine”)上获得，网址为： web.archive.org/web/20200421162554/https：/www.ksklimaservice.cz/en/reacti vation-of-activated-carbon-servicing-and-disposal-of-filters
进一步，公共百科全书维基百科上的活性炭条目指出，工业过程中采用的最常见的再生技术是热再活化，通常遵循三个步骤，包括(i)吸附剂在约105℃下干燥；(ii)在惰性气氛下高温解吸和分解(500至900℃)；以及(iii)在高温(800℃)下通过非氧化性气体(蒸汽或二氧化碳)的残余有机气化。在本申请的优先权日之前在百科全书中公开的信息的副本可在“InternetArchive”(“Wayback Machine”)上获得，网址为： web.archive.org/web/20200421162750/https：//en.wikipedia.org/wiki/Activated _carbon
因此，活性炭通常仅在用于除了CO2去除之外的目的(诸如去除挥发性有机化合物(volatile organic compound，VOC)或其具有更好去除性能的其他气体和颗粒，对此已发布的文献提出了活性炭具有相对较高的去除效率)的实际的受控气氛系统中被发现。虽然先前已经提出在用于去除 CO2的再生洗涤器中使用活性炭，但是这些建议设想在切换到再生模式之前以吸附模式连续使用直到CO2低于阈值。鉴于活性炭的低吸附效率，认为这些建议如果在实践中实施，将需要相对较大的吸附剂床，以便提供足够的CO2去除能力。
然而，发明人已经惊奇地发现，如果洗涤器设备交替地在吸附配置和再生配置之间以相对较快的循环速率被操作，则活性炭可以用于有效去除二氧化碳。这使得活性炭吸附剂床的尺寸能够被减小，并开辟了活性炭作为去除CO2的实用选择的用途。
以下描述中使用的一些术语包括术语“循环”、“循环频率”和“循环比”。循环包括在吸附配置下操作洗涤器设备的单个时段和在再生配置下操作洗涤器设备的单个时段。术语“循环频率”涉及一段时间内的循环数，其中在本公开中循环频率以循环/小时为单位被定义。对于每个循环，术语“循环比率”涉及吸附配置下的时间段和再生配置下的时间段的比率。
发明人惊奇地发现，通过在短循环内操作洗涤器设备，每循环的CO2去除效率被降低(如预期的)，但是每单位时间总的CO2去除效率可以被提高。特别地，认为活性炭吸附剂具有吸附二氧化碳的相对较高的初始速率，该初始速率迅速降低。
发明人惊奇地发现，包括活性炭的吸附剂床实际上可以在相对较低的温度下和相对较短的再生时段期间被足够好地再生，从而重复地提供相对较高的初始吸附速率(如再生后可获得的那样)。据说这是令人惊讶的，这是因为关于活性炭的常规想法是在相对较高的温度下再生，即，在短时间帧内(即以相对较高的循环频率)重复再生显然是不切实际的过程。这至少是因为常规上认为吸附发生在相对较低的温度下(称为Le-Chatelier 原理)，而再生发生在相对较高的温度下(例如，高于250℃，如上所讨论那样)，使得在加热和冷却以在短时间内在这些操作条件之间切换方面存在固有的实际困难，并且当然将会存在与这样做相关联的高的能量成本。
本发明人已经进行了测试，示出了在再生条件期间仅适度加热的情况下，在相对短的再生时段内发生了充分的再生，使得洗涤器设备可以以相对高的频率被操作，以重复获得二氧化碳吸附的相对较高的初始速率。特别地，本发明人已经发现，即使当吸附剂床被加热到不超过30℃时，也发生了充分的再生，尽管在更高的温度下，例如高达40℃、高达50℃或高达75℃时，存在改善的性能。
发明人测试了CO2去除，同时改变了许多因素，包括：
循环频率；以及
循环比率。
图4是示出每个循环的二氧化碳去除与循环频率的曲线图。如可以看出的那样，每个循环的二氧化碳去除量通常随着循环频率(例如每小时) 增加而减少。
然而，发明人已经发现，在合适的循环比率下，每单位时间的二氧化碳去除速率实际上随着循环频率而增加，如图5所示，该图示出了去除速率(克/千克吸附剂/小时)与循环频率的曲线图。在已经分析了数据并且具有后见的益处的情况下，认为，在频率循环的范围内，更频繁地返回到相对较高的初始吸附关系的有益效果超过了每个循环吸附更少二氧化碳和更频繁地再生活性炭的需要的缺点。图5指示进一步增加循环频率的增量效益随着增加循环频率而减少，以使得对于峰值去除速率存在最佳循环频率。图5示出了每小时4至30个循环之间的特别有利的范围。根据操作条件和配置，有利的范围可以扩展到更高的循环频率，例如高达每小时 50个循环。
在被认为合理的循环比率(即，在5∶1和1∶1之间的比率，吸附：再生)的范围下进行测试的同时观察到了这种趋势。
然而，发明人推断，对于任何给定的循环频率，将存在最佳循环比率。特别地，如果考虑高循环比率和低循环比率的极限条件，清楚的是，非常高的循环比率将不会相比于仅在吸附配置下的长期操作提供改进，这是因为在再生配置下没有足够的时间来有用地再生活性炭。相反，清楚的是，非常低的循环比率意味着活性炭可以被很好地再生，但是没有足够的时间被分配，从而以有效的方式实际进行吸附。
因此，发明人已经确定，可以优化循环比率，以针对给定的循环频率找到每单位时间提供最高二氧化碳去除量(即，在多个连续循环中)的循环比率。测试确实示出，对于相同的循环频率，两个不同的循环比率可以实现每单位时间相同的CO2去除速率，并且认为两个这样的循环比率将位于这个循环频率下的最佳循环比率的任一侧，并且去除速率(以单位时间计)对循环比率的曲线图可以呈钟形曲线的形状。
由于加热器在再生配置下的操作期间是主动式，因此能耗与再生配置下花费的时间量成正比，并且因此很大程度上是循环比率的函数，并且与循环频率无关(特别是如果以恒定速率施加加热)。然而，由于在操作气体交换机构以在吸附配置和再生配置之间移动中消耗的能量，总能耗在一定程度上受到循环频率的影响。
发明人已经发现，当设计洗涤器设备的实际实施方式时，CO2去除速率是要考虑的许多因素中的一个。认为高循环频率会使洗涤器设备本身疲劳，这是因为用于在吸附配置和再生配置之间切换的任何装置的高频率操作可能会导致早期部件故障。因此，从部件弹性和系统可靠性的角度来看，较低的循环频率是有利的。
进一步，在认识到每个再生时段以过渡时段(在该过渡时段中，温度逐渐朝向用于有效再生的温度升高)开始的情况下，认为较高的循环频率往往会在过渡时段中花费更多的累积时间。因此，认为随着增加循环频率，最佳循环比率往往会减少(即，在再生配置下花费更多的时间)。
因此，发明人已经确定，虽然较高的循环速率往往会提供更好的CO2去除速率(到一定程度)，但是较高的循环速率与减小的部件寿命(或者替代性地，较高的用于弹性的制造成本)和较高的能耗相关联。
图6是单位时间CO2去除速率和能耗与循环频率的双轴曲线图。这再次示出了去除速率随循环频率增加的趋势，但也示出了循环比率的实际选择(即，人们被认为接近在这个循环频率下的操作的最佳值)倾向于朝向循环频率的更高范围增加。
通过选择适度的循环频率，可以获得CO2去除效率、部件磨损/可靠性和能耗之间的特别好的平衡，其中与改善的CO2去除性能(每单位时间) 相关联的优势在一定程度上已经实现，但正在减少。例如，考虑到图4至图6中呈现的数据，来自所测试的范围的特别合适的频率(每小时1至30 个循环)将在每小时15个循环的区域内。
应当理解的是，可以选择的特定频率将取决于许多因素。例如，各种权衡可能受到加热器的额定功率(其中低功率加热器自然需要更长时间将吸附剂床加热到目标温度)、从受控环境接收到的气体的温度、所述气体的CO2浓度、湿度和其他因素的影响。然而，图4至图6中提供的数据表明，循环操作原则上是有利的，并且每小时4至30个循环的范围内的操作相比于本领域常规的吸附配置下的连续操作(即，其中再生仅在达到 CO2去除目标并且吸附停止之后发生)提供了显著的优势。出于以上阐述的原因，范围每小时10至20个循环被认为是特别有利的。
发明人已经发现，根据洗涤器设备是在吸附配置下操作还是在再生配置下操作来调节通过吸附剂床的气体流的速度可能是有利的。在不希望被理论束缚的情况下，认为在吸附期间的相对较低的速度改善了吸附性能，这是因为分子在吸附剂床中的停留时间更大，并且存在更小的惯性，以使得二氧化碳分子可以更容易地沉淀并保留在吸附剂上。相反，在再生中，认为再生气体的较高速度可以提供增加的能量来帮助夹带二氧化碳分子。进一步，当加热器加热再生气体以便加热吸附剂床时，更高的速度促进了到吸附剂床的热传递。例如，测试已经示出，在吸附期间通过吸附剂床的平均速度小于0.5m/s，而在再生期间通过吸附剂床的平均速度大于0.5m/s 的条件下，改进的循环效率(即每小时二氧化碳去除速率)。用于每种配置的最佳流速被认为取决于吸附剂床的具体配置和设有吸附剂床的任何筒。
以上已经讨论了高频操作的原理，下面的描述涉及进一步参考图7的流程图操作如上所述的洗涤器设备300的示例，其中所述洗涤器设备300 作为如上所述的制冷模块200的一部分。
图7的示例性方法700涉及一种方法，在该方法中，洗涤器设备被控制，以在CO2减少模式下操作或处于待机模式下。在CO2减少模式下， CO2以相对较高的速率被从受控环境中去除，以实现受控环境中的CO2水平(即浓度)的总体降低，而在待机模式下，受控环境中的CO2水平可以在可接受的目标范围内，以使得洗涤器设备被停用或以相对较低的CO2去除速率被操作。例如如果货物(诸如水果和蔬菜产品)呼吸从而以相对较高的速率生成CO2，则相对较低的CO2去除速率的操作可能不会导致受控环境中的CO2水平的总体降低。如下文将描述的那样，在本公开内设想了操作洗涤器设备的其他方法。
在框702中(图7)，洗涤器设备的控制器360当被制冷模块200的控制器226指令时在待机模式下操作，该控制器226使用传感器224监控 CO2水平。在这个特定示例中，当处于待机模式时，气体交换机构(由歧管306、308提供)处于再生配置下，加热器303被停用，并且鼓风机305 被停用。因此，在待机模式下，洗涤器设备300有效地不消耗电力，但是保持打开以接收再生气体，从而在低温下进行被动再生。在其他示例中，待机模式下的操作可能不同，如将在说明书的末尾进一步详细讨论的那样。
在框704中，制冷模块200的控制器226确定受控环境中的CO2水平将被降低的要求，例如已经确定CO2水平已经超过阈值。例如，控制器 226可以监控受控环境中的CO2水平，以便将CO2水平保持在目标范围内，或者以设定点浓度为目标。在其他示例中，控制器可以是洗涤器设备的控制器360，该控制器执行这种控制，并且可以联接到用于监控受控环境中的CO2水平的传感器(例如，传感器224)。
在框706中，响应于确定CO2水平将被降低，控制器226指令洗涤器设备的控制器360在CO2降低模式下操作，直到CO2水平被降低到目标或目标以下。启动CO2减少模式的阈值CO2水平可以高于目标CO2水平，以使得在使用中，CO2水平被允许在周期性地降低之前逐渐上升。这种控制方法可以减少洗涤器设备在CO2减少模式下操作所需的时间量，同时仍然允许相对良好的控制以将CO2水平保持在目标范围内。如上所述，在其他示例中，控制器可以是洗涤器设备的确定启动CO2减少模式的控制器 360。
在框708和710中，控制器360交替地在吸附配置(框708)和再生配置(框710)下操作洗涤器设备，同时在多个循环中控制加热器303以在再生配置下加热吸附剂床302，直到确定满足CO2目标为止(框712)。
在这个特定示例中，控制器360使洗涤器设备以每小时15个循环的循环频率和以3∶1的循环比率操作。这对应于在吸附配置下的3分钟的操作，随后是再生配置下的1分钟的操作。
控制器360使鼓风机305在再生配置中以比吸附配置下更高的速度操作，使得在再生配置下的操作期间通过吸附剂床302的气体的体积流量高于(例如，高50％)在吸附配置下的操作期间通过吸附剂床302的气体的体积流量。在其他示例中，在两种配置之间速度可以相等。
洗涤器设备被配置成使得吸附剂床302在与相应气体的源位置处以大致相同的总压力(静态力和动态压力之和)被暴露于相应的气体流(即，来自受控环境的气体和来自受控环境的外部的气体，这取决于配置)。例如，当再生气体是源自受控环境的外部的环境空气时，洗涤器设备被配置成大致在大气压下将所述再生气体提供给吸附剂床。由于鼓风机205的操作而导致的总压力的任何增加可以是最小的，诸如5至50Pa，以便允许其被驱动通过吸附剂床。类似地，洗涤器设备被配置成以与货物空间内的受控环境大致相同的压力从受控环境向吸附剂床提供气体，且由于鼓风机 205的操作而导致的总压力的任何增加是最小的，诸如5至50Pa。换句话说，洗涤器设备300被操作，以使得鼓风机205以通过吸附剂床的最小压降，例如不超过100Pa，例如不超过50Pa的压降，驱动相应的气体流通过吸附剂床302。
在这个特定示例中，加热器303被控制，以在整个再生配置中以吸附剂材料的2kW/kg的最大额定功率来施加热量，以使得吸附剂材料的温度在再生配置的操作期间升高。可以使用具有更大或更小的比功率的加热器。在一些示例中，加热器可以最初以高功率运行，以便使吸附剂床大到目标温度，并且然后在达到目标温度时功率可以被降低。可以使用所监控的操作温度(如上所述)提供反馈来控制加热器。
在这个示例中，在每个循环中的再生配置下的操作期间，吸附剂材料达到大约30℃的最大平均温度。类似地，再生气体在通过被直接加热的吸附剂床时被加热到大约30℃的最大排放温度(图2)，或者将热量传递到吸附剂床(图3)，使得再生气体以大约30℃的最大排放温度离开。在其他示例中，这些温度可以更高或更低。发明人认为，允许充分再生同时最小化能耗的合适的最大温度(例如，吸附剂床的最高平均温度，或在再生气体通过吸附剂床排放时该再生气体的最高平均温度)不超过75℃，例如不超过50℃、不超过40℃、或不超过30℃；并且不低于15℃，例如不低于20℃。控制器可以被配置成确保温度达到在这些极限的任何排列之间限定的范围内的值，并且同样地，本公开设想了温度位于在这些极限的任何排列之间限定的范围内的操作方法。
一旦控制器226确定满足CO2目标，控制器226则指令洗涤器设备300的控制器360返回到待机模式(框712)。如上所述，这种控制可以由洗涤器设备300本身的控制器360执行。
可以设想的是，在CO2减少模式下的操作时段在多个循环中延伸。例如，在CO2减少模式结束之前，洗涤器设备可以在CO2减少模式下操作持续至少5个循环、至少10个循环或至少20个循环。控制器360可以被配置成以预定的最小循环数(例如，至少5个循环、至少10个循环或至少 20个循环)在CO2减少模式下操作。因此，与操作再生洗涤器的常规模式不同，交替地在吸附配置和再生配置下操作洗涤器设备，同时持续寻求降低受控环境中的总的CO2水平。
如上所讨论那样，本公开中设想了其他操作模式。在上述示例的变型例中，洗涤器设备可以在待机模式下但是以实现每单位时间相对较低的 CO2去除速率并且任选地以较低的功耗的方式循环操作(即，在吸附配置和再生配置之间交替)。例如，可以调节洗涤器设备的操作参数，诸如(i) 增加循环比率(从而减少在加热器打开的情况下，在再生配置下所花费的时间的比例)；(ii)降低加热器功率，或使加热器停用；和/或(iii)降低鼓风机305的速度，或停用该鼓风机。
进一步，在一些示例中，洗涤器设备可以在循环操作模式下被连续操作，而不是以在CO2减少模式和待机模式之间进行操作的模式被连续操作。例如，可以通过调节一个或多个控制参数来控制洗涤器设备以实现可变的 CO2去除速率，所述控制参数例如选自由以下构成的组：
鼓风机的操作参数，例如，在吸附和/或再生期间提供给鼓风机的电力、或者在吸附和/或再生期间风扇的旋转速度；
循环比率；
循环频率；
加热器的操作参数，诸如加热器功率、或者如本文别处所述的目标操作温度。
响应于受控环境内的可变CO2水平的监控，可变的CO2去除速率可能被请求。例如，控制器(例如，制冷模块的控制器或洗涤器设备的控制器) 可以监控货物的呼吸速率，并相应地请求可变的CO2去除速率，或者可以根据用于控制受控环境中的CO2水平的任何合适的控制策略请求可变的CO2去除速率。
如上所述，为了降低功耗，洗涤器设备可以以高于用于所选择的循环频率的理论最佳循环比率(CO2去除速率)的循环比率被操作。然而，控制器可以被配置成在确定(例如，由控制器或相应安装件的另一控制器) 岸电(即，市电)而不是本地电源(诸如发电机或电池)可用时，从这种非最佳循环比率切换到相对较低的循环比率(例如，接近最佳循环比率或处于最佳循环比率)。

Claims (15)

1.一种操作活性炭洗涤器设备以从受控环境去除二氧化碳(CO2)的方法；
其中所述洗涤器设备被构造成在吸附配置与再生配置之间切换，
所述洗涤器设备被构造成在所述吸附配置下，从所述受控环境向吸附剂床提供富含CO2的气体，并将经处理的气体返回到所述受控环境，其中所述吸附剂床包括用于CO2吸附的活性炭；
所述洗涤器设备被构造成在所述再生配置下，从所述受控环境的外部向所述吸附剂床提供再生气体以解吸CO2并使所述活性炭再生，并将富含CO2的气体排放到所述受控环境的外部；
所述方法包括：
在多个循环中交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作所述洗涤器设备，每个循环都包括在所述吸附配置下的单个时段和在所述再生配置下的单个时段；
其中所述洗涤器设备以每小时4至30个循环之间的循环频率被操作；
控制加热器以在所述再生配置下加热所述吸附剂床。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述循环频率在每小时10至20个循环之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于每个循环来说，所述洗涤器设备以在1∶1与5∶1之间的循环比率操作，所述循环比率被定义为在所述吸附配置下的时段与在所述再生配置下的时段之间的比率；
任选地，其中所述循环比率在2∶1与4∶1之间。
4.根据任一前述权利要求的方法，其中，在每个循环期间，所述吸附剂床被加热到不超过75℃的最大平均温度，所述最大平均温度例如不超过50℃、不超过40℃、或不超过30℃；
任选地，其中所述最高平均温度不低于15℃，例如不低于20℃。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在每个循环期间，进行所述加热使得所排放的富含CO2的气体在被从所述吸附剂床排放时具有不超过75℃的最大温度，所述最大温度例如不超过50℃、不超过40℃、或不超过30℃；
任选地，其中在每个循环期间，进行所述加热使得所排放的富含CO2的气体在被从所述吸附剂床排放时具有不低于15℃、例如不低于20℃的最大温度。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述加热器被控制以在所述再生配置期间相对于所述吸附剂床中的吸附剂材料的重量以不超过5kW/kg的最大比热传导率将热量传递给所述吸附剂床，所述最大比热传导率例如不超过3kW/kg。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述洗涤器设备被操作以使得在所述再生配置下的操作期间通过所述吸附剂床的气体的体积流量高于在所述吸附配置下的操作期间通过所述吸附剂床的气体的体积流量；
任选地，其中在所述再生配置下的操作期间的所述体积流量比在所述吸附配置下的操作期间的所述体积流量大至少50％。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述洗涤器设备安装在受控气氛系统中，所述受控气氛系统例如是用于海运集装箱、拖车或卡车的运输制冷系统。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述受控气氛系统被操作以调节受控环境内的二氧化碳的水平；
其中所述调节包括确定将所述二氧化碳的水平降低到阈值或以下的要求；
其中响应于确定降低所述二氧化碳的水平的所述要求，所述洗涤器设备在CO2减少模式中被操作，以从所述受控环境去除二氧化碳，直到所述二氧化碳被减少到所述阈值或以下；以及
其中在所述CO2减少模式中的操作期间，所述洗涤器设备交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作。
10.一种用于从受控环境中去除二氧化碳的洗涤器设备，所述洗涤器设备包括：
吸附剂床，所述吸附剂床包括用于CO2吸附的活性炭；
气体交换机构，所述气体交换机构被构造成在吸附配置与再生配置之间切换，
在所述吸附配置下，所述吸附剂床与受控环境入口流体连通，以从受控环境接收富含CO2的气体以便进行吸附，并且在所述吸附配置下，所述吸附剂床与受控环境出口流体连通，以将经处理的气体返回到所述受控环境；
在所述再生配置下，所述吸附剂床与再生气体入口流体连通，以从所述受控环境的外部接收再生气体以便进行解吸，并且在所述再生配置下，所述吸附剂床与外部出口流体连通，以将富含CO2的气体排放到所述受控环境的外部；
加热器，所述加热器被构造成在所述再生配置下加热所述吸附剂床；
控制器，所述控制器被构造成使所述洗涤器设备在多个循环中交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作，每个循环都包括在所述吸附配置下的单个时段和所述再生配置下的单个时段；
其中所述控制器被构造成使所述洗涤器设备以每小时4至30个循环之间的循环频率操作，所述循环频率例如在每小时10至20个循环之间；
其中所述控制器被构造成控制所述加热器以在所述再生配置下加热所述吸附剂床。
11.一种洗涤器设备，包括用于引导气体通过吸附剂床的一个或多个鼓风机，其中所述控制器被构造成控制所述一个或多个鼓风机，以使得在再生配置下的操作期间通过所述吸附剂床的气体的体积流量高于在吸附配置下的操作期间通过所述吸附剂床的气体的体积流量；
任选地，其中在所述再生配置下的操作期间的所述体积流量比在所述吸附配置下的操作期间的所述体积流量大至少50％。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的洗涤器设备，其中，所述加热器相对于所述吸附剂床中的吸附剂材料的重量具有用于加热所述吸附剂床的不超过5kW/kg的最大比热传导率，所述最大比热传导率例如不超过3kW/kg。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的洗涤器设备，其中，所述控制器被构造成使所述洗涤器设备以在1∶1与5∶1之间的循环比率操作，所述循环比率被定义为在所述吸附配置下的时段与在所述再生配置下的时段之间的比率；
任选地，其中所述循环比率在2∶1与4∶1之间。
14.一种受控气氛系统，所述受控气氛系统例如是运输制冷系统，所述受控气氛系统包括根据权利要求10至13中任一项所述的洗涤器设备。
15.根据权利要求14所述的受控气氛系统，其中，所述受控气氛系统被构造成调节受控环境内的二氧化碳的水平，并且被配置成确定将所述二氧化碳的水平降低到阈值或以下的要求；
其中所述受控气氛系统被构造成响应于确定降低所述二氧化碳的水平的所述要求，在CO2减少模式下操作所述洗涤器设备；以及
其中所述洗涤器设备被构造成在所述CO2减少模式下的操作期间交替地在所述吸附配置和所述再生配置下操作。
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