低阶煤水热提质对煤质及重金属元素迁移的影响研究

发布时间：2020-07-29 19:54

【摘要】：煤是我国的主要一次能源。随着经济发展,能源需求将逐步增大,大规模开发利用以褐煤为代表的低阶煤势在必行。但是低阶煤普遍存在着高水分、低热值的缺点,需要采取预处理措施来脱除水分提高煤炭品质。水热处理是一种有效的非蒸发脱水技术,脱除的水分为液态无需汽化潜热,因而整体效率较高。水热处理会使煤的理化性质发生一定改变。痕量元素汞、砷、硒是挥发性较强的元素,在燃烧烟气段不易捕捉收集,对环境的危害性较大,引起了研究人员的极大重视。水热技术在脱除煤中水分的同时,也存在脱除煤中痕量元素的潜力。因此本文在研究水热技术对煤质影响的同时,对水热过程脱除痕量元素汞、砷、硒的能力展开探索。本文采用煤种为三种产自内蒙的褐煤。首先探究水热技术对褐煤基本物理化学特性的影响,包括煤的工业元素分析,孔隙变化,红外光谱图变化,热解特性变化等。由工业元素分析可知,水热提质后的煤水分含量降低,挥发分减少,热值上升,煤阶升高;孔隙结构变化上,由于水分减少原含水孔隙结构发生萎缩,比表面积、孔径和孔容等表征参数经过水热提质后都出现了减小,但随着水热温度提升,这些表征参数又出现了上升趋势,这与煤中挥发分析出促使产生新孔有关;从红外光谱图结果上看,水热提质煤的含氧官能团减少,脂肪烃含量下降,芳香烃含量上升,煤的化学组成由低阶褐煤向更高阶的烟煤转变。热解实验结果表明提质煤的热解特性有些许改变,主要表现为热解失重率下降,反应活化能升高。接着本文开展关于痕量元素汞/砷/硒在煤中赋存形态的研究。主要采用逐步提取法和浮沉实验两种方法。通过逐步提取法,将煤中痕量元素的赋存形态分成四种:可交换态、碳酸盐态、硫化物和残余态。根据提取实验结果,这三种煤中宝日煤和伊敏煤的汞元素主要以黄铁矿形式存在,而平庄煤中汞元素则主要是残余态汞(有机态汞和硅酸盐态汞);砷元素主要赋存形式也是黄铁矿,其次是砷酸盐;硒元素在残余态和硫化物态含量中较高。通过浮沉实验,发现不同煤的质量分布趋势并不相同,伊敏煤质量主要集中在1.3和1.3～1.4密度段,而平庄煤主要集中在1.3～1.4和1.4～1.5区段。另外测量各密度段煤汞/砷/硒的含量表明,各元素在高密度段含量较高,在低密度段含量较低,在1.8密度段各元素都出现了明显富集,说明各元素都有很大一部分比例与大密度段的无机矿物质相结合。在以上基础上,本文研究了水热过程对各痕量元素的影响。通过对比水热提质前后干基煤中的痕量元素浓度,发现水热作用对各元素都有一定脱除作用,对汞和硒元素脱除效果较好,对砷元素稍差。进一步的质量平衡分析结果显示,300℃C时能脱除煤中约31%的汞,约19%的砷,约37%的硒。水热产物中的痕量元素大部分以固态和液态形式存在,气态极其微量。通过对水热产物的逐级提取,发现水热过程主要影响有机结合态痕量元素。XRD结果显示水热作用对煤中主要矿物质影响较小,对微量的复杂矿物质有影响,可能会破坏其结构。通过热解实验和水热实验痕量元素脱除效果对比,发现同温度下热解作用对脱除Hg元素有明显效果,而对As和Se脱除效果较弱,说明热解作用是水热作用影响的一部分因素,对Hg元素热解影响明显,而对As和Se元素影响不是很大。最后对影响机理进行讨论,水热过程对痕量元素的脱除原理体现在热解作用和类亚临界水环境的对部分煤中难溶物质的溶解能力上。基于Factsage软件的热力平衡计算,以预测实际热力过程中的痕量元素的分布。主要针对气化和燃烧两个最为常见的热力过程,以它们的主要操作参数——气氛,压力和温度为考察变量,探究这些变量对痕量元素分布的影响。计算结果显示,对气化和燃烧过程,气氛和压力对产物的种类影响较小,只有温度会对其种类产生较大影响。相比气化过程,燃烧过程的产物更为集中,Hg元素主要是Hg单质,As元素主要是As4O6,Se元素主要SeO2。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ536
【图文】：

一次能源消费,世界,总量

１绪论逡逑１．１引言逡逑１．１．１邋世界及我国能源消费现状逡逑能源是人类赖以生存和社会经济发展的重要物质基础，促进了人类文明和社逡逑会生产效率的不断进步。从人类诞生之初的砖木取火，到近代工业革命对化石燃逡逑料的大规模使用，再到当代对化石燃料、可再生能源和核能等能源利用方式的多逡逑重并举，可以说人类文明的进步史就是一部不断探寻改进能源利用方式的发展史。逡逑在这个过程中，如何确保能源的稳定高效利用一直是人们关心的核心命题。同时，逡逑伴随着燃料尤其是化石燃料的使用，产生了各种有害于自然环境和人类身体的污逡逑染物，如能通过呼吸道进入人体的可吸入颗粒物和轻微含量也能致死的剧毒化学逡逑物质二VA英。这些污染物对人类的健康生活造成了极大影响，因此对能源利用过逡逑程中产生的污染物控制研究也是能源发展的一个重要推力。逡逑

世界主要国家,能源消耗,占比

浙江大学博士学位论文逦１绪论逡逑次能源量占世界总量的比例如下图１．２所示。值得注意的是，我国虽然仍是发展逡逑中国家，但由于人口基数庞大，消耗能源总量已经超过美国，成为世界最大的能逡逑源消费国，而且这个差距还在不断扩大，这可能会给我国带来极大的国际舆论压逡逑力，对全球温室气体减排谈判等国际活动造成不利影响，因此积极提高能源利用逡逑效率更显得紧迫和必要。逡逑２．４％逦２邋５％逦ｃ逦３．３％逡逑＾德国／加第大逦＿岕区昨，＿区逡逑＾邋印度邋＇邋／逦４１邋＼％逦＼逦／逦６７％逡逑ｅｌ逦其P家逡逑俄罗斯—欧邋ＭＥ逡逑２２９％逦＼逡逑中国逦２１３％逡逑美国逦北美地区逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．２邋２０１５年世界主要国家（ａ）和地区（ｂ）邋—次能源消耗占比逡逑根据ＢＰ公司的展望［２］，到２０３５年世界总人口会增加２１％，经济总量将翻番，逡逑能源消耗总量进一步增大。但随着单位ＧＤＰ能耗的减少，增加的能源消耗总量只逡逑有现在的１／３。一次能源比例方面，所有的一次能源实际消耗量都将上升，但各逡逑能源比例将出现小幅变化。化石能源依旧处于主导地位

变化趋势,煤炭,煤炭开发,国家战略

学博士学位论文年升高。这表明我国的能源需求越来越依赖于国际市场供应。进口国际在经济学上并没有问题，但考虑到国家战略安全，保持一定比例的能是非常有必要的。相较于石油一半以上依赖进口，煤炭的进口比例还说基本上能实行自给自足，而且煤炭事实上也是我国主要能源，因此笔绕煤炭开发高效清洁利用技术对保证社会经济的稳定发展和确保国安全都具有重大意义。逡逑

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