强还原气氛对高铁高钙煤在地下等离子体煤气化过程中矿物转化的影响

《F&S Science》：Effect of strong reducing atmosphere on mineral transformation in high-iron and high-calcium coal during plasma underground coal gasification

等离子体地下煤气化（PUCG）通过高温强还原环境有效抑制CO?排放并生产富还原气体合成气。本文采用XRD和SEM-EDS分析结合FactSage热力学模拟，揭示了PUCG煤灰中hedenbergite、almandine等矿物相变规律及铁矿物还原行为，发现还原气体浓度可达91 vol%，铁基矿物低温还原相向高温氧化相的非线性转变，以及熔融-再结晶过程受能密度调控。

　　本研究探讨了等离子体地下煤气化（PUCG）过程中煤灰和炉渣的矿物学特性，以及这些特性如何影响气化过程的稳定性、环境影响及能源效率。地下煤气化作为一种新兴的煤炭利用技术，因其较低的初始投资、较高的安全性以及对环境影响较小而备受关注。然而，该技术仍然会释放大量二氧化碳（CO?），这成为其发展过程中亟需解决的问题。等离子体技术的引入，通过提供高温和强还原性气氛，能够有效促进碳的还原反应，从而减少二氧化碳排放，并提高合成气（syngas）中还原性气体（如氢气和一氧化碳）的含量。在本研究中，我们首次将等离子体技术应用于地下煤气化反应，以期为实现更环保、高效的煤炭利用提供科学依据。

在地下煤气化过程中，煤的矿物组成对气化反应的进行具有关键影响。不同矿物在高温和强还原条件下表现出不同的相变行为、熔融特性以及再结晶过程。这些变化不仅决定了煤灰和炉渣的最终形态，也影响了气化过程中碳的转化效率以及气体产物的组成。因此，研究煤灰和炉渣的矿物学特性，对于优化气化参数、调控气化过程以及评估环境影响具有重要意义。尤其是在当前对地下煤气化残留物引发的水污染风险日益关注的背景下，煤灰和炉渣中微量元素的淋溶行为与矿物特性密切相关，这进一步凸显了对矿物学研究的必要性。

等离子体地下煤气化相较于传统地下煤气化（UCG）具有显著的优势。传统地下煤气化通常在中低温条件下进行，其气化反应主要依赖于氧气的注入，以提供必要的热源。然而，氧气的使用会导致大量二氧化碳的排放，这不仅增加了环境负担，也影响了气体产物的纯度。而等离子体技术能够通过电能驱动，产生高温和高反应活性的气体，从而在不依赖燃烧的情况下实现碳的还原反应。这种特性使得等离子体地下煤气化在减少碳排放和提高合成气质量方面展现出巨大潜力。

在本研究中，我们选取了未经洗选和分类的次烟煤作为实验材料，模拟了实验室规模的等离子体地下煤气化过程。通过调节输入能量和气化剂的注入流量，我们获得了不同条件下生成的煤灰和炉渣样品。利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜结合能谱仪（SEM-EDS）技术，我们对煤灰和炉渣的矿物组成、微观结构进行了系统分析。同时，结合FactSage 7.3热力学平衡模拟软件，我们对矿物在不同气氛条件下的相变行为、熔融特性以及粘度-温度关系进行了深入研究。这些研究结果不仅有助于理解等离子体地下煤气化过程中矿物的变化规律，也为实现稳定、环保的煤气化操作提供了科学支持。

在实验过程中，我们发现等离子体地下煤气化生成的合成气中还原性气体的体积浓度可以达到91%。这表明等离子体技术能够有效促进碳的还原反应，从而减少二氧化碳的生成。在强还原条件下，煤灰和炉渣中出现了一些典型的矿物，如透辉石、铁铝榴石、黄铁矿、硅灰石、石英和磁铁矿。这些矿物的形成与气化过程中的温度、压力以及还原性气氛密切相关。同时，我们还发现，在强还原条件下，铁矿物更容易向低价态铁元素或甚至金属铁转化，这使得煤灰和炉渣的完全熔融温度显著升高，可达370°C。这一现象表明，铁矿物的转化对气化过程的热力学行为具有重要影响。

此外，我们还观察到，在等离子体地下煤气化过程中，矿物会经历分解、相变、完全熔融以及再结晶等多个阶段。这些阶段的变化不仅影响了煤灰和炉渣的物理性质，也对气化过程的稳定性和效率起到了关键作用。其中，金属铁的形成有助于晶体的成核，而等离子体的高能量密度则为熔融矿物的再结晶提供了足够的温度和停留时间。这些发现对于优化等离子体地下煤气化工艺参数、提高气化效率以及减少环境影响具有重要意义。

在实验结果的基础上，我们进一步探讨了等离子体地下煤气化在实际应用中的可行性。通过对煤灰和炉渣的矿物学特性进行系统研究，我们能够更好地理解其在不同气氛条件下的行为变化，从而为选择合适的工艺条件提供科学依据。此外，我们还发现，煤灰和炉渣的矿物组成对环境稳定性具有重要影响。在强还原条件下，煤灰和炉渣的矿物结构更加稳定，其对水体的污染风险也相对较低。因此，合理选择工艺条件，促进煤灰的玻璃化（vitrification）过程，是实现等离子体地下煤气化环保运行的关键。

本研究的实验材料来源于内蒙古鄂尔多斯市洪青河煤矿的采煤工作面。该煤矿的煤层属于中侏罗纪延安组，其沉积基底为三叠纪延长组。通过对该地区煤层的矿物学分析，我们发现煤灰和炉渣的矿物组成与煤层的地质背景密切相关。例如，煤灰中主要含有二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁、三氧化硫和氧化铝等成分，其中氧化钙的含量超过18%，三氧化二铁的含量接近15%，二氧化硅与氧化铝的比值为2.34。这些数据表明，实验所用的煤具有较高的钙和铁含量，并且二氧化硅与氧化铝的比例较高，这进一步说明了煤灰和炉渣的矿物组成对气化过程的影响。

在实验过程中，我们还发现，煤层中的煤夹矸（coal partings）在气化过程中起到了重要作用。这些煤夹矸通常含有较高的二氧化硅和氧化铝，它们参与气化反应，并影响煤灰和炉渣的矿物演化过程。例如，这些煤夹矸能够促进高熔点矿物如铝硅酸盐的形成，并提高煤灰和炉渣的熔融温度。这表明，煤夹矸的矿物组成对气化过程的热力学行为具有重要影响，因此在研究等离子体地下煤气化过程中，需要充分考虑煤夹矸的参与情况。

此外，我们还对等离子体地下煤气化过程中矿物的相变行为进行了深入研究。在高温和强还原条件下，矿物会经历从低熔点矿物向高熔点矿物的非线性转变，这一过程与传统地下煤气化中的线性转变不同。这种非线性转变表明，等离子体技术能够更有效地调控矿物的演化路径，从而实现更高效的气化过程。同时，我们还发现，等离子体地下煤气化过程中，矿物的再结晶行为受到温度和气氛条件的显著影响。高能量密度的等离子体能够提供足够的温度和停留时间，使得熔融矿物能够形成稳定的再结晶结构。

在本研究中，我们还利用热力学平衡模拟软件FactSage 7.3，对矿物在不同气氛条件下的行为进行了系统分析。这一软件能够模拟矿物在高温和强还原条件下的相变、熔融以及再结晶过程，从而为实验结果提供理论支持。通过结合实验数据和模拟结果，我们能够更全面地理解等离子体地下煤气化过程中矿物的演化规律，并为优化工艺参数提供科学依据。

最后，我们总结了等离子体地下煤气化在实际应用中的优势。与传统地下煤气化相比，等离子体技术能够显著减少二氧化碳的排放，并提高合成气中还原性气体的含量。这不仅有助于实现更环保的煤炭利用，也能够提高气化过程的效率。此外，等离子体地下煤气化过程中，矿物的演化行为对气化过程的稳定性具有重要影响。因此，合理选择工艺条件，促进煤灰的玻璃化过程，是实现等离子体地下煤气化稳定运行的关键。本研究的成果为等离子体地下煤气化技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。