煤中伴生元素

煤中的元素按其賦存形態可以劃分為主體元素和伴生元素。伴生元素則是煤中除主體元素以外的其它所有元素。

基本介紹

• 中文名：煤中伴生元素
• 影響因素：元素的性質、物質來源、沉積環境
• 分類：有益元素、有害元素和指相元素
• 可生產的：鍺、鎵、鈾、釩
• 數量：80多種
• 研究趨勢：加強有害元素與環境關係研究

分類

目前，在煤中已查明了80多種元素，其中許多在煤中形成富集,有的可形成工業礦床,如富鍺煤、富鈾煤、富釩石煤等。煤中伴生元素的來源，一般認為有3種:植物生長過程中選擇性吸收；植物遺體分解過程中從介質中吸附或呈礦物質摻入；煤層形成後循環帶入。元素在煤層中的富集與元素的性質、物質來源、沉積環境以及煤的變質程度等密切相關。

根據煤中伴生元素的性質和用途，可分為有益元素、有害元素和指相元素3類。

在煤中富集品位較高、達到或超過工業品位、可作為工業礦床開發利用或綜合利用的元素近20種。目前能進行工業性生產的有鍺、鎵、鈾、釩等。

①鍺。V.W.戈爾德施米特於1930年首次從煤灰的分析中發現鍺，鍺是煤中研究最詳的伴生元素之一。中國有10餘省（區）找到了富鍺煤層，有的含鍺平均品位達228克/噸,單樣最高品位達3500克/噸。鍺主要富集在中、新生代褐煤和部分的中、低變質煙煤中。一般在古陸邊緣或沉積盆地邊緣的煤繫上、下部煤層中，以及煤層近頂、底板部位，鍺有局部富集的趨勢。鍺主要以鍺腐殖酸鹽形式存在於煤的有機質中，鏡煤是鍺的最大載體。煤中鍺的含量達20克/噸，即可從煙塵或煤的加工產品中提取回收。英國是最早從煤的煙塵中提取鍺的國家。　②鎵。主要與煤系、煤層中的粘土層伴生，一般在煤層的粘土夾層及圍岩中較為富集。美國肯塔基州有的煤層煤灰中平均含鎵540克/噸；德國魯爾煤田,煤灰中鎵最高含量達1000克/噸；中國富鎵煤層多分布於西南部晚古生代和中生代含煤岩系中,含量20～40克/噸,最高達 345克/噸。煤中鎵品位達30克/噸即可進行綜合利用。　③鈾。一般以鈾黑和鈾的有機化合物存在於煤中。含煤岩系中的鈾礦，是鈾礦床重要工業類型之一。美國、德國、法國、蘇聯均找到了此種類型的礦床；中國從褐煤到無煙煤以及早古生代石煤中,均有工業品位(300克/噸)的富鈾煤層，有的已進行工業性生產。　④釩。是中國石煤中的主要伴生元素，與有機質有成因聯繫，主要以含鋁矽酸鹽類礦物形式富集於石煤中。石煤中五氧化二釩的平均含量，大部分在0.3～1.0%之間，一般高於釩的綜合利用品位(>0.1%)，相當部分達到和超過釩礦床工業品位的要求(>0.5%)。　有害元素煤(或石煤)中的有害元素，現已查明的有硫、磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等10多種，除硫外，其他元素在煤中含量一般不高，但危害大。

①硫。是煤中常見的有害成分。中國的煤相當部分含硫比較高，全國高硫煤產量約占原煤總產量的1/6強。高硫煤層主要分布於華北晚石炭世和華南晚古生代地層中，以黃鐵礦硫、有機硫和硫酸鹽硫形式存在，但以黃鐵礦硫和有機硫為主。煉焦時煤中硫轉入焦炭，用於冶煉時，易使生鐵產生熱脆性，嚴重影響生鐵質量。在燃燒過程中，1噸煤可排放出約60千克二氧化硫,是造成城鎮環境污染的主要物質來源。

②磷。煤中磷多在煤的礦物質中,含量極微,一般只有千分之幾到萬分之幾。煉焦時，磷隨著礦物質轉入焦炭,冶煉時易使生鐵產生冷脆性,嚴重影響生鐵質量；燃燒時污染空氣。因此,一般煉焦用煤要求磷含量在0.02%以下。

③砷。是有毒元素，主要以砷黃鐵礦形式存在於煤中，按釀造和食品工業燃料用煤要求，砷含量不能超過8克/噸，而中國某些煤礦的煤,砷含量在50克/噸以上，高者可達200～300克/噸。

④氟、氯、硼。均系強腐蝕性元素，對煤炭加工器械有不同程度的腐蝕作用。英國煤中含氯較高,在0.1～1.0%之間（最高可達2%）。中國近期也在個別礦點發現高氯煤層。

⑤鈹、鉛、鎘、鉻。其化合物都是有毒的，是環境保護要求控制的元素。中國湖南石煤中鎘的含量較高，一般在40克/噸左右。據某些地方的監測表明，工業煙塵中的鈹、鎘、鉛含量也較高。鎘等元素被認為是對人體有極大潛在危害的元素，骨痛病、高血壓、心臟病和癌症的產生，均可能與環境中鎘等元素含量增高有關。

分布情況

砷

中國絕大多數煤田煤中砷含量大都在 0~10μg/g 以內，平均值約為 5μg/g，本次研究所得出的中國煤中 As
含量算術平均值為 9.65μg/g，加權平均值分別為 3.18μg/g。異常高的算術平均值可能是由於樣品分布嚴重不均勻所造成的。儘管如此，與世界上大部分國家相比中國煤中As 含量整體上處於較低水平。

汞

以各聚煤時代煤占全國煤儲量百分比作為權值，統計了 1413 個煤樣品數據，得出中國煤總資源量中 Hg 的加權平均值為 0.188μg/g。

硒

中國煤中硒含量地區性差異較大，有比較明顯的低硒和高硒區。對於不同省份地區煤中硒含量來講，內蒙古、遼寧、新疆等地煤中硒平均含量最低，一般低於 2μg/g；吉林、陝西、貴州、雲南、四川、山東、山西、湖南等地煤中硒平均含量介於 2~5μg/g 之間，屬於硒含量中低區；重慶、安徽、江蘇和湖北平均含量分別為 5.73
μg/g、9.11μg/g、8.30μg/g 和 9.71μg/g，屬於高硒地區。

伴生元素對環境的影響

煤中伴生元素對環境的影響程度、範圍和污染程度，取決於伴生與元素在煤中煤中的賦存方式和狀態，還取決於煤所處的環境條件。

煤中伴生元素在風力、雨水淋溶的因素的作用下，含量不斷減少：一部分隨氣體、飄塵或粉塵進入大氣；另一部分滲入土壤和含水層，從而降低土壤功能，污染水質。燃煤釋放出的氣體和粉塵、飄塵中均含有毒害元素，經常在其周圍活動的人們吸入這種氣體，易產生種種與此相關的疾病。當煤中有害元素滲入淺層地下水，會污染水質，人們飲用此種水源時，有害元素在人體內產生各種化學反應，可能形成毒害性更強的化合物，或者在人體內積累達到很高的濃度，從而對身體各個器官組織造成傷害。煤中有害元素在土壤中積累到很高濃度時，生產的農作物也會收到影響，人們如果長期食用這些農作物同樣會產生各種疾病。

煤中的有害伴生元素雖然含量甚微，但由於煤炭消耗量巨大，因此以煤炭為途徑進入環境中的有害元素占有相當的比重，已成為元素地球化學循環的重要組成部分。煤中伴生元素的濃度與資源和環境的關係，近二三十年來得到了日益廣泛的重視。60 年代，由於電子工業的迅速發展和資源危機的不斷嚴重，美國、蘇聯、英國、澳大利亞和加拿大等幾個主要產煤國家都先後系統地調查了本國煤中的伴生元素資源情況，一些國家還建立了從煤中提取 Ge，Ga，U，V 等元素的工廠（許琪，1991）。與之相應的是各國學者著重對不同成煤時代和不同地區的煤中伴生元素的分布規律、成礦作用、對元素的賦存狀態及其與煤物質的聯繫特徵等進行研究。70 年代以來，各國燃煤噸位劇增，燃煤造成的環境污染日趨嚴重，促使研究者將注意力轉向研究燃煤與環境的關係，並集中研了
Hg，Pb，As，Be，Cd，C1，U 等毒性或放射性元素在煤和煤灰中的分布規律和賦存狀態及其在煤炭燃燒、轉化等過程中的去向和對環境的影響。

研究意義

從環境地球化學角度講，研究煤中伴生元素的分布、賦存狀態及沉積時的富集規律是煤地球化學研究的基礎；而煤或煤矸石在燃燒、淋溶、洗選和其他加工利用過程中伴生元素的析出機理及環境效應是煤環境地球化學研究的目的。

開展煤中伴生元素的研究不僅能為正確評價伴生元素的可利用性、有毒有害元素的可剔除性奠定理論基礎，而且對預防煤中有害元素對環境的影響、保護生態和人類生存環境方面具有理論指導意義和現實意義。因此，探討煤中的伴生元素，無論對煤的地球化學還是環境化學都是十分重要的，並且蔣成為能源和環境科學的熱點，是 21 世紀實現可持續發展的必然要求。

研究趨勢

研究煤中伴生元素的發展趨勢為：①加強煤及煤中伴生元素、共生礦產的綜合研究。煤中不但有各種伴生元素，而且在含煤地層中還共生有多種礦產資源。已查明的有各種耐火粘土、膨脹性粘土、高鋁粘土、高嶺土（見）膨潤土、硅藻土、、硫鐵礦、、石墨、石英岩、等。以上礦產均與煤和在成因上有一定聯繫，分布於含煤岩系及其鄰近岩層中，具有一定的層位，形成一定規模的礦體。因此，可以將煤與煤中伴生元素、共生礦產結合起來，開展綜合找礦與勘探、綜合研究評價、綜合生產利用。②加強煤中有害元素與環境關係的研究。煤中有害元素對環境所造成的危害是多方面的。煤中某些元素所謂“有害”或“有益”，是對其性質而言，如果綜合利用得當，有害元素可以變為有益元素；反之，有益元素也可以成為有害元素。因此，對煤中有害元素應側重於綜合利用的研究，從根本上消除有害元素的擴散造成的危害，以達到變害為利，變廢為寶，一舉兩得的實效。