煤炭是中国最主要的能源燃料和重要工业原料,煤的洗选和燃烧发电(供热)是煤炭主要的两个工业应用领域。煤加工利用过程中铅、砷、硒等有害微量元素的释放可能对环境和人体造成严重危害,引起了国内外学者的广泛关注。因此,研究煤炭洗选和燃烧过程中有害微量元素的迁移转化行为具有重要的现实和理论意义。本文以煤中有害微量元素在工业加工利用过程中的迁移转化为主线,系统采集了选煤厂、循环流化床电厂、抛煤炉电厂和煤粉炉电厂样品,充分运用微量元素地球化学、煤岩学、矿物学、燃烧学、环境化学等理论知识,结合光学显微镜、扫描电镜-能谱、电感耦合等离子质谱、原子荧光光谱、傅里叶红外光谱、X射线衍射、X射线荧光光谱、X射线光电子能谱、和热重-差热分析等技术手段,研究了煤中有害微量元素在洗选产物和燃煤产物中的分布特征、赋存状态和迁移转化机理,对洗选废弃物和燃煤固废中有害微量元素的环境稳定性进行了研究和评估。通过研究取得了以下几个方面的成果:(1)阐明了有害微量元素在洗选过程中的分配规律,准确分析了煤及洗选产物中有害微量元素的赋存状态:煤中粘土矿物富集V、Cr、Co、Sb和Pb,碳酸盐矿物富集Co和Pb,硫化物矿物富集As、Cu、Ni、Cd和Zn,而部分V、Cr、Se和Cu与有机质结合,有害微量元素及其宿主矿物的赋存特征决定了它们在洗选过程中的迁移转化行为。(2)发现循环流化床锅炉燃煤过程中,原煤中粘土矿物、碳酸盐矿物和硫化物矿物主要转化为灰中的硅酸盐玻璃、方解石、硬石膏、石灰石和赤铁矿。查明了烟气飞灰主要由Al-Si、Al-Si-Ca和Al-Si-Fe等不规则颗粒物构成。揭示了有害微量元素在烟气分级颗粒物中的分布和富集规律:Co和Ni未表现出与烟气颗粒物粒径存在变化关系;Cr、Cd、As、Se和Sb则呈现出随粒径减小而含量增大的趋势,有害微量元素的富集与烟气-颗粒物间的非均相凝结和表面物理化学吸附反应有关,此过程颗粒物中的Ca和未燃烬碳起到重要作用。(3)基于对抛煤炉电厂飞灰中As和Se高分辨率XPS-XAES谱图的解析,得出As的俄歇参数为1263.3±0.2 eV,As在飞灰中主要以As(V)的形式与氧结合形成[As04]3-,Se则以单质Se(62.0-83.3%)和亚硒酸盐的形式(16.7-38%)存在。结合飞灰表面化学成分的分析结果,得出抛煤炉燃煤产物中异常富集As和Se与铁氧化物的捕捉有关。(4)发现煤粉炉飞灰大多以实心球状、半实心球状玻璃颗粒和尖晶石、莫来石等组分构成,含碳颗粒少且以小颗粒各向异性碳为主;而流化床锅炉飞灰以无规则玻璃颗粒和未燃烬碳颗粒(偶见惰质组和原煤颗粒)的形式组成。与煤粉炉飞灰相比,流化床飞灰中以可氧化态形式赋存的有害元素比例相对偏高。通过对不同燃煤锅炉产物的特征对比研究,发现流化床锅炉中的低温燃烧和充分的颗粒碰撞,是导致两种飞灰在显微结构和有害微量元素赋存形态存在差异的主要因素。(5)阐明了煤炭工业固废在热处置或堆放处置过程中有害微量元素的环境释放特征。根据燃烧挥发率的不同,将洗选固废中有害微量元素分为低挥发(V、Cr、Co、Ni和Cu)、中挥发(As、Pb、Zn、Cd和Sb)和高挥发(Se)三组元素。煤泥-污泥混烧实验表明煤泥中粘土和碳酸盐矿物有利于控制混燃过程重金属元素的释放。与电厂飞灰相比,脱硫石膏中元素Cr(43.1～53.2%)、Cu(79～87.8%)、Zn(67.8～89.6%)和As(64.5～75.6%)的有效态比例偏高,结合RACs分析,发现脱硫石膏中有害微量元素在环境中的释放潜力远强于飞灰。