煤灰是稀土等战略性关键金属资源的重要资源来源之一, 目前国内外尚未建立煤中稀土元素的标准分析方法。 相比其他类型的传统稀土矿产, 煤灰基体组成更为复杂。 针对现有酸湿法消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测试煤灰中稀土元素存在的前处理效率低、 质谱干扰及其消除方法繁琐复杂、 测试结果不够准确等问题, 提出一种基于石墨消解-（动态反应池）电感耦合等离子串联质谱（ICP-MS/MS）的煤灰中微量稀土元素快速、 准确测定含量的方法。 通过比较不同消解体系（硝酸、 硝酸-盐酸、 硝酸-氢氟酸、 硝酸-盐酸-氢氟酸）与消解温度（100、 140、 180 ℃）对测试结果的影响, 发现以硝酸-盐酸-氢氟酸为消解介质、 140 ℃温度条件下煤灰消解效果最好, 氢氟酸的加入可以显著提升稀土提取效率, 二次加水消解赶去HF避免了难溶氟化物的生成及HF对质谱测试的不利影响。 ICP-MS/MS测定过程中分别将Rh、 Re元素作为内标在线加入补偿基体效应, 通过对比无气体质量原位模式（M-SQ-N/A）、 氦气碰撞和动能歧视模式（M-SQ-KED）、 氧气质量转移模式（M-TQ-O2）、 氨气质量转移模式（M-TQ-NH3）四种测定模式, 发现M-SQ-KED模式下测试值更接近真实值, 质谱干扰最小, 各元素测试回收率为92.49%~112.88%, 检出限低于0.005 2 μg·g-1, 相对标准偏差低于1.71%。 以煤灰测定过程中常见的Ba对Eu干扰为例, 模拟高Ba本底溶液中Eu测试, 揭示出M-SQ-KED模式通过反应气与待测元素和干扰离子碰撞概率不同可极大程度减弱多原子离子干扰。 将以上方法应用到我国不同电厂燃煤飞灰样品分析, 测定得到的稀土标准化曲线分布均一平滑, 表明建立的方法稳定、 可靠, 相比于微波消解前处理, 具有成本低、 操作简便、 效率高可大批量测定等优点; 而动态反应池技术可在线消除质谱干扰, 极大提高了工作效率。

利用太赫兹时域光谱技术对不同煤灰分含量的光谱进行分析，发现在0.5~3 THz频段内，随着煤灰分含量的增加，其折射率会逐步提高，吸收效应也会逐步增强；考虑到煤样品厚度对光谱的影响，提出一种基于厚度校正的吸收系数特征提取方法，提高了低灰分煤样品吸收曲线的数据区分度；利用双通道卷积神经网络提取折射率和吸收系数特征，建立了煤灰分预测模型。实验结果显示，训练集的拟合度为R2=98.21%，预测精度E_RMS=0.1442，而预测集的R2=93.56%，E_RMS=0.2037，均优于传统PLSR、BP和LSSVM等方法。可见，所提方法在解决选煤厂煤灰分检测问题上具有较好的表现，为选煤厂提供了一种新的技术路径。

在煤的气化过程中,煤灰中的无机组分短时间内会发生热解、团聚或结渣等行为,严重影响气化炉安全稳定运行。为探究煤灰停留在气化炉内的熔融过程和煤灰矿物转化行为,本文利用XRF、XRD、FTIR等测试方法和FactSage软件对不同温度和时间跨度处理后煤灰的化学组成、矿物组成、熔体结构进行了分析。结果表明: 在1 200、1 300、1 400 ℃条件下,当恒温时间由10 s逐渐增加至30 min时,煤灰中矿物种类均无明显变化,但SiO2、CaO、SO3占比有较大改变; 矿物的非晶态物质随着温度的升高以及恒温时间的延长而增加; 煤灰熔体结构由复杂的架状结构逐渐解聚为简单的环状、岛状等结构; 煤灰黏度也随温度的升高逐渐降低,在达到转折温度1 240 ℃后,温度与恒温时间对煤灰熔体熔融行为影响较小。

煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧, 产生各种金属和非金属氧化物和盐, 这是使用煤时的重要参数。 煤被广泛用于生产和人民生活, 作为重要的能源物质。 大量来自燃煤燃烧的煤尘（煤灰）被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成雾霾。 煤灰中的金属氧化物和空气中的小液滴之间发生一系列物理化学反应, 这导致了雾霾的形成。 在实验中, 采用激光诱导击穿光谱（LIBS）分析煤灰中的元素。 实验样品由某钢铁公司提供, 分为七个样品, 并标上序号。 样品分别加入蒸馏水和0.1‰, 0.2‰, 0.2％, 0.4％, 0.8％, 1％硫酸锌溶液, 分别用1～7号标记。 为了获得更好的LIBS信号, 样品被研磨为粉末状, 并使用蒸馏水使硫酸锌与煤灰充分混合。 通过使用压片机将煤灰压制成10 mm直径和10 mm厚的煤灰块。 为获得准确的元素结果, X射线荧光光谱也被用作参考, 并且原始样品不含锌元素。 由于光谱分析和波长漂移现象的不确定性, 因此实验中, 分别选择了铁, 钙, 钛和铝四种高纯单质。 在相同的实验条件下, 将四条测量的元素谱线与NIST原子光谱数据库中相应的谱图比较。 实验中的所有光谱根据波长差或偏移进行校正。 此时, 纯单质的元素谱线可以与样品的光谱对齐。 当元素谱中的特征线与样品中的谱线对齐时, 样品就可以被识别和确认。 由于铝元素与目标元素具有相似的化学和物理性质, 铝元素是煤灰和地壳中的主要元素之一, 具有中等的光谱强度。 因此将铝元素作为内标元素, 运用内标校准方法来确定样品中锌的浓度。 模拟含锌大气气溶胶是通过向煤灰中添加含锌元素来实现的。 还有一些其他的金属元素, 包括铁, 钙, 锰, 钛和铝也被用来加入煤灰中, 用以模拟大气气溶胶。 两种方法的相对差异分别为1.78％, 3.39％, 5.17％, 0.20％。 造成差异的原因可能是由于光谱仪缺乏分辨率或背景噪声的影响, 这是可能导致测量误差的原因之一。 由于实验室条件的限制, 无法确定基底是否会影响实验结果, 这将在未来的实验中得到进一步的证实。 实验拟合曲线测得煤灰中锌的线性相关系数为0.995 72, 这表明可以通过粗略估算锌的激光强度来估计煤灰中的锌含量的实现。 实验结果证明LIBS技术可用于煤灰中金属元素的快速检测, 为基于锌含量的大气环境检测提供了一种新方法。 在建立元素的校准曲线后, LIBS技术将来可以用来进行更快速, 更准确的定量分析。

高灰熔点X煤通过添加钙镁复配(WCaO/WMgO=1)助熔剂降低灰熔点, 在模拟煤气化过程中制备灰渣, 用X射线光电子能谱(XPS)分析不同温度点灰渣中O, Si, Al, Ca, Mg的存在形态及演化过程。 认为钙镁复配助熔剂降低灰熔点主要是作用在硅、 铝、 氧结构变化上, 表现为铝元素结构中铝氧配位方式的变化, 即四配位的铝氧四面体［AlO4］和六配位的铝氧八面体［AlO6］随温度的变化而变化; 硅元素结构中SiO2链的破坏, Ca2+和Mg2+加入会破坏SiO2链, 使得桥氧硅变为非桥氧硅; 以及氧元素结构中桥氧键断裂和非桥氧键形成。 结合Factsage热力学分析软件, 分析了添加钙镁复配助熔剂后, 煤灰渣的高温相平衡组成, 从矿物的结构变化研究助熔剂的助熔机理。 结果表明, 添加钙镁复配助熔剂后, Ca2+和Mg2+易与硅氧和铝氧四面体以及铝氧八面体中非桥氧键结合, 生成低熔点的长石类矿物和镁质矿物, 从而降低煤灰熔融温度。

研究煤灰中矿物质的性质通常从矿物组成的表征入手。 为了分析两种高硅铝煤灰的矿物成分, 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、 拉曼光谱和X射线衍射（XRD）技术对煤灰样进行了测试和综合表征, 将FTIR和拉曼光谱的分析结果与XRD进行了比较。 FTIR结果表明, 在1 100~1 000 cm-1范围内高硅铝煤灰出现最强的特征峰, 例如石英峰（1 089 cm-1）和偏高岭石峰（1 042 cm-1）, 它们都归属于Si—O伸缩振动。 对原始红外谱图进行二阶导数处理后, 可获得重叠峰的峰位, 有助于更完整的解析矿物吸收峰, 从而获得更丰富的矿物组成信息。 煤灰中硬石膏的红外和拉曼光谱发现, 在1 157, 1 126和674 cm-1的拉曼光谱峰与在1 151, 1 120和678 cm-1的红外光谱峰振动模式分别相同且峰位接近, 还存在一些完全不同的拉曼光谱与红外光谱峰, 表明这两种光谱存在互补性。 尽管煤灰中锐钛矿含量很低, 但由于Ti—O的极化率很高, 因此拉曼光谱显示锐钛矿的144 cm-1峰远远强于石英的461 cm-1峰。 XRD结果表明, 煤灰中主要存在石英、 云母、 赤铁矿、 硬石膏和未知的无定形相矿物, FTIR和拉曼光谱综合分析的结果表明除了这些矿物, 还存在偏高岭石、 无定形氧化硅、 长石、 方解石和锐钛矿等。 在定性分析方面, 将FTIR和拉曼光谱结合起来比XRD单独获得的矿物组成信息更为详细。

飞灰含碳量的定量分析需要不同含碳量梯度的飞灰样品作为定标之用。 通常做法是用煤粉按照快速灰化法的要求灼烧得到不同含碳量的灰样, 用于定标分析。 但是这与实际锅炉飞灰的成分存在一定差异, 需要对光谱特性的差异进行研究来指导实际定标工作。 因此, 对比了快速灰化法制备的不同含碳量的煤灰样品与锅炉飞灰在特征谱线强度、 等离子温度等等离子光谱特征方面的差异。 实验证明快速灰化法制备的煤灰样品的Fe, Mg和Al谱线强度强于锅炉飞灰样品, 飞灰等离子温度低于所制备的煤灰样品的等离子体温度, 这可能是不同处理过程的物理化学特性差异造成的。 用主成分分析法考察了导致光谱差异的主要原因, 认为Fe, Mg, Al和Si等元素是导致二者在光谱特性差异的主要因素, 这可能因为实验室内按照快速灰化法进行制样的飞灰相应矿物质组成不同所导致的。 在用灼烧后的煤灰定标未燃碳时, 应注意由于成灰过程不同所造成的Fe, Mg, Al和Si等元素含量和形态不同所带来的影响。