煤中礦物組成

迄今為止，已經發(fā)現的煤中礦物高達 125 種 ( Finkelman，1994) ，由于成煤時代、成煤地區(qū)、成煤地質背景、成煤物質來源以及后期賦存、演化、改造上的差異，不同地區(qū)煤中礦物種類和數量上的差異相當明顯。邵靖邦等 ( 1999) 給出煤中的常見礦物有 5 類共 20 種 ( 表 2. 7) 。Couch ( 1994) 對所有種類煤經低溫灰化后得到的灰狀物質用 X 射線衍射 ( XRD) 分析得到的主要礦物種類是黏土礦物 ( 硅酸鹽) 、碳酸鹽和二硫化物，次要礦物是硫酸鹽、長石、硫化物和氧化物，二者合計有 22 種礦物，其他可能存在的礦物有 20 種。表 2. 7 電廠燃煤中的常見礦物組成( 據邵靖邦等，1999)Ward ( 1989) 對澳大利亞悉尼盆地與美國伊利諾伊盆地煙煤中的礦物進行研究后發(fā)現，它們主要由硅酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽以及其他礦物組成。常見的硅酸鹽礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石，也常見混層礦物，如伊利石-蒙脫石混層礦物; 常見的碳酸鹽礦物包括方解石、白云石、鐵白云石和菱鐵礦，在許多情況下，煤中碳酸鹽礦物因固態(tài)溶解而形成復雜的混合型礦物; 煤中最常見的氧化物類礦物是石英和金紅石; 硫化物類礦物是黃鐵礦，也見有白鐵礦，偶爾可見到方鉛礦、閃鋅礦和黃銅礦; 磷酸鹽類礦物有獨居石和磷灰石; 硫酸鹽類礦物在煤中比較少見，只在風化煤中出現。按照形成時間的不同，煤中礦物可分為同生礦物和后生礦物 ( 孔洪亮等，2001) 。同生礦物是指在泥炭堆積期及早期成巖作用階段在煤中形成的礦物，如高嶺石、石英、菱鐵礦、金紅石等; 后生礦物則是指晚期成巖作用及其后生作用階段的產物，如黃鐵礦、方解石、白云石以及由表生作用形成的次生礦物褐鐵礦、針鐵礦等。由于低溫灰化本質上并不改變煤中礦物的原始狀態(tài) ( Demir 等，2001) ，所以為減少煤中有機質對 X 射線衍射 ( XRD) 分析的影響，我們首先將準格爾電廠爐前煤進行低溫灰化 ( 170℃) ，然后用 XRD 方法進行分析，得到的結果與其他電廠爐前煤有較大區(qū)別( 表 2. 8) 。表 2. 8 準格爾電廠爐前煤低溫灰化 ( 170℃) 后 XRD 分析結果準格爾電廠爐前煤中礦物一個顯著特點是富含高嶺石和勃姆石 ( 一水軟鋁石) ，高嶺石的含量為 63. 3% ～ 84. 2%，平均 71. 1%; 勃姆石的含量為 7. 1% ～ 29. 3%，平均21. 1% ; 二者之和超過 90% 。煤中礦物以石英含量為最低，范圍為 0. 4% ～ 6. 4% ，平均含量僅有 1. 9%，另外還含有少量的方解石和石膏，方解石含量為 0. 6% ～ 4. 0%，平均2. 5% ; 石膏含量為 0 ～ 5. 3% ，平均 3. 0% 。XRD 分析結果表明，準格爾電廠燃煤中的礦物種類并不復雜，除富含高嶺石和勃姆石外，其他能鑒別出來的礦物只有 3 種，且其含量的總和僅為 7. 4%。準格爾電廠燃煤中如此之高的勃姆石含量在國內、外煤中都很罕見。將準格爾電廠長焰煤與首鋼電廠長焰煤中礦物組成相比可以看出，后者礦物組成要復雜得多，而且石英含量高達 32% ( 圖 2. 3) 。圖 2. 3 準格爾電廠與首鋼電廠爐前煤低溫灰化后 XRD 分析結果之對比高嶺石是煤中的常見黏土礦物，一般形成于泥炭沼澤的酸性介質中，是濕熱氣候條件下的產物，也是燃煤產物的主要物質來源。勃姆石最常見于鋁土礦中，它是鋁土礦形成過程中的一種礦物類型，而世界不同時代鋁土礦床的成因研究表明，鋁土礦是在一種特殊氣候條件下經表生作用形成的，產于濕熱氣候和排水良好的環(huán)境中，是風化殼化學風化的最終產物 ( 吳國炎，1997) 。從古生代、中生代至新生代，鋁土礦往往呈現出一水硬鋁石、勃姆石、三水鋁石的礦物序列 ( 劉中凡，2001) 。實驗表明，勃姆石礦物主要形成于 pH =7 ～10 的弱堿性環(huán)境 ( Okada 等，2002) ，相對干燥的氣候條件有利于勃姆石礦物的穩(wěn)定 ( Mongelli，2002) 。據 Eriwin 等 ( 1951) 對 Al2O3-H2O 體系的研究，三水鋁石向勃姆石的轉化溫度約為140℃ ( 梁紹暹等，1997) ，但依據所賦煤層煤化程度 ( 長焰煤，Ro= 0. 60% ) 的古溫度，應在 85℃左右，這可能是因為上述實驗是在液相條件下形成的，而煤中礦物往往是在漫長的地質歷史中通過固相轉化方式實現的。因此，煤中勃姆石與其他礦物的組合特征及其與煤化作用的依存關系，是一個非常值得探討的問題。劉欽甫等 ( 1997) 在研究準格爾黑岱溝露天礦 6 號煤層中的高嶺石夾矸時指出，夾矸中的勃姆石在 XRD 曲線上出現 0. 6142 nm、0. 3167 nm、0. 2347 nm 三個明顯的特征峰。在顯微鏡下，具正高突起，一級灰黃干涉色，一般呈隱晶或細小鱗片狀結構，可見勃姆石交代蠕蟲狀高嶺石現象，并且指出，這種勃姆石可能是在成巖階段由于高嶺石的脫硅作用形成的。而含量高達 63% ～85%呈隱晶質結構的勃姆石，可能是由原生沉積形成的。方解石往往充填于煤中的各種裂隙中，是煤中典型的后生礦物。它的形成一方面要求有足夠的二氧化碳，同時還要有相應的弱堿性環(huán)境，這些條件在泥炭階段 ( 泥炭層上部有足夠的二氧化碳，但介質為酸性) 及成巖階段 ( 二氧化碳不足) 往往都不具備。所以，煤中的方解石主要是后生的，有時可見方解石交代細胞腔內的高嶺石現象。石英既可作為成煤初期的同生礦物，也可以是后期煤化作用過程中形成的后生礦物，但對燃煤產物而言，石英主要屬于原生礦物。煤中石膏常常是成巖作用或后生作用的產物，煤中黃鐵礦和有機硫的風、氧化作用通常可以使其中的硫轉化為石膏，另外它也常常形成于煤炭開采、運輸和儲存過程之中，是煤中新生礦物的主要類型。這次對煤樣低溫灰化 ( 170℃) 后所作的 XRD 分析表明，煤中礦物勃姆石出現的 3個特征峰 d 值分別在 0. 616 nm、0. 317 nm 和 0. 235 nm 左右，并且衍射強度較高。另外一個明顯的特征峰為高嶺石峰，d 值在 0. 721 nm 和 0. 359 nm 左右，均為高嶺石的最強衍射峰位置，且強度特征明顯，d 值 0. 721 nm 稍高于高嶺石的標準值 0. 716 nm。圖譜上的石英、方解石和石膏 3 種礦物的譜峰均不明顯，特別是石英的特征譜峰 0. 334 nm，在絕大多數電廠燃煤中都普遍作為標準譜峰進行校對，但這一情況在準格爾電廠燃煤中也僅有ZGR-C3 樣品中有較明顯顯示，在其他樣品中衍射峰均不明顯。圖 2. 4 顯示了 7 個爐前煤樣低溫灰化后的 XRD 圖譜。圖 2. 4 準格爾電廠爐前煤低溫灰化 ( 170℃) 后的 XRD 圖譜通常情況下，煤灰中 Al2O3的多少主要取決于原煤中黏土礦物的種類和含量，在常見的 3 種黏土礦物中 Al2O3/ SiO2質量比由大到小依次為高嶺石、伊利石和蒙脫石，分別為0. 85、0. 61 和 0. 35。高嶺石礦物中 Al2O3和 SiO2含量分別為 41. 2%和 48. 0%，所以，高嶺石礦物含量較高的煤，其燃燒產物中 Al2O3的含量必然較高。勃姆石 ( AlOOH) 礦物屬于鋁的氫氧化物類礦物，其中 Al2O3的含量為 85. 7%，H2O為14. 3%。由此可知，高嶺石和勃姆石礦物為準格爾電廠粉煤灰中高 Al2O3含量提供了重要物質來源。
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。