研究论文
山西煤系锂镓铝分布特征和开发利用前景
0 引 言
煤中共伴生金属矿产是指在煤系地层中，与煤共生或伴生在一起，在煤炭开采时共同产出的具有工业价值或工业利用前景的金属矿产，包括锂、镓、锗、稀土、铝、铁等[1-3]。山西煤炭资源丰富，储量巨大，从北到南分布18个煤炭国家规划矿区。近年来，随着煤炭开发和煤质分析测试技术的进步，山西煤系地层中发现具有重大开发利用价值的锂、镓、铝等金属矿产资源[4-6]。对此，学者对山西不同矿区煤中锂、镓、铝等共伴生矿产进行了研究，秦勇等[7]基于煤样煤质数据发现，山西某些勘查区煤中存在镓的地球化学异常，具有一定的成矿前景；孙玉壮[8]研究了宁武煤田高铝煤中铝、镓、锂、稀土等共伴生矿产的开发与利用情况；朱华雄等[9]分析了山西煤中铝的分布变化规律并估算华北地区可供工业利用煤中铝资源量；Zhao等[10]发现，沁水煤田晋城矿区煤中锂的异常高值与煤中绿泥石富集有关。目前大部分研究均针对某个矿区或煤田，较少从全省的角度对山西煤中共伴生金属矿产的分布进行研究，限制了从宏观政策层面对煤中共伴生矿产的战略开发。此外，目前研究均局限于定性研究，未考虑煤中金属矿产的工业指标问题，且仅将研究对象设定为煤和实验室灰化灰，而煤矸石和电厂粉煤灰中锂、镓、铝的工业指标研究鲜见报道，限制了其再开发和利用。粉煤灰和煤矸石作为煤炭生产的一种终端产品和共生资源，是2种主要的煤基工业固废。山西全省年煤炭产量占全国的25%左右，火电发电量占90%以上，加快推进山西粉煤灰、煤矸石的资源化、梯级、分类分质利用，实现全省粉煤灰、煤矸石的高值化利用和资源循环利用对于山西煤炭“减”、“优”、“绿”发展、实现从“煤老大”到“排头兵”的历史性跨越具有重要的现实意义。本文基于山西煤中锂、镓、铝已有研究数据，分析了山西煤系共伴生锂、镓、铝的宏观分布特征以及存在的问题，指出山西煤中共伴生金属矿产的开发利用前景和研究重点，以期从战略层面为实现山西煤炭与煤基固废的清洁、绿色、高效、循环利用，构建全省清洁低碳用能模式与能源革命综合改革提供思路与启发。
1 分布特征
1.1 煤中锂
锂被广泛用于原子反应堆、新能源电池等，是现代高新科技的支撑，锂资源具有重大的战略意义。我国煤中锂的平均含量为31.8 μg/g[11]，华北地区煤中锂的平均含量为43.91 μg/g[12]。2015年山西平朔矿区煤中锂镓资源调查评价项目发现，平朔矿区4、9号煤层中锂的平均含量分别为128.27、152 μg/g，煤灰中的二次富集浓度达0.35%(Li2O)，超过工业品位[6]。近年来，在沁水煤田晋城矿区、霍西煤田霍州矿区、西山煤田古交矿区太原组主采煤层以及西山煤田山西组、太原组夹矸中(图1)发现了锂的异常分布(表1)。可以看出，锂含量异常高值点中，太原组煤中锂含量大于山西组，煤层夹矸中锂含量大于煤层。
表1 山西煤中锂含量与分布
Table 1 Content and distribution of lithium in Shanxi coal μg/g
分布区赋存层位山西组太原组数据来源宁武煤田平朔矿区128.3(4号煤层)—152.0(9号煤层)237.5(11号煤层)文献[13]文献[14]沁水煤田晋城矿区—188.1(15号煤层)文献[15]霍西煤田霍州矿区—94.0(10号)文献[15]西山煤田古交矿区285.9(2号夹矸)———493.0(8号夹矸)151.7(8号煤层) 文献[16]文献[17]文献[18]西山煤田西山矿区109.0(2号夹矸)283.0(3号夹矸)138.0(8号夹矸)—文献[19]
图1 山西煤中锂异常矿区分布
Fig.1 Distribution of lithium anomaly deposits in Shanxi coal
1.2 煤中镓
镓是煤中分布较为广泛的一种稀散元素,被称为“电子工业的粮食”，是重要的战略金属。煤中镓含量为5～10 μg/g[20]，中国煤中镓的平均含量为6.55 μg/g[11]，其中C-P煤中镓的平均含量为17.9 μg/g[20]，华北地区煤中平均含量为12.57 μg/g[12]，而煤中镓含量大于30 μg/g时具有工业价值[21]。山西煤中镓的含量为0.6～57.0 μg/g，平均13.68 μg/g[22]，山西石炭二叠煤系地层中镓的高值点见表2。
从表2可以看出， 西山煤田古交矿区和西山矿区太原组和山西组夹矸中的镓含量均大于煤中镓的边界品位；宁武煤田平朔矿区煤层中镓异常较普遍，存在于山西组4号煤层及太原组11号煤层及部分9、10号煤层中。结合图2可以看出，山西煤系地层中镓异常含量较多存在于中北部地区，整体上山西组煤中镓含量大于太原组，显示沉积环境可能是影响煤中镓含量的一个重要因素[24]。
1.3 煤中铝
煤中铝资源主要分布在高铝煤与高铝煤矸石中。高铝煤指燃烧后的灰分中Al2O3含量大于35%的煤[9]，高铝煤矸石指Al2O3含量大于30%的煤矸石[25]。山西煤中铝的高值点见表3，可以看出，山西多地的石炭二叠纪煤层煤灰中Al2O3含量均大于30%，属于高铝煤。
表2 山西煤中镓含量与分布
Table 2 Content and distribution of gallium in Shanxi coal μg/g
分布区赋存层位山西组太原组数据来源西山煤田古交矿区39.17(2号夹矸)——63.75(8号夹矸)文献[16]文献[17]西山煤田西山矿区43.00(2号夹矸)40.00(3号夹矸)37.00(8号夹矸)—文献[19]宁武煤田平朔矿区36.11(4号煤层)35.70(4号煤层)——文献[13]文献[14]朔南矿区———32.35(9号煤层) 31.80(10号煤层)40.01(11号煤层)文献[8]文献[7]文献[23]沁水煤田阳泉矿区——30.20(9号煤层)文献[7]大同煤田大同矿区30.60～45.40(2号煤层)—文献[7]
从表3可知，山西中北部煤系地层煤中铝异常，且整体上北部煤中Al2O3含量大于南部；山西组煤中Al2O3含量高于太原组。研究表明[9]，大同煤田石炭-二叠纪煤中Al2O3含量高于侏罗纪煤。
图3为山西主要高铝煤矸石矿区Al2O3含量分布[25]，可以看出，山西高铝煤矸石主要分布在宁武煤田平朔矿区、河东煤田保偏矿区以及沁水煤田潞安矿区，山西北部地区煤矸石中Al2O3含量大于中部地区，南部潞安地区煤矸石中Al2O3含量最低，整体呈向南递减趋势，与高铝煤的分布相似。山西煤中铝异常矿区分布如图4所示。
图2 山西煤中镓异常矿区分布
Fig. 2 Distribution of gallium anomaly in Shanxi coal
表3 山西高铝煤的含量与分布
Table 3 Content and distribution of high alumina coal in Shanxi
分布区赋存层位地层煤层Al2O3含量/%数据来源宁武煤田平朔矿区太原组9号40.70大同煤田挖金湾矿太原组5号43.63大同煤田南阳坡矿太原组5号46.52文献[8]河东煤田贺西煤矿河东煤田高家塔井田太原组—25.91山西组—35.44太原组—35.77山西组—40.01文献[9]西山煤田马兰矿太原组8号38.48文献[17]
2 资源利用前景
2.1 锂、镓资源量估算
不同学者基于各自的计算方法对山西不同矿区煤中锂、镓资源量的计算见表4，可以看出，山西煤中锂主要存在于宁武煤田平朔矿区，镓分布较广(大同煤田、宁武煤田、西山煤田古交矿区及河东煤田离柳矿区和沁水煤田阳泉矿区)，西山煤田夹矸中也有少量锂和镓存在。
图3 山西主要高铝煤矸石矿区Al2O3含量[25]
Fig. 3 Al2O3 content in the main high-aluminum coal gangue mining area in Shanxi [25]
图4 山西煤中铝异常矿区分布
Fig.4 Distribution of anomalous mining areas in Shanxi coal
2.2 煤系铝资源量估算
孙玉壮[8]基于平朔矿区9号煤中Al2O3质量分数和灰分，估算其Al2O3的储量约为3.7亿t。朱华雄等[9]估算华北石炭二叠纪煤中可供工业开发利用的煤中铝资源量约19.5亿t。根据文献[25]，截至2012年，山西高铝煤矸石堆存量达2.9亿t，且每年以6 000万t的速度增加，可推算出目前山西高铝煤矸石中Al2O3资源量不少于2.67亿t。
表4 山西煤系锂、镓预测资源量
Table 4 Shanxi coal-based lithium and gallium forecast resources 105 t
分布区锂镓煤中锂夹矸中锂煤中镓夹矸中镓数据来源大同矿区——30.42—平朔矿区127.96—4.63—文献[8]古交矿区马兰矿区杜儿坪矿区离柳矿区阳泉矿区——————2.11～3.570.28～0.72——6.84——4.1512.25—0.29～0.460.10——文献[7]文献[26]文献[19]文献[7]文献[7]合计127.962.39～4.2958.290.39～0.56
2.3 工业指标
矿产工业指标指当前经济技术条件下，对原矿品质和开采条件提出的要求，主要包括边界品位和最低工业品位等。边界品位是对矿石中有用组分的最低要求，是区分矿石和围岩的最低品位界限[21]；最低工业品位是指在现行经济技术条件下，工业上能够盈利的最低品位[21]。煤中锂、镓、铝的工业指标见表5。
表5 煤中锂、镓、铝的边界品位与工业品位
Table 5 Grade and industrial grade boundaries of lithium,gallium,aluminum in coal
矿种边界品位工业品位数据来源煤中锂120—文献[27]煤中镓3050文献[1,28] —50文献[7]灰中镓110160文献[7,28]煤中铝Al2O3≥30%Al2O3≥35%Al2O3≥40%Al2O3≥40%文献[28]文献[9]
注：煤中锂、镓和灰中镓的边界品位和工业品位单位为μg/g。
根据《稀有金属矿产地质勘查规范》(DZ/T 0203—2002)，伴生氧化锂的综合回收指标Li2O含量≥0.2%，同时考虑煤层灰分和资源充分利用，孙玉壮等[27]建议煤中锂的回收利用的指标应为120 μg/g。秦勇等[7]根据统计数据，建议煤中镓的边界品位为30 μg/g，最低工业品位为50 μg/g，粉煤灰中镓的边界品位为110 μg/g,最低工业品位160 μg/g。代世峰等[1]综合考虑煤层厚度、煤的灰分产率，认为具有开发价值的煤中镓含量至少应为50 μg/g，同时煤灰分中Al2O3>50%。宁树正等[28]根据煤中铝、镓资源特征及资源条件影响权重，将Al2O3 含量30%作为粉煤灰中评价边界品位，40%作为工业品位， 30、50 μg/g作为煤中镓的分界特征，110、160 μg/g作为粉煤灰中镓的分界特征。依据《铝土矿、冶镁菱镁矿地质勘查规范》(DZ/T 0202—2002)，我国沉积岩铝土矿床的边界品位为Al2O3≥40%，朱华雄等[9]在分析华北石炭二叠煤中铝平均含量的基础上，建议将煤灰分中Al2O3≥35%为煤中铝的边界品位，Al2O3≥40%作为煤中铝的工业品位。从表1、2 可以看出，煤层夹矸中锂镓含量大于煤层中，说明煤层夹矸具有良好的锂、镓成矿前景。但截至目前，关于夹层夹矸中锂、镓的边界品位和最低工业品位的鲜见研究，制约了煤系夹矸中锂、镓的工业开发和利用。此外，鉴于不同地区煤中灰分差异较大，且煤中锂主要在电厂粉煤灰中提取，因此亟需对灰中锂的工业指标进行划定。
3 开发前景分析和建议
3.1 存在的问题
开发利用煤系铝资源可缓解国内铝土矿资源短缺的矛盾，增加铝资源有效供给，保障产业安全，促进铝产业的可持续发展。粉煤灰中提取氧化铝技术主要有酸法、碱法和碱烧结-酸浸出联合法[29]。酸法提铝在一定条件下具有铝溶出率高、残渣量少、成本低、能耗低等优点，但存在耗酸量大、对设备要求高等缺点，难以工业化应用。碱法工艺相对成熟,目前也有建成的工业生产线，但也存在硅钙渣产量大、能耗较高、成本高等问题，如目前较为成熟且建成投产的是采用预脱硅-碱石灰烧结法提取氧化铝，生产1 t氧化铝产生2.2 t硅钙渣[30]，制约了其工业化发展。碱焙烧-酸浸出联法有工艺复杂，目前仍处在试验探索阶段。煤矸石提取氧化铝需经高温煅烧、酸溶、水解、碱溶、酸化、焙烧等步骤，技术复杂，尚处于实验室探索阶段[25]。燕可洲等[31]采用盐酸酸浸法浸取山西潞安矿区煤矸石中的氧化铝，氧化铝的溶出率达62.4%以上，消纳1 000 kg煤矸石可得到131.6 kg氧化铝。
近年来，由粉煤灰、煤矸石生产氧化铝技术研究获得了一些进展，但总体还存在诸多不足。① 在技术层面，目前提取氧化铝的工艺仍存在成本高、固废产生量大、能耗高等缺点，特别是生产过程中“三废”的产生与排放，严重制约工业化运营。② 综合提取、协同利用的问题。目前大部分工艺仅限于粉煤灰中氧化铝的分离、提取与利用，未涉及粉煤灰中硅、铁及其他三稀元素，如锂、镓、稀土等的综合利用，粉煤灰、煤矸石的的综合利用效率较低。③ 国家政策倾斜和重视程度不够，缺乏税收和财政支持。粉煤灰作为重要的煤基工业固废，政府应加大财政补贴和税收优惠，以及加大科研投入和企业扶持力度，从而促进粉煤灰、煤矸石高资源化利用。
3.2 开发前景
燃煤发电作为煤炭的主要消耗方式，每年产生大量的粉煤灰。据统计，2015年全国电煤消耗量占全国煤炭消费量的46%[29]。按25%的平均灰分计算，每消耗1 t 煤即产生0.25 t粉煤灰，电厂粉煤灰已成为我国工业固废的最大单一排放源[1]。煤中锂、镓、铝赋存于煤的无机组分中，经燃烧后随有机质的挥发，在煤灰分中相对富集。作为煤系共伴生矿产，煤系锂、镓、铝资源不具备单独开采的条件，只能作为煤系共伴生矿产，在燃煤灰分中提取[32-34]。煤矸石做为煤矿开采的副产品，广泛产于煤矿巷道掘进、开采和煤炭分选中，产量与煤炭产量成正比，其排放量相当于煤炭产量的12% [35]。山西煤炭产量巨大，年煤炭产量占全国煤炭产量的1/4。2015年，山西全省排放煤矸石12 714万t、粉煤灰3 921万t，煤矸石综合利用率66.1%，粉煤灰综合利用率67.1%[36]，且以水泥、混凝土、墙体材料等建筑材料为主要途径。目前，山西堆存煤矸石9亿t、粉煤灰2.8亿t[36]。锂、镓属于战略性稀缺矿产，应用于新能源与航空工业中，是电子工业的基础。我国铝资源丰富，但近年来由于经济的快速发展，铝土矿进口量猛增，铝资源供应压力巨大。电厂高铝粉煤灰和高铝煤矸石作为潜在的铝资源，开发利用前景广阔。从电厂粉煤灰和高铝煤矸石中提取锂、镓、铝等金属矿产，不仅可消耗粉煤灰和煤矸石库存，实现粉煤灰、煤矸石的高值化利用，而且可增加国家锂、镓、铝的战略储备，同时减少和减轻因粉煤灰、煤矸石堆存产生的巨大土地压力和环境压力，前景巨大。
3.3 开发利用建议
电厂粉煤灰和煤矿煤矸石作为重要的煤基工业固废，其高值化利用对于山西煤炭行业走“减、优、绿”发展之路，建立绿色技术创新体系具有重要的现实意义，但长期以来粉煤灰和煤矸石被视为工业垃圾而非资源。针对这2种特殊的矿产资源，首先应改变对其的认识和定位，从煤基工业固废转为“矿产资源”，从“消耗式”利用转变为“节约式”利用，从明显的有害固废转变为具有潜在利用价值的宝贵资源；其次，要重视煤矸石和粉煤灰的梯级、分类分质利用。对煤矸石而言，将收到基低位发热量>6 270 kJ/kg的煤矸石用来发电；Al2O3含量(质量分数)>40%的煤矸石可用来提取含铝化工产品；高岭石含量(质量分数)>80%的煤矸石可用来制备高岭石；灰分
4 结 论
1)垂向上，太原组煤中锂含量大于山西组，铝、镓含量小于山西组，煤层夹矸中锂、镓含量大于煤层。横向上，山西宁武煤田平朔矿区山西组、太原组煤层，沁水煤田晋城矿区、霍西煤田霍州矿区、西山煤田古交矿区太原组主采煤层以及西山煤田夹矸中的锂含量超过目前煤中锂的工业指标，具有良好的煤系伴生锂矿成矿潜力；山西石炭二叠纪含煤地地层中镓和铝异常高值较普遍，广泛分布于山西省中北部地区，且整体上从北向南依次递减。
2)山西煤中锂主要存在于宁武煤田平朔矿区；煤中镓在大同煤田、宁武煤田、西山煤田古交矿区及河东煤田离柳矿区和沁水煤田阳泉矿区。西山煤田夹矸中存在锂、镓异常高值点；煤中铝主要存在于平朔矿区和大同煤层太原组地层中，山西高铝煤矸石中Al2O3资源储量巨大。
3)山西电厂粉煤灰和高铝煤矸石中锂、镓铝储量巨大，具有良好的工业开发前景，亟需对粉山西煤灰中锂和煤层夹矸中锂、镓的边界品位和最低工业品位进行划定，以实现资源的循环和高值化利用。
4)粉煤灰和煤矸石应定位为特殊的矿产资源，从源头做好顶层设计，因地制宜做好粉煤灰、煤矸石的梯级分质利用；在技术层面，应大力推广粉煤灰分选和粉磨技术，加大对高铝粉煤灰提取氧化铝、锂、镓项目的研发和投入；适度发展煤矸石等低热值煤电厂的建设，积极开展煤矸石、粉煤灰多元素、多组分梯级利用。
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Distribution characteristics and development and utilization prospect of lithium gallium aluminum in Shanxi coal system
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LIU Hanbin，MA Zhibin，GUO Yanxia,et al.Distribution characteristics and development and utilization prospect of lithium gallium aluminum in Shanxi coal system[J].Clean Coal Technology，2019，25(5):39-46.
