通过热活化提高煤中矿物成分的水溶性

《Fuel》：Enhancing aqueous solubility of mineral components in coal through thermal activation

采用低温煅烧热活化方法提升煤中铝、硅、钛等矿物质的水溶性，实验显示煅烧后水浸处理使Al、Si、Ti浸出率分别达95.8%、92.0%和82.58%，灰分从9.27%降至1.50%。机理研究表明煅烧过程中煤基质未参与反应，但通过无机铵盐与矿物选择性作用生成可溶产物，破坏煤体结构使其表面疏松多孔，从而显著提高固定碳和热值。分隔符

　　在全球能源需求不断增长的背景下，煤炭作为主要的能源来源之一，其高效利用对于各国的能源结构具有重要意义。然而，煤炭中固有的大量矿物成分，如黏土矿物、石英、云母等，往往成为提高燃烧效率和减少环境污染的主要障碍。这些矿物成分不仅影响煤炭的热值和固定碳含量，还可能导致炉内结渣、灰分沉积等问题，进而降低燃煤设备的运行效率和寿命。因此，探索一种高效且环保的方法，以去除煤炭中的矿物杂质，提升其燃烧性能和资源利用率，成为当前能源研究的重要课题。

当前，煤炭脱灰技术主要包括物理分离、化学浸出和热处理等手段。其中，物理分离方法如重力选煤和浮选，虽然在去除粗粒矿物方面具有一定效果，但在处理细粒矿物，尤其是无定形硅酸盐时，往往面临效率低下、成本高昂的问题。化学浸出则通过使用强酸如氢氟酸（HF）、盐酸（HCl）或硝酸（HNO?）等，将矿物转化为可溶性产物，从而实现有效去除。然而，这种方法通常伴随着高浓度试剂的使用，不仅增加了处理成本，还可能引发设备腐蚀和废水排放等环境问题。因此，寻找一种既能有效去除矿物杂质，又能减少环境影响的新型处理技术，成为研究的热点。

近年来，热处理技术，尤其是低温焙烧预处理，因其相对温和的条件和良好的矿物溶解效果，逐渐受到关注。低温焙烧过程中，通过加入适当的无机盐类作为共溶剂，可以促使矿物与这些试剂发生反应，形成水溶性或酸溶性产物，从而在后续的水浸或酸浸步骤中实现高效去除。这一方法不仅减少了传统化学浸出所需的高浓度试剂，还避免了设备腐蚀和废水处理的复杂性。此外，低温焙烧过程中，共溶剂与煤基质之间不会发生反应，而是选择性地与矿物成分作用，这种特性使得该方法在处理煤炭中的矿物杂质时具有较高的选择性和效率。

在本研究中，科研团队采用了一种相对温和的低温焙烧热活化方法，旨在提高煤炭中矿物成分的水溶性，从而有效去除这些杂质。实验结果表明，经过焙烧和水浸处理后，煤炭中主要矿物成分——铝（Al）、硅（Si）和钛（Ti）的水溶性显著增强，其去除效率分别达到了95.8%、92.0%和82.58%。同时，煤炭的灰分含量从9.27%降低至约1.50%。这一成果不仅提升了煤炭的燃烧效率，还显著改善了其燃烧特性，使其固定碳含量和热值分别从69.56%和7,794 kcal/kg提高至77.18%和8,547 kcal/kg。这些数据表明，低温焙烧热活化方法在提高煤炭质量方面具有显著优势。

研究进一步揭示了低温焙烧过程中矿物成分的变化机制。在焙烧过程中，共溶剂与煤基质之间没有发生反应，而是选择性地与矿物成分相互作用，生成一系列水溶性或酸溶性产物，如六氟硅酸（H?SiF?）、氟化铝（AlF?）和氟化硅（SiF?）等。这些产物在后续的水浸过程中可以被有效去除，从而降低了煤炭中的矿物杂质含量。与此同时，矿物的去除还导致煤炭的宏观结构发生变化，使其表面形态变得松散多孔，颗粒尺寸显著减小。这种结构上的变化不仅有助于提高煤炭的燃烧效率，还可能改善其在其他能源利用过程中的表现。

为了系统地评估低温焙烧热活化方法对煤炭矿物成分的影响，研究团队采用了一系列先进的分析技术，包括电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、激光粒度分析以及热重分析（TG-DTG）。这些技术的应用使得研究人员能够全面了解煤炭在焙烧和水浸处理前后在形态、元素组成、矿物结构和微观特性方面的变化。通过这些分析手段，研究团队不仅验证了低温焙烧热活化方法的有效性，还深入探讨了其作用机制，为今后相关技术的优化和推广提供了理论依据。

在实验设计方面，研究团队系统地考察了焙烧温度、焙烧时间、试剂用量、水浸温度以及水浸时间等因素对矿物溶解效果的影响。通过调整这些参数，他们能够优化处理条件，以实现最佳的矿物去除效果。此外，实验还特别关注了焙烧过程中共溶剂的作用机制，发现其能够有效促进矿物成分的溶解，而不会对煤基质造成显著破坏。这一发现对于理解低温焙烧热活化方法的适用范围和处理效果具有重要意义。

从实际应用的角度来看，低温焙烧热活化方法不仅能够提高煤炭的燃烧效率，还能显著减少燃烧过程中产生的污染物排放。例如，煤炭中的硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）等有害气体的排放量通常与矿物杂质含量密切相关。通过去除这些矿物成分，不仅可以提高煤炭的热值，还能降低燃烧过程中产生的污染物，从而减少对环境的负面影响。此外，该方法在处理过程中所需的试剂用量较少，且处理条件相对温和，避免了高温处理带来的能源消耗和设备损耗，具有较高的经济性和可行性。

本研究还提到，目前在煤炭脱灰领域，传统的处理方法如超声波和微波预处理虽然在一定程度上提高了矿物去除效率，但在处理细粒矿物方面仍存在局限性。超声波预处理主要通过去除煤炭表面的含氧官能团，提高其表面疏水性，从而增强浮选过程中的矿物去除效果。然而，这种方法对内部矿物成分的去除效果有限。微波预处理则利用矿物与煤基质之间的介电性质差异，通过选择性加热引发物理和化学变化，促进矿物与煤基质的分离。尽管微波预处理在去除硫化矿物方面表现出色，但在处理硅酸盐矿物时效果不佳，这使得该方法在实际应用中受到一定限制。

相比之下，低温焙烧热活化方法在处理硅酸盐矿物方面展现出独特的优势。该方法通过引入无机铵盐作为共溶剂，使硅酸盐矿物在焙烧过程中发生化学反应，生成可溶性产物，从而在后续的水浸步骤中被有效去除。这一过程不仅提高了矿物去除效率，还减少了对环境的污染。此外，低温焙烧处理条件相对温和，避免了高温处理带来的能耗问题，使得该方法在实际应用中更具优势。

综上所述，本研究提出了一种基于低温焙烧热活化方法的煤炭脱灰技术，该方法在提高煤炭燃烧效率、减少环境污染和提升煤炭资源利用率方面展现出良好的前景。通过系统的实验设计和先进的分析手段，研究团队不仅验证了该方法的有效性，还深入探讨了其作用机制，为今后相关技术的优化和推广提供了坚实的理论基础。未来，随着对该技术的进一步研究和应用，有望在煤炭清洁利用和资源高效开发方面取得更多突破。