低階煤水熱提質(zhì)對(duì)煤質(zhì)及重金屬元素遷移的影響研究.pdf

1、煤是我國的主要一次能源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,能源需求將逐步增大，大規(guī)模開發(fā)利用以褐煤為代表的低階煤勢(shì)在必行。但是低階煤普遍存在著高水分、低熱值的缺點(diǎn)，需要采取預(yù)處理措施來脫除水分提高煤炭品質(zhì)。水熱處理是一種有效的非蒸發(fā)脫水技術(shù)，脫除的水分為液態(tài)無需汽化潛熱，因而整體效率較高。水熱處理會(huì)使煤的理化性質(zhì)發(fā)生一定改變。痕量元素汞、砷、硒是揮發(fā)性較強(qiáng)的元素，在燃燒煙氣段不易捕捉收集，對(duì)環(huán)境的危害性較大，引起了研究人員的極大重視。水熱技術(shù)在脫除煤中水分

2、的同時(shí)，也存在脫除煤中痕量元素的潛力。因此本文在研究水熱技術(shù)對(duì)煤質(zhì)影響的同時(shí)，對(duì)水熱過程脫除痕量元素汞、砷、硒的能力展開探索。
　　本研究采用煤種為三種產(chǎn)自內(nèi)蒙的褐煤。探究水熱技術(shù)對(duì)褐煤基本物理化學(xué)特性的影響，包括煤的工業(yè)元素分析，孔隙變化，紅外光譜圖變化，熱解特性變化等。由工業(yè)元素分析可知，水熱提質(zhì)后的煤水分含量降低，揮發(fā)分減少，熱值上升，煤階升高；孔隙結(jié)構(gòu)變化上，由于水分減少原含水孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生萎縮，比表面積、孔徑和孔容等表征參

3、數(shù)經(jīng)過水熱提質(zhì)后都出現(xiàn)了減小，但隨著水熱溫度提升，這些表征參數(shù)又出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，這與煤中揮發(fā)分析出促使產(chǎn)生新孔有關(guān)；從紅外光譜圖結(jié)果上看，水熱提質(zhì)煤的含氧官能團(tuán)減少，脂肪烴含量下降，芳香烴含量上升，煤的化學(xué)組成由低階褐煤向更高階的煙煤轉(zhuǎn)變。熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提質(zhì)煤的熱解特性有些許改變,主要表現(xiàn)為熱解失重率下降,反應(yīng)活化能升高。采用逐步提取法和浮沉實(shí)驗(yàn)兩種方法。通過逐步提取法，將煤中痕量元素的賦存形態(tài)分成四種：可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、硫化物和殘

4、余態(tài)。根據(jù)提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這三種煤中寶日煤和伊敏煤的汞元素主要以黃鐵礦形式存在，而平莊煤中汞元素則主要是殘余態(tài)汞（有機(jī)態(tài)汞和硅酸鹽態(tài)汞）；砷元素主要賦存形式也是黃鐵礦，其次是砷酸鹽；硒元素在殘余態(tài)和硫化物態(tài)含量中較高。通過浮沉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同煤的質(zhì)量分布趨勢(shì)并不相同，伊敏煤質(zhì)量主要集中在<1.3和1.3~1.4密度段，而平莊煤主要集中在1.3~1.4和1.4~1.5區(qū)段。另外測(cè)量各密度段煤汞/砷/硒的含量表明，各元素在高密度段含量較高，在低

5、密度段含量較低，在>1.8密度段各元素都出現(xiàn)了明顯富集，說明各元素都有很大一部分比例與大密度段的無機(jī)礦物質(zhì)相結(jié)合。研究了水熱過程對(duì)各痕量元素的影響。通過對(duì)比水熱提質(zhì)前后干基煤中的痕量元素濃度，發(fā)現(xiàn)水熱作用對(duì)各元素都有一定脫除作用，對(duì)汞和硒元素脫除效果較好，對(duì)砷元素稍差。進(jìn)一步的質(zhì)量平衡分析結(jié)果顯示，300℃時(shí)能脫除煤中約31％的汞，約19%的砷，約37%的硒。水熱產(chǎn)物中的痕量元素大部分以固態(tài)和液態(tài)形式存在，氣態(tài)極其微量。通過對(duì)水熱產(chǎn)物的

6、逐級(jí)提取，發(fā)現(xiàn)水熱過程主要影響有機(jī)結(jié)合態(tài)痕量元素。XRD結(jié)果顯示水熱作用對(duì)煤中主要礦物質(zhì)影響較小，對(duì)微量的復(fù)雜礦物質(zhì)有影響，可能會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)。通過熱解實(shí)驗(yàn)和水熱實(shí)驗(yàn)痕量元素脫除效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同溫度下熱解作用對(duì)脫除Hg元素有明顯效果，而對(duì)As和Se脫除效果較弱，說明熱解作用是水熱作用影響的一部分因素，對(duì)Hg元素?zé)峤庥绊懨黠@，而對(duì)As和Se元素影響不是很大。最后對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行討論，水熱過程對(duì)痕量元素的脫除原理體現(xiàn)在熱解作用和類亞臨界水環(huán)境的

7、對(duì)部分煤中難溶物質(zhì)的溶解能力上。于Factsage軟件的熱力平衡計(jì)算，以預(yù)測(cè)實(shí)際熱力過程中的痕量元素的分布。主要針對(duì)氣化和燃燒兩個(gè)最為常見的熱力過程，以它們的主要操作參數(shù)----氣氛，壓力和溫度為考察變量，探究這些變量對(duì)痕量元素分布的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)氣化和燃燒過程，氣氛和壓力對(duì)產(chǎn)物的種類影響較小，只有溫度會(huì)對(duì)其種類產(chǎn)生較大影響。相比氣化過程，燃燒過程的產(chǎn)物更為集中，Hg元素主要是Hg單質(zhì)，As元素主要是As4O6，Se元素主要Se