CN114225629A - 一种用于密闭室内co2消减的固态胺吸收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于密闭室内CO2消减的固态胺吸收系统。所述密闭室内CO2消减的固态胺吸附系统包括：CO2监测器、风机、阀门、空气过滤器、固态胺组件、水蒸气发生装置、加热装置、冷却装置、隔膜真空泵、气体压缩机和CO2存储罐等。当系统监测到室内CO2达到一定浓度，就会自动开启CO2吸附功能。固态胺组件中的活性胺基与空气中的CO2发生化学吸附，从而实现消减室内CO2的目的。当系统监测到室内CO2降到一定浓度后，就会关闭CO2吸附功能，开启CO2脱附功能，对固态胺组件进行脱附再生。脱附产生的气体经冷却、分离，冷凝的水蒸气可循环使用，脱附的CO2经气体压缩机压缩储存于气罐中。本固态胺CO2吸附系统可以及时消减密闭室内的CO2，维护室内人员的生命安全。

Description

一种用于密闭室内CO2消减的固态胺吸收系统
技术领域
本发明涉及一种气体分离系统，具体地涉及一种能够消减密闭室内CO2的固态胺吸附系统。
背景技术
在密闭室内，由于作业人员呼吸代谢、材料氧化分解和机械设备运行等都会不断产生CO2，导致室内CO2浓度升高，当CO2超过一定浓度就会严重危害人体健康，甚至导致操作人员中毒死亡，因此，必须不断去除CO2，控制密闭室内的CO2浓度。近年来，国内外对密闭室内CO2消除技术进行了广泛的研究，目前为止主要的方法有：(1)金属化合物吸收法，这是一种比较成熟的CO2消除技术，采用碱性氢氧化物作为CO2吸收剂，曾被广泛应用于载人航天器。该技术的缺点是难以再生，只适用于短期密闭空间内CO2的消除。(2)醇胺溶液吸收法，该方法可以在110℃左右再生。美国、英国、俄罗斯等国的核潜艇均采用醇胺溶液作为CO2吸收剂。受醇胺溶液的性能限制，该项技术只能将密闭室内的CO2浓度控制在0.5％左右，想再进一步降低浓度难度很大，而且醇胺溶液具有一定挥发性会有泄露的危险。(3)分子筛吸收法，美国和俄罗斯空间站采用沸石分子筛作为吸附剂的四床分子筛系统来处理太空舱内的CO2，这种分子筛亲水性强，空气中水的竞争会降低其对CO2的吸附效率，通常会需要硅胶或者13X沸石分子筛作为吸附床前的干燥剂。
固态胺是一种新型的CO2吸附剂，因其吸附容量大、再生能耗低、操作简单、吸附不受环境湿度的影响等优点受到广泛的关注。因此，设计、制备高效的消减CO2的固态胺吸附系统是保障密闭室内人员、设备正常工作的关键。近年来，研究人员对固态胺吸附系统进行了广泛的研究。如CN204233937U中涉及一种板式固态胺吸附系统，其主要利用浸渍法将有机胺负载在加入扩孔剂的大孔容二氧化硅中，提高对CO2的吸附效率和有机胺的利用率，但是该固态胺中的活性胺基是通过物理浸渍负载到载体上去的，载体和胺类化合物之间作用力比较弱，在吸/脱附过程中容易流失，造成二次污染。CN106944004B中涉及到一种有机胺改性海泡石吸附CO2系统，其主要用于吸附烟道气中的CO2。CN207012765U中涉及到一种CO2吸附装置，其主要适用于火力发电站产生的烟气中CO2的吸附。上述专利并没有涉及到室内低浓度CO2消减的固态胺吸附系统。我们课题组开发了一种用于脱除密闭室内低浓度CO2的固态胺中空纤维，这种固态胺中空纤维上的活性胺基是通过化学接枝引入，在吸/脱附过程中不易流失。该项发明已申请国家发明专利(202011306504.8(公开号112337448 A))。这种固态胺中空纤维具有CO2吸附容量大、吸附速率快、脱附效率高等特点。在这个基础上我们进一步研究开发了一种能高效消减密闭室内CO2的固态胺吸附系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够快速、高效消减密闭室内CO2的固态胺吸附系统。为达到此发明目的，本发明采用了以下技术方案：
(1)采用固态胺中空纤维做CO2吸附组件。
固态胺是一种新型的CO2吸附剂，由固态胺做成的固定床吸附组件，在处理空气的时候会有空阻大、效率低的问题，影响组件的工作效率。在气体分离领域中空纤维具有比较好的传质、传热效果，因此，本发明采用固态胺中空纤维做为CO2吸附组件，可降低空阻，提高工作效率。
(2)采用水蒸气加真空的方法对固态胺中空纤维进行再生。
固态胺吸附组件的再生问题一直是限制固态胺作为CO2吸附剂广泛应用的主要原因。由于空气中含有约20.8％的氧气，固态胺上的活性胺基在加热的情况下容易被氧化，从而失去吸附CO2的活性。为了解决这个问题，本发明采用水蒸气加真空的方法来实现固态胺中空纤维组件的再生。减压的目的是降低水蒸气产生的温度，避免固态胺中的活性成分氧化，同时也是为了节约能源。水蒸气在提供能量的过程中也扮演了洗脱气体的角色，将脱附产生的CO2气体从中空纤维内带出来。
(3)采用集成化设计固态胺CO2吸附系统
在该系统里，CO2监测仪可以根据周围环境CO2的浓度来控制吸脱/附装置的开的关。通过CO2监测器设定CO2浓度控制区间，当监测器监测到周围CO2达到设定的最大浓度时，就会自动开启吸附功能。风机抽入含有CO2的空气，空气经过滤后，从固态胺吸附组件的一端进入，当含有CO2的空气进入吸附组件时，组件里的活性成分固态胺吸附剂就会对CO2进行快速吸附，不含CO2的空气从组件另一端流出，达到消减空气中CO2的目的。当CO2监测器监测到周围CO2浓度小于设定的最小浓度时，监测器就会关闭风机，同时启动水蒸气发生装置、固态胺吸附组件上的加热装置、隔膜真空泵对固态胺吸附剂进行脱附再生。水蒸气从固态胺组件一端进入，含水蒸气和CO2的混合气体从固态胺组件一端流出，然后进入冷却装置，水蒸汽经空气冷凝，回流到储液瓶中，CO2气体则进入空气压缩机，压缩存储。
本发明是一种消减密闭室内CO2的固态胺吸附系统，可以对室内的低浓度CO2进行快速消减，满足室内人员对空气的需求。
本发明的CO2固态胺吸附系统具有如下突出优点：
(1)该系统可以自动监测、控制密闭室内CO2浓度。
(2)该系统体积小、价格低、使用寿命长。
(3)该系统里固态胺组件性能稳定，在运行过程中没有二次污染。
(4)该系统内的固态胺组件是以中空纤维的形式存在的，处理空气的时候空阻小，传质、传热效率高。
(5)该系统采用的是水蒸气加真空的脱附再生模式，再生能耗低、速度快。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为一种用于消减室内CO2的固态胺吸附系统示意图，1、CO2监测器；2、风机；3、空气过滤器；4、固态胺组件；5、水蒸气发生装置；6、加热装置；7、真空泵、8、冷却装置；9、气体压缩机；10、CO2存储罐。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1在20立方米的密闭室内，安装含有5kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有1名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例2在20立方米的密闭室内，安装含有10kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有2名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例3在20立方米的密闭室内，安装含有15kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有3名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例4在20立方米的密闭室内，安装含有20kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有4名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例5在20立方米的密闭室内，安装含有25kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有5名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例6在30立方米的密闭室内，安装含有6kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有1名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例7在30立方米的密闭室内，安装含有12kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有2名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例8在30立方米的密闭室内，安装含有18kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有3名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例9在30立方米的密闭室内，安装含有24kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有4名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例10在30立方米的密闭室内，安装含有30kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有5名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例11在30立方米的密闭室内，安装含有30kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有6名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例12在30立方米的密闭室内，安装含有35kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有7名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例13在30立方米的密闭室内，安装含有40kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有8名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例14在30立方米的密闭室内，安装含有45kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有9名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例15在30立方米的密闭室内，安装含有50kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有10名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例16在30立方米的密闭室内，安装含有15kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为5000ppm，脱附浓度为500ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有5名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例17在30立方米的密闭室内，安装含有20kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为10000ppm，脱附浓度为1000ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有6名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例18在30立方米的密闭室内，安装含有25kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为10000ppm，脱附浓度为1000ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有7名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例19在30立方米的密闭室内，安装含有30kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为10000ppm，脱附浓度为1000ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有8名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。
实施例20在30立方米的密闭室内，安装含有35kg固态胺中空纤维的CO2吸收系统，设置CO2的吸附浓度为10000ppm，脱附浓度为1000ppm，设置脱附温度为60℃，当室内有9名工作人员的时候，该消减系统能维持室内CO2浓度在该区间内。

Claims (8)

1.一种用于消减密闭室内CO2的固态胺吸附系统，其特征在于，所述系统包括：CO2监测仪、CO2吸附装置、CO2脱附装置、CO2存储装置。当CO2监测仪监测到周围环境CO2浓度达到最大设定值时，监测仪就会启动CO2吸附装置，吸附空气中的CO2。当CO2监测仪监测到周围环境CO2浓度达到最小设定值时，监测仪就会关闭吸附装置，同时启动CO2脱附装置，脱附产生的气体经冷却、分离。冷凝的水蒸汽收集后可流入水蒸气发生装置循环使用；分离的CO2经气体压缩机压缩后储存于气罐中。
2.根据权利要求1所述的CO2监测仪，其特征在于，CO2监测仪(1)可设定CO2吸/脱附浓度，其吸附的浓度可设置在10000ppm-5000ppm之间，脱附浓度可设置在1000-500ppm之间。该检测仪可以根据设定的CO2吸/脱附浓度，控制CO2吸附装置和脱附装置开关，当周围环境CO2浓度达到设定的吸附值时启动吸附装置，消除空气中的CO2；当周围环境CO2浓度降低到脱附值时关闭吸附装置，启动脱附装置。
3.根据权利要求1所述的CO2吸附装置，其特征在于，包含风机(2)、空气过滤器(3)、固态胺中空纤维组件(4)。
4.根据权利要求1所述的CO2脱附装置，其特征在于，包含水蒸气发生装置(5)、固态胺组件外的加热装置(6)、气体冷却装置(7)、隔膜真空泵(8)。
5.根据权利要求1所述的CO2存储装置，其特征在于，包含空气压缩机(9)和CO2存储罐(10)。
6.根据权利要求3所述的固态胺组件，其特征在于，固态胺组件是由固态胺中空纤维组成。在吸附过程中，含有CO2的空气从固态胺中空纤维一端进入，空气中的CO2通过与固态胺中空纤维内壁上的活性胺基反应，从而实现消除CO2的目的，消除CO2的空气从中空纤维另一端流出。
7.根据权利要求4所述的CO2脱附装置，其特征在于，在隔膜真空泵、水蒸气、固态胺组件外的加热装置的共同做下可以使固态胺组件脱附再生。水蒸气发生装置的温度在50-100℃之间可调，固态胺组件外的加热装置可以防止水蒸气液化、堵塞固态胺中空纤维，其温度根据水蒸气发生装置温度调节。
8.根据权利要求4所述的CO2脱附装置，其特征在于，水蒸气从固态胺组件一端进入，从另一端流出，带出脱附的CO2气体。流出的气体经冷却装置冷却，冷凝的水可以重新流回水蒸气发生装置，循环利用，CO2气体则可以经气体压缩机压缩存于CO2罐中。
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