用于乡村公共卫生安全的多功能气调机

吴开龙 邓 帅 陈 冰 赵睿恺 赵 力 李双俊

(天津大学 中低温热能高效利用教育部重点实验室 天津 300072)

2020年伊始，新冠病毒COVID-2019席卷全球，公共卫生安全已成为影响人类命运共同体福祉的全球化挑战。疫情肆虐暴露了现代城市公共安全卫生体系仍存在诸多不足，基于文献调研可以看出学界对公共安全的既有研究仍多集中于人口众多的城市[1-2]和灾难频发的地区[3-4]等，涉及乡村公共卫生安全的研究较少。而现有的公共安全体系和技术，特别是防疫方面[5]，并不能较好的适用于乡村。对SARS、H1N1等病毒的爆发案例进行回溯可知，乡村这类基础设施不强、规模化养殖集中、公共安全意识弱等地区所面临的伤害是非常严重的。因此，迫切需要重新审视乡村地区公共卫生安全的特殊性，针对其防疫系统的脆弱性和防疫场景的多样化展开针对性的技术攻关，将突发疫情时高成本的“堵”治向日常防治、疏导和维护过渡。

首先，防疫目前已成为乡村公共卫生安全的重要考量，各类病毒中间宿主对规模化养殖的伤害将对乡村脱贫攻坚及小康化产生毁灭影响，因此，乡村公共卫生安全需要将病毒列为应对对象。然而，不同于工厂、办公建筑可集中对通风、空调系统进行定期且彻底的消毒，乡村产品主要面向食品的农产品，其日常维防工作不能过分依赖化学消杀，需转向绿色消毒技术。

其次，流动性钳制被认为是阻挡病毒传播的有效举措。COVID-19因具有较强的“人传人”特征，因此其爆发大大降低了人类社会的流动性。随着疫情的进一步扩散，出现了部分“物传人”的现象，水产摊位、航空集装箱、冷链设施均有病毒被检测出的报道，同时，车厘子及雪糕表面被检测出阳性的情况进一步说明病毒传播的复杂性。因此，乡村农产品的绿色消杀解决方案凸显重要性。CO2是农作物实现高效光合作用的必备元素，提高其在大棚空气中的浓度能够增强光合作用[6]，适宜作物生长的CO2体积浓度一般应处于0.1%)水平。目前CO2施肥技术较多采用大棚内生物发酵的方法，如使用作物残渣和动物粪便堆肥(CRAM)[7]来实现大棚中CO2的增量。C.O.Asadu等[8-9]分别考察了农业有机废弃物发酵CO2施肥对玉米和生菜产量及品质的影响。但上述方法需要废弃物或粪便的堆积，容易产生细菌滋生等卫生问题，与当前卫生防疫形势相悖。虫害不仅涉及公共卫生，也涉及农产品储存和保值问题。作为生物载体，虫鼠规模化是公共卫生安全是否达标的直接宏观指标，在粮仓、农舍等场景下，对其进行集中灭除是极其必要的日常措施。因此，迫切需要从防疫、增产和储粮等方面寻找绿色环保无公害的技术措施。乡村公共卫生安全需求如图1所示。

图1 乡村公共卫生安全需求Fig.1 The requirements of public anti-epidemic and health in rural region

再次，对于防疫消毒方面，二氧化氯(ClO2)固释是一种可行的绿色消毒及抑制技术。ClO2已在2003年SARS爆发期间被证实对病毒灭活效果较好[10]，有研究和案例认可其制取为0.05%的喷雾，通过气溶胶形式进入传播途径起效。此外，使用气体ClO2灭菌已在禽流感[11]和埃博拉[12]疫情应对中被证实有效。现有研究分别对硅胶吸附剂[13]、沸石吸附剂[14]和分子筛吸附剂[15]固载ClO2的研究进展进行了针对性研究，部分实验结果显示通过表面改性方法可以有效实现ClO2的固释。这种将消毒杀菌功能引入吸附剂特性，利用“吸附-解吸”实现气体调节的技术，目前通过前期实验研究已有明确的吸附剂特性表征数据和ClO2活化及释放动力学数据支撑。

此外，针对粮食储存和增产的问题，已有部分研究采用物理吸附的方法对CO2进行富集并直供大棚，这避免了制取环节中的粪便堆肥和菌虫滋生等卫生问题，具有一定的应用潜力。Wang Tao等[16]对从空气中捕集CO2并用于气态施肥这一技术的能耗和经济性进行了探讨，Li Bingyun等[17]报道了CO2捕获技术的创新专利，M.K.Mondal等[18]对现有和新兴的CO2捕集技术进行了文献综述，G.Ounoughene等[19]研究了暴露于环境空气中的乙醇/氧化钙混合物的碳捕获性能，同时以二胺功能化硅胶为例，对其在干湿空气中捕集碳进行了实验分析。Song Juzheng等[20]揭示了树脂类吸附剂通过变湿吸附吸附空气的特性，初步论证了技术的合理性。在乡村建筑，特别是粮储建筑内应用气体调节技术，进行减菌杀虫已被证实是一种行之有效的技术举措，其技术原理主要是低氧防治，现已证明氧体积浓度在4%以下就可达到杀虫的效果。L.Moncini等[21]研究了采用分子筛吸附制氮系统，实现体积浓度98.5%的氮气制取并用于谷仓杀虫的实验研究，证明氧气体积浓度在2%以下时杀虫效果较好。余吉庆等[22]进行了采用膜式分离制氮机制取体积浓度99.5%氮气对昆明某谷仓进行氮气气调的实验，同时探讨了低能耗目标下最优供氮浓度的可行性。除粮食作物外，氮气气调作为一种绿色环保的物理杀虫方式，在蔬果[23]和豆类[24]等乡村作物杀虫需求中被证实有效。

然而，上述研究较多针对单体技术，功能较为单一，缺少多功能设备来满足平疫结合的需求，恰恰是“平疫结合”才能在全生命周期内降低公共卫生安全专用设备的成本，提升公共投入的使用率。因此，针对乡村公共卫生安全需求和适用场景，基于气固吸附和固载ClO2技术，开发一种兼具灭菌、驱虫和富碳施肥的新型气调机是十分必要的。本文的主要目的是利用仿真计算来研究操作条件改变时，气调机的性能参数能否满足现实中各场景的需求。气调机的分离性能根据获得的CO2和N2纯度、回收率和生产率来衡量，系统能效指标通过比能耗、最小分离功和第二定律效率来衡量。由于固载ClO2的释放和消杀效果以见诸既有文献，李忠铭等[25]报道固载ClO2的释放周期可达10 d以上，平均质量浓度约在6 mg/m3，当ClO2的质量浓度为0.31～0.36 mg/m3，仅需1 h，大肠杆菌的杀菌率就可达到99.55%；当ClO2质量浓度为1.64～1.78 mg/m3时，霉菌可在2 h内达到100%的杀菌率，初步验证了固释ClO2的可行性。具体而言，首先对吸附剂的吸附性能进行测试，获得其吸附等温线；然后，对系统整体循环的各步骤进行建模描述，并利用仿真软件进行计算；最后，根据提出的性能指标对气调机系统进行分析评估，验证技术的可行性和合理性。

1 模型与方法

本文研究的新型气调机系统可同时富集CO2和N2，因此该系统包含碳捕集循环和制氮循环。碳捕集循环采用变电吸附(electric swing adsorption，ESA)对CO2进行富集，制氮循环采用变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)对空气中的N2进行富集，两种循环相对独立但又存在联系。同时，对吸附剂进行改性设计，将稳态ClO2溶液和释放剂吸附在吸附剂上制成胶体、片剂、膏体、粉末等各种形状的吸附性固体ClO2[26]，利用释放出的ClO2气体对周围空气进行杀菌清洁。由于ClO2固释技术在现有研究中已有较为详细的介绍并已证明有效，本文不再赘述，而集中于系统性能分析层面。

1.1 吸附剂选取

1.1.1 碳捕集循环的吸附剂材料和吸附平衡等温线

该部分采用的吸附剂为沸石13X-APG。与普通13X分子筛不同，13X-APG对CO2的吸附能力更强。新材料需在623 K烘箱中烘干，除去其中的水和其他杂质，测量吸附等温线[27]。沸石13X-APG的主要性质如表1所示。

表1 沸石13X-APG主要性质参数Tab.1 Main property parameters of zeolite 13X-APG

1.1.2 制氮循环的吸附剂材料和吸附平衡等温线

变压吸附制氮常用于工业领域，在本研究中该循环采用碳分子筛作为吸附剂。碳分子筛变压吸附制氮是靠范德华力来分离氧气和氮气的，因此，分子筛的比表面积越大，孔径分布越均匀，并且微孔或亚微孔数量越多，吸附量越大，制氮效率越高。碳分子筛的主要性质如表2所示。

表2 碳分子筛的主要性质参数Tab.2 Main property parameters of carbon molecular sieve

1.2 二氧化氯固释技术

现有研究表明ClO2在空气中的含量低于3 mg/L时对人体是没有危害的，低浓度的ClO2气体在空气中不仅能有效杀死微生物细菌，保护人体免受细菌和其他微生物的侵害，免受传染病的感染，而且它还是一种公认的环境友好物质。部分实验结果显示通过表面改性方法可以有效实现ClO2的固释。本研究中采用吸附型固载ClO2，以所选吸附剂作为载体，将稳态ClO2溶液和释放剂直接喷洒在吸附剂上，混合成型后即可制成吸附型颗粒状固载ClO2。通过该技术，可以将流经吸附腔的气体进行杀菌消毒，同时，释放出来的ClO2气体将随着吸附腔出口的排气均匀地喷洒出来，在疫情严峻的当下，该技术在切断病毒传播途径的方面起到了至关重要的作用。

根据文献[26]的研究结果，固载ClO2的释放周期可达10 d以上，在第2 d左右空间质量浓度达到最大值12.87 mg/m3，之后浓度随时间的延长不断下降。而杀菌率与浓度之间并没有保持一致，最大杀菌率在浓度峰值之后出现，最大杀菌率可达100%。因此，固释ClO2具有良好的杀菌效果，但在使用时需提前放置。

1.3 系统过程描述

气调系统的原理如图2所示，设计了一种碳捕集与制氮循环结合的新型气调机系统。碳捕集和制氮循环各有两个吸附腔，两个吸附腔之间交替运行，实现循环工作。同时两种循环既能单独运行，又能彼此联系，实现系统的串联运行。系统相应的循环顺序如表3所示。该系统的计算模型基于快捷模型的质量和能量守恒[28]。对于本文所有的研究案例，进行如下假设：

1)将气相视为理想气体；

2)忽略传质阻力；

3)忽略轴向混合，径向梯度和热扩散；

4)忽略吸附相的压降和热容量；

5)忽略吸附腔壁面热容量的动态影响；

6)传热系数为定值。

设计了吸附、通电、带电吹扫、冷却4步ESA碳捕集循环和加压、吸附、抽真空、吹扫4步PSA制氮循环。各循环的每个步骤的详细工作解释如下：

碳捕集循环原理如图3所示。

C1～C4吸附腔；MT机械式混合腔；D1～D3 CO2烟气仪；OD1～OD2氧气浓度检测仪；VP真空泵；PM真空泵功率表；Filter泵油过滤器；E压缩机；FI1～FI4流量计；P1～P4压力表；RV1～RV2调压阀；TV三通换向阀；V1～V17电 磁阀；ZN1～ZN4止逆阀。图2 气调机系统原理Fig.2 Principle of the gas conditioner system

图3 碳捕集循环原理Fig.3 Principle of the carbon capture cycle

表3 系统循环顺序Tab.3 Cycle sequence of the system

步骤1(吸附)：干燥后的CO2和N2同时进入系统的气体分配罐中进行混合。然后，混合气体流入塔中，并且CO2被选择性地吸附在吸附剂的孔中。原料气中的其他成分从吸附腔顶部流出。在这一步的最后，吸附腔内的状态与原料气中的CO2分压相同。

步骤2(通电)：吸附饱和后开始进行CO2解吸，此时吸附腔应处于与原料气饱和的均匀状态。给电加热管通电，吸附腔被间接加热至所需的解吸温度。当吸附腔被加热时，解吸的CO2从吸附腔的底部流出。

步骤3(带电吹扫)：CO2解吸并排出吸附腔后会造成吸附腔内的压力降低，压力降低会阻碍解吸出的CO2从吸附腔底部流出。为保证高效分离，利用高纯N2从吸附腔顶部进入腔内，将剩余的CO2带出吸附腔，此时用到的高纯N2来自制氮循环得到的N2。

步骤4(冷却)：CO2解吸后，需要对吸附腔进行降温，从而修复吸附剂以开始新的循环。在该步骤中，断开电加热管的电源，通过自然降温或加强空气自然对流来降低吸附腔的温度，在该步骤内气体无流入/流出。当床层温度下降时，由于腔内为密闭环境，床层压力也随之降低。当温度降至吸附开始时的温度时，操作条件恢复，开始新的循环。

制氮循环的原理如图4所示。

图4 制氮循环原理Fig.4 Principle of the nitrogen production cycle

步骤1(加压)：含有体积浓度78% N2和体积浓度21% O2的大气在无油压缩机的作用下以一定的压力流入吸附腔。随着腔内气体的不断增多，腔内的压力逐渐增大并达到设定的吸附压力。随着压力的不断升高，吸附剂对O2的工作容量逐渐增大，出口端的N2纯度逐渐升高。

步骤2(吸附)：由于碳分子筛上的微孔只允许动力学尺寸小的分子快速扩散至孔内，并限制大直径的分子进入，所以气体混合物的组分可以被有效的分离。因此，直径较小的O2可以快速通过微孔孔口扩散至孔内，被选择性的吸附在碳分子筛上，而N2直径较大无法被吸附，从吸附腔的顶部流出，达到富集N2的目的。吸附过程中保持腔内压力不变。

步骤3(抽真空)：变压吸附循环吸附剂的吸附量与压力有关，压力越大吸附量越大，相应的压力降低吸附量随着降低。所以，为了更好的将吸附的O2等气体完全解吸出来，只将压力降至大气压力并不能实现。对吸附腔进行抽真空处理，将其中的压力降至大气压力以下，从而使吸附剂尽可能的实现完全再生，为下一循环提供更好的的吸附环境。

步骤4(吹扫)：O2彻底解吸后吸附腔内的压力远低于大气压力，此时解吸出的O2等杂质气体不易排出。为保证高效分离，利用高纯产品气N2对其进行吹扫，将剩余的O2带出吸附腔。

利用商业软件对气调机系统进行模拟研究，可以计算出每个步骤的持续时间以及整个循环过程中吸附腔内的压力、温度等参数的变化。与吸附腔和原料气相关的参数如表4所示。

表4 吸附腔和原料气参数Tab.4 Parameters of the column and feed gas

1.4 性能指标

由于本文研究的系统包括碳捕集和氮气富集两部分，因此需要对系统进行整体性的性能评价。为了评估和对比该系统在各种操作条件下的性能，本文考虑了6个关键性能指标。性能指标包括回收率(Re)、纯度(Pu)、生产率(Pr)、比能耗(Eth)、最小分离功(Wmin)、第二定律效率(Eff2nd)。由于在实际应用中对N2和CO2的体积浓度有要求，所以回收率、纯度和生产率这3个指标需要重点关注。这些性能指标将在下面给出定义和详细说明，图5所示为根据所提出的指标对系统整体评价的流程图。

图5 系统整体评价框架Fig.5 The comprehensive evaluation framework for system

考虑到该系统气体捕集分离工艺的实际要求，CO2回收率(ReCO2)、N2回收率(ReN2)和CO2纯度(PuCO2)、N2纯度(PuN2)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NCO2,ads为CO2进气量，mol；Ni,ele为在通电步骤下各组分i的解吸量，mol。NN2,ads,in为吸附过程中N2的进气量，mol；Ni,ads,out为吸附过程中各组分i的排放量，mol。

此外，CO2生产率、N2生产率分别被定义为CO2的生产量和N2的生产量，由下式表示：

(5)

(6)

式中：tcycle为循环的总时间，h；ρb为吸附剂的堆积密度，kg/m3；Vb为吸附腔的体积，m3。

从能源效率的角度出发，3个指标分别为比能耗(Eth)，最小分离功(Wmin)和第二定律效率(Eff2nd)。比能耗在碳捕集循环、制氮循环和系统整体3个方面分别定义如下：

(7)

(8)

(9)

式中：Qcycle为不同循环所消耗的能量，MJ；m为所获得的气体的质量，kg。

在本文研究的系统中，通过吸附工艺进行气体分离的输入气体被视为理想气体的混合物。最小分离功Wmin(kJ/kg)[29]是理想气体混合物在等温等压条件下不进行化学反应的可逆分离所消耗的能量，与分离过程无关，只与分离过程的始末状态有关。根据之前的研究，碳捕集循环的最小分离功仅取决于由式(10)所述的气体捕集工艺的4个参数；制氮循环的最小分离功由式(11)决定；系统整体的最小分离功由式(12)表示。循环的第二定律效率被视为Wmin和实际有用功Wac(kJ/kg)的比值[30]，碳捕集循环、制氮循环和系统整体的第二定律效率分别由式(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为环境温度，T0=293 K。

(13)

(14)

(15)

2 结果与讨论

本文从气体分离工艺、能源效率两方面对该系统总体性能进行了分析和讨论。结果表明，改变碳捕集循环的吸附、解吸温度，制氮循环的吸附压力、出口流速等操作参数会对系统整体性能产生影响。

2.1 吸附等温线与模型验证

关于CO2和N2的单组分吸附等温线的实验方法与实验数据均参考前期研究成果[31]，并将实验数据以Toth模型拟合。图6所示为温度分别为293、323、353、383 K时在0～122 kPa的压力下沸石13X吸附CO2和N2的单组分吸附等温线。采用Toth模型对实验数据进行拟合，拟合后R2为0.98，拟合结果与实验数据吻合较好，说明可以采用Toth模型对该吸附等温线进行拟合。

符号：实验数据；实线：Toth模型拟合结果图6 沸石13X-APG在不同温度下吸附CO2和N2的吸附等温线Fig.6 Adsorption isotherms of CO2 and N2 on zeolite 13X-APG at different temperatures

O2和N2的单组分吸附平衡等温线实验数据[32]以Sips模型拟合。图7所示为温度分别为293、308、323 K时在0～1 023 kPa压力下碳分子筛吸附O2和N2的单组分吸附等温线。采用Sips模型对实验数据进行拟合，拟合后R2为0.99，拟合结果与实验数据吻合较好，说明可以采用Sips模型对该吸附等温线进行拟合。

图8所示为CO2回收率随解吸温度变化的模拟结果和实验数据对比，实验数据来源于课题组搭建的实验台，实验误差为1.19%，可以看出实验数据与模拟结果吻合较好。因此，选取的该模型可以用于本文的模拟研究。

符号：实验数据；实线：Sips模型拟合结果图7 碳分子筛在不同温度下吸附O2和N2的吸附等温线Fig.7 Adsorption isotherms of O2 and N2 on carbon molecular sieve at different temperatures

图8 解吸温度对CO2回收率影响的模拟结果与实验结果的验证Fig.8 Validation of simulation results against experimental data for impact of different desorption temperature on CO2 recovery

2.2 操作参数对性能指标的影响

2.2.1 回收率

图9(a)所示为CO2回收率随解吸温度和吸附温度的变化。由图9(a)可知，CO2回收率随着解吸温度和吸附温度的温差的增大而升高。当温差为105 K时CO2回收率达到最大值89.20%；当温差为55 K时CO2回收率最低，其值为41.52%。实际上，由吸附等温线可以看出，吸附温度越低，吸附剂的工作容量越高，因此在吸附阶段需要更多的进料气才能达到平衡；当解吸温度升高时，吸附剂的工作容量降低，从而可以回收更多的CO2。因此，当温差增大时，CO2回收率也随之升高。图9(b)所示为N2回收率随吸附压力和出口流速的变化。由图9(b)可知，当出口流速降低时，N2回收率随之降低且降幅明显；当吸附压力增大时，N2回收率略有升高，增幅相对较小。N2回收率在出口流速为0.1 m/s，吸附压力为1.0 MPa时达到最大值76.25%；在出口流速为0.01 m/s，吸附压力为0.6 MPa时达到最小值53.7%。这是因为变压吸附为速度吸附，由吸附等温线可知，碳分子筛对N2和O2均有吸附作用，且在压力相同时对二者的吸附量接近。所以当出口流速增大时，气体在吸附剂内部的微孔停留时间变短，导致吸附效果变差，使回收率增大。虽然CO2回收率最低仅为41.52%，但改变操作条件后大部分可达到60%以上，能够满足应用场景对CO2的需求量。同时观察到N2回收率在上述操作条件下均达到50%以上，虽然比不上CO2的回收率，但由于技术和吸附剂的不同，也达到氮氧分离的现有水平。

图9 不同操作参数对CO2和N2回收率的影响Fig.9 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 recovery

2.2.2 纯度

图10(a)所示为解吸温度和吸附温度对CO2纯度的影响。由图10(a)可知，CO2纯度随着解吸和吸附温度的温差的增大而增大，与回收率的变化趋势一致。CO2纯度在温差为105 K时达到最大值80.62%；在温差为55 K时达到最小值57.90%。实际上，由CO2纯度的定义可知，其值取决于吸附剂对各组分的工作容量，当解吸温度升高时，吸附剂对CO2的工作容量降低更为显著，使解吸出来的混合气体中含有更多的CO2，从而CO2纯度升高。图10(b)所示为N2纯度随着吸附压力和出口流速的变化。由图10(b)可知，N2纯度随吸附压力的增大而增大，随出口流速的增大而减小。N2纯度在吸附压力为1.0 MPa，出口流速为0.01 m/s时达到最大值97.05%；在吸附压力为0.6 MPa，出口流速为0.1 m/s时达到最小值95.92%。与回收率类似，当出口流速减小时，碳分子筛对氧气的吸附效果越好，吸附压力越大，吸附剂对各组分的工作容量均增大，使在吸附阶段时出口的N2纯度升高。由图10可知，CO2的纯度相对较低，最高仅为80%VOL，这是受到捕集工艺和吸附剂材料的影响。由于适宜作物生长的 CO2体积浓度一般应处于0.1%水平，观察到在上述操作条件下CO2纯度均可达到要求，因此该研究具有可行性。

图10 不同操作参数对CO2和N2纯度的影响Fig.10 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 purity

2.2.3 生产率

图11(a)所示为CO2生产率随解吸温度和吸附温度的变化。由图11(a)可知，CO2生产率随着温差的增大而升高，这与纯度和回收率的变化规律一致。在温差为105 K时CO2生产率达到最大值37.03 kg/(t·h)；在温差为55 K时达到最小值18.43 kg/(t·h)。根据CO2生产率定义可知，其值的大小取决于每循环生产CO2的量和总循环的时间。温差越大会导致吸附剂在每循环的工作容量增大，使循环结束后生产的CO2总量增多，但总循环时间会相应增加从而达到设定的解吸温度。总体来说，CO2生产率随温差的增大呈上升趋势。图11(b)所示为N2生产率随吸附压力和出口流速的变化。当吸附压力为1.0 MPa，出口流速为0.1 m/s时N2生产率达到最大值1 265.40 kg/(t·h)；在吸附压力为0.6 MPa，出口流速为0.01 m/s时达到最小值575.10 kg/(t·h)。值得注意的是，N2生产率随出口流速的增大而增大，随吸附压力的减小而降低，这与回收率的变化情况相类似。由N2生产率的定义可知，其大小不仅取决于每循环在吸附阶段排放的N2量，还与总循环时间有关。出口流速增大时，会造成吸附剂的吸附效果变差，排气量随之增大；吸附压力增大时，虽然吸附剂的工作容量增大，但进气时间也随之变长，导致进气量增大，排气量增大，从而N2生产率提高。

图11 不同操作参数对CO2和N2生产率的影响Fig.11 Impact of different operating parameters on CO2 and N2 productivity

2.2.4 比能耗

图12(a)所示为碳捕集循环的比能耗随解吸温度和吸附温度的变化，碳捕集循环的比能耗随温差的增大呈现下降的趋势。图12(b)所示为制氮循环的比能耗随吸附压力和出口流速的变化，制氮循环的比能耗随吸附压力的变化幅度较小，随出口流速的增大而减小。图12(c)所示为系统整体比能耗随CO2纯度和N2纯度的变化。由图12(c)可知，系统总比能耗大致呈现随CO2纯度的升高而减小，随N2纯度的升高而增大的趋势。当CO2纯度为57.90%、N2纯度为95.92%时，系统总比能耗达到最大值2.33 MJ/kg；当CO2纯度为72.37%、N2纯度为96.02%时，系统总比能耗达到最小值1.85 MJ/kg，相应的操作条件可通过气体的纯度对应得到。实际上，CO2纯度的升高会造成循环中吸附剂工作容量的增加和加热吸附腔所需功耗的增加，而N2纯度的升高同样会使吸附剂的工作容量增大，但这会导致N2的回收量降低。根据比能耗的定义，总比能耗随不同气体的纯度呈现不同的变化趋势。在图12(c)中有一个数据点值得注意，CO2纯度为80.62%、N2纯度为97.05%，对应的总比能耗为2.13 MJ/kg。该点的产气纯度相对较高，而系统比能耗处于中等水平，因此在该点处系统性能较好。

图12 不同操作参数对比能耗的影响Fig.12 Impact of different operation parameters on specific energy consumption

2.2.5 最小分离功

图13(a)所示为碳捕集循环的最小分离功随解吸温度和吸附温度的变化。由图13(a)可知，碳捕集循环的最小分离功随温差的增大而增大，这与CO2回收率和纯度的变化趋势类似。图13(b)所示为制氮循环的最小分离功随吸附压力和出口流速的变化。由图13(b)可知，制氮循环的最小分离功随出口流速的变化幅度较小，随吸附压力的增大而增大，但总体变化较小且数值较小。图13(c)所示为系统整体的最小分离功随CO2纯度和N2纯度的变化，系统整体的Wmin最大值为100.44 kJ/kg，最小值为45.69 kJ/kg。根据其定义方程可知，循环的最小分离功主要取决于气体回收率、纯度、进气组分以及吸附温度。从碳分子筛的吸附等温线可以看出，吸附剂对N2和O2的选择吸附性不强，对两种气体的分离效果较差，因此该部分Wmin的数值较小。

图13 不同操作参数对最小分离功的影响Fig.13 Impact of different operation parameters on minimum separation work

2.2.6 第二定律效率

图14(a)所示为碳捕集循环的第二定律效率随解吸温度和吸附温度的变化，碳捕集循环的Eff2nd随温差的增大而增大。图14(b)所示为制氮循环的第二定律效率随吸附压力和出口流速的变化，由图可知，制氮循环的Eff2nd随出口流速的增大而增大，随吸附压力的降低而减小，且在小范围内浮动。图14(c)所示为系统整体的第二定律效率随CO2纯度和N2纯度的变化。由图14(c)可知，系统整体的Eff2nd最大值为4.71%，最小值为1.96%。通常第二定律效率用于分析循环热能利用的有效性。根据其定义公式，当Wmin增大、Wac减小时，Eff2nd减小。因此，Eff2nd的变化趋势与Wmin相似，与Eth相反。

图14 不同操作参数对第二定律效率的影响Fig.14 Impact of different operation parameters on second law efficiency

3 结论

本文设计了一种面向乡村公共卫生的新型气调机系统，能够同时实现碳捕集和氮气制取两种功能。为了对该系统进行整体性评估，从分离性能和能效性能两方面采用6个指标对其进行全面分析，得到如下结论：

1)该新型气调机可同时获得CO2和N2两种气体，对系统的操作条件进行调整，可获得不同纯度的CO2和N2，同时回收率和生产率也会受到影响。本研究表明，CO2纯度最高可达到80.62%VOL，此时回收率为89.20%，生产率为36.90 kg/(t·h)；N2纯度最高可达97.05%VOL，此时对应的回收率为55.29%，生产率为896.95 kg/(t·h)。获得的气体参数可以达到实际应用时的需求。

2)当提高获得的CO2的纯度时，系统总比能耗有所下降，第二定律效率上升；当提高获得的N2的纯度时，系统总比能耗和第二定律效率均有所升高。因此，在富集气体的同时还要考虑系统的能效性能。当CO2纯度为80.62%、N2纯度为97.05%时，对应的总比能耗为2.13 MJ/kg，第二定律效率为4.71%，该点的产气纯度达到最高，而系统比能耗处于中等水平，因此在该点处系统整体性能较好，证明了该技术的可行性。

3)根据现有的研究成果，固载二氧化氯具有较长的释放周期和良好的杀菌效果。因此，将固释二氧化氯应用于所研究的气调机中，可在一定程度上实现所处环境的空气清洁和细菌灭活。