礦用救生艙空氣凈化降溫除濕系統的研究

張宏錫

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司安全處，山西 呂梁 033102）

當前我國煤礦安全事故頻發，當井下發生頂板垮塌、火災等安全事故后，如果井下作業人員無法及時升井，就必須進入到救生艙內等待救援。礦用救生艙為一封閉裝置，人員在救生艙會發排出熱量及相應的CO2、CO等有害氣體；救生艙內的系統作業也會導致艙內溫度、濕度升高。這些因素都會威脅到避險人員的生命安全。因此必須在救生艙內設計有空氣凈化系統、降溫除濕系統。霍州煤電集團呂梁山煤電公司聯合山西大學設計了救生艙用空氣凈化和降溫除濕系統，并將該系統在木瓜煤礦進行了工業性的試驗應用，試驗結果表明該系統能滿足艙內人員的需求，性能穩定。

1 空氣凈化和降溫除濕系統的方案

1.1 空氣凈化方案選擇

分析救生艙內的環境可知，艙內主要有避險人員新陳代謝所排出的CO2、CO、H2S等有害氣體，以及避險人員進人救生艙時從外部帶入的CO、CH4等有毒有害氣體。

1.1.1 CO2的凈化

對于CO2的凈化主要有物理吸附、化學吸收和膜分離三種。

（1）物理吸附法。CO2氣體的物理吸附劑有介孔分子篩、固態胺樹脂等。例如沸石分子篩在標準大氣狀態下靜態吸附可達0.7～0.8kg/L，還重復使用，缺點是對進口空氣要求較高。

（2）化學吸收法。化學吸附主要是利用CO2與氫氧化物反應的特點。CO2為酸性氣體，能與氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鋰、氧化鈣等堿性物質反應，其反應過程為放熱過程且不可逆，吸收率高。該法常被應用于化工、救生等領域。氫氧化鋰曾用于空間站艙內CO2氣體的凈化。目前救生艙中主要選用價格低廉、性能可靠的氫氧化鈣或堿石灰，這也是本次設計所選用的CO2吸收劑。

（3）膜分離法。膜分離是利用不同氣體對同一種膜的滲透能力不同的性質，實現CO2凈化，是一種新型的凈化方法。缺點是耗電，不適用于救生艙。

1.1.2 CO凈化

空氣中微量CO的凈化可采用物理凈化與化學凈化兩種方法。通常，物理吸附時的吸附熱較小，吸附容量較大，吸附后不放出其他氣體，廣泛應用于真空技術領域。但物理吸附劑的吸附速率較小，吸附條件較為苛刻，且吸附容量受到吸附劑比表面積的限制，因而在有害氣體產生速率較快的空氣凈化場所，其應用受到限制。化學吸附或化學吸收劑可彌補物理吸附劑的吸附速率慢的缺陷，在許多場合已發揮作用。本次設計選擇利用貴金屬催化劑將CO常溫催化氧化，實現空氣中CO氣體的凈化去除。

1.1.3 空氣凈化系統設備

去除有毒有害氣體等除需要藥品、藥劑外，往往還需要風機等設備，設備安裝在凈化箱內，采用方形結構方便布置。同時在救生艙內使用方形吸收床，艙內氣體循環采用抽氣式，選用的軸流風扇安裝于凈化箱下部。

1.2 降溫方式選擇

救生艙降溫一般有水冰制冷、氣體相變制冷、壓縮機制冷、強制換熱制冷等幾種方式，各種方式都有其優缺點和適用條件。當前技術穩定可靠、有成熟產品的還是水冰制冷技術。本次系統的設計方案采用水冰降溫方案。

1.3 濕度控制方案選擇

當前救生艙內除濕的方法主要有熱泵除濕技術、制冷式除濕技術、液體吸收式除濕和固體吸收式除濕。利用制冷系統的熱交換器表面凝水除濕是一種簡單有效的方法。結合該系統中降溫方法采用固態水冰儲冷降溫，因此救生艙內除濕的方法選擇制冷式除濕技術。

2 系統總體架構和工作原理

基于以上對空氣凈化及降溫除濕方案的選擇，設計了礦用救生艙空氣凈化降溫除濕系統。該系統的整體構架方案如圖1所示，主要由凈化箱、軸流風扇、二氧化碳吸收床、一氧化碳吸收床、硫吸收床、放水閥、四通、開關、空調降溫系統、動力保障系統、氣體出口管等部分構成。

圖1 救生艙空氣凈化、降溫除濕系統整體架構

從圖1中可以看到，救生艙內產生的污濁熱風在軸流風扇的作用下經過吸收床的吸收后，將熱風分為兩大部分。第一部分由開關進入到上冰柜風道，在交錯型熱交換管的作用下，來達到降溫除濕的效果。第二部分由四通直接進入到下冰柜風道，同樣的原理進行降溫除濕。這樣在冰柜出口都是新鮮的冷風輸出，該新鮮冷風經避險人員呼吸后，再次進入該系統進行空氣凈化和降溫除濕，這樣該系統就完成了一次作業循環。該系統能實現救生艙內空氣凈化與溫、濕度調節一體化，達到事先設計的目的。

3 試驗測試效果分析

將設計的救生艙用空氣凈化和降溫除濕系統在木瓜煤礦進行了工業性的試驗應用測試，測試人數為8人。

3.1 CO2高濃度試驗

檢測救生艙內CO2濃度，當濃度穩定在0.9%時，向該救生艙內通入0.5×8L/min的CO2氣體，并同時開啟空氣凈化系統。對救生艙在5min內的CO2濃度變化進行檢測，數據如表1所示。從表1數據可知，試驗階段1min后CO2濃度由0.9%降到了0.75%，5min后CO2濃度降低到0.26%，該濃度符合救生艙內的及空氣凈化系統國家安全標準。

表1 CO2凈化試驗數據表

3.2 CO高濃度試驗

檢測救生艙內CO濃度，當濃度達到400×10-6%時，立即開始啟動空氣凈化系統。對救生艙在20min內的CO濃度變化進行檢測，數據如表2所示。從表2數據可知，試驗階段20min后CO濃度由400×10-6%降到了8.51×10-6%，該濃度符合救生艙內的及空氣凈化系統國家安全標準。

表2 CO快速凈化試驗數據表

3.3 真人綜合測試

將該系統安裝在霍州煤電集團呂梁山煤電公司木瓜煤礦井下的救生艙內，然后進行真人綜合測試試驗。木瓜煤礦8位工作人員模擬為避險人員進入到井下救生艙內完成生存模擬避難試驗，在等待救援的106h內，綜合考察救生艙設計的空氣凈化和降溫除濕系統的運行效果。在106h的等待救援期間，對救生艙內CO2濃度、CO濃度、艙內溫濕度等數據進行了實時檢測，結果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2 艙內CO濃度變化曲線

圖3 艙內CO2濃度變化曲線

圖4 艙內濕度變化曲線

圖5 艙內、艙外平均溫度變化曲線

從以上圖中數據可知，在106h內，救生艙內CO2濃度、CO濃度、艙內溫度、艙內濕度均符合國家煤礦安全標準。該真人綜合測試試驗表明，救生艙在避難狀態下，該空氣凈化降溫除濕系統能有效地保障救生艙內人員的生存。

4 結語

本文針對礦用救生艙設計了空氣凈化降溫除濕系統，該系統在木瓜煤礦的真人綜合測試試驗表明，救生艙內CO2濃度、CO濃度、艙內溫度、艙內濕度均符合國家煤礦安全標準。該空氣凈化降溫除濕系統設計合理。其主要特點如下：（1）該系統采用模塊化設計、高效率軸流防爆雙風扇驅動艙內空氣循環，將出風口引入冰柜氣道，實現了艙內空氣凈化與溫度調節一體化。（2）蓄冰降溫技術的應用可實現同步降溫除濕。