煤中礦物組成

迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的煤中礦物高達(dá) 125 種 ( Finkelman，1994) ，由于成煤時(shí)代、成煤地區(qū)、成煤地質(zhì)背景、成煤物質(zhì)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(shù)量上的差異相當(dāng)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(duì)所有種類煤經(jīng)低溫灰化后得到的灰狀物質(zhì)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(zhǎng)石、硫化物和氧化物，二者合計(jì)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(jù)邵靖邦等，1999)Ward ( 1989) 對(duì)澳大利亞悉尼盆地與美國(guó)伊利諾伊盆地?zé)熋褐械牡V物進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(dú)居石和磷灰石; 硫酸鹽類礦物在煤中比較少見，只在風(fēng)化煤中出現(xiàn)。按照形成時(shí)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(chǎn)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(zhì)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(jī)質(zhì)對(duì) X 射線衍射 ( XRD) 分析的影響，我們首先將準(zhǔn)格爾電廠爐前煤進(jìn)行低溫灰化 ( 170℃) ，然后用 XRD 方法進(jìn)行分析，得到的結(jié)果與其他電廠爐前煤有較大區(qū)別( 表 2. 8) 。表 2. 8 準(zhǔn)格爾電廠爐前煤低溫灰化 ( 170℃) 后 XRD 分析結(jié)果準(zhǔn)格爾電廠爐前煤中礦物一個(gè)顯著特點(diǎn)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?jī)H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(jié)果表明，準(zhǔn)格爾電廠燃煤中的礦物種類并不復(fù)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(zhǔn)格爾電廠燃煤中如此之高的勃姆石含量在國(guó)內(nèi)、外煤中都很罕見。將準(zhǔn)格爾電廠長(zhǎng)焰煤與首鋼電廠長(zhǎng)焰煤中礦物組成相比可以看出，后者礦物組成要復(fù)雜得多，而且石英含量高達(dá) 32% ( 圖 2. 3) 。圖 2. 3 準(zhǔn)格爾電廠與首鋼電廠爐前煤低溫灰化后 XRD 分析結(jié)果之對(duì)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(zhì)中，是濕熱氣候條件下的產(chǎn)物，也是燃煤產(chǎn)物的主要物質(zhì)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(shí)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(jīng)表生作用形成的，產(chǎn)于濕熱氣候和排水良好的環(huán)境中，是風(fēng)化殼化學(xué)風(fēng)化的最終產(chǎn)物 ( 吳國(guó)炎，1997) 。從古生代、中生代至新生代，鋁土礦往往呈現(xiàn)出一水硬鋁石、勃姆石、三水鋁石的礦物序列 ( 劉中凡，2001) 。實(shí)驗(yàn)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(duì)干燥的氣候條件有利于勃姆石礦物的穩(wěn)定 ( Mongelli，2002) 。據(jù) Eriwin 等 ( 1951) 對(duì) Al2O3-H2O 體系的研究，三水鋁石向勃姆石的轉(zhuǎn)化溫度約為140℃ ( 梁紹暹等，1997) ，但依據(jù)所賦煤層煤化程度 ( 長(zhǎng)焰煤，Ro= 0. 60% ) 的古溫度，應(yīng)在 85℃左右，這可能是因?yàn)樯鲜鰧?shí)驗(yàn)是在液相條件下形成的，而煤中礦物往往是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中通過固相轉(zhuǎn)化方式實(shí)現(xiàn)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(guān)系，是一個(gè)非常值得探討的問題。劉欽甫等 ( 1997) 在研究準(zhǔn)格爾黑岱溝露天礦 6 號(hào)煤層中的高嶺石夾矸時(shí)指出，夾矸中的勃姆石在 XRD 曲線上出現(xiàn) 0. 6142 nm、0. 3167 nm、0. 2347 nm 三個(gè)明顯的特征峰。在顯微鏡下，具正高突起，一級(jí)灰黃干涉色，一般呈隱晶或細(xì)小鱗片狀結(jié)構(gòu)，可見勃姆石交代蠕蟲狀高嶺石現(xiàn)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(dá) 63% ～85%呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shí)還要有相應(yīng)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(zhì)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(shí)可見方解石交代細(xì)胞腔內(nèi)的高嶺石現(xiàn)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(duì)燃煤產(chǎn)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(chǎn)物，煤中黃鐵礦和有機(jī)硫的風(fēng)、氧化作用通?？梢允蛊渲械牧蜣D(zhuǎn)化為石膏，另外它也常常形成于煤炭開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程之中，是煤中新生礦物的主要類型。這次對(duì)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(xiàn)的 3個(gè)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(qiáng)度較高。另外一個(gè)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(qiáng)衍射峰位置，且強(qiáng)度特征明顯，d 值 0. 721 nm 稍高于高嶺石的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)電廠燃煤中都普遍作為標(biāo)準(zhǔn)譜峰進(jìn)行校對(duì)，但這一情況在準(zhǔn)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(gè)爐前煤樣低溫灰化后的 XRD 圖譜。圖 2. 4 準(zhǔn)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(zhì)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(chǎn)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(zhǔn)格爾電廠粉煤灰中高 Al2O3含量提供了重要物質(zhì)來源。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。