论文部分内容阅读
[摘 要]矿井灾害事故发生后，井下压风管路可能受到爆炸等灾害的损坏而影响供氧，因此有必要储存大量的应急氧源，供突发紧急情况下井下遇险人员避险时使用。详细分析了3种应急氧源的优缺点，并从供氧性能和安全性2个方面进行了分析比较，得出了氯酸盐氧烛供氧可作为矿用应急氧源的优选。
[关键词]矿井；应急氧源；压缩氧；氯酸氧氧烛
中图分类号：X936 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0052-01
0 引言
氧气，是人类和各种生物生长、发育、维持生命运动的基本要素[1]，在矿井正常生产活动中，主要依靠矿井通风方式供氧灾害事故发生后，矿井内充满有害气体，不适合人体呼吸。据统计，有80%的伤亡是由于逃生路线受阻或过长、矿井通风系统破坏等造成逃生人员窒息或中毒死亡的。为此，煤矿建立了紧急避险系统[2]，为无法安全撤离的人员提供密闭空间和氧气供给。矿井氧气供给一般是由压风和应急氧源组成。灾害事故发生后，井下压风管路可能受到爆炸等灾害的损坏而影响供氧，因此有必要储存大量的应急氧源，供突发紧急情况下井下遇险人员避险时使用。
目前，矿井应急氧源可供选择的只有压缩氧和化学氧两种，详细分析了压缩氧和化学氧供氧性能及供氧安全性，提出了矿用应急氧源的优选对象为氯酸盐氧烛制氧。
1 供氧方式比较
1.1 压缩氧供氧
压缩氧供氧采用氧气瓶储存高压氧气，通过减压阀减压后定量供氧。压缩氧供氧技术成熟，可持续稳定供氧。美国、澳大利亚、加拿大多采用该供氧方式。
压缩氧供氧在井下使用，应注意以下几点：
（1）氧气瓶压力高，长期储存易漏气；
（2）需定期检测和维护；
（3）应使用医用氧，杜绝工业氧；
（4）矿井环境潮湿，钢瓶易腐蚀爆炸。
1.2 化学制氧
化学制氧包括超氧化物制氧和铝酸盐氧烛制氧。
1.2.1 超氧化物制氧
超氧化物制氧是利用碱金属超氧化物与二氧化碳和水反应生成氧气，反应式如下：
式中：M为钠、钾等碱金属超氧化物制氧具有供氧和吸收二氧化碳双重功能。超氧化物储存期长，使用方便。
超氧化物制氧技术主要存在以下3个问题：
（1）制氧率和CO2吸收率与人的呼吸商不能有效对应；
（2）超氧化物药板反应后产物影响制氧效率；
（3）初期制氧量不足。
1.2.2氯酸盐氧烛制氧
氯酸盐氧烛是以氯酸盐为主体，添加少量催化剂、除氯剂和粘接剂，经混合加压成型。开启启动剂，瞬间高温，氯酸盐热分解释放大量纯净氧气，化学反应式如下：
氯酸盐氧烛制氧量大，使用过程中无需外界水电，操作简单，可长期保存。
氯酸盐氧烛制氧技术主要存在以下2个问题：
（1）制氧过程中，氯气未完全去除干净；
（2）产生的热量增加了制冷系统的负担。
2 供氧性能比较
2.1 产氧能力
当前矿井使用的压缩氧气瓶，规格为40L，额定压力15MPa，实际填充压力约为13.5MPa，储氧量约为5400L。
通过分析，压缩氧、超氧化物（KO2）、氯酸盐氧烛（NaClO3）的理化参数见表1。
从表1可得，NaClO3密度最大，是压缩氧的10倍，是KO2的1.2倍左右。在相同的密闭空间条件下，氯酸盐氧烛的储氧能力、产氧能力最大。
2.2 产氧过程稳定性
压缩氧的供氧主要依靠减压阀、氧气汇流排及供氧调节阀进行调节，不受外界环境条件影响，全过程供氧极为稳定。
氯酸盐氧烛仅在环境温度：-10℃～+50℃；环境相对湿度：≤100%条件下，产氧过程稳定，产氧浓度大于99.5%，不受使用人数影响。
超氧化钾吸收二氧化碳，放出氧气，但吸收过程和产氧过程的相互耦合，会彼此影响过程的稳定性。
因此，从过程稳定性来看，压缩氧和氯酸盐氧烛相对占优。
2.3 储存期比较
压缩氧储存期时限为1年，时间较短。按照国家强制标准规定[3]，压缩氧储存寿命限制为1年，原因是压缩氧为冷冻分离过滤加湿得到，高纯氧气中含有水分，储存一定时间后，会因细菌繁殖产生污染，散发臭味。储存期还应检查气瓶压力表，防止泄露。
超氧化钾和氯酸盐氧烛只要不破坏包装，储存时限均不小于5年。
因此，化學氧的储存期远大于压缩氧。
从以上比较分析可以得出，氯酸盐氧烛供氧性能最好，压缩氧最低。
3 安全性比较
储存压缩氧的氧气瓶属于高压容器，在井下大量使用产生潜在的巨大风险。氧气瓶的爆炸事故屡见不鲜，爆炸原因覆盖了氧气瓶运输、填充及使用等环节。在运输过程中，氧气瓶遭受摔打、撞击，产生机械损坏；在填充过程中，填充压力过高，易爆炸，与油脂相接触易燃烧；在使用过程中，开启阀门动作过猛，产生摩擦或者静电火花引起燃烧、爆炸。由此可知，氧气瓶的风险控制难度较大，安全管理难度大。
超氧化钾密封保存，无需每天检查，但其性质活跃，易燃，储存期严禁破坏包装、摔打装置及刮擦药板等行为，还应远离易燃物品。使用期间，更换药板应佩戴防护手套，严禁水滴洒到药板。
氯酸盐氧烛平时密封保存，无需每天检查。即使在明火条件下也不易发生燃烧。随着氧烛符合绝热技术的发展，严格控制了氧烛产氧时表面温度，消除了高温问题。氧烛装置的产氧量可根据密闭空间和人数进行调节，使产氧量良好的匹配密闭空间的具体需求。
3 结论
通过对压缩氧、超氧化钾及氯酸盐氧烛在储氧与产氧能力、安全性方面进行比较分析可知，氯酸盐氧烛安全性较好，储存期长，使用时产氧平稳可靠，适合作为密闭空间应急氧源，但在煤矿井下应用较少，建议作为紧急避险设施备用氧源推广应用。
参考文献
[1]范 敏，卜建杰，郑邯勇.氧烛的研究现状与发展[J].舰船科学技术，2006，28（2）：16-20.
[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定[EB/OL].www.safehoo.com/Laws/Trade/Coal/201101/168370.shtml，2011.01.28.
[3]国家质量技术监督局.GB8982-2009，医用及航空呼吸用氧[S].
[关键词]矿井；应急氧源；压缩氧；氯酸氧氧烛
中图分类号：X936 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0052-01
0 引言
氧气，是人类和各种生物生长、发育、维持生命运动的基本要素[1]，在矿井正常生产活动中，主要依靠矿井通风方式供氧灾害事故发生后，矿井内充满有害气体，不适合人体呼吸。据统计，有80%的伤亡是由于逃生路线受阻或过长、矿井通风系统破坏等造成逃生人员窒息或中毒死亡的。为此，煤矿建立了紧急避险系统[2]，为无法安全撤离的人员提供密闭空间和氧气供给。矿井氧气供给一般是由压风和应急氧源组成。灾害事故发生后，井下压风管路可能受到爆炸等灾害的损坏而影响供氧，因此有必要储存大量的应急氧源，供突发紧急情况下井下遇险人员避险时使用。
目前，矿井应急氧源可供选择的只有压缩氧和化学氧两种，详细分析了压缩氧和化学氧供氧性能及供氧安全性，提出了矿用应急氧源的优选对象为氯酸盐氧烛制氧。
1 供氧方式比较
1.1 压缩氧供氧
压缩氧供氧采用氧气瓶储存高压氧气，通过减压阀减压后定量供氧。压缩氧供氧技术成熟，可持续稳定供氧。美国、澳大利亚、加拿大多采用该供氧方式。
压缩氧供氧在井下使用，应注意以下几点：
（1）氧气瓶压力高，长期储存易漏气；
（2）需定期检测和维护；
（3）应使用医用氧，杜绝工业氧；
（4）矿井环境潮湿，钢瓶易腐蚀爆炸。
1.2 化学制氧
化学制氧包括超氧化物制氧和铝酸盐氧烛制氧。
1.2.1 超氧化物制氧
超氧化物制氧是利用碱金属超氧化物与二氧化碳和水反应生成氧气，反应式如下：
式中：M为钠、钾等碱金属超氧化物制氧具有供氧和吸收二氧化碳双重功能。超氧化物储存期长，使用方便。
超氧化物制氧技术主要存在以下3个问题：
（1）制氧率和CO2吸收率与人的呼吸商不能有效对应；
（2）超氧化物药板反应后产物影响制氧效率；
（3）初期制氧量不足。
1.2.2氯酸盐氧烛制氧
氯酸盐氧烛是以氯酸盐为主体，添加少量催化剂、除氯剂和粘接剂，经混合加压成型。开启启动剂，瞬间高温，氯酸盐热分解释放大量纯净氧气，化学反应式如下：
氯酸盐氧烛制氧量大，使用过程中无需外界水电，操作简单，可长期保存。
氯酸盐氧烛制氧技术主要存在以下2个问题：
（1）制氧过程中，氯气未完全去除干净；
（2）产生的热量增加了制冷系统的负担。
2 供氧性能比较
2.1 产氧能力
当前矿井使用的压缩氧气瓶，规格为40L，额定压力15MPa，实际填充压力约为13.5MPa，储氧量约为5400L。
通过分析，压缩氧、超氧化物（KO2）、氯酸盐氧烛（NaClO3）的理化参数见表1。
从表1可得，NaClO3密度最大，是压缩氧的10倍，是KO2的1.2倍左右。在相同的密闭空间条件下，氯酸盐氧烛的储氧能力、产氧能力最大。
2.2 产氧过程稳定性
压缩氧的供氧主要依靠减压阀、氧气汇流排及供氧调节阀进行调节，不受外界环境条件影响，全过程供氧极为稳定。
氯酸盐氧烛仅在环境温度：-10℃～+50℃；环境相对湿度：≤100%条件下，产氧过程稳定，产氧浓度大于99.5%，不受使用人数影响。
超氧化钾吸收二氧化碳，放出氧气，但吸收过程和产氧过程的相互耦合，会彼此影响过程的稳定性。
因此，从过程稳定性来看，压缩氧和氯酸盐氧烛相对占优。
2.3 储存期比较
压缩氧储存期时限为1年，时间较短。按照国家强制标准规定[3]，压缩氧储存寿命限制为1年，原因是压缩氧为冷冻分离过滤加湿得到，高纯氧气中含有水分，储存一定时间后，会因细菌繁殖产生污染，散发臭味。储存期还应检查气瓶压力表，防止泄露。
超氧化钾和氯酸盐氧烛只要不破坏包装，储存时限均不小于5年。
因此，化學氧的储存期远大于压缩氧。
从以上比较分析可以得出，氯酸盐氧烛供氧性能最好，压缩氧最低。
3 安全性比较
储存压缩氧的氧气瓶属于高压容器，在井下大量使用产生潜在的巨大风险。氧气瓶的爆炸事故屡见不鲜，爆炸原因覆盖了氧气瓶运输、填充及使用等环节。在运输过程中，氧气瓶遭受摔打、撞击，产生机械损坏；在填充过程中，填充压力过高，易爆炸，与油脂相接触易燃烧；在使用过程中，开启阀门动作过猛，产生摩擦或者静电火花引起燃烧、爆炸。由此可知，氧气瓶的风险控制难度较大，安全管理难度大。
超氧化钾密封保存，无需每天检查，但其性质活跃，易燃，储存期严禁破坏包装、摔打装置及刮擦药板等行为，还应远离易燃物品。使用期间，更换药板应佩戴防护手套，严禁水滴洒到药板。
氯酸盐氧烛平时密封保存，无需每天检查。即使在明火条件下也不易发生燃烧。随着氧烛符合绝热技术的发展，严格控制了氧烛产氧时表面温度，消除了高温问题。氧烛装置的产氧量可根据密闭空间和人数进行调节，使产氧量良好的匹配密闭空间的具体需求。
3 结论
通过对压缩氧、超氧化钾及氯酸盐氧烛在储氧与产氧能力、安全性方面进行比较分析可知，氯酸盐氧烛安全性较好，储存期长，使用时产氧平稳可靠，适合作为密闭空间应急氧源，但在煤矿井下应用较少，建议作为紧急避险设施备用氧源推广应用。
参考文献
[1]范 敏，卜建杰，郑邯勇.氧烛的研究现状与发展[J].舰船科学技术，2006，28（2）：16-20.
[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定[EB/OL].www.safehoo.com/Laws/Trade/Coal/201101/168370.shtml，2011.01.28.
[3]国家质量技术监督局.GB8982-2009，医用及航空呼吸用氧[S].