礦用避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)應(yīng)用研究

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

礦用避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)應(yīng)用研究

衛(wèi)文慧

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

根據(jù)煤礦礦難時(shí)的實(shí)際情況和潛艇空氣凈化技術(shù)，對礦用緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)空氣凈化技術(shù)進(jìn)行了研究，選擇合適的二氧化碳吸收劑、分子篩干燥劑和一氧化碳催化劑。并對各種氣體的吸收率及濃度變化進(jìn)行了計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種適用于煤礦密閉救生裝置的空氣凈化裝置。實(shí)驗(yàn)研究表明，此裝置操作簡便、吸收阻力低、性能穩(wěn)定、獨(dú)立性強(qiáng)、吸收效率高，適用于煤礦密閉救生裝置內(nèi)空氣凈化。

二氧化碳去除；一氧化碳催化；除濕；吸收床

我國是資源大國，有著豐富的煤礦資源，同時(shí)我國是煤礦安全事故頻發(fā)的國家。煤礦事故的發(fā)生嚴(yán)重威脅煤礦工人的生命安全，也會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。2010年智利礦難中避難設(shè)施的成功應(yīng)用，促進(jìn)了我國井下避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)。2010年7月27日，要求2013年前，所有煤礦都要安裝避險(xiǎn)設(shè)施，并于3年之內(nèi)完成。也正是這一政策，促進(jìn)了緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的快速發(fā)展。

1 緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)空氣凈化特點(diǎn)

緊急避險(xiǎn)設(shè)施是指在煤礦井下發(fā)生緊急情況下，為遇險(xiǎn)人員安全避險(xiǎn)提供生命保障的設(shè)施、設(shè)備、食物等組成的整體。緊急避險(xiǎn)設(shè)施主要包括永久避難硐室、臨時(shí)避難硐室、可移動(dòng)式救生艙。該設(shè)施能夠抵御高溫?zé)煔猓艚^有毒有害氣體，對內(nèi)提供氧氣、食物、水，凈化有毒有害氣體，創(chuàng)造生存基本條件。

1）無外部動(dòng)力電源。井下發(fā)生災(zāi)變后，礦井電力供應(yīng)可能因?yàn)?zāi)變而中斷，密閉空間無法得到外界動(dòng)力支持，凈化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)需依靠儲備動(dòng)力。

2）密閉空間有效容積小。救生設(shè)備自身體積較少，同時(shí)容納避險(xiǎn)人員和衛(wèi)生系統(tǒng)，內(nèi)置凈化裝置尺寸受到限制。

3）一定的空氣凈化能力。緊急避險(xiǎn)設(shè)施是一個(gè)有限密閉的空間，隨著救援時(shí)間的不斷增加，污染物將不斷增加，濃度不斷增大，生存環(huán)境逐漸惡化。密閉空間內(nèi)成分十分復(fù)雜，我國從潛艇內(nèi)檢測出652種組分，其中無機(jī)組分共44種，有機(jī)組分608種；有機(jī)氣體中脂肪烴350種，芳香烴104種，含氧化合物104種，鹵代烴27種。由于氣體污染物種類繁多，目前還不能采用同一種方法或裝置將其完全去除，而必須針對不同的氣體種類采用不同的凈化方法。避險(xiǎn)人員代謝時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO2及H2O，代謝方程式為：

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，處理CO2能力應(yīng)不低于0.5L/ min·人，且CO2濃度不高于1%，處理CO2時(shí)，不產(chǎn)生其他附加影響；避難設(shè)施在使用時(shí)，CO可能會(huì)隨避險(xiǎn)人員進(jìn)入設(shè)施內(nèi)，處理CO的能力應(yīng)能保證在20min內(nèi)將CO濃度由0.04%降到0.0024%以下，整個(gè)救援期間，避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)的濕度不得大于85%。

表1 常見的固體吸收劑吸收二氧化碳的理論容量

表2 常見吸附劑對水的吸附能力

2 空氣凈化方法

2.1 密閉空間內(nèi)CO2凈化方法

（1）一乙醇胺清除二氧化碳方法：其基本原理是，通過風(fēng)機(jī)將二氧化碳濃度高的空氣抽入，二氧化碳被一乙醇胺溶液吸收后在配上制氧裝置產(chǎn)生的氧氣重新輸送至艙室內(nèi)呼吸使用。

（2）過（超）氧化物吸收法：利用過（超）氧化物與空氣中的CO2反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽并釋放出氧氣，在國防工事、攜帶式面具、宇宙飛船等密閉環(huán)境中大量使用。

（3）金屬氫氧化物吸收法：金屬氫氧化物普遍呈堿性，可與酸性二氧化碳?xì)怏w發(fā)生酸堿反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的碳酸鹽，并且反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生其他污染性氣體，常用在工業(yè)生產(chǎn)中二氧化碳的去除。

一乙醇胺清除二氧化碳在密閉空間內(nèi)基本能滿足要求，但裝置體積大、能耗高、效率低、并存在著一乙醇胺泄漏造成艙室二次污染的可能性，因此難以在煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施中使用；過（超）氧化物吸收法不僅能夠清除空氣中大量的二氧化碳，還能產(chǎn)生人體呼吸所需的氧氣，無疑在一般的密閉場所中是最佳的選擇，例如俄羅斯的核潛艇多采取這種方法去除二氧化碳，但是煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施存在爆炸的危險(xiǎn)性，由于過（超）氧化物反應(yīng)劇烈，會(huì)給煤礦安全帶來隱患，因此無法在緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)使用；考慮井下工作條件和人員安全的現(xiàn)實(shí)，選取金屬氫氧化進(jìn)行CO2凈化較為合適。表1為常見的CO2固體吸收劑性能。

表1可以看出只有氫氧化鋰的理論容量最大，被部分廠家采用。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，氫氧化鋰初期具有較大的粉塵率，而鈉石灰是一次性醫(yī)用耗材的一種，腹腔鏡手術(shù)或者其它全麻手術(shù)中用以吸收二氧化碳。從安全角度上來講，我們優(yōu)先選取鈉石灰做為二氧化碳吸收劑。

2.2 密閉空間內(nèi)CO凈化方法

（1）霍加拉特觸媒催化氧化法。霍加拉特催化劑是由活性MnO2和CuO按一定比例制成的顆粒狀催化劑，在呼吸保護(hù)方面時(shí)應(yīng)用最廣泛也是最古老的一種，但是仍有其他非金屬催化劑無法比擬的活性。廣泛使用于煤礦過濾式自救器、消防面具、二炮使用的特防濾毒罐等。

圖2 二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖3 平均濃度與吸收劑質(zhì)量的關(guān)系圖

（2）貴金屬低溫催化氧化法。自從研究人員首次發(fā)現(xiàn)金屬氧化物對CO氧化反應(yīng)有促進(jìn)作用以來，許多學(xué)者對貴金屬催化劑進(jìn)行了研究和優(yōu)化。現(xiàn)已發(fā)展出多種貴金屬一氧化碳催化劑，在CO與O2的反應(yīng)中，貴金屬以其良好的吸附活性被認(rèn)為是首選催化劑。

霍加拉特觸媒的活性與氣體的潮濕環(huán)境息息相關(guān)，在煤礦潮濕的環(huán)境下，不宜采取霍加拉特觸媒做為一氧化碳的催化劑。因此在煤礦避險(xiǎn)設(shè)施中，我們選取貴金屬催化劑作為一氧化碳的消除劑。

2.3 濕度的控制方法

（1）冷凍除濕。把空氣冷卻至其露點(diǎn)溫度以下，濕空氣中的水分就被冷凝析出，降低了空氣的絕對含濕量。

（2）干燥劑除濕。吸附方式及反應(yīng)產(chǎn)物不同為分物理吸附干燥劑和化學(xué)吸附干燥劑。常用物理吸附的干燥氯化鈣、吸水樹脂、活性炭等。表2為常見吸附劑對水的吸附能力表。

綜合考慮，避險(xiǎn)設(shè)施中優(yōu)先選擇吸水樹脂做為干燥劑。

3 凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前市場專為救生艙設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)主要集中在24V（30～50W），風(fēng)機(jī)在空載條件下平均最大風(fēng)速為14m/s，最大風(fēng)量為350m3/ h， 全壓P=120Pa。受阻力降限制整個(gè)凈化系統(tǒng)床層的厚度不宜超過50mm，本設(shè)計(jì)凈化床采用串聯(lián)方式。由于密閉空間內(nèi)空間的影響，凈化系統(tǒng)的面積一般不宜大于660mm×660mm。氣流在各層中的均勻分布是有效催化和吸收的基本條件，由于二氧化碳的吸收會(huì)產(chǎn)生一定量的水，產(chǎn)生的水會(huì)對一氧化碳催化劑的催化性能產(chǎn)生影響。我們用三個(gè)床層，二氧化碳吸收→除濕劑→一氧化碳催化劑，反復(fù)循環(huán)密閉空間內(nèi)的空氣，凈化系統(tǒng)的吸收床層示意圖如圖1所示。

3.1 二氧化碳床層的設(shè)計(jì)

二氧化碳吸收的過程中，溶質(zhì)二氧化碳首先由氣相流經(jīng)至氣、固界面，隨后在由界面向固相主體流動(dòng)，與吸收劑中有效組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)的離子方程式為:

那么此過程就可簡化為二氧化碳吸收的逆流填料塔模型。二氧化碳沿氣流途徑的變化情況不僅與氣流流速有關(guān)，還與固相中的有效成分、擴(kuò)散速率等因素有關(guān)。這就使得化學(xué)吸收的過程十分復(fù)雜，介于這樣的理論模型，目前仍無可靠的一般方法，設(shè)計(jì)時(shí)往往按照實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，在通過理論分析的數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

現(xiàn)在我們對面積進(jìn)行限定，由于密閉空間的特殊性，我們將凈化系統(tǒng)的面積初步定于440mm×440mm，然后逐步對藥劑量增加進(jìn)行試驗(yàn)，通過對比試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理分析，我們將得出反應(yīng)的最佳平衡濃度與藥劑量的關(guān)系。并通過試驗(yàn)對藥床厚度及質(zhì)量選取產(chǎn)生設(shè)計(jì)依據(jù)。

將風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)至恒定值（最大值），在440mm×440mm的二氧化碳吸收床層上分別加入5kg、10kg、15kg、25kg等質(zhì)量的二氧化碳吸收劑。按照5L/min（十人的呼吸量）的流量對10m3的密閉空間內(nèi)通入濃度為99%的二氧化碳?xì)怏w。并將風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)至最大值。觀察并記錄數(shù)據(jù)，通過對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析后得到圖2所示的二氧化碳濃度在不同質(zhì)量吸收劑下（同等凈化面積）的變化曲線。

從圖2的曲線可以明顯的看出，在5kg和25kg吸收劑的情況下，二氧化碳的濃度隨著時(shí)間無限制的升高，無法產(chǎn)生平衡點(diǎn)；在10kg和15kg吸收劑的情況下，濃度趨于平衡，并且都有各自的平衡點(diǎn)。但是究竟哪個(gè)平衡點(diǎn)才是真正的最佳點(diǎn)呢，我們通過進(jìn)一步的數(shù)值分析得出理論。因?yàn)閿?shù)據(jù)中濃度的平衡點(diǎn)并非穩(wěn)態(tài)，因此我們采取平均值作為數(shù)據(jù)，因此根據(jù)平均值可以得到平均濃度與加入二氧化碳吸收劑的關(guān)系如圖3所示。

3.2 二氧化碳總量的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，救生設(shè)施處理CO2的能力不低于0.5L/min·人，鈉石灰的吸收率為0.3。通過試驗(yàn)，避險(xiǎn)人員在使用設(shè)備時(shí)新陳代謝產(chǎn)生的CO2質(zhì)量為

鈉石灰的量為：

上式中，t：避險(xiǎn)時(shí)間/min，p：避險(xiǎn)人數(shù)/人，pa：CO2代謝量/l/p。

3.3 一氧化碳床層的設(shè)計(jì)

一氧化碳吸收劑為貴金屬催化劑，床層上發(fā)生的即是催化氧化反應(yīng)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的風(fēng)量和催化劑的總量已經(jīng)確定，所以在依據(jù)二氧化碳床層的面積對一氧化碳進(jìn)行吸收。

3.4 催化劑總量的計(jì)算

CO催化劑質(zhì)量為:

上式中：mf：風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量/m3/h，WHSV：催化劑最佳質(zhì)量空速（80000h-1）。

3.5 干燥劑床層的設(shè)計(jì)

吸水樹脂吸無離子水速度≤30s，吸收速度為105s，保水性極強(qiáng)，在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮風(fēng)機(jī)的風(fēng)量問題，所以在狹小的密閉空間內(nèi)，只需增大藥床面積即可。再設(shè)計(jì)采用二氧化碳同樣面積的藥床即可。

3.6 干燥劑總量的計(jì)算

從方程式（1）中可以看出，每產(chǎn)生1mol的二氧化碳就隨之會(huì)產(chǎn)生1mol的H2O，從方程式（2）中可以看出，藥劑每吸收1mol的二氧化碳也會(huì)產(chǎn)生1mol的H2O。那么每產(chǎn)生1mol的二氧化碳就會(huì)產(chǎn)生2mol的H2O，整個(gè)避險(xiǎn)期間產(chǎn)生的H2O總量為

上式中Vm為氣體摩爾體積，約為22.4L/mol。整個(gè)避險(xiǎn)期間需要的干燥劑總量為

圖4

上式中，Mh2o為水的相對分子質(zhì)量，A為干燥劑的吸水能力。

四、驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)與匹配，我們現(xiàn)在以10人為標(biāo)準(zhǔn)，在10立方米的空間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。得到二氧化碳-生存時(shí)間、濕度-生存時(shí)間的曲線如圖4所示。

結(jié)語

本文提出了煤礦密閉空間內(nèi)的空氣凈化，篩選出了鈉石灰、貴金屬催化劑及高效吸水樹脂等空氣凈化藥劑，并根據(jù)煤礦災(zāi)變后的特殊情況對凈化裝置進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)出了適用于煤礦密閉空間內(nèi)的空氣凈化器。

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