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(tuán)煤炭科學(xué)研究總院)

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

礦用救生艙可為礦工在災(zāi)變環(huán)境下提供系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，生活保障物資齊全的維生空間，把災(zāi)害的損失降到最低，是在礦井發(fā)生災(zāi)變或意外事故時(shí)，井下作業(yè)人員用于逃生、避險(xiǎn)、等待救援的一個(gè)與外界隔離的庇護(hù)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(huán)境健康安全。因此，對救生艙中毒有害氣體的濾除進(jìn)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(yàn)證

救生艙內(nèi)有毒有害氣體主要為CO2、CO及異味氣體。

1.1 CO2氣體分析驗(yàn)證

煤礦井下突發(fā)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(jìn)入救生艙時(shí)會帶來有毒有害氣體，主要包括CO2，另一方面在密閉環(huán)境中，由于人自身的新陳代謝活動會產(chǎn)生CO2。

表1為不同活動狀態(tài)下人體CO2產(chǎn)生情況模擬試驗(yàn)結(jié)果。

在等待救援的短期時(shí)間內(nèi)，二氧化碳濃度會逐漸升高。因此二氧化碳是最主要直接關(guān)系到避難人員生命安全的有害物。二氧化碳低濃度時(shí)為生理性呼吸興奮劑。當(dāng)空氣中含量超過正常(0.03%)時(shí)，能使呼吸加深加快;如含量為1%時(shí)，能使正常人呼吸量增加25%;含量為3%時(shí)，使呼吸量增加2倍。但當(dāng)含量為25%時(shí)，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(shí)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(chǎn)生情況模擬試驗(yàn)結(jié)果 L/min

圖1為KJYF－96/12礦用可移動式救生艙載人試驗(yàn)CO2曲線。

圖1 礦用可移動式救生艙載人試驗(yàn)CO2曲線

1.2 CO氣體分析驗(yàn)證

當(dāng)逃生人員進(jìn)入生存艙后，在密閉環(huán)境中人員生存最重要的問題是氧氣的供應(yīng)與CO2的濾除，但是經(jīng)過大量試驗(yàn)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(jié)合，進(jìn)而使血紅蛋白不能與氧氣結(jié)合，從而引起機(jī)體組織出現(xiàn)缺氧，導(dǎo)致人體窒息死亡，在救生艙中具有極大的危害。經(jīng)分析，一氧化碳的產(chǎn)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(yàn)CO曲線。

圖2 礦用可移動式救生艙載人試驗(yàn)CO曲線

1.3 異味氣體分析

人在新陳代謝過程中會產(chǎn)生一定代謝氣體，還有排泄物等，會出現(xiàn)異味，需要濾除。經(jīng)過以上分析驗(yàn)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(shù)研究

2.1 工作原理

根據(jù)救生艙的設(shè)計(jì)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(yīng)能保證在20 min內(nèi)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(shè)備艙內(nèi)儲存在鋼瓶中的液態(tài)CO2經(jīng)過噴射嘴使液體汽化，再經(jīng)過平行管蒸發(fā)器制冷進(jìn)而驅(qū)動氣動電機(jī)旋轉(zhuǎn)同時(shí)帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，使艙內(nèi)氣體在風(fēng)扇的作用下經(jīng)過CO、CO2的吸咐劑，清新空氣由風(fēng)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(yàn)證

2.2.1 CO2吸附劑分析驗(yàn)證

密閉空間中CO2氣體濾除技術(shù)主要有化學(xué)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(tài)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(guī)則型粉紅色柱狀顆粒，無異味，密封包裝，經(jīng)國家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)項(xiàng)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(xiǎn)人數(shù)N為12人，避險(xiǎn)時(shí)間T為96 h，計(jì)算出鈉石灰的配置量。

按人活動時(shí)CO2呼出量Q1=0.5 L/(min人)，人休息時(shí)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(shí)避險(xiǎn)人員呼出CO2總量，kg; W2為人休息時(shí)避險(xiǎn)人員呼出CO2總量，kg;ρq為氣態(tài)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(shù)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(yàn)記錄。

圖4 礦用可移動式救生艙CO2濃度試驗(yàn)記錄

2.2.2 CO吸附劑分析驗(yàn)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?dú)怏w技術(shù)有限公司研制的一種負(fù)載鈀鉑催化劑——ACO系列催化劑。該催化劑可應(yīng)用于室溫條件下微量CO的連續(xù)脫除及常溫條件下密閉環(huán)境內(nèi)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(zhuǎn)化，殘余CO量≤5×10－6，單周期使用時(shí)間不低于120 h，經(jīng)簡易再生可重復(fù)使用5個(gè)周期以上?？罩脮r(shí)密封包裝，用時(shí)拆封。使用時(shí)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(xù)處理時(shí)間≥120 h。

使用注意事項(xiàng):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(nèi)通風(fēng)情況密切相關(guān)。②使用ACO系列催化劑進(jìn)行人體入艙試驗(yàn)時(shí)需用紅外CO測試儀，電化學(xué)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(nèi)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(shí)間內(nèi)持續(xù)保證艙內(nèi)一氧化碳濃度低于24×10－6。

按照避險(xiǎn)人數(shù)12人，避險(xiǎn)時(shí)間96 h，計(jì)算出ACO系列催化劑的配置量:記初始時(shí)刻CO濃度為Q，在CO吸附劑作用下t時(shí)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(shí)刻CO濃度;p為t時(shí)刻CO濃度;e為一氧化碳吸附劑單位時(shí)間吸附的一氧化碳量，m3/min，由注意事項(xiàng)③可知e=(0.04% －0.0024%)V/15=0.003 (m3/min)。

現(xiàn)要求在20 min內(nèi)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(shù)據(jù)代入式(2)，可得t=15 min＜20 min，滿足要求。

由注意事項(xiàng)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(xiàng)試驗(yàn)記錄。

圖5 礦用可移動式救生艙CO濃度單項(xiàng)試驗(yàn)記錄

從圖5中可知，在小于20 min的時(shí)間內(nèi)，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(yàn)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(nèi)異味，根據(jù)艙內(nèi)環(huán)境情況與CO吸附劑進(jìn)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(yàn)記錄

2.3 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

選用美國GAST公司生產(chǎn)的NL22－NCC－1型電機(jī)2臺，一臺氣動電機(jī)進(jìn)口用高壓CO2氣體(制冷劑氣化后)驅(qū)動連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，用于艙內(nèi)氣體循環(huán)和CO2濾除，另一臺氣動電機(jī)用壓縮空氣驅(qū)動間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，工作壓力為0.5 MPa?？諝饨?jīng)過CO吸附劑濾除CO，當(dāng)生存艙異味很大時(shí)，將CO吸附劑換成活性炭，開啟壓縮空氣閥門讓氣動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動空氣循環(huán)，用于異味濾除。氣動電機(jī)帶動的葉輪材質(zhì)為碳纖維阻燃導(dǎo)電尼龍，已通過相關(guān)測試合格。

3 結(jié)論

通過對救生艙中有毒有害氣體的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，研究出適用于煤礦救生艙中有毒有害氣體濾除技術(shù)和濾除系統(tǒng)。在救生艙研制過程試驗(yàn)中采用了鈉石灰吸附劑、ACO系列催化劑，有效實(shí)現(xiàn)了有毒有害氣體濾除，并達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，可為緊急避險(xiǎn)中避難人員提供環(huán)境健康保障。

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