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        含硫量對(duì)硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能的影響

        2018-05-02 11:15:23饒運(yùn)章劉志軍洪訓(xùn)明楊明山
        金屬礦山 2018年4期
        關(guān)鍵詞:含硫量硫化粉塵

        饒運(yùn)章 劉志軍 洪訓(xùn)明 楊明山 陳 斌

        (1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火能(Minimum Ignition Energy,MIE)界定粉塵云點(diǎn)火敏感性進(jìn)而表征粉塵云爆炸難易程度[1]。文獻(xiàn)[2]表明,影響粉塵云最小點(diǎn)火能數(shù)值大小的因素主要有:粉塵濃度、粉塵粒徑及級(jí)配、揮發(fā)份含量(有機(jī)粉塵)、粉塵濕度、溫度(包括粉塵溫度和環(huán)境溫度)、初始?jí)毫?、粉塵分散度、粉塵湍流度和環(huán)境氧濃度等,表1為粉塵云最小點(diǎn)火能隨著各因素的增大所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律。

        饒運(yùn)章等[3-9]在對(duì)硫化礦粉塵云進(jìn)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(xiàng)目控制其他影響因素相同,

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

        研究含硫量對(duì)硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)裝置

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

        根據(jù)ISO/DIS-6184/1《爆炸預(yù)防系統(tǒng)》規(guī)定,為制備20 L爆炸球化學(xué)點(diǎn)火頭,分別在2個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)火具上各有1個(gè)化學(xué)點(diǎn)火頭,并且每個(gè)點(diǎn)火頭質(zhì)量都為1.2 g、點(diǎn)火能量皆為5 kJ。為了能準(zhǔn)確測(cè)定不同含硫量的硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能,配備若干個(gè)能量值為12 kJ、10 kJ、9 kJ、8 kJ、6 kJ、4 kJ、2 kJ、1 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭用于實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榛瘜W(xué)點(diǎn)火頭爆炸性質(zhì)不穩(wěn)定,所以每次測(cè)試結(jié)果偏差較大,從而最終取得的最小點(diǎn)火能是1個(gè)區(qū)間值。

        2 樣品制作

        從某銅礦山將硫化礦取回,經(jīng)破碎、烘干、篩分后進(jìn)行粒度測(cè)定,所測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)粉罐中,設(shè)定A、B、C 3組粉塵樣品的實(shí)驗(yàn)條件(硫化礦塵濃度200 g/m3、點(diǎn)火延遲的時(shí)間60 ms、噴粉壓力2 MPa)相同,按照國標(biāo)GB/16428—1996相關(guān)規(guī)定進(jìn)行硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)。

        3 最小點(diǎn)火能計(jì)算方法

        雖然國內(nèi)外測(cè)試粉塵云最小點(diǎn)火能的標(biāo)準(zhǔn)和裝置都不盡相同,但歸根結(jié)底是以某能量下點(diǎn)火是否成功為依據(jù),將多次點(diǎn)火成功的能量值作為最小點(diǎn)火能的數(shù)值或范圍值[12]。GB/15929—1995規(guī)定:粉塵云的點(diǎn)火概率服從以點(diǎn)火能量為隨機(jī)變量的對(duì)數(shù)正態(tài)分布,也就是說,點(diǎn)火概率作為因變量服從以點(diǎn)火能量的對(duì)數(shù)為自變量的正態(tài)分布。Baldermann等[13-14]提出將最小點(diǎn)火能視為概率事件,并通過計(jì)算驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。李磊等[15]在Mike 3管上測(cè)試了不同濃度煙酸粉塵云最小點(diǎn)火能,并將測(cè)得的結(jié)果用3種方法計(jì)算。對(duì)比3種方法后表明,用Logistic回歸模型得出相關(guān)參數(shù),并將參數(shù)代入計(jì)算不同點(diǎn)火概率下最小點(diǎn)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(shí)現(xiàn)硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能相關(guān)參數(shù)的計(jì)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(yù)測(cè)實(shí)際生活生產(chǎn)中某事件發(fā)生的概率值。應(yīng)用Logistic回歸法計(jì)算粉塵云最小點(diǎn)火能時(shí),首先將著火成功與否視為概率事件,記著火成功時(shí)概率P=1、記著火失敗時(shí)概率P=0,將概率P作為因變量,點(diǎn)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(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用SPSS軟件中的Logistic回歸分析模塊,計(jì)算出Logistic回歸方程中的參數(shù)β0和β1,將方程參數(shù)β0、β1重新代回Logistic回歸方程,經(jīng)過變形處理后構(gòu)建出最小點(diǎn)火能和概率的關(guān)系(下式(2)和下式(4))。最后,根據(jù)表達(dá)式(4)繪制出以點(diǎn)火能量E為橫坐標(biāo),著火概率P為縱坐標(biāo)關(guān)系曲線圖,進(jìn)而,很好地將點(diǎn)火能量和點(diǎn)火概率對(duì)應(yīng)起來。歸結(jié)起來,它是以影響結(jié)果發(fā)生的因素點(diǎn)火能量為自變量,以結(jié)果著火發(fā)生的概率為因變量,建立回歸模型進(jìn)行分析的方法。

        根據(jù)Logistic回歸模型,本文將著火概率P作Logit變換。經(jīng)變換后的著火概率與點(diǎn)火能量為一次函數(shù)關(guān)系式,即因變量L(P)是Emin為自變量的一次函數(shù):

        (1)

        式中,β0、β1為系數(shù),可通過SPSS軟件計(jì)算得到。

        (2)研究區(qū)域土壤重金屬Cd、Pb、Cu、Zn和Ni均已殘?jiān)鼞B(tài)為主要存在形態(tài),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(tài)略高于穩(wěn)定態(tài),生物活性最強(qiáng),生物有效性大小順序?yàn)镃d>Pb>Ni>Zn>Cu。

        由式(1)可得,一定點(diǎn)火概率P下最小點(diǎn)火能計(jì)算式:

        (2)

        式(2)存在以下缺點(diǎn):當(dāng)點(diǎn)火概率P=1和0時(shí),最小點(diǎn)火能Emin的值將無法通過(2)式計(jì)算。因此,為了表示點(diǎn)火概率P=1和0時(shí)對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)火能值,我們用置信上限Eucl和置信下限Elcl來表示此時(shí)的最小點(diǎn)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(xié)方差,σ01=η(σ00σ11)1/2,η為相關(guān)系數(shù),可通過SPSS軟件得出;Za/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線上的a/2分位點(diǎn),若置信區(qū)間1-a=95%時(shí),a/2=0.025,查正態(tài)分布表,得Za/2=1.960。

        由式(1)可得,一定點(diǎn)火能量E下對(duì)應(yīng)著火概率計(jì)算式:

        (4)

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

        4 結(jié)果分析

        圖1 硫化礦粉塵云最小點(diǎn)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(diǎn)火能計(jì)算結(jié)果Table 2 Minimum ignition energy calculation results of sulfide dust cloud

        粉塵樣品β0β1EminP=10%()/kJEminP=90%()/kJ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/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(diǎn)火能,更為準(zhǔn)確地表述最小點(diǎn)火能這一概率性事件,能為礦山預(yù)防礦塵爆炸工作提供指導(dǎo)。

        現(xiàn)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(diǎn)火能估計(jì)值,繪成最小點(diǎn)火能隨含硫量變化曲線,如圖2所示。硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能隨含硫量的增高呈遞減趨勢(shì),這恰好與煤粉等有機(jī)粉塵最小點(diǎn)火能隨揮發(fā)份含量增高呈遞減趨勢(shì)規(guī)律一致。

        圖2 最小點(diǎn)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(diǎn)火過程中,煤粉等有機(jī)粉塵受熱逸出的揮發(fā)份,在遇有氧氣時(shí)便會(huì)與之發(fā)生氣相燃燒反應(yīng)并釋放熱量,且揮發(fā)份含量越高燃燒反應(yīng)就越充分其所釋放的熱量就越多,從而使得點(diǎn)火所需點(diǎn)火能越小[18-19]。與之類似地,硫化礦粉塵在點(diǎn)火過程中受熱產(chǎn)生硫蒸氣[20-21]。硫蒸氣與空氣發(fā)生燃燒放熱反應(yīng),含硫量愈高生成的硫蒸氣愈多,反應(yīng)放出的燃燒熱愈大,硫化礦粉塵著火由點(diǎn)火頭提供的能量就愈少,所測(cè)得的硫化礦粉塵最小點(diǎn)火能就越小。因此,隨著含硫量增高,硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能反而減小。

        5 結(jié) 論

        (1)用20 L球形爆炸容器測(cè)試了不同含硫量硫化礦粉塵云最小點(diǎn)火能,基于Logistic回歸模型分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出A、B、C 3組硫化礦粉塵云最小點(diǎn)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(diǎn)火能的測(cè)定通常是以點(diǎn)火成功與否為依據(jù),通過實(shí)驗(yàn)最終得到了最小點(diǎn)火能的一個(gè)范圍區(qū)間。

        (3)通過運(yùn)用Logistic模型分析計(jì)算得出硫化礦塵不同點(diǎn)火概率下的最小點(diǎn)火能,能夠得到一個(gè)比較精確的結(jié)果。

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

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

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