礦用避險設施內空氣凈化系統應用研究

2014-06-01 10:26:12

中國新技術新產品 2014年2期

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

礦用避險設施內空氣凈化系統應用研究

衛文慧

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

根據煤礦礦難時的實際情況和潛艇空氣凈化技術，對礦用緊急避險設施內空氣凈化技術進行了研究，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行了計算，設計了一種適用于煤礦密閉救生裝置的空氣凈化裝置。實驗研究表明，此裝置操作簡便、吸收阻力低、性能穩定、獨立性強、吸收效率高，適用于煤礦密閉救生裝置內空氣凈化。

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，同時我國是煤礦安全事故頻發的國家。煤礦事故的發生嚴重威脅煤礦工人的生命安全，也會造成一定的經濟損失。2010年智利礦難中避難設施的成功應用，促進了我國井下避險系統的建設。2010年7月27日，要求2013年前，所有煤礦都要安裝避險設施，并于3年之內完成。也正是這一政策，促進了緊急避險系統的快速發展。

1 緊急避險設施內空氣凈化特點

緊急避險設施是指在煤礦井下發生緊急情況下，為遇險人員安全避險提供生命保障的設施、設備、食物等組成的整體。緊急避險設施主要包括永久避難硐室、臨時避難硐室、可移動式救生艙。該設施能夠抵御高溫煙氣，隔絕有毒有害氣體，對內提供氧氣、食物、水，凈化有毒有害氣體，創造生存基本條件。

1）無外部動力電源。井下發生災變后，礦井電力供應可能因災變而中斷，密閉空間無法得到外界動力支持，凈化裝置的運轉需依靠儲備動力。

2）密閉空間有效容積小。救生設備自身體積較少，同時容納避險人員和衛生系統，內置凈化裝置尺寸受到限制。

3）一定的空氣凈化能力。緊急避險設施是一個有限密閉的空間，隨著救援時間的不斷增加，污染物將不斷增加，濃度不斷增大，生存環境逐漸惡化。密閉空間內成分十分復雜，我國從潛艇內檢測出652種組分，其中無機組分共44種，有機組分608種；有機氣體中脂肪烴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。避險人員代謝時會產生CO2及H2O，代謝方程式為：

按照國家標準，處理CO2能力應不低于0.5L/ min·人，且CO2濃度不高于1%，處理CO2時，不產生其他附加影響；避難設施在使用時，CO可能會隨避險人員進入設施內，處理CO的能力應能保證在20min內將CO濃度由0.04%降到0.0024%以下，整個救援期間，避險設施內的濕度不得大于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，通過風機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生的氧氣重新輸送至艙室內呼吸使用。

（2）過（超）氧化物吸收法：利用過（超）氧化物與空氣中的CO2反應生成相應的鹽并釋放出氧氣，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，可與酸性二氧化碳氣體發生酸堿反應產生穩定的碳酸鹽，并且反應過程中不會產生其他污染性氣體，常用在工業生產中二氧化碳的去除。

一乙醇胺清除二氧化碳在密閉空間內基本能滿足要求，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設施中使用；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，但是煤礦緊急避險設施存在爆炸的危險性，由于過（超）氧化物反應劇烈，會給煤礦安全帶來隱患，因此無法在緊急避險設施內使用；考慮井下工作條件和人員安全的現實，選取金屬氫氧化進行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。經過大量實驗證實，氫氧化鋰初期具有較大的粉塵率，而鈉石灰是一次性醫用耗材的一種，腹腔鏡手術或者其它全麻手術中用以吸收二氧化碳。從安全角度上來講，我們優先選取鈉石灰做為二氧化碳吸收劑。

2.2 密閉空間內CO凈化方法

（1）霍加拉特觸媒催化氧化法?；艏永卮呋瘎┦怯苫钚訫nO2和CuO按一定比例制成的顆粒狀催化劑，在呼吸保護方面時應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 二氧化碳濃度隨時間的變化曲線

圖3 平均濃度與吸收劑質量的關系圖

（2）貴金屬低溫催化氧化法。自從研究人員首次發現金屬氧化物對CO氧化反應有促進作用以來，許多學者對貴金屬催化劑進行了研究和優化?，F已發展出多種貴金屬一氧化碳催化劑，在CO與O2的反應中，貴金屬以其良好的吸附活性被認為是首選催化劑。

霍加拉特觸媒的活性與氣體的潮濕環境息息相關，在煤礦潮濕的環境下，不宜采取霍加拉特觸媒做為一氧化碳的催化劑。因此在煤礦避險設施中，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。吸附方式及反應產物不同為分物理吸附干燥劑和化學吸附干燥劑。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，避險設施中優先選擇吸水樹脂做為干燥劑。

3 凈化系統的設計

目前市場專為救生艙設計的風機主要集中在24V（30～50W），風機在空載條件下平均最大風速為14m/s，最大風量為350m3/ h，全壓P=120Pa。受阻力降限制整個凈化系統床層的厚度不宜超過50mm，本設計凈化床采用串聯方式。由于密閉空間內空間的影響，凈化系統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產生一定量的水，產生的水會對一氧化碳催化劑的催化性能產生影響。我們用三個床層，二氧化碳吸收→除濕劑→一氧化碳催化劑，反復循環密閉空間內的空氣，凈化系統的吸收床層示意圖如圖1所示。

3.1 二氧化碳床層的設計

二氧化碳吸收的過程中，溶質二氧化碳首先由氣相流經至氣、固界面，隨后在由界面向固相主體流動，與吸收劑中有效組分發生化學反應。反應的離子方程式為:

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，還與固相中的有效成分、擴散速率等因素有關。這就使得化學吸收的過程十分復雜，介于這樣的理論模型，目前仍無可靠的一般方法，設計時往往按照實測數據進行理論分析，在通過理論分析的數據對設計進行指導。

現在我們對面積進行限定，由于密閉空間的特殊性，我們將凈化系統的面積初步定于440mm×440mm，然后逐步對藥劑量增加進行試驗，通過對比試驗與數據處理分析，我們將得出反應的最佳平衡濃度與藥劑量的關系。并通過試驗對藥床厚度及質量選取產生設計依據。

將風機的風量調至恒定值（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的密閉空間內通入濃度為99%的二氧化碳氣體。并將風機風量調至最大值。觀察并記錄數據，通過對記錄數據進行數值分析后得到圖2所示的二氧化碳濃度在不同質量吸收劑下（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間無限制的升高，無法產生平衡點；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。但是究竟哪個平衡點才是真正的最佳點呢，我們通過進一步的數值分析得出理論。因為數據中濃度的平衡點并非穩態，因此我們采取平均值作為數據，因此根據平均值可以得到平均濃度與加入二氧化碳吸收劑的關系如圖3所示。

3.2 二氧化碳總量的設計

根據設計標準，救生設施處理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，避險人員在使用設備時新陳代謝產生的CO2質量為