H2S脱除效率主控因素的广义灰色关联分析*

2019-07-05王颖南邓奇根刘明举吴喜发

中国安全生产科学技术 2019年6期

王颖南，邓奇根,2,3，刘明举,2，吴喜发

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003;2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作 454003;3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作 454003)

0 引言

硫化氢(H2S)是一种无色、具有臭鸡蛋气味神经毒物，主要危害人的中枢神经和呼吸神经系统[1]。H2S极易溶于水形成氢硫酸，H2S在水中的溶解度是CO2的2.7倍，是CH4的93倍多[2]。H2S与空气或O2以适当的比例(4.3%～46%)混合就会发生爆炸，人体吸入少量的高浓度H2S可在短时间内致命[3]。目前我国河南、湖南、内蒙古、新疆、山东、山西等地有20多个煤矿发生过H2S气体突然涌出现象，并造成了事故[4]。在国外，也出现过类似事故的报道，如澳大利亚的Bowen煤田的Collinsville,Oaky Creek等煤矿都发生过H2S异常涌出[5-7]。

与油田中H2S相比，煤矿中H2S气体显著特点是浓度较低[8]，与此同时，由于H2S的强还原性与强腐蚀性，会对煤矿井下设备造成损坏，进而造成经济损失。目前，矿井巷道风流中的H2S防治通常采用串联通风、均压通风、加大风量、改变通风方式或采用喷洒碱液化学中和法[9]。刘奎等[10]通过正交实验，对煤矿H2S影响因素进行研究，并认为当H2S涌出浓度增加而导致H2S吸收效率降低时，适当增加喷雾流量，有利于提高H2S吸收效率；周炳秋等[11]通过对五凤煤矿瓦斯含量的灰色关联分析，认为煤层瓦斯含量与埋深关联性最大。

煤矿中风速、溶液浓度质量分数、H2S气体浓度等变量均会对巷道风流中H2S的脱除效率产生影响。张戈[12]在乌东矿特厚放顶煤时进行H2S扩散特征实验，在放煤口下风侧设置拦截喷洒装置，设定喷雾压力8.0 MPa，NaHCO3吸收溶液质量分数0.9%，采取综合治理措施后，H2S降低效率达到84%以上；张天祥等[13]根据山西凤凰山矿15号煤层155301首采工作面H2S涌出情况，采用加强通风、喷洒碱性试剂等方法对H2S进行治理，取得了较好的效果；孟庆安[14]通过煤层注碱法，对山西铁新煤矿9号煤层H2S进行治理，实验表明在距离工作面25～50 m处注碱时，H2S治理效果较好，随着注碱量从1.8 m3升高到2.8 m3，H2S体积分数从90×10-6降低至15×10-6。前人研究多在井下进行，受不同环境影响，其实验可改变的条件有限，而本实验在地面进行模拟H2S的脱除，可较为方便的进行数据的测量，同时通过对实验数值进行灰色关联分析，得出何种变量对脱除H2S效率的影响最大，可以为今后提高煤矿脱除H2S效率指出主要改进方向，并且由于灰色系统相比正交实验具有预测精度高等特点，可有效降低出错概率。本文利用H2S模拟脱除装置，改变装置内风速、NaHCO3溶液质量分数、H2S气体浓度，通过喷嘴前后传感器数据比较前后H2S浓度变化情况，进而换算出不同条件下风流中H2S的脱除效率，分析其效率改变的原因，并通过广义灰色关联分析的方法，对各变量对脱除效率影响程度进行排序。

1 实验部分

1.1 化学试剂及规格

由于H2S溶于水，且会形成弱酸，适宜对弱碱溶液雾化与H2S气体反应，从而起到降低H2S气体含量的目的，结合弱碱试剂的价格，井下所用碱性溶液一般为Na2CO3和NaHCO3，本实验碱性溶液采用NaHCO3与水混合后的水溶液。

表1 实验所用化学试剂及规格Table 1 Chemical reagents and specifications used in the experiments

1.2 实验装置介绍

为模拟井下巷道风流中，风速、溶液浓度质量分数、H2S气体浓度等变量，实验装置将纯度为99.99%的H2S气体和N2通过减压阀和质量流量计调节后通过喷嘴进入管道中，与管道中风流进行充分混合，喷雾装置在管道内形成稳定的水幕，并在喷雾支架两侧均设置有H2S浓度传感器，在其进风侧设有风速传感器。各检测器将数据实时传入电脑主机，通过传感器数据比较前后H2S浓度变化情况，既而换算出不同条件下管道风流中H2S的吸收效率。实验装置如图1所示。

1.风机;2.风流方向;3.H2S气瓶;4.氮气瓶;5.转子流量计;6.风速传感器;7.H2S浓度传感器;8.喷雾支架;9.电磁阀;10.H2S浓度传感器;11.尾气处理装置;12.主机;13.供水泵;14.电磁阀;15.进料管;16.进水管;17.扇叶;18.低速电动机;19.压力传感器。图1 脱除H2S气体实验装置Fig.1 Experimental device for removing hydrogen sulfide gas

2 H2S脱除效率规律分析

2.1 H2S脱除效率随风速变化的规律

试验所用风速设置在0.5～3.0 m/s之间，管道内H2S气体体积分数为100×10-6，喷液压力为2 MPa，喷液流量为40 L/h，溶液质量分数分别为0.1%，0.2%，0.3%的NaHCO3碱性溶液。H2S脱除效率随风速变化规律如图2所示。

图2 试验风速与H2S脱除效率之间的关系Fig.2 Relationship between test wind speed and H2S removal efficiency

由图2可知，在其他条件不变的情况下，脱除H2S效率随着风速的增加而降低。在溶液质量分数为0.1%时，风速由1 m/s升至3 m/s，脱除效率由84%降至58%，这主要是由于管道模拟系统中风速增加，H2S气体在风流中的扩散速度加快，但喷雾流量没有变化，造成H2S气体与喷雾形成的NaHCO3溶液细水滴接触发生化学反应的几率大大降低。而且风速的增加会使管道内风量增大，虽然管道内H2S浓度不变，但H2S的绝对量增加了，而去除H2S装置的喷液流量并未改变，H2S气体还没来得及与溶液反应就已经吹出喷雾区域，从而造成脱除效率的下降。

2.2 H2S吸收效率随溶液质量分数变化的规律

实验中NaHCO3碱性溶液质量分数分别设定为0.1%～1.0%，考察在不同吸收液质量分数时H2S脱除效率，实验中喷雾压力仍设定为2 MPa，喷雾流量为40 L/h，风速为2.0 m/s。不同NaHCO3性溶液质量分数下H2S脱除效率对比图如图3所示。

图3 溶液质量分数与脱除效率之间的关系Fig.3 Relationship between solution mass fraction and removal efficiency

由图3可知，H2S气体体积分数为300×10-6时，溶液质量分数由0.2%升至1.0%，脱除效率由74%升至85%，脱除效率随着溶液质量分数的增加而增加，这是因为在溶液细水滴与H2S气体接触概率相同的情况下，溶液质量分数越大，越易中和空气中H2S气体。由此可见，增加喷洒碱性溶液质量分数是提高H2S脱除效率的一种比较有效的途径，但碱性溶液质量分数越大，溶液pH就会越大，工人在井下工作的舒适度就会降低。

2.3 H2S吸收效率随气体浓度变化的规律

实验在喷雾流量为40 L/h，管道中风速为2 m/s，喷雾压力为2 MPa，NaHCO3性溶液质量分数为0.2%的特定条件下进行实验，研究不同浓度H2S气体的脱除效率的对比图如图4所示。

图4 H2S气体体积分数对脱除效率的影响Fig.4 Effect of hydrogen sulfide gas concentration on removal efficiency

由图4可知，随着H2S气体浓度的增加，脱除H2S效率降低。在其他条件不变的情况下，管道内H2S浓度越大脱除H2S效率越低，这可能是因为虽然气体浓度的增加会使单位体积内更多的H2S气体分子与NaHCO3细水滴接触发生化学反应，但增加的空气与溶液反应的H2S气体分子数量小于实验管道内增加的H2S气体分子数，因此浓度的增加使脱除效率降低。

2.4 选取关联度分析实验数据

从上述的实验数据中选取其中9组，作为关联度分析的数据，具体见表2。

广义灰色关联分析法是基于系统内各因素之间发展态势的相似程度，以定量分析确定系统中各因素之间关联性的一种分析方法，主要包括广义灰色绝对关联度、广义灰色相对关联度以及综合灰色关联度[15]。

表2 H2S脱除效率影响因素实验结果Table 2 Experimental results of factors affecting hydrogen sulfide removal efficiency

3 广义灰色关联分析

3.1 确定参考因素序列与相关因素序列

对本实验来说，H2S脱除效率为参考因素序列，即

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

式中：x1为风速，x2为溶液质量分数，x3为风流中H2S气体浓度。相关因素序列为{xi(k)},其中i=1,2,3。

3.2 灰色绝对关联度

首先对参考因素序列和相关因素序列进行零像化处理：

其次，算出|s0|,|si|,|si-s0|,ε0i：

(1)

(2)

(3)

(4)

将m=9带入得：ε01≈0.558,ε02≈0.509,ε03≈0.541。

3.3 灰色相对关联度

计算灰色相对关联度之前，首先对数据进行无量纲化处理，并对系统参考因素序列和相关因素序列进行适当的处理，通过算子作用使之化为数据大体相近的无纲量数据，并将负相关因素转变为正相关因素[16]。本文采用初值化算子对数据进行无量纲处理，处理后的序列为：

(5)

算得，γ01≈0.582,γ02≈0.578,γ03≈0.561。

3.4 灰色综合关联度

灰色综合关联度既体现了折线x0与xi的相似程度，又反应出x0与xi相对于始点的变化速率的接近程度，是较为全面地表征序列之间是否紧密的1个数量指标[15]。本文中灰色相对关联度与灰色绝对关联度的分配系数ρ取0.5。综合关联度为：

δ=ρε+(1-ρ)γ

(6)

最终所得结果见表3。

表3 关联度计算结果Table 3 Calculation results of correlation degree

通过运用灰色关联度分析，得出风速对H2S脱除效率影响最大，其次是溶液质量分数，H2S气体浓度最小。与此同时，通过之前改变3种变量研究脱除规律的实验中也可以看出，在H2S绝对量不变的情况下，风速的增加，加快了H2S气体分子的扩散速度，导致其与碱性试剂碰撞概率降低。溶液质量分数的提高，虽然可以增加脱除效率，但由于并未增加试剂流量，所以碱性试剂与H2S气体分子碰撞概率其实并未改变，因而影响程度要小于风速。这一点在实验中也可以看出，以H2S气体体积分数100×10-6，溶液质量分数0.3%为例，风速由2 m/s上升至3 m/s，H2S脱除效率改变20%；H2S气体体积分数100×10-6，风速2 m/s情况下，溶液质量分数从0.1%上升至0.2%，脱除效率改变8%；风速2 m/s，溶液质量分数0.2%情况下，H2S气体体积分数众100×10-6至200×10-6，脱除效率仅改变5%。

由此可知，在井下脱除H2S的过程中，风速对脱除效率影响最大，其次为溶液质量分数，最后是H2S气体浓度。因此在今后脱除H2S过程中，可优先调节风速、风量，来提高H2S脱除效率。

3.5 结果分析

由表2数据可知，影响H2S脱除效率的关联度排序为：风速>溶液质量分数>风流中H2S气体浓度。本文之所以未选用灰色相对关联度或灰色绝对关联度进行分析，是因为灰色绝对关联度只适用于各变量量纲一致或量级变化不大的情况，针对本研究而言，各主控因素量纲不同，数据差别较大，灰色绝对关联度没有无量纲化处理阶段，结果是不准确的；灰色相对关联度偏重于表征相对于始点的变化程度，也较为片面。而灰色综合关联度结合了他们各自的特点，结果较为准确[17]。