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安徽理工大学本科毕业设计（论文）开题报告姓 名钱宁波专业班级制药工程08-1指导教师陈明功，丰芸一、课题的名称、来源1.课题名称煤中不同赋存形态的铁元素逐级化学法提取研究2.课题来源生产 科研 教学 其他二、研究意义、研究现状、研究内容、拟采用的研究思路与方法(可附页)1.1研究背景 世界各国能源结构取决于资源、经济、科技发展等综合因素。煤炭是一种可靠、廉价、可以洁净利用的能源。我国“贫油少气多煤”的能源结构决定了我国在未来一定时间内大力发展煤化工产业洁净煤气化技术因其高效、稳定、环境友好等特点在煤化工领域占有重要一席之地。然而，我国煤气化技术的应用还存在诸多的技术瓶颈，如何改善煤气化技术，优化能源结构已势在必行。下面着重介绍煤中其他元素赋存形态的背景气流床气化工艺在国内有着丰富的应用经验。煤灰熔融特性是动力用煤和气化用煤的重要指标。灰熔融特性关系着炉膛出口烟温和排渣方式的选择及燃煤结渣特性的判断1；影响煤灰熔融特性的因素很多2-9煤灰熔融性的大小与炉膛内结渣情况有密切关系，并且对用煤设备的燃烧方式及排渣方式的选取影响重大。众所周知，煤灰的主要成分10-12为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO。而铁元素是影响煤灰熔融性最重要的元素之一。其次，煤中铁元素对锅炉结渣的恶化也有非常重要的影响，原因主要是煤矿物形成铁，钙三相中低温共融区产物。此外煤的热解特性和燃烧特性也与铁有关。最后，煤的各种特性还与煤中铁的赋存状态有关14-16，它们对各种煤和灰因状态不同而发挥的作用以及对环境的影响也不同。目前，利用逐级化学提取法对煤中有害元素，例如As、Hg、F等的研究较为充分，而对煤中各种赋存状态的铁元素的提取研究却鲜见报道。铁元素的不同赋存状态对煤灰的熔融特性、流温特性、粘度特性和结渣性都有很大的影响，因此煤中各种赋存形态的铁元素的提取研究对丰富煤气化技术理论知识、指导气化装置安全稳定运行有着一定的理论和指导意义。1.2课题研究目的及意义（1）研究煤中铁元素的不同赋存形态及其含量测试。（2）加深对逐级化学提取的认识。（3）利用所学知识考察对气化炉的影响。1.3国内外研究现状1.3.1微量元素的提取方法 齐庆杰17首次采用浸提试验系统研究煤中氟化物赋存形态。结果表明，许多溶剂都能从煤中浸出相应形态和数量的氟化物，煤中不同浸提态氟按氟含量高低存在如下趋势：酸浸提态氟碱浸提态氟盐浸提卷氟水浸提态氟浸提结果反映了煤中几种不同赋存形态氟化物含量的数量级概念，以无机盐矿物形态存在的难溶性氟化物是煤中氟的主要赋存形态。研究结果可为煤中氟赋存形态的研究提供试验方法与依据。喻华18用常规方法、M3法和ASI法提取测定重庆农业土壤中有效微量元素锎、锌、铁、锰的分量，经相关分析得出：M3法提取的有效铜、锌、铁与常规方法测定值均呈极显著相关，相关系数r铜= 0.471*（n = 32）；r锌 =0.471*（n = 32）r铁=0.748，有效锰无正相黄关系ASl法提取的有效铜、锌、铁、锰与常规方法测定值均呈极显著相关，相关系数分矾为确r铜=0919*(n=32)，r锌=0823*( n =32)，r铁=0757* n=32)，r锰=0899*(n=32)通过假设检验，M3法与常规方法、ASI法与常规方法均只有铜洲定值差异不显著徐丽荣19通过逐级化学提取法对岩石中氟元素的化学活动性进行了研究，结果表明，不同时代、不同类型地层中氟的化学活动性具有很大的差异，其中碳酸盐岩中氟均具有很强的化学活动性 。不同时代的石煤中氟的化学活动性具有较大差异下志留统大贵坪组石煤中氟的可淋失比例(平均为4739)一般高于下寒武统石煤中氟的可淋失比例(平均为2943)。 姜平国20采用20N235+30仲辛醇+50煤油(均为体积百分比)萃取体系，在相比OA=2：1和单级萃取的条件下，处理含铁(1347)的赤泥浸出液，振荡混合时间15rain，铁的萃取率达到9962然后用01 moL的稀盐酸反萃有机相提取铁，在相比OA=2：l的条件下，经单级反萃，反萃后液含铁1018sL，铁的反萃率为75采用石灰中和，渣中含铁达56 袁霄梅21通过连续化学提取方法对赤泥中各形态的氟进行了提取，并对不同形态氟的迁移规律进行了研究。结果显示。从赤泥中可提取出五种形态的氟，即水溶态氟、可交换态氟、铁锰结合态氟、有机束缚态氟及残余态氟，其中残余态氟所占的比例最大。含量在60。90之间，然后依次是水溶态氟、可交换态氟、铁锰结合态氟、有机束缚态氟；赤泥的可给态氟化物(水溶态氟和可交换态氟)输出能力较强，对地下水影响较大，随着堆积时间的延长，赤泥的总氟含量有所降低，但可给态氟化物输出能力非但不减反而增强，赤泥堆放场对地下水的影响主要取决于赤泥中水溶态氟和可交换态氟含量的高低。1.3.2元素赋存状态的研究现状代世峰22利用逐级化学提取的方法研究了石炭井、石嘴山和峰峰矿区煤层及顶板中稀土元素的存在形态；根据稀土元素的特性,把稀土元素分为水溶态（1）可交换态（2）碳酸盐结合态（3）有机态（4）硅铝化合物结合态（5）和硫化物结合态，他的研究表明了,无论是煤中还是顶板中的稀土元素主要赋存在硅铝化合物结合态中水溶态和可交换态中稀土元素含量甚微,是稀土元素地球化学性质稳定的表现之一。高含量的碳酸盐矿物、硫化物矿物和有机质亦对稀土元素的赋存状态起了一定作用。 赵峰华23研究了广西合山超高有机硫煤中Hg，Ni，Zn，Mn，Cr，V等有害元素赋存状态结果表明：超高有机硫煤中与无机质结合的Ni，Cr，V，Zn，Hg，Mn均大于90，而有机结合状态硫小于10酸在各种无机结合态中，硫化物结合态、铁锰氧化物结合态或铝硅酸盐结合态为主要赋存状态；如，Ni和Zn主要与硫化物和铝硅酸盐结合；Hg主要与硫化物结合；Cr和Mn主要与硫化物和铁锰氧化物结合；V主要与铝硅酸盐和铁锰氧化物结合；Fe主要与硫化物和铁锰氧化物结合因此，从煤的洁净利用角度看，超高有机硫煤中的这些有害元素有可能通过洗选来脱除特殊的局限碳酸盐台地成煤环境决定了合山超高有机硫煤中Fe，Ni，cr，V，Zn，Hg，Mn的上述赋存特征刘晶24讨论并比较了煤中痕量元素赋存形态的分析方法及其应用范围，应用逐级化学提取法对及种典型煤进行浸提，根据易挥发痕量元素不同形态的溶解度，将煤中砷、汞、硒分为可交换态、硫化物结合态、有机物结合态和残渣态。 结果表明，砷在煤中主要以硫化物结合态存在，汞在煤中主要以硫化物结合态和残渣态存在，硒赋存在硫化物、有机物和残渣态中+ 不同煤种中易挥发痕量元素各种形态的分布不同，应用浮沉法将煤按不同密度分级后，分别测定了各级煤粉中砷、汞含量，表明砷、汞主要存在于煤的矿物质中.吕海亮25深入研究了微量元素在煤转化过程中的变迁行为和其向环境的释放能力，他认为这种能力主要取决于它们的原始赋存形态。由于微量元素赋存形态的多样性和煤本身的复杂性，煤中微量元素赋存形态的研究尚没有十分成熟的方法。采用密度分离、脱灰处理、逐级化学提取等间接方法研究了义马煤中As、Pd、Cd、Cr等几种微量污染元素的宏观赋存形态。研究表明，义马煤中As、Pd、Cd、主要与矿物质伴生，Cr主要赋存在有机质当中。As主要与黄铁矿相伴生；; Cd、部分与黄铁矿类矿物质伴生部分与其它难溶矿物质伴生；Pd在硫酸盐、硫化物、硅酸盐等矿物质中均有分布。3.1.3含铁矿物对煤灰特性的影响煤灰中的Fe2O3 质量分数在5%15%居多，个别煤灰中Fe2O3 高达50%。煤灰中Fe2O3 的助熔效果与煤灰所处的气氛有关，无论在氧化气氛还是还原气氛中，均起到降低灰熔融性温度的作用，在弱还原性气氛下，助熔效果最显著。由于在还原性气氛中（氧量不足），Fe2O3 会还原成FeO， 灰熔融性温度随之迅速降低， 而且FeO 很容易与灰渣中的SiO2、Al2O3、CaO 形成熔点很低的共熔体。相反，Fe3+ 离子的极性很高，是聚合物的构成者，能提高煤灰熔融性温度。当Fe2O3 质量分数在20%35%以内时，Fe2O3 每增加1%，流动温度FT平均降低6.4 OC， 当Fe2O3 质量分数小于20%时，每增加1% ，FT 平均降低12.7 OC 26。于戈文等认为；Fe2O3 的助熔效果与CaO 的质量分数有关。黄铁矿是以多种形状和大小的晶体或结核包裹体的离散形式存在于原煤中，白铁矿也较相似，只是白铁矿一般相对较少，主要存在于低级煤中。不管哪种形态的铁矿, 其在煤粉火焰中都首先分解成磁黄铁矿(Fe1- x S，其中x = 00.12)，分解温度为770K970K，随后磁黄铁矿升温氧化, 生成Fe3O4，在1350K1473K之间熔化，生成Fe-S-O 熔体；对于外部硫铁矿颗粒，熔体继续氧化，直到完全氧化成Fe3O4，并可能进一步氧化成Fe2O3，而对于内部硫铁矿Fe-S-O 熔体可能继续氧化，其反应方式如外部硫铁矿，也可能与同颗粒中的硅酸盐矿物共熔成玻璃体，而不继续氧化这二者是两个互相竞争的过程，它们所起的作用取决于气氛和温度等条件26在进行煤灰熔融性测定时，要特别注意控制炉内的气氛性质。在氧化性气氛和还原性气氛条件下分别测得的灰熔融温度差别很大，特别是煤灰中氧化铁含量较多时，氧化性气氛和还原性气氛条件下分别测得的灰熔融温度差别很大含铁量高的煤灰在不同气氛中测定的灰熔融性温度可相差300。这是因为煤灰中的铁在不同气体介质中以同的价态出现，在氧化性介质中铁呈三价(Fe2O3)，在弱还原性气体中铁呈二价(FeO)，而在强还原性介质中，在高温时铁将变成金属铁(Fe)。其中，以Fe2O3的熔点最高(1560 OC)，FeO最低(1420 )，金属介于二者之间(1535 )。在氧化性气氛中以Fe2O3形式存在，在弱还原气氛中，以FeO的形态存在，与其他价态的铁相比，FeO具有最强的助熔效果。FeO能与Si2、A12O 3、3A12O32SiO2 (莫来石，熔点l850)、CaO- A12O 32SiO2 (钙长石，熔点1553)等结合形成铁橄榄石(2FeOSiO2，熔点1205)、铁尖晶石(FeOA12O 3，熔点1780)、铁铝榴石(3FeOA12O 33SiO2，熔点12401300)和斜铁辉石(FeOSiO2)，这些矿物质之间会产生低熔点的共熔物，因而使煤灰熔融性温度降低。弱还原气氛下的反应为：Fe2O3=FeO （1） 3A12O32SiO2+FeO=2FeOSiO2+FeOA12O3 （2） CaOA1O32SiO2+FeO=3FeOA12O33SiO2+2FeOSiO2+FeOA12O3 （3）SiO2+FeO=FeOSiO2 （4） FeOSiO2+FeO=2FeOSiO2 （5）在强还原气氛下，煤灰在熔融过程中的氧元素被大量还原，所剩绝大部分是金属或非金属单质，其单质的熔融温度要高出其氧化物许多，这些在强还原气氛下被还原出来的金属单质导致了煤灰熔融性温度的升高。因此，强还原气氛下的煤灰熔融性温度均比氧化气氛下高，差值在50-200。在煤灰中MgO含量少，一般很少超过4。在煤灰中它一般起降低灰熔融温度的作用。用人工增加MgO含量的试验表明，煤灰中MgO含量为1317时，灰熔融性温度最低，小于或大于这个含量，灰熔融性温度均将增高。1.4研究内容（1）选取有代表性煤样，进行工业分析、元素分析、发热量等基础分析；（2）通过改进的逐级化学提取法对铁的赋存形态进行研究，并对现象以及测试的数据进行总结、处理；（3）找出铁的赋存形态对煤灰熔融温度和粘度等的影响规律，结合所学知识，探索一条通过改变煤中铁元素这一元素变量的洁净煤技术。1.5 拟采用路线选取煤样煤质分析测量铁的赋存形态的含量煤灰的各种特性建立数学模型逐级化学提取实验根据现象和数据分析铁的赋存含量和特性总结影响规律图1 技术路线图三、主要参考文献1王泉清,曾蒲君. 煤灰熔融性的研究现状与分析 J.煤炭转化,1997,20(2):33372QIU J-R, LIF, ZHENG Y, ZHENG C-G, ZHOU H-C. 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