煤燃燒礦物組合演化及其與重金屬相互作用機制的研究.pdf

1、煤炭是我國主要能源資源，大量煤炭的消耗對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，汞、砷、鉻等重金屬和飛灰顆粒物的排放已對人類健康造成了巨大的危害。礦物質(zhì)是煤的重要組成部分，其在燃煤過程中遷移轉(zhuǎn)化行為對煤炭的安全有效利用和污染物的排放有著重大甚至決定性的影響。由于煤中礦物組分的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的經(jīng)典燃燒學(xué)理論已很難準(zhǔn)確深入的揭示其轉(zhuǎn)化過程，因此，采用各種新興的研究方法和技術(shù)手段系統(tǒng)研究礦物質(zhì)演化過程已成為本領(lǐng)域目前研究的熱點問題之一。 本文以飛灰形成過

2、程中礦物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化為主線，將礦物學(xué)和煤巖學(xué)相關(guān)理論融入到經(jīng)典燃燒學(xué)中，綜合利用磁選、篩分、浮沉實驗等分選方法對飛灰進(jìn)行了系統(tǒng)分選處理，結(jié)合X 射線衍射礦物定量分析、場發(fā)射掃描電鏡結(jié)合X 射線能譜、X 射線熒光探針分析等對飛灰中主要的、典型的單組分高鋁灰（鋁質(zhì)）、高鈣灰（鈣質(zhì)）和磁性灰（鐵質(zhì)）顆粒的物理化學(xué)特性、微區(qū)結(jié)構(gòu)特征和形成演化過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究； 建立了礦物定量熔融熱分析方法，分析了礦物演化對灰熔融和顆粒物形成的影響；

3、探討了不揮發(fā)性元素鉻和半揮發(fā)性元素砷與礦物的相互作用機制；調(diào)查了易揮發(fā)性元素汞與飛灰中各組分的相互作用機制，建立了飛灰吸附汞的動力學(xué)模型，為廉價飛灰脫除煙氣中汞的技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。 通過系統(tǒng)的沉降爐實驗，分析了典型鋁質(zhì)礦物的轉(zhuǎn)化規(guī)律，綜合運用熱分析、礦物學(xué)和晶體學(xué)等多學(xué)科理論，揭示了礦物晶格轉(zhuǎn)變對超細(xì)顆粒物形成的影響，建立了微觀晶體學(xué)結(jié)構(gòu)特征與宏觀顆粒物排放的關(guān)聯(lián)和關(guān)系。勃姆石脫水形成γ-Al2O3，隨著溫度升高γ-Al2O3

4、轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)θ-Al2O3，θ-Al2O3 微晶在高溫下形核長大形成α-Al2O3，隨著溫度的進(jìn)一步升高，α-Al2O3 進(jìn)一步長大粗化，形成約100nm的小晶粒； α-Al2O3 微晶的粗化長大對0.7μm 左右的亞微米細(xì)顆粒的形成有重要影響。采用低溫灰化、高溫煅燒、熱重分析研究了含鈣礦物的遷移轉(zhuǎn)化，揭示了不同鈣質(zhì)組分的形成演化機制；鈣氧化物相主要源于煤中含鈣碳酸鹽的分解；鈣硅鋁酸鹽相組成復(fù)雜，主要源于內(nèi)在礦物的融合凝并以及外

5、在含鈣礦物與外在硅鋁質(zhì)礦物的燒結(jié)；鈣硫酸鹽相和Ca-S-X相是含鈣礦物的自脫硫產(chǎn)物；外在含鈣礦物易形成鈣硫酸鹽相；而內(nèi)在含鈣礦物易形成Ca-S-X 相；Ca-S-X 相主要源于脫硫產(chǎn)物CaSO4 與硅鋁質(zhì)的結(jié)合。綜合采用HSC軟件熱力學(xué)和動力學(xué)模型計算預(yù)測了不同形態(tài)典型礦物的遷移轉(zhuǎn)化行為，基于已有的動力學(xué)參數(shù)對單個黃鐵礦顆粒的分解、氧化進(jìn)行了全過程模擬，詳細(xì)分析了鐵質(zhì)組分的演化機制，從理論上揭示了含鐵礦物易沉積的主要原因；外在含鐵礦物在

6、燃煤過程中大都直接氧化形成鐵氧化物相；內(nèi)在含鐵礦物與其他內(nèi)在礦物在高溫下熔合形成含F(xiàn)e、Al、Si的復(fù)雜的玻璃相，玻璃相的化學(xué)組成主要取決于單個煤顆粒中內(nèi)在含鐵礦物與粘土礦物的含量比例。 結(jié)合低溫灰化X 射線衍射礦物定量分析和經(jīng)典熱分析理論，發(fā)展了一種礦物熔融動力學(xué)方法，計算獲得了礦物熔融曲線，與常規(guī)煤灰熔融性測定方法測出的灰熔點相比，采用該方法計算的灰熔融特征曲線能更好地反映灰熔融變化規(guī)律；揭示了煤中礦物熔融多階段反應(yīng)過程，從

7、理論上證明了礦物熔融是逐漸加劇的過程。分析了礦物遷移轉(zhuǎn)化對灰熔融的影響，揭示了灰熔融對顆粒物形成的影響。 以典型高砷煤和高鉻煤為研究對象，系統(tǒng)研究半揮發(fā)性重金屬元素砷和不揮發(fā)性元素鉻在煤燃燒后飛灰顆粒的富集行為及其與礦物組分的相互作用。煤中砷、鉻的賦存形態(tài)對其在飛灰中的富集分布有重要影響；灰中主要元素鈣、鐵對重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化有重要影響。將煤巖學(xué)相關(guān)理論應(yīng)用到飛灰顆粒分類，構(gòu)建了飛灰碳質(zhì)有機巖相組分的分類方法，并采用固定床反應(yīng)

8、系統(tǒng)調(diào)查了飛灰與汞的作用機制，分析了飛灰脫汞能力的影響因素，揭示了不同飛灰碳顆粒類型脫汞能力的差異；飛灰捕獲汞能力與LOI 含量并無明顯關(guān)聯(lián)，各向異性碳顆粒尤其是多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)碳含量是決定飛灰脫汞能力的主要因素；煙氣中汞濃度、煙氣流量、溫度等反應(yīng)工況對汞的捕獲和氧化有重要影響；計算了三種動力學(xué)機理模型的動力學(xué)參數(shù)，分析調(diào)查了飛灰吸附Hg0 速率的控制機理，化學(xué)吸附是飛灰吸附汞的主要機理；揭示了飛灰對汞的氧化反應(yīng)機制，識別了飛灰與汞作用的四

9、類活性位，即：低能催化氧化活性位FA①、催化氧化活性位FA②、吸附活性位FA③和高能吸附活性位FA④；飛灰對汞的氧化機制以Mars-Maessen機制為主，無機組分中活性晶格氧是Hg0 氧化的重要的氧化劑。 全文系統(tǒng)的分析了燃煤典型礦物演化成灰機制，從單礦物入手深入系統(tǒng)的揭示了煤燃燒過程中顆粒物的形成機理，發(fā)展了基于礦物定量熔融熱分析方法，闡述了灰熔融動力學(xué)機理；探討了重金屬與礦物組分的作用機制，并揭示了飛灰對汞的吸附氧化機理，