矿用救生舱中有毒有害气体滤除研究*

2013-04-03王彦平

金属矿山 2013年2期

王彦平

(中国煤炭科工集团煤炭科学研究总院)

我国作为能源消费大国，煤炭在能源生产的大格局中占有绝对的比重，达到近70%。我国的煤炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3，但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5。煤矿事故的发生严重威胁煤矿工人的生命安全。在以人为本理念成为世界发展潮流的大环境下，积极开展矿山安全保障技术的研究与开发，不仅是我国建设和谐社会的必然要求，更是时刻遭受矿井灾害威胁的煤矿工人的迫切愿望。

矿用救生舱可为矿工在灾变环境下提供系统稳定可靠，生活保障物资齐全的维生空间，把灾害的损失降到最低，是在矿井发生灾变或意外事故时，井下作业人员用于逃生、避险、等待救援的一个与外界隔离的庇护装备。救生舱中除了为避难人员提供生存所必需的氧气、水、食物等外，还必须具备滤除CO2、CO、异味气体等有毒有害气体的功能，确保救生舱中避难人员的环境健康安全。因此，对救生舱中毒有害气体的滤除进行充分研究，并有效控制其浓度具有十分重要的意义。

1 救生舱中有毒有害气体分析验证

救生舱内有毒有害气体主要为CO2、CO及异味气体。

1.1 CO2气体分析验证

煤矿井下突发事故后，外界存在大量的有毒有害气体，一方面由于避难人员进入救生舱时会带来有毒有害气体，主要包括CO2，另一方面在密闭环境中，由于人自身的新陈代谢活动会产生CO2。

表1为不同活动状态下人体CO2产生情况模拟试验结果。

在等待救援的短期时间内，二氧化碳浓度会逐渐升高。因此二氧化碳是最主要直接关系到避难人员生命安全的有害物。二氧化碳低浓度时为生理性呼吸兴奋剂。当空气中含量超过正常(0.03%)时，能使呼吸加深加快;如含量为1%时，能使正常人呼吸量增加25%;含量为3%时，使呼吸量增加2倍。但当含量为25%时，则可使呼吸中枢麻痹，并引起酸中毒，故吸入浓度不宜超过10%。另外，氧充足的空气中二氧化碳浓度为5%时对人尚无害;但氧浓度为17%以下的空气中含4%二氧化碳，即可使人中毒。

表1 人体CO2产生情况模拟试验结果 L/min

图1为KJYF－96/12矿用可移动式救生舱载人试验CO2曲线。

图1 矿用可移动式救生舱载人试验CO2曲线

1.2 CO气体分析验证

当逃生人员进入生存舱后，在密闭环境中人员生存最重要的问题是氧气的供应与CO2的滤除，但是经过大量试验证明，人体在密闭空间会自身代谢CO，检出率为100%。CO被人体吸入之后会和血液中的血红蛋白结合，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡，在救生舱中具有极大的危害。经分析，一氧化碳的产生主要来自于人体的呼吸代谢及皮肤代谢。图2为KJYF－96/12矿用可移动式救生舱载人试验CO曲线。

图2 矿用可移动式救生舱载人试验CO曲线

1.3 异味气体分析

人在新陈代谢过程中会产生一定代谢气体，还有排泄物等，会出现异味，需要滤除。经过以上分析验证，救生舱中有毒有害气体会直接危害避难人员的生命安全，滤除有毒有害气体成为必须解决的问题。

2 有毒有害气体滤除技术研究

2.1 工作原理

根据救生舱的设计要求，生存舱的CO2浓度不大于1.0%，CO浓度不大于0.002 4%，处理CO2的能力不低于0.5 L/(min人)，处理CO的能力应能保证在20 min内将浓度由0.04%降到0.002 4%以下。有毒有害气体滤除装置工作原理:设备舱内储存在钢瓶中的液态CO2经过喷射嘴使液体汽化，再经过平行管蒸发器制冷进而驱动气动电机旋转同时带动风扇旋转，使舱内气体在风扇的作用下经过CO、CO2的吸咐剂，清新空气由风扇叶片吹出。如图3所示。

图3 有毒有害气体滤除装置工作原理

2.2 吸附剂分析验证

2.2.1 CO2吸附剂分析验证

密闭空间中CO2气体滤除技术主要有化学吸附法、物理吸收法、分离法、还原法、生物降解法。目前比较可行的方法是利用固态胺和氢氧化物，在KJYF－96/12矿用可移动式救生舱的研制过程中采用钠石灰(氢氧化纳)作为CO2吸附剂。

钠石灰为规则型粉红色柱状颗粒，无异味，密封包装，经国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心检验项目合格。粉尘率为 1.80%，水分含量为17.2%，CO2吸收率为34.6%。按照避险人数N为12人，避险时间T为96 h，计算出钠石灰的配置量。

按人活动时CO2呼出量Q1=0.5 L/(min人)，人休息时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总量

其中，

式中，W1为人活动时避险人员呼出CO2总量，kg; W2为人休息时避险人员呼出CO2总量，kg;ρq为气态CO2密度，1.977×10－3kg/L。

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

考虑备用系数1.1，需要配置钠石灰156×1.1=172 kg。

图4为KJYF－96/12矿用可移动式救生舱中12人12 h的CO2浓度试验记录。

图4 矿用可移动式救生舱CO2浓度试验记录

2.2.2 CO吸附剂分析验证

在KJYF－96/12矿用可移动式救生舱的研制过程中，CO吸附剂采用由大连天元气体技术有限公司研制的一种负载钯铂催化剂——ACO系列催化剂。该催化剂可应用于室温条件下微量CO的连续脱除及常温条件下密闭环境内的CO消除。该催化剂于室温(≥15℃)、气体湿度≤90%、空速((3～10)×104h－1)条件下，将CO全部转化，残余CO量≤5×10－6，单周期使用时间不低于120 h，经简易再生可重复使用5个周期以上。空置时密封包装，用时拆封。使用时可在催化剂前面放置1∶1～1∶2体积的活性碳或氧化铝分子筛。

主要物化性能:颗粒大小2～3 mm，堆密度0.75 g/mL，持续处理时间≥120 h。

使用注意事项:①舱体大小和催化剂的用量。每立方米舱体需要催化剂量为0.4～0.6 kg，具体用量和舱内通风情况密切相关。②使用ACO系列催化剂进行人体入舱试验时需用红外CO测试仪，电化学仪器易受其他气体干扰，造成测量误差。为延长使用寿命，建议催化剂上层放置等体积的活性碳或分子筛吸附剂。③催化剂性能。5～15 min内将400×10－6(0.04%)一氧化碳处理至 24×10－6(0.002 4%)以下，在120 h时间内持续保证舱内一氧化碳浓度低于24×10－6。

按照避险人数12人，避险时间96 h，计算出ACO系列催化剂的配置量:记初始时刻CO浓度为Q，在CO吸附剂作用下t时刻CO浓度减至p，即

式中，V为救生舱中的气体容积，10.7 m3;Q为初始时刻CO浓度;p为t时刻CO浓度;e为一氧化碳吸附剂单位时间吸附的一氧化碳量，m3/min，由注意事项③可知e=(0.04% －0.0024%)V/15=0.003 (m3/min)。

现要求在20 min内将一氧化碳浓度由0.04%降到0.002 4%以下，取Q=0.04%，p=0.002 4%。把各数据代入式(2)，可得t=15 min＜20 min，满足要求。

由注意事项①可知，1m3舱体需ACO系列催化剂0.4～0.6 kg，则10.7 m3救生舱需ACO系列催化剂为4.3～6.5 kg。

图5为KJYF－96/12矿用可移动式救生舱CO浓度单项试验记录。

图5 矿用可移动式救生舱CO浓度单项试验记录

从图5中可知，在小于20 min的时间内，CO由最大值480×10－6降为零。

图6为KJYF－96/12矿用可移动式救生舱中12人12 h的CO浓度试验记录

2.2.3 异味气体滤除

采用活性炭异味吸附剂滤除舱内异味，根据舱内环境情况与CO吸附剂进行互换。

图6 矿用可移动式救生舱中12人12 h的CO浓度试验记录

2.3 风机设计技术研究

选用美国GAST公司生产的NL22－NCC－1型电机2台，一台气动电机进口用高压CO2气体(制冷剂气化后)驱动连续运转，用于舱内气体循环和CO2滤除，另一台气动电机用压缩空气驱动间歇运转，工作压力为0.5 MPa。空气经过CO吸附剂滤除CO，当生存舱异味很大时，将CO吸附剂换成活性炭，开启压缩空气阀门让气动电机运转，带动空气循环，用于异味滤除。气动电机带动的叶轮材质为碳纤维阻燃导电尼龙，已通过相关测试合格。