H2S脫除效率主控因素的廣義灰色關(guān)聯(lián)分析*

王穎南，鄧奇根,2,3，劉明舉,2，吳喜發(fā)

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003;3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

硫化氫(H2S)是一種無色、具有臭雞蛋氣味神經(jīng)毒物，主要危害人的中樞神經(jīng)和呼吸神經(jīng)系統(tǒng)[1]。H2S極易溶于水形成氫硫酸，H2S在水中的溶解度是CO2的2.7倍，是CH4的93倍多[2]。H2S與空氣或O2以適當(dāng)?shù)谋壤?4.3%～46%)混合就會發(fā)生爆炸，人體吸入少量的高濃度H2S可在短時間內(nèi)致命[3]。目前我國河南、湖南、內(nèi)蒙古、新疆、山東、山西等地有20多個煤礦發(fā)生過H2S氣體突然涌出現(xiàn)象，并造成了事故[4]。在國外，也出現(xiàn)過類似事故的報道，如澳大利亞的Bowen煤田的Collinsville,Oaky Creek等煤礦都發(fā)生過H2S異常涌出[5-7]。

與油田中H2S相比，煤礦中H2S氣體顯著特點(diǎn)是濃度較低[8]，與此同時，由于H2S的強(qiáng)還原性與強(qiáng)腐蝕性，會對煤礦井下設(shè)備造成損壞，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失。目前，礦井巷道風(fēng)流中的H2S防治通常采用串聯(lián)通風(fēng)、均壓通風(fēng)、加大風(fēng)量、改變通風(fēng)方式或采用噴灑堿液化學(xué)中和法[9]。劉奎等[10]通過正交實(shí)驗(yàn)，對煤礦H2S影響因素進(jìn)行研究，并認(rèn)為當(dāng)H2S涌出濃度增加而導(dǎo)致H2S吸收效率降低時，適當(dāng)增加噴霧流量，有利于提高H2S吸收效率；周炳秋等[11]通過對五鳳煤礦瓦斯含量的灰色關(guān)聯(lián)分析，認(rèn)為煤層瓦斯含量與埋深關(guān)聯(lián)性最大。

煤礦中風(fēng)速、溶液濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2S氣體濃度等變量均會對巷道風(fēng)流中H2S的脫除效率產(chǎn)生影響。張戈[12]在烏東礦特厚放頂煤時進(jìn)行H2S擴(kuò)散特征實(shí)驗(yàn)，在放煤口下風(fēng)側(cè)設(shè)置攔截噴灑裝置，設(shè)定噴霧壓力8.0 MPa，NaHCO3吸收溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%，采取綜合治理措施后，H2S降低效率達(dá)到84%以上；張?zhí)煜榈萚13]根據(jù)山西鳳凰山礦15號煤層155301首采工作面H2S涌出情況，采用加強(qiáng)通風(fēng)、噴灑堿性試劑等方法對H2S進(jìn)行治理，取得了較好的效果；孟慶安[14]通過煤層注堿法，對山西鐵新煤礦9號煤層H2S進(jìn)行治理，實(shí)驗(yàn)表明在距離工作面25～50 m處注堿時，H2S治理效果較好，隨著注堿量從1.8 m3升高到2.8 m3，H2S體積分?jǐn)?shù)從90×10-6降低至15×10-6。前人研究多在井下進(jìn)行，受不同環(huán)境影響，其實(shí)驗(yàn)可改變的條件有限，而本實(shí)驗(yàn)在地面進(jìn)行模擬H2S的脫除，可較為方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，同時通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得出何種變量對脫除H2S效率的影響最大，可以為今后提高煤礦脫除H2S效率指出主要改進(jìn)方向，并且由于灰色系統(tǒng)相比正交實(shí)驗(yàn)具有預(yù)測精度高等特點(diǎn)，可有效降低出錯概率。本文利用H2S模擬脫除裝置，改變裝置內(nèi)風(fēng)速、NaHCO3溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2S氣體濃度，通過噴嘴前后傳感器數(shù)據(jù)比較前后H2S濃度變化情況，進(jìn)而換算出不同條件下風(fēng)流中H2S的脫除效率，分析其效率改變的原因，并通過廣義灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，對各變量對脫除效率影響程度進(jìn)行排序。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑及規(guī)格

由于H2S溶于水，且會形成弱酸，適宜對弱堿溶液霧化與H2S氣體反應(yīng)，從而起到降低H2S氣體含量的目的，結(jié)合弱堿試劑的價格，井下所用堿性溶液一般為Na2CO3和NaHCO3，本實(shí)驗(yàn)堿性溶液采用NaHCO3與水混合后的水溶液。

表1 實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑及規(guī)格Table 1 Chemical reagents and specifications used in the experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

為模擬井下巷道風(fēng)流中，風(fēng)速、溶液濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2S氣體濃度等變量，實(shí)驗(yàn)裝置將純度為99.99%的H2S氣體和N2通過減壓閥和質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)后通過噴嘴進(jìn)入管道中，與管道中風(fēng)流進(jìn)行充分混合，噴霧裝置在管道內(nèi)形成穩(wěn)定的水幕，并在噴霧支架兩側(cè)均設(shè)置有H2S濃度傳感器，在其進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)有風(fēng)速傳感器。各檢測器將數(shù)據(jù)實(shí)時傳入電腦主機(jī)，通過傳感器數(shù)據(jù)比較前后H2S濃度變化情況，既而換算出不同條件下管道風(fēng)流中H2S的吸收效率。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī);2.風(fēng)流方向;3.H2S氣瓶;4.氮?dú)馄?5.轉(zhuǎn)子流量計;6.風(fēng)速傳感器;7.H2S濃度傳感器;8.噴霧支架;9.電磁閥;10.H2S濃度傳感器;11.尾氣處理裝置;12.主機(jī);13.供水泵;14.電磁閥;15.進(jìn)料管;16.進(jìn)水管;17.扇葉;18.低速電動機(jī);19.壓力傳感器。圖1 脫除H2S氣體實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for removing hydrogen sulfide gas

2 H2S脫除效率規(guī)律分析

2.1 H2S脫除效率隨風(fēng)速變化的規(guī)律

試驗(yàn)所用風(fēng)速設(shè)置在0.5～3.0 m/s之間，管道內(nèi)H2S氣體體積分?jǐn)?shù)為100×10-6，噴液壓力為2 MPa，噴液流量為40 L/h，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%，0.3%的NaHCO3堿性溶液。H2S脫除效率隨風(fēng)速變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)風(fēng)速與H2S脫除效率之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between test wind speed and H2S removal efficiency

由圖2可知，在其他條件不變的情況下，脫除H2S效率隨著風(fēng)速的增加而降低。在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，風(fēng)速由1 m/s升至3 m/s，脫除效率由84%降至58%，這主要是由于管道模擬系統(tǒng)中風(fēng)速增加，H2S氣體在風(fēng)流中的擴(kuò)散速度加快，但噴霧流量沒有變化，造成H2S氣體與噴霧形成的NaHCO3溶液細(xì)水滴接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾率大大降低。而且風(fēng)速的增加會使管道內(nèi)風(fēng)量增大，雖然管道內(nèi)H2S濃度不變，但H2S的絕對量增加了，而去除H2S裝置的噴液流量并未改變，H2S氣體還沒來得及與溶液反應(yīng)就已經(jīng)吹出噴霧區(qū)域，從而造成脫除效率的下降。

2.2 H2S吸收效率隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中NaHCO3堿性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為0.1%～1.0%，考察在不同吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)時H2S脫除效率，實(shí)驗(yàn)中噴霧壓力仍設(shè)定為2 MPa，噴霧流量為40 L/h，風(fēng)速為2.0 m/s。不同NaHCO3性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下H2S脫除效率對比圖如圖3所示。

圖3 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脫除效率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between solution mass fraction and removal efficiency

由圖3可知，H2S氣體體積分?jǐn)?shù)為300×10-6時，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.2%升至1.0%，脫除效率由74%升至85%，脫除效率隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這是因?yàn)樵谌芤杭?xì)水滴與H2S氣體接觸概率相同的情況下，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，越易中和空氣中H2S氣體。由此可見，增加噴灑堿性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是提高H2S脫除效率的一種比較有效的途徑，但堿性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，溶液pH就會越大，工人在井下工作的舒適度就會降低。

2.3 H2S吸收效率隨氣體濃度變化的規(guī)律

實(shí)驗(yàn)在噴霧流量為40 L/h，管道中風(fēng)速為2 m/s，噴霧壓力為2 MPa，NaHCO3性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的特定條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同濃度H2S氣體的脫除效率的對比圖如圖4所示。

圖4 H2S氣體體積分?jǐn)?shù)對脫除效率的影響Fig.4 Effect of hydrogen sulfide gas concentration on removal efficiency

由圖4可知，隨著H2S氣體濃度的增加，脫除H2S效率降低。在其他條件不變的情況下，管道內(nèi)H2S濃度越大脫除H2S效率越低，這可能是因?yàn)殡m然氣體濃度的增加會使單位體積內(nèi)更多的H2S氣體分子與NaHCO3細(xì)水滴接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但增加的空氣與溶液反應(yīng)的H2S氣體分子數(shù)量小于實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)增加的H2S氣體分子數(shù)，因此濃度的增加使脫除效率降低。

2.4 選取關(guān)聯(lián)度分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取其中9組，作為關(guān)聯(lián)度分析的數(shù)據(jù)，具體見表2。

廣義灰色關(guān)聯(lián)分析法是基于系統(tǒng)內(nèi)各因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似程度，以定量分析確定系統(tǒng)中各因素之間關(guān)聯(lián)性的一種分析方法，主要包括廣義灰色絕對關(guān)聯(lián)度、廣義灰色相對關(guān)聯(lián)度以及綜合灰色關(guān)聯(lián)度[15]。

表2 H2S脫除效率影響因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of factors affecting hydrogen sulfide removal efficiency

3 廣義灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 確定參考因素序列與相關(guān)因素序列

對本實(shí)驗(yàn)來說，H2S脫除效率為參考因素序列，即

{x0(k)}={x0(1),x0(2),…,x0(m)}，(k=1,2,…,m)

式中：x1為風(fēng)速，x2為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x3為風(fēng)流中H2S氣體濃度。相關(guān)因素序列為{xi(k)},其中i=1,2,3。

3.2 灰色絕對關(guān)聯(lián)度

首先對參考因素序列和相關(guān)因素序列進(jìn)行零像化處理：

其次，算出|s0|,|si|,|si-s0|,ε0i：

(1)

(2)

(3)

(4)

將m=9帶入得：ε01≈0.558,ε02≈0.509,ε03≈0.541。

3.3 灰色相對關(guān)聯(lián)度

計算灰色相對關(guān)聯(lián)度之前，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，并對系統(tǒng)參考因素序列和相關(guān)因素序列進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚ㄟ^算子作用使之化為數(shù)據(jù)大體相近的無綱量數(shù)據(jù)，并將負(fù)相關(guān)因素轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)因素[16]。本文采用初值化算子對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，處理后的序列為：

(5)

算得，γ01≈0.582,γ02≈0.578,γ03≈0.561。

3.4 灰色綜合關(guān)聯(lián)度

灰色綜合關(guān)聯(lián)度既體現(xiàn)了折線x0與xi的相似程度，又反應(yīng)出x0與xi相對于始點(diǎn)的變化速率的接近程度，是較為全面地表征序列之間是否緊密的1個數(shù)量指標(biāo)[15]。本文中灰色相對關(guān)聯(lián)度與灰色絕對關(guān)聯(lián)度的分配系數(shù)ρ取0.5。綜合關(guān)聯(lián)度為：

δ=ρε+(1-ρ)γ

(6)

最終所得結(jié)果見表3。

表3 關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果Table 3 Calculation results of correlation degree

通過運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出風(fēng)速對H2S脫除效率影響最大，其次是溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，H2S氣體濃度最小。與此同時，通過之前改變3種變量研究脫除規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中也可以看出，在H2S絕對量不變的情況下，風(fēng)速的增加，加快了H2S氣體分子的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致其與堿性試劑碰撞概率降低。溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，雖然可以增加脫除效率，但由于并未增加試劑流量，所以堿性試劑與H2S氣體分子碰撞概率其實(shí)并未改變，因而影響程度要小于風(fēng)速。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中也可以看出，以H2S氣體體積分?jǐn)?shù)100×10-6，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%為例，風(fēng)速由2 m/s上升至3 m/s，H2S脫除效率改變20%；H2S氣體體積分?jǐn)?shù)100×10-6，風(fēng)速2 m/s情況下，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%上升至0.2%，脫除效率改變8%；風(fēng)速2 m/s，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%情況下，H2S氣體體積分?jǐn)?shù)眾100×10-6至200×10-6，脫除效率僅改變5%。

由此可知，在井下脫除H2S的過程中，風(fēng)速對脫除效率影響最大，其次為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后是H2S氣體濃度。因此在今后脫除H2S過程中，可優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)速、風(fēng)量，來提高H2S脫除效率。

3.5 結(jié)果分析

由表2數(shù)據(jù)可知，影響H2S脫除效率的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋猴L(fēng)速>溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>風(fēng)流中H2S氣體濃度。本文之所以未選用灰色相對關(guān)聯(lián)度或灰色絕對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，是因?yàn)榛疑^對關(guān)聯(lián)度只適用于各變量量綱一致或量級變化不大的情況，針對本研究而言，各主控因素量綱不同，數(shù)據(jù)差別較大，灰色絕對關(guān)聯(lián)度沒有無量綱化處理階段，結(jié)果是不準(zhǔn)確的；灰色相對關(guān)聯(lián)度偏重于表征相對于始點(diǎn)的變化程度，也較為片面。而灰色綜合關(guān)聯(lián)度結(jié)合了他們各自的特點(diǎn)，結(jié)果較為準(zhǔn)確[17]。

4 結(jié)論

1)通過H2S實(shí)驗(yàn)裝置，探究了風(fēng)速、溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2S氣體濃度三者與H2S脫除效率的關(guān)聯(lián)度大小。

2)利用灰色廣義關(guān)聯(lián)度分析，確定了H2S脫除效率的綜合關(guān)聯(lián)度即：風(fēng)度>溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>H2S氣體濃度。H2S吸收效率隨著風(fēng)速和H2S氣體濃度的增加而降低，隨著堿性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。該模擬實(shí)驗(yàn)操作簡單，能直觀反映出不同變量對H2S脫除效率的影響程度，同時也對礦井安全生產(chǎn)具有積極的意義。