渭北石炭二疊紀煤中汞的賦存狀態研究

龍 江 陳欣娟 李增強

(1.陜西煤田地質化驗測試有限公司，陜西省西安市，7100542.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710021)

近年來，燃煤引起的污染物除了NOx、SOx、CO2和粉塵排放外，其他有毒痕量元素如汞、鉛、砷和硒等的排放也嚴重威脅著人類的健康，尤其是燃煤引起汞的排放問題越來越得到了全社會的關注。

研究煤中汞的賦存狀態，可以為后續汞的排放與控制提供理論基礎。煤中汞的含量與形態和煤的成巖、煤化等多種過程相關，不同煤階和煤層中汞的含量和形態不同。國內學者對我國原煤中汞的含量做了統計，發現汞的含量變化范圍平均在0.01～1.0 mg/kg之間，平均值為0.15 mg/kg。有專家研究發現，不同煤種中汞含量由高到低依次是：瘦煤>褐煤>焦煤>無煙煤>氣煤>長焰煤。大多數汞存在于黃鐵礦、辰砂、方鉛礦和閃鋅礦等在內的硫化物中，其中黃鐵礦被認為是煤中最普遍的汞的載體；還有專家用逐級化學提取方法研究了貴州煤中汞的賦存狀態，發現煤中絕大部分汞賦存于被硝酸浸取的物相中，主要是黃鐵礦，水溶態、可交換態、碳酸鹽及氧化物表面結合態的含量都很低。

本文結合篩分浮沉試驗、逐級化學提取試驗和數理統計這3種間接方法，具體研究渭北石炭二疊紀煤中汞的賦存狀態。

1 試驗

1.1 原料

試驗采用渭北石炭二疊紀煤，煤樣采自銅川崔家溝煤礦、澄合礦務局董家河煤礦和王村煤礦，用多層塑料袋密封包裝運回。

1.2 試驗設計

1.2.1 篩分浮沉試驗

篩分浮沉試驗嚴格按照《煤炭浮沉試驗方法》(GB/T478-1987)進行，通過式(1)來評價整個浮沉試驗操作及汞含量測試的精度。

(1)

式中：Ri——i粒級平衡計算結果， %；

j——密度級個數；

cij——第i個粒度級j個密度級物料中(包含煤泥)汞元素的含量，μg/g；

wij——第i個粒度級j個密度級物料中(包含煤泥)的產率， %；

CKi——i粒級原煤中汞的含量，μg/g。

計算結果顯示，汞元素的平衡結果大多介于80%～120%之間，在目前的浮沉試驗條件和微量元素測試水平下，說明本次工作取得的基礎數據是可信的。

1.2.2 逐級化學提取試驗

主要試驗儀器為測汞儀、振蕩器、離心機、電熱恒溫水浴鍋和pH計，所用主要試劑為氯化鎂、硝酸、鹽酸和雙氧水。煤樣經干燥處理和磨碎后過200目篩備用。試驗步驟如下：

(1)將0.1 g煤樣加入12 mL濃度為1 moL/L的MgCl2溶液中，室溫震蕩4 h、離心15 min后取上清液測量，為可交換態；

(2)將第一步的殘渣用蒸餾水清洗2次，離心后棄去上清液，放置過夜后加入12 mL的1∶7的HNO3，100℃水浴加熱40 min，每15 min震蕩一次，離心15 min后取上清液測量，為硫化物結合態；

(3)將第二步的殘渣用蒸餾水清洗2次，離心后棄去上清液，放置過夜后加入pH值為2的HNO3稀溶液8 mL和30%的H2O24 mL，85℃水浴加熱1 h，每15 min震蕩一次，離心15 min后取上清液測量，為有機結合態；

(4)將第三步的殘渣用蒸餾水清洗2次，離心后棄去上清液，放置過夜后加入50%的王水5 mL，95℃水浴加熱2 h，每15 min震蕩一次，離心15 min后取上清液測量，為殘渣態。

2 結果與討論

2.1 汞的賦存狀態

根據《煤中汞含量分級》(MT/T963-2005)標準，王村煤為高汞煤，董家河煤為中汞煤，崔家溝煤為低汞煤。原煤的工業分析及硫、汞的含量見表1。

表1 原煤的工業分析及硫、汞的含量

*差減法計算得出

本試驗所用煤樣原煤中汞的逐級化學提取試驗結果見表2。

表2 原煤中汞的逐級化學提取試驗結果 %

由表2可以看出，崔家溝煤、董家河煤和王村煤中的原煤中大部分汞都賦存于能被硝酸提取的硫化礦物中，可見在這幾個煤礦原煤中的汞主要以硫化物形態存在。原煤中汞的硫化物結合態所占比例最大，在75%～85%之間；殘渣態所占比例次之，是煤中汞的第二大賦存形態，在15%～20%之間；可交換態所占比例最少，小于2%；有機結合態所占比例小于6%，其中，王村煤所占比例相對較大，為5%左右，崔家溝煤和董家河煤所占比例相對較小，小于2%。

2.2 汞含量在不同粒度級煤樣中的變化規律

為了研究汞在不同粒度級煤樣中的分布規律，對崔家溝煤、董家河煤和王村煤的原煤做了篩分試驗，試驗結果見表3和表4。

表3 煤樣的大篩分實驗結果

表4 煤樣的小篩分實驗結果

硫含量和汞含量隨粒度的變化關系見圖1和圖2。

圖1 篩分試驗中硫含量隨粒度的變化

由圖1和圖2可以看出，硫分和汞含量隨著粒度的減小呈現相同的變化趨勢，可見汞含量與硫分密切相關。董家河礦汞含量隨著粒度減小而減小；崔家溝煤和王村礦汞含量都在13～6 mm粒度級含量最大，之后在6～3 mm粒度級急劇減小，在3～0.5 mm粒度中含量又有所增加，在小于0.5 mm粒度級時，王村煤汞含量隨粒度的減小呈減小的趨勢，但是崔家溝煤汞含量隨粒度的減小呈增加的趨勢。

圖2 篩分試驗中汞含量隨粒度的變化

2.3 汞含量在不同密度級煤樣中的變化規律

為了進一步研究汞在不同密度級煤樣中的分布規律，對崔家溝煤6～3 mm和3～0.5 mm粒度級煤樣做了浮沉試驗，試驗結果見表5。

表5 崔家溝煤樣的篩分浮沉實驗結果

各粒級原煤中汞含量隨密度的關系見圖3。

圖3 崔家溝煤各粒級原煤中汞含量隨密度的關系

由圖3可以看出，隨著密度級的增加汞含量也有所增加，說明汞在煤中主要存在于礦物質中，是親無機的。汞含量隨密度的變化趨勢接近于一元二次函數，即在相同密度級條件下，3～0.5 mm粒度級煤樣中汞含量比6～3 mm粒度級煤樣中汞含量高，說明通過破碎可以釋放出更多的無機汞，有利于選煤過程中汞的脫除。

2.4 汞含量隨灰分、硫分的變化規律

煤中單獨存在的礦物大體可分為4組，分別是粘土類礦物、硫化物礦物、碳酸鹽礦物和硫酸礦物，研究灰分與汞和鉛含量的關系就可以得出煤中的汞和鉛是否存在于煤的礦物中。并且根據專家研究的綜合報道不難看出，黃鐵礦是煤中汞的主要載體，因此考慮煤中的汞與硫含量也是非常必要的。崔家溝煤原煤各浮沉密度級中的汞含量與灰分和硫分的關系分別如圖4和圖5所示。

圖4 崔家溝煤原煤各浮沉密度級中的汞含量與灰分的關系

汞含量與灰分和硫分的關系的線性回歸方程和相關系數見表6。

表6 各密度級中汞含量與灰分、硫分的關系

由表6可以看出，原煤按浮沉密度由低到高變化時，各密度級的汞含量與灰分和硫分存在線性正相關性，相關系數分別為0.70和0.83，汞含量與硫的線性相關性比灰分要好，說明含硫量高的煤中含汞量較高。

圖5 崔家溝煤礦原煤各浮沉密度級中的汞含量與硫分的關系

3 結論

(1)王村煤為高汞煤，董家河煤為中汞煤，崔家溝煤為低汞煤。3個煤礦原煤中汞的硫化物結合態所占比例最大，在75%～85%之間；殘渣態所占比例次之，有機結合態和可交換態所占比例較小。

(2)董家河煤汞含量隨著粒度減小而減小，崔家溝煤和王村煤汞含量隨粒度變化沒有呈現出明顯的變化規律。

(3)崔家溝煤汞主要存在于礦物質中，是親無機的。隨著密度級增加，汞含量增加，汞含量隨密度的變化趨勢接近于一元二次函數。

(4)崔家溝煤原煤按浮沉密度由低到高變化時，各密度級的汞含量與灰分、硫分存在線性正相關性，并且汞含量與硫相關性比灰分要好。

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