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煤中稀土元素研究的4大关键问题

2019-06-03

  中国是世界最重要的稀土元素生产国和出口国,但美国日本却是世界最大的稀土消费国。我国稀土资源只占世界25%,却为世界提供95%稀土。稀土元素作为重要的战略资源,尤其是在军事国防工业和高科技电讯工业,其用量正迅速上升。


  我国煤炭资源丰富,是采煤和用煤的世界第一大国。虽然新能源发展迅速,但在我国能源结构中,煤炭仍然将长期占据重要地位。煤炭企业现在更加重视煤中伴生资源的综合开发与利用。多位国内外学者研究表明,煤中某些微量元素在特殊地质条件下可以富集而成为可利用的伴生矿产资源,比如我国煤中锗和铀就已经得到了开发与利用。近年来,煤中的镓、锂的研究也取得很大进展。值得注意的是,煤中的这些有益元素都具有重大战略意义的稀缺资源。


  科学家很早就认识到从煤可以提取出稀有金属以应对资源紧缺,第1次成功实例是二战之后原苏联和美国就已经分别成功地从煤中提取出铀以作核原料之用;第2次成功实例是中国从煤中成功提取出半导体原料锗,我国目前在云南临沧和内蒙古乌兰图嘎褐煤中分别获得了数十吨的锗产量;第3次成功实例是在我国准格尔煤田成功地从煤和煤灰中提取出铝和镓;近几年来国内外诸位学者开始探索研究从煤及其燃烧产物中提取出稀土元素和钇以应对日益旺盛的市场需要。


  自20世纪80年代以来,国内外学者都注意到煤中含有稀土元素,但含量甚微,因其具有特殊地质意义和地球化学性质,通常可以用作研究煤成因的地球化学指示剂。但部分研究者在少数矿区的煤层中检测到了含量较高稀土元素,尤其是在煤燃烧之后的煤灰里稀土元素含量可以再次富集到更高水平,甚至达到工业品位而进行提取利用。由此可见煤中稀土若富集成矿,不仅具有理论意义,也具有巨大的经济意义。


  我国煤中稀土元素的含量水平及分布特征


  我国大型煤炭生产基地主要分布在北方,尤其是鄂尔多斯盆地北部,如内蒙古大青山中石炭世发现有煤层稀土含量达721 μg/g,内蒙古准格尔黑岱沟和哈尔乌素的6号煤层稀土含量分别达到1 031 μg/g 和1 347 μg/g 。DAI等研究发现以上地区当中富集稀土元素的煤层,其煤灰中的稀土元素也明显富集,例如黑岱沟煤矿煤灰中REO(即稀土元素的氧化物)均值达0.15%,哈尔乌素矿煤灰中REO均值达0.14%,官板乌素矿为0.11%,阿刀亥矿为0.98%。说明稀土元素在煤灰中显著富集,并可以达到或高于工业品位,具备工业开发潜力。研究认为,一般情况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过工业品位。为此,王西勃选择内蒙古地区和西南地区一些典型煤田重点研究燃煤过程中稀土元素的分异机理,试图进一步解释原煤中稀土元素在燃烧过程中的分异行为及其在不同燃烧产物中的赋存状态和富集程度,为煤灰中提取和利用稀土元素提供理论基础,但是迄今为止我国鲜有发现真正意义上的煤型稀土矿床。


  煤中稀土元素与其他伴生元素研究利用现状


  我国继煤型稀有金属矿床如煤-锗矿床(云南临沧和内蒙乌兰图嘎)、煤-铀矿床(贵州贵定和新疆伊犁)得以开发后,近年来,又有一些新的煤型稀有金属矿床被发现并有望得以利用,显示了我国煤型稀有金属矿床的良好勘探前景。我国北方地区,代世峰在内蒙古准格尔发现了超大型煤-镓(铝)矿床,孙玉壮在宁武煤田、准格尔煤田和陕西黄陇煤田等发现了某些镓锂异常富集,神华集团2011年在内蒙古建立了从煤灰中提取镓和铝(Ga和Al2O3)的实验工厂并于2013年生产出第1批金属镓。孙玉壮团队在《华北煤系共伴生资源富集赋存规律及找矿与开发应用》项目中对我国北方煤中锂镓、煤系高岭岩中锂镓和煤系高岭岩等共伴生矿产富集赋存规律进行了系统研究,并在开发利用技术攻关方面取得突破。该项目成功发现了资源量为449.25万t的超大型煤伴生锂矿,资源量为16.52万t的超大型煤伴生镓矿,资源量为192亿t煤系高岭岩,并在世界上首次研发出综合提取煤灰中锂、镓和白炭黑的技术。


  煤中稀土研究的几个关键性问题


  (1)已发现的稀土异常富集煤层资源利用和工业开发


  目前我国煤中稀土元素研究已经取得巨大进展,研究成果受到广泛关注。近期由代世峰作为专刊主编的国际刊物《International Journal of Coal Geology 》和《Minerals》分别以专刊形式刊载了中国煤中微量元素的研究成果。与煤中锗、镓、锂、铀和铝等元素相比,煤中稀土元素的研究还停留在个别发现及其赋存状态的探讨上,至今在我国尚未发现具备工业开发意义的煤型稀土矿产。我国学者如代世峰,刘池阳、秦身钧,孙玉壮,杨建业等已经发现并报道了多个矿区煤层稀土富集现象,北方地区如鄂尔多斯盆地北部、内蒙古大青山、内蒙古准格尔黑岱沟和哈尔乌素煤矿一些煤层发现有稀土含量异常。在西南地区,代世峰、李大华等发现了某些矿区晚二叠煤层具有稀土元素异常富集情况。但是以上发现的煤中稀土含量和规模上均未能达到计算储量和可采储量的要求,由此就必须系统采集更多样品或进行钻孔取样,才能确定煤层中是否有大规模的稀土富集,并达到潜在工业利用的富集程度。由此可见很有必要做进一步研究,获取更多数据,才能落实这些矿点是否真正具备资源意义。同时重点对有潜力矿区扩大采样密度,确定其成矿分布范围与含量变化情况。


  (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烧后的产物——煤灰中进一步富集,煤灰中的稀土含量及其赋存状态是进行工业开发利用的基础,目前还没有系统研究过稀土异常富集煤在燃烧后的煤灰中的稀土富集系数(需将原煤与煤灰进行同时测试),因此深入研究稀土元素在富集程度较高的煤中赋存状态和煤灰中的富集系数究十分必要。另外需要选择一个电厂并对其燃煤产物进行系统分析,以分别获得稀土元素在底灰、炉渣和飞灰中的分异行为情况。


  (3)煤层夹矸及顶底板与煤层中稀土元素的富集能力对比


  煤对稀土的富集能力需要与煤层中夹矸及顶底板进行对比,可以进一步探究稀土元素的在煤系地层中的亲和性及迁移规律,以往的研究很少同时采集不同岩性样品进行对比测试,使得在同一沉积环境中稀土元素的有机质亲合性或者黏土矿物亲合性的大小比较缺乏数据支持,未来的研究可将在采样中系统分类采集,并行测试,以获得更加准确的稀土亲合性信息。


  (4)煤型稀土矿床成因机制


  对煤型锗矿,煤型锂镓矿和煤型铀矿等成因机制我国学者均已得出自己的认识,结合我国特有的地质条件,加强煤中稀土元素异常富集机制方面的研究,有可能在煤型稀土元素富集成因机制上获得突破。云南临沧型煤中锗和内蒙乌兰图嘎型煤中锗具有不同的成因机制,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与煤中锂、镓元素的富集在成因机理上是否存在内在联系?煤中稀土元素的研究将进一步丰富煤地质学理论,不但具有实际经济意义,而且也具科学理论意义。


  目前寻找到更多富稀土元素的煤层并确定其资源规模是首要任务,开展从煤中提取稀土元素技术是今后开发利用的关键。我国北方诸多煤层具有发育煤型稀土矿床条件,只要加强研究,煤中稀土矿床将具有良好的开发与利用前景。



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  责任编辑:宫在芹
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