随着科技和新兴产业的发展,我国紧缺战略性关键金属资源。近期研究发现在我国许多地区煤中伴生有丰富的关键元素,燃烧后富集于煤灰中,使得煤灰有可能成为关键金属的新型替代资源。本文选取富含多种关键金属的重庆电厂中煤样及其燃烧产物进行研究,利用ICP-MS、XRD、XRF、SEM-EDS、TG-DSC和逐级化学提取等技术方法,研究煤及煤灰关键元素的富集程度、分布规律和赋存状态,探讨关键元素在燃煤过程中的迁移规律及影响因素,为后续从煤及煤灰中提取关键元素提供科学参考。电厂原煤中富集关键元素Li、Ga、Sr、Zr、Nb、Hf、Ta和REY,而Rb、Cs、U和Ge的含量处于正常水平。Li和Ga主要赋存于高岭石和伊利石等黏土矿物中,而部分Ga与黄铁矿有关;Sr的赋存状态多样,其载体为方解石、有机质和黏土矿物,同时还以游离形式存在煤中;Nb、Ta、Zr和Hf的载体为黏土矿物、锆石和锐钛矿;REY主要与硅铝酸盐矿物有关,部分以独立矿物(磷稀土矿)的形式存在煤中。燃煤过程中关键元素行为变化主要受温度的影响。随着温度的升高,煤灰中Li、Sr、Zr、Nb、Cs、Hf、Ta、U、Ge和REY的含量先增大后减小,Ga的含量增大,而Rb的含量减小。从提取利用的角度考虑,Ga、Sr和REY在温度为700℃时活化效果最好,Li在500℃时活化效果最好,但是Zr、Nb、Hf和Ta受其载体矿物的影响,在本实验温度范围内无法被活化。结合热力学计算模拟结果,确定了部分关键元素在700℃煤灰中的赋存形态:Li主要以硅铝酸盐(Li Al Si O₄、Li Al Si₂O₆、Li₂Al₂Si₈O₂₀和Li Al Si₂O₆(β))的形式存在;Ga主要以氧化物(Ga₂O₃)的形式存在;Sr主要以Sr Si O₃的形式存在;Nb的化合物较稳定,主要以氧化物(Nb O₂和Nb₂O₅)的形式存在;LREY中的Ce主要以Ce O₂、Ce O_1.83、Ce O_1.72和Ce Al O₃的形式存在,MREY中的Y主要以Y₂Si₂O₇和少量的YFe O₃的形式存在,HREY中的Er主要以Er Fe O₃和Er₂O₃的形式存在。大部分关键元素的含量在不同的燃煤产物中表现为飞灰>炉渣>底灰,飞灰中关键元素Li、Ga、Sr、Zr、Hf、Nb、Ta和REY均表现为富集。其中Li、Ga、Nb、Ta和REY在小粒径、非磁性的飞灰组分中富集。以飞灰为例,大多数关键元素主要赋存于硅铝酸盐玻璃相中,其次是在莫来石-石英相中。