專利名稱：用于煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣再生裝置，尤其是涉及一種用于煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置。
背景技術(shù)：
煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”包括檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)、礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。其中，煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)是安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)中的重點(diǎn)工作。煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)是指煤礦井下發(fā)生緊急情況下，為遇險(xiǎn)人員避險(xiǎn)提供生命保障的設(shè)施、設(shè)備、措施組成的有機(jī)整體。近兩年來(lái)，全國(guó)煤礦企業(yè)根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國(guó)發(fā)〔2010〕23號(hào))的要求，大力推進(jìn)井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)工作。
iH^一五”期間，我國(guó)首次提出以應(yīng)急避難空間為基礎(chǔ)的煤礦新型安全防護(hù)體系，通過(guò)在井下布置救生艙、避難所與礦井各系統(tǒng)結(jié)合形成救援網(wǎng)絡(luò)，在煤礦事故中為被困作業(yè)人員提供應(yīng)急避難空間，降低煤礦事故死亡率。國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局分別于2011年I月25日和3月21日，聯(lián)合下發(fā)了《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》和《煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)完善基本規(guī)范(試行)》的規(guī)定，要求“煤與瓦斯突出礦井建設(shè)采取避難硐室，突出煤層的掘金巷道長(zhǎng)度及采煤工作面走向長(zhǎng)度超過(guò)500米時(shí)，必須在距離工作面500米范圍內(nèi)建設(shè)避難硐室或設(shè)置救生艙。煤與瓦斯突出以外的其它礦井，從采掘工作面步行，凡在自救器所能提供的額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)不能安全撤到地面的，必須在采掘工作面1000米范圍內(nèi)建設(shè)避難硐室或設(shè)置救生艙”。2012年6月底前，所有煤與瓦斯突出礦井，中央企業(yè)和國(guó)有重點(diǎn)煤礦中的聞瓦斯、開(kāi)米各易自燃煤層的礦井，要完成緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作；2013年6月底前，其他所有煤礦完成緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作。根據(jù)世界各國(guó)對(duì)礦井事故的調(diào)查，在火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)瞬間受到傷害死亡的礦工只占事故傷亡總?cè)藬?shù)的很少一部分，絕大多數(shù)礦工都是因?yàn)樵诨馂?zāi)、爆炸后不能及時(shí)升井或逃離高濃度有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致窒息或中毒死亡。如何在礦難發(fā)生后為井下被困的幸存人員提供躲避有毒氣體環(huán)境及其它傷害的密閉空間，為其提供必須的生存條件，延長(zhǎng)其生存時(shí)間，直至救援人員到達(dá)，成為礦井救援的一個(gè)重要課題。這種當(dāng)井下發(fā)生災(zāi)難事故時(shí)，為無(wú)法及時(shí)撤離的遇險(xiǎn)人員提供生命保障的密閉空間被稱為井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施。該設(shè)施對(duì)外能夠抵御高溫?zé)煔?，隔離有毒有害氣體，對(duì)內(nèi)提供氧氣、食物、水，去除有毒有害氣體，創(chuàng)造生存基本條件，為應(yīng)急救援創(chuàng)造條件、贏得時(shí)間。I、國(guó)內(nèi)外緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀I(lǐng). I產(chǎn)煤發(fā)達(dá)國(guó)家緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀國(guó)外一般規(guī)定，煤礦井下避險(xiǎn)系統(tǒng)的類型由煤礦企業(yè)根據(jù)自身的特點(diǎn)自主選擇，以滿足煤礦井下人員避險(xiǎn)需要為原則。加拿大自1928年Hollinger礦發(fā)生死亡39人的火災(zāi)后，就出現(xiàn)通過(guò)面罩供氧的初級(jí)避難硐室(密封起來(lái)的廢棄巷道，采用礦井壓風(fēng)系統(tǒng)提供呼吸空氣)，最初沒(méi)有二氧化碳吸收系統(tǒng)，在密閉硐室內(nèi)不到10小時(shí)二氧化碳濃度達(dá)到25%，造成人員死亡。后來(lái)出現(xiàn)一氧化碳和二氧化碳等有害氣體處理系統(tǒng)，緊急避險(xiǎn)體系擴(kuò)展到救生艙、自救器、直通地面的通訊系統(tǒng)、避難硐室(救生艙)內(nèi)的食物、飲水及供氧系統(tǒng)，加拿大通過(guò)立法形式強(qiáng)制礦山執(zhí)行。這一套理論已取得效果，2006年I月29日加拿大薩斯喀徹溫省鉀鹽礦發(fā)生火災(zāi)事故，井下72名礦工逃進(jìn)井下“避難站”，被困36小時(shí)后全部被救，避難所發(fā)揮重要作用。目前，加拿大煤礦井下避難硐室與可移動(dòng)式救生艙配備比例約為1:5，使用的可移動(dòng)式救生艙以硬體為主。南非20世紀(jì)70年代出現(xiàn)把壓風(fēng)管引入盲巷形式的簡(jiǎn)易避難所。緊急避險(xiǎn)研究主要針對(duì)礦井爆炸、火災(zāi)等事故，在距離工作面一定距離內(nèi)建設(shè)庇護(hù)所， 配有通風(fēng)設(shè)備、救援電話、備用自救器和飲用水，礦工在逃生指示裝置的指引下，在便攜式自救器有效工作的時(shí)問(wèn)內(nèi)撤離到最近的安全庇護(hù)所，等候救援。南非通過(guò)立法要求礦山企業(yè)建設(shè)安全避難所并納入應(yīng)急救援體系，井下避難所己是南非礦山應(yīng)急救援中一項(xiàng)成熟而有效的安全設(shè)施。2003年和2005年南非兩個(gè)特大金礦先后發(fā)生停電和火災(zāi)事故，當(dāng)時(shí)一個(gè)礦井井下有3400多人，只死亡9人，救護(hù)隊(duì)從井下各個(gè)避難所內(nèi)救出280人；另一個(gè)礦井在2600人返回地面后，發(fā)現(xiàn)52人失蹤，兩天后在井下避難所找到，全部安然無(wú)恙。澳大利亞自2000年一直使用可移動(dòng)式救生艙，還采用“自救器+中繼站”避險(xiǎn)設(shè)施。美國(guó)早期避險(xiǎn)理論始于避難硐室研究，在井下利用水泥砌塊建造避難隔離墻，或在巷道頂板和兩幫上懸掛隔離屏障形成隔離空問(wèn)，供遇災(zāi)礦工避險(xiǎn)等待救援。這一原始避險(xiǎn)理論持續(xù)到2006年I月西弗吉尼亞州Sago煤礦爆炸事故,此次事故造成12名(I人當(dāng)場(chǎng)死亡、11人因窒息死亡)礦工遇難，西弗吉尼亞州政府率先對(duì)井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施做出規(guī)定，并對(duì)救生艙產(chǎn)品實(shí)施州政府批準(zhǔn)。2006年《礦山改善和新應(yīng)急反應(yīng)法》突出了避難硐室(移動(dòng)救生艙)和應(yīng)急通訊系統(tǒng)在避險(xiǎn)救援中的作用，要求礦山經(jīng)營(yíng)者將井下避難所納入“應(yīng)急反應(yīng)方案”。目前，美國(guó)煤礦以可移動(dòng)式救生艙為主，共配備避難所1193臺(tái)(個(gè))，其中軟體式救生艙1000臺(tái)，硬體式救生艙123臺(tái)，避難硐室只有70個(gè)。避難硐室與救生艙結(jié)合使用，在礦井巷道兩側(cè)地層中直接挖掘或利用已有巷道建造而成，布置在主巷或逃生路線上，配備維持人員生存所必需的清新空氣、跟蹤定位、應(yīng)急通訊和食物，具備防止火災(zāi)及爆破等災(zāi)害能力，逃生路線要用反光材料制成。澳大利亞則使用“空氣呼吸器+加氣站”的避險(xiǎn)設(shè)施，災(zāi)害事故發(fā)生后，遇險(xiǎn)人員佩戴隨身攜帶的自救器，迅速跑到空氣呼吸器存放點(diǎn)換戴后逃生，對(duì)維持時(shí)間不足的空氣呼救器，通過(guò)快速加氣站加氣，或者換配后逃生。國(guó)外緊急避險(xiǎn)研究最初針對(duì)金屬礦，研究?jī)?nèi)容集中在井下避難硐室(救生艙)功能、布置原則、救援效果評(píng)價(jià)及通過(guò)何種方式加以實(shí)施，為災(zāi)害事故發(fā)生不可避免情況下井下礦工無(wú)法及時(shí)撤離時(shí)，提供一個(gè)安全的避難場(chǎng)所，從而延長(zhǎng)救援時(shí)間，提高應(yīng)急救援的效果。目前澳大利亞、美國(guó)均能獨(dú)立生產(chǎn)避險(xiǎn)設(shè)施，其中Mine ARC>Strata Safety Products、Kennedy已走到行業(yè)的前列。I. 2我國(guó)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀從國(guó)內(nèi)來(lái)看，國(guó)內(nèi)煤礦在采、掘工作面等易發(fā)生突出區(qū)域布置簡(jiǎn)易硐室，采用壓風(fēng)送氣，硐室密封，也沒(méi)有食品、通訊等生命維持系統(tǒng)，容納人數(shù)較少，屬于緊急避險(xiǎn)體系建設(shè)初級(jí)階段。發(fā)生事故后，這些初級(jí)避難硐室作用有限，煤礦企業(yè)對(duì)緊急避險(xiǎn)體系建設(shè)也不重視。2010年智利33名礦工被困井下69天后成功獲救，井下應(yīng)急避難所發(fā)揮了重要作用，受此案例啟發(fā)，國(guó)家推出了國(guó)內(nèi)煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)，要求加強(qiáng)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有幾十家企業(yè)參與避難硐室(救生艙)及配套設(shè)施的研發(fā)及生產(chǎn)，對(duì)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、布置原則、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)實(shí)施提出有益建議和方法。同時(shí)，國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)正在大力開(kāi)展避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)工作。據(jù)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2010年底，我國(guó)共有年產(chǎn)120萬(wàn)噸以上的煤礦837處，120萬(wàn)噸以下煤礦11000處。2011年底之前，在建的100人規(guī)模峒室有近百座，2012年待建的峒室有近千座。我國(guó)避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)主要包括永久避難峒室、臨時(shí)避難硐室、救生艙、避災(zāi)路線、應(yīng)急預(yù)案等，形成了比較完善的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)，每個(gè)峒室基礎(chǔ)投入資金約500-600萬(wàn)元，有的投入甚至更多。I. 3空氣再生技術(shù)研究現(xiàn)狀煤礦井下密閉空間(避難硐室和救生艙)內(nèi)空氣再生包括提供氧氣和氣體凈化兩 個(gè)方面。煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施中最重要的是空氣再生系統(tǒng)，既要保證內(nèi)部避難人員生存，就必須持續(xù)穩(wěn)定地為其提供可呼吸的02，又要對(duì)人呼出的氣體及時(shí)進(jìn)行處理，吸收CO2等廢氣。O2是煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施空氣中一種重要的組成部分，它是維持避難人員呼吸，保持生命力的關(guān)鍵因素之一。一個(gè)成年人平均每小時(shí)需消耗氧氣22 25L，當(dāng)空氣中O2含量低于18%時(shí)，人就會(huì)出現(xiàn)缺氧癥狀；降至10%時(shí)，會(huì)使人昏迷；降至6%時(shí)將引起死亡。正常人每小時(shí)呼出二氧化碳約21L，在密閉空間內(nèi)，如不及時(shí)消除CO2，只需幾小時(shí)濃度就升至1%。人長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濃度的CO2環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致生理心理病變，當(dāng)CO2含量達(dá)5%時(shí)，呼吸僅能維持30min。根據(jù)《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》的要求在整個(gè)額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)(不低于96小時(shí))，緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)部環(huán)境中O2含量應(yīng)在18. 5% 23%之間，CO2濃度不大于1%。煤礦井下避難硐室或救生艙作為一個(gè)密閉空間，不能與外界進(jìn)行氣體交換，必須采取有效的空氣調(diào)節(jié)和再生技術(shù)裝置來(lái)將其O2和CO2濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)人員最基本的正常生存與工作條件很快喪失，根本無(wú)法生存較長(zhǎng)時(shí)間。目前，國(guó)內(nèi)外密閉空間常用供氧技術(shù)及方式主要包括氧氣瓶供氧法、液氧罐供氧法、壓縮空氣供氧法、氯酸鹽氧燭供氧法、特種氧化物供氧法、堿性電解液電解水供氧法、固態(tài)電解質(zhì)(SPE)電解水供氧法等。按其原理，可將這些方法歸納為四大類高壓氧瓶法、氯酸鹽氧燭法、電解水法、特種氧化物法。I. 3. I高壓氧瓶法高壓氧瓶法的實(shí)用化技術(shù)主要有氧氣瓶供氧法、壓縮空氣供氧法和液氧罐供氧法。氧氣瓶供氧是直接用高壓氣瓶貯存純氧氣，減壓后供呼吸使用。與空氣相比，壓縮
O2鋼瓶體積小、含氧量大，且能夠在人的呼吸作用后轉(zhuǎn)化為約同等體積的CO2，被處理后不影響密閉空間內(nèi)空氣各組分濃度及壓力，其成為國(guó)內(nèi)外井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施廣泛使用的一種重要的供氧方式。壓縮空氣可以通過(guò)礦井壓風(fēng)管路和鋼瓶?jī)?chǔ)存來(lái)提供。使用壓縮空氣可以直接滿足煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)人員的呼吸，但礦井壓風(fēng)管路在發(fā)生事故時(shí)可能受到破壞，導(dǎo)致管路中斷或者破裂而將有毒氣體引入井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施中。使用壓縮空氣鋼瓶時(shí)需要大量的鋼瓶，不利于在礦井或井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)大量布置；其中含有的大量N2等不可呼吸氣體也會(huì)影響井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)空氣的各組分含量，增加泄壓次數(shù)。礦井壓風(fēng)管路對(duì)于井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施屬于外界輸入，可作為一級(jí)供氧措施，而壓縮空氣瓶一般用作井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施的備用氣源，在正常O2供應(yīng)中斷時(shí)備用或同時(shí)與高壓O2混合使用，也用于井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施入口處換氣室的加壓排氣。針對(duì)氣態(tài)氧的攜帶量更易受限制的缺點(diǎn)，發(fā)展了液氧攜帶技術(shù)。氧氣在_183°C以下時(shí)呈液態(tài)，其密度大約是常溫常壓下氣氧密度的1000倍，所以同體積的貯罐可攜帶的液氧遠(yuǎn)大于氣氧。目前，攜帶液氧的方法在潛艇、航天器等密閉空間大量采用，其攜帶液氧的主要用途是給動(dòng)力裝置提供氧源，同時(shí)部分液氧從液氧罐中出來(lái)經(jīng)氣化、減壓、混合后供人員呼吸使用。但是，液氧罐供氧法的更廣泛地推廣使用必須要有可靠的保溫技術(shù)，使用的液氧罐須采用雙層真空設(shè)計(jì)并設(shè)置相應(yīng)的安全保障措施，因此，要將液氧罐供氧法應(yīng)用于煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施，目前實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。
由于高壓氧瓶法供氧具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、技術(shù)成熟、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施中一種重要的供氧方式。但是，高濃度的O2不適宜直接呼吸，一般需要經(jīng)過(guò)與救生艙內(nèi)氣體或壓縮空氣混合后使用；同時(shí)，高壓O2在礦井中屬于危險(xiǎn)源，安裝、使用及維護(hù)均需要嚴(yán)格管理。因此，高壓氧瓶法供氧在煤礦井下應(yīng)用也具有一定的局限性。I. 3. 2氯酸鹽氧燭法氯酸鹽氧燭制氧是在氯酸鈉或氯酸鉀中加入燃料、抑氯劑、粘結(jié)劑等添加劑，鑄成圓柱形，使用時(shí)將其引燃，釋放出氧氣，故稱氧燭。氧燭工作原理是在有催化劑存在的條件下，氯酸鹽熱分解釋放出氧氣。氯酸鹽分解所需要熱量由金屬(Fe、Al、Mn和Mg等)粉末燃燒提供，化學(xué)反應(yīng)如方程式(I) (3)所示，式中M為堿金屬。氯酸鹽熱反應(yīng)在適中的溫度按式(I)和式(2)進(jìn)行高溫時(shí)候按式(3)進(jìn)行。氯酸鹽熱分解反應(yīng)中若有水存在，則會(huì)產(chǎn)生氯氣，如化學(xué)反應(yīng)如方程式(4)所示，而且有的催化劑反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生CO、有機(jī)物和煙塵。4MC103 (加熱)—3MC104+4MC1(I)4MC104 (加熱)—MCl+202( 2)2MC103 — 2MCl+302( 3)2MC103 (加熱)—Μ20+2· 502+Cl2(4)氯酸鹽氧燭制氧的主要特點(diǎn)是使用方便,氧燭一經(jīng)啟動(dòng),就能放出全部氧氣；氧燭儲(chǔ)氧量大；產(chǎn)氧速率快，產(chǎn)氧量和產(chǎn)氧速率等性能不受外環(huán)境的溫、濕度影響使用前后體積無(wú)變化，無(wú)需后處理。但是，氧燭在使用過(guò)程中產(chǎn)熱量比較集中，容易給使用環(huán)境帶來(lái)一定的熱負(fù)荷，除產(chǎn)生氧氣外，還會(huì)產(chǎn)生C12、C0等對(duì)人體有害的氣體或其它雜質(zhì)，造成嚴(yán)重的二次污染，導(dǎo)致密閉空間的環(huán)境更加惡化。另外，氧燭一經(jīng)啟動(dòng)，就會(huì)釋放出全部的氧氣，中途不能自動(dòng)停止，反應(yīng)速度難以控制，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供氧。例如，英國(guó)某公司生產(chǎn)的氧燭能在25min時(shí)間內(nèi)釋放總量為720L的O2，這足以使體積為24m3的空間內(nèi)O2的濃度從18%上升至21%，同時(shí)是艙內(nèi)壓力升高約3000Pa，讓人感覺(jué)不適。因此，煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施不宜采用氯酸鹽氧燭供氧。I. 3. 3電解水法電解水供氧法主要包括堿性電解液電解水供氧和固態(tài)電解質(zhì)電解水供氧。電解水制氧裝置就是利用電流將水分解成它的組成元素氫和氧的裝置。將充滿電解液的電解槽接通電源以后，就有氫氣和氧氣產(chǎn)生，由電解槽逸出的氫氣和氧氣分別進(jìn)入氫氣分離器和氧氣分離洗滌器，進(jìn)行氣液分離。經(jīng)分離后的氫氣和氧氣再分別引入水洗滌器，進(jìn)一步分離和冷卻，然后送出氫氣和氧氣。分離器內(nèi)回流的堿液經(jīng)堿液分離器去除雜質(zhì)和污物，再送回電解槽循環(huán)使用，而產(chǎn)生的氧氣即可供人員呼吸使用。其反應(yīng)的原理方程式為陽(yáng)極40!T4e — O2+H2O
陰極2H20+2e — H2+20H
總反應(yīng) 2H20 — 2H2+02固態(tài)電解質(zhì)電解水供氧法的主要特點(diǎn)是以固體聚合物電解質(zhì)(SPE)代替了傳統(tǒng)采用的苛性堿液體電解質(zhì)。氫氣和氧氣分別在電解質(zhì)兩側(cè)的陰極和陽(yáng)極上產(chǎn)生出來(lái)，該電解質(zhì)既作導(dǎo)電的介質(zhì)，又可作為隔離氫、氧氣體的隔膜。所謂固體聚合物電解質(zhì)(SPE)實(shí)際上是一種全氟磺酸聚合物薄片，這種材料浸水后成為離子的良導(dǎo)體，其導(dǎo)電性通過(guò)電場(chǎng)下水合氫離子在膜上的遷移達(dá)到。在這種電解質(zhì)兩側(cè)結(jié)合上一層陰極或陽(yáng)極材料，就構(gòu)成了電解槽小室的陰極和陽(yáng)極。當(dāng)水供給陽(yáng)極時(shí)，水被電解生成氧氣、氫離子和電子，氫離子在陰極一側(cè)得到電子生成氫氣。電解水反應(yīng)方程式與堿性電解液電解水相同。SPE電解水制裝置主要由電解槽、分離器、換熱器、循環(huán)泵及N2凈化裝置等元件組成。電解水制氧必然要消耗大量的電能，而且設(shè)備體積龐大，控制復(fù)雜；特別是其副產(chǎn)物H2的存在對(duì)密閉空間的安全是一個(gè)非常不利的危險(xiǎn)因素。很顯然，電解水制氧技術(shù)不符合無(wú)大功率電源、無(wú)安全隱患的要求，故其不宜在煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施中采用。I. 3. 4特種氧化物法特種氧化物主要是指過(guò)氧化鉀、過(guò)氧化鈉、超氧化鉀、超氧化鈉、超氧化鈣等化學(xué)物質(zhì)。它們能夠與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成氧氣，具有供氧和吸收二氧化碳雙重功能，即可以高效去除密閉環(huán)境中的二氧化碳，同時(shí)生成所需的氧氣。該技術(shù)在二戰(zhàn)期間已用于軍事目的，作為隔絕式防毒面具，用于核武器和化學(xué)戰(zhàn)的個(gè)人防護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外已在潛艇、水下深潛器、國(guó)防工事、宇宙飛船、登山吸氧、礦井事故急救中大量的應(yīng)用該技術(shù)，執(zhí)行供應(yīng)氧氣、清除二氧化碳的任務(wù)。但是，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中尚無(wú)該技術(shù)用于煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施的相關(guān)報(bào)道。上述的高壓氧瓶法、氯酸鹽氧燭法、電解水法等三種方法都因不能吸收二氧化碳而必須要有專門配套的二氧化碳吸收技術(shù)裝備，大大增加了設(shè)備的復(fù)雜性和操作使用的難度，而特種氧化物供氧法具有吸收二氧化碳釋放氧氣雙重功能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。超氧化鉀(KO2)是一種重要的堿金屬超氧化物，物理性狀是一種淺黃色粉末，附著性較好，易加壓粘結(jié)，常溫下密閉儲(chǔ)存穩(wěn)定性好。由于其中含氧豐富，無(wú)需特殊反應(yīng)條件即可二氧化碳或水發(fā)生反應(yīng)，放出大量氧氣，是一種理想的固態(tài)化學(xué)儲(chǔ)氧劑。此外，在KO2與水反應(yīng)后生成的KOH (氫氧化鉀)是一種強(qiáng)堿，可與反應(yīng)氣體中酸性氣體CO2反應(yīng)生成K2CO3(碳酸鉀)甚至進(jìn)一步生成KHCO3 (碳酸氫鉀)，從而達(dá)到吸收CO2的目的，因此，又可以同時(shí)兼做CO2的凈化藥劑。由于其本身的特性，自40年代起，就逐漸被用在諸如礦山、消防、登山等個(gè)人呼吸供氧裝置，直到后來(lái)的航天、潛艇等的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)中。但是，KO2的應(yīng)用也有許多問(wèn)題需要解決。其反應(yīng)機(jī)理和最終產(chǎn)物將受到環(huán)境因素諸如溫濕度、CO2濃度等因素的影響。如反應(yīng)環(huán)境不可控，則反應(yīng)過(guò)程難于控制，可能出現(xiàn)容易過(guò)量放氧，吸水過(guò)多體積膨脹導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞失效，系統(tǒng)不能間斷使用等問(wèn)題。國(guó)際上對(duì)于KO2的研究高峰集中于60年代到80年代初期，這一時(shí)期發(fā)表的各種文獻(xiàn)資料很多。在此期間，以俄羅斯為代表，世界主要國(guó)家根據(jù)各自的需要，對(duì)KO2-H2O-CO2反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了比較全面的研究，弄清楚了系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于外界的物理、化學(xué)及反應(yīng)條件的影響進(jìn)行了定性研究并對(duì)反應(yīng)熱等作了定量測(cè)定，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)用的反應(yīng)器也提供了許多有用的經(jīng)驗(yàn)。同一時(shí)期，他們還設(shè)計(jì)了很多反應(yīng)裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究和用于不同的用途，積累了不少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。但是，KO2反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)最終狀態(tài)受到多種因素的影響。所以，在每一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，都必須根據(jù)使用條件重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且一種系統(tǒng)能否成功應(yīng)用在很大程度上取決于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)研制。 早在二戰(zhàn)期間，美國(guó)礦業(yè)安全設(shè)備公司(Mine Safety Appliances Company, MSA)就已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用KO2作為氧源的呼吸供氧裝置Chemox。該裝置后被美國(guó)海軍和空軍用作為個(gè)人防護(hù)裝備，這是一種封閉式的個(gè)人防護(hù)裝備，兼有供氧和消除CO2的功能，可用于有毒氣的危險(xiǎn)環(huán)境。此后，類似的裝置被廣泛應(yīng)用于采礦、消防、登山探險(xiǎn)等諸多行業(yè)至今。由于KO2反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和使用條件(總反應(yīng)時(shí)間、人員的個(gè)體差異、工作時(shí)的呼吸劇烈程度等)的差距，單人救生裝置一般是通過(guò)保守裝藥的方法來(lái)保證其總工作時(shí)間，因此，這類裝置的效率通常都很低。自1960年開(kāi)始，前蘇聯(lián)從模擬假人和動(dòng)物搭載的載人飛行前期研究階段就采用KO2作為生保系統(tǒng)的主氧源和CO2吸收劑，并在1961年的“東方號(hào)”飛船中得到首次載人飛船的成功應(yīng)用。此后，俄羅斯(前蘇聯(lián))在飛船上的生保系統(tǒng)直到“聯(lián)盟號(hào)”飛船一直利用KO2作為空氣再生藥劑(產(chǎn)氧和消除C02)。I. 3. 5空氣再生技術(shù)存在問(wèn)題目前，國(guó)內(nèi)煤礦避險(xiǎn)系統(tǒng)空氣再生系統(tǒng)基本都采用壓縮氧供氧技術(shù)，需在避難硐室或救生艙內(nèi)使用大量的高壓氧氣瓶。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦避難峒室需要高壓氧瓶一般不少于60個(gè)，當(dāng)采用壓縮二氧化碳制冷時(shí)幾乎接近200個(gè)。高壓氧瓶為危險(xiǎn)品，氧氣瓶規(guī)格一般為40升，壓力為15兆帕，約150標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氧氣瓶是高壓容器，瓶?jī)?nèi)要灌裝壓力為150大氣壓(15兆帕)的氧氣，瓶裝氧是強(qiáng)烈氧化劑，所以在生產(chǎn)、運(yùn)輸、操縱和維護(hù)中，若出現(xiàn)氧瓶質(zhì)量不過(guò)關(guān)、搬運(yùn)撞擊、使用不當(dāng)?shù)冉?jīng)常會(huì)引起爆炸事故。一旦出現(xiàn)事故，其破壞力相當(dāng)大。除高壓氧氣瓶本身存在的危險(xiǎn)外，高壓氧氣瓶還存在自泄露，高壓氣體瞬間泄露也會(huì)影響人員生命健康，尤其是中國(guó)的氧氣瓶泄露率較高，更增加了危險(xiǎn)因素；高壓氧氣瓶需要每年運(yùn)至地面補(bǔ)氣一次，每三年運(yùn)至地面專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)鋼瓶，維護(hù)費(fèi)用也較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置。針對(duì)目前我國(guó)煤礦井下緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所壓縮制氧技術(shù)存在的氧瓶多、風(fēng)險(xiǎn)大、系統(tǒng)復(fù)雜等弊端，本發(fā)明利用超氧化鉀藥板吸收二氧化碳和水分，產(chǎn)生氧氣的空氣的原理設(shè)計(jì)出空氣再生裝置，該空氣再生裝置能實(shí)現(xiàn)降低放氧速率，該空氣再生裝置產(chǎn)氧平穩(wěn)可靠；該空氣再生裝置無(wú)電源無(wú)壓力，不怕碰撞，不怕誤操作，屬安全型裝置；該裝置不僅為煤礦井下避難人員提供安全舒適的生存環(huán)境，而且消除了煤礦井下緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所壓縮制氧技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了煤礦安全保障能力。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置；包括裝置主體，該裝置主體為中空腔體結(jié)構(gòu)，所述裝置主體從下到上依次包括進(jìn)氣區(qū)、反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)；所述進(jìn)氣區(qū)和反應(yīng)區(qū)之間設(shè)有下透氣隔板，所述反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)之間設(shè)有上抽氣隔板；所述反應(yīng)區(qū)平均分為上腔體、中腔體和下腔體，三個(gè)腔體之間設(shè)有中透氣隔板，所述上腔體、中腔體和下腔體中均設(shè)置一個(gè)超氧化鉀反應(yīng)器；所述反應(yīng)區(qū)的一側(cè)壁上設(shè)置旋轉(zhuǎn)密封門。進(jìn)一步地，所述裝置主體高1625 1725mm，左右長(zhǎng)400 480mm，寬310 380mm ；其中，進(jìn)氣區(qū)高度為155 165mm ;反應(yīng)區(qū)高度為1300 1350 ;排氣區(qū)高度170 210mm。上述尺寸的選定是本發(fā)明的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)；根據(jù)研究，超氧化鉀的最佳反應(yīng)溫度為攝氏·50 60°C，在此溫度范圍內(nèi)，O2的釋放和CO2的吸收都達(dá)到最佳，溫度過(guò)高過(guò)低都會(huì)降低反應(yīng)效率，而裝置高度決定內(nèi)部流動(dòng)上升的距離和流速，空氣流通影響裝置散熱及產(chǎn)氧速率等。；上述尺寸的選擇使得整個(gè)再生裝置的反應(yīng)速度得到更加有效的控制。進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣區(qū)內(nèi)設(shè)有抽屜式隔板；該抽屜式隔板內(nèi)可以起到空氣進(jìn)入的開(kāi)關(guān)作用；同時(shí)，其中還可以放置一些吸附材料，用于去除進(jìn)入空氣中的灰塵。進(jìn)一步地，所述下透氣隔板的孔隙率為45 55% ;所述中透氣隔板的孔隙率為45 55% ;所述上抽氣隔板的孔隙率為45 55% ;優(yōu)選地，所述下透氣隔板的孔隙率為50% ；所述中透氣隔板的孔隙率為50% ;所述上抽氣隔板的孔隙率為50%。裝置主體內(nèi)的隔板的孔隙率是裝置控制空氣通流的重要環(huán)節(jié)，是控制超氧化鉀反應(yīng)單元產(chǎn)氧速度控制的重要參數(shù)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，確定了上述孔隙率參數(shù)；試驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)上述參數(shù)的設(shè)定，可以使整個(gè)再生裝置的反應(yīng)速度得到更加有效的控制。更優(yōu)選地，所述下透氣隔板的孔隙率為50% ;所述中透氣隔板的孔隙率為50% ;所述上抽氣隔板的孔隙率為50%。進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)門上分別對(duì)應(yīng)上腔體、中腔體和下腔體的位置上各設(shè)有一個(gè)觀察窗；通過(guò)該觀察窗可以清楚的觀察到超氧化鉀反應(yīng)器的反應(yīng)情況。裝置內(nèi)空氣流通主要為熱效應(yīng)產(chǎn)生空氣密度差引起的，類似于煙囪的抽力，根據(jù)抽力公式h抽=Η(γ空一 Y氣)，抽力同裝置高度和內(nèi)溫度有關(guān)。假設(shè)外界溫度為25°C，在海拔為O的狀態(tài)下，計(jì)算兩種不同高度裝置在不同溫差下的數(shù)據(jù)(如表I所示)。表I不同風(fēng)道的溫差與抽力關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置，包括裝置主體，該裝置主體為中空腔體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述裝置主體從下到上依次包括進(jìn)氣區(qū)、反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)；所述進(jìn)氣區(qū)和反應(yīng)區(qū)之間設(shè)有下透氣隔板，所述反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)之間設(shè)有上抽氣隔板；所述反應(yīng)區(qū)平均分為上腔體、中腔體和下腔體，三個(gè)腔體之間設(shè)有中透氣隔板，所述上腔體、中腔體和下腔體中均設(shè)置一個(gè)超氧化鉀反應(yīng)器；所述反應(yīng)區(qū)的一側(cè)壁上設(shè)置旋轉(zhuǎn)密封門。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述裝置主體高1625 1725mm，左右長(zhǎng)400 480mm，寬310 380mm ;其中，進(jìn)氣區(qū)高度為155 165mm ；反應(yīng)區(qū)高度為1300 1350 ;排氣區(qū)高度170 210_。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述進(jìn)氣區(qū)內(nèi)設(shè)有抽屜式隔板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述下透氣隔板的孔隙率為45 55% ;所述中透氣隔板的孔隙率為45 55% ;所述上抽氣隔板的孔隙率為45 55% ;優(yōu)選地，所述下透氣隔板的孔隙率為50% ;所述中透氣隔板的孔隙率為50% ;所述上抽氣隔板的孔隙率為50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)門上分別對(duì)應(yīng)上腔體、中腔體和下腔體的位置上各設(shè)有一個(gè)觀察窗。
6.根據(jù)權(quán)利要求I中任一所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于還包括一個(gè)超氧化鉀反應(yīng)器密封儲(chǔ)存箱；優(yōu)選地，所述超氧化鉀反應(yīng)器外用兩層薄膜真空包裝并放置在密封儲(chǔ)存箱中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于優(yōu)選地，所述超氧化鉀反應(yīng)器包括支架和21 25塊超氧化鉀藥板；所述支架上設(shè)有相應(yīng)21 25個(gè)擱置空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述超氧化鉀反應(yīng)器的尺寸為左右長(zhǎng)320 340mmX前后寬250 270mmX高340 360mm ;每塊超氧化鉀藥板的尺寸為左右長(zhǎng)305 320mmX前后寬210 230mmX厚4 6mm ;每塊超氧化鉀藥板的重量為:380 390g。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述超氧化鉀藥板，包括如下重量份數(shù)的原料 生氧吸碳藥粉94 96份； 增強(qiáng)劑4 6份； 所述生氧吸碳藥粉中包括如下重量百分比的原料 KO2 75 85% ；K202 8 13% ；Κ20 7 12%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超氧化鉀空氣再生裝置，其特征在于所述增強(qiáng)劑是5 IOmm長(zhǎng)的硅酸鹽纖維；優(yōu)選地，所述生氧吸碳藥粉中還包括其它輔料1 3份CoSO4U 3份珍珠巖粉和I 3份CuOCl。
全文摘要
一種煤礦井下緊急避險(xiǎn)的超氧化鉀空氣再生裝置，包括裝置主體，該裝置主體為中空腔體結(jié)構(gòu)，所述裝置主體從下到上依次包括進(jìn)氣區(qū)、反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)；所述進(jìn)氣區(qū)和反應(yīng)區(qū)之間設(shè)有下透氣隔板，所述反應(yīng)區(qū)和排氣區(qū)之間設(shè)有上抽氣隔板；所述反應(yīng)區(qū)平均分為上腔體、中腔體和下腔體，三個(gè)腔體之間設(shè)有中透氣隔板，所述上腔體、中腔體和下腔體中均設(shè)置一個(gè)超氧化鉀反應(yīng)器。本裝置結(jié)構(gòu)完善合理，使用方便，維護(hù)簡(jiǎn)單；工作時(shí)無(wú)需動(dòng)力；使用過(guò)程中及反應(yīng)終止均不產(chǎn)生對(duì)人和環(huán)境有害的物質(zhì)；在去除CO2的同時(shí)，還能吸收凈化CH4、CO、H2S、SO2、NOX等有害氣體；本發(fā)明的超氧化鉀空氣再生裝置具有可控性，能為密閉空間持續(xù)穩(wěn)定供氧。
文檔編號(hào)C01B13/02GK102874760SQ201210335538
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者胡維淳, 王云泉, 管增倫, 牛敏樂(lè), 劉昕, 田敬秋, 楊云 申請(qǐng)人:中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司