煤中微量有价元素赋存状态及迁移规律研究

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山西北部、内蒙古地区煤炭资源储量丰富,煤矿中伴生大量的锂(Li)、镓(Ga)、稀土(REE)等微量有价元素,这些微量有价元素在经过煤燃烧、热解和气化等热利用后会相对富集,有些甚至可以达到工业开采品位。然而目前对于煤中伴生的Li、Ga和REE等元素的赋存形态和分布规律的认识尚不清晰,对煤热利用过程中这些元素的迁移规律也未达成一致结论,给这些元素的进一步开采利用带来难度。本论文以山西北部、内蒙中西部等地区的高铝煤为典型代表,研究了其中Li、Ga和REE元素的赋存状态以及在热利用过程中的迁移规律及机理。主要得到以下结论:(1)通过使用粒度筛分、浮沉试验以及逐级化学提取(SCEE)三种方法研究了煤中Li、Ga和REE的分布规律及赋存状态。所取煤样为山西和内蒙古境内平朔(PS)、孝义(XY)、灵石(LS)、潞安(LA)四种煤矸石,朔州(SZ)、准格尔(ZGE)、大同(DT)、托克托(TKT)、黑岱沟(HDG)五种煤样以及朔州煤泥(SS)中。研究发现煤矸石和煤中的Li、Ga和REE元素主要存在于高岭石、石英和勃姆石等矿物质中。(2)通过使用管式炉在不同温度(300℃~1100℃)下考察了燃烧过程不同煤种对Li、Ga和REE的迁移规律的影响。所选原料为朔州煤(SZ)、大同煤(DT)和准格尔煤(ZGE)三种煤,平朔煤矸石(PS)以及朔州煤泥(SS)。Li、Ga和REE在燃烧过程中随着温度的升高挥发率呈先增加后趋于平缓的趋势,在300℃~600℃内挥发率增速高于600℃~1100℃。煤燃烧后,Li、Ga和REE元素均富集在粉煤灰中。SZ、DT、ZGE和SS煤中Li、Ga和REE元素富集倍数(1.7~3.0)高于PS煤中的富集倍数(1.2~1.4),有机质含量高的煤种,Li、Ga和REE元素的挥发率越高。(3)通过使用管式炉在不同温度(300℃~1100℃)、不同气氛(空气、氮气、二氧化碳、不同浓度一氧化碳和富氧气氛)下对朔州煤(SZ)进行热处理,探讨了不同气氛对Li、Ga和REE迁移规律的影响及机理。不同气氛下Li、Ga和REE元素的挥发率差异较大。在相同的停留时间下,Li和Ga的挥发率为28%~39%,REE的挥发率为7%~19%。不同气氛下Li、Ga和REE元素挥发率比较:富氧气氛>空气气氛>氮气、二氧化碳气氛。
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