《Powder Technology》：Ultrafine grinding induced liberation enhancement and pore structure regulation in low-rank coal
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吴正鹏|邓九帅|邢定全|秦启正|周玲梅|王亮|王光耀|熊坤|赵园|黄传峰|徐洪祥
中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，稀土-稀有金属-稀散金属产业综合利用工程技术研究中心，有色金属工业共生相关矿产资源分离与加工关键实验室，内蒙古研究院，北京100083，中国
摘要
尽管全球能源正在转型，但在亚太地区，低阶煤仍然是主要的能源来源。高效且清洁地利用低阶煤对于减少环境污染至关重要。本研究将BGRIMM过程矿物学分析系统（BPMA）与砂磨机结合，探讨了超细研磨对低阶煤中矿物分散粒度和解离程度的影晌。BPMA分析显示，原煤中的矿物嵌布特性复杂，仅有60.26%的煤基质解离度超过80%。虽然初步的球磨将这一比例提高到了88.23%，但未能实现完全解离。随后的砂磨机研磨保持了稳定的粒径（D90 = 10 μm），但实现了接近完全解离，97.36%的煤基质解离度超过80%。超细研磨非单调地重塑了煤的孔结构，具体表现为比表面积先增加后减少、孔体积先稳定后下降以及平均孔径波动。超细研磨显著提高了酸浸脱灰效率。与直接酸浸相比，超细研磨后的煤灰分降低了约45%。研究表明，超细研磨是一种可行的方法，可以促进低阶煤的高效清洁利用。
引言
尽管全球能源转型和清洁能源及可再生能源快速发展，但在亚太地区，尤其是以中国为首的发展中国家，低阶煤仍然是主要的能源来源。中国丰富的煤炭资源、匮乏的石油和缺乏的天然气决定了其长期以煤炭作为主要能源的结构[1]、[2]、[3]、[4]。根据《2025年世界能源统计回顾》，中国的煤炭需求超过了世界其他地区的总和，其中亚太地区占全球煤炭需求的83%，其中67%来自中国[5]。同时，中国的电力生产仍以煤炭为主，燃煤发电占比达到58%[5]。由于煤炭在使用前经过简单处理，大量矸石矿物（如高岭石、石英和黄铁矿）残留在煤中，这严重阻碍了煤炭的高效清洁利用[6]、[7]、[8]。传统的煤炭消费主要集中在直接燃烧上，大量的矸石降低了煤炭的燃烧转化效率。煤炭中的氮主要来自有机物，而硫则存在于有机物和无机矿物中。燃烧过程中，这些元素会转化为NO2、SO2等氧化物，并产生大量颗粒物，对环境造成严重污染[9]、[10]、[11]、[12]。因此，为了提高一次能源的利用效率并保护环境，中国提出了“双碳”战略目标。因此，实现煤炭的清洁高效利用对于解决由煤炭燃烧引起的环境问题具有重要意义。
中国拥有丰富的低阶煤储量[13]、[14]、[15]、[16]，低阶煤中的矿物含量高且赋存状态非常复杂[17]、[18]。直接利用效率较低，因此需要通过破碎和研磨来实现煤基质和矿物的充分解离[19]、[20]、[21]，为后续的清洁高效利用奠定基础。为了充分解离煤中的矿物，研究人员对煤炭的破碎和研磨进行了广泛研究。破碎和研磨会在煤颗粒表面产生新的活性位点和自由基，并引发表面氧化和官能团的变化[22]。这些表面化学变化与矿物解离及后续的煤炭加工和利用密切相关[23]。Xu等人[23]研究了不同变质程度煤炭在破碎过程中的自由基和官能团，发现煤表面的活性基团在破碎和研磨过程中受到共同作用的影响，烟煤的自由基浓度在研磨过程中持续升高。Chen等人[24]研究了研磨条件对氧化煤浮选的影响，发现随着进料速率、浆液浓度和研磨时间的增加，可燃物质的回收率先增加后减少。因此，在超细研磨过程中应选择合适的参数以避免过度研磨。Zhang等人[25]使用神华低阶煤作为样品，比较了棒磨机和球磨机的研磨效果，发现棒磨机在相同时间内表现更好，但过长的研磨时间也会导致过度研磨，表明应严格控制超细研磨时间。Zhao等人[26]研究了超细研磨过程中煤颗粒的几何和表面性质的变化，发现随着研磨强度的增加，细颗粒的粒径分布越来越集中均匀，而粗颗粒的粒径分布不均匀性越来越明显。同时，煤颗粒的比表面积和平均孔径逐渐增大。Zhao等人[27]还建立了超细研磨过程中煤颗粒的能量消耗模型，将颗粒间的团聚和表面性质变化等因素定义为颗粒的微观约束能量，解释了超细研磨过程的微观力学行为。煤样品粒径越细，单体解离度越高，但破碎和研磨需要消耗大量能量[28]、[29]、[30]、[31]。同时，研磨过于精细的颗粒会导致煤颗粒的比表面积增大[26]、[32]、[33]，可能引起团聚并在浮选过程中消耗更多浮选药剂[34]、[35]。
许多学者对煤炭的破碎和研磨进行了广泛研究，但对低阶煤中矿物的赋存形式、矿物解离程度的演变、孔结构的变化以及超细研磨过程中表面物理化学性质的变化的系统研究仍然较少。BGRIMM过程矿物学分析系统（BPMA）是一种先进的分析技术，能够快速、准确、自动化和定量地测定矿物样品中的关键矿物学参数，包括成分、含量、粒径分布、解离程度、团聚特性和元素赋存状态。本研究使用BPMA分析了煤中的矿物赋存形式，并对超细研磨过程中的解离程度变化进行了定性描述。通过酸浸试验对解离程度进行了定量表征。扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱分析（FTIR）和比表面积分析（BET）用于研究超细研磨过程中颗粒物理和化学性质的变化，为煤炭破碎、分离和清洁利用的工业应用提供实用的技术指导。
章节片段
材料与方法
本研究使用来自内蒙古鄂尔多斯市某煤矿的原煤作为原料，分析了煤样中的矿物赋存形式。首先进行粗磨，然后进行超细研磨，并对超细研磨产品的解离程度进行了定量表征。通过超细研磨的物理化学表征，探讨了其对低阶煤解离程度的影响
粗颗粒粒径分布分析
为了评估研磨时间对煤颗粒粒径分布的影响，使用孔径为125 μm和74 μm的标准试验筛对粗磨后的煤样进行了筛分分析，筛分过程持续5分钟，结果如图4所示。
经过20分钟的粗磨后，煤样中?0.074 μm粒径分数的产量为25.13%。随着研磨时间的延长，细颗粒的产量逐渐
结论
本研究以内蒙古煤炭为原料，通过粗磨后进行超细研磨，以提高煤炭的解离程度并实现其清洁利用。利用BPMA、SEM、BET和FTIR分析了超细研磨对煤炭矿物组成和解离程度的影响。超细研磨主要通过结构破碎增强了矿物解离，同时
CRediT作者贡献声明
吴正鹏：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，正式分析。邓九帅：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，调查，资金获取。邢定全：资源，调查，正式分析。秦启正：可视化，方法学，数据管理。周玲梅：撰写——审阅与编辑，资源，方法学，调查。王亮：调查，正式分析，数据管理。王光耀：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（2024YFC2909805）、青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXONJSKYCXNLZCXM-E3P）、2023年呼和浩特-包头-鄂尔多斯国家自主创新示范区建设科技支持项目及鄂尔多斯标志性创新团队重大项目（2023XM06/202204）以及广西关键技术研发计划（Guike AB24010028）提供的财务支持。
