原煤中砷、汞的燃烧迁移规律研究及高砷燃煤固砷剂的初探

摘要

煤是大自然赋予人类的宝贵财富,也是人类生产活动中的主要能源。由于煤的生成环境不同,煤中含有大量的共存元素,其中许多是有毒有害的,在人类使用煤的过程中逸出,危害人们的身体健康,对自然环境造成极大的威胁。为了保护环境,保障生产安全,必须对原煤中各种有毒有害物质进行限值。本文主要以原煤中砷、汞为研究对象,通过对高砷、汞煤的燃烧试验,研究高砷、汞煤在高温燃烧过程中砷、汞的迁移规律和分布特征,为进一步确定原煤中砷、汞的限值提供科学依据。
　　 本文以东北某地大型待开采煤矿的钻井煤为研究样品,采用高温管式炉进行了原煤样品的燃烧试验,证实砷、汞在高温下的挥发是原煤中砷、汞污染的主要来源,但砷、汞的挥发温度差别较大。实验证明,原煤中汞在较低温度下即开始挥发,在300—600℃时单质汞基本挥发逸尽；砷的挥发温度相对较高,在1100℃高温下才出现砷的大量逸出。通过对燃烧试验产生的残渣、飞灰和吸收液的分析,在600—1000℃时,原煤中砷主要存在于燃烧残渣中(约80％左右),其余的砷存在于燃烧飞灰中(约20％),被燃烧逸出的砷很少(<1％)；但燃烧温度大于1000℃时,上述分布发生突变,残渣中砷随燃烧温度的升高而迅速降低,飞灰中的砷随燃烧温度的增高而迅速增大,在1100℃达到最大值,接近100％,吸收液中砷的含量变化不大。这一结果证明,原煤燃烧时砷主要以砷化物或砷酸盐形式存在于燃烧飞灰中,采用原煤作燃料的企业必须加强防尘处理,避免原煤中砷随飞灰逸出,造成环境污染。汞是易挥发性元素,在较低的燃烧温度下即以气态汞的形式产生挥发,在燃烧温度300—600℃,汞有40％左右以气态汞形式逸出,约60％的汞以汞化物形式进入飞灰,残渣中几乎无汞及其化合物存在,但随着燃烧温度的增大,这种分布特征出现变化,部分汞化物产生高温化学反应,一部分形成易挥发性汞进入大气,另一部分则形成难熔化合物进入残渣,出现飞灰中汞的分布率逐渐减小,而残渣和吸收液中汞的分布率逐渐增大的现象。煤矸石是煤矿的围岩,也具有原煤的一些相关性质。作者采用自行设计的煤矸石自燃试验装置,获得了煤矸石自燃时砷、汞的迁移规律。在自燃条件下,砷的挥发率并不高,不同类型的煤矸石中砷约有60％-85％存在于燃烧底灰中,而煤矸石中90％左右的汞挥发逸出,污染环境。通过上述燃烧迁移规律的实验数据推证,高砷煤的限值应确定在90μg/g以下:高汞煤的限值应控制在0.20μg/g以下为宜。
　　 为了抑制高砷煤对环境的危害,作者利用高温化学反应原理,设计研究了系列高温固砷剂。碳酸氢钠在1050℃和1100℃时有一定的固砷作用,但总体固砷效率很低,最高固砷率仅为26.98％。市售固硫剂TL-4具有固硫、固砷的双重作用,对原煤固砷有良好效果,最高固砷率可达81.7％。单一的碳酸钙或氧化钙在高温下与砷化物作用,生成难分解的砷酸钙,加入少量这些物质,其固砷率分别可达73.0％、47.4％。在原煤中添加3％的市售水泥也能起到固砷效果,在1050℃时固砷率大约为80％。天然白云岩的主要成分是氧化钙和氧化镁,在高温下(1050℃)也能起到良好的固砷效果,最高固砷率接近80％。通过上述实验证明,天然白云岩作为固砷剂最有前途,该固砷剂不仅来源丰富,价格便宜,而且使用方便,没有二次污染,应予推广应用。