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中国煤炭报2021年发行广告

受限空间内,如何快速消除一氧化碳?

中国煤炭报 作者:李然 2021-06-16 09:48:54

一氧化碳是井下爆炸或火灾中的主要致死因素,也是制约煤炭安全生产的瓶颈。如何在井下有限的空间内快速消除一氧化碳?这是新一代煤矿人需要攻克的难题。

中国矿业大学副校长、教授周福宝及其团队基于化学催化原理,提出一氧化碳主动同步处置方法,通过释放消除剂粉体形成“超细尘云”,捕捉空气中的一氧化碳,并将其迅速氧化成二氧化碳,瞬间降低灾害环境中一氧化碳的绝对量。

相关人员表示,该方法有助于短时间内将灾害环境中的一氧化碳浓度降低到安全区间,为救援逃生争取时间。

传统抑灾抑爆手段无法满足救援需求

我国煤炭在开采过程中,普遍面临着矿井火灾威胁,尤其在低中变质程度煤层的神东、宁东等矿区,因自燃火灾造成的一氧化碳超限问题尤为严重。这严重影响了煤矿的安全生产。

不仅如此,火灾、爆炸发生后,由于井下空间通风不畅,很容易造成一氧化碳浓度激升。2020年9月27日,松藻煤矿由于煤与皮带着火引发井下火灾事故,造成多人因一氧化碳中毒死亡的惨剧。

灾害发生后,如果不能快速降低一氧化碳的浓度,后续的救援措施往往无法达到预期效果。

然而,传统的设置水棚、岩粉棚和干粉棚等方法对于井下灾害的“第一杀手”——一氧化碳,束手无策。

基于现实,周福宝团队提出了一氧化碳主动同步处置方法,能够在火灾、爆炸灾害发生瞬间,从源头降低一氧化碳的生成量,达到一氧化碳原位消除的效果。

火灾产生的一氧化碳如何快速消除

对于火灾产生的一氧化碳,周福宝团队通过小尺度实验,找出一氧化碳消除的主要影响因素,自主设计了毒气消除实验箱体。团队研究了环境温度、消除剂浓度、一氧化碳初始浓度等因素对消除效果影响的规律,获得了主动同步一氧化碳处置技术的最佳应用指标。

随后,他们依托中国矿业大学建设承担的江苏省城市地下空间火灾防护高校重点实验室的管廊实验系统,利用混凝土管廊,模拟了主动同步一氧化碳处置技术在受限空间火灾中的消除效率。他们在全长11.5米、内径1.5米、外径1.8米的管廊模型中,燃烧一定量木炭,产生一氧化碳。待一氧化碳均匀扩散到整个空间后,向管廊内喷洒消除剂,并记录喷粉前后一氧化碳浓度的变化。

在火焰熄灭后的第6分钟,该团队喷入了消除剂。一氧化碳初始浓度约为1200百万分比浓度(ppm),3分钟内下降至700百万分比浓度左右,并维持了较长时间。该结果初步验证了受限空间内快速降低一氧化碳浓度的效果。

团队还自主研发了便携式消除剂气载装置,能够迅速将一氧化碳消除剂粉体喷洒在灾害环境中。由于喷洒出的消除剂粉体粒径足够小,能长时间悬浮于空气中,形成稳定的黑色粉末云,主动捕获烟气中的一氧化碳,使其吸附在消除剂表面而被快速转化。

“这个好,像这种形式(灭火器),最受消防同志的欢迎。这个成果不仅可以服务于煤矿,还可以运用于公共安全。”中国煤炭工业安全科学技术学会会长王志坚说。

随后,该团队在国家矿山应急救援开滦队的等比例巷道中,使用便携式消除剂气载装置,进行了火灾产物一氧化碳消除实验。该巷道总长度为688米,团队在其中一段长16.5米、断面积3.96平方米的正梯形独头巷道中,开展了火灾一氧化碳消除实验。

“这是我们专门搞高温演练的巷道,火源位置周围环境是封闭的。我们把火点着之后,先让一氧化碳浓度升起来,然后通过控制消除剂喷洒位置与火源处的距离,测试消除一氧化碳的效果。”国家矿山应急救援开滦队总工程师张文明说,“实验结果非常好,可以瞬间将模拟巷道独头巷道内的一氧化碳从1700百万分比浓度消减至345百万分比浓度。”

爆炸后的一氧化碳浓度如何大幅降低

周福宝团队还在中国矿业大学进行了20升爆炸球实验,分别试验了在甲烷爆炸情况下和甲烷、煤尘混合爆炸情况下的一氧化碳转化效果。

研究人员配制了特定浓度的甲烷、甲烷与煤尘混合物,并由电火花引爆。爆炸同时,研究人员喷洒消除剂粉末;爆炸结束后,研究人员采集腔室内气体,并分析腔室内一氧化碳气体浓度。实验结果表明,该技术可瞬间消除瓦斯煤尘爆炸一氧化碳产物。甲烷爆炸产生的一氧化碳消除率最高可达43.2%,甲烷、煤尘混合爆炸产生的一氧化碳消除率最高可达98%。实验为大尺寸空间中爆炸产生的一氧化碳消除提供了理论依据。

随后,周福宝团队在国家矿山应急救援开滦队的全尺寸巷道,进行了甲烷爆炸后的一氧化碳产物消除实验。他们利用爆炸管道装置进行爆炸实验,并在爆炸装置出口处布置了多个消除剂粉棚,模拟爆炸后的冲击波,由冲击波触发引发一氧化碳消除实验。结果显示,每立方米100克的消除剂可瞬间将一氧化碳从2178百万分比浓度消除至649百万分比浓度,验证了技术的有效性。

主动同步一氧化碳处置技术前景可观

“他们这个实验很好,不单单对救援有很大的好处,感觉对井下的生产也有好处。”张文明举例,“高温实验中,一氧化碳浓度瞬间从930百万分比浓度降到了375百万分比浓度,消除剂使用量很少。我们可以把这个实验推广到隔爆水槽,放在掘进工作面上方,底下放消除剂粉棚,上面放水槽。如果真的发生瓦斯爆炸,我们把水槽和粉棚掀翻,这样既能灭火又能消除一氧化碳。另外,对于救护队来说,他们可以使用便携式装置,把消除剂材料带到现场。在救护现场,如果瓦斯浓度能从8000百万分比浓度降到4000百万分比浓度,就很安全了。”

“所有井下的爆炸、火灾,致死的最大因素就是一氧化碳。你们这个课题瞄准的就是一氧化碳的消除,抓住了它的产生机理、现场使用等方向。这个课题与我们救护的实际情况相符,我觉得很好,希望我们能合作研究出更多符合实际应用的成果。”王志坚说。

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