准噶尔煤盆地是新疆维吾尔自治区最大的含煤盆地之一,蕴含丰富的侏罗系煤炭资源。由于距离我国能源需求大的东南部发达地区较远,新疆煤炭资源目前及未来很长时间内将主要在当地大量地用于燃煤电厂发电及煤的气化液化等。煤资源的使用一方面促进了经济的迅速增长,另一方面,燃煤电厂不仅产生大量的燃煤副产物,同时,大量的气体污染物和颗粒物也可能排入大气,造成严重的环境问题。为此,研究煤中元素的含量及电厂燃煤过程中微量元素(尤其是与环境密切相关的微量元素)的富集行为对环境的影响是非常重要的。同时,燃煤副产物的多种潜在高附加值的回收利用也具有重大的环境和经济意义,不仅降低了废弃物堆放空间及潜在的环境风险,而且低成本的副产物回收利用也将带来较大的经济利益。本论文对准噶尔盆地东部和南部煤田不同勘探区钻孔煤样的煤级特征,煤岩学,煤矿物学及煤地球化学特征进行了分析,同时,对新疆红雁池和苇湖梁2个主要以准噶尔煤为燃料的燃煤电厂的燃煤废弃物的各种特征,尤其是其中微量元素环境地球化学特征及其富集和淋滤特性进行了研究。在此基础上,对燃煤副产物进行了多种高附加值的应用实验研究,如沸石的合成,耐火材料,隔音材料的加工,陶瓷砖及泡沫玻璃的制备等。通过以上研究,综合评价了研究区的煤质特征,初步解释了成煤环境,并且详细评价了电厂燃煤副产物的多种高附加值利用的可行性。本论文的研究对准噶尔丰富的煤炭资源的综合勘探开发利用具有重要的理论指导意义和环境意义,取得的主要成果如下：●1)准噶尔每质特征准噶尔含煤盆地为一超大型含煤盆地,预测煤炭资源储量达7千亿吨。单一巨厚煤层至数十层分叉可采煤层广泛发育于整个盆地中侏罗统西山窑组和部分发育于八道湾组的地层中,最大累计可采煤层厚度达100多米。准噶尔盆地东部和南部煤田煤具有低的灰分产率,中高水分含量和高挥发份产率,煤级总体属于高挥发份烟煤。煤的显微煤岩组分以惰性组和镜质组为主；同时煤中具有低的硫分含量,低的矿物含量以及低的微量元素含量。这种低硫、低灰、低微量元素含量指示了准噶尔煤为一种高洁净煤。但值得注意的是与准南煤田和我国其它煤田相比较,准东煤田煤具有相对高的水分和Na含量。沉积相及煤相分析表明准噶尔盆地准东煤田煤主要形成于浅湖沉积背景下的弱氧化-还原的干燥森林沼泽相成煤环境。单一巨厚煤层区与相对薄的多煤层分叉区相比,单一巨厚煤层区煤中的矿物含量,S含量及微量元素含量略低,并具有相对高的惰性组含量,这可能与单一巨厚煤层区物源碎屑供应较少,成煤环境相对更稳定,泥炭沼泽的堆积速率约大于基底的沉降速率,比较长时期的处于相对高位的泥炭沼泽有关。●2)电厂燃煤及副产物的特征新疆苇湖梁和红雁池燃煤电厂主要以准噶尔煤为燃料,故其燃料煤也以低硫、低灰、低矿物及低元素含量为特征,预示其燃煤废弃物也将对环境产生较小影响。研究表明,两个电厂的燃煤飞灰及炉渣主要由无定形的玻璃基质组成(73-90%),含有少量的石英、莫来石、钙长石及微量的赤铁矿,方解石和硬石膏等矿物。燃煤飞灰的玻璃基质具有较高的Si02含量及高的SiO2/Al2O3(?),近似于欧洲飞灰的平均值,属于F型飞灰。飞灰中的微量元素含量极低,几乎低于欧洲飞灰的最小值。同大部分粉煤燃烧电厂类似,燃煤过程中煤中的大部分元素主要被保留在飞灰而非炉渣中(70%)。S和C1在静电除尘器中具有高挥发性,F、Hg、B、Se、As、Cu和Zn也具有部分挥发性,但是由于两个电厂中都安装有烟道气脱硫装置,这些挥发性的元素主要被吸附在烟道气脱硫装置中,仅有极少被排放入大气中。此外,炉渣,烟道气脱硫石膏以及煤矸石中的微量元素也较低,而且所有燃煤副产物均具有极低的淋滤特性,根据欧盟委员会对固体垃圾处理的决议(2003/33/EC),这些燃煤副产物均属于无害或惰性堆积材料,对环境具有极低的影响。●3)应用燃煤飞灰合成沸石所采电厂飞灰可以通过直接转化和碱性熔融两种方法有效地用于合成高分子沸石材料。通过NaOH直接转化法合成了具有工业使用价值的NaP1型沸石及少量的含钠菱沸石和含钠钙十字沸石；合成结果受飞灰特性(如玻璃基质的含量,Si/Al比及飞灰粒度等)以及各种合成条件(NaOH溶液浓度,合成温度,合成时间及NaOH溶液体积/飞灰质量比)的影响；增加合成温度,合成时间及NaOH浓度将提高合成效率,但是过高的合成温度(≥200。C)和NaOH浓度(≥3M)以及过长的反应时间(≥12h)将不利于P型沸石的合成,反而利于形成低离子交换能力的方沸石；NaOH直接转换法具有30-50%的合成效率,离子交换能力高达2.4meq/g的P型沸石材料可以在较低的经济成本下(150℃,2M NaOH,2L/kg NaOH/飞灰比,8h)合成。通过NaOH碱性熔融法合成了X型和A型沸石,该方法的合成结果同样受飞灰特性及合成条件的影响：高的NaOH/飞灰质量比有利于X型及A型沸石的合成,高的结晶温度利于合成低离子交换能力的方钠石等而不利于X型及A型沸石的合成。此种合成方法具有40-77%的合成效率,离子交换能力高达3.3meq/g的X/A型沸石可以在较低经济成本下(110。C,6-8h)合成。而且,这两种方法合成的P型,X/A型沸石材料,尤其是X/A型沸石材料具有良好的废水处理效果,可以有效的去除工业废水中的Cu、Pb、Zn、Ni及Cd等重金属。通过KOH直接转化法合成了麦钾沸石,用KOH作为反应剂需要较高的反映条件(KOH浓度≥3M,合成温度≥150。C,反映时间≥8h),合成的麦钾沸石材料具有0.6-3.4meq/g的离子交换能力；在相对较低成本下(5MKOH溶液,150℃,8h)利用中试规模的工厂反应器合成离子交换能力为1.6meq/g的麦钾沸石材料,通过向日葵的种植实验证实这些沸石材料可以作为植物生长有效的钾肥。●4)应用飞灰/烟道气脱硫石膏制备耐火材料电厂烟道气脱硫石膏以及不同比例的飞灰/石膏混合物可以用来加工耐火材料,高达80%的飞灰可以被用作原材料。合成的耐火材料属于高密度耐火材料(1.09-1.27g/cm3),其抗压强度(4.2-12.6MPa)及挠曲强度(2.3-4.7MPa)远高于欧盟条例规定的同类材料的最低强度(1MPa)；其耐火能力随着原材料中飞灰比重的增加而减少,纯脱硫石膏制成的耐火材料具有最优的耐火能力(延迟着火时间52分钟),但是即使使用80%的飞灰制成的耐火材料其耐火特性(延迟着火时间30.5分钟)仍然接近于纯工业石膏制成的耐火材料(延迟着火时间31.9分钟)。同时这些耐火材料具有极低的淋滤性,因此对环境的影响极低。●5)应用飞灰/煤矸石制备陶瓷砖应用飞灰和电厂煤矸石的混合物可以烧结陶瓷砖体。30-50%的飞灰与70-50%煤矸石粉混合,在不同的温度下(900-1100。C)烧结,制成的陶瓷砖体没有明显的收缩变形,但是随着烧结温度的增加,砖体的密度增加,孔隙率及吸水性降低。从经济成本考虑,在较低烧结温度下制成的低密度砖体不仅节约成产成本,而且较好的空隙结构也使其具有良好的隔热性能。这些飞灰/砖体的挠曲强度(9.93-10.66MPa)随着飞灰用量的增多而减少,但是仍比普通粘土砖体高2-3倍。从环保角度,这些陶瓷砖体烧结过程中仅有少量的CO2排放(90-116g/kg),而且砖体具有极低的淋滤性,因此可以大规模的使用而不会引起环境的污染。●6)应用飞灰/回收玻璃制备泡沫玻璃应用飞灰和回收玻璃粉末的混合物可以制作一种高效的隔热、隔音材料-泡沫玻璃。飞灰的灰熔点及有机碳含量,飞灰／玻璃的用量比,Na2CO3助熔剂和SiC起泡剂的使用,烧结温度以及在烧结温度的停滞时间等都影响泡沫玻璃的性能。降低飞灰的用量可以降低起泡温度,但是太少的飞灰由于较低的有机碳含量而不足以产生足够的起泡气体。由于所用飞灰的灰熔点较高,考虑到经济成本并同时消耗尽可能多的燃煤飞灰,Na2CO3助熔剂及SiC起泡剂被使用以降低起泡温度并获得良好的孔隙结构。同时,好的泡沫玻璃的性能取决于烧结温度增加过程中的混合物粘滞性的降低与起泡气体排放量增加的平衡,太高的烧结温度将产生大而疏的气孔,而不利于大量均一空隙结构的形成,因此泡沫玻璃的机械强度将大大降低。增加停滞时间同样产生大而疏的空隙结构,降低其机械强度,不利于其实际应用。综合以上因素,添加9-11%的Na2CO3助熔剂及0.5%的SiC起泡剂,多达33-43%的飞灰可以用作原材料,在865-915。C的烧结温度和15分钟的高温停滞时间下可以形成较好的泡沫玻璃。这些泡沫玻璃的视密度约为0.6g/cm3,略高于同类飞灰泡沫玻璃材料,其抗压强度与商业泡沫玻璃及同类飞灰泡沫玻璃相当,可以大规模地被用作隔热和隔音材料。同时,在烧结过程中仅有少量的CO2(25-77g/kg)排出,没有SO2排出；而且这些泡沫玻璃的淋滤性极低,因此在使用过程中对环境没有明显的影响。●7)应用炉渣制备隔音材料三种不同粒度(>5mm,1.25-5mm and<1.25mm)的电厂炉渣可以大量的(80%)与普通硅酸盐水泥(20%)混合加工成不同的隔音材料。与同类隔音材料相比,这些隔音屏具有近似的密度和抗压强度；而且其密度和抗压强度随着颗粒粒度的增加而降低；相反,随着炉渣颗粒粒度的增加,孔隙率增加,隔音屏的吸音效果反而增加；中等粒度和粗粒炉渣制成的隔音屏具有良好的吸音效果,类似于由粗粒多孔水泥制成的隔音材料的吸音效果。从环保角度,这些隔音屏具有极低的淋滤性,对环境无明显的影响。●8)煤及燃煤副产物特征对其潜在应用的影响总体上,新疆准噶尔丰富的优质煤炭资源使其燃煤副产物具有多种高附加值的回收利用的潜能。燃煤副产物的多种应用主要取决于不同副产物的各种特性,而燃煤副产物的特征很大程度受煤质特征及电厂燃烧条件的影响。首先,准噶尔煤的低S及低元素含量导致燃煤副产物中矿物及微量元素含量较低,加之烟道气脱硫装置的使用,在燃煤过程中很少的气态挥发物排入大气,而且这些燃煤副产物具有很低的淋滤性,这种低淋滤低排放的性质为燃煤副产物的诸多潜在应用提供了有利的环境保障。准噶尔煤中的低灰、低矿物含量导致燃煤飞灰中的矿物含量较低而硅铝质玻璃基质含量较高,这有利于沸石的合成；同时,燃煤飞灰的高玻璃基质含量,细的颗粒粒度以及低的气体排放率使其成为良好的陶瓷砖体原料；然而,高的硅铝质含量导致飞灰的软化温度(1255。C)及灰熔点(1345。C)较高而不适于制作陶瓷瓷砖材料。另一方面,飞灰的灰熔点及有机C含量影响其制作泡沫玻璃的起泡行为,助熔剂及起泡剂的使用可以大大降低起泡温度,优化泡沫玻璃的孔隙结构。此外,燃煤副产物的组成也受其他一些因素的影响,如电厂燃烧技术,燃烧温度和时间,滤波器及其他烟道气清洁装置的类型等,这些因素导致了燃煤废弃物的不同的物化等特征,也在一定程度上影响了这些副产物的潜在应用,例如飞灰的粒度也影响着沸石合成的结果和效率；炉渣的粒度是影响隔音屏的吸音效果的最重要的参数。