CN102874760A - 用于煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置，包括装置主体，该装置主体为中空腔体结构，所述装置主体从下到上依次包括进气区、反应区和排气区；所述进气区和反应区之间设有下透气隔板，所述反应区和排气区之间设有上抽气隔板；所述反应区平均分为上腔体、中腔体和下腔体，三个腔体之间设有中透气隔板，所述上腔体、中腔体和下腔体中均设置一个超氧化钾反应器。本装置结构完善合理，使用方便，维护简单；工作时无需动力；使用过程中及反应终止均不产生对人和环境有害的物质；在去除CO₂的同时，还能吸收净化CH₄、CO、H₂S、SO₂、NO_X等有害气体；本发明的超氧化钾空气再生装置具有可控性，能为密闭空间持续稳定供氧。

Description

用于煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置

技术领域

本发明涉及一种空气再生装置，尤其是涉及一种用于煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置。

背景技术

煤矿井下安全避险“六大***”包括检测监控***、井下人员定位***、井下紧急避险***、矿井压风自救***、矿井供水施救***和矿井通信联络***。其中，煤矿井下紧急避险***是安全避险“六大***”建设中的重点工作。煤矿井下紧急避险***是指煤矿井下发生紧急情况下，为遇险人员避险提供生命保障的设施、设备、措施组成的有机整体。近两年来，全国煤矿企业根据《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》（国发〔2010〕23号）的要求，大力推进井下安全避险“六大***”建设工作。

“十一五”期间，我国首次提出以应急避难空间为基础的煤矿新型安全防护体系，通过在井下布置救生舱、避难所与矿井各***结合形成救援网络，在煤矿事故中为被困作业人员提供应急避难空间，降低煤矿事故死亡率。

国家***总局、国家煤矿安监局分别于2011年1月25日和3月21日，联合下发了《煤矿井下紧急避险***建设管理暂行规定》和《煤矿井下安全避险“六大***”建设完善基本规范（试行）》的规定，要求“煤与瓦斯突出矿井建设采取避难硐室，突出煤层的掘金巷道长度及采煤工作面走向长度超过500米时，必须在距离工作面500米范围内建设避难硐室或设置救生舱。煤与瓦斯突出以外的其它矿井，从采掘工作面步行，凡在自救器所能提供的额定防护时间内不能安全撤到地面的，必须在采掘工作面1000米范围内建设避难硐室或设置救生舱”。2012年6月底前，所有煤与瓦斯突出矿井，中央企业和国有重点煤矿中的高瓦斯、开采容易自燃煤层的矿井，要完成紧急避险***的建设完善工作；2013年6月底前，其他所有煤矿完成紧急避险***的建设完善工作。

根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、***等事故发生现场瞬间受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡总人数的很少一部分，绝大多数矿工都是因为在火灾、***后不能及时升井或逃离高浓度有毒有害气体现场，导致窒息或中毒死亡。如何在矿难发生后为井下被困的幸存人员提供躲避有毒气体环境及其它伤害的密闭空间，为其提供必须的生存条件，延长其生存时间，直至救援人员到达，成为矿井救援的一个重要课题。

这种当井下发生灾难事故时，为无法及时撤离的遇险人员提供生命保障的密闭空间被称为井下紧急避险设施。该设施对外能够抵御高温烟气，隔离有毒有害气体，对内提供氧气、食物、水，去除有毒有害气体，创造生存基本条件，为应急救援创造条件、赢得时间。

1、国内外紧急避险***建设的现状

1.1产煤发达国家紧急避险***建设现状

国外一般规定，煤矿井下避险***的类型由煤矿企业根据自身的特点自主选择，以满足煤矿井下人员避险需要为原则。

加拿大自1928年Hollinger矿发生死亡39人的火灾后，就出现通过面罩供氧的初级避难硐室（密封起来的废弃巷道，采用矿井压风***提供呼吸空气），最初没有二氧化碳吸收***，在密闭硐室内不到10小时二氧化碳浓度达到25%，造成人员死亡。后来出现一氧化碳和二氧化碳等有害气体处理***，紧急避险体系扩展到救生舱、自救器、直通地面的通讯***、避难硐室（救生舱）内的食物、饮水及供氧***，加拿大通过立法形式强制矿山执行。这一套理论已取得效果，2006年1月29日加拿大萨斯喀彻温省钾盐矿发生火灾事故，井下72名矿工逃进井下“避难站”，被困36小时后全部被救，避难所发挥重要作用。目前，加拿大煤矿井下避难硐室与可移动式救生舱配备比例约为1:5，使用的可移动式救生舱以硬体为主。

南非20世纪70年代出现把压风管引入盲巷形式的简易避难所。紧急避险研究主要针对矿井***、火灾等事故，在距离工作面一定距离内建设庇护所，配有通风设备、救援电话、备用自救器和饮用水，矿工在逃生指示装置的指引下，在便携式自救器有效工作的时问内撤离到最近的安全庇护所，等候救援。南非通过立法要求矿山企业建设安全避难所并纳入应急救援体系，井下避难所己是南非矿山应急救援中一项成熟而有效的安全设施。2003年和2005年南非两个特大金矿先后发生停电和火灾事故，当时一个矿井井下有3400多人，只死亡9人，救护队从井下各个避难所内救出280人；另一个矿井在2600人返回地面后，发现52人失踪，两天后在井下避难所找到，全部安然无恙。澳大利亚自2000年一直使用可移动式救生舱，还采用“自救器＋中继站”避险设施。

美国早期避险理论始于避难硐室研究，在井下利用水泥砌块建造避难隔离墙，或在巷道顶板和两帮上悬挂隔离屏障形成隔离空问，供遇灾矿工避险等待救援。这一原始避险理论持续到2006年1月西弗吉尼亚州Sago煤矿***事故，此次事故造成12名（l人当场死亡、11人因窒息死亡）矿工遇难，西弗吉尼亚州政府率先对井下紧急避险设施做出规定，并对救生舱产品实施州政府批准。2006年《矿山改善和新应急反应法》突出了避难硐室（移动救生舱）和应急通讯***在避险救援中的作用，要求矿山经营者将井下避难所纳入“应急反应方案”。目前，美国煤矿以可移动式救生舱为主，共配备避难所1193台（个），其中软体式救生舱1000台，硬体式救生舱123台，避难硐室只有70个。避难硐室与救生舱结合使用，在矿井巷道两侧地层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线上，配备维持人员生存所必需的清新空气、跟踪定位、应急通讯和食物，具备防止火灾及***等灾害能力，逃生路线要用反光材料制成。

澳大利亚则使用“空气呼吸器+加气站”的避险设施，灾害事故发生后，遇险人员佩戴随身携带的自救器，迅速跑到空气呼吸器存放点换戴后逃生，对维持时间不足的空气呼救器，通过快速加气站加气，或者换配后逃生。

国外紧急避险研究最初针对金属矿，研究内容集中在井下避难硐室（救生舱）功能、布置原则、救援效果评价及通过何种方式加以实施，为灾害事故发生不可避免情况下井下矿工无法及时撤离时，提供一个安全的避难场所，从而延长救援时间，提高应急救援的效果。目前澳大利亚、美国均能独立生产避险设施，其中Mine ARC、Strata Safety Products、Kennedy已走到行业的前列。

1.2我国紧急避险***建设现状

从国内来看，国内煤矿在采、掘工作面等易发生突出区域布置简易硐室，采用压风送气，硐室密封，也没有食品、通讯等生命维持***，容纳人数较少，属于紧急避险体系建设初级阶段。发生事故后，这些初级避难硐室作用有限，煤矿企业对紧急避险体系建设也不重视。2010年智利33名矿工被困井下69天后成功获救，井下应急避难所发挥了重要作用，受此案例启发，国家推出了国内煤矿井下安全避险“六大***”建设，要求加强紧急避险***研究与开发。

目前，国内现有几十家企业参与避难硐室（救生舱）及配套设施的研发及生产，对紧急避险***体系结构、布置原则、产品标准及***实施提出有益建议和方法。同时，国内煤矿企业正在大力开展避险***建设工作。据煤炭工业协会统计，截止2010年底，我国共有年产120万吨以上的煤矿837处，120万吨以下煤矿11000处。2011年底之前，在建的100人规模峒室有近百座，2012年待建的峒室有近千座。我国避险***建设主要包括永久避难峒室、临时避难硐室、救生舱、避灾路线、应急预案等，形成了比较完善的紧急避险***，每个峒室基础投入资金约500-600万元，有的投入甚至更多。

1.3空气再生技术研究现状

煤矿井下密闭空间（避难硐室和救生舱）内空气再生包括提供氧气和气体净化两个方面。煤矿井下紧急避险设施中最重要的是空气再生***，既要保证内部避难人员生存，就必须持续稳定地为其提供可呼吸的O₂，又要对人呼出的气体及时进行处理，吸收CO₂等废气。O₂是煤矿井下紧急避险设施空气中一种重要的组成部分，它是维持避难人员呼吸，保持生命力的关键因素之一。一个成年人平均每小时需消耗氧气22～25L，当空气中O₂含量低于18%时，人就会出现缺氧症状；降至10%时，会使人昏迷；降至6%时将引起死亡。正常人每小时呼出二氧化碳约21L，在密闭空间内，如不及时消除CO₂，只需几小时浓度就升至1%。人长时间暴露在高浓度的CO₂环境中会导致生理心理病变，当CO₂含量达5%时，呼吸仅能维持30min。根据《煤矿井下紧急避险***建设管理暂行规定》的要求：在整个额定防护时间内（不低于96小时），紧急避险设施内部环境中O₂含量应在18.5%～23%之间，CO₂浓度不大于1%。

煤矿井下避难硐室或救生舱作为一个密闭空间，不能与外界进行气体交换，必须采取有效的空气调节和再生技术装置来将其O₂和CO₂浓度控制在标准要求范围内，否则会导致井下紧急避险设施内人员最基本的正常生存与工作条件很快丧失，根本无法生存较长时间。

目前，国内外密闭空间常用供氧技术及方式主要包括：氧气瓶供氧法、液氧罐供氧法、压缩空气供氧法、氯酸盐氧烛供氧法、特种氧化物供氧法、碱性电解液电解水供氧法、固态电解质（SPE）电解水供氧法等。按其原理，可将这些方法归纳为四大类：高压氧瓶法、氯酸盐氧烛法、电解水法、特种氧化物法。

1.3.1高压氧瓶法

高压氧瓶法的实用化技术主要有氧气瓶供氧法、压缩空气供氧法和液氧罐供氧法。

氧气瓶供氧是直接用高压气瓶贮存纯氧气，减压后供呼吸使用。与空气相比，压缩O₂钢瓶体积小、含氧量大，且能够在人的呼吸作用后转化为约同等体积的CO₂，被处理后不影响密闭空间内空气各组分浓度及压力，其成为国内外井下紧急避险设施广泛使用的一种重要的供氧方式。

压缩空气可以通过矿井压风管路和钢瓶储存来提供。使用压缩空气可以直接满足煤矿井下紧急避险设施内人员的呼吸，但矿井压风管路在发生事故时可能受到破坏，导致管路中断或者破裂而将有毒气体引入井下紧急避险设施中。使用压缩空气钢瓶时需要大量的钢瓶，不利于在矿井或井下紧急避险设施内大量布置；其中含有的大量N₂等不可呼吸气体也会影响井下紧急避险设施内空气的各组分含量，增加泄压次数。矿井压风管路对于井下紧急避险设施属于外界输入，可作为一级供氧措施，而压缩空气瓶一般用作井下紧急避险设施的备用气源，在正常O₂供应中断时备用或同时与高压O₂混合使用，也用于井下紧急避险设施入口处换气室的加压排气。

针对气态氧的携带量更易受限制的缺点，发展了液氧携带技术。氧气在-183℃以下时呈液态，其密度大约是常温常压下气氧密度的1000倍，所以同体积的贮罐可携带的液氧远大于气氧。目前，携带液氧的方法在潜艇、航天器等密闭空间大量采用，其携带液氧的主要用途是给动力装置提供氧源，同时部分液氧从液氧罐中出来经气化、减压、混合后供人员呼吸使用。但是，液氧罐供氧法的更广泛地推广使用必须要有可靠的保温技术，使用的液氧罐须采用双层真空设计并设置相应的安全保障措施，因此，要将液氧罐供氧法应用于煤矿井下紧急避险设施，目前实现起来难度较大。

由于高压氧瓶法供氧具有操作简单、使用方便、技术成熟、易维护等优点，目前已经成为国内外煤矿井下紧急避险设施中一种重要的供氧方式。但是，高浓度的O₂不适宜直接呼吸，一般需要经过与救生舱内气体或压缩空气混合后使用；同时，高压O₂在矿井中属于危险源，安装、使用及维护均需要严格管理。因此，高压氧瓶法供氧在煤矿井下应用也具有一定的局限性。

1.3.2氯酸盐氧烛法

氯酸盐氧烛制氧是在氯酸钠或氯酸钾中加入燃料、抑氯剂、粘结剂等添加剂，铸成圆柱形，使用时将其引燃，释放出氧气，故称氧烛。

氧烛工作原理是在有催化剂存在的条件下，氯酸盐热分解释放出氧气。氯酸盐分解所需要热量由金属（Fe、Al、Mn和Mg等）粉末燃烧提供，化学反应如方程式（1）～（3）所示，式中M为碱金属。氯酸盐热反应在适中的温度按式（1）和式（2）进行高温时候按式（3）进行。氯酸盐热分解反应中若有水存在，则会产生氯气，如化学反应如方程式（4）所示，而且有的催化剂反应过程中也会产生CO、有机物和烟尘。

4MClO₃（加热）→3MClO₄+4MCl         （1）

4MClO₄（加热）→MCl+2O₂             （2）

2MClO₃→2MCl+3O₂                    （3）

2MClO₃（加热）→M₂O+2.5O₂+Cl₂       （4）

氯酸盐氧烛制氧的主要特点是：使用方便，氧烛一经启动，就能放出全部氧气；氧烛储氧量大；产氧速率快，产氧量和产氧速率等性能不受外环境的温、湿度影响：使用前后体积无变化，无需后处理。但是，氧烛在使用过程中产热量比较集中，容易给使用环境带来一定的热负荷，除产生氧气外，还会产生Cl₂、CO等对人体有害的气体或其它杂质，造成严重的二次污染，导致密闭空间的环境更加恶化。另外，氧烛一经启动，就会释放出全部的氧气，中途不能自动停止，反应速度难以控制，难以实现连续稳定供氧。例如，英国某公司生产的氧烛能在25min时间内释放总量为720L的O₂，这足以使体积为24m³的空间内O₂的浓度从18％上升至21％，同时是舱内压力升高约3000Pa，让人感觉不适。因此，煤矿井下紧急避险设施不宜采用氯酸盐氧烛供氧。

1.3.3电解水法

电解水供氧法主要包括碱性电解液电解水供氧和固态电解质电解水供氧。

电解水制氧装置就是利用电流将水分解成它的组成元素氢和氧的装置。将充满电解液的电解槽接通电源以后，就有氢气和氧气产生，由电解槽逸出的氢气和氧气分别进入氢气分离器和氧气分离洗涤器，进行气液分离。经分离后的氢气和氧气再分别引入水洗涤器，进一步分离和冷却，然后送出氢气和氧气。分离器内回流的碱液经碱液分离器去除杂质和污物，再送回电解槽循环使用，而产生的氧气即可供人员呼吸使用。其反应的原理方程式为：

阳极4OH^-4e→O₂+H₂O

阴极2H₂O+2e→H₂+2OH

总反应2H₂O→2H₂+O₂

固态电解质电解水供氧法的主要特点是以固体聚合物电解质(SPE)代替了传统采用的苛性碱液体电解质。氢气和氧气分别在电解质两侧的阴极和阳极上产生出来，该电解质既作导电的介质，又可作为隔离氢、氧气体的隔膜。所谓固体聚合物电解质(SPE)实际上是一种全氟磺酸聚合物薄片，这种材料浸水后成为离子的良导体,其导电性通过电场下水合氢离子在膜上的迁移达到。在这种电解质两侧结合上一层阴极或阳极材料,就构成了电解槽小室的阴极和阳极。当水供给阳极时，水被电解生成氧气、氢离子和电子，氢离子在阴极一侧得到电子生成氢气。电解水反应方程式与碱性电解液电解水相同。SPE电解水制装置主要由电解槽、分离器、换热器、循环泵及N₂净化装置等元件组成。电解水制氧必然要消耗大量的电能，而且设备体积庞大，控制复杂；特别是其副产物H2的存在对密闭空间的安全是一个非常不利的危险因素。很显然，电解水制氧技术不符合无大功率电源、无安全隐患的要求，故其不宜在煤矿井下紧急避险设施中采用。

1.3.4特种氧化物法

特种氧化物主要是指过氧化钾、过氧化钠、超氧化钾、超氧化钠、超氧化钙等化学物质。它们能够与二氧化碳发生反应生成氧气，具有供氧和吸收二氧化碳双重功能，即可以高效去除密闭环境中的二氧化碳，同时生成所需的氧气。该技术在二战期间已用于军事目的，作为隔绝式防毒面具，用于核武器和化学战的个人防护。目前，国内外已在潜艇、水下深潜器、国防工事、宇宙飞船、登山吸氧、矿井事故急救中大量的应用该技术，执行供应氧气、清除二氧化碳的任务。但是，国内外文献中尚无该技术用于煤矿井下紧急避险设施的相关报道。

上述的高压氧瓶法、氯酸盐氧烛法、电解水法等三种方法都因不能吸收二氧化碳而必须要有专门配套的二氧化碳吸收技术装备，大大增加了设备的复杂性和操作使用的难度，而特种氧化物供氧法具有吸收二氧化碳释放氧气双重功能的技术优势。

超氧化钾（KO₂）是一种重要的碱金属超氧化物，物理性状是一种浅黄色粉末，附着性较好，易加压粘结，常温下密闭储存稳定性好。由于其中含氧丰富，无需特殊反应条件即可二氧化碳或水发生反应，放出大量氧气，是一种理想的固态化学储氧剂。此外，在KO₂与水反应后生成的KOH（氢氧化钾）是一种强碱，可与反应气体中酸性气体CO₂反应生成K₂CO₃（碳酸钾）甚至进一步生成KHCO₃（碳酸氢钾），从而达到吸收CO₂的目的，因此，又可以同时兼做CO₂的净化药剂。由于其本身的特性，自40年代起，就逐渐被用在诸如矿山、消防、登山等个人呼吸供氧装置，直到后来的航天、潜艇等的环境控制和生命保障***中。

但是，KO₂的应用也有许多问题需要解决。其反应机理和最终产物将受到环境因素诸如温湿度、CO₂浓度等因素的影响。如反应环境不可控，则反应过程难于控制，可能出现容易过量放氧，吸水过多体积膨胀导致***堵塞失效，***不能间断使用等问题。

国际上对于KO₂的研究高峰集中于60年代到80年代初期，这一时期发表的各种文献资料很多。在此期间，以俄罗斯为代表，世界主要国家根据各自的需要，对KO₂-H₂O-CO₂反应***进行了比较全面的研究，弄清楚了***的反应机理，对于外界的物理、化学及反应条件的影响进行了定性研究并对反应热等作了定量测定，对设计实用的反应器也提供了许多有用的经验。同一时期，他们还设计了很多反应装置进行试验研究和用于不同的用途，积累了不少设计经验。但是，KO₂反应过程十分复杂，反应过程和反应最终状态受到多种因素的影响。所以，在每一个新的应用领域，都必须根据使用条件重新进行实验研究和***设计，并且一种***能否成功应用在很大程度上取决于反应器的设计研制。

早在二战期间，美国矿业安全设备公司（Mine Safety Appliances Company，MSA）就已经开发出用KO₂作为氧源的呼吸供氧装置Chemox。该装置后被美国海军和空军用作为个人防护装备，这是一种封闭式的个人防护装备，兼有供氧和消除CO₂的功能，可用于有毒气的危险环境。此后，类似的装置被广泛应用于采矿、消防、登山探险等诸多行业至今。

由于KO₂反应***的复杂性和使用条件（总反应时间、人员的个体差异、工作时的呼吸剧烈程度等）的差距，单人救生装置一般是通过保守装药的方法来保证其总工作时间，因此，这类装置的效率通常都很低。

自1960年开始，前苏联从模拟假人和动物搭载的载人飞行前期研究阶段就采用KO₂作为生保***的主氧源和CO₂吸收剂，并在1961年的“东方号”飞船中得到首次载人飞船的成功应用。此后，俄罗斯（前苏联）在飞船上的生保***直到“联盟号”飞船一直利用KO₂作为空气再生药剂（产氧和消除CO₂）。

1.3.5空气再生技术存在问题

目前，国内煤矿避险***空气再生***基本都采用压缩氧供氧技术，需在避难硐室或救生舱内使用大量的高压氧气瓶。根据统计，煤矿避难峒室需要高压氧瓶一般不少于60个，当采用压缩二氧化碳制冷时几乎接近200个。

高压氧瓶为危险品，氧气瓶规格一般为40升，压力为15兆帕，约150标准大气压。氧气瓶是高压容器，瓶内要灌装压力为150大气压（15兆帕）的氧气，瓶装氧是强烈氧化剂，所以在生产、运输、操纵和维护中，若出现氧瓶质量不过关、搬运撞击、使用不当等经常会引起***事故。一旦出现事故，其破坏力相当大。

除高压氧气瓶本身存在的危险外，高压氧气瓶还存在自泄露，高压气体瞬间泄露也会影响人员生命健康，尤其是中国的氧气瓶泄露率较高，更增加了危险因素；高压氧气瓶需要每年运至地面补气一次，每三年运至地面专业机构检测钢瓶，维护费用也较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置。针对目前我国煤矿井下紧急避险场所压缩制氧技术存在的氧瓶多、风险大、***复杂等弊端，本发明利用超氧化钾药板吸收二氧化碳和水分，产生氧气的空气的原理设计出空气再生装置，该空气再生装置能实现降低放氧速率，该空气再生装置产氧平稳可靠；该空气再生装置无电源无压力，不怕碰撞，不怕误操作，属安全型装置；该装置不仅为煤矿井下避难人员提供安全舒适的生存环境，而且消除了煤矿井下紧急避险场所压缩制氧技术的风险，提高了煤矿安全保障能力。

为解决上述技术问题，本发明一种煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置；包括装置主体，该装置主体为中空腔体结构，所述装置主体从下到上依次包括进气区、反应区和排气区；所述进气区和反应区之间设有下透气隔板，所述反应区和排气区之间设有上抽气隔板；所述反应区平均分为上腔体、中腔体和下腔体，三个腔体之间设有中透气隔板，所述上腔体、中腔体和下腔体中均设置一个超氧化钾反应器；所述反应区的一侧壁上设置旋转密封门。

进一步地，所述装置主体高1625～1725mm，左右长400～480mm，宽310～380mm；其中，进气区高度为155～165mm；反应区高度为1300～1350；排气区高度170～210mm。上述尺寸的选定是本发明的一个重要创新点；根据研究，超氧化钾的最佳反应温度为摄氏50～60℃，在此温度范围内，O₂的释放和CO₂的吸收都达到最佳，温度过高过低都会降低反应效率，而装置高度决定内部流动上升的距离和流速，空气流通影响装置散热及产氧速率等。；上述尺寸的选择使得整个再生装置的反应速度得到更加有效的控制。

进一步地，所述进气区内设有抽屉式隔板；该抽屉式隔板内可以起到空气进入的开关作用；同时，其中还可以放置一些吸附材料，用于去除进入空气中的灰尘。

进一步地，所述下透气隔板的孔隙率为45～55%；所述中透气隔板的孔隙率为45～55%；所述上抽气隔板的孔隙率为45～55%；优选地，所述下透气隔板的孔隙率为50%；所述中透气隔板的孔隙率为50%；所述上抽气隔板的孔隙率为50%。装置主体内的隔板的孔隙率是装置控制空气通流的重要环节，是控制超氧化钾反应单元产氧速度控制的重要参数，经过无数次试验，确定了上述孔隙率参数；试验证明，经过上述参数的设定，可以使整个再生装置的反应速度得到更加有效的控制。

更优选地，所述下透气隔板的孔隙率为50%；所述中透气隔板的孔隙率为50%；所述上抽气隔板的孔隙率为50%。

进一步地，所述旋转门上分别对应上腔体、中腔体和下腔体的位置上各设有一个观察窗；通过该观察窗可以清楚的观察到超氧化钾反应器的反应情况。

装置内空气流通主要为热效应产生空气密度差引起的，类似于烟囱的抽力，根据抽力公式：h抽=H(γ空—γ气)，抽力同装置高度和内温度有关。

假设外界温度为25℃，在海拔为0的状态下，计算两种不同高度装置在不同温差下的数据（如表1所示）。

表1不同风道的温差与抽力关系

从表中可以看出，装置高度为1.5m，温差30℃时抽力为0.1635kg/m²，高于装置为0.7m，温差70℃时的0.1582kg/m²，通过提高装置内气体的流动的速度可达到降低反应温度的目的。

不同装置在不同温度下的空气加速度和空气流量计算如下：

装置内的空气加速度：a=f（抽力）/ρ（空气密度）；

装置出口的空气流量：Q=a（加速度）×s（装置截面积)×h（装置高度）；

在同样温差30℃的情况下，高度为0.7m的装置和高度为1.5m的装置的换风量分别为0.297m³/min和1.428m³/min，二者相差4.8倍；由于空气流动速率远高于高度为0.7m的装置，在相同数量超氧化钾药板参与反应时，本发明超氧化钾空气再生装置内部温度相对降低约10～15℃。

进一步地，本发明煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置，还包括一个超氧化钾反应器密封储存箱。在非使用状态下，超氧化钾反应器外用两层薄膜真空包装并放置在密封储存箱中，以保证储存箱在侵水状态下，不能有水和超氧化钾反应器中药板有任何可能的接触。

进一步地，所述超氧化钾反应器包括支架和21～25块超氧化钾药板；所述支架上设有相应21～25个搁置空间。

进一步地，所述超氧化钾反应器的尺寸为：长320～340mm×宽250～270mm×高340～360mm；每块超氧化钾药板的尺寸为：305～320×宽210～230×厚4～6mm；每块超氧化钾药板的重量为：380～390g；

进一步地，所述超氧化钾药板，包括如下重量份数的原料：

生氧吸碳药粉        94～96份；

增强剂              4～6份；

所述生氧吸碳药粉中包括如下重量百分比的原料：

KO₂ 75～85％；K₂O₂ 8～13％；K₂O 7～12％。

进一步地，所述增强剂是5～10mm长的硅酸盐纤维。

进一步地，所述生氧吸碳药粉中还包括其它辅料：1～3份CoSO₄、1～3份珍珠岩粉和1～3份CuOCl。

避难人员在煤矿井下紧急避险设施内进行呼吸活动，在人体内进行生理代谢。在代谢过程中，吸入人机体里的氧与糖类、脂肪、蛋白质起氧化作用，生成二氧化碳和水。因此，人在呼吸中吐出的二氧化碳体积稍小于吸入的氧气体积。将人体呼出CO₂与吸入的氧气体积之比定义为呼吸商或呼吸系数（R.Q.），通常呼吸商取0.85～0.90。为了判断空气再生药剂吸收二氧化碳和释放氧气的效果，用再生系数Kp来衡量，它是反应后释放出全部氧气体积与吸收二氧化碳体积之比：

$K_p=\frac{V_{O_2}}{V_{{\mathrm{CO}}_2}}$

再生系数K_p也可以用吸收二氧化碳与释放氧气的克分子数之比表示，再生系数与呼吸商是倒数关系，在理想情况下，药剂再生系数与人的呼吸商应该匹配，从而达到空气再生的目的。

若人的呼吸商取0.8，即吸入1体积的氧，呼出0.8体积的二氧化碳，那么与此相匹配的再生药剂的再生系数K_p应为：

$K_p=\frac{V_{O_2}}{V_{{\mathrm{CO}}_2}}=\frac{1}{0.8}=1.25$

碱金属超氧化物（或超氧化物）的再生系数可按下列公式计算：

根据表1相关数据计算得出，碱金属超氧化物的再生系数为0.5，超氧化物的再生系数是1.5。

药板各组分与CO₂的反应式分别为：

2KO₂+CO₂＝K₂CO₃+3/2O₂              (19)

K₂O₂+CO₂＝K₂CO₃+1/2O₂              (20)

K₂O+CO₂＝K₂CO₃                     (21)

1000g药剂各组分的mol数计算（以KO₂75％；K₂O₂13％；K₂O 12％计算）：

分子量：M(KO₂)=71.0971；M(K₂O₂)=110.1954；

M(K₂O)=94.196；M(CO2)=44.0098。

KO₂的mol数：

$n\left({\mathrm{KO}}_2\right)=\frac{m\left({\mathrm{KO}}_2\right)}{M\left({\mathrm{KO}}_2\right)}=\frac{750}{71.0971}=10.55\mathrm{mol}$

根据反应式（10）对应消耗CO₂的mol数:

$n_1\left({\mathrm{CO}}_2\right)=\frac{1}{2}n\left({\mathrm{KO}}_2\right)=5.275\mathrm{mol}$

产生的O₂的mol数:

$n_1\left(O_2\right)=\frac{3}{2}{n}_1\left({\mathrm{CO}}_2\right)=7.9125\mathrm{mol}$

K₂O₂的mol数:

$n\left(K_2{O}_2\right)=\frac{m\left(K_2{O}_2\right)}{M\left(K_2{O}_2\right)}=\frac{130}{110.1954}=1.18\mathrm{mol}$

根据反应式（10）对应消耗的CO₂mol数:

n₂(CO₂)=n(K₂O₂)=1.18mol

产生的O₂的mol数:

$n_2\left(O_2\right)=\frac{1}{2}{n}_2\left({\mathrm{CO}}_2\right)=0.59\mathrm{mol}$

K₂O的mol数:

$n\left(K_{2}O\right)=\frac{m\left(K_{2}O\right)}{M\left(K_{2}O\right)}=\frac{120}{94.196}=1.27\mathrm{mol}$

根据反应式(12)对应消耗的CO₂的mol数:

n₃(CO₂)=n(K₂O)=1.27mol

吸收的总CO₂的mol数为:

n(CO₂)=n₁(CO₂)+n₂(CO₂)+n₃(CO₂)=7.725mol

产生的O₂总mol数为:

n(O₂)=n₁(O₂)+n₂(O₂)=8.5025mol

吸收的总CO₂的mol数与产生的O₂总mol数之比为:

$\frac{n\left({\mathrm{CO}}_2\right)}{n\left(O_2\right)}=\frac{7.725\mathrm{mol}}{8.5025\mathrm{mol}}=0.876$

如前所述，呼吸商是人体呼出CO₂量与吸入耗氧量之比，它与人类饮食种类及人体化学相关。呼吸商的正常范围在1～0.7之间，通常呼吸商取0.85～0.90。从以上计算可以看出，本发明的专用药板与人员呼吸商匹配性很好。

进一步地，所述超氧化钾药板的制备方法，包括如下步骤：

1）原料准备：先将增强剂经200～250℃温度的干燥处理，按重量比生氧吸碳药粉：增强剂=94～96:4～6的比例将生氧吸碳药粉与增强剂放入混料器中混合0.5～1.5h，加入其它辅料，获得均匀疏松的混料；

2）药板压制：秤取395±15克混料，装入板模内，铺平之后，用液压机进行压制，压力控制为9～10MPa），压制成形的药板厚度4～6mm，环境温度控制在10℃～20℃之间，湿度控制在30%～40%范围内；

3）药板成形：压制后的药板经热处理、修理等工序，最后制成矩形药板，外形尺寸长305～320×宽210～230×厚4～6mm，重量380～390g。理论产氧量76.81升。

进一步地，所述增强剂是5～10mm长的硅酸盐纤维。

超氧化钾药板试验：

为了验证所研制超氧化钾空气再生药板使用的物理化学稳定性，进行了相关试验。

1、耐热试验

将成型药板放入烤箱（100℃）和直接火烧，药板无变形、无燃烧，物理稳定性强。

2、浸润试验

将成型药板放置在棉布、棉花和报纸上1h以上，棉布、棉花和报纸干净如初，无任何变化。

本发明具有如下的有益效果：

①本装置主要由装置主体、超氧化钾反应器、密封储存箱组成，结构完善合理，功能齐全，使用方便，维护简单。同其它制氧技术相比，省却了大量的二氧化碳吸收剂和水分吸收剂。相比较其它制氧技术而言，超氧化钾供氧应用于煤矿井下紧急避险设施具有很强的技术竞争力；

②工作时无需动力，在吸收二氧化碳的同时释放出氧气，具有供氧及去除二氧化碳的双重功能；吸收二氧化碳和释放氧气的比例与人呼吸商具有良好的匹配特性；使用过程中及反应终止均不产生对人和环境有害的物质；

③在去除CO₂的同时，还能吸收净化CH₄、CO、H₂S、SO₂、NO_X等有害气体，确保密闭空间内的环境质量符合相关标准要求。

④本发明的超氧化钾空气再生装置具有可控性，能为密闭空间持续稳定供氧。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为模拟硐室试验中使用本发明超氧化钾空气再生装置分布图；

图2为模拟硐室试验中测试氧气和二氧化碳在硐室空间的分布的测试点分布图；

图3为孔庄矿百人真人试验中氧气和二氧化碳含量随时间变化曲线图；

图4为孔庄矿百人真人试验中硐室内一氧化碳和甲烷含量变化曲线图；

图5为孔庄矿百人真人试验中硐室内温度及湿度的变化曲线图；

图6为孔庄矿百人真人试验中硐室出风口温度和氧气变化关系曲线图；

图7为本发明超氧化钾空气再生装置结构示意图；

图8为密封储存箱贮存超氧化钾反应器状态下结构示意图；

图9为超氧化钾反应器放大结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图7所示，本发明一种煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置；包括装置主体1，该装置主体1为中空腔体结构，所述装置主体1从下到上依次包括进气区11、反应区12和排气区13；所述进气区11和反应区12之间设有下透气隔板121，所述反应区12和排气区13之间设有上抽气隔板131，本实施例中，所述抽气隔板131中部设有向排气区13延伸的中空锥形体1311，该中空锥形体1311具有一定抽拔气体作用；所述反应区12平均分为上腔体122、中腔体123和下腔体124，三个腔体122、123、124之间设有中透气隔板125；在使用状态下，所述上腔体122、中腔体123和下腔体124中均设置一个超氧化钾反应器126,（在图7中为了看图方便，仅在图7的下腔体124中示出超氧化钾反应器126）；在非使用状态下，超氧化钾反应器用双层薄膜包裹起来放到密封储存箱中；所述反应区12的一侧壁上设置旋转密封门127；所述进气区11内设有抽屉式隔板111；

所述装置主体高1625～1725mm，左右长400～480mm，宽310～380mm；其中，进气区高度为155～165mm；反应区高度为1300～1350；排气区高度170～210mm。

所述旋转密封门127上分别对应上腔体122、中腔体123和下腔体124的位置上各设有一个观察窗1271、1272、1273；通过观察窗可以清楚的观察到超氧化钾反应器126的反应情况；

参见图8所示，本发明煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置，还包括一个超氧化钾反应器密封储存箱128。在非使用状态下，超氧化钾反应器126外用两层薄膜1261真空包装并放置在密封储存箱128中，以保证密封储存箱在侵水状态下，不能有水和超氧化钾反应器126中药板有任何可能的接触；为防止密封储存箱128内的超氧化钾反应器126之间发生碰撞，储存时在超氧化钾反应器126之间的缝隙里放置弹性材料1281。

参见图8、图9所示，所述超氧化钾反应器126包括支架1262和21～25块超氧化钾药板1263，本实施例中使用23块超氧化钾药板；所述超氧化钾药板1263均匀的搁置在支架1262上；

所述超氧化钾反应器126的尺寸为：长320～340mm×宽250～270mm×高340～360mm；每块超氧化钾药板的尺寸为：305～320×宽210～230×厚4～6mm；每块超氧化钾药板1263的重量为：380～390g；

工作原理：在需要使用煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置时，将超氧化钾反应器126外的两层薄膜1261撕开，分别放置到反应区12的上腔体122、中腔体123和下腔体124，关闭旋转密封门127；打开进气区11的抽屉式隔板111，气体进入反应区开始和超氧化钾药板1263开始发生化学反应，通过整个结构抽力的作用，三个腔体内的超氧化钾药板1263逐步可控的进行反应，释放出需要量的氧气。

本发明的超氧化钾药板可以使用常规的超氧化钾药板（例如由北京恒信化工公司生产），但是，使用下述超氧化钾药板，能够达到更好的有益效果。

进一步地改进的实施例，所述超氧化钾药板，包括如下重量份数的原料：

生氧吸碳药粉             94份；

硅酸盐纤维               6份；

所述生氧吸碳药粉中包括如下重量百分比的原料：

KO₂ 75％；K₂O₂ 13％；K₂O 12％。

所述生氧吸碳药粉中还包括1份CoSO₄、3份珍珠岩粉和1份CuOCl；

所述专用超氧化钾药板的外形尺寸长305×宽230×厚4mm，重量380～390g。

上述超氧化钾药板的制备方法，包括如下步骤：

1）原料准备：先将5mm长的硅酸盐纤维经200℃温度的干燥处理，按重量比生氧吸碳药粉：硅酸盐纤维=94:6的比例将生氧吸碳药粉与硅酸盐纤维放入混料器中混合0.5h，再加入1份CoSO₄、3份珍珠岩粉和1份CuOCl，获得均匀疏松的混料；

2）药板压制：秤取395±15克混料，装入板模内，铺平之后，用液压机进行压制，压力控制为9MPa，压制成形的药板厚度4mm，环境温度控制在10℃，湿度控制在30%；

3）药板成形：压制后的药板经热处理、修理等工序，最后制成矩形药板，外形尺寸长305×宽230×厚4mm，重量380～390g。

实施例2

重复实施例1，其不同之处仅在于：

所述超氧化钾药板，包括如下重量份数的原料：

生氧吸碳药粉              96份；

硅酸盐纤维                4份；

所述生氧吸碳药粉中包括如下重量百分比的原料：

KO₂ 85％；K₂O₂ 8％；K₂O 7％。

所述生氧吸碳药粉中还包括其它辅料：3份CoSO₄、1份珍珠岩粉和3份CuOCl；

所述专用超氧化钾药板的外形尺寸长320×宽210×厚6mm，重量380～390g。

上述超氧化钾药板的制备方法，包括如下步骤：

1）原料准备：先将10mm长的硅酸盐纤维经250℃温度的干燥处理，按重量比生氧吸碳药粉：硅酸盐纤维=96:4的比例将生氧吸碳药粉与硅酸盐纤维放入混料器中混合1.5h，再加入3份CoSO₄、1份珍珠岩粉和3份CuOCl，获得均匀疏松的混料；

2）药板压制：秤取395±15克混料，装入板模内，铺平之后，用液压机进行压制，压力控制为10MPa，压制成形的药板厚度6mm，环境温度控制在20℃，湿度控制在40%；

3）药板成形：压制后的药板经热处理、修理等工序，最后制成矩形药板，外形尺寸长320×宽210×厚6mm，重量380～390g。

实施例3

重复实施例1，其不同之处在于：

所述超氧化钾药板，包括如下重量份数的原料：

生氧吸碳药粉             95份；

硅酸盐纤维               5份；

所述生氧吸碳药粉中包括如下重量百分比的原料：

KO₂ 80％；K₂O₂ 10％；K₂O 10％。

所述生氧吸碳药粉中还包括2份CoSO₄、2份珍珠岩粉和2份CuOCl；

所述专用超氧化钾药板的外形尺寸长315×宽220×厚5mm，重量380～390g。

上述超氧化钾药板的制备方法，包括如下步骤：

1）原料准备：先将7mm长的硅酸盐纤维经220℃温度的干燥处理，按重量比生氧吸碳药粉：硅酸盐纤维=95:5的比例将生氧吸碳药粉与硅酸盐纤维放入混料器中混合1h，再加入2份CoSO₄、2份珍珠岩粉和2份CuOCl，获得均匀疏松的混料；

2）药板压制：秤取395±15克混料，装入板模内，铺平之后，用液压机进行压制，压力控制为9.5MPa，压制成形的药板厚度5mm，环境温度控制在15℃，湿度控制在35%；

3）药板成形：压制后的药板经热处理、修理等工序，最后制成矩形药板，外形尺寸长315×宽220×厚5mm，重量380～390g。

本发明的超氧化钾空气再生装置在实践中的应用试验：

一、模拟硐室试验

1、试验目的

测试模拟煤矿避难硐室环境下，超氧化钾空气再生装置产氧和二氧化碳吸收效果以及空气均衡分布情况。

2、试验条件

模拟硐室采用75mm厚的保温彩钢板搭制；为保证试验顺利进行，硐室采用气密设计，可加温加湿；煤矿模拟硐室分为人员室和过渡室，中间加挂一条柔性门帘，两层气密门，观察窗一个。

本次参加试验人数21人，试验时间12小时。

本次试验共用2台使用本发明专用超氧化钾药板的空气再生装置，在模拟硐室靠右侧、后排中间各放置一台（见图1所示），共消耗专用超氧化钾药板48片。

试验起始环境：氧气浓度20.6%，温度16℃，湿度65%。采用M40便携式综合测试仪测量氧气等气体，利用MA测量仪测量二氧化碳浓度。

3、试验分析

本次试验主要测试氧气和二氧化碳在硐室空间的分布。

本实验选择了21个测试点，分布如下（见图2）。共分A、B、C、D、E、F和G七条测线，每条测线分高、中、低布置三个测点。

共进行了5次测试，同一时间测得的各地点的氧气浓度相差最小为0.1%，最大为0.4%，平均为0.2%（各个测点氧气含量见表1）。平时测试CO₂和O₂取样点为G2；温、湿度取样点为D2。

表1各个测点氧气含量表(%)

4、试验结论

1）通过试验我们可以得出安全再生装置性能可靠，产氧安全平稳，氧气含量保持在20.2～21%之间，二氧化碳浓度在0.7%以下。模拟硐室内氧气含量分布均匀，在硐室的各个位置、高度的测点，同一时间测量数据相差不超过0.4%。

2）在整个试验过程中，硐室温度、湿度均得到较好的控制；甲烷、硫化氢气体均在国家规定的范围内；硐室内人员感觉良好，无不适症状。监测指标均符合国家有关暂行规定，试验过程验证了超氧化钾空气再生装置在井下避难硐室应用的可行性。

二、孔庄矿百人真人试验

大屯公司孔庄煤矿按照《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发［2010］23号）》和《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大***”的通知（安监总煤装【2010】146号）》要求，逐步完善监测监控***、井下人员定位***、紧急避险***、压风自救***、供水施救***和通风联络***6大安全避险***。

孔庄煤矿紧急避险***的构建是一个逐步完善的过程。目前，孔庄煤矿正在分阶段建立4个永久避难硐室，2个临时避难硐室，6台可移动式救生舱等紧急避险设施的建设工程，并逐渐建立覆盖全矿井的安全防护网络。

1、孔庄矿基本情况

孔庄煤矿矿井生产核定能力为150万吨/年（2009年），矿井服务年限48年。孔庄煤矿Ⅰ6采区目前正在生产，为孔庄矿主力采区，该采区布置了轨道下山（1130米，-20度，净断面10.5平方米）、皮带下山（940米，-16度，净断面14.2平方米）、行人下山（1130米，-20度，净断面14.2平方米）三条下山，根据新《安全规程》要求，又补打了专用回风巷。采区上部车场为顺向平车场，中部车场为单侧甩车场。采区煤仓容量400吨。

根据《大屯煤电公司紧急避险***总体设计方案》，在I₆-350车场附近布置1个永久避难硐室，服务于I₆采区一个综采队、两个掘进面、采区轨道、人行操作人员，服务人数70人。

孔庄煤矿I₆采区避难硐室内部整体由过渡室和生存室组成，生存区总长27.8m，由过渡室和生存室组成，生存室有效面积110m²，额定容纳人数100人。在无任何外界支持的情况下，额定防护时间不低于96小时。

硐室结构设计符合国家相关规定，配有喷淋***、压缩供氧***、压风供氧***、制冷***、净化***、除湿***、通讯***、监测监控***、供水***、人员定位***、动力照明***和辅助***等。硐室建成后由北京科技大学和大屯煤电公司对硐室各项指标进行了联合测试，其中在气密性打压试验中，最大压差峰值达到12000pa，硐室气密性良好，各项参数指标符合国家相关规定。

2、试验准备

在地面视频监控室设试验指挥部，负责与硐室内人员沟通协调；井下硐室外设3个现场值班组（3组轮流值班），包括救护队人员和医护人员，并携带所需器材及医疗用品，处理突发状况；硐室内100人由大屯公司、中煤电气公司、上海中垚公司、北京恒信公司及北京科技大学相关人员组成，并设立了总指挥、副总指挥和各测试组长；并对参加硐室试验人员进行了动员和专题培训。

3、试验装置准备

化学制氧空气再生***配置：空气再生装置10台；药板工作箱100件（内含本发明专用超氧化钾药板1200片）；储存柜8件（实装2件）；碱石灰（二氧化碳吸收剂）1000公斤；干燥剂500公斤；备用药板200片。

其中，化学制氧空气再生单元包含3个本发明专用超氧化钾药板反应单元，每个反应单元最大容量内装24片本发明专用超氧化钾药板，工作环境温度5-50℃，工作环境湿度10-90%。本发明专用超氧化钾药板基础规格(片)：外形尺寸315×220×6mm，重量约385g，理论产氧量为76.81升，空气再生装置3个反应单元可一次提供5530升氧气；本发明专用超氧化钾药板工作时不需要外部能源支持，工作时取出拆开密封放入装置内即可使用；可以根据硐室内的空气实际状况、仪表测试数据和氧板工作时间来更换药板，并通过更换药板使其的工作时间无限延长。本发明专用超氧化钾药板存放在储存柜内，储存柜可安放在硐室内任意位置，比如过渡室。

4、试验方案

1）方案设计

本次试验在硐室内共安装化学氧空气再生装置10台，2台一组分散布置，共5组，靠墙安装，在人员座椅中留出位置，交错布置，每组装置间隔小于7米。

满足硐室内100人在封闭状态下对于氧气的需求和对排出二氧化碳的处理，本发明专用超氧化钾药板可以提供满足需要的氧气和吸收掉大部分二氧化碳，但因硐室内人员密度大，排出的水分较高，二氧化碳吸收率在0.8左右（根据多次试验的数据），需增加部分二氧化碳吸收剂，以控制二氧化碳浓度不大于1%，本次试验准备吸收率为30%的碱石灰1000公斤。另外，作为辅助二氧化碳吸收除湿干燥剂500公斤。

2）供氧量

根据国家相关规定，避难硐室氧气***每分钟供应量不小于0.5升/人/分钟，100人每分钟供应量不小于50升/分钟，本次化学应制氧试验时间初步安排24小时，共计需氧量0.5×60×24×100=72000升。

以24小时化学制氧试验时间计算，当氧气浓度下降21.0%以下时更换本发明专用超氧化钾药板，大约每6-8小时更换一批本发明专用超氧化钾药板（根据试验中仪表检测情况决定）；整个实验期间需药板量约1200片，考虑试验余地，本次试验再配备备用本发明专用超氧化钾药板200片，全部预装在反应器中并密封。全部药板共储氧量：（1200+200）×76.81=100000升，远远大于100人24小时需氧量72000升，能够满足100人24小时呼吸氧量。

5、测试仪器

1）试验仪器

除硐室内原有布置的各种监测传感器外，还包括：

（1）CD4多参数气体测定器：主要检测氧气（O₂）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、硫化氢（H₂S）气体浓度，测量范围分别是：甲烷：0～4.00％；一氧化碳：0～1000ppm；氧气：0～25.0％；硫化氢：0.0～100.0ppm。

（2）CRG4H红外二氧化碳测定器：主要检测二氧化碳浓度，测量范围0～5.000%。

（3）手持式红外温度测定器：主要检测硐室壁温、内部空间温度、装置体表及内部温度，测量范围-20℃～+500℃。

（4）湿度测定仪：测量范围10～95％。

2）测点布置

在硐室生存室内设置6个测试点，测点在硐室均匀分布，测点分布在距硐室地面1.5m高的位置。

6测试过程

1）测试阶段

试验过程中，分启动阶段、稳定阶段两个阶段进行，分别记录硐室内部各测点的温度、湿度、CH₄浓度、CO₂浓度、O₂浓度、H₂S浓度及CO浓度变化情况。

启动阶段：此阶段的目的是测试装置启动时间。自硐室防爆密闭门关闭后，启动硐室各生命保障***并启动本装置，直至氧气浓度稳定半小时。

稳定阶段：此阶段的目的主要是测试装置的供氧能力以及二氧化碳吸收、其它气体含量的变化。当硐室内氧气浓度在半小时内不发生变化，进入稳定阶段。

2）试验过程

（1）2月17日8：00，人员开始下井，9时45分进入硐室，关闭四道防护门，在硐室内对号就座；

（2）2月17日10点整，在地面指挥中心下达命令后开始试验，在进行硐室内部基础数据采集工作的同时，化学氧装置开始放置本发明专用超氧化钾药板，约15分钟后，装置开始工作；

（3）根据14日硐室内模拟试验的情况，此次试验每台设备放置23片本发明专用超氧化钾药板的反应装置2个，放在从下向上数的第一和第二反应空间，计46片药板，全硐室第一次使用本发明专用超氧化钾药板460片；

（4）试验过程中，记录硐室内部各测点的温度、湿度、CH₄浓度、CO₂浓度、O₂浓度、H₂S浓度及CO浓度变化、反应装置内部温度、装置外表温度和出风口温度情况；

（5）设备启动时间约为2小时，在启动时间内，氧气浓度下降，二氧化碳浓度上升，氧气浓度接近20%，二氧化碳浓度接近0.9%。在设备正常启动后，氧气浓度上升，二氧化碳浓度下降，一直保持正常水平。

（6）晚10点，设备工作14小时后，氧气和二氧化碳指标正常，指挥部决定化学氧供氧试验延长至第二天6点。考虑进入夜间，同时原有药板已有疲乏现象，增加本发明专用超氧化钾药板药板共计360片，每台装置使用三个反应空间，顺序是：原1空间的反应器放入3空间，2空间的反应器放入1空间，新置入的反应器放入2空间。

（7）1：30分，由于人员多数进入睡眠状态，氧气含量上升，关闭了全部装置的风门，保持氧气含量处于正常状态。

（8）2月17日4:30分，地面通知化学氧供氧试验5时结束，供压风1小时，为压缩氧试验创造环境；5时整，压风开启，化学氧试验结束。

（9）化学氧试验结束后，取出并封存所有氧板，从反映情况看，处于2、3空间的药板还有较强活力，1空间的药板反应完全，装置还可保证4-6小时的供氧时间不需更换药板。此次试验共消耗药板690片。

7、工业性试验运行分析

1）硐室初始及结束状态

初始状态：硐室岩温24.8℃，硐室温度24.5℃，湿度74.2%，氧气含量21.4%，二氧化碳0.18%，一氧化碳0，甲烷0.02%，硫化氢0。

结束状态：硐室岩温25.5℃，硐室温度28.7℃，湿度78.4%，氧气含量22.1%，二氧化碳0.73%，一氧化碳31.2ppm，甲烷0.09%，硫化氢0。

2）测试结果及分析

各项气体参数测试以视频监控室测试数据为基准。监控室测试数据是布置在硐室顶部监测传感器传输数据，硐室内二氧化碳分子量较大，沉积在硐室底部，测试数据相对较低，氧气含量分子量较小，测试数据相对较高。同时设备本身也有部分误差，因此所得数据会有及其细微差别，但是总的变化趋势相同。

8、试验结论

图3为孔庄矿百人真人试验中氧气和二氧化碳含量随时间变化曲线图；从图3可以看出，整个试验过程中，氧气含量始终介于20.1～22.3%之间，二氧化碳含量在0.18～0.84%之间，相对稳定保持在0.6%附近，符合国家《暂行规定》允许范围。反应开始后氧气含量开始是逐渐降低过程，2小时后氧气浓度降至最低点20.1%，说明化学制氧反应启动时间约2小时；其后开始升高，经过约4小时候氧气含量达到22.0%，随后化学药板消耗，5小时后氧气含量降至21.2%，考虑供氧安全，此时增加反应药板，氧气含量较之前的稳定状态时含量有较大增加，最高值达到约22.3%，之后一直是平稳状态。反应过程中，氧气含量和二氧化碳含量变化速率的对数成相反变化趋势，说明化学制氧过程中，氧气浓度的增加和二氧化碳浓度的降低成正比。通过总化学方程式可以得出，在一定时期内，二氧化碳与氧气总含量及平均值浓度保持相对稳定；二氧化碳浓度的增加促进化学制氧过程。

图4为孔庄矿百人真人试验中硐室内一氧化碳和甲烷含量变化曲线图；图4反应硐室内一氧化碳和甲烷含量的变化。可以看出，试验过程一氧化碳含量低于20ppm，甲烷气体含量低于0.09%，均在国家《暂行规定》的范围内。硐室内人员感觉良好，无不适症状；

图5为孔庄矿百人真人试验中硐室内温度及湿度的变化曲线图；从图5可以看出，整个试验过程中，装置外表在26.1～37.8℃之间，出风口温度主要集中在22～37℃范围内，硐室温度基本控制30℃以下，湿度基本保持在80%以下；硐室湿度从17：00有个急剧上升，原因可能是此时开启空调，由于空调是吹冰制冷，因此对环境湿度影响较大，湿度增加比较明显；在21.：30增加反应药板后，由于超氧化钾具有很强的除湿能力，因此湿度又逐步降低。从图上还可以看出，装置产生热量对硐室内温度稍有影响，但在可控范围内；整个试验过程中，硐室内温度和湿度完全符合国家《暂行规定》对温度、湿度的要求。图6为孔庄矿百人真人试验中硐室出风口温度和氧气变化关系曲线图；从图6可以看出，随着出风口温度增加，氧气含量会有增加趋势，说明反应速度比较快。但在1:00后出风口温度突然下降后趋于平稳，氧气含量也逐渐趋于平稳。

综上所述，实验结论如下：

1）在井下避难硐室采用化学制氧的空气再生技术是可行的。采用本发明专用超氧化钾药板应用在煤矿井下属世界首创，创建了深部煤矿井下避难硐室化学氧（超氧化钾）的供氧模式。

2）在整个试验过程中，氧气浓度处于20.1%～22.3%的正常范围，供氧持续均匀；二氧化碳浓度控制在0.18～0.84%之间，相对稳定保持在0.6%附近；一氧化碳浓度低于20ppm；硐室温度控制在30℃以下、湿度基本在80%以下；甲烷、硫化氢气体均在国家规定的范围内。硐室内人员感觉良好，无不适症状。监测指标均符合国家有关暂行规定，试验过程验证了化学氧空气再生装置在井下避难硐室使用的可行性。

3）使用本发明专用超氧化钾药板的化学氧空气再生装置在运行过程产生的热量是可控的，对硐室温度影响不大。试验过程中，化学氧空气再生装置表面在26.1～37.8℃之间；出风口温度主要集中在22～37℃之间。

4）整个19个小时的试验过程中，硐室内人员感觉良好，无不良反应。

5）本发明专用超氧化钾药板在使用的过程中不产生对人体或环境有危害的物质，不会发生次生有害反应；作为一种碱性超氧化物，超氧化钾可以中和酸性有毒有害气体，如：硫化氢，二氧化硫，氮氧化物等，具备去除部分酸性有毒有害气体的特殊能力。

6）使用本发明专用超氧化钾药板的化学氧空气再生装置存储、运输方便，且无须维护，大大降低了使用的维护成本，性价比良好。装置开启简单、易操作，无须复杂专门培训，即开即用。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种煤矿井下紧急避险的超氧化钾空气再生装置，包括装置主体，该装置主体为中空腔体结构，其特征在于：所述装置主体从下到上依次包括进气区、反应区和排气区；所述进气区和反应区之间设有下透气隔板，所述反应区和排气区之间设有上抽气隔板；所述反应区平均分为上腔体、中腔体和下腔体，三个腔体之间设有中透气隔板，所述上腔体、中腔体和下腔体中均设置一个超氧化钾反应器；所述反应区的一侧壁上设置旋转密封门。

2.根据权利要求1所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述装置主体高1625～1725mm，左右长400～480mm，宽310～380mm；其中，进气区高度为155～165mm；反应区高度为1300～1350；排气区高度170～210mm。

3.根据权利要求1或2所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述进气区内设有抽屉式隔板。

4.根据权利要求3所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述下透气隔板的孔隙率为45～55%；所述中透气隔板的孔隙率为45～55%；所述上抽气隔板的孔隙率为45～55%；优选地，所述下透气隔板的孔隙率为50%；所述中透气隔板的孔隙率为50%；所述上抽气隔板的孔隙率为50%。

5.根据权利要求1所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述旋转门上分别对应上腔体、中腔体和下腔体的位置上各设有一个观察窗。

6.根据权利要求1中任一所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：还包括一个超氧化钾反应器密封储存箱；优选地，所述超氧化钾反应器外用两层薄膜真空包装并放置在密封储存箱中。

7.根据权利要求1所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：优选地，所述超氧化钾反应器包括支架和21～25块超氧化钾药板；所述支架上设有相应21～25个搁置空间。

8.根据权利要求7所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述超氧化钾反应器的尺寸为：左右长320～340mm×前后宽250～270mm×高340～360mm；每块超氧化钾药板的尺寸为：左右长305～320mm×前后宽210～230mm×厚4～6mm；每块超氧化钾药板的重量为：380～390g。

9.根据权利要求7或8所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述超氧化钾药板，包括如下重量份数的原料：

生氧吸碳药粉         94～96份；

增强剂                 4～6份；

所述生氧吸碳药粉中包括如下重量百分比的原料：

KO₂ 75～85％；K₂O₂ 8～13％；K₂O 7～12％。

10.根据权利要求9所述的超氧化钾空气再生装置，其特征在于：所述增强剂是5～10mm长的硅酸盐纤维；优选地，所述生氧吸碳药粉中还包括其它辅料：1～3份CoSO₄、1～3份珍珠岩粉和1～3份CuOCl。

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