煤炭中重金属富集运移转化机理研究

The environmental safety and heavy metal pollutant prevention are one of the hot topics in our society. Heavy metal pollutant is the typical environmental toxicity material with non-degradability and long time of duration. Along with the development of the national economy, the demand of the coal has increased, a large amount of heavy metal pollutant has entered into the environment, the heavy metal pollutant toxic phenomenon appeared. In this project, the heavy metal pollutant during the combustion process is chosen as the research object and the heavy metal pollutant enrichment, migration and transformation rule would be studied in the basic scientific research. The content is shown as follows. The test unit is designed for the heavy metal pollutant monitoring; The occurrence form of the heavy metal in the different coal seam would be measured; The heavy metal element volatilization character would be studied and the related mathematical model should be established during the process in the coal combustion. the heavy metal pollutant enrichment, migration and transformation rule and its influencing factors would be studied. The chemical thermodynamic model of the heavy metal pollutant would be improved. Through the bench-scale experiment, the mathematical model that reveal the release of the heavy metal pollutant would be established. In order to establish the basis for the heavy metal pollutant control and the new pattern control technique development, the enrichment, migration and transformation rule of the heavy metal pollutant would be studied in this project.

保障环境安全，防治重金属污染是社会关注的热点话题。燃煤重金属污染物是典型的环境毒性物质，具有不可降解性、污染持续时间长等特性。我国的主要能源为煤炭，随着国民经济的发展，对煤炭的需求增大，燃煤过程中重金属污染物大量进入环境，出现了区域性重金属污染中毒的现象。本项目以煤炭中的重金属污染物为研究对象，对煤炭中的重金属污染物的富集形态、燃煤过程中重金属运移转化规律进行基础科学研究。具体内容包括：设计适用于煤燃烧重金属污染物监测的燃烧试验装置；测定不同煤层原煤中重金属赋存形态；研究燃煤过程中不同形态重金属元素析出特性；研究燃煤过程中不同形态重金属元素的运移规律及其及其影响因素；改进和完善燃煤重金属元素的化学热力学模型；通过实验室试验，建立燃煤过程中重金属污染物的释放的数学模型。本项目旨在揭示燃煤过程中重金属元素的富集、运移和转化规律，为有效控制燃煤重金属污染和研制新型燃煤污染物。

煤炭在我国能源结构中都占据十分重要的地位，针对燃煤所释放出的重金属在环境中引发的危害，本项目系统地研究了煤中重金属的基本特性、迁移转化特征及其控制措施，主要内容如下：①研究了原煤中重金属的基本特性。全量分析结果显示煤中重金属元素的含量基本为微克级，大部分煤样中的Zn、Cd、As等含量超过或临近我国煤的平均值。逐级化学提取结果表明：Zn、Cd、As的有机物结合态占比不大，大多低于10%，最高不超过20%。其中Zn和Cd主要以可交换态、硫化物结合态和残渣态的形式存在，As是以硫化物结合态为主。数理统计分析显示：重金属和灰分间存在依附关系，主要以无机态的形式存在。②研究了燃煤重金属的迁移转化特征。静态燃烧试验结果表明：大部分的Zn、Cd、As已迁移挥发，挥发难易顺序为As >Zn> Cd。由重金属的形态分析可知：可交换态、硫化物结合态及有机物结合态的易挥发；X射线衍射分析表明：燃煤前后矿物质成分变化很大，煤灰中重金属的矿物载体要比原煤的稳定。③通过双因素方差试验研究了碳酸钙对燃煤重金属的控制效果。结果显示投加比取1%效果较好，燃烧温度则倾向于1000℃和1100℃。Zn、Cd、As的最高固定率分别为：38.41%、45.82%、23.93%，挥发率都超过50%。碳酸钙煅烧的产物氧化钙是很好的吸附剂，能与砷反应生成稳定的砷酸钙。④通过正交试验研究了调制碳酸钙对燃煤重金属的控制效果。在原碳酸钙的控制基础上，调制碳酸钙的对Zn、Cd、As的最高固定率分别为：72.77%、73.47%、58.44%，同时它们的挥发率依次为18.81%、15.40%、26.13%，说明固定效果较好。综合考虑后的最优参数组合是：燃烧温度为1000℃，金属盐种类为Al2(SO4)3，调制比为15。经调制后的碳酸钙微观物理结构变化较大，离子比取15时对孔隙的改善效果最好。金属离子的加入改善了碳酸钙的比表面积、孔径和孔隙率，且其颗粒表面有γ-Al2O3生成，这对提高重金属的固定效率是有积极作用的。热差分析结果表明调制碳酸钙的添加不会使煤灰的结渣特性加重。⑤燃煤烟气中痕量元素汞的排放、控制与其形态密切相关。以化学动力学为基础，提出一个涉及Hg、C、H、O、N、S、Cl 等7 种元素，涵盖42种组分，172 个基元反应的较为全面的Hg 的均相氧化动力学模型，并将模型计算结果与经典实验结果进行了对比验证。