H2S脫除效率主控因素的廣義灰色關聯分析*

王穎南，鄧奇根,2,3，劉明舉,2，吳喜發

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003;2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003;3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，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毒物，主要危害人的中樞神經和呼吸神經系統[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以適當的比例(4.3%～46%)混合就會發生爆炸，人體吸入少量的高濃度H2S可在短時間內致命[3]。目前我國河南、湖南、內蒙古、新疆、山東、山西等地有20多個煤礦發生過H2S氣體突然涌出現象，并造成了事故[4]。在國外，也出現過類似事故的報道，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氣體顯著特點是濃度較低[8]，與此同時，由于H2S的強還原性與強腐蝕性，會對煤礦井下設備造成損壞，進而造成經濟損失。目前，礦井巷道風流中的H2S防治通常采用串聯通風、均壓通風、加大風量、改變通風方式或采用噴灑堿液化學中和法[9]。劉奎等[10]通過正交實驗，對煤礦H2S影響因素進行研究，并認為當H2S涌出濃度增加而導致H2S吸收效率降低時，適當增加噴霧流量，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聯分析，認為煤層瓦斯含量與埋深關聯性最大。

煤礦中風速、溶液濃度質量分數、H2S氣體濃度等變量均會對巷道風流中H2S的脫除效率產生影響。張戈[12]在烏東礦特厚放頂煤時進行H2S擴散特征實驗，在放煤口下風側設置攔截噴灑裝置，設定噴霧壓力8.0 MPa，NaHCO3吸收溶液質量分數0.9%，采取綜合治理措施后，H2S降低效率達到84%以上；張天祥等[13]根據山西鳳凰山礦15號煤層155301首采工作面H2S涌出情況，采用加強通風、噴灑堿性試劑等方法對H2S進行治理，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進行治理，實驗表明在距離工作面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體積分數從90×10-6降低至15×10-6。前人研究多在井下進行，受不同環境影響，其實驗可改變的條件有限，而本實驗在地面進行模擬H2S的脫除，可較為方便的進行數據的測量，同時通過對實驗數值進行灰色關聯分析，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效率指出主要改進方向，并且由于灰色系統相比正交實驗具有預測精度高等特點，可有效降低出錯概率。本文利用H2S模擬脫除裝置，改變裝置內風速、NaHCO3溶液質量分數、H2S氣體濃度，通過噴嘴前后傳感器數據比較前后H2S濃度變化情況，進而換算出不同條件下風流中H2S的脫除效率，分析其效率改變的原因，并通過廣義灰色關聯分析的方法，對各變量對脫除效率影響程度進行排序。

1 實驗部分

1.1 化學試劑及規格

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，從而起到降低H2S氣體含量的目的，結合弱堿試劑的價格，井下所用堿性溶液一般為Na2CO3和NaHCO3，本實驗堿性溶液采用NaHCO3與水混合后的水溶液。

表1 實驗所用化學試劑及規格Table 1 Chemical reagents and specifications used in the experiments

1.2 實驗裝置介紹

為模擬井下巷道風流中，風速、溶液濃度質量分數、H2S氣體濃度等變量，實驗裝置將純度為99.99%的H2S氣體和N2通過減壓閥和質量流量計調節后通過噴嘴進入管道中，與管道中風流進行充分混合，噴霧裝置在管道內形成穩定的水幕，并在噴霧支架兩側均設置有H2S濃度傳感器，在其進風側設有風速傳感器。各檢測器將數據實時傳入電腦主機，通過傳感器數據比較前后H2S濃度變化情況，既而換算出不同條件下管道風流中H2S的吸收效率。實驗裝置如圖1所示。

1.風機;2.風流方向;3.H2S氣瓶;4.氮氣瓶;5.轉子流量計;6.風速傳感器;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;13.供水泵;14.電磁閥;15.進料管;16.進水管;17.扇葉;18.低速電動機;19.壓力傳感器。圖1 脫除H2S氣體實驗裝置Fig.1 Experimental device for removing hydrogen sulfide gas

2 H2S脫除效率規律分析

2.1 H2S脫除效率隨風速變化的規律

試驗所用風速設置在0.5～3.0 m/s之間，管道內H2S氣體體積分數為100×10-6，噴液壓力為2 MPa，噴液流量為40 L/h，溶液質量分數分別為0.1%，0.2%，0.3%的NaHCO3堿性溶液。H2S脫除效率隨風速變化規律如圖2所示。

圖2 試驗風速與H2S脫除效率之間的關系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效率隨著風速的增加而降低。在溶液質量分數為0.1%時，風速由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中風速增加，H2S氣體在風流中的擴散速度加快，但噴霧流量沒有變化，造成H2S氣體與噴霧形成的NaHCO3溶液細水滴接觸發生化學反應的幾率大大降低。而且風速的增加會使管道內風量增大，雖然管道內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就已經吹出噴霧區域，從而造成脫除效率的下降。

2.2 H2S吸收效率隨溶液質量分數變化的規律

實驗中NaHCO3堿性溶液質量分數分別設定為0.1%～1.0%，考察在不同吸收液質量分數時H2S脫除效率，實驗中噴霧壓力仍設定為2 MPa，噴霧流量為40 L/h，風速為2.0 m/s。不同NaHCO3性溶液質量分數下H2S脫除效率對比圖如圖3所示。

圖3 溶液質量分數與脫除效率之間的關系Fig.3 Relationship between solution mass fraction and removal efficiency

由圖3可知，H2S氣體體積分數為300×10-6時，溶液質量分數由0.2%升至1.0%，脫除效率由74%升至85%，脫除效率隨著溶液質量分數的增加而增加，這是因為在溶液細水滴與H2S氣體接觸概率相同的情況下，溶液質量分數越大，越易中和空氣中H2S氣體。由此可見，增加噴灑堿性溶液質量分數是提高H2S脫除效率的一種比較有效的途徑，但堿性溶液質量分數越大，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律

實驗在噴霧流量為40 L/h，管道中風速為2 m/s，噴霧壓力為2 MPa，NaHCO3性溶液質量分數為0.2%的特定條件下進行實驗，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氣體體積分數對脫除效率的影響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H2S濃度越大脫除H2S效率越低，這可能是因為雖然氣體濃度的增加會使單位體積內更多的H2S氣體分子與NaHCO3細水滴接觸發生化學反應，但增加的空氣與溶液反應的H2S氣體分子數量小于實驗管道內增加的H2S氣體分子數，因此濃度的增加使脫除效率降低。

2.4 選取關聯度分析實驗數據

從上述的實驗數據中選取其中9組，作為關聯度分析的數據，具體見表2。

廣義灰色關聯分析法是基于系統內各因素之間發展態勢的相似程度，以定量分析確定系統中各因素之間關聯性的一種分析方法，主要包括廣義灰色絕對關聯度、廣義灰色相對關聯度以及綜合灰色關聯度[15]。

表2 H2S脫除效率影響因素實驗結果Table 2 Experimental results of factors affecting hydrogen sulfide removal efficiency

3 廣義灰色關聯分析

3.1 確定參考因素序列與相關因素序列

對本實驗來說，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為風速，x2為溶液質量分數，x3為風流中H2S氣體濃度。相關因素序列為{xi(k)},其中i=1,2,3。

3.2 灰色絕對關聯度

首先對參考因素序列和相關因素序列進行零像化處理：

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 灰色相對關聯度

計算灰色相對關聯度之前，首先對數據進行無量綱化處理，并對系統參考因素序列和相關因素序列進行適當的處理，通過算子作用使之化為數據大體相近的無綱量數據，并將負相關因素轉變為正相關因素[16]。本文采用初值化算子對數據進行無量綱處理，處理后的序列為：

(5)

算得，γ01≈0.582,γ02≈0.578,γ03≈0.561。

3.4 灰色綜合關聯度

灰色綜合關聯度既體現了折線x0與xi的相似程度，又反應出x0與xi相對于始點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個數量指標[15]。本文中灰色相對關聯度與灰色絕對關聯度的分配系數ρ取0.5。綜合關聯度為：

δ=ρε+(1-ρ)γ

(6)

最終所得結果見表3。

表3 關聯度計算結果Table 3 Calculation results of correlation degree

通過運用灰色關聯度分析，得出風速對H2S脫除效率影響最大，其次是溶液質量分數，H2S氣體濃度最小。與此同時，通過之前改變3種變量研究脫除規律的實驗中也可以看出，在H2S絕對量不變的情況下，風速的增加，加快了H2S氣體分子的擴散速度，導致其與堿性試劑碰撞概率降低。溶液質量分數的提高，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并未改變，因而影響程度要小于風速。這一點在實驗中也可以看出，以H2S氣體體積分數100×10-6，溶液質量分數0.3%為例，風速由2 m/s上升至3 m/s，H2S脫除效率改變20%；H2S氣體體積分數100×10-6，風速2 m/s情況下，溶液質量分數從0.1%上升至0.2%，脫除效率改變8%；風速2 m/s，溶液質量分數0.2%情況下，H2S氣體體積分數眾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，風速對脫除效率影響最大，其次為溶液質量分數，最后是H2S氣體濃度。因此在今后脫除H2S過程中，可優先調節風速、風量，來提高H2S脫除效率。

3.5 結果分析

由表2數據可知，影響H2S脫除效率的關聯度排序為：風速>溶液質量分數>風流中H2S氣體濃度。本文之所以未選用灰色相對關聯度或灰色絕對關聯度進行分析，是因為灰色絕對關聯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，數據差別較大，灰色絕對關聯度沒有無量綱化處理階段，結果是不準確的；灰色相對關聯度偏重于表征相對于始點的變化程度，也較為片面。而灰色綜合關聯度結合了他們各自的特點，結果較為準確[17]。

4 結論

1)通過H2S實驗裝置，探究了風速、溶液質量分數、H2S氣體濃度三者與H2S脫除效率的關聯度大小。

2)利用灰色廣義關聯度分析，確定了H2S脫除效率的綜合關聯度即：風度>溶液質量分數>H2S氣體濃度。H2S吸收效率隨著風速和H2S氣體濃度的增加而降低，隨著堿性溶液質量分數的增加而增加。該模擬實驗操作簡單，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具有積極的意義。