煤中伴生元素

[外文]：associated elements in coal

主要以与煤有机质或与煤中无机矿物相结合的形式存在于煤层中的元素。目前，在煤中已查明了80多种元素，其中许多在煤中形成富集,有的可形成工业矿床,如富锗煤、富铀煤、富钒石煤等。煤中伴生元素的来源，一般认为有3种:植物生长过程中选择性吸收；植物遗体分解过程中从介质中吸附或呈矿物质掺入；煤层形成后地下水循环带入。元素在煤层中的富集与元素的地球化学性质、物质来源、沉积环境以及煤的变质程度等密切相关。

1896年，首次在煤灰中发现稀有元素。此后，煤中伴生元素的调查和研究大致经历了3个阶段：

（1）20世纪50年代以前，多侧重于分布规律及成因理论的研究。

（2）60年代，随着原子能工业、电子工业、航空工业及其他尖端技术的发展,对稀有金属需求量剧增,促使研究重点转移到伴生元素的调查和回收利用。许多国家发现了一些煤中伴生元素含量较高的远景区，并在锗、镓、铀、钒等元素的回收利用上有突破性的进展。

（3）近10多年来，由于环境污染日趋严重，煤作为环境污染的主要物质来源，煤中有害元素与环境的关系已成为重要的研究课题。我国对煤中伴生元素的调查研究始于1956年，目前已查明煤及石煤中的伴生元素有60余种，其中以锗、镓、铀、钒等的研究较为详细。

根据煤中伴生元素的性质和用途，可分为有益元素、有害元素和指相元素3类。

在煤中富集品位较高、达到或超过工业品位、可作为工业矿床开发利用或综合利用的元素近20种。目前能进行工业性生产的有锗、镓、铀、钒等。

（1）锗。V.W.戈尔德施米特于1930年首次从煤灰的分析中发现锗，锗是煤中研究最详的伴生元素之一。我国有10余省（区）找到了富锗煤层，有的含锗平均品位达228克/吨,单样较高品位达3500克/吨。锗主要富集在中、新生代褐煤和部分晚古生代的中、低变质烟煤中。一般在古陆边缘或沉积盆地边缘的煤系上、下部煤层中，以及煤层近顶、底板部位，锗有局部富集的趋势。锗主要以锗腐殖酸盐形式存在于煤的有机质中，镜煤是锗的较大载体。煤中锗的含量达20克／吨，即可从烟尘或煤的加工产品中提取回收。英国是最早从煤的烟尘中提取锗的国家。

（2）镓。主要与煤系、煤层中的粘土层伴生，一般在煤层的粘土夹层及围岩中较为富集。美国肯塔基州有的煤层煤灰中平均含镓540克／吨；德国鲁尔煤田,煤灰中镓较高含量达1000克／吨；我国富镓煤层多分布于西南部晚古生代和中生代含煤岩系中,含量20～40克／吨,较高达 345克／吨。煤中镓品位达30克／吨即可进行综合利用。

（3）铀。一般以铀黑和铀的有机化合物存在于煤中。含煤岩系中的铀矿，是铀矿床重要工业类型之一。美国、德国、法国、苏联均找到了此种类型的矿床；我国从褐煤到无烟煤以及早古生代石煤中,均有工业品位(300克/吨)的富铀煤层，有的已进行工业性生产。

（4）钒。是我国石煤中的主要伴生元素，与有机质有成因联系，主要以含铝硅酸盐类矿物形式富集于石煤中。石煤中五氧化二钒的平均含量，大部分在0.3～1.0％之间，一般高于钒的综合利用品位(>0.1％)，相当部分达到和超过钒矿床工业品位的要求(>0.5％)。

煤(或石煤)中的有害元素，现已查明的有硫、磷、氟、氯、砷、铍、铅、硼、镉、汞、硒、铬等10多种，除硫外，其他元素在煤中含量一般不高，但危害大。

（1）硫。是煤中常见的有害成分。我国的煤相当部分含硫比较高，全国高硫煤产量约占原煤总产量的1／6强。高硫煤层主要分布于华北晚石炭世和华南晚古生代地层中，以黄铁矿硫、有机硫和硫酸盐硫形式存在，但以黄铁矿硫和有机硫为主。炼焦时煤中硫转入焦炭，用于冶炼时，易使生铁产生热脆性，严重影响生铁质量。在燃烧过程中，1吨煤可排放出约60千克二氧化硫,是造成城镇环境污染的主要物质来源。

（2）磷。煤中磷多在煤的矿物质中,含量极微,一般只有千分之几到万分之几。炼焦时，磷随着矿物质转入焦炭,冶炼时易使生铁产生冷脆性,严重影响生铁质量；燃烧时污染空气。因此,一般炼焦用煤要求磷含量在0.02%以下。

（3）砷。是有毒元素，主要以砷黄铁矿形式存在于煤中，按酿造和食品工业燃料用煤要求，砷含量不能超过8克／吨，而我国某些煤矿的煤,砷含量在50克／吨以上，高者可达200～300克／吨。

（4）氟、氯、硼。均系强腐蚀性元素，对煤炭加工器械有不同程度的腐蚀作用。英国煤中含氯较高,在0.1～1.0％之间（较高可达2％）。我国近期也在个别矿点发现高氯煤层。

（5）铍、铅、镉、铬。其化合物都是有毒的，是环境保护要求控制的元素。我国湖南石煤中镉的含量较高，一般在40克／吨左右。据某些地方的监测表明，工业烟尘中的铍、镉、铅含量也较高。镉等元素被认为是对人体有极大潜在危害的元素，骨痛病、高血压、心脏病和癌症的产生，均可能与环境中镉等元素含量增高有关。

煤中伴生的某些元素，有各自的地球化学性质，形成于不同的沉积环境中。因此，可根据这些元素的相对含量、共生组合关系及其比值，判断相和沉积环境。例如，根据硼、氯的含量、钙／镁、锶／钡及硼／镓的比值，可判断海陆沉积环境。有人测定现代海水中硼的含量为4.6克／吨,河水仅0.01克／吨；现代海水中氯含量为19000克／吨，河水中仅为8.3克／吨。还认为锶／钡比值大于1时，为海相沉积环境，小于1时属陆相沉积环境。

根据锰的含量推测古水体的深度,即锰含量增高,反映蓄水较深。此外，还可根据硼、氯含量确定古水体盐度，根据元素的共生组合，分析古水流的动力性质等。

研究煤中伴生元素的发展趋势为：

（1）加强煤及煤中伴生元素、共生矿产的综合研究。煤中不但有各种伴生元素，而且在含煤地层中还共生有多种矿产资源。已查明的有各种耐火粘土、膨胀性粘土、高铝粘土、高岭土（见高岭石）、膨润土、硅藻土、油页岩、硫铁矿、菱铁矿、石墨、石英岩、白云岩、石灰岩、砂岩等。以上矿产均与煤和含煤岩系在成因上有一定联系，分布于含煤岩系及其邻近岩层中，具有一定的层位，形成一定规模的矿体。因此，可以将煤与煤中伴生元素、共生矿产结合起来，开展综合找矿与勘探、综合研究评价、综合生产利用。

（2）加强煤中有害元素与环境关系的研究。煤中有害元素对环境所造成的危害是多方面的。煤中某些元素所谓“有害”或“有益”，是对其性质而言，如果综合利用得当，有害元素可以变为有益元素；反之，有益元素也可以成为有害元素。因此，对煤中有害元素应侧重于综合利用的研究，从根本上消除有害元素的扩散造成的危害，以达到变害为利，变废为宝，一举两得的实效。