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煤中稀土元素研究的4大關鍵問題

2019-06-03

  中國是世界最重要的稀土元素生產國和出口國,但美國日本卻是世界最大的稀土消費國。我國稀土資源只占世界25%,卻為世界提供95%稀土。稀土元素作為重要的戰略資源,尤其是在軍事國防工業和高科技電訊工業,其用量正迅速上升。


  我國煤炭資源豐富,是采煤和用煤的世界第一大國。雖然新能源發展迅速,但在我國能源結構中,煤炭仍然將長期占據重要地位。煤炭企業現在更加重視煤中伴生資源的綜合開發與利用。多位國內外學者研究表明,煤中某些微量元素在特殊地質條件下可以富集而成為可利用的伴生礦產資源,比如我國煤中鍺和鈾就已經得到了開發與利用。近年來,煤中的鎵、鋰的研究也取得很大進展。值得注意的是,煤中的這些有益元素都具有重大戰略意義的稀缺資源。


  科學家很早就認識到從煤可以提取出稀有金屬以應對資源緊缺,第1次成功實例是二戰之后原蘇聯和美國就已經分別成功地從煤中提取出鈾以作核原料之用;第2次成功實例是中國從煤中成功提取出半導體原料鍺,我國目前在云南臨滄和內蒙古烏蘭圖嘎褐煤中分別獲得了數十噸的鍺產量;第3次成功實例是在我國準格爾煤田成功地從煤和煤灰中提取出鋁和鎵;近幾年來國內外諸位學者開始探索研究從煤及其燃燒產物中提取出稀土元素和釔以應對日益旺盛的市場需要。


  自20世紀80年代以來,國內外學者都注意到煤中含有稀土元素,但含量甚微,因其具有特殊地質意義和地球化學性質,通常可以用作研究煤成因的地球化學指示劑。但部分研究者在少數礦區的煤層中檢測到了含量較高稀土元素,尤其是在煤燃燒之后的煤灰里稀土元素含量可以再次富集到更高水平,甚至達到工業品位而進行提取利用。由此可見煤中稀土若富集成礦,不僅具有理論意義,也具有巨大的經濟意義。


  我國煤中稀土元素的含量水平及分布特征


  我國大型煤炭生產基地主要分布在北方,尤其是鄂爾多斯盆地北部,如內蒙古大青山中石炭世發現有煤層稀土含量達721 μg/g,內蒙古準格爾黑岱溝和哈爾烏素的6號煤層稀土含量分別達到1 031 μg/g 和1 347 μg/g 。DAI等研究發現以上地區當中富集稀土元素的煤層,其煤灰中的稀土元素也明顯富集,例如黑岱溝煤礦煤灰中REO(即稀土元素的氧化物)均值達0.15%,哈爾烏素礦煤灰中REO均值達0.14%,官板烏素礦為0.11%,阿刀亥礦為0.98%。說明稀土元素在煤灰中顯著富集,并可以達到或高于工業品位,具備工業開發潛力。研究認為,一般情況下原煤中稀土元素只有富集到一定程度(300 μg/g 以上)在煤灰中才能富集到接近或超過工業品位。為此,王西勃選擇內蒙古地區和西南地區一些典型煤田重點研究燃煤過程中稀土元素的分異機理,試圖進一步解釋原煤中稀土元素在燃燒過程中的分異行為及其在不同燃燒產物中的賦存狀態和富集程度,為煤灰中提取和利用稀土元素提供理論基礎,但是迄今為止我國鮮有發現真正意義上的煤型稀土礦床。


  煤中稀土元素與其他伴生元素研究利用現狀


  我國繼煤型稀有金屬礦床如煤-鍺礦床(云南臨滄和內蒙烏蘭圖嘎)、煤-鈾礦床(貴州貴定和新疆伊犁)得以開發后,近年來,又有一些新的煤型稀有金屬礦床被發現并有望得以利用,顯示了我國煤型稀有金屬礦床的良好勘探前景。我國北方地區,代世峰在內蒙古準格爾發現了超大型煤-鎵(鋁)礦床,孫玉壯在寧武煤田、準格爾煤田和陜西黃隴煤田等發現了某些鎵鋰異常富集,神華集團2011年在內蒙古建立了從煤灰中提取鎵和鋁(Ga和Al2O3)的實驗工廠并于2013年生產出第1批金屬鎵。孫玉壯團隊在《華北煤系共伴生資源富集賦存規律及找礦與開發應用》項目中對我國北方煤中鋰鎵、煤系高嶺巖中鋰鎵和煤系高嶺巖等共伴生礦產富集賦存規律進行了系統研究,并在開發利用技術攻關方面取得突破。該項目成功發現了資源量為449.25萬t的超大型煤伴生鋰礦,資源量為16.52萬t的超大型煤伴生鎵礦,資源量為192億t煤系高嶺巖,并在世界上首次研發出綜合提取煤灰中鋰、鎵和白炭黑的技術。


  煤中稀土研究的幾個關鍵性問題


  (1)已發現的稀土異常富集煤層資源利用和工業開發


  目前我國煤中稀土元素研究已經取得巨大進展,研究成果受到廣泛關注。近期由代世峰作為專刊主編的國際刊物《International Journal of Coal Geology 》和《Minerals》分別以專刊形式刊載了中國煤中微量元素的研究成果。與煤中鍺、鎵、鋰、鈾和鋁等元素相比,煤中稀土元素的研究還停留在個別發現及其賦存狀態的探討上,至今在我國尚未發現具備工業開發意義的煤型稀土礦產。我國學者如代世峰,劉池陽、秦身鈞,孫玉壯,楊建業等已經發現并報道了多個礦區煤層稀土富集現象,北方地區如鄂爾多斯盆地北部、內蒙古大青山、內蒙古準格爾黑岱溝和哈爾烏素煤礦一些煤層發現有稀土含量異常。在西南地區,代世峰、李大華等發現了某些礦區晚二疊煤層具有稀土元素異常富集情況。但是以上發現的煤中稀土含量和規模上均未能達到計算儲量和可采儲量的要求,由此就必須系統采集更多樣品或進行鉆孔取樣,才能確定煤層中是否有大規模的稀土富集,并達到潛在工業利用的富集程度。由此可見很有必要做進一步研究,獲取更多數據,才能落實這些礦點是否真正具備資源意義。同時重點對有潛力礦區擴大采樣密度,確定其成礦分布范圍與含量變化情況。


  (2)煤灰中再次富集稀土元素的能力


  煤中稀土元素可在煤燃燒后的產物——煤灰中進一步富集,煤灰中的稀土含量及其賦存狀態是進行工業開發利用的基礎,目前還沒有系統研究過稀土異常富集煤在燃燒后的煤灰中的稀土富集系數(需將原煤與煤灰進行同時測試),因此深入研究稀土元素在富集程度較高的煤中賦存狀態和煤灰中的富集系數究十分必要。另外需要選擇一個電廠并對其燃煤產物進行系統分析,以分別獲得稀土元素在底灰、爐渣和飛灰中的分異行為情況。


  (3)煤層夾矸及頂底板與煤層中稀土元素的富集能力對比


  煤對稀土的富集能力需要與煤層中夾矸及頂底板進行對比,可以進一步探究稀土元素的在煤系地層中的親和性及遷移規律,以往的研究很少同時采集不同巖性樣品進行對比測試,使得在同一沉積環境中稀土元素的有機質親合性或者黏土礦物親合性的大小比較缺乏數據支持,未來的研究可將在采樣中系統分類采集,并行測試,以獲得更加準確的稀土親合性信息。


  (4)煤型稀土礦床成因機制


  對煤型鍺礦,煤型鋰鎵礦和煤型鈾礦等成因機制我國學者均已得出自己的認識,結合我國特有的地質條件,加強煤中稀土元素異常富集機制方面的研究,有可能在煤型稀土元素富集成因機制上獲得突破。云南臨滄型煤中鍺和內蒙烏蘭圖嘎型煤中鍺具有不同的成因機制,煤中稀土是否也具有不同的富集成因?煤中稀土元素的富集與煤中鋰、鎵元素的富集在成因機理上是否存在內在聯系?煤中稀土元素的研究將進一步豐富煤地質學理論,不但具有實際經濟意義,而且也具科學理論意義。


  目前尋找到更多富稀土元素的煤層并確定其資源規模是首要任務,開展從煤中提取稀土元素技術是今后開發利用的關鍵。我國北方諸多煤層具有發育煤型稀土礦床條件,只要加強研究,煤中稀土礦床將具有良好的開發與利用前景。



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  責任編輯:宮在芹
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男,1978年5月生,副研究員,碩士,現任煤炭科學技術研究院有限公司裝備...

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