動力送風式濾塵呼吸器的研究現狀與發展趨勢

白雪

(1.中國煤炭科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.沈陽煤炭科學研究所有限公司，遼寧 沈陽 110011)

0 引言

目前我國正處于工業化、城鎮化快速發展階段，幾十年粗放式發展中積累的職業病問題逐漸顯現，塵肺病等職業病防治形勢仍然十分嚴峻[1]。截至2018年底，全國累計報告各類職業病97萬余例，其中約90%是職業性塵肺病(87萬余例)。

煤炭、化工、冶金等行業均是有職業性塵肺病潛在危害的行業，目前一線工人主要是通過佩戴自吸過濾式防塵口罩，預防吸入粉塵，保護個人健康。此類口罩一般為過濾棉材質，呼吸阻力大，阻塵率低，佩戴舒適性差，很多工人寧愿舍棄健康也不愿佩戴防塵口罩[2-4]。

當前塵肺病防治工作面臨一系列突出問題，其中關鍵一點就是職業健康監管和職業病防治技術能力不足，缺乏專業技術人員和裝備。國內外專家學者在呼吸過濾防護技術領域開展研究表明，動力送風過濾式呼吸器是粉塵環境下個人呼吸防護的有效手段[5]，具有廣闊的應用前景。

1 動力送風式濾塵呼吸器及分類

動力送風過濾式呼吸器(Powered air-purifying respirator，縮寫為PAPR)是靠電動風機克服呼吸器部件阻力的一類過濾式呼吸防護裝備[6]。PAPR產品一般由送風機、過濾元件、電池、頭/面罩、連接導管、身體佩戴固定裝置等組成。通過對國內外同類產品的應用情況分析可知，此類呼吸防護裝備產品可具有防毒和防顆粒物等功能，可使用密合型面罩或松配合面罩/頭罩，送風量可從低到高(從負壓到正壓)，從而保障較高的防護水平和較好的舒適性[7-8]。

PAPR產品所涉及的種類較多，通常可按面罩類型和壓力模式進行分類。按面罩類型，PAPR可分為密合型面罩、開放型面罩和送氣頭罩3種，其中密合型面罩又分為半面罩和全面罩，開放型面罩和送風頭罩又可統稱為松配合型面罩；開放型面罩或送氣頭罩還可以含硬的頭盔或面屏，以提供頭面部抗機械沖擊危害或焊接防護。如果按照面罩內壓力模式可分為正壓式和負壓式。此外，也可按照過濾元件類型分類，分為單純防顆粒物P類以及防顆粒物和防毒的綜合防護類[9]。PAPR具體分類和標記見表1。本文主要研究的是正壓式密合型面罩，防顆粒物主要指的是粉塵，以下簡稱濾塵呼吸器。

表1 PAPR的分類

2 濾塵呼吸器研究現狀分析

近年來，動力送風式濾塵呼吸器在許多工業生產、公共安全等領域得到廣泛應用。與自吸過濾式口罩不同的是，動力送風式濾塵呼吸器增加了以電為動力的送風裝置，該送風裝置可自主高效吸入外界空氣，送至呼吸面罩內，降低呼吸阻力以改善佩戴舒適度，更加適合較高勞動強度的作業需求。同時，在較高送風量條件下，還能使面罩內保持正壓呼吸環境，有效阻止吸氣過程中外部污染空氣進入面罩，提高了防護的可靠性；增加了使用不需要和臉部緊密密合的松配合面罩(如開放式面罩和送氣頭罩)的可能，進而提高了口罩與人員的適配性和佩戴的舒適性。此外，還可以將呼吸、眼、面及頭部防護結合在一起，以實現綜合性職業安全防護需求。

我國對此類呼吸器的研究始于20世紀80年代，目前長管呼吸器的技術性能相對完備，并取得一定應用。長管呼吸器主要由面罩、主機和導氣管3部分組成。主機內集成有電力送風、濾塵凈化等設備，佩戴者將主機固定于腰間，面罩固定于面部，主機內風機將含塵空氣抽入并過濾凈化，然后通過導氣管(長管)送至防塵面罩內，供佩戴者呼吸使用。結構如圖 1 所示[10]，該類設備需要配合肩帶或腰帶使用，從而達到人體受力均勻的效果，其送風量約為75 L/min，且在一定范圍內可手動調節，電池持續使用時間大約6 h。

圖1 長管呼吸面罩結構

將濾塵設備和礦工安全帽相結合研發出一種礦山防塵循環助吸裝置[11],如圖2所示，該裝置主要由防護裝置、吸氣循環裝置和排氣循環裝置3部分組成。防護裝置包括安全帽和呼吸面罩，吸氣循環裝置包括進風濾塵與動力組件和送風管，排氣循環裝置包括排風口及組件、排風管。使用時，首先將安全帽主體置于頭頂，呼吸面罩固定于口鼻處,打開呼吸面罩密封腔內開關，當吸氣時,電動吸氣扇轉動，空氣由進氣通風口依次進入除塵過濾層、活性炭分子層和消毒層進行空氣過濾凈化，通過進氣管進入呼吸面罩內供人吸氣。呼氣時，廢氣通過出氣管進入排氣腔，電動排氣扇轉動,使廢氣由排氣通風口快速排出,達到防塵循環助吸的目的。可以有效過濾空氣中的灰塵，有效降低礦工長時間攜帶防塵設備的載荷。

1-進風濾塵與動力組件；2-呼吸面罩；3-排風管；4-送風管；5-安全帽；6-排風口及組件。

濕式濾塵送風呼吸器，利用小型風機將含粉塵的空氣經過水洗后供給人員呼吸，結構如圖3所示[12]。其工作原理是電動機帶動風機吸入外界空氣，產生機械風壓，并將產生的壓力風經過高效黏性溶液水洗，空氣中較大的粉塵顆粒在慣性作用下沉淀在水溶液中，而其他細小的粉塵顆粒會被水溶液捕獲，并且氣流沖擊水面所產生的液滴和氣泡增強了捕塵能力，經過濕式過濾后的空氣經軟管送到呼吸面具內，供人員呼吸使用。

1-風量調節器；2-電動機；3-風機；4-進風口；5-濕式過濾盒；6-送風管；7-面罩；8-呼吸閥。

上述3種濾塵呼吸器的基本原理和外形結構都比較類似，是目前國內動力送風式濾塵呼吸設備較為典型的研究方向。

3 關鍵技術參數及其測定

3.1 送風量

動力送風式濾塵呼吸器的防護能力與使用者口鼻處空氣環境是否為“正壓”密切相關，而正壓與否和使用者的實際呼吸量，即勞動強度直接相關。不同的勞動強度對應不同的呼吸流量，通過大量的文獻調研同時結合驗證試驗的結果，以我國典型作業人群在中等勞動強度下的平均吸氣峰值流量作為最低送風量要求，可作為強制送風模式下送風量技術要求的基準值。制造商設計最低送風量技術要求如下表所示[13]。

表2 制造商設計最低送風量技術要求

送風量的測定一般可通過測試風速和通風截面積計算得到，具體如公式(1)所示。

(1)

3.2 阻塵率

阻塵率是指在規定測試條件下，過濾元件濾除粉塵顆粒物的百分比。使用油性顆粒物測試，P95級防顆粒物過濾元件和綜合防護過濾元件的阻塵率不應低于95.00%，P100級防顆粒物過濾元件的綜合防護過濾元件的阻塵率不應低于99.97%。阻塵率的測定一般可借助于粉塵采樣器，在呼吸器的濾塵送風口和面罩送風口處同時采樣，采樣時間不小于10 min，阻塵率可按公式(2)計算。

(2)

式中:η為阻塵率，%；c1為濾塵呼吸器進風口處平均粉塵濃度，mg/m3；c2為經過濾，呼吸器面罩進風口處平均粉塵濃度，mg/m3。

3.3 其他參數

濾塵呼吸器的呼吸阻力、呼吸閥氣密性、防護時間及噪聲等參數也是衡量其性能的關鍵指標，其中呼吸阻力一般采用壓差計進行測量，正常工作狀態下，呼吸阻力一般不得大于196 Pa。呼吸閥氣密性可使用壓差計、抽氣泵進行測量，抽氣流速為500mL/min時，負壓小于1 960 Pa，且負壓由1 960 Pa恢復到0的時間應大于10 s。濾塵呼吸器的連續工作時間不應小于6 h，且送風量和阻塵率均應達到最低設計要求。噪聲一般不應大于70 dB(A)。

4 濾塵呼吸器發展趨勢

粉塵環境下工人在勞動作業時，由于井下環境復雜，工作量大，體力消耗快，因此有效的氧氣供給，是緩解工人疲勞、為企業提供安全生產的有效途徑[14]。動力送風式濾塵呼吸器在我國已經得到一定程度的開發應用，但從總體上看仍然處于初級階段，且在結構上仍然存在一些弊端。例如：長管呼吸器，由于增加了電動機、小型風機等輔助送風設備，使得長管呼吸面罩的質量較大，不便于長時間、高強度勞動作業使用，而且設備需佩戴在腰間，并由較長導管連接，結構復雜，不利于靈活勞動。礦山防塵循環助吸裝置可以有效降低礦工長時間攜帶防塵設備的載荷，但若長期在高粉塵高濕環境下，呼吸阻率仍會增大，還需要定期更換濾塵網，而在帽殼與頭頂之間具有的一定大容量空隙的利用價值實際上并沒有充分實現。濕式防塵口罩與長管呼吸器類似，除塵盒與呼吸面罩之間由較長的軟管連接，并且該結構包含一個箱體，攜帶比較笨重,增加了粉塵環境下作業人員的工作負荷，長時間工作還會降低工人工作效率。

國外濾塵呼吸裝備正趨于輕便、小型化方向發展，美國、日本、德國、澳大利亞等國研制的頭戴式防塵呼吸面罩，采用微型風機、一體化成型設計，不僅克服了呼吸阻力，而且結構小巧、佩戴輕便,風量設計和面罩外形結構與其人種特點相適應。我國的動力送風式濾塵呼吸器研究也逐步向安全智能、重量輕、體積小、佩戴方便、持久耐用等方向發展。在外觀結構方面，逐漸趨于小型化、便捷化，例如：取消原有的長管設計方式，集成一體化為脖頸佩戴式，風機、過濾器等元件小型化，嵌入到氣流通風管中，減輕設備整體重量的同時，便于靈活勞動，面罩設計符合亞洲人面部結構特征。電氣性能方面，由固定風量式向智能化風量控制方式發展，即可根據佩戴者呼吸流量自動調節送風量，提高呼吸舒適性的同時降低功耗、提升續航時間。這種控制方式主要是通過在呼吸器內嵌壓力傳感器實現的。

5 結論

為了克服自吸過濾式防塵裝備呼吸阻力偏高的缺點，解決阻塵率與呼吸阻力間的矛盾，近年來許多學者在主動送風過濾式呼吸器方向展開研究，研制出多種類型的電動送風個體防護用具，如：過濾式送風防塵呼吸器、電動送風防塵頭盔等。通過對動力送風過濾式呼吸器的技術背景和發展現狀分析研究得出，智能、輕便、小型化成為動力送風過濾式呼吸器的發展趨勢，較自吸過濾式防塵口罩及自給式空氣呼吸器應用將更加廣泛。