中国安徽省淮北煤田煤炭燃烧过程中微量元素的富集特性、挥发性、形态转化及其环境影响

《International Journal of Clinical and Health Psychology》：Enrichment characteristics, volatilization properties, speciation transformation, and environmental implications of trace elements during coal combustion from Huaibei Coalfield, Anhui, China

痕量元素在煤燃烧过程中的富集、挥发及形态转变受温度调控，通过实验与模拟发现Li、Ga、Zr和Pb在灰渣中显著富集（平均2倍，最高4倍），Cd为主要环境风险因素。

　　本研究围绕煤炭燃烧过程中痕量元素（Trace Elements, TEs）的行为展开，旨在揭示温度变化对关键元素与有害元素在燃烧产物中的分布、挥发以及化学形态转变的影响。这些元素包括关键元素如锂（Li）、钒（V）、镓（Ga）、锗（Ge）、锆（Zr）和钼（Mo），以及有害元素如铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）。通过结合燃烧实验与热力学模拟，研究人员系统地分析了在不同温度（400–1100?°C）下这些元素在淮北煤中的变化规律，并评估了它们对环境的不同影响。研究结果表明，锂、镓、锆和铅在五种煤样中均有所富集，其在煤灰中的含量平均超过原始煤中的两倍，最高可达四倍。有机物的分解在500/600?°C时基本完成，原始煤中的高岭石-石英-白云母矿物转变为煤灰中的莫来石-石英。在低温条件下，痕量元素主要以硫酸盐形式稳定，随着温度升高，部分元素以气态氢氧化物形式挥发，或者以金属氧化物形式存在于煤灰中。主成分分析（PCA）揭示了痕量元素对温度变化的不同响应模式。关键元素相较于有害元素在煤灰中表现出较低的挥发性，因此更容易保留，这凸显了其在资源回收方面的潜力以及对环境的积极效益。然而，有害元素的存在也会造成明显的环境影响，主要表现为随着温度升高，潜在的生态风险增加。镉被识别为在高温下能够达到较高风险水平的主要风险贡献者。这项研究为通过温度调控实现煤灰资源的无害化利用提供了科学依据。

煤炭作为全球重要的热能和电能来源，同时也是化学原料的重要来源，因其资源丰富、分布广泛、开采成本相对较低而受到重视。在中国，煤炭在能源结构中占据重要地位，根据《中国统计年鉴2024》，2023年底中国煤炭占总能源消耗的55.3%。中国能源资源的禀赋特点为石油储量有限、天然气供应不足，而煤炭储量相对丰富，因此，煤炭在未来相当长一段时间内仍将是国家能源结构中的基础组成部分。然而，随着对清洁发展和可持续利用的关注，煤炭的开发需要在满足能源需求的同时，兼顾资源利用和环境保护。煤炭燃烧不仅会产生大量有害气体，还会释放出有毒元素，污染周围生态系统，并通过生物累积对人类健康构成威胁。因此，对煤炭燃烧过程中痕量元素的分布、挥发和形态转变进行深入研究，对于实现煤炭资源的高效利用以及减少重金属污染具有重要意义。

近年来，关于煤炭燃烧过程中痕量元素的富集行为、化学形态和释放过程的研究日益增多。这些研究揭示了痕量元素在燃烧过程中可能表现出的非挥发性、半挥发性和挥发性特征。例如，有研究表明，痕量元素如汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）和锰（Mn）在细颗粒原始飞灰中更为富集，而随着温度升高和颗粒尺寸减小，痕量元素的挥发比例也会增加。此外，还有研究指出，锂在燃烧过程中会与铁、锰和硫反应，形成锂-铁-锰氧化物和锂硫酸盐。当温度升高到500–1000?°C时，锂的宿主相会转变为锂铝硅酸盐。这些发现为理解痕量元素在燃烧过程中的行为提供了重要线索。

淮北煤田位于安徽省北部，是全国煤炭资源的重要产地之一。该煤田受中生代岩浆侵入影响，其背景煤阶主要为烟煤，伴有少量无烟煤和天然焦煤。截至2020年底，淮北煤田的总储量为143.6亿吨，其中原地储量为127.3亿吨，占安徽省煤炭总储量的37.5%。目前，已有多个研究关注淮北煤燃烧过程中痕量元素的分布行为。例如，有研究指出，煤炭预处理厂废弃物中的有毒元素可以根据其挥发性分为三类：（1）高度挥发性元素如硒（Se）；（2）中等挥发性元素如砷（As）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）和锑（Sb）；（3）低挥发性元素如钒（V）、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）和铜（Cu）。另一项研究则比较了不同燃烧产物中铬的富集系数，发现铬主要通过颗粒表面的吸附和冷凝作用富集在飞灰中，其释放速率通常随着燃烧温度的升高而增加。还有研究指出，在淮北燃煤电厂的底灰中，砷、镉、铜、镍、铅和锌等元素表现出较高的挥发性，主要富集在飞灰中，对环境构成中等风险。

在低阶煤中，痕量元素与有机物之间存在较强的相关性，而在高阶煤中，痕量元素则更显著地与矿物相关。煤炭燃烧过程通常包括两个阶段：煤的脱挥发分和焦炭燃烧。在这一过程中，灰分的演变和矿物的转变是内在联系的，它们的变化均受到温度和煤本身性质的控制。这一综合机制在两个不同但连续的阶段中展开，其中在脱挥发分阶段的矿物转变对整体过程具有重要影响。许多研究指出，痕量元素在燃烧过程中的形态转变与有机物和矿物的变化密切相关，而温度是控制这些变化的主要因素。因此，有必要对在模拟燃烧条件下痕量元素的行为进行研究，以提供实际电厂燃烧过程中的参数支持。

目前，关于淮北煤的研究主要集中在燃烧产物中痕量元素的地球化学特征，尤其是对环境敏感的元素。然而，对于关键元素的行为研究仍然有限。鉴于环境保护和资源可持续利用的双重需求，本研究对从淮北煤田采集的煤炭在不同温度下的关键元素与有害元素的富集特性、挥发性质、形态转变以及环境影响进行了系统研究。研究结果不仅加深了对煤炭燃烧过程中元素分配机制的理解，还为实现淮北煤资源的综合利用和清洁煤炭技术的实际应用提供了理论基础。

本研究选取了五种来自淮北煤田不同煤矿的煤样，包括秦南（QN）、桃园（TY）、武沟（WG）、海子（HZ）和朱庄（ZZ）煤矿。这些煤样采集自地下开采面，依据中国国家标准GB/T482–2008进行。每种煤样均来自特定的煤矿，并经过系统的采样和分析。通过燃烧实验和热力学模拟，研究人员对这些煤样在不同温度下的行为进行了深入分析。结果表明，锂、镓、锆和铅在五种煤样中均有所富集，其在煤灰中的含量平均超过原始煤中的两倍，最高可达四倍。这说明这些元素在燃烧过程中具有一定的迁移能力，可能在煤灰中积累，从而成为资源回收的潜在对象。

有机物的消耗在500/600?°C时基本完成，原始煤中的高岭石-石英-白云母矿物转变为煤灰中的莫来石-石英。这表明在燃烧过程中，有机物的分解和矿物的转变是同步进行的，温度的升高促进了这些变化的发生。在低温条件下，痕量元素主要以硫酸盐形式稳定，随着温度升高，部分元素以气态氢氧化物形式挥发，或者以金属氧化物形式存在于煤灰中。这一变化过程表明，温度在控制痕量元素的形态转变中起到了关键作用，不同的温度条件会导致痕量元素以不同的化学形态存在。

通过主成分分析（PCA）可以发现，痕量元素对温度变化的响应模式存在差异。例如，某些元素在较低温度下较为稳定，而在较高温度下则更容易挥发。这种差异性的响应模式表明，温度是影响痕量元素行为的重要变量，不同元素对温度的敏感性不同，从而导致其在燃烧产物中的分布和形态发生变化。此外，关键元素相较于有害元素在煤灰中表现出较低的挥发性，因此更容易保留，这凸显了其在资源回收方面的潜力以及对环境的积极效益。然而，有害元素的存在也会造成明显的环境影响，主要表现为随着温度升高，潜在的生态风险增加。镉被识别为在高温下能够达到较高风险水平的主要风险贡献者。

本研究的发现为煤炭资源的无害化利用提供了科学支持。通过调控燃烧温度，可以优化痕量元素在燃烧产物中的分布和形态，从而提高关键元素的回收效率，同时降低有害元素对环境的污染风险。这不仅有助于实现煤炭资源的高效利用，还为推动清洁煤炭技术的发展提供了理论依据。此外，研究还揭示了不同温度条件下矿物和有机物的相互作用，以及它们对痕量元素行为的影响。这些发现对于优化燃烧工艺、减少环境污染以及提高资源回收率具有重要意义。

在煤炭燃烧过程中，温度的变化对痕量元素的行为具有显著影响。这种影响不仅体现在元素的富集和挥发上，还体现在其化学形态的转变上。因此，理解温度如何影响痕量元素在燃烧过程中的行为，是实现煤炭资源高效利用和环境保护的关键。本研究通过实验和模拟，系统分析了不同温度下关键元素和有害元素的分布规律，为实际燃烧过程中的参数选择提供了依据。此外，研究还揭示了关键元素与有害元素在燃烧产物中的差异性行为，为资源回收和污染控制提供了科学指导。

综上所述，本研究通过深入分析淮北煤燃烧过程中关键元素和有害元素的行为，揭示了温度变化对它们的分布、挥发和形态转变的影响。研究结果表明，某些元素在燃烧过程中表现出较高的富集性，而另一些元素则更容易挥发。这些发现不仅加深了对煤炭燃烧过程中元素行为的理解，还为实现煤炭资源的高效利用和清洁技术的发展提供了理论支持。此外，研究还强调了镉作为主要风险贡献者的重要性，表明在高温条件下，镉的释放和富集可能导致较高的生态风险。因此，通过科学调控燃烧温度，可以优化痕量元素的利用，减少环境污染，提高资源回收率，从而实现煤炭资源的可持续利用。