动力送风式滤尘呼吸器的研究现状与发展趋势

白雪

(1.中国煤炭科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.沈阳煤炭科学研究所有限公司，辽宁 沈阳 110011)

0 引言

目前我国正处于工业化、城镇化快速发展阶段，几十年粗放式发展中积累的职业病问题逐渐显现，尘肺病等职业病防治形势仍然十分严峻[1]。截至2018年底，全国累计报告各类职业病97万余例，其中约90%是职业性尘肺病(87万余例)。

煤炭、化工、冶金等行业均是有职业性尘肺病潜在危害的行业，目前一线工人主要是通过佩戴自吸过滤式防尘口罩，预防吸入粉尘，保护个人健康。此类口罩一般为过滤棉材质，呼吸阻力大，阻尘率低，佩戴舒适性差，很多工人宁愿舍弃健康也不愿佩戴防尘口罩[2-4]。

当前尘肺病防治工作面临一系列突出问题，其中关键一点就是职业健康监管和职业病防治技术能力不足，缺乏专业技术人员和装备。国内外专家学者在呼吸过滤防护技术领域开展研究表明，动力送风过滤式呼吸器是粉尘环境下个人呼吸防护的有效手段[5]，具有广阔的应用前景。

1 动力送风式滤尘呼吸器及分类

动力送风过滤式呼吸器(Powered air-purifying respirator，缩写为PAPR)是靠电动风机克服呼吸器部件阻力的一类过滤式呼吸防护装备[6]。PAPR产品一般由送风机、过滤元件、电池、头/面罩、连接导管、身体佩戴固定装置等组成。通过对国内外同类产品的应用情况分析可知，此类呼吸防护装备产品可具有防毒和防颗粒物等功能，可使用密合型面罩或松配合面罩/头罩，送风量可从低到高(从负压到正压)，从而保障较高的防护水平和较好的舒适性[7-8]。

PAPR产品所涉及的种类较多，通常可按面罩类型和压力模式进行分类。按面罩类型，PAPR可分为密合型面罩、开放型面罩和送气头罩3种，其中密合型面罩又分为半面罩和全面罩，开放型面罩和送风头罩又可统称为松配合型面罩；开放型面罩或送气头罩还可以含硬的头盔或面屏，以提供头面部抗机械冲击危害或焊接防护。如果按照面罩内压力模式可分为正压式和负压式。此外，也可按照过滤元件类型分类，分为单纯防颗粒物P类以及防颗粒物和防毒的综合防护类[9]。PAPR具体分类和标记见表1。本文主要研究的是正压式密合型面罩，防颗粒物主要指的是粉尘，以下简称滤尘呼吸器。

表1 PAPR的分类

2 滤尘呼吸器研究现状分析

近年来，动力送风式滤尘呼吸器在许多工业生产、公共安全等领域得到广泛应用。与自吸过滤式口罩不同的是，动力送风式滤尘呼吸器增加了以电为动力的送风装置，该送风装置可自主高效吸入外界空气，送至呼吸面罩内，降低呼吸阻力以改善佩戴舒适度，更加适合较高劳动强度的作业需求。同时，在较高送风量条件下，还能使面罩内保持正压呼吸环境，有效阻止吸气过程中外部污染空气进入面罩，提高了防护的可靠性；增加了使用不需要和脸部紧密密合的松配合面罩(如开放式面罩和送气头罩)的可能，进而提高了口罩与人员的适配性和佩戴的舒适性。此外，还可以将呼吸、眼、面及头部防护结合在一起，以实现综合性职业安全防护需求。

我国对此类呼吸器的研究始于20世纪80年代，目前长管呼吸器的技术性能相对完备，并取得一定应用。长管呼吸器主要由面罩、主机和导气管3部分组成。主机内集成有电力送风、滤尘净化等设备，佩戴者将主机固定于腰间，面罩固定于面部，主机内风机将含尘空气抽入并过滤净化，然后通过导气管(长管)送至防尘面罩内，供佩戴者呼吸使用。结构如图 1 所示[10]，该类设备需要配合肩带或腰带使用，从而达到人体受力均匀的效果，其送风量约为75 L/min，且在一定范围内可手动调节，电池持续使用时间大约6 h。

图1 长管呼吸面罩结构

将滤尘设备和矿工安全帽相结合研发出一种矿山防尘循环助吸装置[11],如图2所示，该装置主要由防护装置、吸气循环装置和排气循环装置3部分组成。防护装置包括安全帽和呼吸面罩，吸气循环装置包括进风滤尘与动力组件和送风管，排气循环装置包括排风口及组件、排风管。使用时，首先将安全帽主体置于头顶，呼吸面罩固定于口鼻处,打开呼吸面罩密封腔内开关，当吸气时,电动吸气扇转动，空气由进气通风口依次进入除尘过滤层、活性炭分子层和消毒层进行空气过滤净化，通过进气管进入呼吸面罩内供人吸气。呼气时，废气通过出气管进入排气腔，电动排气扇转动,使废气由排气通风口快速排出,达到防尘循环助吸的目的。可以有效过滤空气中的灰尘，有效降低矿工长时间携带防尘设备的载荷。

1-进风滤尘与动力组件；2-呼吸面罩；3-排风管；4-送风管；5-安全帽；6-排风口及组件。

湿式滤尘送风呼吸器，利用小型风机将含粉尘的空气经过水洗后供给人员呼吸，结构如图3所示[12]。其工作原理是电动机带动风机吸入外界空气，产生机械风压，并将产生的压力风经过高效黏性溶液水洗，空气中较大的粉尘颗粒在惯性作用下沉淀在水溶液中，而其他细小的粉尘颗粒会被水溶液捕获，并且气流冲击水面所产生的液滴和气泡增强了捕尘能力，经过湿式过滤后的空气经软管送到呼吸面具内，供人员呼吸使用。

1-风量调节器；2-电动机；3-风机；4-进风口；5-湿式过滤盒；6-送风管；7-面罩；8-呼吸阀。

上述3种滤尘呼吸器的基本原理和外形结构都比较类似，是目前国内动力送风式滤尘呼吸设备较为典型的研究方向。

3 关键技术参数及其测定

3.1 送风量

动力送风式滤尘呼吸器的防护能力与使用者口鼻处空气环境是否为“正压”密切相关，而正压与否和使用者的实际呼吸量，即劳动强度直接相关。不同的劳动强度对应不同的呼吸流量，通过大量的文献调研同时结合验证试验的结果，以我国典型作业人群在中等劳动强度下的平均吸气峰值流量作为最低送风量要求，可作为强制送风模式下送风量技术要求的基准值。制造商设计最低送风量技术要求如下表所示[13]。

表2 制造商设计最低送风量技术要求

送风量的测定一般可通过测试风速和通风截面积计算得到，具体如公式(1)所示。

(1)

3.2 阻尘率

阻尘率是指在规定测试条件下，过滤元件滤除粉尘颗粒物的百分比。使用油性颗粒物测试，P95级防颗粒物过滤元件和综合防护过滤元件的阻尘率不应低于95.00%，P100级防颗粒物过滤元件的综合防护过滤元件的阻尘率不应低于99.97%。阻尘率的测定一般可借助于粉尘采样器，在呼吸器的滤尘送风口和面罩送风口处同时采样，采样时间不小于10 min，阻尘率可按公式(2)计算。

(2)

式中:η为阻尘率，%；c1为滤尘呼吸器进风口处平均粉尘浓度，mg/m3；c2为经过滤，呼吸器面罩进风口处平均粉尘浓度，mg/m3。

3.3 其他参数

滤尘呼吸器的呼吸阻力、呼吸阀气密性、防护时间及噪声等参数也是衡量其性能的关键指标，其中呼吸阻力一般采用压差计进行测量，正常工作状态下，呼吸阻力一般不得大于196 Pa。呼吸阀气密性可使用压差计、抽气泵进行测量，抽气流速为500mL/min时，负压小于1 960 Pa，且负压由1 960 Pa恢复到0的时间应大于10 s。滤尘呼吸器的连续工作时间不应小于6 h，且送风量和阻尘率均应达到最低设计要求。噪声一般不应大于70 dB(A)。

4 滤尘呼吸器发展趋势

粉尘环境下工人在劳动作业时，由于井下环境复杂，工作量大，体力消耗快，因此有效的氧气供给，是缓解工人疲劳、为企业提供安全生产的有效途径[14]。动力送风式滤尘呼吸器在我国已经得到一定程度的开发应用，但从总体上看仍然处于初级阶段，且在结构上仍然存在一些弊端。例如：长管呼吸器，由于增加了电动机、小型风机等辅助送风设备，使得长管呼吸面罩的质量较大，不便于长时间、高强度劳动作业使用，而且设备需佩戴在腰间，并由较长导管连接，结构复杂，不利于灵活劳动。矿山防尘循环助吸装置可以有效降低矿工长时间携带防尘设备的载荷，但若长期在高粉尘高湿环境下，呼吸阻率仍会增大，还需要定期更换滤尘网，而在帽壳与头顶之间具有的一定大容量空隙的利用价值实际上并没有充分实现。湿式防尘口罩与长管呼吸器类似，除尘盒与呼吸面罩之间由较长的软管连接，并且该结构包含一个箱体，携带比较笨重,增加了粉尘环境下作业人员的工作负荷，长时间工作还会降低工人工作效率。

国外滤尘呼吸装备正趋于轻便、小型化方向发展，美国、日本、德国、澳大利亚等国研制的头戴式防尘呼吸面罩，采用微型风机、一体化成型设计，不仅克服了呼吸阻力，而且结构小巧、佩戴轻便,风量设计和面罩外形结构与其人种特点相适应。我国的动力送风式滤尘呼吸器研究也逐步向安全智能、重量轻、体积小、佩戴方便、持久耐用等方向发展。在外观结构方面，逐渐趋于小型化、便捷化，例如：取消原有的长管设计方式，集成一体化为脖颈佩戴式，风机、过滤器等元件小型化，嵌入到气流通风管中，减轻设备整体重量的同时，便于灵活劳动，面罩设计符合亚洲人面部结构特征。电气性能方面，由固定风量式向智能化风量控制方式发展，即可根据佩戴者呼吸流量自动调节送风量，提高呼吸舒适性的同时降低功耗、提升续航时间。这种控制方式主要是通过在呼吸器内嵌压力传感器实现的。

5 结论

为了克服自吸过滤式防尘装备呼吸阻力偏高的缺点，解决阻尘率与呼吸阻力间的矛盾，近年来许多学者在主动送风过滤式呼吸器方向展开研究，研制出多种类型的电动送风个体防护用具，如：过滤式送风防尘呼吸器、电动送风防尘头盔等。通过对动力送风过滤式呼吸器的技术背景和发展现状分析研究得出，智能、轻便、小型化成为动力送风过滤式呼吸器的发展趋势，较自吸过滤式防尘口罩及自给式空气呼吸器应用将更加广泛。