潜艇舱室中CO2的清除系统及方法

摘要

本发明公开一种潜艇舱室中CO2的清除系统及方法，属空气处理领域。该系统包括：吸收装置、引风装置、吸收剂再生处理接入管；其中，吸收装置内设有碱金属基固体吸收剂，吸收装置上设有进气管、出气管；吸收装置的进气管与引风装置连接；所述吸收剂再生处理接入管与吸收装置连接。该系统通过设有可再生碱金属基固体吸收剂的吸收装置与引风装置配合，可有效清除潜艇舱室内空气中的CO2；且通过设置吸收剂再生处理接入管，方便连接外部的再生处理碱金属基固体吸收剂的装置，可实现对失活吸收剂进行方便的再生处理，从而循环使用吸收剂，保证了清除CO2与再生吸收剂交替循环进行，在无须经常更换吸收剂的情况下，满足清除潜艇舱室空气中CO2的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及CO₂清除领域，尤其涉及一种潜艇舱室中CO₂的清除系统及方法。

背景技术

从潜艇舱室中清除CO₂(二氧化碳)是安全技术与工程领域一个极为重要的研究课题。 因为环境大气中CO₂的含量对人类生存影响很大。自然界大气中CO₂的含量只有0.03％左右， 当CO₂含量达到0.1％时，人就会感到不适；含量达到1％时，人会感到头昏，思维迟钝；含 量达到3％时，人的中枢神经机能降低；含量达到5％时，人的正常呼吸很难维持，会发生 生命危险。潜艇下潜后，潜艇舱室会成为一个独立的密闭环境。舱室的空间有限，船员的 新陈代谢和设备运行会不断地产生CO₂，如不及时清除，舱室中的CO₂浓度会急剧增加，很 快就会达到不适合人类生存的程度，船员的健康和安全就会受到威胁。因此，连续不断的 清除所产生的CO₂，使其维持在较低的含量水平是潜艇舱室生命保障系统最重要的任务之

潜艇从诞生至今，各国的研究人员对适合潜艇舱室的CO₂净化技术进行了广泛的研究。 这些技术从原理上可以分为以下3类：

(1)化学吸收法：如使用碱石灰、超氧化物、LiOH、一乙醇胺和固态胺等清除CO₂的 方法。

(2)物理净化法：如通气管换气、膜分离和分子筛吸附等方法。

(3)生物净化法：如使用藻类、其他绿色植物等方法。

鉴于物理净化法和生物净化法存在诸多问题，化学吸收法是目前各国进行潜艇舱室CO₂清除的主流方法。它的原理是利用某些化学物质把CO₂从混合气体中直接吸收出来，从而净 化舱室空气。这些化学物质可分为非再生型和可再生型2种。碱金属和碱土金属氢氧化物 (如碱石灰和LiOH等)、碱金属超氧化物(如K₂O₂和Na₂O₂等)是非再生型清除剂，金属氧化 物(如MgO和AgO等)、液态胺和固态胺是可再生型清除剂。

常规潜艇中清除CO₂的装置主要使用非再生型清除剂。其中K₂O₂、碱石灰和LiOH是使用 最广泛的CO₂固体吸收剂。

超氧化物是一种很活泼的氧化剂，它在吸收CO₂的同时会释放出O₂，因此得到各国研究 者的青睐。法国最早的潜艇采用超氧化物清除CO₂，但由于其质量差，曾引起多次爆炸，于 1917年停止使用。东欧和前苏联等国家的常规潜艇使用超氧化物清除CO₂，直至目前为止， 俄罗斯的常规潜艇仍采用超氧化物，并且在核潜艇上作为应急空气再生装置。我国海军常 规潜艇多年来也一直使用该方法。由于超氧化物在高湿的海洋环境中，吸湿后发生膨胀和 糊状现象，导致有效比表面减少，利用效率降低。超氧化物具有强氧化性，存储要求高， 包装破损遇水剧烈反应易爆炸，使用过程中粉末飘散到空气中会给潜艇大气带来二次污 染。

碱石灰由于毒性小、使用方便、价格便宜等优点，曾广泛应用于常规潜艇。但由于CO₂吸收过程易受温度和湿度的影响，碱石灰吸收CO₂的速度慢、吸收容量小，许多国家纷纷改 用LiOH。目前只有法国在常规潜艇应用该技术。

LiOH是目前已知的固体CO₂吸收剂中吸收速率快、吸收量最大的材料，因此在国内外 海军潜艇上被广泛使用。日本和德国的潜艇主要采用该技术，美国核潜艇则将LiOH作为清 除CO₂的应急措施。该技术的缺点在于：LiOH价格昂贵、成本高，同时其生成物稳定，不利 于二次回收利用。

由于非再生型清除剂只能单次使用，受吸收剂总量、潜航时间和产生CO₂量的限制很 大。因此，开发可再生型清除剂，使吸收剂在潜艇潜航时可以连续不断循环清除舱室中CO₂具有至关重要的意义。

早在上世纪七十年代，金属氧化物作为CO₂吸收剂就已经受到重视，美国研制出AgO作 为主材料的吸收剂，然而由于吸收效率太低，未获得广泛应用。

目前获得广泛应用的是一乙醇胺清除CO₂技术，美、俄、英、日等国的现役核潜艇均 采用该技术。但是MEA装置体积大、能耗大；MEA易分解、挥发；设备腐蚀严重；还会向舱 室泄露一乙醇胺，造成舱室二次污染。受MEA性能的限制，该技术只能将舱室空气中CO₂含 量控制在0.5％的水平，进一步提高难度很大。

目前现有的潜艇舱室CO₂清除技术均存在缺陷，而如何解决既能有效清除潜艇舱室空 气中的CO₂，又能重复利用吸收装置中的吸收剂是急需解决的问题。

发明内容

本发明实施方式提供一种潜艇舱室中CO₂的清除系统及方法，可以解决目前的清除方法 在潜艇舱室的特定环境中清除CO₂效果不好且无法对吸收剂进行再生处理的问题，其能耗低、 性能稳定、清除效果好且便于再生处理吸收剂。

为解决上述问题本发明提供的技术方案如下：

本发明实施方式提供一种潜艇舱室中CO₂的清除系统，包括：

吸收装置、引风装置和吸收剂再生处理接入管；其中，

所述吸收装置内设有碱金属基固体吸收剂，吸收装置上设有进气管、出气管；

所述吸收装置的进气管与所述引风装置连接；

所述吸收剂再生处理接入管与吸收装置连接。

本发明实施方式提供一种潜艇舱室中CO₂的清除方法，包括：

A、将潜艇舱室内的待清除CO₂的空气引入填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装置 内进行反应，将CO₂吸附于所述碱金属基固体吸收剂，反应后将CO₂含量达标的空气从吸收 装置排出至所述潜艇舱室内；

B、当吸收装置内的碱金属基固体吸收剂失去活性后，停止向填充有所述碱金属基固 体吸收剂的吸收装置内引入待清除CO₂的空气，向填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装 置内引入水蒸气，通过水蒸气与碱金属基固体吸收剂反应恢复所述活性碱金属基固体吸收 剂的活性，待碱金属基固体吸收剂恢复活性后，停止通入水蒸气，冷却后重复进行步骤A。

由上述提供的技术方案可以看出，本发明实施方式提供的系统，通过设有可再生碱金 属基固体吸收剂的吸收装置与引风装置配合，可有效清除潜艇舱室内空气中的CO₂；并且通 过设置吸收剂再生处理接入管，方便连接外部的再生处理碱金属基固体吸收剂失活的装 置，可实现在吸收剂失活后方便进行再生恢复其活性处理，实现吸收剂循环使用，保证了 可实现清除CO₂与再生吸收剂交替循环进行，在无须经常更换吸收剂的情况下，很好的满足 清除潜艇舱室空气中CO₂的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附 图。

图1为本发明实施例一提供的清除系统的示意图；

图2为本发明实施例一提供的清除系统的另一示意图；

图3为本发明实施例一提供的清除系统的又一示意图；

图4为本发明实施例二提供的清除系统的另一示意图；

图5为本发明实施例二提供的清除系统的示意图；

图6为本发明实施例三提供的清除系统的另一示意图；

图7为本发明实施例四提供的清除系统的示意图；

图8为本发明实施例五提供的清除方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的 实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域 普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保 护范围。

实施例一

本发明实施方式提供一种潜艇舱室中CO₂的清除系统，可用在潜艇中，对潜艇舱室内空 气中的CO₂有效清除，如图1所示，包括：吸收装置1、引风装置2和吸收剂再生处理接入管3；

其中，吸收装置1内设有碱金属基固体吸收剂13，吸收装置1上设有进气管11、出气管 12；

吸收装置1的进气管11与引风装置2连接；

吸收剂再生处理接入管3与吸收装置1连接。

上述系统的吸收装置1可以是具有内腔的反应床或其它形式的容器结构，吸收装置1 内的碱金属基固体吸收剂13可采用以碳酸钠或碳酸钾为活性组分，活性炭为载体制成的 碱金属基固体吸收剂，如碱金属碳酸盐。

如图2、3所示，上述系统的吸收装置上还可以设置排废气管，有以下几种方式：

(1)在吸收装置1上直接设置排废气管14，可在排废气管14及出气管12上分别设 置控制阀，这样当通入蒸气对吸收装置内的吸收剂再生时，产生的废气可通过排废气管排 出，如可通过排废气管将产生的废气回送至蒸气供给装置或提供蒸气的蒸气系统，或排出 潜艇舱室外。

(2)将吸收装置1的出气管12设置为两条支路121、14，一条支路121作为出气管， 另一条支路14作为排废气管；还设置一出气切换控制阀30，将出气管12的两条支路通过 出气切换控制阀30连接。在出气切换控制阀控制下，当吸收装置处于吸收或再生的不同 状态时，切换至不同支路导通，从而方便控制向舱室内排入清除CO₂后的气体，或者向舱室 外排出再生吸收剂产生的废气。

上述系统吸收剂再生处理接入管3可设置在吸收装置1本体上，与吸收装置1内部连 通；

上述系统还可以包括：第一控制阀4和第二控制阀5，第一控制阀4设置在进气管11 上，第二控制阀5设置在吸收剂再生处理接入管3上。通过第一控制阀4和第二控制阀5 可分别控制该系统的工作状态，如第一控制阀4打开且关闭第二控制阀5，则可以将潜艇 舱室中的空气由引风装置2引入到吸收装置1，通过吸收装置1内的碱金属基固体吸收剂 吸附13引入空气中的CO₂达到清除CO₂的目的；而打开第二控制阀5且关闭第一控制阀4， 则可以通过吸收剂再生处理接入管3对吸收装置1内失去活性的碱金属基固体吸收剂13 进行再生，恢复其活性。如可以由吸收剂再生处理接入管对吸收装置向吸收装置内引入 100～200℃的蒸气(可以单独设置的蒸气供给装置供应蒸气，也可以利用潜艇工作时产生 的蒸气)，通过蒸气接触法恢复碱金属基固体吸收剂的活性。也可以通过吸收剂再生处理 接入管将吸收装置内的碱金属基固体吸收剂传输出来进入再生装置进行再生，同时向吸收 装置内传输再生后恢复活性的碱金属基固体吸收剂，进行CO₂的清除。

在上述系统基础上，还可以设置蒸气供给装置6(见图2)，蒸气供给装置6经吸收剂 再生处理接入管3与吸收装置1连接，为吸收装置1提供恢复其内碱金属基固体吸收剂活 性13的蒸气。

本实施例的系统，由于设置吸收剂再生处理接入管，可在吸收装置与引风装置配合清 除CO₂的同时，再生恢复失活的吸收剂的活性，避免了目前的清除装置需要经常更换吸收装 置内吸收剂，存在的操作繁琐，不便于在潜艇舱室中使用的问题。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种艇舱室中CO₂的清除系统，与实施例一给出的清除系统 结构基本相同，不同的是该系统还设置切换控制阀7，设在吸收装置1的进气管11上，而 吸收剂再生处理接入管3经切换控制阀7、进气管11与吸收装置1连接。这种结构的系统， 通过切换控制阀7可以方便的切换整个系统的清除CO₂或吸收剂再生的处理状态，而不用分 别控制第一、二控制阀4、5来切换清除CO₂或吸收剂再生的处理状态。其结构更简单，操 作更方便。

并且在上述系统的基础上，还可以设置蒸气供给装置6(见图4)，蒸气供给装置6经 吸收剂再生处理接入管3与吸收装置1连接，为吸收装置1提供恢复其内碱金属基固体吸 收剂活性的蒸气。

实施例三

如图5所示，本实施例提供一种艇舱室中CO₂的清除系统，与实施例二给出的清除系统 结构基本相同，不同的是，该系统还包括：第二吸收装置8和第二切换控制阀9；

其中，第二吸收装置8上设有进气管81和出气管82，第二吸收装置内设有碱金属基 固体吸收剂83；

第二吸收装置8的进气管81经第二切换式控制阀9分别与引风装置1和吸收剂再生 处理接入管3连接。

上述系统的第二吸收装置上也可以设置排废气管，有以下几种方式：

(1)在第二吸收装置8本体上直接设置排废气管，可在排废气管及出气管上分别设 置控制阀，这样当通入蒸气对第二吸收装置内的吸收剂再生时，产生的废气可通过排废气 管排出，如可通过排废气管将产生的废气回送至蒸气供给装置或提供蒸气的蒸气系统，或 排出潜艇舱室外。

(2)将第二吸收装置8的出气管82设置为两条支路，一条支路821作为出气管， 另一条支路84作为排废气管；还设置一个第二出气切换控制阀40，将出气管82的两条支 路通过第二出气切换控制阀40连接。在第二出气切换控制阀40控制下，当第二吸收装置 处于吸收或再生的不同状态时，切换至出气管82的不同支路导通，从而方便控制向舱室 内排入清除CO₂后的气体，或向舱室外排出再生吸收剂产生的废气。

这种结构的系统，通过两个吸收装置1、8经第一、二切换控制阀7、9与引风装置2 和蒸气供给装置6配合，形成可交替于不同工作状态的两套并联吸收装置。一套处于吸收 清除CO₂时，则另一套可以再生恢复其内碱金属基固体吸收剂活性。

下面结合具体处理过程，对本实施例的系统作进一步说明：

在潜艇中设置本实施例的清除系统，清除系统包括两个吸收装置1、8(各吸收装置均 可以采用小型固定床反应装置)，两个吸收装置1、8均填充颗粒式的碱金属基固体吸收剂； 每个吸收装置的进气管路均分为两个支路，一支路接作为引风装置的引风机送入的潜艇舱 室中的富含CO₂的空气，另一支路(相当于吸收剂再生处理接入管3)接引自蒸汽系统的水 蒸气(也可以接单独设置的蒸气供给装置)，通过切换控制阀7和第二切换控制阀8的切 换控制；首先向吸收装置1中通入舱室空气，其内的碱金属基固体吸收剂13通过化学反 应将CO₂固定在吸收剂内，反应后气体经检测CO₂浓度达标后与新鲜的O₂混合，返回舱室供 人员呼吸；当吸收装置1排出气体CO₂浓度超标，通过切换控制阀7和第二切换控制阀9的 切换控制，将舱室气体通入第二吸收装置8，继续进行CO₂清除；将200℃左右的水蒸气通 入吸收装置1，与其内的吸收剂接触换热，使吸收剂恢复活性；吸收装置1排出的气体一 部分返回蒸汽系统，另一部分直接排出艇外；如此交替进行，维持舱室内CO₂浓度一直在很 低的水平，保证人员身体健康。

实施例四

如图6所示，本实施例提供一种艇舱室中CO₂的清除系统，与实施例一给出的清除系统 结构基本相同，不同的是，该系统还包括：再生装置10和蒸气供给装置6；

其中，再生装置10内部为放置金属基固体吸收剂进行再生反应的容置空腔103和排 出气体的排气口102，再生装置10上设有与其内空腔连通的吸收剂传输接口104和蒸气接 入管101；

再生装置10的吸收剂传输接口104经吸收剂再生处理接入管3与吸收装置1连通；

蒸气供给装置6，经再生装置10的蒸气接入管101与再生装置10内连通。

下面结合具体处理过程，对本实施例的系统作进一步说明：

在潜艇中设置本实施例的清除系统，其中的吸收装置1与再生装置10均可采用小型 流化床反应装置，吸收装置1与再生装置10内均填充颗粒式碱金属基固体吸收剂；吸收 装置1与再生装置10之间通过吸收剂再生处理接入管3进行其内吸收剂的相互输送，吸 收装置1引入作为引风装置2的引风机送入的潜艇舱室中的富含CO₂的空气，再生装置10 接引自蒸汽系统的水蒸气，向吸收装置1中通入舱室空气，吸收剂通过化学反应将CO₂固定 在吸收剂内，反应后气体经检测CO₂浓度达标后与新鲜的O₂混合，返回舱室供人员呼吸；反 应后吸收剂送入再生装置10，与通入的200℃左右的水蒸气接触换热，使吸收剂恢复活性， 回复活性的吸收剂重新送入吸收装置1进行连续脱除CO₂；再生装置10排出的气体一部分 返回蒸汽系统，另一部分直接排出艇外；如此连续进行，维持舱室内CO₂浓度一直在很低的 水平，保证人员身体健康。

进一步的，在上述系统基础上，还可在吸收剂再生处理接入管上设有吸收剂传输装置 10，以方便在吸收装置与再生装置之间传输吸收剂。为实现同时双向传输，吸收剂再生处 理接入管也可以采用其内设有双通道的管路。

进一步的，在上述系统基础上，还可以设置第一控制阀和第二控制阀；第一控制阀设 置在所述吸收装置的进气管上；第二控制阀设置在所述再生装置连接蒸气供给装置的蒸气 接入管。从而方便对引风装置与蒸气供给装置进行控制。

实施例五

如图7所示，本实施例提供一种潜艇舱室中CO₂的清除方法，是一种利用上述各实施例 给出的清除系统在潜艇舱室中清除CO₂的方法，该方法包括以下步骤：

A、将潜艇舱室内的待清除CO₂的空气引入填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装置 内进行反应，将CO₂吸附于所述碱金属基固体吸收剂，反应后将CO₂含量达标的空气从吸收 装置排出至所述潜艇舱室内；

B、当吸收装置内的碱金属基固体吸收剂失去活性后，停止向填充有所述碱金属基固 体吸收剂的吸收装置内引入待清除CO₂的空气，向填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装 置内引入水蒸气，通过水蒸气与碱金属基固体吸收剂反应恢复所述活性碱金属基固体吸收 剂的活性，停止通入水蒸气，冷却后待碱金属基固体吸收剂恢复活性后重复进行步骤A。

上述步骤A中，可先将清除CO₂后CO₂含量达标的空气与外部提供的氧气混合后，再排出 至所述潜艇舱室内。

上述方法中，将潜艇舱室内的待清除CO₂的空气引入填充有所述碱金属基固体吸收剂的 吸收装置内进行反应包括：

将潜艇舱室内的待清除CO₂的空气引入填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装置内 在室温至60℃温度下进行反应。

上述方法中，向填充有所述碱金属基固体吸收剂的吸收装置内引入水蒸气的温度为： 引入水蒸气的温度为100～200℃。

上述方法中，碱金属基固体吸收剂采用以碳酸钠或碳酸钾为活性组分，活性炭为载体 制成的碱金属基固体吸收剂。

本发明实施例的系统及方法中，采用的碱金属基固体吸收剂(如碱金属碳酸盐)是可 再生吸收剂，可连续不断循环脱除舱室内CO₂，克服了目前常规潜艇应用的非再生型清除剂 只能单次使用的限制；吸收剂结构稳定、CO₂吸收容量大、碳酸化反应速度快、吸收剂再生 能耗低，解决了目前广泛应用的MEA法装置体积大、能耗大、MEA易分解、设备腐蚀严重、 舱室二次污染等问题。

吸收剂进行脱碳反应的温度范围大，在室温至70℃范围内的任意温度下都可以迅速高 效的与CO₂进行反应。因此，在潜艇舱室环境中的适应性很强。

在高湿的海洋环境中，潜艇舱室大气中的H₂O对其他CO₂清除剂会造成不利影响。与之 相反，H₂O的存在却能改善碱金属基吸收剂的碳酸化反应性能。因此，本发明极具应用性。

利用水蒸气接触换热提供吸收剂再生需要的能量，既可以节省另加热源的成本和其他 不必要能耗，水蒸气又可以与吸收剂反应，提高其脱碳的反应活性，一举两得。

潜艇舱室的空气组成非常复杂。30多年来，在我国各型潜艇舱室空气中共定性检测出 608种有机物、19种无机气体、金属气溶胶内检测出24种金属元素。由于活性炭具有极 好的吸附性能，本发明实施例的吸收剂可同时清除多种有毒有害气体。

申请人研究得出，碱金属固体吸收剂在室温至60℃之间的低温条件下，与低浓度的CO₂(0.5％～2％)和H₂O(1％～4％)反应活性很高。将碱金属基固体吸收剂应用于潜艇舱室的CO₂清除，可有效解决现有各技术存在的问题。诸如：碱金属碳酸盐是可再生吸收剂，可连续 不断循环脱除舱室内CO₂，克服了目前常规潜艇应用的非再生型清除剂只能单次使用的限 制；吸收剂结构稳定、CO₂吸收容量大、碳酸化反应速度快、吸收剂再生能耗低，解决了目 前广泛应用的MEA法装置体积大、能耗大、MEA易分解、设备腐蚀严重、舱室二次污染等问 题；还有效克服了固态胺清除CO₂存在的动力学性能较差、再生过程能耗大、吸收剂易氧化 分解失效等问题。

综上所述，本发明实施例的系统，可以实现采用碳酸钠或碳酸钾作为活性组分，活性 炭作为载体制备成的固体吸收剂进行脱碳，CO₂吸收装置内的反应温度为室温至60℃之间的 任意温度，吸收剂与引自潜艇密闭舱室的富含CO₂的空气进行接触，从而迅速清除CO₂。脱 碳后气体补充新鲜的O₂后，返回舱室供人员呼吸。反应后吸收剂可在再生装置内通过水蒸 气接触再生法使吸收剂恢复活性，循环利用。再生反应的温度为100～200℃，再生产生的 CO₂和H₂O混合气体排出艇外。该方法性能稳定，不易失活，多次循环使用后仍可保持很高 的脱碳反应速率和反应转化率。采用该方法可以使潜艇舱室中CO₂一直维持在很低的浓度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围 为准。