Question

煤中矿物组成

Answer 1

迄今为止，已经发现的煤中矿物高达 125 种 ( Finkelman，1994) ，由于成煤时代、成煤地区、成煤地质背景、成煤物质来源以及后期赋存、演化、改造上的差异，不同地区煤中矿物种类和数量上的差异相当明显。

邵靖邦等 ( 1999) 给出煤中的常见矿物有 5 类共 20 种 ( 表 2. 7) 。Couch ( 1994) 对所有种类煤经低温灰化后得到的灰状物质用 X 射线衍射 ( XRD) 分析得到的主要矿物种类是黏土矿物 ( 硅酸盐) 、碳酸盐和二硫化物，次要矿物是硫酸盐、长石、硫化物和氧化物，二者合计有 22 种矿物，其他可能存在的矿物有 20 种。

表 2. 7 电厂燃煤中的常见矿物组成

( 据邵靖邦等，1999)

Ward ( 1989) 对澳大利亚悉尼盆地与美国伊利诺伊盆地烟煤中的矿物进行研究后发现，它们主要由硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及其他矿物组成。常见的硅酸盐矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石，也常见混层矿物，如伊利石-蒙脱石混层矿物; 常见的碳酸盐矿物包括方解石、白云石、铁白云石和菱铁矿，在许多情况下，煤中碳酸盐矿物因固态溶解而形成复杂的混合型矿物; 煤中最常见的氧化物类矿物是石英和金红石; 硫化物类矿物是黄铁矿，也见有白铁矿，偶尔可见到方铅矿、闪锌矿和黄铜矿; 磷酸盐类矿物有独居石和磷灰石; 硫酸盐类矿物在煤中比较少见，只在风化煤中出现。

按照形成时间的不同，煤中矿物可分为同生矿物和后生矿物 ( 孔洪亮等，2001) 。同生矿物是指在泥炭堆积期及早期成岩作用阶段在煤中形成的矿物，如高岭石、石英、菱铁矿、金红石等; 后生矿物则是指晚期成岩作用及其后生作用阶段的产物，如黄铁矿、方解石、白云石以及由表生作用形成的次生矿物褐铁矿、针铁矿等。

由于低温灰化本质上并不改变煤中矿物的原始状态 ( Demir 等，2001) ，所以为减少煤中有机质对 X 射线衍射 ( XRD) 分析的影响，我们首先将准格尔电厂炉前煤进行低温灰化 ( 170℃) ，然后用 XRD 方法进行分析，得到的结果与其他电厂炉前煤有较大区别( 表 2. 8) 。

表 2. 8 准格尔电厂炉前煤低温灰化 ( 170℃) 后 XRD 分析结果

准格尔电厂炉前煤中矿物一个显著特点是富含高岭石和勃姆石 ( 一水软铝石) ，高岭石的含量为 63. 3% ～ 84. 2%，平均 71. 1%; 勃姆石的含量为 7. 1% ～ 29. 3%，平均21. 1% ; 二者之和超过 90% 。煤中矿物以石英含量为最低，范围为 0. 4% ～ 6. 4% ，平均含量仅有 1. 9%，另外还含有少量的方解石和石膏，方解石含量为 0. 6% ～ 4. 0%，平均2. 5% ; 石膏含量为 0 ～ 5. 3% ，平均 3. 0% 。XRD 分析结果表明，准格尔电厂燃煤中的矿物种类并不复杂，除富含高岭石和勃姆石外，其他能鉴别出来的矿物只有 3 种，且其含量的总和仅为 7. 4%。准格尔电厂燃煤中如此之高的勃姆石含量在国内、外煤中都很罕见。将准格尔电厂长焰煤与首钢电厂长焰煤中矿物组成相比可以看出，后者矿物组成要复杂得多，而且石英含量高达 32% ( 图 2. 3) 。

图 2. 3 准格尔电厂与首钢电厂炉前煤低温灰化后 XRD 分析结果之对比

高岭石是煤中的常见黏土矿物，一般形成于泥炭沼泽的酸性介质中，是湿热气候条件下的产物，也是燃煤产物的主要物质来源。

勃姆石最常见于铝土矿中，它是铝土矿形成过程中的一种矿物类型，而世界不同时代铝土矿床的成因研究表明，铝土矿是在一种特殊气候条件下经表生作用形成的，产于湿热气候和排水良好的环境中，是风化壳化学风化的最终产物 ( 吴国炎，1997) 。从古生代、中生代至新生代，铝土矿往往呈现出一水硬铝石、勃姆石、三水铝石的矿物序列 ( 刘中凡，2001) 。

实验表明，勃姆石矿物主要形成于 pH =7 ～10 的弱碱性环境 ( Okada 等，2002) ，相对干燥的气候条件有利于勃姆石矿物的稳定 ( Mongelli，2002) 。

据 Eriwin 等 ( 1951) 对 Al₂O₃-H₂O 体系的研究，三水铝石向勃姆石的转化温度约为140℃ ( 梁绍暹等，1997) ，但依据所赋煤层煤化程度 ( 长焰煤，R^o= 0. 60% ) 的古温度，应在 85℃左右，这可能是因为上述实验是在液相条件下形成的，而煤中矿物往往是在漫长的地质历史中通过固相转化方式实现的。因此，煤中勃姆石与其他矿物的组合特征及其与煤化作用的依存关系，是一个非常值得探讨的问题。

刘钦甫等 ( 1997) 在研究准格尔黑岱沟露天矿 6 号煤层中的高岭石夹矸时指出，夹矸中的勃姆石在 XRD 曲线上出现 0. 6142 nm、0. 3167 nm、0. 2347 nm 三个明显的特征峰。在显微镜下，具正高突起，一级灰黄干涉色，一般呈隐晶或细小鳞片状结构，可见勃姆石交代蠕虫状高岭石现象，并且指出，这种勃姆石可能是在成岩阶段由于高岭石的脱硅作用形成的。而含量高达 63% ～85%呈隐晶质结构的勃姆石，可能是由原生沉积形成的。

方解石往往充填于煤中的各种裂隙中，是煤中典型的后生矿物。它的形成一方面要求有足够的二氧化碳，同时还要有相应的弱碱性环境，这些条件在泥炭阶段 ( 泥炭层上部有足够的二氧化碳，但介质为酸性) 及成岩阶段 ( 二氧化碳不足) 往往都不具备。所以，煤中的方解石主要是后生的，有时可见方解石交代细胞腔内的高岭石现象。

石英既可作为成煤初期的同生矿物，也可以是后期煤化作用过程中形成的后生矿物，但对燃煤产物而言，石英主要属于原生矿物。

煤中石膏常常是成岩作用或后生作用的产物，煤中黄铁矿和有机硫的风、氧化作用通常可以使其中的硫转化为石膏，另外它也常常形成于煤炭开采、运输和储存过程之中，是煤中新生矿物的主要类型。

这次对煤样低温灰化 ( 170℃) 后所作的 XRD 分析表明，煤中矿物勃姆石出现的 3个特征峰 d 值分别在 0. 616 nm、0. 317 nm 和 0. 235 nm 左右，并且衍射强度较高。另外一个明显的特征峰为高岭石峰，d 值在 0. 721 nm 和 0. 359 nm 左右，均为高岭石的最强衍射峰位置，且强度特征明显，d 值 0. 721 nm 稍高于高岭石的标准值 0. 716 nm。图谱上的石英、方解石和石膏 3 种矿物的谱峰均不明显，特别是石英的特征谱峰 0. 334 nm，在绝大多数电厂燃煤中都普遍作为标准谱峰进行校对，但这一情况在准格尔电厂燃煤中也仅有ZGR-C3 样品中有较明显显示，在其他样品中衍射峰均不明显。

图 2. 4 显示了 7 个炉前煤样低温灰化后的 XRD 图谱。

图 2. 4 准格尔电厂炉前煤低温灰化 ( 170℃) 后的 XRD 图谱

通常情况下，煤灰中 Al₂O₃的多少主要取决于原煤中黏土矿物的种类和含量，在常见的 3 种黏土矿物中 Al₂O₃/ SiO₂质量比由大到小依次为高岭石、伊利石和蒙脱石，分别为0. 85、0. 61 和 0. 35。高岭石矿物中 Al₂O₃和 SiO₂含量分别为 41. 2%和 48. 0%，所以，高岭石矿物含量较高的煤，其燃烧产物中 Al₂O₃的含量必然较高。

勃姆石 ( AlOOH) 矿物属于铝的氢氧化物类矿物，其中 Al₂O₃的含量为 85. 7%，H₂O为14. 3%。由此可知，高岭石和勃姆石矿物为准格尔电厂粉煤灰中高 Al₂O₃含量提供了重要物质来源。