煤中伴生元素
正文
主要以與煤有機質或與煤中無機礦物相結合的形式存在於煤層中的元素。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；煤層形成後地下水循環帶入。元素在煤層中的富集與元素的地球化學性質、物質來源、沉積環境以及煤的變質程度等密切相關。1896年，首次在煤灰中發現稀有元素。此後，煤中伴生元素的調查和研究大致經歷了3個階段:①20世紀50年代以前，多側重於分布規律及成因理論的研究。②60年代，隨著原子能工業、電子工業、航空工業及其他尖端技術的發展,對稀有金屬需求量劇增,促使研究重點轉移到伴生元素的調查和回收利用。許多國家發現了一些煤中伴生元素含量較高的遠景區，並在鍺、鎵、鈾、釩等元素的回收利用上有突破性的進展。③近10多年來，由於環境污染日趨嚴重，煤作為環境污染的主要物質來源，煤中有害元素與環境的關係已成為重要的研究課題。中國對煤中伴生元素的調查研究始於1956年，目前已查明煤及石煤中的伴生元素有60餘種，其中以鍺、鎵、鈾、釩等的研究較為詳細。
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。
有益元素 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、新生代褐煤和部分晚古生代的中、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。
指相元素 煤中伴生的某些元素，有各自的地球化學性質，形成於不同的沉積環境中。因此，可根據這些元素的相對含量、共生組合關係及其比值，判斷相和沉積環境。例如，根據硼、氯的含量、鈣／鎂、鍶／鋇及硼／鎵的比值，可判斷海陸沉積環境。有人測定現代海水中硼的含量為4.6克／噸,河水僅0.01克／噸；現代海水中氯含量為19000克／噸，河水中僅為8.3克／噸。還認為鍶／鋇比值大於1時，為海相沉積環境，小於1時屬陸相沉積環境。
根據錳的含量推測古水體的深度,即錳含量增高,反映蓄水較深。此外，還可根據硼、氯含量確定古水體鹽度，根據元素的共生組合，分析古水流的動力性質等。
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（見高嶺石）、膨潤土、硅藻土、油頁岩、硫鐵礦、菱鐵礦、石墨、石英岩、白雲岩、石灰岩、砂岩等。以上礦產均與煤和含煤岩系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。
