外来矿物侵入条件下煤层高温氧化灰渣的形成及理化性质

Abstract: Identification of the residue from in situ coal combustion is significant to groundwater environmental protection. This project is going to study the formation of ash and slag during heat conversion process of non-processed coal blocks, in order to reveal the effect of coal property and technical parameter on the distribution & composition of ash and slag. The distribution and microstructure of mineral phases and vitreum in the residue from coal combustion with intrusion of different rock minerals will also be studied to find the changes of ash and slag formation. The transformation mechanism of minerals matter from coal and rock to ash and slag is going to be investigated, and the new minerals and reactions will be identified. Finally, the physicochemical properties of ash and slag will be detected and the release of toxic elements will be investigated. The relationship among the oxidation technology, mineral phases of ash and slag, and their stability is expected to be established. The results will provide basic data and scientific basis for environmental effect evaluation of solid waste, solid waste pollution protection, and related groundwater pollution control aroused from coal seam gasification and coal fires. It has the innovation significance in the research field of coal combustion pollution discharge and pollution control.

煤层原位燃烧残留灰渣的属性识别对于地下水环境保护具有重要意义。本项目拟研究非洗选大尺度煤逐级热转化过程灰渣的形成，揭示煤质特征及工艺条件对灰渣分布及组成的影响；研究不同质、量外来矿物(本项目指煤层顶板岩石及煤层夹矸)侵入条件下煤层高温氧化灰渣中矿物质相和玻璃体的丰度及组织结构，探讨外来矿物质对灰渣组成及结渣行为的影响；研究煤、岩矿物质向灰、渣转变的高温共演化机理，识别外来矿物引起的特征矿物相及矿物相熔融聚合反应；研究煤层高温氧化灰渣的理化性质以及在地下水浸出条件下有害元素的释放水平，构建氧化工艺条件、灰渣矿物相组成、及灰渣稳定性级别的关联图谱。本研究将为我国煤层气化及煤田煤矿火灾引起的残留固体废弃物环境影响评价、污染防治、及相关地下水污染防治提供重要的科学依据及基础数据，在煤燃烧污染排放及控制研究领域具有重要的创新意义。

煤层气化是低阶煤原位清洁利用的重要方向，而地下残留灰渣对地下水环境具有潜在的污染风险，其物相组成及属性研究成为燃煤污染的新课题。项目研究针对煤层气化这种特殊的燃烧工艺，通过实验室模拟及理论研究，结合现场取样，深入研究了外来矿物侵入条件下，煤层高温氧化灰渣的形成过程及理化性质。依据煤层气化灰渣的形成过程，将煤层气化反应过程分解为煤的热解、还原及高温氧化三个阶段，并根据煤气组成对反应的界限进行了划分。以内蒙古典型褐煤为对象，开展了煤的热解实验、半焦—二氧化碳/水蒸汽还原实验、以及残焦高温氧化实验。设计并开展了顶板岩石侵入条件下，煤、矸石及岩石的共转化实验。采用XRD、XRF及SEM-EDS对逐级转化产物进行了矿物质组成分析及特征矿物质检定，探讨了随煤层气化进行的矿物质逐级演变机理。研究了矸石侵入及顶板岩层垮落及侵入对特征矿物质形成及演变的影响。开展了不同富氧浓度褐煤煤层气化模拟试验，研究了工艺条件对灰渣组成的影响。比较并识别了不同工艺条件下的典型含铁矿物及含钙矿物。采用热力学软件FactSage 6.4 中的Phase Diagram模块及Equilib模块，对矿物质演变行为进行了模拟研究。研究了煤层高温氧化灰渣的理化性质及浸出水平，构建了工艺条件、矿物相组成及灰渣稳定性的关联关系。依托我国首个褐煤地下气化现场试验，对气化燃空区煤岩样品进行了钻探取样、表征分析与浸出实验，发现位于反应中心区域的顶板岩样和灰渣样品不具备浸出毒性，而位于反应区边缘的顶板岩样中有害微量元素容易被浸出到水相中，不受热影响的煤岩样品不具备浸出毒性，元素Pb是需要重点关注的元素。研究成果填补了国内外该领域的研究空白，为煤层气化及煤田煤矿火灾地下残留废弃物的环境影响评价、污染防治及相关地下水环境污染防治提供了重要的基础数据及科学理论依据。