粉煤灰中环境敏感性微量元素的精细化学结构、富集模式与演化机制

Fly ash is the main waste of coal power plants and it is also the major carrier for some environmental sensitive elements such as lead (Pb), chromium (Cr), and so on. The content of harmful trace elements in fly ash is great but it is difficult to dispose them, and they are also important sources of regional PM2.5 in atmosphere and toxic trace elements in environmental medium such as groundwater, which will affect the subsequent recycling and the final disposal of fly ash. The sample collected from Shanxi typical coal-fired power plant will be chosen as the research object. Based on high-precision instrumental techniques, this project aims to investigate the fine chemical structure of Pb, Cr in bottom ash, final ash and various levels of fly ash. The evolution of fine chemical structure for hazardous trace elements and influence factors will be illuminated during coal combustion, flue gas transmission, pollution control, until the final emission. The occurrence evolution mechanism of Pb, Cr and main control factors will be revealed at different situation of furnace type, burning working condition, and pollution prevention and control device. The migration regularity of Pb, Cr will be resolved and finally construct the dynamic evolution patterns of fine chemical structure of environmentally sensitive trace elements from feed coal to final ash. The results of this study are expected to provide important information for controlling the emissions of environmentally sensitive trace elements in all dimensions and developing the clean utilization of fly ash and ultimate disposition technology.

粉煤灰是煤电企业的主要废弃物，也是环境敏感元素如铅(Pb)、铬(Cr)等的主要载体。粉煤灰中有害微量元素含量高，处理难，是区域大气PM2.5及地下水等介质中有毒痕量元素的重要来源，还会影响其后续资源化与最终处置。本课题以占我国煤炭产量1/4的大型煤电基地-山西的典型电厂的粉煤灰为研究对象，利用高精度精密测试仪器对各级飞灰、底灰和终灰中环境敏感性微量元素Pb、Cr的精细化学结构进行研究，查明Pb、Cr在燃煤过程、烟气传输过程、污控过程、直到最终排放过程中精细化学结构的变化和影响因素，揭示不同炉型、燃烧工况、污染防控装置下Pb、Cr的赋存演化机理和主控因素，解析燃煤、烟气传输、除尘、脱硫脱硝等过程中Pb、Cr的迁移转化规律，建立Pb、Cr从原煤到底灰、飞灰、终灰过程中精细化学结构的动态演化模式，为燃煤电厂全方位控制环境敏感性微量元素的排放提供理论依据，为粉煤灰的洁净利用和最终处置补充参考资料。

粉煤灰是煤电企业的主要废弃物，也是环境敏感元素如铅(Pb)、铬(Cr)等的主要载体。粉煤灰中有害微量元素含量高，处理难，是区域大气PM2.5及地下水等介质中有毒痕量元素的重要来源，还会影响其后续资源化与最终处置。项目以典型电厂的原煤与粉煤灰为研究对象，通过实验模拟煤燃烧，研究六个电厂原煤及粉煤灰主要化学成分、表面形态、矿物学特征以及燃烧过程中物相、官能团、微量元素的变化，尤其是燃烧产物中中Pb、Cr等微量元素的含量、价态、化学结合态、赋存形态和精细结构。通过大量高精度物相鉴定、微量元素测试和统计分析，揭示了燃煤过程中铅、铬的释放行为及赋存特征。结果总结如下：（1）800℃的超低温燃烧下，有害微量元素Pb的释放率高于Cr，并且随着煤粉粒径的减小，微量元素的富集程度也明显增强；（2）华亭煤、神木煤和晋城煤中Pb的主要存在形式为有机态、铁锰氧化物结合态。而Cr的主要存在形态为残渣态、有机结合态。燃煤过程中，原煤中的Pb、Cr的除残渣态外的四种化学形态比例都发生了明显减少，发生向介质和燃烧产物的迁移转化；（3）Pb元素将积聚在矿物残渣、未燃尽碳及残留铁锰矿物中，燃烧产物中残渣态的Pb占比为55%-87%。Cr元素富集在矿物残渣、未燃尽碳及残留铁锰氧化物和碳酸盐中，并有一部分吸附于燃烧产物表面，燃烧产物中残渣态Cr的占比均超过85%。（4）六个电厂原煤主要矿物成分中，方解石和伊利石在六个电厂原煤中比例差异较大；（5）燃煤过程主要有4个变化阶段，但六个电厂原煤的挥发分和焦炭燃烧阶段温度区间存在明显差异，尤其是发热量比例。原煤主要官能团吸收峰位置整体相似，800℃条件下煤燃烧后，在粉煤灰中形成铝硅尖晶石、方石英和莫来石等新物相；（6）六个电厂粉煤灰中，晋城灰中Pb元素随着粒径的变化富集因子无明显差别，原因为灰质过少，影响了超微米颗粒Pb气固转化过程中的表面吸附；（7）不同煤种Cr的形态比例（除离子交换态外）对燃烧产物中Cr的四种对应形态比例没有显著性影响；不同煤种Pb的五种形态比例对燃烧产物中对应的碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态和残渣态四种形态比例有显著影响；（8）粒径对燃烧产物中Pb、Cr元素的五种形态比例数据均没有显著性影响；（9）粉煤灰中有害微量元素的迁移转化会对周边环境产生影响。本研究对于了解燃煤过程中Pb、Cr的行为轨迹与机具有一定的指导意义。