[发明专利]潜艇舱室中CO2的清除系统及方法

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。