矿用避险设施内空气净化系统应用研究

2014-06-01

中国新技术新产品 2014年2期

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

矿用避险设施内空气净化系统应用研究

卫文慧

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

根据煤矿矿难时的实际情况和潜艇空气净化技术，对矿用紧急避险设施内空气净化技术进行了研究，选择合适的二氧化碳吸收剂、分子筛干燥剂和一氧化碳催化剂。并对各种气体的吸收率及浓度变化进行了计算，设计了一种适用于煤矿密闭救生装置的空气净化装置。实验研究表明，此装置操作简便、吸收阻力低、性能稳定、独立性强、吸收效率高，适用于煤矿密闭救生装置内空气净化。

二氧化碳去除；一氧化碳催化；除湿；吸收床

我国是资源大国，有着丰富的煤矿资源，同时我国是煤矿安全事故频发的国家。煤矿事故的发生严重威胁煤矿工人的生命安全，也会造成一定的经济损失。2010年智利矿难中避难设施的成功应用，促进了我国井下避险系统的建设。2010年7月27日，要求2013年前，所有煤矿都要安装避险设施，并于3年之内完成。也正是这一政策，促进了紧急避险系统的快速发展。

1 紧急避险设施内空气净化特点

紧急避险设施是指在煤矿井下发生紧急情况下，为遇险人员安全避险提供生命保障的设施、设备、食物等组成的整体。紧急避险设施主要包括永久避难硐室、临时避难硐室、可移动式救生舱。该设施能够抵御高温烟气，隔绝有毒有害气体，对内提供氧气、食物、水，净化有毒有害气体，创造生存基本条件。

1）无外部动力电源。井下发生灾变后，矿井电力供应可能因灾变而中断，密闭空间无法得到外界动力支持，净化装置的运转需依靠储备动力。

2）密闭空间有效容积小。救生设备自身体积较少，同时容纳避险人员和卫生系统，内置净化装置尺寸受到限制。

3）一定的空气净化能力。紧急避险设施是一个有限密闭的空间，随着救援时间的不断增加，污染物将不断增加，浓度不断增大，生存环境逐渐恶化。密闭空间内成分十分复杂，我国从潜艇内检测出652种组分，其中无机组分共44种，有机组分608种；有机气体中脂肪烃350种，芳香烃104种，含氧化合物104种，卤代烃27种。由于气体污染物种类繁多，目前还不能采用同一种方法或装置将其完全去除，而必须针对不同的气体种类采用不同的净化方法。避险人员代谢时会产生CO2及H2O，代谢方程式为：

按照国家标准，处理CO2能力应不低于0.5L/ min·人，且CO2浓度不高于1%，处理CO2时，不产生其他附加影响；避难设施在使用时，CO可能会随避险人员进入设施内，处理CO的能力应能保证在20min内将CO浓度由0.04%降到0.0024%以下，整个救援期间，避险设施内的湿度不得大于85%。

表1 常见的固体吸收剂吸收二氧化碳的理论容量

表2 常见吸附剂对水的吸附能力

2 空气净化方法

2.1 密闭空间内CO2净化方法

（1）一乙醇胺清除二氧化碳方法：其基本原理是，通过风机将二氧化碳浓度高的空气抽入，二氧化碳被一乙醇胺溶液吸收后在配上制氧装置产生的氧气重新输送至舱室内呼吸使用。

（2）过（超）氧化物吸收法：利用过（超）氧化物与空气中的CO2反应生成相应的盐并释放出氧气，在国防工事、携带式面具、宇宙飞船等密闭环境中大量使用。

（3）金属氢氧化物吸收法：金属氢氧化物普遍呈碱性，可与酸性二氧化碳气体发生酸碱反应产生稳定的碳酸盐，并且反应过程中不会产生其他污染性气体，常用在工业生产中二氧化碳的去除。

一乙醇胺清除二氧化碳在密闭空间内基本能满足要求，但装置体积大、能耗高、效率低、并存在着一乙醇胺泄漏造成舱室二次污染的可能性，因此难以在煤矿紧急避险设施中使用；过（超）氧化物吸收法不仅能够清除空气中大量的二氧化碳，还能产生人体呼吸所需的氧气，无疑在一般的密闭场所中是最佳的选择，例如俄罗斯的核潜艇多采取这种方法去除二氧化碳，但是煤矿紧急避险设施存在爆炸的危险性，由于过（超）氧化物反应剧烈，会给煤矿安全带来隐患，因此无法在紧急避险设施内使用；考虑井下工作条件和人员安全的现实，选取金属氢氧化进行CO2净化较为合适。表1为常见的CO2固体吸收剂性能。

表1可以看出只有氢氧化锂的理论容量最大，被部分厂家采用。经过大量实验证实，氢氧化锂初期具有较大的粉尘率，而钠石灰是一次性医用耗材的一种，腹腔镜手术或者其它全麻手术中用以吸收二氧化碳。从安全角度上来讲，我们优先选取钠石灰做为二氧化碳吸收剂。

2.2 密闭空间内CO净化方法

（1）霍加拉特触媒催化氧化法。霍加拉特催化剂是由活性MnO2和CuO按一定比例制成的颗粒状催化剂，在呼吸保护方面时应用最广泛也是最古老的一种，但是仍有其他非金属催化剂无法比拟的活性。广泛使用于煤矿过滤式自救器、消防面具、二炮使用的特防滤毒罐等。

图2 二氧化碳浓度随时间的变化曲线

图3 平均浓度与吸收剂质量的关系图

（2）贵金属低温催化氧化法。自从研究人员首次发现金属氧化物对CO氧化反应有促进作用以来，许多学者对贵金属催化剂进行了研究和优化。现已发展出多种贵金属一氧化碳催化剂，在CO与O2的反应中，贵金属以其良好的吸附活性被认为是首选催化剂。

霍加拉特触媒的活性与气体的潮湿环境息息相关，在煤矿潮湿的环境下，不宜采取霍加拉特触媒做为一氧化碳的催化剂。因此在煤矿避险设施中，我们选取贵金属催化剂作为一氧化碳的消除剂。

2.3 湿度的控制方法

（1）冷冻除湿。把空气冷却至其露点温度以下，湿空气中的水分就被冷凝析出，降低了空气的绝对含湿量。

（2）干燥剂除湿。吸附方式及反应产物不同为分物理吸附干燥剂和化学吸附干燥剂。常用物理吸附的干燥氯化钙、吸水树脂、活性炭等。表2为常见吸附剂对水的吸附能力表。

综合考虑，避险设施中优先选择吸水树脂做为干燥剂。

3 净化系统的设计

目前市场专为救生舱设计的风机主要集中在24V（30～50W），风机在空载条件下平均最大风速为14m/s，最大风量为350m3/ h，全压P=120Pa。受阻力降限制整个净化系统床层的厚度不宜超过50mm，本设计净化床采用串联方式。由于密闭空间内空间的影响，净化系统的面积一般不宜大于660mm×660mm。气流在各层中的均匀分布是有效催化和吸收的基本条件，由于二氧化碳的吸收会产生一定量的水，产生的水会对一氧化碳催化剂的催化性能产生影响。我们用三个床层，二氧化碳吸收→除湿剂→一氧化碳催化剂，反复循环密闭空间内的空气，净化系统的吸收床层示意图如图1所示。

3.1 二氧化碳床层的设计

二氧化碳吸收的过程中，溶质二氧化碳首先由气相流经至气、固界面，随后在由界面向固相主体流动，与吸收剂中有效组分发生化学反应。反应的离子方程式为:

那么此过程就可简化为二氧化碳吸收的逆流填料塔模型。二氧化碳沿气流途径的变化情况不仅与气流流速有关，还与固相中的有效成分、扩散速率等因素有关。这就使得化学吸收的过程十分复杂，介于这样的理论模型，目前仍无可靠的一般方法，设计时往往按照实测数据进行理论分析，在通过理论分析的数据对设计进行指导。

现在我们对面积进行限定，由于密闭空间的特殊性，我们将净化系统的面积初步定于440mm×440mm，然后逐步对药剂量增加进行试验，通过对比试验与数据处理分析，我们将得出反应的最佳平衡浓度与药剂量的关系。并通过试验对药床厚度及质量选取产生设计依据。

将风机的风量调至恒定值（最大值），在440mm×440mm的二氧化碳吸收床层上分别加入5kg、10kg、15kg、25kg等质量的二氧化碳吸收剂。按照5L/min（十人的呼吸量）的流量对10m3的密闭空间内通入浓度为99%的二氧化碳气体。并将风机风量调至最大值。观察并记录数据，通过对记录数据进行数值分析后得到图2所示的二氧化碳浓度在不同质量吸收剂下（同等净化面积）的变化曲线。

从图2的曲线可以明显的看出，在5kg和25kg吸收剂的情况下，二氧化碳的浓度随着时间无限制的升高，无法产生平衡点；在10kg和15kg吸收剂的情况下，浓度趋于平衡，并且都有各自的平衡点。但是究竟哪个平衡点才是真正的最佳点呢，我们通过进一步的数值分析得出理论。因为数据中浓度的平衡点并非稳态，因此我们采取平均值作为数据，因此根据平均值可以得到平均浓度与加入二氧化碳吸收剂的关系如图3所示。

3.2 二氧化碳总量的设计

根据设计标准，救生设施处理CO2的能力不低于0.5L/min·人，钠石灰的吸收率为0.3。通过试验，避险人员在使用设备时新陈代谢产生的CO2质量为