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基于氧燭技術的煤礦井下自救器研究

文檔作者：連朝陽白宏峰文檔來源：潞安環(huán)能股份公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月27日
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總第151期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2012．03．005
基于氧燭技術的煤礦井下自救器研究
連朝陽，白宏峰
(潞安環(huán)能股份公司機電處，山西長治046204)
摘要：文章以現(xiàn)有軍用氧燭技術和試驗平臺為依托，以前沿納米催化劑技術作先導，采用復合納米添料
制備路線，設計一種面具式吸氧的新型煤礦井下自救器，其具備體積小、儲氧量大、攜帶方便、供氧時間長、
放氧速率和放氧量不受溫度、濕度和壓力等環(huán)境條件影響等優(yōu)點，能高效安全滿足大型煤礦井下礦工救生
的需要。
關鍵詞：氧燭技術；納米催化劑；納米材料；自救器
中圖分類號：TD79 3 文獻標識碼：A 文章編號：1005—2798(2012)03·0011—03
The Study of Self—rescuer for Coal M ine Based on
Oxygen-candle Technology
LIAN Chao-yang，BAI Hong-feng
(Electromechanical Department of n Environmental Energy Development Co．，Ltd．，Changzhi 046204，China)
Abstract：This paper supposed by the existing military oxygen-candle technology and experimental platform，guided by advanced nano
catalysts technology ，adopts nanocomposite preparation route，and designed a new type of oxygen—masked self—rescuer for underground
mine．It has small volume，big reserves，long time for oxygen supply and is convenient to carry；oxygen speed and oxygen demand is im—
mune to temperature，humidity and pressure．It can efficiency and security satisfy the large coal miners needs for life-saving．
Keywords：oxygen-candle technology ；nano catalysts；nanocomposite；self-rescuer
隨著大型煤礦的開采，作業(yè)面不斷深入，礦井不
斷延伸，工作面離救生艙、避難硐室、出口的位置越
來越遠，井下一旦遇到瓦斯爆炸、透水等危險事故，
工作面人員需要較長時間才能逃生到避難硐室或救
生艙?，F(xiàn)有自救器最大僅能維持人體運動45 min
的供氧量，并且作為常備救生裝置，重量體積偏大，
必然會加重人員的勞動負荷，遠不能滿足大型煤礦
開采的需要。
目前自救器主要分為化學生氧式、壓縮空氣
(O：)式和過濾式三類 。其中化學生氧式具有攜
帶重量輕、使用方便等特點，是現(xiàn)有井下使用的主要
自救器，這種自救器的缺點是供氧時間短、吸氣溫度
高、穩(wěn)定性差，易受到溫度、濕度和壓力的影響，長期
存放易吸收空氣中的CO：蒸氣而失效，而且供氧溫
度高，難以長時間佩戴，目前國內許多民營企業(yè)已經
掌握了該生產技術，發(fā)展趨勢是減輕重量，提高過氧
化鈉的利用率、減低吸氣阻力、提高使用安全性。從
原理上分析，在不增加重量的前提下，不可能達到較
長的逃生時問。壓縮式自救器是采用壓縮空氣
(O )供氣，通過減壓裝置將壓縮空氣(O：)減壓到人
員呼吸所需的壓力。國外主要產品有德國德爾格
PA90Plus系列產品 J。國內撫順煤礦機械廠也有
類似的產品 J。壓縮式自救器具有供氧穩(wěn)定可靠的
優(yōu)點，目前廣泛裝備于消防、救災等有毒有害缺氧條
件下的各種救援隊。壓縮式自救器的重量大，長期
攜帶需消耗大量體力，不適合地下煤礦人員長期隨
身攜帶。CO過濾式自救器主要原理是利用催化劑
在常溫下將空氣中含有的CO氧化為無毒的CO ，要
求在煤礦井下發(fā)生火災或瓦斯、煤塵爆炸時，空氣中
0 濃度不低于18％ ，CO濃度不高于1．5％ 的環(huán)境
中應用 J。如果煤礦井下發(fā)生爆炸，一般0：濃度比
較低，甚至缺氧，環(huán)境中CO，的濃度過高，即使佩戴
該過濾式自救器，也很難獲得可供人員呼吸的0，濃
度和較低濃度的CO ，根據(jù)國家安監(jiān)局相關規(guī)定，于
收稿日期：2011-09—16
作者簡介：連朝陽(1984一)，男，山西長治人，碩士研究生，從事機電管理工作。
2012年3月 連朝陽等：基于氧燭技術的煤礦井下自救器研究 第21卷第3期
2012年1月禁止對其的使用。本研究在軍用化學
生氧技術基礎上，通過進一步的技術開發(fā)，設計一種
新型的高效安全自救器。
1 氧燭技術
氧燭技術及其裝置是英美等國從20世紀初開
始研究，20世紀50年代開始應用到潛艇上，我國從
20世紀80年代開始研究 J。主要裝料是NaC10 。
生氧原理和主要反應如下：106．5 g NaC10 產生48 g
O ，產氧效率45．1％。這是目前化學生氧方式中效
率最高的。這種生氧技術已經成為世界各國科學家
研究的熱點之一，主要研究方向是裝置的微型化、生
氧低溫化和釋氧可控化。氧燭裝置的示意，見圖1。
圖1 氧燭裝置不意
氧燭由外殼、啟動裝置、產氧藥塊和O 過濾材
料組成，見圖2。其中產氧藥塊是氧燭的主要部分，
由氧源(常用氯酸鈉和高氯酸鈉)、金屬燃料、催化
劑和粘結劑等組成。在英美等國生產的氧燭中，金
屬燃料為鐵粉。
1～ 氧燭密封蓋；2一氣體過濾材料；3一啟動裝置；
4一外殼；5一產氧藥塊
圖2 氧燭裝置的組成
1) 啟動裝置的改進。氧燭啟動裝置主要由摩
擦生熱啟動、機械撞擊啟動、電子啟動、水啟動和化
學反應熱啟動。目前具有發(fā)展?jié)摿Φ氖菣C械撞擊啟
動和電子啟動兩種方式?？紤]到煤礦自救器的使用
環(huán)境，電子啟動裝置必須具有快速啟動的能力，現(xiàn)對
電子啟動方式進行優(yōu)化。
2) 高活性催化劑氯酸納發(fā)生分解反應產生
O，，需要使用催化劑才能降低溫度。目前使用的催
1 2
化劑有錳系、鐵系和鈷系氧化物，這些氧化物都能促
使氯酸鈉分解，溫度降低。采用現(xiàn)這些金屬氧化物
來作為催化劑，由于吸濕和活性等原因，催化劑的催
化性已經達到最大化，很難再有進一步的突破。現(xiàn)
自制一種鈷催化劑，從實驗的情況分析，效果顯著，
分解溫度已經降低到400 oC以下。將這種催化劑直
接作為煤礦自救器使用，還存在分解溫度高、分解速
度快、O 瓶出口溫度高等不足。美英等國的研究集
中在多金屬催化劑的協(xié)同作用，并在納米級上制備
催化劑，使催化劑的催化活性有了很大的提高，得到
國際上的高度認可。
3) O 均勻釋放控制技術。氯酸鈉的分解反
應是放熱反應，但是反應放出的熱量還不能完全補
償反應時熱量的損失，致使分解反應不能持續(xù)進行。
需要添加一些燃料和添加劑使分解反應在可控條件
下有序釋放。本文使用的添加劑主要是玻璃粉末，
適當添加能起到抑制過快反應 J。目前O，均勻釋
放控制技術還不能達到煤礦自救器的要求，連續(xù)均
勻釋放時間有望提到80 min以上，需要新的藥塊，
并進行氯酸鈉、催化劑、燃料和添加劑的配比選擇研
究。
4) 抑氯劑及氯氣過濾材料。溫度較高時，氧
燭在放氧過程中，會產生微量的氯氣，需要在藥塊內
部添加抑氯劑和藥塊以有效地除去氧燭放出的微量
氯氣。到目前為止，對于以鐵粉為燃料的氧燭，
Li：O：是最佳的抑氯劑。對于在氧燭生氧過程中產
生的微量氯氣，國內外已經有了比較成熟的技術 J，
可以將氯氣完全抑制和過濾，O 中氯氣的含量已經
達到檢測標準。
2 氧燭自救器
以現(xiàn)有氧燭技術為基礎，以納米催化劑技術作
先導，以已有氯氣抑制劑和過濾材料做引導，為研制
高性能的氧燭自救器打下良好的基礎。
1) 啟動裝置的微型化。以在短路狀態(tài)下釋放
熱量的高性能鋰電池為基礎，將自救器的啟動裝置
開發(fā)為微型、安全的自救器啟動裝置，達到快速啟動
催化生氧目的。
2) 納米復合催化劑開發(fā)高性能納米復合型的
催化劑是氯酸鈉分解的關鍵技術?，F(xiàn)有的催化劑大
多采用的是單一和粒徑較大的金屬，本研究采用粒
徑達到納米級、兩種或更多金屬或化合物制成活性
高、用量少、成本低的高效催化劑。催化劑催化氯酸
鈉分解的試驗工藝路線，見圖3。利用正交實驗法
研究催化劑組成及其工藝對氯酸鈉分解反應的溫度
和速度影響，并采用納米催化、復合催化等新技術、
2012耳3月 連朝陽等：基于氧燭技術的煤礦井下自救器研究 第21暮第3期
新工藝研究催化劑的催化活性、氯酸鈉的分解溫度、
釋氧速度和時間等性能指標。
數(shù)據(jù)線
可控
圖3 催化工藝路線
3) 0，釋放控制技術。采用數(shù)字質量流量計
方法，測試0 發(fā)生罐在整個0 釋放過程中0 的質
量變化；充分利用高效納米催化劑、燃料和添加劑等
技術，獲得釋放0 時問最佳的藥塊配方、密度等，評
價裝置示意圖，見圖4。氣體分析儀可以測定0：的
各種組分，根據(jù)實驗結果進行及時調控。
測溫儀 數(shù)字質量流量計
啟動裝景
隔網
物理過濾層
化學過濾層
測溫儀
藥塊
圖4 評價裝置不意
4) 氯酸鈉分解低溫化技術。既要使分解反應
進行，又要控制溫度，這是一對矛盾，只有通過大量
的藥塊配方優(yōu)化配比，尋求低溫化0 發(fā)生的最佳方
案。
5) 0：發(fā)生罐隔熱材料。采用先進的隔熱材
料可以大幅度降低溫度，使外殼的溫度達到70℃以
下。
6) 導氣管散熱技術。采用新型的散熱材料、
熱交換和優(yōu)化設計，使進入面部的0：溫度降到
40 o【=左右(目前商品最低為55 oC)，這是進入臉部
0 的溫度，實際吸入的溫度還會有進一步的降低。
7) 自救器的集成技術。解決了自救器各部分
的關鍵技術后，最后的模具設計和產品定型是該自
救器進入實用化、產品化的重要環(huán)節(jié)。擬采用的關
鍵技術是綜合運用軍用自救器的設計理念，實現(xiàn)煤
礦自救器攜帶重量輕、釋氧時間長和安全可靠的理
念。典型的兩種軍用自救器，見圖5。
圖5 典型軍用自救器
新型自救器的設計參照現(xiàn)有軍用自救器的結構
和特點，同時具有礦用自救器的優(yōu)點，以便于煤礦人
員隨身攜帶和使用為目的，根據(jù)現(xiàn)有技術和可實現(xiàn)
的新技術，擬設計的產品為面罩式自救器，這種面罩
和通話器等部件將會更加輕型，使用更加方便。這
種面罩和0，發(fā)生罐放在一個阻燃的自救器包中，該
包可以用膠帶攜帶于井下人員腰間，遇到緊急情況，
先啟動0 發(fā)生裝置，10 S內放出0：，同時只需要5 s
就可從包內取出、撐開并戴上面罩。這種面罩具有
視野開闊、保明、阻燃和通話等特點。
3 結語
本技術采用鎳、鈷納米復合氧化物為催化劑，氯
酸鈉為氧源，鐵等多金屬為燃料，玻璃粉末為填料和
粘結劑，先對鎳鈷納米復合催化劑進行低溫化篩選，
根據(jù)設計組裝成0 發(fā)生罐，同時對啟動裝置進行微
型化的設計，在各步完成試驗、篩選的基礎上，模擬
設計氧燭自救器。
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[責任編輯：路方]
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