礦用救生艙空氣凈化降溫除濕系統(tǒng)的研究

張宏錫

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司安全處，山西 呂梁 033102）

當(dāng)前我國(guó)煤礦安全事故頻發(fā)，當(dāng)井下發(fā)生頂板垮塌、火災(zāi)等安全事故后，如果井下作業(yè)人員無(wú)法及時(shí)升井，就必須進(jìn)入到救生艙內(nèi)等待救援。礦用救生艙為一封閉裝置，人員在救生艙會(huì)發(fā)排出熱量及相應(yīng)的CO2、CO等有害氣體；救生艙內(nèi)的系統(tǒng)作業(yè)也會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)溫度、濕度升高。這些因素都會(huì)威脅到避險(xiǎn)人員的生命安全。因此必須在救生艙內(nèi)設(shè)計(jì)有空氣凈化系統(tǒng)、降溫除濕系統(tǒng)?；糁菝弘娂瘓F(tuán)呂梁山煤電公司聯(lián)合山西大學(xué)設(shè)計(jì)了救生艙用空氣凈化和降溫除濕系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)在木瓜煤礦進(jìn)行了工業(yè)性的試驗(yàn)應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足艙內(nèi)人員的需求，性能穩(wěn)定。

1 空氣凈化和降溫除濕系統(tǒng)的方案

1.1 空氣凈化方案選擇

分析救生艙內(nèi)的環(huán)境可知，艙內(nèi)主要有避險(xiǎn)人員新陳代謝所排出的CO2、CO、H2S等有害氣體，以及避險(xiǎn)人員進(jìn)人救生艙時(shí)從外部帶入的CO、CH4等有毒有害氣體。

1.1.1 CO2的凈化

對(duì)于CO2的凈化主要有物理吸附、化學(xué)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(tài)胺樹(shù)脂等。例如沸石分子篩在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下靜態(tài)吸附可達(dá)0.7～0.8kg/L，還重復(fù)使用，缺點(diǎn)是對(duì)進(jìn)口空氣要求較高。

（2）化學(xué)吸收法?；瘜W(xué)吸附主要是利用CO2與氫氧化物反應(yīng)的特點(diǎn)。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(zhì)反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程為放熱過(guò)程且不可逆，吸收率高。該法常被應(yīng)用于化工、救生等領(lǐng)域。氫氧化鋰曾用于空間站艙內(nèi)CO2氣體的凈化。目前救生艙中主要選用價(jià)格低廉、性能可靠的氫氧化鈣或堿石灰，這也是本次設(shè)計(jì)所選用的CO2吸收劑。

（3）膜分離法。膜分離是利用不同氣體對(duì)同一種膜的滲透能力不同的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)CO2凈化，是一種新型的凈化方法。缺點(diǎn)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(xué)凈化兩種方法。通常，物理吸附時(shí)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(yīng)用于真空技術(shù)領(lǐng)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(chǎn)生速率較快的空氣凈化場(chǎng)所，其應(yīng)用受到限制?；瘜W(xué)吸附或化學(xué)吸收劑可彌補(bǔ)物理吸附劑的吸附速率慢的缺陷，在許多場(chǎng)合已發(fā)揮作用。本次設(shè)計(jì)選擇利用貴金屬催化劑將CO常溫催化氧化，實(shí)現(xiàn)空氣中CO氣體的凈化去除。

1.1.3 空氣凈化系統(tǒng)設(shè)備

去除有毒有害氣體等除需要藥品、藥劑外，往往還需要風(fēng)機(jī)等設(shè)備，設(shè)備安裝在凈化箱內(nèi)，采用方形結(jié)構(gòu)方便布置。同時(shí)在救生艙內(nèi)使用方形吸收床，艙內(nèi)氣體循環(huán)采用抽氣式，選用的軸流風(fēng)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(jī)制冷、強(qiáng)制換熱制冷等幾種方式，各種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。當(dāng)前技術(shù)穩(wěn)定可靠、有成熟產(chǎn)品的還是水冰制冷技術(shù)。本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用水冰降溫方案。

1.3 濕度控制方案選擇

當(dāng)前救生艙內(nèi)除濕的方法主要有熱泵除濕技術(shù)、制冷式除濕技術(shù)、液體吸收式除濕和固體吸收式除濕。利用制冷系統(tǒng)的熱交換器表面凝水除濕是一種簡(jiǎn)單有效的方法。結(jié)合該系統(tǒng)中降溫方法采用固態(tài)水冰儲(chǔ)冷降溫，因此救生艙內(nèi)除濕的方法選擇制冷式除濕技術(shù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)和工作原理

基于以上對(duì)空氣凈化及降溫除濕方案的選擇，設(shè)計(jì)了礦用救生艙空氣凈化降溫除濕系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體構(gòu)架方案如圖1所示，主要由凈化箱、軸流風(fēng)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(kāi)關(guān)、空調(diào)降溫系統(tǒng)、動(dòng)力保障系統(tǒng)、氣體出口管等部分構(gòu)成。

圖1 救生艙空氣凈化、降溫除濕系統(tǒng)整體架構(gòu)

從圖1中可以看到，救生艙內(nèi)產(chǎn)生的污濁熱風(fēng)在軸流風(fēng)扇的作用下經(jīng)過(guò)吸收床的吸收后，將熱風(fēng)分為兩大部分。第一部分由開(kāi)關(guān)進(jìn)入到上冰柜風(fēng)道，在交錯(cuò)型熱交換管的作用下，來(lái)達(dá)到降溫除濕的效果。第二部分由四通直接進(jìn)入到下冰柜風(fēng)道，同樣的原理進(jìn)行降溫除濕。這樣在冰柜出口都是新鮮的冷風(fēng)輸出，該新鮮冷風(fēng)經(jīng)避險(xiǎn)人員呼吸后，再次進(jìn)入該系統(tǒng)進(jìn)行空氣凈化和降溫除濕，這樣該系統(tǒng)就完成了一次作業(yè)循環(huán)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)救生艙內(nèi)空氣凈化與溫、濕度調(diào)節(jié)一體化，達(dá)到事先設(shè)計(jì)的目的。

3 試驗(yàn)測(cè)試效果分析

將設(shè)計(jì)的救生艙用空氣凈化和降溫除濕系統(tǒng)在木瓜煤礦進(jìn)行了工業(yè)性的試驗(yàn)應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試人數(shù)為8人。

3.1 CO2高濃度試驗(yàn)

檢測(cè)救生艙內(nèi)CO2濃度，當(dāng)濃度穩(wěn)定在0.9%時(shí)，向該救生艙內(nèi)通入0.5×8L/min的CO2氣體，并同時(shí)開(kāi)啟空氣凈化系統(tǒng)。對(duì)救生艙在5min內(nèi)的CO2濃度變化進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)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(nèi)的及空氣凈化系統(tǒng)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。

表1 CO2凈化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2 CO高濃度試驗(yàn)

檢測(cè)救生艙內(nèi)CO濃度，當(dāng)濃度達(dá)到400×10-6%時(shí)，立即開(kāi)始啟動(dòng)空氣凈化系統(tǒng)。對(duì)救生艙在20min內(nèi)的CO濃度變化進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)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(nèi)的及空氣凈化系統(tǒng)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。

表2 CO快速凈化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3 真人綜合測(cè)試

將該系統(tǒng)安裝在霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司木瓜煤礦井下的救生艙內(nèi)，然后進(jìn)行真人綜合測(cè)試試驗(yàn)。木瓜煤礦8位工作人員模擬為避險(xiǎn)人員進(jìn)入到井下救生艙內(nèi)完成生存模擬避難試驗(yàn)，在等待救援的106h內(nèi)，綜合考察救生艙設(shè)計(jì)的空氣凈化和降溫除濕系統(tǒng)的運(yùn)行效果。在106h的等待救援期間，對(duì)救生艙內(nèi)CO2濃度、CO濃度、艙內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，結(jié)果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2 艙內(nèi)CO濃度變化曲線

圖3 艙內(nèi)CO2濃度變化曲線

圖4 艙內(nèi)濕度變化曲線

圖5 艙內(nèi)、艙外平均溫度變化曲線

從以上圖中數(shù)據(jù)可知，在106h內(nèi)，救生艙內(nèi)CO2濃度、CO濃度、艙內(nèi)溫度、艙內(nèi)濕度均符合國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。該真人綜合測(cè)試試驗(yàn)表明，救生艙在避難狀態(tài)下，該空氣凈化降溫除濕系統(tǒng)能有效地保障救生艙內(nèi)人員的生存。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)礦用救生艙設(shè)計(jì)了空氣凈化降溫除濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)在木瓜煤礦的真人綜合測(cè)試試驗(yàn)表明，救生艙內(nèi)CO2濃度、CO濃度、艙內(nèi)溫度、艙內(nèi)濕度均符合國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。該空氣凈化降溫除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。其主要特點(diǎn)如下：（1）該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、高效率軸流防爆雙風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)空氣循環(huán)，將出風(fēng)口引入冰柜氣道，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)空氣凈化與溫度調(diào)節(jié)一體化。（2）蓄冰降溫技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)同步降溫除濕。