皖北朱庄矿煤中铬元素赋存形式及燃烧特性研究

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随着煤炭的消耗量日益增长,向环境中释放出大量有害重金属元素,造成了严重的污染和浪费。淮北煤田是中国最大的煤田之一,其复杂的成煤环境,导致煤中微量元素表现出不同程度的富集,铬元素就是其中之一。同时,铬元素的赋存形式一直以来未得到明确的证实。因此,本文选取淮北煤田朱庄矿二叠系中统下石盒子组中5煤和8煤、下统山西组中10煤作为研究对象。首先利用元素地球化学特征分析了煤中铬元素的含量特征及地质控制因素。其次通过聚类分析,相关性分析、逐级提取法和电子探针等分析方法,对煤中铬元素的赋存形式进行研究。最后,通过高温管式炉和热重分析,来揭示铬元素在燃烧过程中的迁移变化规律。主要取得研究成果如下:(1)淮北煤田朱庄矿5、8和10煤层样品中铬元素的含量均值分别为276.25、198、314.5μg/g,是中国煤均值的10倍之多。稀土元素分布特征和元素地球化学比值,表明研究区在成煤初期受到古环境和海水的影响,这奠定了铬元素较高含量的基础。后期5煤和8煤受到岩浆热液侵入影响,导致煤中铬元素的含量进一步增加。(2)对于煤中铬的赋存形式,聚类分析结果表明铬元素属于亲石性元素群组,该群组元素与灰分相关,且均可以在无机矿物中赋存。利用相关性分析研究指出,煤中铬元素可能以离子态或无机矿物的形式赋存,而在有机质中赋存的可能性较小。根据逐级提取实验结果,煤中铬元素大部分赋存于硅酸盐矿物,10煤比5煤中有机赋存较高。利用电子探针观察到煤中铬元素赋存于氧化物矿物锐钛矿和粘土矿物中。其中锐钛矿存在与铬元素伴生的元素还包括Fe、V、Ca、Al、Si。粘土矿物中除Cr外,还伴有Na、S、Cl、K、Ca、Ti、Mg,并且钾元素的含量较高。(3)在煤燃烧模拟实验中,5煤和10煤中铬元素的富集系数随着温度的升高,富集系数降低,释放率增大。而两者在释放强度上,存在一定差异,这主要由煤中铬元素的赋存形式差异导致。保留于底灰中铬主要受到离散矿物的矿物元素产生Fe O、Ca O、Mg O、K2O、Al2O3等难溶金属氧化物与其本身形成的Cr2O3产生化学吸附,而生成的H2O和CO2会对吸附过程产生一定的抑制。论文共47幅图,16张表,168篇参考文献。
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