我國(guó)煤系共伴生礦物資源及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

張利珍，呂子虎，譚秀民，張秀峰

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國(guó)家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006)

煤炭是我國(guó)的主體能源，資源儲(chǔ)量1900億t，占中國(guó)已探明礦物能源資源儲(chǔ)量的95.56%，在中國(guó)的一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%左右[1-2]。我國(guó)煤系地層分布廣、厚度大，多數(shù)煤系地層不僅賦存大量的煤炭資源，還共伴生有豐富的非金屬礦產(chǎn)和一些有益元素，而且不少共伴生礦產(chǎn)儲(chǔ)量大、品位高、可開(kāi)采價(jià)值高。然而由于各種原因，我國(guó)對(duì)這些資源的開(kāi)發(fā)利用程度不高。因此，充分發(fā)揮煤系共伴生礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)，加大加快共伴生礦物的開(kāi)采、加工、利用和科研的投入，結(jié)合礦區(qū)資源特點(diǎn)，研發(fā)不同特色的產(chǎn)品，提高其深加工綜合利用水平，對(duì)我國(guó)今后國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展將發(fā)揮巨大作用。

1 煤系共伴生礦物資源及其綜合利用

我國(guó)煤系共伴生礦物資源豐富、礦種齊全、分布面廣、潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，主要礦種有高嶺土、膨潤(rùn)土、耐火黏土、石膏、硫鐵礦、油頁(yè)巖、硅藻土、石灰石、石墨、天然焦等[3-4]。這些資源的合理開(kāi)發(fā)與綜合利用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1.1 高嶺土

煤系高嶺土是一種極為寶貴的黏土類非金屬礦產(chǎn)資源，在煤礦床地層中蘊(yùn)藏極其豐富，質(zhì)的優(yōu)良，便于開(kāi)采。全國(guó)煤系高嶺土資源總量為497.09億t，探明儲(chǔ)量28.39億t，預(yù)測(cè)可靠?jī)?chǔ)量為151.20億t[5]。煤系高嶺土的開(kāi)發(fā)利用具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，目前主要用來(lái)生產(chǎn)造紙、超細(xì)煅燒高嶺土、水玻璃、白碳黑、耐火材料、合成4A沸石等[6-7]。但煤系高嶺土的開(kāi)發(fā)利用仍存在生產(chǎn)技術(shù)、工藝及設(shè)備等方面的難題，亟需加強(qiáng)煤系高嶺土綜合利用基礎(chǔ)研究。

1.2 耐火黏土

我國(guó)煤系黏土礦資源豐富，規(guī)模大、層位穩(wěn)定、品位高，探明儲(chǔ)量17億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量56億t，估測(cè)總儲(chǔ)量112億t，主要分布于山西、河南、河北、山東、貴州等省[8]。但我國(guó)耐火黏土礦床的開(kāi)采裝備水平較低，選礦技術(shù)應(yīng)用推廣力度不夠，煅燒工藝技術(shù)落后，遠(yuǎn)落后于國(guó)外同類礦山。為更好地發(fā)展我國(guó)耐火材料工業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煤系耐火黏土資源特點(diǎn)的研究，針對(duì)其特性開(kāi)發(fā)有中國(guó)特色的高效、節(jié)能、環(huán)保的耐火產(chǎn)品，提高產(chǎn)品附加值， 提高耐火黏土礦資源綜合利用水平。

1.3 膨潤(rùn)土

我國(guó)煤系膨潤(rùn)土探明儲(chǔ)量8.88億t，其中鈉基膨潤(rùn)土儲(chǔ)量5億t以上，具有儲(chǔ)量大、品位高的特點(diǎn)[5]。雖然我國(guó)具有膨潤(rùn)土礦的優(yōu)勢(shì)資源條件，但加工技術(shù)較落后，目前主要用于制備鉆井泥漿、鐵礦球團(tuán)、鑄造型砂等，深加工產(chǎn)品較少。為推動(dòng)膨潤(rùn)土開(kāi)發(fā)利用的快速發(fā)展，應(yīng)積極推廣選礦提純技術(shù)，研究新的改性工藝及設(shè)備、活化方法等，研發(fā)柱撐蒙脫石、納米復(fù)合材料、鋰基蒙脫石快離子導(dǎo)體和鋰基膨潤(rùn)土等高、精、尖膨潤(rùn)土產(chǎn)品，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

1.4 硅藻土

我國(guó)煤系硅藻土探明儲(chǔ)量1.9億t，占總探明儲(chǔ)量的71%[9]，礦床分布比較集中，埋藏淺，開(kāi)采成本低，是一種理想的硅源。目前主要用于生產(chǎn)低檔的保溫材料、輕質(zhì)建材和化工催化劑載體等。為加強(qiáng)硅藻土的綜合利用，應(yīng)依據(jù)礦床成因類型、礦石質(zhì)量及其它一些物理化學(xué)性質(zhì)，研究其選礦提純工藝及深加工技術(shù)并推廣，開(kāi)發(fā)硅藻土微孔玻璃、細(xì)菌酵母載體和功能性填充劑等高附加值產(chǎn)品。

1.5 石墨

我國(guó)煤系共伴生石墨已探明儲(chǔ)量5000萬(wàn)t以上，礦床規(guī)模大，成礦地質(zhì)條件好，品位高，卻一直未得到應(yīng)有的重視[5]。目前我國(guó)煤系石墨開(kāi)發(fā)利用程度低，采煤時(shí)采出的石墨原礦被當(dāng)作矸石遺棄，或者當(dāng)成煤燒掉，不僅浪費(fèi)資源且污染環(huán)境，更喪失了開(kāi)展綜合利用的良好資源條件。石墨由于特殊的地質(zhì)成因和性質(zhì)，一直是軍工和現(xiàn)代工業(yè)及高新技術(shù)發(fā)展中不可或缺的重要戰(zhàn)略資源，應(yīng)高度重視石墨資源的合理開(kāi)發(fā)與利用，發(fā)展石墨精加工及深加工產(chǎn)品，如彩電顯像管石墨乳、制造工業(yè)用人造金剛石、電碳制品等，并盡快將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1.6 硫鐵礦

我國(guó)煤系伴生硫鐵礦資源十分豐富，保有儲(chǔ)量約16億t，占全國(guó)硫鐵礦資源的50%以上[10]。這類硫鐵礦含碳量高，選別精礦碳含量易超標(biāo)，不利于制酸，難以利用，最終多以矸石形式排放，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源。廖舟等[11]對(duì)云南某煤系硫鐵礦進(jìn)行硫鐵礦選礦、硫酸渣制備鐵精礦的新工藝研究，取得較理想結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了難選煤系硫鐵礦中硫、鐵資源的綜合利用。

2 煤系伴生有益元素及其綜合回收

我國(guó)煤系地層不僅賦存豐富的非金屬礦產(chǎn)，還伴生有鍺、釩、鎵、鉬、釹、鎳、鈦、銀、鈾等有益元素[3-4]，這些元素是高科技領(lǐng)域的重要原料和戰(zhàn)略資源，其回收利用具有重要意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.1 鍺

鍺屬典型的稀散元素，具有良好的半導(dǎo)體性能，廣泛用于光電、通訊、航空航天和現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)等高科技領(lǐng)域。我國(guó)煤中鍺礦主要有云南滇西褐煤礦區(qū)(儲(chǔ)量2177t)、內(nèi)蒙古錫林郭勒盟勝利煤田鍺礦(儲(chǔ)量1919t)以及呼倫貝爾盟伊敏煤田鍺礦等[12]。煤中鍺的含量達(dá)20g/t，可從煤灰或煙塵中提取回收。國(guó)內(nèi)提取煤中鍺的傳統(tǒng)方法是燃燒褐煤，硫酸浸出煙塵回收鍺，燃燒產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電，該法煤燃燒時(shí)鍺的損失高，回收率低，所以學(xué)者研究了含鍺煤提鍺新工藝。如馮林永等[13]采用高溫干餾和重液洗選相結(jié)合的方法，成功地提取了褐煤中的鍺并獲得了優(yōu)質(zhì)的冶金焦炭；朱云等[14]采用微生物法浸出煤中鍺，具有鍺回收率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 鎵

鎵主要用于半導(dǎo)體行業(yè)，由于極度分散性在自然界沒(méi)有獨(dú)立礦床，但通常共生于煤系黏土層中，煤中鎵品位達(dá)30g/t，即可進(jìn)行綜合利用。國(guó)家19個(gè)首批煤炭規(guī)劃礦區(qū)估算煤中鎵資源總量為102.85萬(wàn)t，其中，鎵富礦資源量6.75萬(wàn)t[15]。目前，國(guó)內(nèi)外主要是從煤灰和煤矸石中提取鎵，英國(guó)某公司采用還原熔煉—萃取法及堿熔—碳酸化法已成功從粉煤灰中提取了金屬鎵，何佳振等采用焚燒—酸浸工藝從粉煤灰中提鎵[16]；而富鎵煤矸石主要采用高溫煅燒浸出和低溫酸性浸出兩種工藝[17]。

2.3 鈾

鈾主要應(yīng)用于現(xiàn)代原子能工業(yè)，煤伴生鈾礦是我國(guó)鈾地質(zhì)儲(chǔ)量中的一種新型鈾礦資源，但地質(zhì)條件復(fù)雜，具有“小、貧、散”的特點(diǎn)，采、選、冶難度大。美國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)煤層中含有鈾并進(jìn)行開(kāi)采與冶煉的國(guó)家，我國(guó)自20世紀(jì)60年代初對(duì)煤型鈾礦的開(kāi)采和冶煉進(jìn)行科技攻關(guān)，歷經(jīng)艱苦，已成功開(kāi)采了多個(gè)煤型鈾礦床[18]。煤型鈾礦作為一種雙重能源，其水冶過(guò)程具有發(fā)電、供熱、回收鈾金屬三種功能。多功能煤型鈾礦的綜合開(kāi)發(fā)利用，要加強(qiáng)提高鈾資源回收率的采礦方法研究及選礦分離與富集，亟需研究生物浸出提鈾技術(shù)、離子交換提鈾工藝、無(wú)廢水技術(shù)，浸出液的直接氫氟化及氟化技術(shù)等。煤型鈾礦的合理開(kāi)采和綜合利用，對(duì)于緩解我國(guó)天然鈾供需矛盾具有重要意義。

2.4 釩

含釩石煤是我國(guó)特有的一種新型釩礦資源，資源儲(chǔ)量近2億tV2O5，其中浙江、安徽、江西、湖北、湖南、廣西、貴州、陜西等8個(gè)省蘊(yùn)藏了1.18億t的石煤釩，是釩鈦磁鐵礦中釩總儲(chǔ)量的7倍[19]。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的石煤提釩工藝多為鈉化焙燒法，工藝流程簡(jiǎn)單、成本低，但回收率低、污染嚴(yán)重；針對(duì)此問(wèn)題，又研究了無(wú)鹽焙燒和鈣鹽焙燒，但適應(yīng)性較差。因此，空白焙燒-堿浸[20]，氧壓酸浸[21]，氧化焙燒-酸浸[22]，原礦焙燒-加壓堿浸[23]，原礦造球焙燒-酸浸[19]等清潔型提釩工藝已是我國(guó)石煤提釩研究的熱點(diǎn)。但是石煤提釩受原料特性影響很大，目前還沒(méi)有一種通用的工藝流程。因此，亟需研發(fā)新型低耗環(huán)保高回收率適應(yīng)性強(qiáng)的提釩工藝。

此外，煤還伴生有具極高利用價(jià)值的油頁(yè)巖、石膏礦、天然焦、石英砂巖等礦物，琥珀、褐煤臘、腐植酸等重要的工業(yè)原材料及豐富的鉬、釹、鎳等元素，都具有較高的綜合利用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)和綜合利用是當(dāng)前我國(guó)的一項(xiàng)重大的戰(zhàn)略方針，加強(qiáng)煤系共伴生礦物資源的綜合開(kāi)發(fā)利用，不僅可以充分利用和有效保護(hù)礦產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也有利于保護(hù)環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。充分發(fā)揮我國(guó)煤系共伴生礦資源優(yōu)勢(shì)，同引進(jìn)外資、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，發(fā)展深加工，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，擴(kuò)大新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)從資源優(yōu)勢(shì)向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)統(tǒng)一。

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