礦用救生艙內(nèi)常用化學(xué)制氧劑的使用特性

礦用救生艙內(nèi)常用化學(xué)制氧劑的使用特性

礦山救援艙是礦山事故后的一個安全封閉空間，不能立即從礦工那里撤出。它可以抵抗爆炸的影響，分離高溫氣體和有害氣體，并為受影響礦山提供良好的環(huán)境，吸收污染氣體二郎。因此，安裝救援艙是礦工臨時庇護(hù)和救援的有效手段。氧氣是救生艙內(nèi)人員生存的重要保障,其常規(guī)的供氧方式有高壓氧氣供氧和化學(xué)制氧劑供氧兩種方式?；瘜W(xué)制氧劑在供氧方式上具有體積小,儲氧量大,使用過程中無需外加動力,機(jī)構(gòu)簡單,便于長期保存和工作可靠等特點(diǎn),特別適用于災(zāi)變環(huán)境下救生艙等中小型避險空間。但是化學(xué)制氧劑在供氧過程中會受到艙內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的影響,故針對化學(xué)供氧劑在救生艙內(nèi)的使用特性做試驗(yàn)研究,分析其變化規(guī)律及影響因素。1化氧供氧的原理和性能的比較1.1堿金屬超過氧化物制氧目前,化學(xué)制氧技術(shù)主要有堿金屬超氧化物制氧技術(shù)、氯酸鹽制氧技術(shù)和過碳酸鹽制氧技術(shù)。其中,堿金屬超(過)氧化物制氧技術(shù)和氯酸鹽制氧技術(shù)已經(jīng)相對成熟,在某些密閉空間,利用這兩種技術(shù)制成的供氧設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用。常見的有以下3種化學(xué)氧源。(1)空氣再生過程目前常用的堿金屬超氧化物主要是超氧化鈉(NaO2)和超氧化鉀(KO2)。其在有水蒸氣存在的常溫(20~50℃)條件下,會與CO2反應(yīng)生成O2,故制取O2的過程即為空氣的再生過程,主要反應(yīng)式如下:2KO2+H2O→2KOH+3/2O2+Q(1)2KOH+2CO2→K2CO3+H2O+Q(2)KOH+CO2→KHCO3+Q(3)(2)氧蠟的燃燒及燃燒氧燭是以氯酸鹽為主要原料,添加少量作為燃料的金屬粉,以及催化劑(如抑氯劑)和粘結(jié)劑,均勻混合后加壓成形的固體制氧原料,與蠟燭的燃燒現(xiàn)象相似,因其燃燒分解過程沿著燭體逐層進(jìn)行,故被命名為氧燭。氯酸鹽的一些基本特性見表1。(3)過氧化氫在保存期內(nèi)自然消耗量過氧化氫(H2O2)在其質(zhì)量濃度為95%時是液態(tài),其密度為1.42kg/cm3。在1個大氣壓條件下,過氧化氫的沸騰溫度為430K,在溫度為400K時開始分解成氧氣和水。在接近室溫(208~300K)條件下,過氧化氫處于穩(wěn)定狀態(tài),能夠長期保存,因而過氧化氫在保存期內(nèi)自然消耗量并不大。在常溫下,往過氧化氫加入催化劑(銀、鉑),它會迅速分解成氧和水,并放出大量的熱。其反應(yīng)式如下:H2O2→催化劑H2O+1/2O2+3300(kJ/kg)(4)Η2Ο2→催化劑Η2Ο+1/2Ο2+3300(kJ/kg)(4)1.2化學(xué)氧類型的確定化學(xué)制氧劑作為礦用救生艙供氧方式時,要綜合考慮其自身優(yōu)勢和使用時面臨的種種問題,這樣才能更好地將其應(yīng)用于實(shí)際的工程中。研究目的是尋找一類礦用救生艙的化學(xué)供氧方式,首先就應(yīng)該確定所研究的化學(xué)氧種類。通過比較氯酸鹽氧燭和超氧化物的使用特性(見表2),從中選取一種來進(jìn)行研究。從表2可以看出,雖然超氧化鉀自身也有一定的缺點(diǎn),但相對于氧燭具有吸收CO2的功能,且使用安全性更強(qiáng),適合于井下使用,故選取超氧化鉀作為研究對象,考察其在礦用救生艙中的應(yīng)用方式和使用特性。2測試準(zhǔn)備2.1試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備為模擬井下實(shí)際環(huán)境,試驗(yàn)在北京科技大學(xué)礦山救援實(shí)驗(yàn)室(圖1)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)用模擬救生艙為分體組裝式雙層鋼結(jié)構(gòu)。艙體為雙層門結(jié)構(gòu),艙內(nèi)設(shè)有供氧系統(tǒng)、有害氣體處理系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。所涉及的試驗(yàn)均在一個氣密性良好的密閉試驗(yàn)艙內(nèi)完成。試驗(yàn)艙在關(guān)閉二道門的情況下體積為6.84m3。(2)環(huán)境參數(shù)濃度監(jiān)測監(jiān)測用KJ70型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示,可在監(jiān)控室內(nèi)實(shí)時監(jiān)測艙內(nèi)各環(huán)境參數(shù)濃度的變化情況。試驗(yàn)中主要實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括O2濃度、CO2濃度、溫度、相對濕度,監(jiān)測間隔為1min,系統(tǒng)自動記錄1次艙內(nèi)各儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)。(3)超氧化鉀再生藥板所研究的為兩種不同規(guī)格的超氧化鉀,超氧化鉀藥片和超氧化鉀再生藥板。超氧化鉀藥片,直徑為8mm,具有強(qiáng)度大、粉塵小、生氧均勻及速度快、啟動可靠等特點(diǎn),主要裝填在化學(xué)氧自救器或呼吸保護(hù)器的藥罐里作為生氧劑使用。超氧化鉀再生藥板應(yīng)用已經(jīng)有很長一段歷史,起初主要用于軍事領(lǐng)域,比如應(yīng)用于潛艇中的空氣再生。超氧化鉀再生藥板用95%的超氧化鉀(KO2)和5%的石棉壓制而成的板狀藥片。這次用于研究的再生藥板規(guī)格為315mm×22mm×6mm(長×寬×厚),質(zhì)量390g。2.2試驗(yàn)設(shè)計試驗(yàn)主要考察超氧化鉀藥片和超氧化鉀再生藥板在救生艙內(nèi)的使用特性。模擬的是4人進(jìn)艙的呼吸環(huán)境。首先對超氧化鉀藥片和超氧化鉀再生藥板在模擬救生艙環(huán)境中的供氧性能做試驗(yàn)研究,通過試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論設(shè)計進(jìn)行超氧化鉀供氧下的4人真人生存試驗(yàn),驗(yàn)證其特性。設(shè)計以下幾組試驗(yàn):(1)片狀超氧化鉀艙內(nèi)供氧模擬試驗(yàn);(2)超氧化鉀再生藥板艙內(nèi)模擬試驗(yàn);(3)4人真人生存試驗(yàn)?？疾斐趸浰幤c超氧化鉀再生藥板作為救生艙內(nèi)O2來源時的相關(guān)性能指標(biāo),主要從生氧速率、CO2吸收率、溫濕度變化等方面,確定真人模擬試驗(yàn)所用超氧化鉀種類與超氧化鉀制氧劑的使用特性,試驗(yàn)中模擬4人輕度活動狀態(tài)下的CO2產(chǎn)量,即1.6L/min。同時考慮到超氧化鉀不能很好的達(dá)到吸收CO2的目的,設(shè)計超氧化鉀生氧劑與JS劑共同作用的試驗(yàn),已達(dá)到同時供氧與吸收CO2的目的。通過模擬試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論,設(shè)計救生艙內(nèi)4人真人生存試驗(yàn),驗(yàn)證超氧化劑作為艙內(nèi)供氧方式的可靠性。3應(yīng)急艙內(nèi)化學(xué)氧供應(yīng)分析3.1超氧化鉀葉片的保鮮作用考察3份不同藥劑量的超氧化鉀藥片250、500、1000g,在模擬人體產(chǎn)濕以及CO2的試驗(yàn)環(huán)境中,測試其放氧性能,試驗(yàn)結(jié)果見表3。從放氧速率和CO2吸收速率的比較(圖3)上看,1000g超氧化鉀藥片放氧效果最佳,CO2的吸收效果相比500g和250g超氧化鉀藥片作用時有明顯提高。但是超氧化鉀藥片模擬試驗(yàn)的反應(yīng)產(chǎn)物為黑色糊狀物質(zhì),很多液態(tài)產(chǎn)物流入凈化裝置中,可見超氧化鉀藥片在放氧過程中的吸水作用很強(qiáng)。這些產(chǎn)物大多數(shù)為K2CO3、KHCO3、KOH和沒有反應(yīng)完全的超氧化鉀,所以堿性很強(qiáng),對凈化裝置有很強(qiáng)的腐蝕性。超氧化鉀藥片主要用于礦山自救器中,放氧速率較快,對于密閉救生艙內(nèi)來說,放氧速率不宜過快,而是需要比較平穩(wěn)地供氧。從相關(guān)文獻(xiàn)上得知板狀超氧化鉀反應(yīng)結(jié)束后不會出現(xiàn)這種情況,處理起來更加容易,放氧速率平穩(wěn),所以,在后續(xù)的試驗(yàn)中將采用板狀超氧化鉀作為密閉艙的供氧劑。3.2代超氧化鉀藥板對co的吸收這次試驗(yàn)主要針對超氧化鉀再生藥板在試驗(yàn)艙內(nèi)的生氧特性進(jìn)行研究與試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究,得出在何種條件下生氧特性最佳,由此設(shè)計密閉試驗(yàn)艙內(nèi)的4人4h試驗(yàn)。每塊超氧化鉀再生藥板質(zhì)量390g,理論上最多可以生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的O279.2L,供4人呼吸0.7h。影響再生藥板在救生艙內(nèi)使用的最大制約因素是生氧速率較慢,不能與4人呼吸所需O2量相匹配,所以要尋求解決方法。設(shè)計兩組試驗(yàn),一組為兩片超氧化鉀再生藥板單獨(dú)作用,另一組為將大藥板破碎成5~8cm規(guī)格的小片藥板,考察兩組試驗(yàn)的使用效果。同時,以1.6L/min的速率通入CO2,當(dāng)CO2濃度到達(dá)1.8%時,停止通入,以考察兩組試驗(yàn)條件下對CO2的吸收效果。試驗(yàn)結(jié)果見表4。經(jīng)破碎的2片再生藥板試驗(yàn)反應(yīng)較為完全,如圖4所示的兩組試驗(yàn)O2濃度隨時間變化的對比曲線可知,經(jīng)過破碎的2片再生藥板在試驗(yàn)結(jié)束時O2濃度已經(jīng)達(dá)到22.2%,平均生氧速率0.34L/min,而未破碎藥板的平均生氧速率為0.21L/min,可見在相同條件下藥板經(jīng)破碎后可使生氧速率提高63%。圖4中CO2濃度隨時間變化的對比曲線中,兩條曲線趨勢大體相同,可見破碎與否對于CO2的吸收并沒有明顯的影響。通過這組試驗(yàn)可以得出,經(jīng)過破碎的再生藥板放氧性能得到明顯提高,但對CO2的吸收還是不能達(dá)到理想的效果。從以上幾組超氧化鉀藥板在密閉試驗(yàn)艙的供氧試驗(yàn)來看,其效果不能滿足4人4h的設(shè)計要求,主要問題在于超氧化鉀藥板對CO2的吸收效果不明顯,所以提出添加其他CO2吸收劑共同作用,以達(dá)到控制艙內(nèi)CO2濃度的目的。JS劑是一種常見的CO2吸收劑,其CO2吸收效率為19%。通過計算,1kgJS劑可以吸收190gCO2,也就是標(biāo)準(zhǔn)狀況下96.7LCO2,理論上可維持4人1h的呼吸要求(設(shè)每人CO2產(chǎn)生量為0.4L/min)。設(shè)計了一組試驗(yàn),為兩塊經(jīng)過破碎的超氧化鉀與2kgJS劑在救生艙內(nèi)使用2h的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,試驗(yàn)4h內(nèi)O2濃度從20.7%上升至22.1%,即升高了1.4%?？偟膩碚f,240min內(nèi)兩塊板狀超氧化鉀產(chǎn)生了95.76LO2,平均產(chǎn)氧速率為0.4L/min。但是在4h的試驗(yàn)時間內(nèi)超氧化鉀并沒有反應(yīng)完全,因此其實(shí)際的產(chǎn)氧量還會增加。在理論依據(jù)上推測,在以后的4人真人生存試驗(yàn)中,可在前2h內(nèi)使用兩塊板狀超氧化鉀供氧,從第3h開始再增加兩塊,以保證4人對O2的需求。試驗(yàn)過程中,以1.6L/min的速率通入CO2,4h后艙內(nèi)CO2濃度維持在0.85%,處于人體安全范圍內(nèi),平均CO2吸收速率為1.35L/min?？梢?2kgJS劑可以維持艙內(nèi)4人生存條件中對CO2的要求。3.34外來菌材對co的吸收速率o2的影響通過以上試驗(yàn)得到的超氧化鉀再生藥板在模擬艙內(nèi)的使用特性,設(shè)計一組4人4h的真人生存試驗(yàn),以驗(yàn)證超氧化鉀再生藥板作為生氧劑的可行性與可靠性,試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。前40min未使用超氧化鉀和JS劑,也沒有開啟空氣凈化裝置。通過這一階段的試驗(yàn),O2濃度從20.5%降低到19.5%,CO2的濃度從開始的0.22%上升到1.08%,用時40min,試驗(yàn)艙體積為6.84m3,故每人每分鐘O2消耗速率和CO2產(chǎn)生速率分別為O2消耗速率=(20.5%?19.5%)×6.84m3×10340min×4人=0.428L/(min=(20.5%-19.5%)×6.84m3×10340min×4人=0.428L/(min·人)CO2產(chǎn)生速率=(1.08%?0.22%)×6.84m3×10340min×4人=0.368L/(min=(1.08%-0.22%)×6.84m3×10340min×4人=0.368L/(min·人)由此可得,試驗(yàn)人員的呼吸熵R為0.86。試驗(yàn)進(jìn)行到第40min時,放入2塊超氧化鉀再生藥板,O2濃度下降趨勢變緩。第120minO2濃度達(dá)到18.9%時,又加入2塊新的超氧化鉀藥板。此后,O2濃度呈上升趨勢。試驗(yàn)結(jié)束時,艙內(nèi)氧氣濃度為19.5%。整個試驗(yàn)過程中,藥板產(chǎn)氧速率為1.7L/min,證明可以滿足4人呼吸要求。從試驗(yàn)中所得的CO2相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知,第40min到第55min內(nèi),是超氧化鉀藥板單獨(dú)作用的階段,CO2濃度從1.08%上升到1.24%,這15min內(nèi)超氧化鉀對CO2的吸收速率僅為0.77L/min,可見單獨(dú)使用超氧化鉀達(dá)不到控制CO2濃度的要求,需要與JS劑共同使用,這也與以前的試驗(yàn)結(jié)論相吻合。第55min開始將2kgJS劑放入凈化裝置。試驗(yàn)進(jìn)行170min,CO2濃度上升到1.15%,再使用2kg新的JS劑。到試驗(yàn)結(jié)束時,CO2濃度為0.55%。整個試驗(yàn)過程中,藥劑對CO2吸收速率為1.54L/min,可以滿足4人生存需求。試驗(yàn)過程中,溫、濕度變化對人體影響十分明顯,水汽大量凝結(jié)在艙壁上,玻璃上凝結(jié)的水滴甚至已經(jīng)將觀察窗遮蓋。由圖7中的曲線分析可得,溫度一直處于上升的狀態(tài),到試驗(yàn)結(jié)束時已經(jīng)達(dá)到35.8℃,而相對濕度也已經(jīng)到90%以上,此時艙壁上大量凝結(jié)水滴。由此可見,在沒有有效的降溫除濕方式下,超氧化鉀再生藥板與JS劑共同作用可以達(dá)到供氧和吸收CO2的效果,但是溫、濕度變化很大。如何解決超氧化劑供氧過程中對艙內(nèi)溫濕度影響較大的問題,是后續(xù)試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。4不同板狀超氧化鉀藥板的氧化碳含量(1)超氧化鉀藥片的放氧速率較快,在250、500、1000g超氧化鉀藥片的不同藥劑量試驗(yàn)中,1000g藥片在相同試驗(yàn)條件下的生氧性能最好,吸收二氧化碳的能力也最強(qiáng)。1000g藥片平均產(chǎn)氧速率為0.71L/min,吸收二氧化碳的平均速率為0.86L/min。(2)使用超氧化鉀藥片,供氧時不穩(wěn)定。此外,當(dāng)艙內(nèi)濕度較大時,超氧化鉀藥片最后會變成黑色糊狀物質(zhì),不易收集;