密閉救援空間內(nèi)堿石灰吸附二氧化碳的試驗研究

密閉救援空間內(nèi)堿石灰吸附二氧化碳的試驗研究

為確保人身安全，有必要在脆弱區(qū)域的有五個環(huán)境參數(shù)（總壓、氧壓、二氧化硫壓、溫度和濕度）和一些有害氣體的情況下控制人體。據(jù)研究,密閉生存空間內(nèi)產(chǎn)生的最主要的污染物是CO2、水蒸氣、惡臭氣以及熱污染。其中每人平均一天產(chǎn)出的CO2總量約為490L(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),如不采取有效措施,則密閉生存空間內(nèi)CO2濃度將迅速攀升到危害人體健康與生命安全的程度。據(jù)海軍部門對潛艇艇員的研究,如果CO2濃度達(dá)到5%,呼吸僅能維持30min;如果在3%CO2環(huán)境中暴露數(shù)十小時,中樞神經(jīng)機能開始降低,人的工作能力、智力活動能力顯著下降;1.5%CO2環(huán)境中暴露幾十天,工作能力和基礎(chǔ)生理指標(biāo)無明顯變化,但慢性呼吸性的酸堿度和電解質(zhì)平衡出現(xiàn)明顯的適應(yīng)性改變,離開這個環(huán)境若干天也不會完全恢復(fù)。因此對CO2去除效率、去除速率的研究對于救生艙等密閉生存空間內(nèi)人員生命安全的保障具有重要意義。1不同放空間方法對堿石灰吸附率的影響救生艙是在煤礦災(zāi)變環(huán)境下使用,要求在外部電力中斷的情況下106h獨立供電,同時受到體積的限制,所以使用的空氣凈化系統(tǒng)要盡可能的低能耗,同時凈化藥劑在同等體積下吸附率要高。為了滿足艙內(nèi)CO2濃度在人體安全范圍,藥劑還應(yīng)當(dāng)具有較高的吸附速率。堿石灰在密閉空間內(nèi)的吸附率和吸附速率受到3方面因素影響:(1)密閉空間的能耗問題,這就需要通過工作模式的改變來盡可能地減少能源消耗;(2)與密閉空間內(nèi)的溫濕度環(huán)境及凈化裝置的床層厚度相關(guān);(3)與藥劑本身的成分、粒徑等因素相關(guān)。具體分析如下。(1)堿石灰與堿氧化鈣的配比對co吸附co堿石灰又稱鈉石灰,白色或米黃色粉末,是氫氧化鈣、水、氫氧化鈉和氫氧化鉀混合物,其對CO2氣體的吸附率與各成分配比相關(guān),堿石灰吸附CO2方程式為由于氫氧化鈣與氫氧化鈉的相對分子質(zhì)量不同,同等質(zhì)量的氫氧化鈣與氫氧化鈉對CO2的吸附量不同,因此二者在堿石灰中所占的質(zhì)量比不同時,對CO2的吸附率不同。另外,兩個方程式進(jìn)行的速率不同,也就是說氫氧化鈣與氫氧化鈉對CO2的吸附速率不同,當(dāng)二者在堿石灰中所占的質(zhì)量比不同時,對CO2的吸附速率會有不同。(2)堿石灰對co的吸附堿石灰的床層厚度可以影響到藥劑層阻力的大小,隨著厚度的增大,藥劑床層的阻力增大,使得流經(jīng)吸附床的風(fēng)速減慢,一方面使得堿石灰與CO2的接觸時間增長,另一方面減慢了空氣的凈化速率,兩方面綜合影響到堿石灰對CO2的吸附率和吸附速率。(3)堿石灰和水合成碳酸鈣的用量影響氫氧化鈣、氫氧化鈉與CO2發(fā)生反應(yīng)時會生成水,若艙內(nèi)的濕度偏大時,會使得反應(yīng)正向進(jìn)行困難,影響反應(yīng)速率,此時堿石灰對水的吸附比例增大,與此同時就會降低對CO2的吸附率;若濕度偏小時,實際反應(yīng)時CO2要先和水合成碳酸,這時就會使得碳酸的合成速率降低,影響到對CO2的吸附速率。溫度對化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率及反應(yīng)平衡有很大影響,堿石灰對CO2的吸附屬于化學(xué)反應(yīng),因此溫度也會影響到堿石灰對CO2的吸附率和吸附速率。2測試2.1基本物理性質(zhì)為了分析堿石灰對CO2吸附性能的影響,通過對市場粒徑、組分、產(chǎn)品吸附率等條件的篩選,共選出6種堿石灰進(jìn)行對比試驗,其基本物理性質(zhì)見表1,并對其編號為1~6。試驗在礦用密閉空間模擬艙內(nèi)進(jìn)行(圖1(a)),艙體為雙層氣密門結(jié)構(gòu),內(nèi)部有效體積為8m3。艙內(nèi)空氣凈化裝置如圖1(b)所示,環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用KJ70型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)(圖1(c)),可實時監(jiān)測艙內(nèi)、外環(huán)境參數(shù),包括氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、甲烷、溫度等。2.2測試方法2.2.1藥物成分對吸附率的影響首先對1~6號藥劑進(jìn)行組分測定,分別測得其水分和氫氧化鈣的含量,然后測定吸附率(圖2)。(1)氫氧化鈣的測定堿石灰的主要成分為氫氧化鈣、氫氧化鈉、氫氧化鉀和水。由于氫氧化鉀所占比例極少,一般不會超過1%,所以僅對所含水分和氫氧化鈣成分進(jìn)行試驗測定。準(zhǔn)確稱量3g左右的堿石灰記作m1,將堿石灰放入溫度為70℃的干燥箱中干燥60min,取出后稱量剩余質(zhì)量m2,則堿石灰中水分的比例為(2)溶解堿石灰水準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的堿石灰,記為m1。將堿石灰放入燒杯中,不斷加入稀鹽酸并用攪拌棒攪拌,直至堿石灰全部溶解后停止。然后逐滴加入碳酸鈉溶液并攪拌,當(dāng)不再生成沉淀時停止,用濾紙過濾,將過濾后的沉淀放入干燥箱中干燥180min,取出后準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量,記為m2,則堿石灰中氫氧化鈣的比例為(3)受檢試樣質(zhì)量試驗前先將U型管7中間部位裝入脫脂棉,后半部裝入無水氯化鈣,然后將前半部裝入約3g(m1)的受檢試樣,稱其質(zhì)量記為m2,兩次稱量質(zhì)量之差即為受檢試樣的質(zhì)量m1。再將U型管接入圖2所示裝置中,打開鋼瓶開關(guān),按180mL/min速率連續(xù)通入CO2氣體1h,直至U形管7內(nèi)堿石灰反應(yīng)完全。然后取下U形管稱量,記為m3,吸附率按式(5)計算。通過試驗所測得6種藥劑所含水分量、氫氧化鈣量及吸附率情況見表2。2.2.2凈化條件的測定在吸收床表面分別布置5個測點(圖3),用風(fēng)速儀測定各個測點風(fēng)速求平均值作為整個吸收床的平均風(fēng)速。選擇5號藥劑放入空氣凈化裝置中,床層厚度8cm,以10L/min的流量向艙內(nèi)通入CO2氣體,使艙內(nèi)濃度達(dá)到1%時關(guān)閉氣瓶,開啟空氣凈化裝置風(fēng)機,記錄數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)速,保持其他實驗條件不變,重復(fù)試驗。2.2.3東北部氣體排放量測定在空氣凈化裝置床層布置2cm厚的1號堿石灰,以10L/min的流量向艙內(nèi)通入CO2氣體,使其濃度達(dá)到1%后關(guān)閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內(nèi)CO2濃度變化情況。保持其他試驗條件不變,分別對1~6號堿石灰測試床層厚度為4,6,8,10cm時的凈化速率,共30組試驗。2.2.4密封加熱加熱對所開機艙高壓旋流部在空氣凈化裝置內(nèi)放置5號堿石灰8cm,以10L/min的流量向艙內(nèi)通入CO2氣體,同時開啟艙內(nèi)電爐加熱裝置使其溫度達(dá)到24℃。當(dāng)艙內(nèi)CO2濃度達(dá)到1%后關(guān)閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內(nèi)CO2濃度變化情況。保持其他試驗條件不變,使用電爐加熱裝置分別在艙內(nèi)溫度為26,28,30,32℃時進(jìn)行試驗。2.2.5氣體及空氣中co濃度的變化在空氣凈化裝置內(nèi)放置5號堿石灰8cm,以10L/min的流量向艙內(nèi)通入CO2氣體,同時開啟空氣加濕裝置裝置使其濕度達(dá)到40%RH。當(dāng)艙內(nèi)CO2濃度達(dá)到1%后關(guān)閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內(nèi)CO2濃度變化情況。保持其他試驗條件不變,使用空氣加濕裝置分別在艙內(nèi)濕度為50%,60%,70%,80%時進(jìn)行試驗。3試驗結(jié)果及分析3.1堿石灰與co比例的確定通過試驗得到1~6號藥劑所含水分及氫氧化鈣的比例,以及其與吸附率之間的關(guān)系。由圖4看出,堿石灰對CO2的吸附率,隨著水分與氫氧化鈣比值的增加先增大后減小,在二者比值為5.8%時堿石灰吸附達(dá)到最大值30.62%,而后隨著水分比例的逐漸增大,堿石灰吸附率開始下降。這是因為,在堿石灰與CO2的反應(yīng)中需要水的參與,適當(dāng)?shù)乃至靠梢约涌旆磻?yīng)的進(jìn)行。但是當(dāng)藥劑本身水分含量過于大時,同時由于反應(yīng)時會有水分的產(chǎn)生,當(dāng)反應(yīng)開始不久后,過多的水分會使堿石灰粘結(jié)在一起,使風(fēng)阻增大,同時導(dǎo)致CO2與堿石灰接觸面積減小。另外粘結(jié)在中間處的堿石灰由于接觸不到CO2而不參加反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)不完全,堿石灰對CO2的吸附率減小。3.2不同風(fēng)速下5號堿石灰和5%堿石灰對co圖5和表3顯示,堿石灰對二氧化碳的吸附率隨著風(fēng)速的增大先增大后減小,當(dāng)風(fēng)速為0.606m/s時5號堿石灰對CO2的吸收效果最好,吸收速率最高。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),在風(fēng)速為0.370~0.606m/s,風(fēng)量為212~348m3/h,吸附效率最佳。3.3種藥劑對堿石灰co的吸附速率的影響圖6顯示,1~6號藥劑均表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi),隨著藥劑厚度的增加吸附速率增大,且增大的趨勢逐漸變緩,藥劑層吸附最佳厚度為8~10cm。這是因為藥劑層太薄的情況下,風(fēng)阻較小,CO2通過藥劑層速率太快,堿石灰與CO2接觸時間過短而導(dǎo)致吸附不完全。隨著厚度的增加,接觸時間加長,吸附速率增大,但是增加到一定厚度時,風(fēng)阻太大,減慢了空氣的流通速率,導(dǎo)致吸收速率降低。在6種藥劑中,5號藥劑的吸附速率最好,2cm時吸附速率是6L/min,8cm時藥劑吸附速率是15L/min,速率提高了2.5倍。通過與這6種藥劑組分進(jìn)行比較,堿石灰對CO2的吸附速率,隨著水分與氫氧化鈣比值的增加先增大后減小,然后趨于平緩。在二者比值為6%左右時,堿石灰對CO2的吸附速率最高。3.4溫度對凈化速率的影響圖7顯示,隨著溫度的增加,堿石灰對CO2的吸附速率先增大后減小。在環(huán)境溫度為24~28℃范圍內(nèi),凈化速率較好,凈化速率相差不大,當(dāng)環(huán)境溫度大于28℃,凈化速率下降很快;當(dāng)環(huán)境溫度28℃時,凈化速率最高,當(dāng)溫度達(dá)到32℃時,凈化速率為28℃時的1/2。3.5不同環(huán)境濕度時,濕度對2倍圖8顯示,隨著濕度的增加,堿石灰對CO2的吸附速率先增大后減小,在環(huán)境濕度為50%時,吸附速率最高。當(dāng)濕度達(dá)到80%時,吸附速率為50%時的2倍。試驗同時觀察到堿石灰表面有部分由于水而粘結(jié)在一起,說明隨著環(huán)境濕度的增大,堿石灰粘結(jié),增大風(fēng)阻從而降低了吸收速率。3.6空氣分離器關(guān)閉通過前期的試驗及艙內(nèi)允許的CO2安全極限得到,空氣凈化器運行的最佳工作區(qū)為CO2濃度在0.3%~1.0%。為提高空氣凈化效率,降低能耗,密閉艙內(nèi)空氣凈化器采用間歇式工作模式。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到1.0%時,凈化器開始運行,將空氣中二氧化碳濃度控制到0.3%時,停止空氣凈化,待二氧化碳濃度重新達(dá)到上限后再次運行。此過程中,空氣凈化器運行ton與停止時間toff計算方法如下。停機時間即艙內(nèi)避難人員呼吸導(dǎo)致二氧化碳濃度從0.3%上升至1.0%所需的時間,即式中,N為艙內(nèi)避難人員數(shù)量;V1為避難人員人均二氧化碳產(chǎn)生速率,0.357L/min;toff為空氣凈化裝置停機時間,min;V為艙室容積,m3。運行時間即空氣凈化裝置將艙內(nèi)二氧化碳濃度從1.0%處理至0.3%所需的時間,此期間艙內(nèi)避難人數(shù)仍然持續(xù)產(chǎn)生二氧化碳,即式中,Vscrubber為空氣凈化裝置二氧化碳處理速率,L/min。綜上所述,聯(lián)立式(6),(7)可得4堿石灰和o2對o2的的吸附速率(1)堿石灰對CO2的吸附率和吸附速率,隨著水分與氫氧化鈣比值的增加先增大后減小,在二者比值為6%左右時,堿石灰吸附率和吸附速率最高,分別達(dá)到30.62%和15L/min。(2)堿石灰對CO2的吸附速率隨著隨著藥劑層厚度的增加先增大后減小,藥劑層吸附最佳吸附厚度為8~10cm。(3)堿石灰的吸附速率隨