选煤副产品用作燃料导致的有害元素迁移及其对煤矿区的环境效应

选煤被普遍认为是控制煤烟型大气污染最经济有效的方法，通过洗选将有害元素转移、富集到选煤副产品（中煤、煤泥和煤矸石）中。但是，为缓解能源紧缺，国家倡导选煤副产品用作燃料。巨量选煤副产品集中在相对狭小、生态环境脆弱的煤矿区燃用，其有害元素的释放严重威胁矿区生态安全。选择煤质、气候、地形、地球化学差异明显的大同、淮南和盘江为研究矿区。通过现场采样和室内模拟，研究有害元素从原煤向各选煤副产品分配的规律及影响因素、揭示选煤副产品燃烧时有害元素的迁移规律及控制机制；结合野外环境条件，通过室内模拟研究灰渣堆放时有害元素的淋溶释放规律及控制要素；通过野外采样，探讨有害元素对矿区水体、土壤和植物的污染及其地球化学机理。本项目的开展不仅能从理论上揭示选煤副产品在燃烧时及燃后灰渣堆放过程中有害元素的迁移规律，明晰选煤副产品燃用对煤矿区的环境风险及其地球化学控制机制；而且能为采取有效措施消减、规避风险提供科学指导

.2014年我国煤炭产量38.7亿吨，接近世界一半，其中约25.2亿吨经洗选加工，选煤副产品（中煤、煤泥和煤矸石）的有害元素相对富集。为搞清选煤副产品燃用其有害元素的迁移及对矿区的环境效应，选择山西、山东、安徽、贵州和江西的5个矿区作为研究区。采集选煤副产品及其燃用后的炉渣、飞灰和煤矸石砖，以及煤矸石(或煤泥、中煤)发电厂、煤矸石砖厂和堆灰场周围的土壤、植物、地表/地下水。燃烧/焙烧温度、物料粒度和污染控制措施（添加石灰石固硫、除尘器）是影响有害元素燃烧释放的主要因素。温度越高、粒径越小则有害元素燃烧释放越充分。煤矸石制砖时，有害元素释出、扩散阻力较大，且在高温时砖的外层先发生熔融、凝结而阻碍了内部元素的排放，使得有害元素的释放显著低于煤矸石发电时的排放量。添加石灰石脱硫对所产生炉渣和飞灰的理化性质影响巨大，且使得炉渣和飞灰淋溶液的碱性显著增强，淋溶液pH值和温度对有害元素的淋溶释放有重要影响。碱性淋溶液对As、Se和Sb的淋出能力更强，且As、Se和Sb在温度较低时淋出量更大，而我国低温时大多地区降水量较小，故而冬季煤矸石及其燃后灰渣中As、Se和Sb淋溶释放对水环境的影响更加值得关注。除尘器的使用和烟囱的高度影响有害元素随烟气排放的形式和扩散、影响的范围。有害元素从灰渣淋溶释放对环境的影响范围较小，选煤副产品燃烧时通过烟气的干湿沉降对周边区域的影响范围较大。选煤副产品燃烧时从烟气中排放的有害元素污染着周围环境，相对于环境土壤中有害元素的总量，酸可提取态元素的量能更好地显示、表征环境受污染的范围和程度，植物中有害元素的含量与土壤中该元素酸可提取态的含量呈显著线性正相关。各元素对环境的污染程度受地形和地貌的影响，贵州和萍乡山区的受污染影响的范围较小，但影响区域内污染的程度更为严重。某煤矸石发电厂直径约3.2km范围内53.8%的玉米重金属含量超标，其中铅、铬的平均超标分别为0.69倍、0.43倍。某煤泥发电厂直径3.9km范围内，有66.7%的食物（含辣椒、花生、毛豆和绿豆等）重金属含量超标，其中铅、铬的平均超标分别为1.44倍、1.24倍。巨量的选煤副产品集中在相对狭小的矿区及其周边，主要作为燃料直接使用，其富含的有害元素威胁着矿区居民的健康。因此，在维护国家能源安全的前提下，有必要搞清选煤副产品燃用的污染范围，并合理规划相关区域内土地的利用方式。