基于响应面法治理煤矿硫化氢的改性碱液配比优化.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 张超,王星龙,李树刚,等. 基于响应面法治理煤矿硫化氢的改性碱液配比优化[J]. 煤炭学报,2020,458 2926-2932. ZHANG Chao,WANG Xinglong,LI Shugang,et al. Optimization of the ratio of modified alkaline solution for hydrogen sulfide treatment in coal mine based on response surface [J]. Journal of China Coal Society,2020,4582926 -2932. 基于响应面法治理煤矿硫化氢的改性碱液配比优化 张 超1,2,王星龙1,李树刚1,2,刘 超1,2,薛俊华1,2,刘 华1 1. 西安科技大学 安全工程学院,陕西 西安 710054; 2. 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054 摘 要针对传统碱液在煤矿硫化氢治理过程中吸收率低且易发生二次超限的缺点,以碳酸钠 Na2CO3溶液为基料,选取表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚乙酸钠AE9C-Na和氧化剂过氧化氢 H2O2为改性剂对碱液进行改性处理。 以碳酸钠、表面活性剂和氧化剂的掺量作为影响因子,以 硫化氢气体去除率为响应值,首先通过单因素实验单独考察了各影响因子变化对响应值的影响,研 究了碳酸钠溶液中不同质量分数的表面活性剂和氧化剂对硫化氢气体脱除的影响。 然后按照中心 组合设计安排试验,根据试验结果对硫化氢去除率进行拟合与回归分析,得到回归拟合方程。 然后 应用响应面法RSM进一步确定了各影响因子的交互作用,结果表明各影响因子显著性大小排 序为碳酸钠溶液质量分数表面活性剂质量分数氧化剂质量分数,碳酸钠溶液质量分数和表面 活性剂质量分数的交互作用对硫化氢去除率影响最大。 最后,利用 Design-Expert 软件对改性碱液 的配比进行优化,综合考虑吸收效率与成本后,提出本实验所研制的改性碱液最佳配比为碳酸钠 溶液质量分数2． 5,表面活性剂质量分数0． 25,氧化剂质量分数0． 8。 以崔家沟煤矿2303 工 作面为试验地点,喷洒改性碱液对现场硫化氢进行治理,现场试验结果表明,改性碱液对硫化氢的 去除率平均为 90． 3,且无硫化氢超限及二次逸散现象,治理效果显著。 关键词硫化氢;改性碱液;响应面法;碳酸钠;表面活性剂;氧化剂 中图分类号X51 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2926-07 收稿日期2020-01-19 修回日期2020-04-15 责任编辑钱小静 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2020.0094 基金项目国家自然科学基金面上资助项目51734007,51974241 作者简介张 超1986,男,山西长治人,副教授。 E-mailzc xust． edu． cn Optimization of the ratio of modified alkaline solution for hydrogen sulfide treatment in coal mine based on response surface ZHANG Chao1,2,WANG Xinglong1,LI Shugang1,2,LIU Chao1,2,XUE Junhua1,2,LIU Hua1 1. School of Safety Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of the Ministry of Education,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China AbstractIn view of the shortcomings of traditional alkali solution in the process of hydrogen sulfide treatment,which has low absorption rate and is easy to exceed the limit twice,the surfactant AE9C-Na and oxidant H2O2 were se- lected as the base material to modify the alkali solution. Taking the content of sodium carbonate,surfactant and oxidant as the influencing factors and the removal rate of hydrogen sulfide as the response value,firstly,the influence of the change of the influencing factors on the response value was investigated by single factor experiment,and the influence of different concentrations of surfactant and oxidant in sodium carbonate solution on the removal of hydrogen sulfide was studied. Then,according to the central combination design,the experiment was arranged. According to the test re- 第 8 期张 超等基于响应面法治理煤矿硫化氢的改性碱液配比优化 sults,the fitting and regression analysis were carried out to get the regression fitting equation. Also,RSM was used to further determine the interaction of the influencing factors. The results showed that the significance order of the influ- encing factors wassodium carbonate solution concentrationsurfactant concentrationoxidant concentration. The inter- action of sodium carbonate solution concentration and surfactant concentration had the greatest impact on the removal rate of hydrogen sulfide. Finally,a design expert software was used to optimize the ratio of modified lye. After consider- ing the absorption efficiency and cost,the optimal percentages for the modified lye developed in this experiment are as followsthe concentration of sodium carbonate solution is 2. 5,the concentration of surfactant is 0. 25,and the concentration of oxidant is 0. 8. Taking the 2303 working face of Cui Jiagou coal mine as the test site,the modified alkali solution was sprayed to treat the hydrogen sulfide on site. The field test results showed that the average removal rate of the modified alkali solution for hydrogen sulfide was 90. 3,and there was no hydrogen sulfide overrun and secondary escape,so the treatment effect was significant. Key wordshydrogen sulfide;modified lye;response surface ology;sodium carbonate;surfactant;oxidant 硫化氢H2S是一种有臭鸡蛋气味的酸性气体, 易溶于水且毒性极强,是煤矿常见的有害气体之 一[1-2]。 随着含硫煤层的开采,硫化氢赋存条件被破 坏,异常富集的硫化氢不仅会腐蚀井下设备,也会危 害井下作业人员的生命健康[3-4]。 因此,探讨煤矿硫 化氢防治技术具有重要意义。 目前,煤矿主要采用调节通风和喷洒吸收液的方 法治理硫化氢[5]。 梁冰等利用 COMSOL Multiphysics 软件模拟了碱液在煤层中的流动参数,并根据模拟结 果指导煤层注碱工作[6];贾牛骏等构建了硫化氢在 煤层中的运移扩散模型,并对喷洒碱液的喷雾装置进 行了优化[7];胡夫通过建立硫化氢吸收模拟实验系 统模拟煤矿现场实际状况,对影响硫化氢吸收效率的 风速、喷雾流量、吸收液质量分数及硫化氢体积分数 等因素进行了研究[8];王可新和傅雪海提出了煤层 注碱与掘进面喷洒碱液相结合的硫化氢治理方 案[9];林海等采用芬顿试剂Fenton对煤矿硫化氢进 行治理,试验了芬顿试剂中不同添加剂的掺量以及 pH 值、反应时间等条件对硫化氢去除效果的影响,得 出了最佳的试剂配比[12];林海等对改性碱液的开发 做了相关研究,分别对不同添加剂对硫化氢气体吸收 效率的影响做了探究[13]。 以往学者的研究探索了碱液与硫化氢的反应规 律,并提出对碱液进行改性处理的思路,对硫化氢处 理具有一定的指导意义。 但目前煤矿硫化氢治理仍 存在吸收率低、二次逸出严重等问题。 对碱液的改性 处理是改善吸收效果的良好途径,因此笔者采用单因 素实验和响应面分析法RSM相结合的方法,研制 了一种改性碱液,通过单因素分析考察了各影响因子 对硫化氢去除率的影响,并利用响应面法对改性碱液 的配比进行优化,现场试验验证了新型改性碱液的显 著治理效果。 1 改性碱液脱硫机理及关键影响因素 新型改性碱液由碳酸钠溶液、表面活性剂脂肪醇 聚氧乙烯醚乙酸钠AE9C -Na 和氧化剂过氧化 氢H2O2配比而成,影响其对硫化氢的去除效果的 因素主要有以下几点 1碳酸钠。 H2S 是一种酸性气体,在水中分 2 步解离,如式1 3所示,碳酸钠对硫化氢的吸收 机理如式4所示[14]。 H2Sg ⥫⥬＝H2Saq1 H2Saq ⥫⥬＝HS - H 2 HS - ⥫⥬＝S 2- H 3 Na2CO3 H 2S ⥫⥬ ＝NaHS NaHCO34 2脂肪醇聚氧乙烯醚乙酸钠。 AE9C-Na 作为 表面活性剂添加在碱液中,其亲水基团缩入水中,憎 水的碳链翘出水面,从而降低碱液的表面张力,增加 液体的渗透半径[15]。 同时其具有良好的增溶和润湿 作用,能增加硫化氢在碱液中的溶解度,使碱液与硫 化氢气体分子之间充分接触,从而提高去除效果[16]。 3过氧化氢。 H2O2具有很强的氧化性,能通 过反应5直接氧化 HS-,使反应2向右移动,从而 促进硫化氢的吸收。 HS - H 2O2⥫⥬ ＝S H2O OH - 5 2 实验装置与方法 2． 1 实验装置 实验系统如图 1 所示,使用硫化氢气体分析仪测 量 H2S 的入口体积分数硫化氢气体分析仪奥富 森北京科技发展有限公司,精度 2;测量量程 0 200 10 -6 , 重复性误差为 1。 H2S 流速为 0． 5 L/ min,反应器体积 0． 15 m30． 5 m 0． 5 m 0． 6 m,使用碳酸钠Na2CO3、表面活性剂脂肪醇聚 7292 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 氧乙烯醚乙酸钠AE9C -Na 和氧化剂过氧化氢 H2O2制备碱液,置于碱液储藏罐中,碱液储存罐体 积为 50 L,碱液循环泵流速 1 L/ min。 硫化氢气体与 碱液在反应器内充分接触反应,反应结束后测量硫化 氢的残余体积分数。 最后使用废气吸收瓶进一步净 化来自反应器的含有 H2S 的废气。 图 1 试验系统 Fig． 1 Test system 2． 2 方 法 2． 2． 1 硫化氢去除率测定 用支路测得的气源硫化氢体积分数用作入口体 积分数,反应器出口测量的硫化氢体积分数用作出口 体积分数。 通过式6计算硫化氢的去除效率 η,有 η Cin - C out Cin 1006 式中,Cin为混合气体中硫化氢的入口体积分数, 10 -6 ;Cout为反应器出口混合气体中的硫化氢体积分 数,10 -6 。 2． 2． 2 单因素实验 利用自主搭建的试验系统,首先研究不同质量分 数的碳酸钠溶液对硫化氢去除率的影响,然后通过在 碳酸钠溶液中添加不同剂量的表面活性剂和氧化剂, 研究各添加剂掺量对硫化氢去除率的影响。 2． 2． 3 响应面优化试验 响应面分析法RSM是实验设计和统计学相结 合的一种优化方法,通过实验设计、建模、模型检验、 组合条件优化等方法, 最终实现对响应值的优 化[17-18]。 根据单因素实验结果,选取碳酸钠溶液质 量分数、表面活性剂质量分数、氧化剂质量分数作为 3 个主要影响因子,以硫化氢去除率作为响应值,进 行中心组合实验设计。 应用 Design-Expert v． 8． 0． 6 试验软件建立方差模型,实验因素水平见表 1。 3 结果与分析 3． 1 单因素试验 3． 1． 1 碳酸钠质量分数对硫化氢去除率的影响 硫化氢 初 始 体 积 分 数 100 10 -6 , 吸 收 时 间 30 min。 图 2 显示了碳酸钠质量分数对硫化氢去除 率的影响。 结果表明,当碳酸钠溶液质量分数从 0 增 加到 2． 5时,硫化氢去除率从 17． 8大幅度提高到 85． 1;当碳酸钠质量分数超过 2． 5 时,随着碳酸 钠质量分数的增加,硫化氢去除率逐渐趋于稳定。 表 1 中心组合实验设计方案中的因素及水平 Table 1 Factors and levels in the design of the central composite experiment 因素编号 质量分数/ 水平 1水平 2水平 3 碳酸钠溶液A1． 52． 53． 5 表面活性剂B0． 150． 250． 35 氧化剂质C0． 60． 81． 0 图 2 碳酸钠质量分数对硫化氢去除率的影响 Fig． 2 Effect of different concentrations of sodium carbonate on removal rate of hydrogen sulfide 3． 1． 2 脂肪醇聚氧乙烯醚乙酸钠对硫化氢去除率的 影响 碳酸钠溶液质量分数 2． 5,吸收时间 30 min, 硫化氢初始体积分数 10010 -6 。 在 2． 5 的碳酸钠 溶液中添加 AE9C-Na,研究不同质量分数表面活性 剂的加入对硫化氢去除效果的影响。 图 3 表面活性剂对碳酸钠溶液去除硫化氢效果的影响 Fig． 3 Effect of surfactant on the absorption of hydrogen sulfide by sodium carbonate solution 从图 3 可以看出,随着表面活性剂质量分数的增 加,吸收液对硫化氢的去除率也在提高。 当表面活性 剂质量分数从 0 增加到 0． 25 时,硫化氢去除率从 8292 第 8 期张 超等基于响应面法治理煤矿硫化氢的改性碱液配比优化 77． 1提升至 95． 1。 说明表面活性剂的加入增加 了碱液的表面张力,促进了硫化氢的溶解与吸收,从 而提高了硫化氢去除率。 当表面活性剂质量分数超 过 0． 25后,硫化氢去除率逐渐趋于平缓。 3． 1． 3 过氧化氢对硫化氢去除率的影响 实验条件碳酸钠溶液质量分数 2． 5,吸收时间 30 min,硫化氢初始体积分数 10010 -6 。 在 2． 5的碳 酸钠溶液中加入不同质量分数的过氧化氢作为氧化 剂,测定氧化剂的加入对碱液吸收硫化氢效果的影响。 由图4 可以看出,随着过氧化氢质量分数从 0 增 加到0． 8,硫化氢去除率从 80． 5增加到 92． 3,这 是由于过氧化氢的强氧化性将反应2生成的 HS-氧 化为稳定的硫单质,促进了硫化氢的吸收。 当过氧化 氢质量分数0． 8后,硫化氢去除率趋于平缓。 图 4 氧化剂对碳酸钠溶液去除硫化氢效果的影响 Fig． 4 Effect of oxidant on hydrogen sulfide absorption by sodium carbonate solution 3． 2 等高线和响应曲面分析 3． 2． 1 建模及显著性检验 对表 1 中所确定的各个因素水平进行试验,试验 结果见表 2。 根据表 2 的试验结果进行数学模型拟 合与回归分析,得到硫化氢去除率 η 的方程为 η 91． 90 3． 29A 1． 52B 0． 012C 1． 10AB - 0． 47AC - 0． 30BC - 5． 14A2 1． 24B2- 0． 44C2 模型的拟合度R2越高,代表预测结果与实际结 果越接近[16]。 由表 3 得出,Design-Expert 软件推荐使 用二次模型,该模型偏差最小,拟合度强于其他模型。 从表 4 可以看出,模型的显著性水平 PB表面活性剂质量分数C氧化 剂质量分数。 3． 2． 2 等高线和响应面分析 二次模型多项回归方程的等高线和 3D 响应曲 面表示每个因子的相互作用结果,不仅可以预测和优 化响应值,还可以通过对任意两个因素的交互作用的 分析,得到交互规律[19]。 表 2 实验方案与结果 Table 2 Experimental scheme and results 序号ABC 去除率/ 试验预测 绝对 误差 13． 50． 25188． 788． 71-0． 01 21． 50． 350． 885． 285． 140． 06 32． 50． 250． 890． 590． 500 43． 50． 350． 894． 593． 910． 59 51． 50． 25183． 683． 560． 04 62． 50． 250． 890． 591． 90-1． 40 72． 50． 15192． 092． 000 82． 50． 250． 890． 591． 90-1． 40 92． 50． 250． 890． 591． 90-1． 40 102． 50． 350． 694． 094． 51-0． 51 112． 50． 35193． 893． 94-0． 140 122． 50． 250． 890． 591． 90-1． 40 132． 50． 150． 691． 090． 860． 14 143． 50． 150． 888． 688． 66-0． 06 153． 50． 250． 690． 090． 070． 07 161． 50． 250． 683． 082． 550． 45 171． 50． 150． 883． 784． 29-0． 59 表 3 多种模型拟合度 R2分析 Table 3 R2analysis of Multiple model 来源R2校正值R2预测值备注 线性模型0． 301 5-0． 052 9 2FI 模型0． 132 2-1． 225 2 建议采用二次模型0． 860 00． 804 6 三次模型0． 782 7 表 4 二次模型试验结果方差分析 Table 4 Variance analysis of quadratic model test results 来源平方和自由度均方F 值显著性水平 P 模型228． 60925． 34011． 920． 001 8 A86． 46186． 46040． 680． 000 4 B18． 6010． 0890． 470． 021 1 C0． 01311． 92010． 170． 981 3 AB4． 8410． 3604． 840． 175 0 AC0． 9010． 9000． 420． 535 4 BC0． 3610． 3600． 170． 693 0 A2111． 131111． 13052． 290． 002 0 B26． 4516． 4503． 030． 125 1 C20． 8110． 8100． 380． 557 5 残差14． 8872． 130 失拟差1． 6830． 540 净误差13． 2043． 300 总离差242． 9416 注P表面活性 剂质量分数氧化剂质量分数。 图 6 2303 工作面硫化氢体积分数 Fig． 6 Concentration of hydrogen sulfide in working face 2303 3采用响应面设计优化,提出本实验所研制的 改性碱液最佳配比为碳酸钠溶液质量分数 2． 5, 脂肪醇聚氧乙烯醚乙酸钠质量分数 0． 25,过氧化 氢质量分数 0． 8。 4以崔家沟煤矿 2303 工作面为试验地点,喷 洒改性碱液对现场硫化氢进行治理,结果表明改性 碱液的去除率平均为 90． 3,同时无二次逸散及硫 化氢超限问题出现,治理效果显著。 参考文献References [1] 刘明举,李国旗,HANI Mitri,等. 煤矿硫化氢气体成因类型探讨 [J]. 煤炭学报,2011,366978-983. 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