含硫量对硫化矿粉尘云最小点火能的影响

饶运章 刘志军 洪训明 杨明山 陈 斌

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000;2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

在硫化矿粉尘云爆炸研究过程中，通常用最小点火能(Minimum Ignition Energy，MIE)界定粉尘云点火敏感性进而表征粉尘云爆炸难易程度[1]。文献[2]表明，影响粉尘云最小点火能数值大小的因素主要有：粉尘浓度、粉尘粒径及级配、挥发份含量(有机粉尘)、粉尘湿度、温度(包括粉尘温度和环境温度)、初始压力、粉尘分散度、粉尘湍流度和环境氧浓度等，表1为粉尘云最小点火能随着各因素的增大所呈现出的变化规律。

饶运章等[3-9]在对硫化矿粉尘云进行了大量研究后得出，影响硫化矿粉尘云各燃烧爆炸特性的主要因素为含硫量。因此，本项目控制其他影响因素相同，

表1 粉尘云最小点火能主要影响因素与影响规律Table 1 Main factors and laws for affecting theminimum ignition energy of dust cloud

研究含硫量对硫化矿粉尘云最小点火能的影响。

1 实验装置

目前，用于测试粉尘云最小点火能的装置，按点火头的形式可分为0.1 mJ～16 J低能量电火花点火头测试装置和2 kJ～100 kJ大能量化学点火头测试装置[5]。电火花点火头测试装置主要有符合国标GB/15929—1995的双层振动筛落爆炸实验装置[10]、符合IEC(International Electrotechnical Commission)标准[11]的Hartmann管以及依据其改进后符合EN标准的具有更高准确性的Mike 3管；采用化学点火头点火的测试装置主要有容积为1 m3或20 L的标准爆炸球。本研究考虑硫化矿粉尘云最小点火能处于kJ级别[5]，因此选用带化学点火头的20 L爆炸球作为测试装置。

根据ISO/DIS-6184/1《爆炸预防系统》规定，为制备20 L爆炸球化学点火头，分别在2个点火具中加入40%锆粉、30%硝酸钡和30%过氧化钡。制备完成后，在每个点火具上各有1个化学点火头，并且每个点火头质量都为1.2 g、点火能量皆为5 kJ。为了能准确测定不同含硫量的硫化矿粉尘云最小点火能，配备若干个能量值为12 kJ、10 kJ、9 kJ、8 kJ、6 kJ、4 kJ、2 kJ、1 kJ的化学点火头用于实验。因为化学点火头爆炸性质不稳定，所以每次测试结果偏差较大，从而最终取得的最小点火能是1个区间值。

2 样品制作

从某铜矿山将硫化矿取回，经破碎、烘干、筛分后进行粒度测定，所测硫化矿粉尘按粒径分为500目、300目和200目。将各粒径分布下的硫化矿粉尘按含硫量由高到低依次分为A(含硫量40%～30%)、B(含硫量30%～20%)、C(含硫量20%～10%)3组。用标准天平分别称取4.0 g的A500(含硫量35.90%)、B500(含硫量25.60%)、C500(含硫量15.96%)；A300(含硫量36.65%)、B300(含硫量26.18%)、C300(含硫量15.46%)；A200(含硫量36.90%)、B200(含硫量25.68%)、C200(含硫量17.12%)粉尘样品放入20 L爆炸球的储粉罐中，设定A、B、C 3组粉尘样品的实验条件(硫化矿尘浓度200 g/m3、点火延迟的时间60 ms、喷粉压力2 MPa)相同，按照国标GB/16428—1996相关规定进行硫化矿粉尘云最小点火能实验。

3 最小点火能计算方法

虽然国内外测试粉尘云最小点火能的标准和装置都不尽相同，但归根结底是以某能量下点火是否成功为依据，将多次点火成功的能量值作为最小点火能的数值或范围值[12]。GB/15929—1995规定：粉尘云的点火概率服从以点火能量为随机变量的对数正态分布，也就是说，点火概率作为因变量服从以点火能量的对数为自变量的正态分布。Baldermann等[13-14]提出将最小点火能视为概率事件，并通过计算验证了其准确性。李磊等[15]在Mike 3管上测试了不同浓度烟酸粉尘云最小点火能，并将测得的结果用3种方法计算。对比3种方法后表明，用Logistic回归模型得出相关参数，并将参数代入计算不同点火概率下最小点火能的方法最佳。鉴于此，本研究亦使用Logistic回归模型方法，在SPSS 19软件[16]中实现硫化矿粉尘云最小点火能相关参数的计算。

Logistic回归模型从广义上而言是一种线性回归分析的概率型模型，通常用于预测实际生活生产中某事件发生的概率值。应用Logistic回归法计算粉尘云最小点火能时，首先将着火成功与否视为概率事件，记着火成功时概率P=1、记着火失败时概率P=0，将概率P作为因变量，点火能量E视为自变量，建立两者的Logistic回归方程(下式(1))。然后，根据所得实验数据，应用SPSS软件中的Logistic回归分析模块，计算出Logistic回归方程中的参数β0和β1，将方程参数β0、β1重新代回Logistic回归方程，经过变形处理后构建出最小点火能和概率的关系(下式(2)和下式(4))。最后，根据表达式(4)绘制出以点火能量E为横坐标，着火概率P为纵坐标关系曲线图，进而，很好地将点火能量和点火概率对应起来。归结起来，它是以影响结果发生的因素点火能量为自变量，以结果着火发生的概率为因变量，建立回归模型进行分析的方法。

根据Logistic回归模型，本文将着火概率P作Logit变换。经变换后的着火概率与点火能量为一次函数关系式，即因变量L(P)是Emin为自变量的一次函数：

(1)

式中，β0、β1为系数，可通过SPSS软件计算得到。

(2)研究区域土壤重金属Cd、Pb、Cu、Zn和Ni均已残渣态为主要存在形态，除Cu元素外，其余4种元素的3种活性组分之和比例均较高，尤其是Cd元素，其有效态略高于稳定态，生物活性最强，生物有效性大小顺序为Cd>Pb>Ni>Zn>Cu。

由式(1)可得，一定点火概率P下最小点火能计算式：

(2)

式(2)存在以下缺点：当点火概率P=1和0时，最小点火能Emin的值将无法通过(2)式计算。因此，为了表示点火概率P=1和0时对应的最小点火能值，我们用置信上限Eucl和置信下限Elcl来表示此时的最小点火能：

(3)

式中，σ00、σ11为β0和β1的方差，可通过SPSS软件得出；σ01为β0和β1的协方差，σ01=η(σ00σ11)1/2，η为相关系数，可通过SPSS软件得出；Za/2为标准正态分布曲线上的a/2分位点，若置信区间1-a=95%时，a/2=0.025，查正态分布表，得Za/2=1.960。

由式(1)可得，一定点火能量E下对应着火概率计算式：

(4)

由式(4)可得出任意点火能时粉尘云的着火概率，结合式(3)可绘制出点火能量下的着火概率曲线图。

4 结果分析

图1 硫化矿粉尘云最小点火能概率分布曲线Fig.1 Probability distribution curve of minimum ignition energy of sulfide mine dust cloud表2 硫化矿粉尘云最小点火能计算结果Table 2 Minimum ignition energy calculation results of sulfide dust cloud

粉尘样品β0β1EminP=10%()/kJEminP=90%()/kJ实验数据/kJA500-126.56535.9743.4573.5793～4B500-125.01317.8496.8807.1276～8C500>12A300-88.3535.0972.4552.5802～3B300-91.56618.354.875.1104～6C300>12A200-85.87634.0992.4542.5832～3B200-131.9618.7766.9117.1456～8C200>12

由该方法得出的硫化矿粉尘云不同着火概率下的最小点火能，更为准确地表述最小点火能这一概率性事件，能为矿山预防矿尘爆炸工作提供指导。

现将表2中10%着火概率和90%着火概率条件下的A、B、C 3组硫化矿粉尘云最小点火能估计值，绘成最小点火能随含硫量变化曲线，如图2所示。硫化矿粉尘云最小点火能随含硫量的增高呈递减趋势，这恰好与煤粉等有机粉尘最小点火能随挥发份含量增高呈递减趋势规律一致。

图2 最小点火能随含硫量变化曲线Fig.2 Curve of the minimum ignition with the sulfur content■—500目；●—300目；▲—200目

在点火过程中，煤粉等有机粉尘受热逸出的挥发份，在遇有氧气时便会与之发生气相燃烧反应并释放热量，且挥发份含量越高燃烧反应就越充分其所释放的热量就越多，从而使得点火所需点火能越小[18-19]。与之类似地，硫化矿粉尘在点火过程中受热产生硫蒸气[20-21]。硫蒸气与空气发生燃烧放热反应，含硫量愈高生成的硫蒸气愈多，反应放出的燃烧热愈大，硫化矿粉尘着火由点火头提供的能量就愈少，所测得的硫化矿粉尘最小点火能就越小。因此，随着含硫量增高，硫化矿粉尘云最小点火能反而减小。

5 结 论

(1)用20 L球形爆炸容器测试了不同含硫量硫化矿粉尘云最小点火能，基于Logistic回归模型分析实验结果，得出A、B、C 3组硫化矿粉尘云最小点火能为：A500组3～4 kJ、B500组6～8 kJ、C500组>12 kJ；A300组2～3 kJ、B300组4～6 kJ、C300组>12 kJ；A200组2～3 kJ；B200组6～8 kJ；C200组>12 kJ。

(2)硫化矿粉尘云最小点火能的测定通常是以点火成功与否为依据，通过实验最终得到了最小点火能的一个范围区间。

(3)通过运用Logistic模型分析计算得出硫化矿尘不同点火概率下的最小点火能，能够得到一个比较精确的结果。

(4)通过硫化矿粉尘云最小点火能实验得出，最小点火能随含硫量的增高呈递减趋势，亦即含硫量越高最小点火能越低、爆炸危险性越大。

(5)硫化矿粉尘云含硫量愈高，点火时受热生成的气相单质硫就愈多，由硫燃烧释放的热量愈充足，硫化矿尘发生着火爆炸所需的最小点火能越小。

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