环境煤源硫同位素地球化学约束与黄铁矿热解实验研究

摘要

中国的煤炭资源的消耗量巨大，随着国民经济的增长，高硫煤的开发和利用成为一大难题。黄铁矿是煤中最常见的无机硫化物矿物，如果不能将黄铁矿从煤中脱除，环境中硫的排放量将大大增加，不仅如此，煤中一些有害元素易与黄铁矿发生反应，对环境造成巨大危害。热解磁选脱除黄铁矿是一种有效的燃前物理脱硫方法，这种方法耗能低、工艺简单且经济环保。本次论文还从同位素角度，分析了华北和西南煤中硫的来源，查明了徐州市环境中硫与燃煤的关系。除此之外，针对煤中黄铁矿热解的变化，本次论文通过热重分析实验和微波热解实验，采用磁化率测试和XRD物相分析，并结合晶体场理论，从宏观和微观两个方面对热解过程做出阐述。主要认识如下： （1）对比了华北和西南煤中硫同位素地球化学特征。西南煤由于受到了晚古生代峨眉山玄武岩喷发的影响，煤中硫同位素组成相对于华北煤偏负。 （2）探索了徐州大气、水体、燃煤中硫同位素组成特征。徐州市颗粒物中硫同位素具有燃煤特征，大气降水中硫的含量较少，湖泊和地下水中的硫多来自溶解硫酸盐或水-岩作用，未见明显的燃煤影响。 （3）从宏观和微观角度刻画了煤中黄铁矿的热解过程。含黄铁矿煤的热解一般经历三个主要阶段，黄铁矿的热解大约发生在400℃~640℃，黄铁矿含量越高，分解的温度较滞后。 （4）揭示了热解过程煤中黄铁矿变化的磁性生成机制。黄铁矿热解时，S/Fe比值会随着温度的升高而降低，煤对黄铁矿的分解具有催化作用。S/Fe比值的变化为FeS2→FeSx→FeS1.25（1.25＜x＜2），超出1000℃后S/Fe比值还可能会降低。磁化率曲线中的变化与 DTG 和 DSC 曲线中黄铁矿分解的变化基本对应（400℃~640℃）。XRD 物相分析也基本显示，在 400℃的黄铁矿还未发生明显变化，500℃时黄铁矿晶型开始发生变化，在600℃时生成了磁黄铁矿（Fe7S8），并最终在1000℃时生成了S/Fe比值更低的磁黄铁矿（Fe0.95S1.05）。黄铁矿热解的实质是Fe原子的从低自旋转化为高自旋的过程。 （5）对比普通热解和微波热解的差异。微波热解中，在热效应和微波效应的共同影响下，黄铁矿分解所需的活化能大大降低，使得黄铁矿分解的温度提前。微波热解是一种高效的脱硫技术，但是成本过高。

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