（环境工程专业论文）淮南煤燃烧过程中环境意义微量元素迁移性的实验研究.pdf

麓要 摘要 煤及其燃劳产物中的某些微量元素特别是环境影响微量元素对环境和人类的 健康有重大的影响。研究煤中有环境意义的微量元素在燃烧过程中的迁移性，能 为减少和控制煤中微量元素对环境的影响提供理论依据，具有重要的环境意义。 本文通过对研究区煤及其燃烧产物( 煤灰) 进行的一系列测试分析，运用数 理统计的方法对淮南矿区煤及其煤灰中的有环境意义微量元素的分布特征进行了 分析研究并和其他地区煤中相应的微量元素作了对比。与华北地区和中国煤相比 较，研究区煤中大部分环境意义微量元素的分布属于正常水平，只有v 、c u 和 c o 有异常高值出现 运用煤及其不同温度下燃烧产物煤灰中有环境意义微量元素的测试结果，燃 烧平衡率的计算和分析，探讨了环境意义微量元素在煤燃烧过程中的迁移性总 体上看，两种不同燃烧温度下。大部分元素都有程度不同的逸散，但高温条件下 逸散的程度较低温条件下要商依据燃烧过程中环境微量元素的行为，可将环境 微量元素划分为三类；第一类，z n 、s b 和t l ，部分呈挥发状态进入大气环境， 部分残留于煤灰中；第二类，c d 、t j 、c q 、s n 、p b ，t h 、c n 和b a ，少量呈挥发 状态进入大气，大部分残留于煤灰中：第三类，b e v 、c f ，n i 、a s 、s e 、m o ， 基本残留于灰中 还分析了环境意义微量元素在燃烧过程中迁移性的影响因素，包括燃烧温度； 环境微量元素自身的性质及燃煤的性质。 在环境影响方面，1 8 个环境微量元素中，p b 、c u 、c o 、z n 、c d l t 、b a 、s n 、 n ，t h 和s b 在燃烧过程中有逸教，说明这些元素对大气的污染较其他元素更严嚣。 m o 、s e 、a s 、确、q 、b e 和生燃烧过程中几乎没有逸散，它们对环境产生的影 响很大程度上通过排放的底灰 本文结合掳! ：中有环境意义微量元素的各种物理化学参数，综合分析了这些微 量元素在煤燃烧过程中迁移的内在控制因素和外部影响条件，为防治燃煤对环境 和人体健康的影响提供科学依据 关键词：微量元素迁移燃烧淮南 安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t c e r t a i n1 1 - a c ee l e t a e n t se s p e c i a l l yh e a v ym e t a le l e m e n t si nt h ec o a la n dt h ec o a l a s hh a v et h es i g n l f i c l m ti n f l u e n c et ot h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a n i t y sh e a l t h 啊把 一 ， ，r _ 【，、 r e s e a r c ho nm i g r a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t a lt r a c ee l e m e n t si nc o m b u s t i o np r o c e s s 伽 口r o “d e st h et h e o r yb a s i sf o rr e d u c t i o na n dc o n u o lo ft h eu a c ee l e m e n t si n f l u e n c ea n d ，i | 二， ，t 。l 一 h a st h ei m p o r t a n te n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c e 一 。 ： ， t h od i s t r i b m e dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee n v i r o n m e n t a lt r a c ee l e m e n t si nt h ec o a la n d r 7， f i 一 - ? a s hh a sb e e ns t u d i e db a s e d0 1 1as e r i e so ft e s t sa n a l y s i so nt h ec o a la n di 惦c o m b u s t o n - - ：t一 ， ，t -一 p r o d u c t ( c o a la s h ) a n du t i l i z a t i o no fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cm c t h o d t h em a j o r i t yo f e n v i r o n m e n t n lt r a c ee b * m e n t sb e l o n gt ot h en o r m a ll e v e li nt h er e s e a r c ha r e ac o m p a r e w i t hn o r t hc h i n aa n dt h en a t i o n , o n l yv ，c ua n dc oh a v ee x c e p t i o n a l l yh i g hl e v e l t h e d i s t r i b u t e dr u l eo ft h ee n v i r o n m e n t a lt r a c ee l e m e n tj nt h er e s e a r c ha r e ah a sb e e na l s o s t u d i e d t h em i g l _ a l i o no fm ee n v i r o n m e n t a lt r a c ee l e m e n t si nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sh a s b e e nd i s c u s s e db yu s h l gt e s tr e s u l tc o n t r a s tb e t w e e nc o a la n da s h e st h a to l ld i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o m p u t a t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h eb u r n i n gb a l a n c e i nt h eo v e r a l ll o o l t h em a j o n t yo f e l e m e n l 葛h a v et h ep a r t t ye m i s s i o no nd i f f e r e n tc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ， b u tt h ee m i s s i o nd e g r e ei sh i g h 蚰h i g ht e m p e r a t u r et h a no l ll o wt e m p e r a t u r e t h e e l e m e n t sb e h a v i o ri nt h ec o m b u s t i o nm a ym a k e 出v i s i o nt ot h r e e “n d s ：t h ef i r s t , z n 。 s ba n d 孔m ep a r te n l e rt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o m n e mb yt h ev o l a f i l i t yc o n d i t i o n , t h e o t h e rr e l h s i n si na s h ；t h es e c o n d , c d , u c o ，s n , p b ，t h , c ua n db e go n l yh a v ef e wp a r t a s s u m e st h ev o l a t i l i t yc o n d i t i o nt oe n t e rt h ea t m o s p h e r e t h em a j o r i t yr e m a i n si na s h ； 蒜如，毫e ，v c r ，n i a 8 ，s e , m 0 ，缸i 毒盎a i 矗0 j s h 菇i c 0 i f 二。j 一“一 a 5t oe n v i r o n m e n t a le f f e c t , p b ，c u , c o , z n , c d , u ，b a , s n , t l ，t ha n d s bh a v et h e d i s s i p a t i o ni nt h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，t h e s ee l e m e n t si sm o r es e r i o u st b a nt h eo t h e r st o t h ea a n o s p h e r i cp o l l u t i o n m o , 融a s n i ，c r ，b ea n dv n e a r l yh a v et h en od i s s i 刚眦 e a c hp h y s i c a la n dc h e m i s t r yp a r a m e t e ro ft r a c ee f i v i r o n m e n t a lt r a c ee l e m e n t si n t h ec o a lw a su n i f i e di nt h ep a p e r t h em i g r a t i o nb e h a v i o ro f e l e m e n t sw a ss t u d i e da n d t h em o d e so ft h em o b i l i t ya n de m i s s i o l lm e c h a n i s mo ft r a c ee l e m e n t si nc o a lw e r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：t r a c ee l e m e n t s , m i g r a t i o n , c o m b u s t i o n , h u a i n a n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞筮翌王盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示 学位论文作者签名：j 月! 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解窒筮堡互左堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徼垄兰盘堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋本人授权 安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文( 保密的学 学位论文作者签名： 导师签名： 铽孓智 ， 、 月月 ，p，v 剀降净 科孑 授： ： 本期期 引言 引言j 煤中的微量元素尤其是有害元素对环境和人类健康有着重大影响。煤在开采j 洗选、堆放和运输使用过程中，其中的微量元素会发生再分配、迁移、转化丽进 入环境，并参与生物地球化学大循环因此，研究煤中微量元素：特别是可能对 环境产生不良影响的微量元素的分布规律以及在煤燃烧过程中的迁移转化规律及 其聚集模式，对于正确评价煤中微量元素的环境效应，预防煤中有害微量元素对 环境的不良影响、保护生；酾币境有重要的理论指导意义和现实意义。我国煤中微 量元素的研究近年来取得了很大的进展，但对于淮南煤田，煤中微量元素的研究 很不充分。因此，加强淮南煤中徽量元素特别是有环境意义的微量元素的研究- 5 具有重要的理论意义。研究煤中有环境意义的微量元素的含量、分布及燃烧过程 中的迁移性。为控制和减少煤中环境意义微量元素的环境危害、保护生态和人类 生存环境方面提供理论基础 一对淮南煤田的7 个煤矿主采煤层进行取样，j 对蠼进行燃烧实验并测定煤及煤 燃烧产物( 煤灰) 中有环境意义徽量元素的丰度计算出研究区煤层中有环境意 义微量元索的平均台量，并与华北煤、。中国煤中相应的微量元素的平均畲量进行 了对比，以了解研究区煤中有环境意义微量元素含量的一般特征通过分析环境 意义微量元素在同一井田不同煤层、同一煤层不同井田中的含量分布，找出这些 微量元素在研究区主采煤层中的分布规律t 通过对研究区煤中环境意义微量元素 以及两种不同燃烧温度下煤灰中环境意义微量元素的对比分析、燃烧平衡率的计 算和分析。结合有环境意义微量元素的地球化学性质和前人的研究成果，探讨了 环境意义微量元素在燃烧过程中迁移的规律，为环境意义微量元素在煤开发利用 过程中的去除和环境效应评价提供理论基础 研究的目的是根据研究区煤及其两种不同燃烧温度下煤灰中有环境意义微量 元素的含量、分布规律和迁移性的研究结果，对研究区煤中有环境意义徽量元素 在煤燃烧过程前和后的去除以减少其环境危害，为环境效应评价提供依据和建议 安徽理工大学硕士论文 1 1 概述 1 1 1 煤中微量元素的概念 l 绪论 ：煤是经过漫长的地质演化过程形成的，在这个过程中由于各种地质作用，：其 “交际面8 非常广，+ 因此几乎包含有元素周期表中的所有元素。f i n k m a n ( 1 9 9 3 ) 根据对煤中微量元素的含量界限划分和研究的实际需要，把组成煤的元素按照含 量的多少分为：常量元素 1 ，如c ，h ，t0 ，n 等) 、次要元素( 含量在 o 5 1 ，如k 。m g ，n a ) 和少量元素( 含量 和气相( 煤 层气) 的常量元素有1 2 种，即：c ，h ，o ，n ，s ，a l ，f e ，m g ，s i ，k t ，c a t n a ；其余7 4 种元素属煤中的微量元素。 一 i i 2 本文研究韵环境意义徽量元素 4 煤中有些微量元索，当在环境中达到一定浓度时，会对环境中很多生物体产 、f + ， ，i - 生危害，这些元素被称为煤中有环境意义微量元素( e n v 抽n m e i l t a lt r a c ee l e m e n t s ， e t e ；) 根据著囊煤环境地球化每家s 矗嚏孟的报遭：”赢中有2 6 种芜素( 表i ) 为值得重视的有环境寝义的微量元素。 囔i 煤中有环境意义微量完囊 t a b l c l1 j 晴c l a n 嘲眙i n 缸o f c n v i r o m n c a m d i n t 日e s t i t i t a 3 、c d 、q 、b 、c l 、f ，m n ，m o 、n i 、v 、b a 、c o ，i 、r a 、 h g 、p b 、s e b e 、c u ，p 、t h 、u 、z n s b 、s n 、t l 依据我国有关土壤环境质量标准及各类水环境质量标准，并参照s w a i n e 对煤 2 第l 章绪论 中有环境意义微量元素的意见。中国制定的优先污染物监测黑名单“( 重金属 类) 【2 l ，本文从4 7 种微量元素中筛选出b e 、v 、c r 、c o 、n i 、z n 、a s s e 、c d 、 p b 、u ，b a ，s n 、t i 、m o 、t h 、c u 和s b l8 种微量元素作为研究对象 1 2 研究历史 1 2 1 国外研究历史 煤炭的利用历史源远流长，然而。对煤中微量元素的发现与研究仅有一百余 年的历史。煤中微量元素的研究历程是与社会和经济发展紧密相连的。大体可分 为四个阶段：发现阶段、理论阶段、利用阶段和环保阶段。+ “发现阶段t 自1 9 世纪中叶到2 0 世纪3 0 年代初，由于受到当时测试技术的限 制，煤中微量元素的研究一直停留在发现微量元素的阶段从1 8 4 8 年r i c h a r d s o n 在苏格兰烟煤煤灰中发现了2 的z n 和1 2 的c d 元素，1 8 7 5 年p e r c y 在英国煤 中发现了以方铅矿形式存在的p b ( h b r i g g s , 1 9 3 4 ) 后，各国学者陆续在煤中发现 其他微量元素到1 9 3 3 年止，在煤中发现的微量元素达8 0 多种。 理论阶段t2 0 世纪3 0 年代末到5 0 年代，由于战争的能源需求及重工业的飞 速发展，刺激了煤炭利用的进步。煤中微量元素的研究工作也得到了相应的发展 研究者的主要兴趣集中于煤中微量元素与成煤地质条件的关系i 徽量元素在煤层 中的分布规律及其成因方面的研究。企图以此解决一些煤母地质的理论闯题。例 如，o t t e 3 】等根据煤中微量元素共生组合特点及在某些层位的富集情况j 进行地层 和煤层对比 。利用阶段i2 0 世纪6 0 年代，由于电子工业、核工业迅速发展，社会上对稀 有金属的需求羹剧增。同时，能源危机的日趋严重，必须开辟新的能源。在这股 潮流推动下，世界上几个主要产煤国家( 如美国、前苏联、英国、澳大利亚等) 都先后调查了本国煤中稀有金属的资源状况，并建立了从煤中提取锗、镓、钒、 铀等工厂f 1 。与：艺相应，各国学者开始对不同时代、不同时期、不同地区的煤和 含煤建造中的微量元素进行了研究。主要集中在煤中微量元素分布与成矿作用的 关系、赋存状态及其与物质组成的关系等i m 具有代表性的是z u b o v i c 等曾先后 研究了美国东部、西部及西南部煤田煤中微量元素在盆地水平、垂向上的分布变 化规律，并为后来的研究者提供了新的研究思路。也有少数研究者意识到煤中有 害元素对环境的影响与危害 3 安徽理工大学额士论文 环保阶段。 一些发达国家真正重视煤中有害元素对环境的危害是从2 0 世纪 7 0 年代后期开始的。7 0 年代后期，各国用煤量剧增，煤的开发利用造成的环境污 染及其给人类健康醒；来的负面影响，已引起人们的关注8 0 、9 0 年代，一随着环保 意识的提高，先进测试技术的出现和广泛利用，对煤中微量元素的分布规律、赋 存状态及成因类型等研究比较深入。特别注重对煤中有害元素对环境的影响及抑 制方法的研究。 1 2 2 国内研究历史 我国煤中微量元素的研究起步较晚，1 9 5 6 年才开始煤中伴生元素调查与研 究，少数学者对煤串微量元素进行了探讨，但仅限于g a 、c r e 、u 及v 等少数几 种元素准确的说。我国对煤中微量元素进行大规模的研究是从2 0 世纪8 0 年代 开始的，近十年来，这方面研究有了很大的进展取得了一定的成果。从研究内 容来看。国内的研究可以概括为以下两个方面：一是煤中有害元素的成因研究， 包括分布规律、赋存状态和迁移富集机制；是燃煤产物中有害元素的分布规律 及对环境的影响研究 1 3 研究现状 1 3 1 国外研究现状 近2 0 年来开始通过粉煤灰来研究微量元素的浓度与环境的关系睁”1 。具有代 表性的有：b o u s k a f l o l 对煤中约6 0 种元素( 含常量元素) 的台量和赋存状态进行了综 述；v a l k o v i c h l 总结了煤中伴生元素的丰度、赋存规律、测试方法及煤燃烧过程 中舒：生元素的迁移转化规律与回收利用途径；s 帆i n 一? 研究了二叠纪煤中的微量 元素；q 加d a r 2 i 【1 3 l 研究了煤中元素分布；s o l a r i t “l 总结了煤中微量元素的分布模式， d u d a $ 1 1 5 l 研究了淋滤：始睑和迁移转化等等。国外先后出版了许多专著如s w a i n e p j 的煤中微量元素，1 9 9 4 年美国能源部高硫煤燃烧残渣处理的出版，同年 燃料加工工艺杂志出舨了“煤及其燃烧产物中的微量元素”专辑，讨论煤及其 燃烧产物中微量元熹的赋存状态与分布及在利用过程中的转移闯题，s w a i n e 与 o o o d a r - z a 6 撰著了：漂中微量元素的环境效应 等等 4 第1 章绪论 1 3 2 国内研究现状 在2 0 世纪7 0 年代末期，国内的研究主要集中在煤的燃烧产物( 灰渣、灰及 烟尘) 对环境的影响方面8 0 年代末至9 0 年代中期，随着电子工业和科学技术 的发展，研究领域生产出一些精度高，用途广泛的先进的仪器设备，从而推动了 这项科研工作的深入开展。加之我国学者认识到研究煤中微量元素的重要性，从 而使我国对煤中微量元素的研究处于历史高峰。进入2 0 世纪最后十年，煤中微量 元素的研究得到进一步重视。先后有一大批学者取得了突破性进展。具有代表性 的有：踟年代，孙景倒 j 等将1 5 个中国煤样在实验室内用a s t m 标准灰化程序 灰化( 灰化温度为7 5 0 ( 2 ) 得到的灰样，用中孑活化法分折煤和灰中含有的2 8 种微量 元素，计算了这些元素在灰中含量与在煤中含量之比值，提出煤在静态燃烧过程中， 煤中2 8 种微量：元素迁移和聚集情况。其中大部分( 7 5 以上) 挥发的元素有b r 、c l 、 i 、s e ：部分( 1 0 2 5 以上) 挥发的元素有c s 、v ；大部分( 9 0 以上) 留在 煤灰中的元素有a s 、b a 、c o 、c r 、。h f , m n 、s b 、s e 、s r 、t a t i 、t h ，u 、w 、 l a ，c c 、s m 、e u 、t b 、y b 、l u 许琪【1 s i 通过对若干火力发电厂粉煤灰的研究， 提出了燃煤过程中微量元素入侵环境的“动态序列模型”；杨绍晋与钱琴芳u 哪研究 了火力发电厂燃煤过程中微量元素在各产物中的分布，依微量元素丰度分布特征 将元素分为三类；陈冰如等1 2 0 l 探讨了我国1 0 7 个煤矿中微量元素的浓度，给出了 煤矿样品中微量元素的第一批系统的数据；周义平f 2 l l 详细研究了煤中汞、砷的分 布成因类型及赋存状态。王运泉【芷l 对煤及其燃烧产物中微量元素进行了淋滤实 验，建立了元素的淋滤强度数学模型王起超l 蠲分析了灰渣中微量元素的分析规 律，重点是h g 元素。赵峰华【2 4 l 对煤中有害微量元素进行了详尽的研究，分析了 燃煤产物中某些有害微量元素入侵水环境的机制，提出了微量元素富集的5 种成 因类型；刘桂建【2 5 l 对鲁西南及兖州、济宁矿区各煤层中的微量元素在煤层垂直方 向，水平方向上的变化规律、聚集机理、赋存状态、环境特征等方蘧进行了较为 详细的分析；任德贻伫6 期研究了不同聚煤期中微量元素的丰度、稀士元素的分布 特征，燃煤产物中微量元素的分布特征及其淋滤行为；张军营网探讨了煤中潜在 毒害微量元素富集规律及其污染性抑制，系统分析了煤中潜在有害微量元素的富 集机理；唐修义，黄文辉掣2 9 1 依据自己的分析资料和摘自公开出版物中的分析数 据，整理出我国煤中6 3 种微量元素在煤中的含量数据，并且区分出“多数煤样中 检测到的含量值”和“少数煤样中检测到的含量值”两种情况，而且还总结出了 安徽理工大学硕士论文 北美洲、南美洲、大洋州、非洲、欧洲、亚溯主要产煤国煤中微量元素的含量值， 以及美国地球化学委员会、前苏联学者，澳大利亚学者和捷克学者估算的世界煤 中微量元素的平均值。通过这些数据可使相关研究者对微量元素在煤中的丰度有 一个全面的了解，这是研究煤中微量元素的基础；陈萍等i 删对全国已发表的1 9 1 5 个煤样数据资料统计表明，我国多数煤中砷含量处于0 4 1 0 m g k g ，平均值为4 5 m g k g 。贵州一些地区二叠纪煤的含砷量最高可达3 5 7 0 m 毋g ，可谓世界之最 同时认为砷的赋存方式主要为：类质同象赋存于黄铁矿中；以粘土矿物和稀有的 含例i 矿物为载体；缔合于有机质中。崔龙鹏等【3 i 】运用现代环境微量元素分析技术 ( i n a a 和i c p - m s ) 测定了煤矸石中4 6 种微量元素，若用冷原子吸收法分析h g 、 选择性电极法分析f ，进而筛选出1 1 种具有环境意义的有害元素：1 0 种金属元素 ( c d 、c 聪、n i 、s n 、h g 、b i n 、a s 、c r 、p b 和z n ) 和1 种非金属元素f ，并以总 量法初步预测和评估这些元素的含量水平和潜在的环境影响，并将淮南煤及其土 壤、世界煤、华北泥岩作了对比，结果表明：煤矸石中c d 、c u 、m n 、n i 、p b 、 s n 等超出土壤背景值，有必要对这些元素在矿区环境污染迁移性和累积件的环境 效应进行深入调查研究。 综上所述，当前国内外研究主要集中在以下几方面t 基础理论集中于研究煤 中微曩元素的分布规律、赋存状态，进而探讨其迁移富集规律和控制因素。应用 方面主要探讨元素的指相意义、元素的工业利用价值及回收途径、有害有毒元素 入侵环境的机制及对环境的污班。 1 4 研究意义和研究内容 1 4 1 研究意义 我国是产煤大国，煤炭也是我国的主要能源，在一次性能源消费中占很大的 比例，达7 0 左右。根据我国能源资源形势预测，到2 0 1 0 年，我国煤炭资源在 一次能源消费结构中将占6 6 乃，即使到2 0 5 0 年也将达到一半以上。因此短期内 煤炭在我国的地位不会改变。 随着人们环保意识的增强和各国环保法规的日益严格。煤中微量元素在煤利 用过程中对环境及人体健康造成的危害越来越引起广泛关注。由于我国一直把煤 炭作为主要能源，加之部分落后的燃煤方式、烟气污染控制技术，煤炭在利用过 程中i ；i 起的环境污染问题已相当严重。煤中的微量元素在利用过程中能以不同形 式迁移至大气圈、水圈和土壤圈中，煤燃烧放出的气体及粉、飘尘中均有微量元 6 。第l 章绪论 素，煤燃烧的残余物中也有此类物质并可能造成对土壤和浅层地下水的污染。”从 而危害人类和其他生物体的生存安全，此类事件在世界许多用煤国家都已发生。 如前捷克斯洛伐克燃煤电厂捧放的a s 和p b 造成附近地区儿童骨骼生长缓慢，美 国弗吉尼亚州一些地区，燃煤废物中v 和s c 引起附近居民水井的污染，美国北 卡罗纳州和得克萨斯州，燃煤所产生的s e 造成大范围的鱼类死亡【3 副在中国， 人们已从我国的煤中检测到平均含量低于o 1 的微量元素4 7 种m l 。近年来，有 许多学者从不同角度论述了煤炭开发及燃烧过程中a s ，h g ，f ，c i ，p b ，c r c d 等微量元素向大气的排放及产生的固体残渣造成的严重环境污染【3 ”。许多地方 病，如水俣病田g 中毒) 、骨痛病( c a 中毒) 、脱甲病( s o 中毒) 等，及一些地方性生 物中毒现象，如贵州部分地区的a | 中毒，湖北恩施等地的s e 中毒现象都被发现 与燃煤有关f ，q 钉因此，加强对煤中微量元素分布以及燃烧过程的迁移转化研究， 无论对于评价煤炭资源特征，还是降低煤中微量元素对环境的危害，都非常有意 义。 1 4 2 研究内容 1 通过收赛大羹的研究资料，并结合本次研究的采样测试结果，分析研究煤 中微量元素的含量及分布状况。 1 2 通过煤的燃烧实验以及对燃烧前后徽量元素含量的测定，分析研究煤中微 量元素的迁移规律，根据两次燃烧实验的分析数据，找出不同燃烧温度下微量元 素的迁移规律，从而分析影响微量元素迁移的因素 3 。运用数理统计方法分析了煤中微量元素与燃烧温度之间以及燃烧过程中各 微羹元素之间的相关关系 4 燃煤过程中微量元素的迁移存在一个质量平衡系统，这个系统进入的是煤， 产出的是固体相的燃烧产物及捧入大气的物质，圊相燃烧产物是煤灰。排向大气 的物质是指气相挥发性物质，依据质量平键原则找出微量元寨的迁移规律 5 评价样品煤中各微量元素在燃烧过程中对环境可能造成的影响 7 安徽理工大学硕士论文 1 5 完成的研究工作量 表2 研究工作量一览表 、， t a b l e 2l i 时o f t h er e s e a r c hw o r k i 。、交目一。i ：“内容或目的。、j 数蒸“+ ：童症。! 一。 -， 7 j ，；，：! ，。 一 ， + 、。+ ：i 、 、： ，1 l ” 、 样品处理 。样品混匀、磨酵、筛分h ，- 1 7 安徽理工大学地质中心 -一 安徽理工大学化工系煤化学 室内静态燃烧实验 荔- 取8 1 5 c 和l1 0 0 ( 2 温度下煤的 1 7 实验室和资环系环境监测实 ( 隔温马弗炉)燃烧灰分数据和煤灰 验室 ， ， ，二7 ， ， 。十 ： ， j。， 安徽理工大学化工系煤化学 煤质分析。 煤工业分析元素分析、化学分析 1 7 实验室 。 ， 、 f 一r ， 微量元素分析 b e ，v ，c r ，c o ，n i ，z n ，a s ， s e fc d 、p b 、u 、b a 、s n 、t i 、 1 7 核工业都北京地质研究院 ( i c 卜m s ) m o 、t h 、c a 和s b ，；：，3o?l ：1 - 二j 一， 。一、 。j l j j 7 物相分析 确定煤及煤灰中的主要物相。 2 7 核工业部北京地质研究院 ( x 前射分析) ， -、， 0 一4 “ s ， 第l 章绪论 1 6 研究方法及技术路线 1 6 1 研究方法 在实验室内采用测试煤灰分产率的方法制出灰分样品，对比分析原煤和灰分 中的微量元素含量，探讨元素的挥发性及其在煤灰中的富集程度，找出微量元素 的迁移和样品中元素和化合物的相关关系、 微量元素质量平衡率是研究燃煤过程中微量元素逸散和分配分布状况的重要 方法本文采用人工静态燃烧( 高温灰化) 研究煤中微量元素在燃烧过程中的质 量平衡，并籍此计算各微量元素的迁移规律静态燃烧的质量平衡率公式为： 燃烧早餐事= ( 爆灰中t 量元素散度灰分产事爆中t 量元素的藏度一1 ) * 1 0 0 由该平衡率公式可知，其数值应再0 1 0 0 之问，负号表示元素在燃烧过程 的微量元素的逸散，绝对值表示逸散程度实验方案如下： 1 进行煤样燃烧实验，燃烧温度为8 1 5 和1 1 0 0 测定产灰率并取得样品； 2 对煤样和灰样进行常规分析以及徼量元素豹测定r 3 微量元鬃测定结果的分析和燃烧平衡率的计算：t 4 分析元素迁移规律# ，评价环境效应。 1 6 2 拟采取的技术路线 本研究首先对国内外有关专家和单位的相关研究文献进行了大量收集和了 ， 。 解，通过对前人研究成果的分析，确定了研究的方向和内容。采取的技术路线见 图1 9 安徽理工大学硕士论文 田l 技术路线圈 第2 章研究区概况 2 研究区概况 2 1 位置、交通与自然地理 。淮南矿区位于安徽省中部淮北平原南部，淮河中游两岸东经1 1 6 。2 1 2 1 ”t 1 1 7 1 1 5 9 ”与北纬3 2 3 2 4 5 ”3 3 0 2 4 ”之间。东起周镇一长丰断层西至阜阳，北 抵明龙山一上窑断层，南止阜阳一舜耕山断层东西长约l o o k m 。南北宽2 5 k i n ， 面积约2 5 0 0 k i n ： 地貌类型兼有平原和丘陵的特点j 地形较为复杂，山丘、岗地、 平原，湖洼、河流、湖库兼而有之淮河自西向东横穿全区，淮河北岸为地势平 坦的淮河平原，淮河南岸为丘陵地区全区由丘陵至淮河。自南向北依次递减为 斜坡地带、洪冲积二级阶地、淮河冲积一级阶地、淮河高位漫滩、淮河滨河床滩， 地貌类型分丘陵，岗地、河谷平原、河间浅平原、河流、湖库等 ， 本区四季瓦通航，公路运输四通八达，交通方便，具体情况见图2 。 淮南矿区搦! 炭储量丰富，地理位置优越，现已探明煤炭储量3 0 0 多亿吨，其 中以- 1 2 0 0 米为界，探明储量为- 1 7 5 亿吨，是以l ，3 焦j 蒹为主的多煤种优质煤和动 力煤，具有低碗，高挥发分、高发热量? 。高灰熔点等优点。在大地构造上，淮南 矿区隶属于华北陆台之南缘，淮南一豫西凹陷带之东翼。在地质构造上属淮南复 向斜的组成部分。 2 2 区域地质概况 2 2 1 地屡 研究区地层发育情况与华北地区相同。属华北地层区一淮河地层分区一淮河 地层小区r 发育有上太古界五河群，霍邱群，下元古界凤阳群，。上元古界青自口 系、震旦系，高生界寒武系、臭陶系、石炭系、= 叠系；中新生界侏罗系j 自璺 系、第三系和第四系：缺失上元古界长城系、蓟县系和古生界奥陶系上统、袁留 系，泥盆系和石炭系下统地层总厚度约1 1 0 0 0 1 6 0 0 0 m 。其中，二叠系为主要 含煤地层网具体为， 串石炭统本溪组：厚3 2 2 米，由铁铝质粘土岩及薄层灰岩组成 上石炭统太原组。厚1 1 5 1 4 8 米，由灰岩、砂岩、s 泥岩及煤层组成。含灰岩 1 0 1 3 层一并有局部可采及不可采煤层l l o 层。一 下二叠统山西组t 厚5 2 8 8 米，由砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成 安徽理工大学硕士论文 田2 淮南虞矿井田分布圈 f 嘻2c o a ln a m ep o s i t i o ni nh u a i n a nc o a i - m m s 蚴 含煤l 3 层，煤厚7 米左右 下二叠统下石盒子组。厚1 9 1 2 6 5 米，由泥岩、粉砂岩、砂岩及煤层组成 含煤1 3 1 6 层，大部分为可采或局部可采煤层，煤层总厚约1 8 7 米 上二叠统上石盒子组；厚3 7 6 5 0 7 米，中部和下部岩性主要由粉砂岩、泥岩、 砂岩及煤层组成含烘1 8 2 1 层，煤层总厚1 3 米左右。在1 8 2 l 煤层附近常见 燧石夹层上部为一套杂色泥岩、粉砂岩及砂岩。， ，上二叠统石千峰纽；厚1 1 4 2 7 0 米以砾岩及细砂岩为主底都为巨厚层状 粗粒砂岩。本组不含煤。j 2 2 2 构造 - 、 本区在构造单元上属淮南复向斜，为典型的两翼不对称的复向斜构造，复向 斜南翼的老矿区星反s 形构造形态，煤田以北西西向( n w w ) 构造为主导，矿 井井田内次级主要构造受煤田和矿区性主体构造控制和制约构造保存为近东西 向的对冲构造盆地，盔卜地南北两侧均为推覆构造，内部为较简单的复向斜构造， 地质构造类型中等到复杂，大、中型断层较多，较大的近东西向的断裂有向斜北 1 2 第2 章研究区概况 翼的上窑一明龙山断层、南翼的寿县一老人仓断层、舜耕山断层等。小型断层普 遍发育，煤层倾角5 0 9 0 ) ，缓倾、倾斜和急倾煤层均有分布【3 棚 2 2 3 岩浆岩 。淮南煤田从巍吉生代至新生代喜马拉雅期经历了多期的构造运动，并伴随强 弱程度不同的岩浆活动，其中以中生代燕山期岩浆活动最为强烈，对煤田的破坏 和煤的变质作用影响最大研究区岩浆岩除在上窑、寿县有出露外，经钻孔揭露 在潘集还有中生代燕山期的隐伏岩体。出露岩体以正长斑岩、闪长岩为主，多呈 岩脉、岩株状侵入寒武系和前长城系中。对煤田煤层影响不大；潘集矿区隐伏的 细晶岩、煌斑岩体，对煤层有影响，大多沿层面侵入，使煤层局部被吞蚀或变为 天然焦网 2 2 4 煤层 淮南矿区主要含煤地层为二叠系上、下石盒子组和山西组，。其次为石炭系太 原组：= 叠系一般含煤4 0 层，最多可达5 6 层，煤层总厚3 0 4 0 米，其中可采和 局部可采者l l 1 9 层，可采总厚度2 3 2 6 米主要可采煤层为l 、8 、1 1 # 2 、1 3 1 ， 榘中在二叠系下部石炭系太原组，含煤乳1 1 层，仅1 2 层局部可采含煤地 层自下而上有； 上石炭统太原组；由灰岩8 “层，舍煤l 1 l 层及砂泥岩组成，所含煤层不 稳定，不可采l 下二叠统山西组：岩性由泥岩、粉砂岩、砂岩与煤层组成，噙煤l 3 层，煤 厚1 6 5 7 0 0 米，主要可采煤层发育于下部； 下二叠统下石盒子组：岩性由泥岩、砂岩及煤层组成，舍煤2 2 0 层。煤厚 5 5 0 1 8 7 7 3 米，是主要的含煤层段； 上二叠统上石盒子组：岩性由粉砂岩、泥岩、花斑状：鲡状泥岩及砂岩组成， 含煤l 1 9 层。煤厚1 9 3 一l 置0 9 米 研究区煤类基本属于气煤，。挥发分平均3 0 6 3 4 0 7 9 ，。随埋深的增加而 有所降低。 务煤层平均灰分产率1 5 0 0 2 6 1 9 ，经1 4 比重液洗选后，精煤灰 分降至1 2 以下。煤层平均全硫质量分数为0 3 3 1 6 3 ，局部煤层中的硫化物 硫高于有机硫，而多数煤层有机硫多于硫化物硫，所以精煤硫分高于原煤硫分， 全硫质量分数较高的山西组煤层受海水影响较强，夹有薄的灰质页岩层，磷的质 ；1 3 。 安徽理工大学硕士论文 最分数平均为0 0 0 6 - t - 0 3 5 ，属特低一低磷煤，煤质情况如表3 所示p g l 寰3 淮南矿区煤质表 t a b | e 3 l h e c o a l q u a l i t y o f h u s i m m m i n i n _ s 辨4 煤难层犀度煤层煤屡 攥赝 层( m ) t结构鱼定性一 厥攥灰分：挥发分，； 原煤垒毫 发热量 ，煤类 *v o ，s 泓q “卡，克) 0 b 1 4 1 2 较铀簟 老 l o ，配一强3 4 7 4 , 一4 6 7 4n n i 豫拍记“l 气爆 l “ o 7 5 i 较蠢簟定 ，8 6 - 4 4 6 2弛1 ，v 牺格 o 1 予叫z j 酾 4 5 5 争- , ”5 3 l 厅 堪，气崔 l i - n x h ，l i 较俺簟生1 2 ? 9 - - 2 4 铊，1 1 ，剪8 7n 棚l j 07 6 6 5 1 4 4 8l 厅攥气爆i 扣t 3 0 ， 一 不定t 盯憩，t 7 i 吨o ，n j 吨4 0 0 j , , 6 7 ，9i 3 量难、气难 o q 较氟簟较鼍定l l l ，脚舻蚝 h0 0 9 - 一l 2 84 1 舢1 3 1 疗 燃，气 钆 o , - 卅l 0 0 教葡摹不室 1 2 9 3 , 4 2 m 笛酷幻1 3 0 2 l 崩4 4 6 4 卅l i l a 量堪，气爆 - o i 件 较蕾艘冀逄 9 7 4 4 6 9 0贽1 0 - 4 5 鲐 n 1 9 - 2 2 ，4 1 5 1 8 5 7 3吣焦攥、气供6 - i , p i l 0 6 一簟麓定 矗花”1 3 船6 6 也i ”嘲吨3 3，o 7 h 7 4 i 方熏耀、气攥如 0 , - - 4 较艘醚 7 4 4 叫3 9l 吼3 4 , - - - 4 4 a 4t 2 一s 埘4 3 幻彻 t t j 攥，气燃b 伊呻3 5 较簟较窟 l l j l 5 1 5 5& 9 4 - 4 6 船0 0 崩 4 3 3 7 7 4 1 6 l 厅焦攥，气煤“ ， 较氟簟始建 5 嚣一势3 m 睁、耵4 9 o 2 ，1 蛆 4 0 0 4 7 7 3 4 i ，3 虞、气艇 0 ：- d l j 1 较俺簟般奠主 量，d 3 5 6 1 拢- - , 4 33 5 n 1 7 4 5 7桕3 争q 嘞 l 舟 曩气曩 0 u 1 9 2 3 煤中微量元素 2 3 1 煤中微量元素的来源 研究煤中微量元素的来源，不仅对研究成煤环境有重要意义：对微量元 素环境影响的评价也有重要意义煤中微量元素的来源受多种因素和多期作 用控钉往往是多因素叠加的结果【孤o j 陆源区母岩性质、沉积环境。成 煤植物、岩浆活动、地下水活动、风化作用等因素都可以影响煤中微量元素 的富集和迁移。 1 4 第2 章研究区概况 由于微量元素特殊的地球化学性质，放沉积环境对微量元素的富集有重 要影响1 2 1 成煤沼泽中介质的酸碱度和氧化还原电位等条件对煤中微量 元素的富集也有重要影响，成煤沼泽若受海水影响，则煤中微量元素的含量 相对较高h2 1 另外，火山灰中含有丰富的微量元素，和煤共同沉积的火山灰 也可能造成煤中微量元素的富集胁】 成煤植物是煤形成的基础，控制着煤中微量元素的含量与种类。成煤植 物的种类，植物中微量元素的含量和植物的生长环境都影响煤中微量元素的 富集和迁移目】使同植物的不同部位对微量元素的吸收能力都不相同，一在 一定程度上影自煤中微量元素的含量1 2 ”。 陆源区母岩性质决定了泥炭沼泽古土壤中微量元素的含量，相当程度上 决定了成煤植物和泥炭沼泽介质中微量元素的含量1 2 6 一仇由于物源区母岩 或基底岩石的类型不同，其中元素的组成和丰度有很大的差异许多研究表 明，聚煤盆地物源区和基底的岩性，对煤中微量元素。特别是环境意义微量 元素的含量有较大的控制作用。 ：古水文特征和古气候条件也影响微量元素在煤中的富集。由于水是碎屑 矿物搬运的主要动力之一。流经物源区的地表水和地下水的流向、性质和能 量状况直接影响岩石的侵蚀及碎屑矿物的搬运【习；古气候条件不仅影响物源， 区岩石的风化状况，还影响到成煤沼泽及成煤植物的类型，从而影响煤中微 量元素的含量和种类。 在