《Case Studies in Thermal Engineering》：Study on the mechanism of mineral effects on coal oxidation and combustion properties in the Dongsheng Coalfield
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為揭示煤中礦物組分對煤自燃的影響機制，研究人員以東勝煤田四采區煤樣為對象，通過酸/堿脫礦方法去除礦物，并結合原位紅外、熱重-質譜聯用（TG-MS）及程序升溫-色譜聯用技術，系統分析了脫礦前后煤樣表面官能團演化、耗氧特性、氣體產物及燃燒行為差異，明確了鈉長石、石膏、方解石等關鍵催化礦物及其存在形式的作用，為深化理解煤自燃機理、發展針對性防控技術提供了重要實驗與理論基礎。
想象一下，在深邃的地下礦井中，堆積如山的煤炭正在與空氣中的氧氣悄然進行著一場緩慢的“對話”。這場對話并非無聲無息，而是不斷釋放熱量。一旦熱量累積到臨界點，就可能引發自燃，導致嚴重的安全事故和資源浪費。這就是困擾煤炭工業多年的難題——煤自燃。傳統理論認為，煤階越低（即煤化程度越淺），越容易自燃，因為其揮發分高、孔隙發達。然而，現實中常常出現“反常”現象：一些煤化程度更高的煤，反而比低階煤更“易燃”。這表明，我們對煤自燃內在原因的認識仍然不足，準確評估其自燃傾向性、可靠預測發火期，已成為制約煤自燃精準預測與防控技術發展的關鍵瓶頸。
從化學反應機理看，煤自燃本質是煤中有機質在常溫下與氧發生的緩慢氧化，持續放熱并蓄熱，溫度達到特定閾值后觸發劇烈氧化反應。其關鍵內在因素可歸結為兩點：一是有機質氧化的反應活性及其溫度閾值；二是生熱與蓄熱能力。這兩方面既取決于煤有機質的化學結構特征，也可能與其所含的礦物質密切相關。已有研究表明，煤中的活性礦物質能夠催化其自燃過程，但不同礦區煤樣的礦物組成及催化活性差異顯著，特定區域煤中具體哪些礦物具有催化活性、其催化效率及作用機制如何，尚不清楚。當前研究面臨兩大技術挑戰：一是煤中固有礦物難以分離；二是外添礦物難以復現真實的有機質-礦物相互作用環境。
為了攻克這些難題，一項題為“Study on the mechanism of mineral effects on coal oxidation and combustion properties in the Dongsheng Coalfield”的研究在《Case Studies in Thermal Engineering》上發表。該研究由戴峰偉、楊昊天、黃戈、張迅、白剛等人完成，他們選取東勝煤田中高家梁（GJL）、李家壕（LJH）、紅慶梁（HQL）和門克慶（MKQ）四個有代表性采區的煤樣，采用酸堿脫礦法選擇性去除關鍵礦物，通過關聯“礦物組成—氧化路徑—燃燒行為”，系統闡明了主要礦物在煤低溫氧化和高溫燃燒兩階段的作用，旨在闡明關鍵礦物及其存在形式對煤氧化與燃燒過程的影響機制，為深化煤自燃理論、發展針對性防控技術、完善礦物催化調控理論提供實驗證據與理論支持。
研究者們運用了多項關鍵技術來開展這項系統性工作。研究樣本來源于中國內蒙古東勝礦區的新鮮（GJL, LJH）及已儲存兩年的（HQL, MKQ）煤樣。首先，他們采用酸堿協同脫礦技術制備了脫礦煤樣。隨后，利用X射線衍射（XRD）和X射線熒光光譜（XRF）對脫礦前后的樣品進行了礦物定性與定量表征。為了動態追蹤氧化過程，研究結合了原位紅外光譜技術在線監測煤加熱過程中表面官能團的演變規律。同時，通過熱重-質譜聯用（TG-MS）技術同步分析了煤樣在程序升溫過程中的質量變化、熱釋放及產物（H2O, CO2）形成規律。此外，還利用自建的程序升溫平臺耦合氣相色譜，實時監測了煤低溫氧化過程中的耗氧及氣體產物（CO, CO2）生成行為。這些技術的綜合應用，實現了從礦物組成、官能團動態、氣體釋放到燃燒動力學的多尺度分析。
3.1. 煤中礦物組成與特征
通過XRD和XRF分析，明確了四個煤樣的礦物組成主要為高嶺石、珍珠巖、石英、鈉長石、石膏（硫酸鈣）、方解石、黃鐵礦和赤鐵礦等，且GJL和LJH煤的礦物中檢測到鎂的摻雜。酸堿脫礦處理后，GJL、LJH、HQL和MKQ煤樣的總礦物脫除率分別達到91.6%、97.7%、89.6%和42.2%，其中鈉長石、石膏、方解石等礦物被高效去除，而石英、高嶺石等硅鋁酸鹽礦物有不同程度殘留。
3.2. 礦物對煤表面官能團演化機制的影響
通過原位紅外光譜分析程序升溫氧化過程中煤表面官能團的演變，發現：
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烷基基團：脫礦后，所有煤樣中烷烴C-H鍵加速氧化的起始溫度（T0）提高了30-70°C，證實礦物顯著催化了低溫烷烴氧化，最大催化加速率可達0.15 %/min。
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烯基和芳基基團：脫礦促進了末端烯烴（=CH2）的形成。GJL和LJH脫礦煤的烯烴最終產率顯著高于原煤。
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羰基基團：礦物對GJL、LJH和MKQ煤中羧基、酮基、酯基等羰基的形成有催化作用，但對HQL煤中酸酐羰基的形成有抑制作用。
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醇和酚基團：羥基的形成與消耗與礦物有關。GJL煤中的礦物催化了氫鍵羥基的氧化消耗反應；LJH煤中的礦物同時催化羥基的形成與消耗；MKQ煤中的礦物在120-220°C催化末端甲基氧化形成OH-π型羥基。
3.3. 礦物對煤氧化與燃燒特性的影響
結合TG-MS和程序升溫-色譜分析，揭示了礦物對煤氧化和燃燒動力學的影響：
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TG-DSC分析：脫礦后，GJL和LJH煤的著火點（Ti）分別升高了58°C和42°C，最大失重率分別降低了54%和15%，表明其礦物顯著催化了煤的燃燒過程。HQL煤著火點變化很小（升高4°C），MKQ煤著火點甚至略有降低（3°C）。
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耗氧與氣體產物：GJL和LJH原煤的總耗氧量及CO2、CO生成量均高于脫礦煤，其礦物催化了低溫氧化。基于氧守恒計算發現，脫礦后GJL和LJH煤用于生成H2O和含氧官能團的耗氧份額（OCS）最高提升了13.1%和18.6%，表明礦物促進了其有機質更深的氧化（碳鏈斷裂）。HQL和MKQ煤的OCS變化不大，其礦物對碳骨架氧化的催化作用較弱。
3.4. 討論
通過對礦物組成與氧化燃燒特性的關聯分析，研究者推斷：
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影響烷烴低溫氧化特性的關鍵催化礦物是鈉長石、石膏和方解石。這些礦物的去除導致烷烴加速氧化溫度顯著升高。
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影響碳骨架高溫燃燒行為差異的關鍵因素可能是鎂摻雜，且其催化效果與載體類型密切相關：摻雜在高嶺石/珍珠巖載體上的鎂基材料，其催化活性顯著強于摻雜在石英載體上的材料。這解釋了為何同樣含鎂，GJL煤（鎂可能摻雜于高嶺石、珍珠巖、石英）脫礦后燃燒特性變化極大，而LJH煤（鎂主要與石英結合）變化相對較小。
4. 結論
本研究通過多技術聯用和系統性關聯分析，主要得出以下結論：
- 1.
煤中礦物組分對低溫氧化過程具有顯著催化作用。脫礦后煤樣烷烴加速氧化起始溫度（T0）普遍升高30-70°C。
- 2.
通過礦物分離與氧化行為的關聯分析，證實鈉長石、石膏和方解石是催化煤低溫烷烴氧化的關鍵活性組分。
- 3.
在高碳骨架燃燒階段，礦物的影響因煤樣而異。脫礦處理后，GJL和LJH煤的著火溫度顯著升高，最大失重率下降；而HQL和MKQ煤的燃燒特性變化很小。基于XRF和礦物組成分析推斷，鎂摻雜是影響碳骨架燃燒行為的關鍵因素，其催化效果與載體類型緊密相關。
- 4.
本研究通過建立“礦物組成—氧化路徑—燃燒行為”的多尺度關聯，闡明了關鍵礦物及其存在形式在煤自燃過程中的作用，為深化煤自燃機理理解、發展針對性預防與調控技術提供了重要的實驗與理論基礎。
這項研究的意義在于，它超越了傳統上僅關注煤有機質特性的視角，深入揭示了礦物作為“天然催化劑”在煤自燃過程中的關鍵角色。不僅識別出了鈉長石、石膏、方解石等關鍵催化礦物，還提出了鎂摻雜及其載體效應這一影響燃燒行為的重要機制。這些發現為煤礦區評估煤自燃傾向性提供了新的考量維度（需分析特定礦物組成），也為開發新型礦物抑制劑（如針對性地鈍化關鍵催化礦物）指明了方向，對實現煤自燃的精準預測與高效防控具有重要的科學價值與應用前景。
