煤中某些伴生金屬元素的綜合利用指標探討

孫玉壯,趙存良,李彥恒,王金喜

(1.河北工程大學河北省資源勘測研究重點實驗室,河北邯鄲 056038;2.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083)

煤中某些伴生金屬元素的綜合利用指標探討

孫玉壯1,趙存良2,李彥恒1,王金喜1

(1.河北工程大學河北省資源勘測研究重點實驗室,河北邯鄲 056038;2.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083)

隨著煤炭綜合開發利用的增加,急需確定煤中大部分伴生元素綜合回收利用的品位和邊界品位,以便在煤炭勘探階段采取綜合評價措施,降低勘探成本。參照《礦產工業要求參考手冊》中各類元素的工業品位和邊界品位,世界煤中微量元素平均含量,以及根據國家各項技術經濟政策和市場要求,綜合考慮給出原煤中部分伴生微量元素綜合回收利用指標,建議鋰、鈾、釷和稀土的綜合回收利用指標分別應該為120,40,150和300 mg/kg。

煤伴生金屬元素;鋰;鋁;鎵

伴隨煤炭工業的發展、先進測試技術的開發和應用,煤中伴生金屬元素的數量及其含量的測定更為可靠,煤層成為部分金屬元素的富集區。當煤炭作為動力用煤燃燒后,伴生的金屬元素殘留于煤灰中,并且相對于原煤而言,其在煤灰中的含量增大。因此,從20世紀初,國外就開始從煤灰中提取金屬的研究工作。鈾是從煤中最早提煉出的金屬元素[1];在1950年國外就開發了煤中提取鍺的技術[1],目前世界上鍺的主要來源是中國云南臨滄、內蒙古烏蘭圖嘎和俄羅斯遠東的Spetzugli煤田(煤中鍺含量240～270 mg/kg)[2],此外一些學者也指出:在煤中鍺的含量較低的情況下(10 mg/kg左右),可以從煤的煉焦和氣化過程的煙氣中收集[3－4]。20世紀90年代美國和加拿大聯合進行粉煤灰中鎵的研究,并成功從粉煤灰中提取了鎵[5]。雖然國外學者進行了大量從粉煤灰中提取微量元素的研究工作,但是制定煤中伴生金屬元素的工業品位的國家鮮有報道,其中的主要原因是由于以前測試手段的落后,在煤中很少發現具有經濟價值的伴生金屬元素。

由于從煤灰中提取金屬的工藝和技術還不成熟,能夠綜合開發利用的煤礦不多。因此,沒有確定煤中大部分伴生元素綜合回收利用的品位和邊界品位。近些年來,越來越多的學者發現世界各地煤中均含有具有經濟價值的微量元素[3－7],并進行了大量的開發利用研究。

由于微量元素的應用越來越廣,需求量越來越大,從煤灰中提取伴生金屬元素的研究在一些煤炭和電力企業引起關注,并在一些礦區開始進入生產階段。我國云南滇西褐煤礦中,目前已經發現開采鍺資源有工業價值的礦區有4個,包括幫賣(大寨和中寨)、臘東(白塔)礦區、芒回礦區、等嘎礦區。根據煤田勘探估算鍺儲量共計2 177 t,其中最大的鍺礦是位于幫賣的大寨和中寨,儲量約1 620 t,前3個礦區鍺儲量為1 990 t,等嘎礦區已開采30余年[6]。神華集團準格爾煤礦于2011年建成從煤灰中提取Al2O3和Ga的工廠,2013－03－03從Al2O3的中試車間提煉出第1批金屬Ga[7];中煤平朔煤業公司于2011年建成從煤灰中提取Al2O3的工廠,一期工程年處理煤灰20萬t。

如果對煤中伴生微量元素進行開發利用,在煤炭勘探階段就要對煤中伴生微量元素進行評估,提出煤中伴生微量元素的品位、儲量、經濟價值,以實現煤炭與多種伴生礦產的綜合勘探,降低勘探成本,并為后續企業的綜合開發利用提供依據。要想實現這一目標,就要制定原煤中伴生微量元素的綜合回收利用指標,以便在煤炭勘探的同時進行煤炭與多種伴生礦產的綜合勘探。隨著煤炭綜合開發利用的增加,急需確定煤中大部分伴生元素綜合回收利用的品位和邊界品位。本文參照《礦產工業要求參考手冊》中各類元素的工業品位和邊界品位,參考國外學者有關研究成果,通過從粉煤灰反推至原煤,以及根據國家各項技術經濟政策和市場要求,綜合考慮給出原煤中部分伴生微量元素(鋰、鈾、釷和稀土元素)的綜合回收利用的指標。

1 影響綜合利用指標的因素

制定原煤中伴生微量元素的綜合回收利用指標時,要考慮原煤中的灰分。粉煤灰是原煤經燃燒后的產物,微量元素在原煤燃燒后大部分殘留在粉煤灰中。煤中灰分的含量直接影響粉煤灰中金屬元素的含量。李文華和翟炯在1992年指出中國煤灰分的均值在17%左右,并推斷隨著西部神府、東勝煤田的開發,我國煤灰分會降低[8]。據此,筆者假設原煤灰分含量為17%,據此推算原煤中微量元素的綜合利用指標。

中國和世界煤中微量元素的平均含量也是考慮因素。例如,中國煤中鎵的工業品位為30 mg/kg,平均值為6.52 mg/kg,世界煙煤中鎵的平均值為5.88 mg/kg[9]。根據Ketris和Yudovich[10]統計,世界褐煤中鎵的平均值為5.5 mg/kg,世界煙煤和無煙煤中鎵的平均值為6.0 mg/kg,世界煤中鎵的平均值為5.8 mg/kg[10]。中國煤中鎵的綜合利用品位是世界煤中平均含量的5倍。只有對煤中超常富集的元素,才有開發利用的經濟價值。

制定綜合回收指標時,應該考慮我國《礦產工業要求參考手冊》中所列指標,這些指標系根據30 a來有關工業部門對各類礦產的具體礦區所確定的工業指標的匯集和歸納,并且考慮到了現有技術條件下的經濟價值因素。筆者將粉煤灰作為微量元素的一種礦床類型,參考國際著名學者提出的煤中伴生微量元素的回收利用指標,利用巖石礦床工業指標來確定原煤中伴生微量元素的回收利用指標。

制定原煤中伴生微量元素的綜合回收利用指標時,還有參考國外學者有關研究成果和其他國家的有關標準。

2 指標探討

2.1 煤中鋰

1927年Ramage在研究英國Nowich煤氣工廠的煙塵時首次將發射光譜用于煤的研究,在煤中發現了Li元素。1980年,在美國地球化學委員會(US National Committee for Geochemistry,1980)組織編寫的《與環境質量與健康有關的煤中微量元素地球化學》一書中就列出了煤中Li含量的世界平均值為15.6 mg/kg。自然界中絕大多數煤中鋰的含量很低并且分布極不均勻,雖然世界不同地區煤中鋰的含量變化很大,但都沒有達到獨立鋰礦或伴生鋰礦的工業品位,多數煤中鋰的含量平均值小于20 mg/g,世界煤中鋰的均值為14 mg/kg,美國煤中鋰的算術均值為16 mg/kg,澳大利亞出口煤中鋰的算術均值為12 mg/kg,前蘇聯煤中鋰的平均值僅為6 mg/kg[11]。中國煤中鋰的含量在不同地區和不同時代的煤中差別較大,算術平均值高于世界煤中鋰的均值,孫玉壯等計算中國煤中鋰的平均值為28.94 mg/kg[11],代世峰等計算中國煤中鋰的平均值為31.8 mg/kg[12]。但中國煤中鋰含量都沒有達到鋰礦或伴生鋰礦的工業品位,在煤中沒有發現鋰礦或伴生鋰礦。但在國內外研究中發現了一些鋰含量特別高的煤樣,例如, Finkelman在美國煤中發現了鋰含量為370 mg/kg的煤樣[13];趙繼堯等發現了鋰含量為231 mg/kg的煤樣[14];2008年代世峰等在哈爾烏素煤礦6號煤層中發現鋰含量高達566 mg/kg的樣品[12];2010年孫玉壯等在安太堡煤礦中發現高鋰含量高達657 mg/kg的樣品[11]。

孫玉壯等[15－17]在煤中發現大量鋰富集樣品并引起關注,他們通過1 000多塊樣品的研究,證明山西寧武煤田和準格爾煤田煤中鋰的含量具有經濟價值,可以綜合開發利用[15－17]。

2.1.1 鋰綜合利用指標探討

鋰主要賦存于花崗偉晶巖礦床、堿性長石花崗巖類礦床和鹽湖礦床。依據《稀有金屬礦產地質勘查規范》(DZ/T 0203—2002),伴生氧化鋰(Li2O)的綜合回收參考性工業指標為≥0.2%(Li2O),如果將其作為粉煤灰中鋰回收利用的指標,即粉煤灰中鋰回收利用的指標為≥0.2%(Li2O),按照原煤灰分含量17%作為計算值,推算出原煤中鋰回收利用的工業指標應為137 mg/kg[11]。

考慮到從粉煤灰中提取鋰,節省了勘探開采成本,其回收利用的指標應該低于137 mg/kg。考慮到鹽湖中鋰的巨大含量和其價格遠低于鍺和鎵的現狀,參考俄羅斯學者Yudovich和Ketris[18]建議煤中鋰回收利用的指標100 mg/kg,筆者建議原煤中鋰回收利用的指標應為120 mg/kg。

2.1.2 鋰礦床規模

如果煤中鋰的含量達到上述工業指標,應該在勘探階段采取綜合勘探的思路,在給出煤炭儲量的同時給出鋰的儲量。《稀有金屬礦產地質勘查規范》(DZ/ T 0203—2002)中規定鋰礦床劃分標準(以Li2O計,萬t):大型,≥10;中型,1～10;小型,≤1。

在本次工作中,直接采用此標準是可行的,主要是考慮到以下原因:

(1)煤系沉積型礦產資源,儲量規模往往巨大,那么其伴生的金屬礦床的規模也往往較大;

(2)把金屬礦床作為伴生礦床,共同開發利用,其規模應該小于獨立礦床的儲量要求。綜合考慮,直接采用這一標準較為合適。

2.2 煤中鈾

2.2.1 鈾礦床品位

鈾的礦床類型包括砂巖型鈾礦、花崗巖型鈾礦、火山巖型鈾礦、碳硅泥型鈾礦等[19]。依據《礦產工業要求參考手冊》,鈾的邊界品位為0.03%,工業品位為0.05%,如果將其作為粉煤灰中鈾回收利用的指標,以原煤灰分17%作為計算值,可推算出原煤中鈾的邊界品位為45 mg/kg,工業品位為75 mg/kg。

任德貽等計算出中國煤炭總資源量中U含量的算術均值為2.41 mg/kg,分布范圍為0.03～178.00 mg/kg[9]。Swain認為世界大多數煤中U的含量為0.5～10.0 mg/kg,平均值為2 mg/kg[20]。Bouska和Pesek統計了世界上2 644個褐煤的U含量,其算術平均值為6.08 mg/kg,含量最高的達176 mg/kg[21]。考慮到砂巖型鈾礦的開采大大降低了鈾的開發成本,建議原煤中鈾的含量40 mg/kg作為回收利用的工業指標,相當于世界煤中平均含量的20倍。

2.2.2 鈾礦床規模

《鋰礦地質勘查規范》(DZ/T 0199—2002)中規定,按鈾礦查明的資源/儲量(金屬量)分為以下3類:大型礦床,≥3 000 t;中型礦床,1 000～3 000 t;小型礦床,100～1 000 t。

考慮到我國是一個貧鈾的國家,以及鈾的重要戰略意義。作為與煤伴生的鈾礦床的規模可以適當降低,參考上面提到的原煤中鈾的含量40 mg/kg作為回收利用的工業指標與《鈾礦地質勘查規范》中規定工業品位為50 mg/kg的比例關系,提出以下標準:大型礦床,≥2 400 t;中型礦床,800～2 400 t;小型礦床,80～800 t。

2.3 煤中釷

2.3.1 釷礦床品位

趙繼堯等根據442個煤樣數據,計算出中國煤中Th含量算術均值為6 mg/kg[14]。白向飛根據“中國煤中資源數據庫”統計中國1 018個樣品中Th算術均值為7.01 mg/kg[22]。任德貽等計算出中國煤炭總資源量中Th含量的算術均值為5.8 mg/kg,分布范圍為0.09～55.80 mg/kg[9]。

依據《礦產工業要求參考手冊》,方釷石、釷石礦床中釷的工業品位為0.1%(ThO2),將其作為粉煤灰中釷回收利用的工業品位,以原煤灰分17%作為計算值,可推算出原煤中釷(Th)的工業品位為135 mg/kg。

Swain認為世界大多數煤中Th的含量為0.5～10.0 mg/kg[20]。Bouska和Pesek統計了世界上1 958個褐煤的Th含量,其算術平均值為3.38 mg/kg,幾何平均值為2.06 mg/kg,最高值為54 mg/kg[21]。考慮到釷的市場價格較低,建議原煤中釷的含量150 mg/kg作為回收利用的指標,相當于世界煤中平均含量的25倍。

2.3.2 釷礦床規模

現存規范沒有關于釷礦床規模劃分的規定。參考釷和鈾都是放射性元素,二者通常被放在一起考慮,故釷礦床的規模劃分參照鈾的劃分。原煤釷的工業指標為150 mg/kg,為鈾的3倍,提出以下劃分標準:大型礦床,≥7 200 t;中型礦床,2 400～7 200 t;小型礦床,240～2 400 t。

2.4 煤中稀土金屬

2.4.1 稀土元素礦床品位

稀土元素在自然界中分布比較廣泛,常能形成一些重要的工業礦床。稀土元素常共生在一起,分離困難,可按稀土元素總量計算儲量。依據《礦產工業要求參考手冊》中風化殼離子吸附型稀土礦,邊界品位,TR2O3重稀土0.05%,輕稀土0.07%;工業品位, TR2O3重稀土0.08%,輕稀土0.1%。

雖然煤中稀土元素含量偏低,難以直接利用,但煤灰中REE可以相當富集,并可望得以綜合利用[21]。Valkovic計算的世界煤的REE含量為62.1 mg/kg[23],Ren等提供的中國煤中REE的數值是105.57 mg/kg[24]。參考俄羅斯學者Yudovich和Ketris建議煤中稀土回收利用的最低工業指標300 mg/kg[18],考慮到從粉煤灰中提取,節省了勘探開采成本,并且幾種元素綜合提取時,其品位要求更低,筆者建議我國原煤中稀土回收利用的指標應為300 mg/kg。

2.4.2 礦床規模

《稀土礦產地質勘查規范》(DZ/T 0204—2002)中對風化殼離子吸附型稀土元素礦床的規模做出了規定:

鈰族稀土氧化物總量(萬t),大型≥10,中型1～10,小型＜1;

釔族稀土氧化物總量(萬t),大型≥5,中型0.5～5.0,小型＜0.5。

2.5 煤中鋰、鈾、釷和稀土元素綜合利用指標

根據煤中鋰、鈾、釷和稀土元素等微量元素平均含量和其在巖石中的工業品位,參考國外學者的建議指標,給出了這些元素綜合回收利用的指標,見表1。同時,結合我國礦產資源的實際情況,對這些與煤伴生金屬礦床的礦產資源/儲量規模做了初步的劃分,見表2。

表1 與煤伴生鋰、鈾、釷和稀土元素綜合回收利用的指標Table 1 The comprehensive index of recycling about lithium,uranium,thorium and rare earth elements associated with coalmg/kg

表2 與煤伴生鋰、鈾、釷和稀土元素礦床礦產資源/儲量規模劃分Table 2 The scales classification of mineral resources and reserves about lithium,uranium,thorium and rare earth elements deposit associated with coal

3 結 語

參照有關礦產工業品位要求,借鑒國內外學者的最新研究成果,筆者建議煤中鋰、鈾、釷和稀土的綜合回收利用指標分別為120,40,150和300 mg/kg,根據儲量不同把這些伴生礦產劃分為小型、中型和大型礦床。

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Minimum mining grade of the selected trace elements in Chinese coal

SUN Yu-zhuang1,ZHAO Cun-liang2,LI Yan-heng1,WANG Jin-xi1

(1.Key Laboratory of Resource Exploration Research of Hebei Province,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

As increase of coal comprehensive utilization,it is urgent to establish comprehensive utilization grades of some trace metal elements in coals in order to taking comprehensive evaluation measures in coal exploration stages and to decrease the exploration cost.High concentrations of trace elements in coal seams were reported by several papers in recent years.In this paper,the comprehensive utilization grades of Li,U,Th and REE were suggested by compared their enrichments in coal with the Geology and Ore Deposit Standard Specifications in rocks for Rare Metal Mineral Exploration of the People’s Republic of China(DZ/T 0203—2002),and also compared with the minimum mining grade for Ga and Ge in coals.The author suggests that the minimum mining grades of Li,U,Th and REE should be 120,40,150 and 300 mg/kg,respectively.

trace element in coal;Aluminum;Lithium;Galium

P599

A

0253－9993(2014)04－0744－05

孫玉壯,趙存良,李彥恒,等.煤中某些伴生金屬元素的綜合利用指標探討[J].煤炭學報,2014,39(4):744－748.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1718

Sun Yuzhuang,Zhao Cunliang,Li Yanheng,et al.Minimum mining grade of the selected trace elements in Chinese coal[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):744－748.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1718

2013－11－20 責任編輯:韓晉平

國家國際科技合作專項資助項目(2014DFR20690);河北省國際合作項目(13394101D)聯合資助項目

孫玉壯(1956—),男,山東單縣人,教授。Tel:0310－8579010,E－mail:syz@hebeu.edu.cn