礦用救生艙中有毒有害氣體濾除研究*

王彥平

(中國煤炭科工集團煤炭科學研究總院)

我國作為能源消費大國，煤炭在能源生產的大格局中占有絕對的比重，達到近70%。我國的煤炭產量雖然只占世界煤炭產量的1/3，但煤礦礦難死亡人數占世界煤礦事故死亡人數的4/5。煤礦事故的發生嚴重威脅煤礦工人的生命安全。在以人為本理念成為世界發展潮流的大環境下，積極開展礦山安全保障技術的研究與開發，不僅是我國建設和諧社會的必然要求，更是時刻遭受礦井災害威脅的煤礦工人的迫切愿望。

礦用救生艙可為礦工在災變環境下提供系統穩定可靠，生活保障物資齊全的維生空間，把災害的損失降到最低，是在礦井發生災變或意外事故時，井下作業人員用于逃生、避險、等待救援的一個與外界隔離的庇護裝備。救生艙中除了為避難人員提供生存所必需的氧氣、水、食物等外，還必須具備濾除CO2、CO、異味氣體等有毒有害氣體的功能，確保救生艙中避難人員的環境健康安全。因此，對救生艙中毒有害氣體的濾除進行充分研究，并有效控制其濃度具有十分重要的意義。

1 救生艙中有毒有害氣體分析驗證

救生艙內有毒有害氣體主要為CO2、CO及異味氣體。

1.1 CO2氣體分析驗證

煤礦井下突發事故后，外界存在大量的有毒有害氣體，一方面由于避難人員進入救生艙時會帶來有毒有害氣體，主要包括CO2，另一方面在密閉環境中，由于人自身的新陳代謝活動會產生CO2。

表1為不同活動狀態下人體CO2產生情況模擬試驗結果。

在等待救援的短期時間內，二氧化碳濃度會逐漸升高。因此二氧化碳是最主要直接關系到避難人員生命安全的有害物。二氧化碳低濃度時為生理性呼吸興奮劑。當空氣中含量超過正常(0.03%)時，能使呼吸加深加快;如含量為1%時，能使正常人呼吸量增加25%;含量為3%時，使呼吸量增加2倍。但當含量為25%時，則可使呼吸中樞麻痹，并引起酸中毒，故吸入濃度不宜超過10%。另外，氧充足的空氣中二氧化碳濃度為5%時對人尚無害;但氧濃度為17%以下的空氣中含4%二氧化碳，即可使人中毒。

表1 人體CO2產生情況模擬試驗結果 L/min

圖1為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙載人試驗CO2曲線。

圖1 礦用可移動式救生艙載人試驗CO2曲線

1.2 CO氣體分析驗證

當逃生人員進入生存艙后，在密閉環境中人員生存最重要的問題是氧氣的供應與CO2的濾除，但是經過大量試驗證明，人體在密閉空間會自身代謝CO，檢出率為100%。CO被人體吸入之后會和血液中的血紅蛋白結合，進而使血紅蛋白不能與氧氣結合，從而引起機體組織出現缺氧，導致人體窒息死亡，在救生艙中具有極大的危害。經分析，一氧化碳的產生主要來自于人體的呼吸代謝及皮膚代謝。圖2為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙載人試驗CO曲線。

圖2 礦用可移動式救生艙載人試驗CO曲線

1.3 異味氣體分析

人在新陳代謝過程中會產生一定代謝氣體，還有排泄物等，會出現異味，需要濾除。經過以上分析驗證，救生艙中有毒有害氣體會直接危害避難人員的生命安全，濾除有毒有害氣體成為必須解決的問題。

2 有毒有害氣體濾除技術研究

2.1 工作原理

根據救生艙的設計要求，生存艙的CO2濃度不大于1.0%，CO濃度不大于0.002 4%，處理CO2的能力不低于0.5 L/(min人)，處理CO的能力應能保證在20 min內將濃度由0.04%降到0.002 4%以下。有毒有害氣體濾除裝置工作原理:設備艙內儲存在鋼瓶中的液態CO2經過噴射嘴使液體汽化，再經過平行管蒸發器制冷進而驅動氣動電機旋轉同時帶動風扇旋轉，使艙內氣體在風扇的作用下經過CO、CO2的吸咐劑，清新空氣由風扇葉片吹出。如圖3所示。

圖3 有毒有害氣體濾除裝置工作原理

2.2 吸附劑分析驗證

2.2.1 CO2吸附劑分析驗證

密閉空間中CO2氣體濾除技術主要有化學吸附法、物理吸收法、分離法、還原法、生物降解法。目前比較可行的方法是利用固態胺和氫氧化物，在KJYF－96/12礦用可移動式救生艙的研制過程中采用鈉石灰(氫氧化納)作為CO2吸附劑。

鈉石灰為規則型粉紅色柱狀顆粒，無異味，密封包裝，經國家煤礦防爆安全產品質量監督檢驗中心檢驗項目合格。粉塵率為 1.80%，水分含量為17.2%，CO2吸收率為34.6%。按照避險人數N為12人，避險時間T為96 h，計算出鈉石灰的配置量。

按人活動時CO2呼出量Q1=0.5 L/(min人)，人休息時CO2呼出量Q2=0.20 L/(min人)，其中，每人每天休息8 h(睡眠、平躺、平坐)，呼出的CO2總量

其中，

式中，W1為人活動時避險人員呼出CO2總量，kg; W2為人休息時避險人員呼出CO2總量，kg;ρq為氣態CO2密度，1.977×10－3kg/L。

Na(OH)2總量:W/r=(45.55+9.11)/35%= 156 kg。r為Na(OH)2吸收率，r≈35%。

考慮備用系數1.1，需要配置鈉石灰156×1.1=172 kg。

圖4為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙中12人12 h的CO2濃度試驗記錄。

圖4 礦用可移動式救生艙CO2濃度試驗記錄

2.2.2 CO吸附劑分析驗證

在KJYF－96/12礦用可移動式救生艙的研制過程中，CO吸附劑采用由大連天元氣體技術有限公司研制的一種負載鈀鉑催化劑——ACO系列催化劑。該催化劑可應用于室溫條件下微量CO的連續脫除及常溫條件下密閉環境內的CO消除。該催化劑于室溫(≥15℃)、氣體濕度≤90%、空速((3～10)×104h－1)條件下，將CO全部轉化，殘余CO量≤5×10－6，單周期使用時間不低于120 h，經簡易再生可重復使用5個周期以上。空置時密封包裝，用時拆封。使用時可在催化劑前面放置1∶1～1∶2體積的活性碳或氧化鋁分子篩。

主要物化性能:顆粒大小2～3 mm，堆密度0.75 g/mL，持續處理時間≥120 h。

使用注意事項:①艙體大小和催化劑的用量。每立方米艙體需要催化劑量為0.4～0.6 kg，具體用量和艙內通風情況密切相關。②使用ACO系列催化劑進行人體入艙試驗時需用紅外CO測試儀，電化學儀器易受其他氣體干擾，造成測量誤差。為延長使用壽命，建議催化劑上層放置等體積的活性碳或分子篩吸附劑。③催化劑性能。5～15 min內將400×10－6(0.04%)一氧化碳處理至 24×10－6(0.002 4%)以下，在120 h時間內持續保證艙內一氧化碳濃度低于24×10－6。

按照避險人數12人，避險時間96 h，計算出ACO系列催化劑的配置量:記初始時刻CO濃度為Q，在CO吸附劑作用下t時刻CO濃度減至p，即

式中，V為救生艙中的氣體容積，10.7 m3;Q為初始時刻CO濃度;p為t時刻CO濃度;e為一氧化碳吸附劑單位時間吸附的一氧化碳量，m3/min，由注意事項③可知e=(0.04% －0.0024%)V/15=0.003 (m3/min)。

現要求在20 min內將一氧化碳濃度由0.04%降到0.002 4%以下，取Q=0.04%，p=0.002 4%。把各數據代入式(2)，可得t=15 min＜20 min，滿足要求。

由注意事項①可知，1m3艙體需ACO系列催化劑0.4～0.6 kg，則10.7 m3救生艙需ACO系列催化劑為4.3～6.5 kg。

圖5為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙CO濃度單項試驗記錄。

圖5 礦用可移動式救生艙CO濃度單項試驗記錄

從圖5中可知，在小于20 min的時間內，CO由最大值480×10－6降為零。

圖6為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙中12人12 h的CO濃度試驗記錄

2.2.3 異味氣體濾除

采用活性炭異味吸附劑濾除艙內異味，根據艙內環境情況與CO吸附劑進行互換。

圖6 礦用可移動式救生艙中12人12 h的CO濃度試驗記錄

2.3 風機設計技術研究

選用美國GAST公司生產的NL22－NCC－1型電機2臺，一臺氣動電機進口用高壓CO2氣體(制冷劑氣化后)驅動連續運轉，用于艙內氣體循環和CO2濾除，另一臺氣動電機用壓縮空氣驅動間歇運轉，工作壓力為0.5 MPa。空氣經過CO吸附劑濾除CO，當生存艙異味很大時，將CO吸附劑換成活性炭，開啟壓縮空氣閥門讓氣動電機運轉，帶動空氣循環，用于異味濾除。氣動電機帶動的葉輪材質為碳纖維阻燃導電尼龍，已通過相關測試合格。

3 結論

通過對救生艙中有毒有害氣體的理論分析與試驗驗證，研究出適用于煤礦救生艙中有毒有害氣體濾除技術和濾除系統。在救生艙研制過程試驗中采用了鈉石灰吸附劑、ACO系列催化劑，有效實現了有毒有害氣體濾除，并達到了技術指標要求，可為緊急避險中避難人員提供環境健康保障。

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