矿用救生舱空气净化降温除湿系统的研究

张宏锡

（霍州煤电集团吕梁山煤电公司安全处，山西 吕梁 033102）

当前我国煤矿安全事故频发，当井下发生顶板垮塌、火灾等安全事故后，如果井下作业人员无法及时升井，就必须进入到救生舱内等待救援。矿用救生舱为一封闭装置，人员在救生舱会发排出热量及相应的CO2、CO等有害气体；救生舱内的系统作业也会导致舱内温度、湿度升高。这些因素都会威胁到避险人员的生命安全。因此必须在救生舱内设计有空气净化系统、降温除湿系统。霍州煤电集团吕梁山煤电公司联合山西大学设计了救生舱用空气净化和降温除湿系统，并将该系统在木瓜煤矿进行了工业性的试验应用，试验结果表明该系统能满足舱内人员的需求，性能稳定。

1 空气净化和降温除湿系统的方案

1.1 空气净化方案选择

分析救生舱内的环境可知，舱内主要有避险人员新陈代谢所排出的CO2、CO、H2S等有害气体，以及避险人员进人救生舱时从外部带入的CO、CH4等有毒有害气体。

1.1.1 CO2的净化

对于CO2的净化主要有物理吸附、化学吸收和膜分离三种。

（1）物理吸附法。CO2气体的物理吸附剂有介孔分子筛、固态胺树脂等。例如沸石分子筛在标准大气状态下静态吸附可达0.7～0.8kg/L，还重复使用，缺点是对进口空气要求较高。

（2）化学吸收法。化学吸附主要是利用CO2与氢氧化物反应的特点。CO2为酸性气体，能与氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化锂、氧化钙等碱性物质反应，其反应过程为放热过程且不可逆，吸收率高。该法常被应用于化工、救生等领域。氢氧化锂曾用于空间站舱内CO2气体的净化。目前救生舱中主要选用价格低廉、性能可靠的氢氧化钙或碱石灰，这也是本次设计所选用的CO2吸收剂。

（3）膜分离法。膜分离是利用不同气体对同一种膜的渗透能力不同的性质，实现CO2净化，是一种新型的净化方法。缺点是耗电，不适用于救生舱。

1.1.2 CO净化

空气中微量CO的净化可采用物理净化与化学净化两种方法。通常，物理吸附时的吸附热较小，吸附容量较大，吸附后不放出其他气体，广泛应用于真空技术领域。但物理吸附剂的吸附速率较小，吸附条件较为苛刻，且吸附容量受到吸附剂比表面积的限制，因而在有害气体产生速率较快的空气净化场所，其应用受到限制。化学吸附或化学吸收剂可弥补物理吸附剂的吸附速率慢的缺陷，在许多场合已发挥作用。本次设计选择利用贵金属催化剂将CO常温催化氧化，实现空气中CO气体的净化去除。

1.1.3 空气净化系统设备

去除有毒有害气体等除需要药品、药剂外，往往还需要风机等设备，设备安装在净化箱内，采用方形结构方便布置。同时在救生舱内使用方形吸收床，舱内气体循环采用抽气式，选用的轴流风扇安装于净化箱下部。

1.2 降温方式选择

救生舱降温一般有水冰制冷、气体相变制冷、压缩机制冷、强制换热制冷等几种方式，各种方式都有其优缺点和适用条件。当前技术稳定可靠、有成熟产品的还是水冰制冷技术。本次系统的设计方案采用水冰降温方案。

1.3 湿度控制方案选择

当前救生舱内除湿的方法主要有热泵除湿技术、制冷式除湿技术、液体吸收式除湿和固体吸收式除湿。利用制冷系统的热交换器表面凝水除湿是一种简单有效的方法。结合该系统中降温方法采用固态水冰储冷降温，因此救生舱内除湿的方法选择制冷式除湿技术。

2 系统总体架构和工作原理

基于以上对空气净化及降温除湿方案的选择，设计了矿用救生舱空气净化降温除湿系统。该系统的整体构架方案如图1所示，主要由净化箱、轴流风扇、二氧化碳吸收床、一氧化碳吸收床、硫吸收床、放水阀、四通、开关、空调降温系统、动力保障系统、气体出口管等部分构成。

图1 救生舱空气净化、降温除湿系统整体架构

从图1中可以看到，救生舱内产生的污浊热风在轴流风扇的作用下经过吸收床的吸收后，将热风分为两大部分。第一部分由开关进入到上冰柜风道，在交错型热交换管的作用下，来达到降温除湿的效果。第二部分由四通直接进入到下冰柜风道，同样的原理进行降温除湿。这样在冰柜出口都是新鲜的冷风输出，该新鲜冷风经避险人员呼吸后，再次进入该系统进行空气净化和降温除湿，这样该系统就完成了一次作业循环。该系统能实现救生舱内空气净化与温、湿度调节一体化，达到事先设计的目的。

3 试验测试效果分析

将设计的救生舱用空气净化和降温除湿系统在木瓜煤矿进行了工业性的试验应用测试，测试人数为8人。

3.1 CO2高浓度试验

检测救生舱内CO2浓度，当浓度稳定在0.9%时，向该救生舱内通入0.5×8L/min的CO2气体，并同时开启空气净化系统。对救生舱在5min内的CO2浓度变化进行检测，数据如表1所示。从表1数据可知，试验阶段1min后CO2浓度由0.9%降到了0.75%，5min后CO2浓度降低到0.26%，该浓度符合救生舱内的及空气净化系统国家安全标准。

表1 CO2净化试验数据表

3.2 CO高浓度试验

检测救生舱内CO浓度，当浓度达到400×10-6%时，立即开始启动空气净化系统。对救生舱在20min内的CO浓度变化进行检测，数据如表2所示。从表2数据可知，试验阶段20min后CO浓度由400×10-6%降到了8.51×10-6%，该浓度符合救生舱内的及空气净化系统国家安全标准。

表2 CO快速净化试验数据表

3.3 真人综合测试

将该系统安装在霍州煤电集团吕梁山煤电公司木瓜煤矿井下的救生舱内，然后进行真人综合测试试验。木瓜煤矿8位工作人员模拟为避险人员进入到井下救生舱内完成生存模拟避难试验，在等待救援的106h内，综合考察救生舱设计的空气净化和降温除湿系统的运行效果。在106h的等待救援期间，对救生舱内CO2浓度、CO浓度、舱内温湿度等数据进行了实时检测，结果如图2、图3、图4和图5所示。

图2 舱内CO浓度变化曲线

图3 舱内CO2浓度变化曲线

图4 舱内湿度变化曲线

图5 舱内、舱外平均温度变化曲线

从以上图中数据可知，在106h内，救生舱内CO2浓度、CO浓度、舱内温度、舱内湿度均符合国家煤矿安全标准。该真人综合测试试验表明，救生舱在避难状态下，该空气净化降温除湿系统能有效地保障救生舱内人员的生存。

4 结语

本文针对矿用救生舱设计了空气净化降温除湿系统，该系统在木瓜煤矿的真人综合测试试验表明，救生舱内CO2浓度、CO浓度、舱内温度、舱内湿度均符合国家煤矿安全标准。该空气净化降温除湿系统设计合理。其主要特点如下：（1）该系统采用模块化设计、高效率轴流防爆双风扇驱动舱内空气循环，将出风口引入冰柜气道，实现了舱内空气净化与温度调节一体化。（2）蓄冰降温技术的应用可实现同步降温除湿。