密闭救援空间内碱石灰吸附二氧化碳的试验研究

密闭救援空间内碱石灰吸附二氧化碳的试验研究

为确保人身安全，有必要在脆弱区域的有五个环境参数（总压、氧压、二氧化硫压、温度和湿度）和一些有害气体的情况下控制人体。据研究,密闭生存空间内产生的最主要的污染物是CO2、水蒸气、恶臭气以及热污染。其中每人平均一天产出的CO2总量约为490L(标准状态),如不采取有效措施,则密闭生存空间内CO2浓度将迅速攀升到危害人体健康与生命安全的程度。据海军部门对潜艇艇员的研究,如果CO2浓度达到5%,呼吸仅能维持30min;如果在3%CO2环境中暴露数十小时,中枢神经机能开始降低,人的工作能力、智力活动能力显著下降;1.5%CO2环境中暴露几十天,工作能力和基础生理指标无明显变化,但慢性呼吸性的酸碱度和电解质平衡出现明显的适应性改变,离开这个环境若干天也不会完全恢复。因此对CO2去除效率、去除速率的研究对于救生舱等密闭生存空间内人员生命安全的保障具有重要意义。1不同放空间方法对碱石灰吸附率的影响救生舱是在煤矿灾变环境下使用,要求在外部电力中断的情况下106h独立供电,同时受到体积的限制,所以使用的空气净化系统要尽可能的低能耗,同时净化药剂在同等体积下吸附率要高。为了满足舱内CO2浓度在人体安全范围,药剂还应当具有较高的吸附速率。碱石灰在密闭空间内的吸附率和吸附速率受到3方面因素影响:(1)密闭空间的能耗问题,这就需要通过工作模式的改变来尽可能地减少能源消耗;(2)与密闭空间内的温湿度环境及净化装置的床层厚度相关;(3)与药剂本身的成分、粒径等因素相关。具体分析如下。(1)碱石灰与碱氧化钙的配比对co吸附co碱石灰又称钠石灰,白色或米黄色粉末,是氢氧化钙、水、氢氧化钠和氢氧化钾混合物,其对CO2气体的吸附率与各成分配比相关,碱石灰吸附CO2方程式为由于氢氧化钙与氢氧化钠的相对分子质量不同,同等质量的氢氧化钙与氢氧化钠对CO2的吸附量不同,因此二者在碱石灰中所占的质量比不同时,对CO2的吸附率不同。另外,两个方程式进行的速率不同,也就是说氢氧化钙与氢氧化钠对CO2的吸附速率不同,当二者在碱石灰中所占的质量比不同时,对CO2的吸附速率会有不同。(2)碱石灰对co的吸附碱石灰的床层厚度可以影响到药剂层阻力的大小,随着厚度的增大,药剂床层的阻力增大,使得流经吸附床的风速减慢,一方面使得碱石灰与CO2的接触时间增长,另一方面减慢了空气的净化速率,两方面综合影响到碱石灰对CO2的吸附率和吸附速率。(3)碱石灰和水合成碳酸钙的用量影响氢氧化钙、氢氧化钠与CO2发生反应时会生成水,若舱内的湿度偏大时,会使得反应正向进行困难,影响反应速率,此时碱石灰对水的吸附比例增大,与此同时就会降低对CO2的吸附率;若湿度偏小时,实际反应时CO2要先和水合成碳酸,这时就会使得碳酸的合成速率降低,影响到对CO2的吸附速率。温度对化学反应的反应速率及反应平衡有很大影响,碱石灰对CO2的吸附属于化学反应,因此温度也会影响到碱石灰对CO2的吸附率和吸附速率。2测试2.1基本物理性质为了分析碱石灰对CO2吸附性能的影响,通过对市场粒径、组分、产品吸附率等条件的筛选,共选出6种碱石灰进行对比试验,其基本物理性质见表1,并对其编号为1~6。试验在矿用密闭空间模拟舱内进行(图1(a)),舱体为双层气密门结构,内部有效体积为8m3。舱内空气净化装置如图1(b)所示,环境监测系统采用KJ70型煤矿安全生产监控系统(图1(c)),可实时监测舱内、外环境参数,包括氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、甲烷、温度等。2.2测试方法2.2.1药物成分对吸附率的影响首先对1~6号药剂进行组分测定,分别测得其水分和氢氧化钙的含量,然后测定吸附率(图2)。(1)氢氧化钙的测定碱石灰的主要成分为氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾和水。由于氢氧化钾所占比例极少,一般不会超过1%,所以仅对所含水分和氢氧化钙成分进行试验测定。准确称量3g左右的碱石灰记作m1,将碱石灰放入温度为70℃的干燥箱中干燥60min,取出后称量剩余质量m2,则碱石灰中水分的比例为(2)溶解碱石灰水准确称量一定质量的碱石灰,记为m1。将碱石灰放入烧杯中,不断加入稀盐酸并用搅拌棒搅拌,直至碱石灰全部溶解后停止。然后逐滴加入碳酸钠溶液并搅拌,当不再生成沉淀时停止,用滤纸过滤,将过滤后的沉淀放入干燥箱中干燥180min,取出后准确称量其质量,记为m2,则碱石灰中氢氧化钙的比例为(3)受检试样质量试验前先将U型管7中间部位装入脱脂棉,后半部装入无水氯化钙,然后将前半部装入约3g(m1)的受检试样,称其质量记为m2,两次称量质量之差即为受检试样的质量m1。再将U型管接入图2所示装置中,打开钢瓶开关,按180mL/min速率连续通入CO2气体1h,直至U形管7内碱石灰反应完全。然后取下U形管称量,记为m3,吸附率按式(5)计算。通过试验所测得6种药剂所含水分量、氢氧化钙量及吸附率情况见表2。2.2.2净化条件的测定在吸收床表面分别布置5个测点(图3),用风速仪测定各个测点风速求平均值作为整个吸收床的平均风速。选择5号药剂放入空气净化装置中,床层厚度8cm,以10L/min的流量向舱内通入CO2气体,使舱内浓度达到1%时关闭气瓶,开启空气净化装置风机,记录数据。调节风机风速,保持其他实验条件不变,重复试验。2.2.3东北部气体排放量测定在空气净化装置床层布置2cm厚的1号碱石灰,以10L/min的流量向舱内通入CO2气体,使其浓度达到1%后关闭气瓶,并开启空气净化装置,记录舱内CO2浓度变化情况。保持其他试验条件不变,分别对1~6号碱石灰测试床层厚度为4,6,8,10cm时的净化速率,共30组试验。2.2.4密封加热加热对所开机舱高压旋流部在空气净化装置内放置5号碱石灰8cm,以10L/min的流量向舱内通入CO2气体,同时开启舱内电炉加热装置使其温度达到24℃。当舱内CO2浓度达到1%后关闭气瓶,并开启空气净化装置,记录舱内CO2浓度变化情况。保持其他试验条件不变,使用电炉加热装置分别在舱内温度为26,28,30,32℃时进行试验。2.2.5气体及空气中co浓度的变化在空气净化装置内放置5号碱石灰8cm,以10L/min的流量向舱内通入CO2气体,同时开启空气加湿装置装置使其湿度达到40%RH。当舱内CO2浓度达到1%后关闭气瓶,并开启空气净化装置,记录舱内CO2浓度变化情况。保持其他试验条件不变,使用空气加湿装置分别在舱内湿度为50%,60%,70%,80%时进行试验。3试验结果及分析3.1碱石灰与co比例的确定通过试验得到1~6号药剂所含水分及氢氧化钙的比例,以及其与吸附率之间的关系。由图4看出,碱石灰对CO2的吸附率,随着水分与氢氧化钙比值的增加先增大后减小,在二者比值为5.8%时碱石灰吸附达到最大值30.62%,而后随着水分比例的逐渐增大,碱石灰吸附率开始下降。这是因为,在碱石灰与CO2的反应中需要水的参与,适当的水分量可以加快反应的进行。但是当药剂本身水分含量过于大时,同时由于反应时会有水分的产生,当反应开始不久后,过多的水分会使碱石灰粘结在一起,使风阻增大,同时导致CO2与碱石灰接触面积减小。另外粘结在中间处的碱石灰由于接触不到CO2而不参加反应,导致反应不完全,碱石灰对CO2的吸附率减小。3.2不同风速下5号碱石灰和5%碱石灰对co图5和表3显示,碱石灰对二氧化碳的吸附率随着风速的增大先增大后减小,当风速为0.606m/s时5号碱石灰对CO2的吸收效果最好,吸收速率最高。根据试验数据,在风速为0.370~0.606m/s,风量为212~348m3/h,吸附效率最佳。3.3种药剂对碱石灰co的吸附速率的影响图6显示,1~6号药剂均表现为在一定范围内,随着药剂厚度的增加吸附速率增大,且增大的趋势逐渐变缓,药剂层吸附最佳厚度为8~10cm。这是因为药剂层太薄的情况下,风阻较小,CO2通过药剂层速率太快,碱石灰与CO2接触时间过短而导致吸附不完全。随着厚度的增加,接触时间加长,吸附速率增大,但是增加到一定厚度时,风阻太大,减慢了空气的流通速率,导致吸收速率降低。在6种药剂中,5号药剂的吸附速率最好,2cm时吸附速率是6L/min,8cm时药剂吸附速率是15L/min,速率提高了2.5倍。通过与这6种药剂组分进行比较,碱石灰对CO2的吸附速率,随着水分与氢氧化钙比值的增加先增大后减小,然后趋于平缓。在二者比值为6%左右时,碱石灰对CO2的吸附速率最高。3.4温度对净化速率的影响图7显示,随着温度的增加,碱石灰对CO2的吸附速率先增大后减小。在环境温度为24~28℃范围内,净化速率较好,净化速率相差不大,当环境温度大于28℃,净化速率下降很快;当环境温度28℃时,净化速率最高,当温度达到32℃时,净化速率为28℃时的1/2。3.5不同环境湿度时,湿度对2倍图8显示,随着湿度的增加,碱石灰对CO2的吸附速率先增大后减小,在环境湿度为50%时,吸附速率最高。当湿度达到80%时,吸附速率为50%时的2倍。试验同时观察到碱石灰表面有部分由于水而粘结在一起,说明随着环境湿度的增大,碱石灰粘结,增大风阻从而降低了吸收速率。3.6空气分离器关闭通过前期的试验及舱内允许的CO2安全极限得到,空气净化器运行的最佳工作区为CO2浓度在0.3%~1.0%。为提高空气净化效率,降低能耗,密闭舱内空气净化器采用间歇式工作模式。当二氧化碳浓度达到1.0%时,净化器开始运行,将空气中二氧化碳浓度控制到0.3%时,停止空气净化,待二氧化碳浓度重新达到上限后再次运行。此过程中,空气净化器运行ton与停止时间toff计算方法如下。停机时间即舱内避难人员呼吸导致二氧化碳浓度从0.3%上升至1.0%所需的时间,即式中,N为舱内避难人员数量;V1为避难人员人均二氧化碳产生速率,0.357L/min;toff为空气净化装置停机时间,min;V为舱室容积,m3。运行时间即空气净化装置将舱内二氧化碳浓度从1.0%处理至0.3%所需的时间,此期间舱内避难人数仍然持续产生二氧化碳,即式中,Vscrubber为空气净化装置二氧化碳处理速率,L/min。综上所述,联立式(6),(7)可得4碱石灰和o2对o2的的吸附速率(1)碱石灰对CO2的吸附率和吸附速率,随着水分与氢氧化钙比值的增加先增大后减小,在二者比值为6%左右时,碱石灰吸附率和吸附速率最高,分别达到30.62%和15L/min。(2)碱石灰对CO2的吸附速率随着随着药剂层厚度的增加先增大后减小,药剂层吸附最佳吸附厚度为8~10cm。(3)碱石灰的吸附速率随