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高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属分布规律研究

李文举 ,  龚本根 ,  张军营

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引用本文: 李文举, 龚本根, 张军营. 高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属分布规律研究[J]. 燃料化学学报, 2020, 48(12): 1488-1497. shu
Citation:  LI Wen-ju, GONG Ben-gen, ZHANG Jun-ying. Study on the mineral transformation and heavy metal distribution during high-silicon coal combustion[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2020, 48(12): 1488-1497. shu

高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属分布规律研究

  • 1.

    郑州电力高等专科学校, 河南 郑州 450000

  • 2.

    华中科技大学 能源与动力工程学院 煤燃烧国家重点实验室, 湖北 武汉 430074

    • 通讯作者: 张军营, jyzhang@hust.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2017YFB0603101)，国家自然科学基金(41672148)，河南省科技厅软科学项目(202400410295)和河南省高等学校重点科研项目(20B610007)资助

摘要: 选取云南宣威地区高硅煤，对其在燃烧过程中矿物转化特征及重金属分布富集规律进行了研究。高硅煤中的矿物主要由石英、高岭石、黄铁矿和锐钛矿组成。飞灰中莫来石可能来自煤中石英、高岭石的转变，而石英主要来自煤中原始石英组分或由SiO2-Al2O3系统转化形成。分析高硅煤和高硅飞灰中部分重金属的富集特性，发现高硅煤中富集的元素有Cr、Cu和As，电厂ESP各级电场中富集的重金属有Mo元素，而Se元素在高硅煤和飞灰中分别都低于世界煤和飞灰的平均值。放射性元素Th和U含量在细粒径的高硅飞灰中都高于世界煤灰平均值，在ESP的4电场飞灰中富集系数分别为1.51和1.59。

English

  • 燃煤发电是中国煤炭的主要利用方式，而中国每年煤炭消耗量占世界消耗量的大约50%。火力发电厂中炭燃烧在进行电力生产时，同样会排放大量的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、颗粒物以及重金属，这些有害排放物可能严重危害人体和环境。现在人们越来越认识到重金属对人体健康的损害，过多的摄入重金属可引起生殖系统、神经系统、心血管疾病和癌症等[1]。重金属可以成为土地污染物之一，进而污染粮食生产过程，造成中毒风险，例如在孟加拉国就发现因为灌溉砷污染的地下水造成水稻中砷含量升高的情况[2, 3]。有学者根据微量元素在燃煤过程中的释放行为，将微量元素分为易挥发元素(Hg、F、Se、Cl等)、中等挥发元素(As、Cd、Pb、Sb、Cr、Co等)和不挥发元素(Th、Mn、Rb等)[4]。

    中国每年燃用大量煤炭，产生了大量的燃煤固体废弃物，其中飞灰是最主要的燃煤副产物，每年飞灰的产量可达5.8×1013 kg以上[5]。煤燃烧后，As、Se、Cr、Pb、Cd等重金属会主要凝结吸附于这些固体废弃物中，如果随意处理，可能再次释放出来，污染周围土壤和地下水，对环境产生很大危害[6]。燃煤过程中有毒重金属元素的迁移和累积，已经成为煤炭利用过程越来越需要关注的问题[7, 8]。大量学者对粉煤灰中重金属的浸出毒性进行研究[9, 10]，Akar等[11]通过TCLP-1311实验分析粉煤灰中重金属的浸出规律，发现Pb、Co、Cu、Zn、Cd和Ni具有高浸出率。Jegadeesan等[12]调查了某F类粉煤灰中重金属淋滤的影响因素，Cu、Cr、Pb、Zn在大多数pH值条件下不太能淋滤出来，因为它们存在于难溶的硅酸盐以及少量或酸溶性氧化物中。在pH值< 4和pH值>9时的侵蚀性环境下，有更多的As迁移出来。煤燃烧过程中矿物转化特性不仅可以影响到锅炉运行的安全，并且大多数重金属最后主要分布于燃煤固体副产物中，煤中无机矿物质在高温下的转化过程对重金属的最终分布有很大影响[13]。有研究认为98%以上的重金属存在于静电除尘器的飞灰和底灰中，而飞灰更容易富含As、Cd、Sb、Zn、Pb和Cr等元素[14]。

    云南宣威地区由于燃用高硅煤，导致高肺癌发生率，引起了世界各国的大量关注[15-17]。主要原因是可吸入纳米含硅矿物，以及伴随燃煤过程产生的高毒性有机化合物多环芳烃(PAHs)和重金属等[18, 19]。因此，研究分析宣威地区高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属释放迁移特性究，关注该地区高硅煤利用过程中容易产生的环境问题显得很有必要。

    1.   实验部分

    1.1   实验样品

    该研究选择了从云南省宣威地区采集的典型高硅煤，即滇东电厂高硅煤(DD)，研磨筛分为 < 74 μm的煤粉。对筛分后的煤粉在马弗炉中进行815 ℃高温灰化实验，可以得到高硅煤的高温灰(HTA)。采集滇东电厂的高硅粉煤灰总灰，并对粉煤灰总灰进行粒径分级，分为38.5-74 μm，小于30.8 μm(< 30.8 μm)。同时采集了滇东电厂静电除尘器(ESP)各级电场的飞灰，即：1电场灰、2电场灰、3电场灰和4电场灰。对这些样品进行烘干密封保存，用以后面测试分析。

    1.2   样品表征

    利用美国EDAX公司生产的EAGLE III的扫描X射线荧光光谱仪(XRF)分析颗粒的元素组成，包括主要元素氧化物，例如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、SO3、TiO2、P2O5和K2O。使用荷兰的PANalytical B.V.公司生产的X′Pert PRO(Cu Kα)的X射线衍射仪(XRD)，进行灰样矿物组成分析。采用荷兰FEI Quanta 200环境扫描电子显微镜(ESEM)确定了单个颗粒的微观结构，并对微观颗粒的元素组成进行能谱分析，从而可以分析该颗粒的微观特性。煤中重金属Cr、Cu、Mo、Pb、Th、U的含量利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定消解后的样品，仪器型号为ELEMENT XR，可用于测定除Hg、As、Se外大多数微量元素。As和Se的含量使用双通道氢化物发生原子荧光光度计(AFS)进行测定，仪器型号为AFS 2202。实验样品的消解过程依据中国国标(GB/T 14506.30—2010)进行。

    2.   结果与讨论

    2.1   煤质分析

    滇东电厂高硅煤的工业分析和元素分析见表 1，通过XRF测量了高温灰分(HTA)的化学成分，结果见表 2。结果表明，DD高硅煤中硫含量为1.42%，为低硫煤，其灰分含量为12.17%。DD高硅煤高温灰的SiO2含量高达54.99%。HTA中另一种主要元素氧化物是Al2O3，两者之和达到84.86%。HTA的Al/Si比为0.53，明显低于典型的高铝灰(Al/Si = 1.5)和磁性灰(Al/Si = 0.8)。

    表 1

    表 1  工业分析和元素分析
    Table 1.  Proximate and ultimate analyses
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    Proximate analysis wad/% Ultimate analysis wad/%
    N C S H M V A FC
    1.07 62.44 1.42 2.70 1.70 12.17 28.70 57.43
    ad: air-dry base; M: moisture; V: volatile matter; A: ash; FC: fixed carbon

    表 2

    表 2  高温灰的主要元素组成
    Table 2.  Major elemental composition of high temperature ash
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    Composition w/%
    SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O SO3 TiO2 P2O5 MnO
    54.99 29.87 4.32 3.63 1.12 0.93 3.24 1.71 0.16 0.03

    表 3

    表 3  高硅煤及其高温灰中的矿物含量
    Table 3.  Mineral contents in the high-silicon coal and its high temperature ash
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    Sample Content w/%
    quartz kaolinite pyrite anatase hematite
    DD high-silicon coal 46 26 20 8 -
    High temperature ash 66.37 - - - 33.63

    2.2   高硅煤燃烧过程矿物转化过程

    2.2.1   高硅煤及其高温灰矿物组成

    根据DD高硅煤及其高温灰的XRD谱图(图 1)，高硅煤中矿物组成为石英、高岭石、黄铁矿、锐钛矿。DD高硅煤HTA中的矿物主要是石英和赤铁矿。原煤中存在大量高岭石，但在HTA中却找不到，相反HTA中的石英增加，表明高岭石在高温下分解并生成了石英。煤中有黄铁矿，而HTA中有赤铁矿出现，说明赤铁矿是煤中黄铁矿转化而来。高硅煤中的矿物相对复杂，但是HTA矿物成分相对简单。石英是从煤中的原始石英和煤中的高岭石生成的石英衍生而来的，赤铁矿主要是高温下煤中含铁矿物(黄铁矿)的氧化产物。

    图 1

    图 1.  高硅煤(a)及其高温灰(b)的XRD谱图
    Figure 1.  XRD patterns of the high-silicon coal

    (a) and its high temperature ash (b) Q: quartz; K: kaolinite; P: pyrite: A: anatase; H: hematite

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    2.2.2   TG-DSC分析

    由于燃烧过程的复杂性，高硅煤中矿物的迁移和转化不是很清楚。因此，进行了高硅煤热重实验(TG-DSC)，以研究煤燃烧过程中高硅煤中主要矿物的迁移和转化。热解实验的加热速率设定为20 ℃/min。DD煤的TG-DSC曲线如图 2所示。

    图 2

    图 2.  DD高硅煤的TG-DSC曲线
    Figure 2.  TG-DSC curves of the DD high-silicon coal
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    曲线在400-650 ℃有明显的失重，此时主要为放热反应，该过程主要是煤中碳质燃烧放热。700-1200 ℃过程仍然有缓慢的失重过程，此时为吸热过程。结合文献可知，此时的失重和吸热可能是由于某些矿物质的分解和蒸发所致，例如高岭石脱水并形成偏高岭土，以及黄铁矿分解转化为赤铁矿[20]。

    2.2.3   高硅飞灰矿物组成

    为了分析高硅粉煤灰中颗粒物的矿物组成，将DD电厂高硅粉煤灰筛分为38.5-74和 < 30.8 μm的不同粒径。分别对38.5-74和 < 30.8 μm的颗粒以及未筛分的飞灰颗粒进行XRD分析，并通过衍射强度对矿物进行定量分析，结果见图 3和表 4。通过不同粒径的高硅飞灰的X射线衍射谱图表明，粉煤灰中的主要矿物是石英和莫来石，以及大量的玻璃相。DD电厂高硅飞灰中38.5-74和 < 30.8 μm的石英含量分别为68.31%和79.78%。这表明较小的粉煤灰颗粒含有较高的石英含量。高岭石是高硅煤中主要的硅铝酸盐矿物，在煤燃烧过程中会发生复杂的变化。高岭石(Al2O3·2SiO2)不稳定，在约450 ℃时结晶水开始析出，并生成非晶相偏高岭土，该矿物在500-950 ℃保持相对稳定。当温度达到950-1000 ℃时，偏高岭土发生脱凝作用，形成石英、莫来石前体(Al2O3·SiO2)和γ-Al2O3。在1100 ℃时，γ-Al2O3将与一部分非晶SiO2反应形成莫来石，而另一部分SiO2将结晶成石英[20]。

    图 3

    图 3.  不同粒径的DD电厂粉煤灰的XRD谱图
    Figure 3.  XRD patterns of the fly ash of the DD power plant with different particle sizes

    (a): unsized; (b): 38.5-74 μm; (c): < 30.8 μm; Q: quartz; M: mullite

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    表 4

    表 4  不同粒径的高硅粉煤灰中矿物质的定量
    Table 4.  Mineral contents of the high-silicon fly ash with different particle sizes
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    Sample Content w/%
    quartz mullite
    Fly ash (unsized) 70.45 29.55
    Fly ash (38.5-74 μm) 68.31 31.69
    Fly ash (< 30.8 μm) 79.78 20.22

    2.3   高硅飞灰微观形貌分析

    滇东电厂采集的高硅飞灰微观形貌见图 4。由图 4可知，图 4(a)显示了粗粒径高硅飞灰的整体形貌，图 4(b)是细粒径飞灰的整体形貌。可见飞灰主要是不同粒径的球形颗粒，以及部分不规则熔融块状颗粒。在同样的标尺下，粗粒径飞灰的颗粒明显大于细粒径飞灰。图 4(c)是粒径20 μm左右的内部空心的球形颗粒，只剩下球形壁，表面已经呈现破碎状，可以进一步破碎坍塌形成更为细小的飞灰颗粒。图 4(d)中可以清楚地看到，该球形颗粒的内部是空心的，大球形颗粒内部散布着许多小颗粒，并且相当一部分粒径小于1 μm，表明高硅粉煤灰会形成很大比例的PM1颗粒，会对人体和环境造成极大伤害。超细飞灰颗粒的形成过程主要是高硅煤在高温下粉煤中的有机物被燃烧掉，煤中矿物的无机成分融化并蒸发，在下游温度降低后，无机矿物蒸汽在煤颗粒内部凝结成小颗粒[21]。在高硅飞灰中可以发现部分铁质颗粒(图 4(e))，细小的铁质矿物晶簇大部分黏附在大尺寸硅铝酸盐颗粒的表面上，这是因为煤中的含铁基体具有较低的熔融温度，并且更容易挥发以形成气相，最终附着在具有细颗粒的大颗粒的表面上。图 4(f)是一个未然碳颗粒，粒径较大可达50 μm以上，表面有很多孔隙，这是因为在高温下煤中挥发分释放，少量碳质基体在缺氧环境下形成多孔焦炭颗粒。

    图 4

    图 4.  DD电厂高硅飞灰的ESEM-EDX
    Figure 4.  ESEM-EDX images of the high-silicon fly ash in the DD power plant

    (a): overall morphology of coarse fly ash; (b): overall morphology of fine fly ash; (c), (d): hollow spherical particle; (e): Fe-bearing particle; (f): unburned carbon

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    2.4   高硅煤中重金属分析

    滇东电厂高硅煤中的Cr、Cu、As、Se、Mo、Pb、Th和U含量见表 5。为了分析高硅煤中重金属的富集程度，研究引入富集系数，即对比高硅煤中重金属含量与世界硬煤的平均值(EF=煤中重金属含量/世界硬煤中重金属含量平均值)[22]，高硅煤样中重金属含量的EF见图 5。其中，Mo和Pb的EF在1.00-2.00，而Cr、Cu、As表现为富集，但是Se含量低于世界硬煤的平均值。研究也考察了放射性元素Th和U在高硅煤中的富集情况，发现Th和U都高于世界煤的平均值，尤其是Th表现为富集状态，富集系数达到了2.77，所以需要针对云南宣威地区高硅煤中放射性重金属多加关注。

    表 5

    表 5  高硅煤中的重金属含量和富集系数
    Table 5.  Heavy metal contents and enrichment factors (EF) of the high-silicon coal
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    Heavy metal Content/(μg·g-1) Average of world hard coal EF
    Cr 35.40 17 2.08
    Cu 48.70 16 3.04
    As 18 9 2
    Se 0.56 1.60 0.35
    Mo 2.97 2.10 1.41
    Pb 14.60 9 1.62
    Th 8.85 3.20 2.77
    U 3.29 1.90 1.73

    图 5

    图 5.  高硅煤重金属的富集系数(DD煤/世界硬煤平均值)
    Figure 5.  Enrichment factors of heavy metals in the high-silicon coal (DD coal/average of world hard coal)
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    2.5   高硅飞灰重金属分析

    从滇东发电厂收集了四个静电除尘器(ESP)电场中的高硅飞灰，通过ICP-MS和AFS测定了样品中的Cr、Cu、As、Se、Mo、Pb、Th和U的含量。众所周知，在不同的ESP电场的飞灰粒径是不同的，前者的粒径较粗，后者的粒径较细。不同ESP电场的飞灰中重金属含量见表 6和图 6。由表 6和图 6可知，Cr、Cu的含量可达到100 μg/g以上，放射性元素Th和U的含量分别可超过30 μg/g和20 μg/g以上。在四个电场的高硅飞灰中重金属含量差异明显，所有分析的重金属元素含量在后一级电场的飞灰中都比前一级更高。元素Se、Mo在4电场中均显着富集，尤其是Se在3电场和4电场飞灰为1电场飞灰中含量的2.82和3.55倍。这表明重金属在粒径更细的飞灰中富集，所以细粒径飞灰对环境和人体的危害更大，需要更加注意细粒径飞灰重金属的环境影响。

    表 6

    表 6  ESP各级电场飞灰中重金属含量(μg/g)及富集系数
    Table 6.  Heavy metal contents (μg/g) of each ESP electric field and enrichment factors (EF) of the high-silicon fly ash
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    1 electric field 2 electric field 3 electric field 4 electric field World average
    content EF content EF content EF content EF
    Cr 101 0.84 117 0.98 122 1.02 129 1.08 120
    Cu 159 1.45 174 1.58 199 1.81 205 1.86 110
    As 33.20 0.72 46.4 1.01 53.10 1.15 60.20 1.31 46
    Se 2.45 0.25 3.38 0.34 6.90 0.69 8.69 0.87 10
    Mo 20 1.43 30.50 2.18 35.90 2.56 42.40 3.03 14
    Pb 53 0.96 66.70 1.22 81.90 1.49 89.60 1.63 55
    Th 28.20 1.23 29.60 1.29 32.50 1.41 34.70 1.51 23
    U 14.10 0.94 17.80 1.17 20.60 1.37 23.80 1.59 15

    图 6

    图 6.  高硅飞灰重金属的含量
    Figure 6.  Heavy metal contents of the high-silicon fly ashes
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    为了更好地了解不同粒径的高硅粉煤灰样品中微量元素的浓度变化，研究引入富集系数(EF=飞灰中重金属含量/世界煤灰中重金属含量平均值)[22]，用以分析不同粒径飞灰样品中重金属的富集程度，各电场飞灰重金属的EF见图 7。由图 7可知，Cu和Mo在四个ESP电场的飞灰中都高于世界煤的平均值，其中，Mo在2、3、4电场的飞灰表现为富集状态(EF>2)。四个ESP电场飞灰中Se元素含量都低于世界煤平均值，和煤中Se的情况相似。Cr、As、Pb的粗粒径飞灰可以低于世界煤灰平均值，而细粒径飞灰中重金属含量升高，可能高于世界煤平均值。放射性元素Th在四个EPS电场的EF提高不是很大，但是在4电场飞灰中的EF也达到1.51。放射性元素U在细粒径飞灰中含量明显高于粗粒径飞灰，在1电场飞灰中的EF为0.96，而4电场飞灰中的EF提高为1.63。说明最终在高硅飞灰的细粒径颗粒中放射性元素Th和U含量都高于世界煤灰平均值，应该对电厂飞灰中放射性元素的环境影响进行持续关注。

    图 7

    图 7.  高硅飞灰中重金属富集系数
    Figure 7.  Enrichment factors of heavy metals in the high-silicon fly ash
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    2.6   煤燃烧过程中矿物转化和重金属迁移富集关系

    煤中矿物主要分为：黏土矿物、碳酸盐矿物、硫化物、氧化物和氢氧化物。微量元素以有机或无机形式存在于煤中，有机形态的微量元素可以与有机基团结合或以络合物和螯合物的形式存在。在矿物质中，微量元素可以作为离散矿物质、其他矿物质中的替代离子或吸附在黏土等物质上[23]。尽管很多研究总结了一些重金属在颗粒物上的分布富集规律，但是矿物和重金属的迁移富集关系还无法做出完全的定论。

    滇东电厂高硅煤中含有的矿物主要是氧化物石英，黏土矿物高岭石，以及少量的硫化物黄铁矿。高硅煤颗粒在燃烧时是由表及里被氧化的，首先表面氧化熔融，然后内部再被氧化。煤中外在矿物在高温下会分解和烧结，内在矿物会熔融凝并。燃烧时煤粉颗粒不断收缩，无机组分发生融合反应，形成硅铝酸盐、铁氧化物等灰颗粒。高硅煤中有机结合和矿物结合的重金属，部分以气相形式蒸发出来，还有一部分直接在煤粉燃烧氧化过程中，与矿物融合反应，直接以固相留存在粉煤灰中。以高硅煤中的黄铁矿为例，很多研究表明，煤中黄铁矿是很多重金属元素的赋存载体[24]，在有氧环境下，黄铁矿先分解释放出硫，再生成磁黄铁矿，而后熔融形成FeO，最后冷凝、析晶形成赤铁矿(Fe2O3)或者磁铁矿(Fe3O4)[25]。在这个过程中黄铁矿中富集的重金属随黄铁矿的分解转化而迁移释放，并在飞灰颗粒物形成过程中参与反应和结合，从而影响和决定了重金属的分布特性。

    滇东电厂高硅煤中重金属在燃烧过程中释放率较低，主要富集于燃煤产物的无机矿物组分中。高硅煤中Cr、Cu、As、Se、Mo、Pb、Th和U都表现出在细粒径的ESP4电场灰中含量明显升高的规律，原因是重金属在高温下蒸发，而后会冷凝在颗粒物表面，而细颗粒物具有更大的比表面积，对挥发的重金属元素有更强的吸附能力。通过图 4高硅飞灰的微观形貌可以看到，高硅煤燃烧形成了大量Si、Al、Fe基质的颗粒物，甚至有不少是亚微米颗粒物，这些灰颗粒主要是由煤中Si、Al、Fe等主要元素蒸发和凝结而成，亚微米气溶胶相对于残余灰粒的高表面积，可导致较高比例的气态痕量金属物质沉积在亚微米灰上，从而致使细颗粒中重金属的富集。同时，重金属还可以与高硅煤中其他无机组分通过表面发生反应，以新的化合物形式存在于燃煤固体产物中，例如灰中砷和钙反应生成砷酸钙矿物[26]。因此，高硅煤成灰过程中矿物的转化可以影响飞灰颗粒物的元素组成和粒径等，从而进一步影响重金属在燃烧过程中的分布富集规律。此外，重金属元素本身的挥发性和与其他无机组分的反应活性，同样能够影响重金属的气相排放量和在固体产物中的吸附和反应量。煤燃烧中矿物转化与重金属迁移过程见图 8。

    图 8

    图 8.  煤燃烧过程中矿物转化和重金属迁移富集关系
    Figure 8.  Relationship of mineral transformation and heavy metal migration and enrichment during coal combustion
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    3.   结论

    研究了云南宣威地区的滇东电厂高硅煤中含硅矿物的迁移与转化行为。高硅煤中的矿物包括石英、高岭石、黄铁矿和锐钛矿。煤燃烧过程中石英有两种来源，即原始煤和SiO2-Al2O3体系。高岭石易于分解为SiO2和γ-Al2O3，并且γ-Al2O3将与非晶SiO2反应，从而在高温下形成莫来石。分析了高硅煤的地球化学和高硅粉煤灰中的部分重金属分布。与世界煤和煤灰中的平均含量相比，高硅煤中富集的重金属是Cr、Cu、As，高硅飞灰中的Mo表现为富集状态。重金属在细粒径飞灰中比粗粒径飞灰富集更高的元素含量。细粒径的高硅飞灰中放射性元素Th和U含量高于世界煤灰平均值，需要加强关注电厂飞灰中放射性元素的环境危害。高硅煤中Si、Al、Fe基质的矿物组成通过影响飞灰颗粒物的形成，从而影响了重金属在高硅煤燃烧过程中的分布富集特性。


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  • 图 1  高硅煤(a)及其高温灰(b)的XRD谱图

    Figure 1  XRD patterns of the high-silicon coal

    (a) and its high temperature ash (b) Q: quartz; K: kaolinite; P: pyrite: A: anatase; H: hematite

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    图 2  DD高硅煤的TG-DSC曲线

    Figure 2  TG-DSC curves of the DD high-silicon coal

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    图 3  不同粒径的DD电厂粉煤灰的XRD谱图

    Figure 3  XRD patterns of the fly ash of the DD power plant with different particle sizes

    (a): unsized; (b): 38.5-74 μm; (c): < 30.8 μm; Q: quartz; M: mullite

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    图 4  DD电厂高硅飞灰的ESEM-EDX

    Figure 4  ESEM-EDX images of the high-silicon fly ash in the DD power plant

    (a): overall morphology of coarse fly ash; (b): overall morphology of fine fly ash; (c), (d): hollow spherical particle; (e): Fe-bearing particle; (f): unburned carbon

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    图 5  高硅煤重金属的富集系数(DD煤/世界硬煤平均值)

    Figure 5  Enrichment factors of heavy metals in the high-silicon coal (DD coal/average of world hard coal)

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    图 6  高硅飞灰重金属的含量

    Figure 6  Heavy metal contents of the high-silicon fly ashes

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    图 7  高硅飞灰中重金属富集系数

    Figure 7  Enrichment factors of heavy metals in the high-silicon fly ash

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    图 8  煤燃烧过程中矿物转化和重金属迁移富集关系

    Figure 8  Relationship of mineral transformation and heavy metal migration and enrichment during coal combustion

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    表 1  工业分析和元素分析

    Table 1.  Proximate and ultimate analyses

    Proximate analysis wad/% Ultimate analysis wad/%
    N C S H M V A FC
    1.07 62.44 1.42 2.70 1.70 12.17 28.70 57.43
    ad: air-dry base; M: moisture; V: volatile matter; A: ash; FC: fixed carbon
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    表 2  高温灰的主要元素组成

    Table 2.  Major elemental composition of high temperature ash

    Composition w/%
    SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O SO3 TiO2 P2O5 MnO
    54.99 29.87 4.32 3.63 1.12 0.93 3.24 1.71 0.16 0.03
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    表 3  高硅煤及其高温灰中的矿物含量

    Table 3.  Mineral contents in the high-silicon coal and its high temperature ash

    Sample Content w/%
    quartz kaolinite pyrite anatase hematite
    DD high-silicon coal 46 26 20 8 -
    High temperature ash 66.37 - - - 33.63
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    表 4  不同粒径的高硅粉煤灰中矿物质的定量

    Table 4.  Mineral contents of the high-silicon fly ash with different particle sizes

    Sample Content w/%
    quartz mullite
    Fly ash (unsized) 70.45 29.55
    Fly ash (38.5-74 μm) 68.31 31.69
    Fly ash (< 30.8 μm) 79.78 20.22
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    表 5  高硅煤中的重金属含量和富集系数

    Table 5.  Heavy metal contents and enrichment factors (EF) of the high-silicon coal

    Heavy metal Content/(μg·g-1) Average of world hard coal EF
    Cr 35.40 17 2.08
    Cu 48.70 16 3.04
    As 18 9 2
    Se 0.56 1.60 0.35
    Mo 2.97 2.10 1.41
    Pb 14.60 9 1.62
    Th 8.85 3.20 2.77
    U 3.29 1.90 1.73
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    表 6  ESP各级电场飞灰中重金属含量(μg/g)及富集系数

    Table 6.  Heavy metal contents (μg/g) of each ESP electric field and enrichment factors (EF) of the high-silicon fly ash

    1 electric field 2 electric field 3 electric field 4 electric field World average
    content EF content EF content EF content EF
    Cr 101 0.84 117 0.98 122 1.02 129 1.08 120
    Cu 159 1.45 174 1.58 199 1.81 205 1.86 110
    As 33.20 0.72 46.4 1.01 53.10 1.15 60.20 1.31 46
    Se 2.45 0.25 3.38 0.34 6.90 0.69 8.69 0.87 10
    Mo 20 1.43 30.50 2.18 35.90 2.56 42.40 3.03 14
    Pb 53 0.96 66.70 1.22 81.90 1.49 89.60 1.63 55
    Th 28.20 1.23 29.60 1.29 32.50 1.41 34.70 1.51 23
    U 14.10 0.94 17.80 1.17 20.60 1.37 23.80 1.59 15
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  • 发布日期:  2020-12-01
  • 收稿日期:  2020-09-09
  • 修回日期:  2020-10-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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