中国煤中微量元素分布赋存特征及其迁移规律试验研究

煤中微量元素一直是煤田地质学和煤质研究的重要组成部分。近年来，主要出于对环境保护的关注，煤中微量元素的分布及其在煤炭开发、利用过程中的迁移特征引起了国内外广大研究者的重视。本文从分析中国煤中微量元素含量分布的基本特征出发，选择了中国10个有代表性的煤样，通过浮沉试验和煤岩分析等手段，系统地研究了中国煤中30余种微量元素的赋存状态，主要是这些元素在各种煤岩组分中的分布特征。同时，利用管式炉干馏试验和煤焦CO2反应性测试装置，研究了煤热解、气化过程中各种微量元素的迁移特征，重点探讨了微量元素的赋存状态对其迁移规律的影响。按照研究内容的不同，全文共分为三个部分，即中国煤中微量元素含量分布基本特征研究、中国某些有代表性煤田煤中微量元素赋存特征研究及煤热解、气化过程中微量元素迁移转化规律试验研究。 本文第一部分的基本数据主要来源于《中国煤种资源数据库》，利用该数据库中1018个煤样中31种微量元素含量数据，统计了中国不同聚煤区、不同成煤时代、不同煤种中各种微量元素的算术平均含量及其分布直方图。运用不同聚煤区煤炭已发现资源量数据，引入“储量权重”因子，计算了中国煤中31种微量元素的平均含量数据，分析了中国煤中微量元素含量分布基本特征。研究表明，中国煤中微量元素含量分布的主要特征是其分布的不均匀性，尤其是地域差异较大，华南晚三叠世及晚二叠世聚煤区煤中微量元素含量总体水平较高，而华北、西北早-中侏罗世聚煤区煤中微量元素含量较低。中国煤中大多数微量元素平均含量，与世界范围内煤中微量元素平均含量相比，基本在同一水平线上，中国煤炭利用造成的微量元素污染问题，主要是由于落后的用煤方式、累积效应及有害微量元素局部异常富集引起的。 中国煤中微量元素赋存特征研究是本文的核心研究内容。本文主要对微量元素的“物理”赋存特征，即微量元素在煤岩组分和矿物中的分布，进行了较为深入的研究。通过浮沉试验，结合煤岩学分析，运用Solari方法，首次计算了不同地质背景煤中各种微量元素在镜质组、惰质组及矿物中的分配比例，并计算了微量元素的有机亲和性。同时，分析了不同类型粘土矿物，特别是伊利石粘土矿物和铝的氢氧化物矿物对煤中某些微量元素的富集作用。研究表明， 微量元素在煤中的赋存状态复杂多变，同一元素在不同煤中，其赋存状态可以 有很大差别。元素地球化学性质及煤岩组成对煤中微量元素赋存状态均有明显 影响。微量元素的地球化学性质，特别是其在表生风化作用中的行为特征，对 其在煤中含量分布的背景值具有重要意义;不同有机组分、矿物富集微量元素 的能力、种类差异较明显，总的来说，伊利石粘土矿物对微量元素的富集作用 强于高岭石。微量元素的有机亲和性指数越高，其在选煤过程中的理论脱除率 越低。 煤热解、气化过程中微量元素迁移转化规律试验研究，前人报导相对较少， 本文在这方面进行了一些探索性的工作。根据管式炉程序升温热解试验和半焦 CO:气化反应试验结果，计算了煤热解和半焦CO:气化过程中各种微量元素的 迁移率，描述了煤热解、气化过程中各种微量元素的迁移特征，初步提出了各 种微量元素的迁移机理，并依据各种元素在热解过程中迁移的难易程度，对其 进行了简单的分类。结果表明，热解过程中，煤中Hg不受赋存状态的影响， 总具有较高的迁移率;除Hg以外，其它各种微量元素在热解过程中的迁移特 征，明显受其赋存状态的影响。此外，热解过程中，煤中各种组分性质的变化、 挥发物组成、半焦孔隙结构变化等因素，也对煤中硫及各种微量元素的迁移特征有明 显的影响。半焦Co:气化反应过程中，各种亲硫性元素，如Hg、As、Pb、Zn、 Co、Mo、Ni、Se、Cu等，及部分与有机组分紧密结合的元素，如V、Ge等 迁移率较高，上述大多数元素在半焦CO:气化过程中的迁移率高于其在煤热解 过程中的迁移率。CO:介质的存在与高温条件下半焦结构破坏和矿物进一步分 解是引起这些元素迁移的最主要因素。分布于粘土矿物中的各种元素，如Be、 Se、P、Ti、Mn、Ga、Th、Sr、Y、Yb、Cs、W、Ba等，在煤热解及半焦COZ 气化过程中迁移率均很低。总的看来，元素在煤中的赋存状态对其在煤COZ 反应过程中的迁移行为有非常明显的影响。 本文的主要特色在于将煤中微量元素研究与煤岩学方法紧密结合，运用浮 沉试验及煤岩分析两种成熟技术，有效地解决了煤中微量元素在各种组分中的 分布研究问题。同时，结合本文主要成果及存在的不足，对今后工作提出了一 些建议。