无源应急密闭空间CO2动态吸附性能研究

邢哲理 李春东 毛 维 邓非凡 龙洋波



无源应急密闭空间CO2动态吸附性能研究

邢哲理 李春东 毛 维 邓非凡 龙洋波

（军事科学院国防工程研究院 北京 100036）

为了得到无源应急密闭空间中人员二氧化碳释放速率和不同吸附剂布置方式、气流组织方式及二氧化碳初始浓度时二氧化碳动态吸附性能，在密闭空气品质实验室中进行了人员生存实验和不同工况下的二氧化碳动态吸附实验。结果表明：人员二氧化碳释放速率小于相关文件规定的处理值，吸附剂布置方式对二氧化碳吸附效果影响明显，吸附剂平铺于纱网时吸附速率大于装入无纺布袋时，气流从吸附药板中穿过比从吸附剂表面流过出风量减少，吸附效率增大，二氧化碳初始浓度越高，吸附效果越好。

无源；密闭空间；二氧化碳；吸附

0 引言

保障人员生存是航天、潜海及矿业安全等事业发展的重要条件，密闭空间的空气质量是保障人员生存的基础和重要研究对象[1]，人们对不同环境条件下的空气质量进行了研究[2-4]。二氧化碳是人体代谢量最大的产物之一，正常环境下大气中二氧化碳浓度为0.03%～0.05%，而人员呼出的气体中二氧化碳浓度约为4%，研究表明人体吸入空气的二氧化碳浓度超过3%时，血液中的二氧化碳浓度升高，会刺激中枢神经系统，出现中毒症状，长时间处于该环境中会对人体造成严重影响甚至危及生命[5]。尤其是矿井避难硐室，事故时若人员处于无源条件下，二氧化碳的吸附显得尤为重要。

文献[6]介绍了应用于密闭舱室内的常用二氧化碳净化技术，文献[7]研究了矿井救生舱内不同风速条件下碱石灰对二氧化碳的吸附能力，文献[8]和[9]研究了密闭空间中不同吸附剂对二氧化碳的吸附性能，文献[10]对载人深浅器的二氧化碳清除方法进行了研究。以上研究都取得了重要的成果，但对无源条件下应急密闭空间的二氧化碳吸附研究较少，本文研究了密闭空间中人员二氧化碳释放速率，通过搭建密闭空间无源二氧化碳吸附装置研究了不同吸附剂布置、气流组织及二氧化碳初始浓度条件下的二氧化碳吸附性能。

1 实验

1.1 人员二氧化碳释放速率实验

密闭空间中人员呼吸释放是影响室内二氧化碳浓度的最主要因素，《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》和《煤矿井下固定式避难硐室建设标准》要求避难硐室对二氧化碳的处理能力不低于0.5L/(min·人)，在96h救援期内的二氧化碳浓度不高于1%。

实验采用6名青年男性进入尺寸为2.5m×2.5m×2.5m的空气品质实验室并模拟避险人员进行轻度活动或静坐。空气品质实验室在进行密封之后，其泄气速率不超过0.005m3/min，满足气密性标准。实验期间，采用氧烛对密闭室供氧，控制内部氧气浓度保持在18.5%～22%之间，采用人力风机组织室内气流，保证二氧化碳和氧气浓度场的均匀性，采用二氧化碳浓度测试仪记录二氧化碳浓度值，直到二氧化碳浓度达到1%。

1.2 二氧化碳动态吸附实验

（1）吸附装置

工程上常用的二氧化碳净化方式主要分为以下五种：膜分离法、分子筛法、置换法、胺吸收法、碱金属及其氧化物法[11]。由于应急密闭空间需要在无源条件下将人员呼出的二氧化碳吸附并控制其浓度不超过1%，采用碱石灰作为吸附剂，该方式简单，安全，成本较低，适用于无源密闭空间。

二氧化碳动态吸附是将净化药板放置于净化箱内，利用人力风机与净化箱相连来组织气流强制流过净化药板表面，使二氧化碳与吸附剂发生反应，达到二氧化碳净化的目的。与静态吸附相比，动态吸附更像是“主动”吸附，此吸附方式需要避险人员交替驱动人力风机。图1为密闭空间中的二氧化碳动态吸附装置图。

图1 无源密闭空间二氧化碳吸附装置

动态吸附实验在密闭空气品质实验台内进行，采用二氧化碳气瓶将其内部二氧化碳浓度调节为1.0%，2名成年男性轮流驱动人力风机，每隔5min记录一次室内的二氧化碳浓度值。

（2）吸附剂布置方式

动态吸附条件下，从吸附剂表面流过的气体速度较大且吸附剂颗粒较小，为了便于吸附剂的取放以及避免粉末的飞溅，需要合理设计吸附剂的放置方式。为此提出了将吸附剂装入无纺布做成的袋子和直接平铺于纱网之上两种放置方式，并对其与人力风机配合使用时的动态吸附性能进行实验分析。

两种布置方式下的净化箱出风量均为550～600m3/h之间，忽略吸附剂不同布置方式对气流组织的影响。吸附剂两种放置方式对比如表1所示，实验照片如图2所示。

表1 吸附剂两种放置方式参数对比

（3）气流组织方式

为测试净化箱不同气流组织条件下的净化性能，改进了净化箱的气流组织，使得其气流下进上出，空气不再从吸附剂表面流过，而是从吸附药板中穿过。将吸附剂平铺于纱网之上，纱网面积为0.715mm×0.68mm，共分3层铺设，放置二氧化碳吸附剂的重量为5kg。

（4）二氧化碳初始浓度

为测试二氧化碳浓度对吸附速率的影响，将密闭室内的二氧化碳初始浓度改为2.0%，吸附剂平铺于纱网之上，共3层，5.0kg，净化箱的气流组织为下进上出形式，2名成年男性轮流驱动人力风机进行实验。

2 结果与讨论

2.1 二氧化碳释放速率模型

图3 二氧化碳浓度变化曲线

图3所示为二氧化碳浓度变化曲线，发现密闭实验室内二氧化碳浓度呈线性变化，室内二氧化碳初始浓度为467ppm，当实验进行至72min后，二氧化碳浓度达到了1%，经过拟合可以得到密闭空间内人员释放二氧化碳浓度变化模型：

=0.0129+0.0467 （1）

式中，为室内二氧化碳浓度，%；为时间，min；0.0129为变化曲线的斜率，0.0467为室内二氧化碳初始浓度。已知空气品质实验室体积为15.625m3，实验人员为6人，可以得出人员二氧化碳释放速率为0.336L/(min·人)。

2.2 吸附剂布置方式影响

实验过程中人员需要驱动人力风机，其活动量比静坐状态下要大，人均二氧化碳释放速率取0.5L/min，图4所示为吸附剂不同布置方式时的二氧化碳吸附速率。

图4 吸附剂不同布置方式时二氧化碳吸附速率

观察发现吸附速率随时间整体呈波动状，但随时间增加，波幅逐渐降低，其中吸附剂装入无纺布袋布置方式，吸附速率在0～0.25L/(kg·min)之间波动，前40min平均吸附速率为0.166L/(kg·min)。吸附剂平铺在纱网上时，其吸附速率在0.1～0.36 L/(kg·min)之间波动，前40min平均吸附速率为0.235L/(kg·min)，比前者提高了41.5%，这说明吸附剂装入无纺布袋不仅降低了单位质量吸附剂的表面积，还阻碍了空气在吸附剂表面的流动，不利于二氧化碳与吸附剂的反应，整体吸附效果较差。还可发现两种布置方式的二氧化碳吸附速率均总体呈下降趋势，这反映了初期二氧化碳与表面新鲜吸附剂充分接触，反应速率快，随着表面吸附剂逐渐反应完，其一方面阻碍了二氧化碳与内部吸附剂的反应，另一方面也相当于降低了二氧化碳与吸附剂的接触面积，造成吸附速率下降，此时可对吸附剂进行搅动以增加吸附速率。

2.3 气流组织方式影响

图5 气流下进上出时二氧化碳吸附速率

实验测试发现，改变气流组织方式之后，净化箱出风量减小为461.38m3/h，说明气流从吸附药板中穿过增大了流动阻力。从图5可以看出，实验初期吸附剂吸附速率较高，可以较好地处理二氧化碳，密闭室内二氧化碳其吸附速率在0.05～0.43L/(kg·min)之间波动，前40分钟平均吸附速率为0.256L/(kg·min)，比空气直接流过吸附剂的气流组织方式提高了8.9%，所以改变气流组织方式，增加吸附剂与气流的接触有助于提高吸附速率，增加接触后气流阻力增大降低了单位时间内的出风量。

2.4 二氧化碳初始浓度影响

从图6可以看出，在二氧化碳初始浓度为2.0%条件下，其吸附速率在0.11～0.54L/(kg·min)之间波动，40分钟内的平均吸附速率为0.273L/(kg·min)，比二氧化碳浓度为1.0%条件下增大了6.6%，说明二氧化碳浓度越高，通过扩散作用与吸附剂表面发生反应的二氧化碳越多，平均反应速率越大。

图6 初始浓度为2.0%时二氧化碳吸附速率

3 结论

本文通过人员在密闭空气品质实验室内进行了密闭空间人员释放二氧化碳速率实验，在无源条件下进行了密闭空间二氧化碳动态吸附性能实验，主要得出以下结论：

（1）密闭空间中模拟避险人员进行静坐或轻度劳动的条件下，人员平均二氧化碳释放速率为0.336L/(min·人)，对《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》和《煤矿井下固定式避难硐室建设标准》提出的避难硐室对二氧化碳的处理能力不低于0.5L/(min·人)具有参考价值。

（2）无源动态吸附过程中，吸附剂在反应初期性能发挥到最大，反应后期可以通过对吸附剂进行搅动以增加吸附速率。吸附剂的布置方式对二氧化碳吸附速率影响较大，吸附剂平铺在纱网上比装入无纺布袋的布置方式吸附速率大幅提高。气流从净化箱下进上出比从吸附剂表面流过吸附速率有所提高，同时气流阻力增大降低了单位时间内的出风量。二氧化碳初始浓度越高，通过扩散作用与吸附剂表面发生反应的二氧化碳越多，平均反应速率越大。

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Study on CO2Dynamic Adsorption Performance in Passive Emergency Confined Space

Xing Zheli Li Chundong Mao Wei Deng Feifan Long Yangbo

( Defense Engineering Institute of PLA Academy of Military Sciences, Beijing, 100036 )

In order to get body’s carbon dioxide release rate in passive emergency confined space, and carbon dioxide dynamic adsorption performance under different conditions like adsorbent arrangement, airflow organization and initial concentration of carbon dioxide, the personnel living experiment and carbon dioxide dynamic adsorption experiments under different conditions were carried out in an airtight air quality laboratory. The results show that: the body’s carbon dioxide release rate is less than the provision value of the relevant documents, adsorbent arrangement can influence on the adsorption effect obviously, the absorption rate of adsorbent tiling on yarn net is greater than in non-woven bag, the air volume will reduce and the adsorption efficiency will increase when air flow through the medicine plate than from the adsorbent surface, in addition, the higher the initial concentration, the absorption effect is better.

passive; confined space; carbon dioxide; adsorption

1671-6612（2018）06-659-05

X936

A

邢哲理（1986.9-），男，博士，工程师，E-mail：zheli86@sina.com

李春东（1977.1-），男，本科，工程师，E-mail：13691271599@163.com

2018-03-05