含硫量對硫化礦粉塵云最小點火能的影響

饒運章 劉志軍 洪訓明 楊明山 陳 斌

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000;2.江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000)

在硫化礦粉塵云爆炸研究過程中，通常用最小點火能(Minimum Ignition Energy，MIE)界定粉塵云點火敏感性進而表征粉塵云爆炸難易程度[1]。文獻[2]表明，影響粉塵云最小點火能數值大小的因素主要有：粉塵濃度、粉塵粒徑及級配、揮發份含量(有機粉塵)、粉塵濕度、溫度(包括粉塵溫度和環境溫度)、初始壓力、粉塵分散度、粉塵湍流度和環境氧濃度等，表1為粉塵云最小點火能隨著各因素的增大所呈現出的變化規律。

饒運章等[3-9]在對硫化礦粉塵云進行了大量研究后得出，影響硫化礦粉塵云各燃燒爆炸特性的主要因素為含硫量。因此，本項目控制其他影響因素相同，

表1 粉塵云最小點火能主要影響因素與影響規律Table 1 Main factors and laws for affecting theminimum ignition energy of dust cloud

研究含硫量對硫化礦粉塵云最小點火能的影響。

1 實驗裝置

目前，用于測試粉塵云最小點火能的裝置，按點火頭的形式可分為0.1 mJ～16 J低能量電火花點火頭測試裝置和2 kJ～100 kJ大能量化學點火頭測試裝置[5]。電火花點火頭測試裝置主要有符合國標GB/15929—1995的雙層振動篩落爆炸實驗裝置[10]、符合IEC(International Electrotechnical Commission)標準[11]的Hartmann管以及依據其改進后符合EN標準的具有更高準確性的Mike 3管；采用化學點火頭點火的測試裝置主要有容積為1 m3或20 L的標準爆炸球。本研究考慮硫化礦粉塵云最小點火能處于kJ級別[5]，因此選用帶化學點火頭的20 L爆炸球作為測試裝置。

根據ISO/DIS-6184/1《爆炸預防系統》規定，為制備20 L爆炸球化學點火頭，分別在2個點火具中加入40%鋯粉、30%硝酸鋇和30%過氧化鋇。制備完成后，在每個點火具上各有1個化學點火頭，并且每個點火頭質量都為1.2 g、點火能量皆為5 kJ。為了能準確測定不同含硫量的硫化礦粉塵云最小點火能，配備若干個能量值為12 kJ、10 kJ、9 kJ、8 kJ、6 kJ、4 kJ、2 kJ、1 kJ的化學點火頭用于實驗。因為化學點火頭爆炸性質不穩定，所以每次測試結果偏差較大，從而最終取得的最小點火能是1個區間值。

2 樣品制作

從某銅礦山將硫化礦取回，經破碎、烘干、篩分后進行粒度測定，所測硫化礦粉塵按粒徑分為500目、300目和200目。將各粒徑分布下的硫化礦粉塵按含硫量由高到低依次分為A(含硫量40%～30%)、B(含硫量30%～20%)、C(含硫量20%～10%)3組。用標準天平分別稱取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%)粉塵樣品放入20 L爆炸球的儲粉罐中，設定A、B、C 3組粉塵樣品的實驗條件(硫化礦塵濃度200 g/m3、點火延遲的時間60 ms、噴粉壓力2 MPa)相同，按照國標GB/16428—1996相關規定進行硫化礦粉塵云最小點火能實驗。

3 最小點火能計算方法

雖然國內外測試粉塵云最小點火能的標準和裝置都不盡相同，但歸根結底是以某能量下點火是否成功為依據，將多次點火成功的能量值作為最小點火能的數值或范圍值[12]。GB/15929—1995規定：粉塵云的點火概率服從以點火能量為隨機變量的對數正態分布，也就是說，點火概率作為因變量服從以點火能量的對數為自變量的正態分布。Baldermann等[13-14]提出將最小點火能視為概率事件，并通過計算驗證了其準確性。李磊等[15]在Mike 3管上測試了不同濃度煙酸粉塵云最小點火能，并將測得的結果用3種方法計算。對比3種方法后表明，用Logistic回歸模型得出相關參數，并將參數代入計算不同點火概率下最小點火能的方法最佳。鑒于此，本研究亦使用Logistic回歸模型方法，在SPSS 19軟件[16]中實現硫化礦粉塵云最小點火能相關參數的計算。

Logistic回歸模型從廣義上而言是一種線性回歸分析的概率型模型，通常用于預測實際生活生產中某事件發生的概率值。應用Logistic回歸法計算粉塵云最小點火能時，首先將著火成功與否視為概率事件，記著火成功時概率P=1、記著火失敗時概率P=0，將概率P作為因變量，點火能量E視為自變量，建立兩者的Logistic回歸方程(下式(1))。然后，根據所得實驗數據，應用SPSS軟件中的Logistic回歸分析模塊，計算出Logistic回歸方程中的參數β0和β1，將方程參數β0、β1重新代回Logistic回歸方程，經過變形處理后構建出最小點火能和概率的關系(下式(2)和下式(4))。最后，根據表達式(4)繪制出以點火能量E為橫坐標，著火概率P為縱坐標關系曲線圖，進而，很好地將點火能量和點火概率對應起來。歸結起來，它是以影響結果發生的因素點火能量為自變量，以結果著火發生的概率為因變量，建立回歸模型進行分析的方法。

根據Logistic回歸模型，本文將著火概率P作Logit變換。經變換后的著火概率與點火能量為一次函數關系式，即因變量L(P)是Emin為自變量的一次函數：

(1)

式中，β0、β1為系數，可通過SPSS軟件計算得到。

(2)研究區域土壤重金屬Cd、Pb、Cu、Zn和Ni均已殘渣態為主要存在形態，除Cu元素外，其余4種元素的3種活性組分之和比例均較高，尤其是Cd元素，其有效態略高于穩定態，生物活性最強，生物有效性大小順序為Cd>Pb>Ni>Zn>Cu。

由式(1)可得，一定點火概率P下最小點火能計算式：

(2)

式(2)存在以下缺點：當點火概率P=1和0時，最小點火能Emin的值將無法通過(2)式計算。因此，為了表示點火概率P=1和0時對應的最小點火能值，我們用置信上限Eucl和置信下限Elcl來表示此時的最小點火能：

(3)

式中，σ00、σ11為β0和β1的方差，可通過SPSS軟件得出；σ01為β0和β1的協方差，σ01=η(σ00σ11)1/2，η為相關系數，可通過SPSS軟件得出；Za/2為標準正態分布曲線上的a/2分位點，若置信區間1-a=95%時，a/2=0.025，查正態分布表，得Za/2=1.960。

由式(1)可得，一定點火能量E下對應著火概率計算式：

(4)

由式(4)可得出任意點火能時粉塵云的著火概率，結合式(3)可繪制出點火能量下的著火概率曲線圖。

4 結果分析

圖1 硫化礦粉塵云最小點火能概率分布曲線Fig.1 Probability distribution curve of minimum ignition energy of sulfide mine dust cloud表2 硫化礦粉塵云最小點火能計算結果Table 2 Minimum ignition energy calculation results of sulfide dust cloud

粉塵樣品β0β1EminP=10%()/kJEminP=90%()/kJ實驗數據/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

由該方法得出的硫化礦粉塵云不同著火概率下的最小點火能，更為準確地表述最小點火能這一概率性事件，能為礦山預防礦塵爆炸工作提供指導。

現將表2中10%著火概率和90%著火概率條件下的A、B、C 3組硫化礦粉塵云最小點火能估計值，繪成最小點火能隨含硫量變化曲線，如圖2所示。硫化礦粉塵云最小點火能隨含硫量的增高呈遞減趨勢，這恰好與煤粉等有機粉塵最小點火能隨揮發份含量增高呈遞減趨勢規律一致。

圖2 最小點火能隨含硫量變化曲線Fig.2 Curve of the minimum ignition with the sulfur content■—500目；●—300目；▲—200目

在點火過程中，煤粉等有機粉塵受熱逸出的揮發份，在遇有氧氣時便會與之發生氣相燃燒反應并釋放熱量，且揮發份含量越高燃燒反應就越充分其所釋放的熱量就越多，從而使得點火所需點火能越小[18-19]。與之類似地，硫化礦粉塵在點火過程中受熱產生硫蒸氣[20-21]。硫蒸氣與空氣發生燃燒放熱反應，含硫量愈高生成的硫蒸氣愈多，反應放出的燃燒熱愈大，硫化礦粉塵著火由點火頭提供的能量就愈少，所測得的硫化礦粉塵最小點火能就越小。因此，隨著含硫量增高，硫化礦粉塵云最小點火能反而減小。

5 結 論

(1)用20 L球形爆炸容器測試了不同含硫量硫化礦粉塵云最小點火能，基于Logistic回歸模型分析實驗結果，得出A、B、C 3組硫化礦粉塵云最小點火能為：A500組3～4 kJ、B500組6～8 kJ、C500組>12 kJ；A300組2～3 kJ、B300組4～6 kJ、C300組>12 kJ；A200組2～3 kJ；B200組6～8 kJ；C200組>12 kJ。

(2)硫化礦粉塵云最小點火能的測定通常是以點火成功與否為依據，通過實驗最終得到了最小點火能的一個范圍區間。

(3)通過運用Logistic模型分析計算得出硫化礦塵不同點火概率下的最小點火能，能夠得到一個比較精確的結果。

(4)通過硫化礦粉塵云最小點火能實驗得出，最小點火能隨含硫量的增高呈遞減趨勢，亦即含硫量越高最小點火能越低、爆炸危險性越大。

(5)硫化礦粉塵云含硫量愈高，點火時受熱生成的氣相單質硫就愈多，由硫燃燒釋放的熱量愈充足，硫化礦塵發生著火爆炸所需的最小點火能越小。

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