密閉救援空間內堿石灰吸附二氧化碳的試驗研究

密閉救援空間內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,密閉生存空間內產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出的CO2總量約為490L(標準狀態(tài)),如不采取有效措施,則密閉生存空間內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,工作能力和基礎生理指標無明顯變化,但慢性呼吸性的酸堿度和電解質平衡出現(xiàn)明顯的適應性改變,離開這個環(huán)境若干天也不會完全恢復。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CO2濃度在人體安全范圍,藥劑還應當具有較高的吸附速率。堿石灰在密閉空間內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)與密閉空間內的溫濕度環(huán)境及凈化裝置的床層厚度相關;(3)與藥劑本身的成分、粒徑等因素相關。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,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量不同,同等質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量比不同時,對CO2的吸附率不同。另外,兩個方程式進行的速率不同,也就是說氫氧化鈣與氫氧化鈉對CO2的吸附速率不同,當二者在堿石灰中所占的質量比不同時,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)生反應時會生成水,若艙內的濕度偏大時,會使得反應正向進行困難,影響反應速率,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。溫度對化學反應的反應速率及反應平衡有很大影響,堿石灰對CO2的吸附屬于化學反應,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、產品吸附率等條件的篩選,共選出6種堿石灰進行對比試驗,其基本物理性質見表1,并對其編號為1~6。試驗在礦用密閉空間模擬艙內進行(圖1(a)),艙體為雙層氣密門結構,內部有效體積為8m3。艙內空氣凈化裝置如圖1(b)所示,環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用KJ70型煤礦安全生產監(jiān)控系統(tǒng)(圖1(c)),可實時監(jiān)測艙內、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行試驗測定。準確稱量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,取出后稱量剩余質量m2,則堿石灰中水分的比例為(2)溶解堿石灰水準確稱量一定質量的堿石灰,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,取出后準確稱量其質量,記為m2,則堿石灰中氫氧化鈣的比例為(3)受檢試樣質量試驗前先將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,稱其質量記為m2,兩次稱量質量之差即為受檢試樣的質量m1。再將U型管接入圖2所示裝置中,打開鋼瓶開關,按180mL/min速率連續(xù)通入CO2氣體1h,直至U形管7內堿石灰反應完全。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),用風速儀測定各個測點風速求平均值作為整個吸收床的平均風速。選擇5號藥劑放入空氣凈化裝置中,床層厚度8cm,以10L/min的流量向艙內通入CO2氣體,使艙內濃度達到1%時關閉氣瓶,開啟空氣凈化裝置風機,記錄數(shù)據(jù)。調節(jié)風機風速,保持其他實驗條件不變,重復試驗。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的流量向艙內通入CO2氣體,使其濃度達到1%后關閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內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放置5號堿石灰8cm,以10L/min的流量向艙內通入CO2氣體,同時開啟艙內電爐加熱裝置使其溫度達到24℃。當艙內CO2濃度達到1%后關閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內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溫度為26,28,30,32℃時進行試驗。2.2.5氣體及空氣中co濃度的變化在空氣凈化裝置內放置5號堿石灰8cm,以10L/min的流量向艙內通入CO2氣體,同時開啟空氣加濕裝置裝置使其濕度達到40%RH。當艙內CO2濃度達到1%后關閉氣瓶,并開啟空氣凈化裝置,記錄艙內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濕度為50%,60%,70%,80%時進行試驗。3試驗結果及分析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的反應中需要水的參與,適當?shù)乃至靠梢约涌旆磻倪M行。但是當藥劑本身水分含量過于大時,同時由于反應時會有水分的產生,當反應開始不久后,過多的水分會使堿石灰粘結在一起,使風阻增大,同時導致CO2與堿石灰接觸面積減小。另外粘結在中間處的堿石灰由于接觸不到CO2而不參加反應,導致反應不完全,堿石灰對CO2的吸附率減小。3.2不同風速下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速的增大先增大后減小,當風速為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),在風速為0.370~0.606m/s,風量為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,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,風阻太大,減慢了空氣的流通速率,導致吸收速率降低。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,凈化速率較好,凈化速率相差不大,當環(huán)境溫度大于28℃,凈化速率下降很快;當環(huán)境溫度28℃時,凈化速率最高,當溫度達到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。當濕度達到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在一起,說明隨著環(huán)境濕度的增大,堿石灰粘結,增大風阻從而降低了吸收速率。3.6空氣分離器關閉通過前期的試驗及艙內允許的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,密閉艙內空氣凈化器采用間歇式工作模式。當二氧化碳濃度達到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。停機時間即艙內避難人員呼吸導致二氧化碳濃度從0.3%上升至1.0%所需的時間,即式中,N為艙內避難人員數(shù)量;V1為避難人員人均二氧化碳產生速率,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二氧化碳濃度從1.0%處理至0.3%所需的時間,此期間艙內避難人數(shù)仍然持續(xù)產生二氧化碳,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