稀土元素（镧系元素、钇和钪）,属于战略性金属,由于日益增长的市场需求和传统矿石资源的供给紧张,从二次资源中回收稀土元素成为了研究热点。煤被认为是未来稀土重要来源之一,部分地区煤或煤灰中稀土元素接近或达到传统稀土矿品位。本论文研究粉煤灰中稀土元素赋存状态,揭示粉煤灰形成过程中稀土元素转化规律（赋存成因）,比较多种方法对稀土元素的富集效果,开发焙烧-水洗-酸浸回收工艺,为粉煤灰中稀土元素的资源化利用提供借鉴。研究了粉煤灰中稀土元素的配分模式和赋存状态,揭示了稀土元素在粉煤灰中的赋存规律:利用逐级化学提取方法,明确了铝硅酸盐态是稀土赋存的主导形态;利用筛分、磁选和小浮沉方法,研究了稀土元素分配规律,发现稀土元素在非磁性组分、细颗粒和密度为2.4-2.8 g/cm3的组分中富集;利用数理统计分析方法,发现稀土元素与铝硅元素含量呈正相关,建立了稀土元素与铝硅元素的线性回归预测模型;利用扫描电镜研究了稀土元素赋存载体的微观形态,包括稀土矿（或附着于玻璃相）、稀土氧化物、在玻璃相中以及铁氧化物结合四种形式。在赋存状态研究的基础上,选择了四种模型矿物:独居石（磷酸盐类稀土资源）、氟碳铈矿（碳酸盐类稀土资源）、离子型稀土矿（铝硅酸盐类稀土资源）和改性褐煤（有机质中稀土资源）,利用滴管炉模拟煤燃烧过程,研究了稀土元素从煤到灰转化过程中的变化规律,揭示了粉煤灰中稀土元素赋存状态的成因。煤中磷酸盐稀土矿经过燃烧后仍将以磷酸盐稀土矿形式存在,碳酸盐稀土矿和有机质中的稀土矿将以稀土氧化物形式存在。煤系铝硅酸盐中稀土元素极有可能发生氧化反应,仍与铝硅酸盐结合,燃烧温度差异将导致铝硅酸盐相的不同变化,进而影响稀土元素可浸出性:800℃时,铝硅酸盐矿物发生脱氢反应,颗粒呈碎屑状,可浸出稀土元素占比提高,而在1200℃时,铝硅酸盐矿物生成莫来石,颗粒呈球状或片状,可浸出稀土元素占比降低。比较了六地粉煤灰中稀土元素的浸出极限,发现循环流化床粉煤灰中稀土元素的浸出率高于煤粉炉粉煤灰。考察了粒度和磁性分级对稀土元素的富集效果,广安粉煤灰中稀土元素从782ppm到1025ppm的富集,稀土元素浸出率实现了提高,可能是由于浸出接触面积的增加。研究了浮选操作参数对未燃碳的脱除效果,精矿中稀土元素并未明显富集,浮选不能提高稀土浸出率。研究了碱溶脱硅反应动力学,发现脱硅过程符合“未反应核收缩”模型,反应过程分为两个阶段,分别受化学反应控制和固态层扩散作用控制。根据化学反应速率方程,结合反应物浓度和硅脱除率,利用微分法计算反应级数,分别是1.02和0.73。根据阿仑尼乌兹方程,结合温度和硅脱除率,利用活化能和指前因子,建立了动力学方程,分别为1-（1-X）1/3=72.15×105exp[-70890/RT]t和1+2（1-X）-3（1-X）2/3=42.72×10-5exp[-3.21/RT]t,在温度和NaOH浓度适宜时,存在第三阶段,铝硅沸石生成,附着在颗粒表面。利用分步碱溶脱硅降低溶液中铝硅含量,避免了沸石相的产生,有利于硅的脱除,实现了稀土元素从1025ppm到2135ppm的富集,铝硅脱除顺序的差异,为二者协同回收提供了可能。X射线光电子能谱仪研究表明,碱溶脱硅中Si（2p）和Al（2p）的结合能降低,表明了Si-O和Al-O键的断裂和玻璃相的破坏,有利于稀土浸出率的提高。分步脱硅稀土浸出率优于一步脱硅,浸出率的提高主要因为减少了反应生成的铝硅酸胶体对粉煤灰颗粒的包裹,有利于浸出反应的进行。开展了粉煤灰中稀土元素的焙烧浸出试验研究,提出多种添加剂在焙烧过程中的不同反应假设,利用HSC chemistry软件进行了热力学计算,根据吉布斯自由能判断各个反应发生的温度。利用X射线衍射分析焙烧产物物相组成,验证了反应的存在。根据水洗和酸浸结果,判断了最佳焙烧温度在熔点附近,选取NaOH和Na2CO3为焙烧添加剂,二者焙烧产物主要为Na2Si O3和Na Al Si O4,分别在水洗过程中溶解和在酸浸过程中与盐酸反应,水洗残渣为多孔结构,有利于稀土浸出,酸浸渣为硅酸受热分解后的二氧化硅。选用二氧化硅、莫来石和氧化铁粉末作为粉煤灰的模型化合物,计算了粉煤灰与NaOH完全反应理论需要量,1g粉煤灰需要0.65g NaOH才完全反应,并通过热重曲线验证拟合效果。利用Optimal和Box-Behnken试验设计,建立了焙烧—酸浸工艺操作参数与稀土元素浸出率之间的函数关系,利用响应面分析法,获得了最佳工艺条件,形成焙烧-水洗-酸浸的联合工艺回收粉煤灰中稀土元素。该论文有图108幅,表30个,参考文献235篇。