矿井避硐室内矿物干燥剂除湿性能试验研究

     作者：张文

    随着我国煤矿井下安全避险“六大系统”建设工作的推进，紧急避险系统中关于避难硐室的研究工作逐渐深入，避难硐室载人情况下空气相对湿度过高的问题逐渐显露出来。空气湿度过大，不仅会对人体造成非常不利的作用，还会造成金属锈蚀、机器设备损坏、避难硐室内贮存应急食物变质、电气绝缘性能降低等不良影响。《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》要求，应保证避难硐室内湿度最高不大于85%。因此，对避难硐室内空气相对湿

度的控制尤为重要。

    目前，国内外避难硐室内主要采用将除湿药剂装于纸袋中悬挂在巷帮除湿，除湿速度慢且效果不佳。本文提出利用空气净化装置装载除湿药剂在避难硐室内进行空气除湿，并对除湿药剂的最佳铺设厚度、铺设方式等应用工艺参数进行试验研究，为避难硐室内空气湿度控制提供理论及试验依据。

    1  试验部分

    1.1试验场所

    由于避难硐室空间大，现场试验环境构建条件有限，本文根据相似理论利用恒温恒湿室( 8100mm×3700mm×3500mm)模拟避难硐室环境进行试验。该恒温恒湿室温度调节范围为18~35℃，相对湿度调节范围400/0 RH~ 95 010 RH。恒温恒湿室内测点布置如图1所示，测点高度设置为1. 2m。

    1.2试验设备及药剂

    1.2.1  空气净化装置

    本试验中选用的空气净化装置额定功率为60W，顶部配备防爆风机，底部设有均匀布置的进风孔口，开关门闭合处装有橡胶垫层，并安置可调节松紧度的门栓，以保障装置密实不漏风，内部吸收床安装有4层活动网架，保证吸收床的稳定，如图2所示。

    1.2.2测量仪器

    本试验过程当中使用CZC5便携式多参数测定器、DSR - TH温湿度记录仪和美国雷泰RaytekST60红外测温仪对空气净化装置风机风速和恒温恒湿室内各测点温湿度进行测定。

    1.2.3试验药剂

    考虑到井下避难硐室的特殊条件，根据前期对活性炭干燥剂、硅胶干燥剂、矿物干燥剂和NCZ -1除湿剂进行的除湿性能对比试验结果，本文选用矿物干燥剂作为除湿药剂。

    1.3试验内容

    1.3.1静场试验

    静场试验的目的是验证恒温恒湿室的密闭性。

    确定恒温恒湿室门窗及通风口等均处于关闭状态，开启空调进行加温加湿，使温度达到30℃，相对湿度达到95 010 RH，以模拟避难硐室的温湿度水平，然后关闭空调，每隔lOmin记录恒温恒湿室内各测点的相对湿度，共进行12h实验。

    1.3.2矿物干燥剂静置除湿试验

    静置除湿试验主要监测矿物干燥剂在除湿过程当中物化性质的变化情况。具体试验方法为：保持恒温恒湿室内环境温度为30。C，空气相对湿度为95%RH，称取2000cm3经烘干处理过的矿物干燥剂，均匀平铺于450mm×350mm的陶瓷方盘中，持续试验4h，每隔lOmin记录除湿药剂的重量和表面温度。

    1.3.3矿物干燥剂铺设厚度确定试验

    若除湿药剂的更换过于频繁，极易引起避险人员厌倦情绪，也会增加操作人员体能的消耗。此外，当除湿药剂单次更换的重量高于15kg时，每次在密闭狭小的避难硐室环境中更换此类重量的药剂都会非常不便。因此确定单次更换除湿药剂的重量应在5~15kg范围内。

    空气净化器药剂盒的尺寸为735mm×340mm×5. 5mm，如图3(a)所示。计算矿务干燥剂铺设厚度的最小值hi和最大值h2分别为：

    根据计算结果，分别讨论2cm、3.5cm、Scm这3种铺设厚度的除湿效果。

    将恒温恒湿室加热、加湿到温度30C、湿度90%以上，分别将2cm、3cm、5cm的矿物干燥剂均匀地布置于空气净化装置药剂盒中并开启空气净化器除湿，每隔2min记录恒温恒湿室内各测点空气相对湿度变化状况。

    1.3.4矿物干燥剂铺设层数影响试验

    铺设层数影响试验主要探究矿物干燥剂采取不同的铺设方式对除湿效果的影响。将Scm厚度的矿物干燥剂平均铺设在上下两层活动网架中，每层放置2.5cm，如图3(b)所示，其余条件保持不变进行试验。

    2  试验结果及分析

    2.1  静场试验

    将静场试验过程所测4个测点的空气相对湿度取平均值，作为恒温恒湿室内空气平均相对湿度，绘制出相对湿度随时间变化曲线，如图4所示。试验过程中室内湿度基本保持不变，维持在950/0 RH，恒温恒湿室密闭性良好，个别点处不稳定，是因为进出恒温恒湿室开关门导致偏差。

    2.2静置除湿试验

    实验过程中矿物干燥剂的重量变化如图5所示。试验表明，矿物干燥剂的重量随时间而不断增加，重量随时间变化的曲线基本呈正走势上升，且上升趋势平缓稳定。但由于试验时间关系，在240min时并未能测得矿物干燥剂的除湿饱和点，也反映了采取将矿物干燥剂静置平铺的方式时，除湿速度较为迟缓，效果一般，平均每小时相对吸水率仅为1.09%。

    避难硐室内除湿药剂在满足湿度控制要求之外，还需避免在除湿过程中释放大量热量，减少除湿过程产生的热荷载。图6为矿物干燥剂表面温度随时间的变化曲线。

    由图可知，除湿药剂表面最高达42℃，在试验初期，矿物干燥剂表面温度上升较快，试验进行一段时间后，矿物干燥剂表面温度逐渐稳定。分析认为，初期表层矿物干燥剂与湿空气中的水分发生反应，使温度得到快速上升，之后由于底层的矿物干燥剂吸附水分产热与表层矿物干燥剂散热达到平衡，因此药剂表面温度趋于平缓。

    2.3铺设厚度试验

    表1为矿物干燥剂铺设厚度与实际称取重量对应关系。图7~图9表示在不同的药剂铺设厚度下，恒温恒湿室内各测点相对湿度与空气净化装置开启时间的关系。

    可以看出，在同样的60min时间内，矿物干燥剂铺设厚度越大，恒温恒湿室内相对湿度降低越多。当矿物干燥剂铺设厚度为2cm时，恒温恒湿室内平均相对湿度降低至72. 75% RH；当铺设厚度为3. Scm时，平均相对湿度降低至66. 75%RH；当铺设厚度为Scm时，平均相对湿度降低至55.5 010 RH。所以铺设厚度为5cm的矿物干燥剂的绝对除湿量最大，可以将相对湿度控制到60% RH以下，而铺设厚度为2cm和3.Scm的矿物干燥剂绝对除湿量较少。

    另外，随着药剂铺设厚度的增加导致风阻变大，而致使透过矿物干燥剂并与之发生有效接触的湿空气流量变小，因而导致相对吸水率随药剂铺设厚度的增加而稍有下降，如表2所示。

    2.4矿物干燥剂铺设层数影响试验

    通过试验记录下恒温恒湿室内4个测点的相对湿度随时间的变化，绘制相对湿度随时间变化的曲线如图10所示。

    通过比较图10与图9可以发现，采用双层铺设每层铺设2.5 cm除湿药剂的方式时，在1小时的试验过程当中，恒温恒湿室内平均相对湿度降低到45. 75 010 RH，并且相对湿度与时间的曲线斜率更平衡，说明矿物干燥剂的除湿性能表现得更为稳定；而采用单层铺设方式时，在试验过程的后半段，相对湿度与时间的曲线斜率有所下降，说明该种铺设方式导致除湿药剂的除湿效率随着时间而下降。分析其原因，当湿空气通过空气净化装置底部的进风孔口进入空气净化装置后，首先与下层的矿物干燥剂接触，同时由于药剂的阻碍作用使空气的流速降低，继而与上层的除湿药剂更加充分的接触并使吸附水分更多，如表3所示。因此，双层铺设方式能够有效提升矿物干燥剂的相对吸水率。

    3结论

    通过将矿物干燥剂作为除湿药剂置于空气净化装置中的除湿试验，确定其最佳应用工艺参数，为避难硐室内空气湿度控制提供了指导。具体结论如下：

    1)矿物干燥剂静置条件下使用具有一定的吸湿效果，但除湿速度较为迟缓，效果一般，每小时相对吸水率为1.09%，将矿物干燥剂置于空气净化器中使用，除湿速度和除湿效果均显著提高，每小时相对吸水率可达11.7%。

    2)矿物干燥剂的相对吸水率随着铺设厚度的增加而降低，但绝对除湿量随着药剂铺设厚度的增加而增大，铺设厚度为Scm时相对吸水率为11.7%，除湿量为1.75kg，使恒温恒湿室内空气平均相对湿度降至55. 5% RH。

    3)矿物干燥剂采取分层布置时将提高其吸湿能力，将5cm厚度的矿物干燥剂按照每层2.5cm方式铺设时，其相对吸水率提升至14. 3%，且除湿性能表现得更为稳定，恒温恒湿室内空气平均相对湿度降至45. 75%。

    4摘要：

    针对煤矿井下避难硐室内湿度高、除湿慢等问题，提出将除湿剂与空气净化器联合作用，以提高除湿效率。通过在恒温恒湿室内进行的模拟除湿试验，对除湿剂的铺设厚度、铺设方式等因素对除湿效果的影响进行研究。结果表明：当除湿剂铺设厚度小于Scm时，除湿效果随药剂铺设厚度的增加而增大，5cm铺设厚度条件下恒温恒湿室内环境湿度在60min内由90.5 010 RH降至55. 5% RH，相对吸水率达11.7 010；选择分层铺设方式除湿剂除湿效率更高，且性能更稳定，将除湿剂分两层，每层铺设高度为2. 5cm条件下恒温恒湿室内环境湿度在60min内由92% RH降至45. 75% RH。