温度影响下煤矸石内铁离子迁移的数值模拟研究.pdfVIP

摘 要 为了研究煤炭生产和加工过程中产生的煤矸石引起的环境问题，以及煤矸石内 铁元素的释放迁移，来解决铁缺乏的问题，本文阐述了煤矸石在物理、化学风化和 降雨溶淋作用下铁离子物理化学作用的机理；考虑到煤矸石内发生的化学反应及其 热效应；由于煤矸石内一部分金属元素被其风化过程中生成的铁的胶体或有机物所 吸附，煤矸石内铁的胶体或有机物对金属元素的吸附行为符合 Langmuir 吸附模型； 应用降雨入渗的理论、化学动力学理论、热传导理论及溶质运移理论，建立温度影 响下煤矸石内铁离子迁移的动力学模型；并采用数值算法进行求解；本文主要得到 如下结果： (1) 不同降雨量条件下，压力水头均随着高度 z 的降低先增大后减小，压力水 头的变化主要受降雨强度和煤矸石山的入渗能力的影响；有效饱和度均小于 1，由 于矸石山内存在空气，孔隙不可能被水完全占据；流速先增大后减小，原因是上面 的煤矸石新鲜，孔隙大，因此入渗速度大。随雨水的入渗，煤矸石内铁离子浓度从 顶部到底部逐渐变大，随着降雨时间的延长，煤矸石内铁离子迁移的距离增大，铁 离子不断积聚。 (2) 通过控制化学反应中水的物质的量和氧气的物质的量得到不同情况下 FeS2 氧化、水解、酸化后释放出的物质的量，来定量的得出煤矸石内 FeS2 反应的控制因 素； (3) 不同化学反应阶段，煤矸石内温度均增大，煤矸石山内部温度聚增， 有两点原因：一是煤矸石内硫铁矿发生的化学反应中，氧化反应释放出的热量 最大，是放热过程的控制反应；二是煤矸石山内部散热性较差，导致热量的聚 集。 (4) 铁离子浓度的变化受化学反应放热的影响，同一时间、同一区域考虑化学 反应放热的铁离子浓度，要比不考虑化学反应放热的铁离子浓度大。 关键词：煤矸石；物理化学作用；化学反应 ；动力学模型；数值模拟 Abstract The envrionmental question during the coal production and processing resulted by coal slack is concerned by the whole world, as well as the migration and release of ferrumiron in coal slack. This article clarifies the mechanism of ferrumiron chemical action considering the physical, chemical decency and thermal effect. Some metal elements in coal slack could adsorped by the ferrum or organic colloform, and this adsorption could satisfied with Langmuir adsorption model. The theories of rainfall infiltration, chemical kinetics, heat transfer and solute transport are applied and then stablish the kinetics model of ferrumiron migration considering the tempreature influence. The main results received by numerical simulation are as follow: (1) The pressure head is first increase and then decrease with the decrease of