煤矸石是一种可燃固体废弃物,大量堆存造成环境污染和资源浪费,将其燃烧利用既可解决堆放难题,又可节省化石燃料消耗。煤矸石热解过程化学结构和矿物质将发生变化,并影响其焦炭燃烧特性。因此,开展煤矸石热解过程化学结构和矿物质演变以及焦炭燃烧特性研究,对煤矸石的燃烧利用具有重要的意义。选产自江西安源(AY)和贵州火铺(HP)两种煤矸石,在N2气氛下进行热解制焦(200～1000℃),采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱对煤矸石及其焦炭的化学结构和矿物质进行了分析。结果表明,由于煤矸石中矿物质含量很高,其红外谱图被矿物质峰占据,导致绝大多数有机官能团的吸收峰被覆盖。FTIR和XPS结果综合表明,随热解温度升高,C-C、C-H、C-O官能团的相对含量逐渐降低,C=O和O-C=O的相对含量增加。Raman光谱结果表明,在400～700℃范围由于有机质的分解,缺陷碳结构随热解温度升高而增多;在800～1000℃,随着稠密芳香族环的形成,碳结构的有序度提高。FTIR和XRD结果综合表明,煤矸石的主要矿物成分为石英、高岭石、锐钛矿、菱铁矿、方解石、伊利石和白云母。高岭石在400～600℃脱水转变为偏高岭石,随后在900～1000℃形成莫来石;菱铁矿在400～600℃热分解为磁铁矿和磁赤铁矿,在800～1000℃与硅酸盐生成富铁尖晶橄榄石(Fe2SiO4);伊利石在800～900℃发生热分解,并在900～1000℃向莫来石转变。煤矸石及其焦炭的燃烧热重实验结果表明,随着焦炭热解温度升高,由于挥发分析出和碳结构有序度增大,焦炭的燃烧性能整体呈下降趋势。煤矸石原样和低于500℃热解的焦炭在燃烧初期吸附氧,导致TG曲线出现增重,活化能降低。菱铁矿的存在导致燃烧活化能增大,但对于500～800℃热解的焦炭,由于菱铁矿分解产物磁赤铁矿的催化作用,导致燃烧活化能和着火温度都显著降低。不同燃烧升温速率(10、20、30℃/min)条件下的热重结果表明,煤矸石燃烧过程受热滞后影响,升温速率的提升使燃烧区域向高温区大幅度移动,导致着火和燃尽温度升高,但燃烧反应性增加。煤矸石燃烧的热滞后性还与矿物质组成有关,含铁矿物含量较高的HP煤矸石热滞后影响相对较小。