煤及其燃烧产物中稀土元素的地球化学特征

摘要

论文首先基于数理统计方法归纳总结了华北、华南部分地区石炭-二叠纪煤中 REE在不同沉积环境下的分布特征，在此基础上，以华南贵州无烟煤和华北徐州气煤为研究对象，通过酸处理分离出煤有机组分，同时使用马弗炉燃烧和电厂采样获取煤的无机燃烧产物，再通过磁选方法获得燃烧产物中的磁性矿物；使用红外光谱、X射线衍射、X射线荧光光谱、电感耦合等离子质谱、环境磁学和电子探针等研究手段，分析煤有机组分和燃烧产物的化学组成、稀土元素含量及磁学参数，以揭示不同沉积环境煤中稀土元素的地球化学特征，阐明煤在燃烧过程中稀土元素的迁移特征及磁学响应。取得如下主要成果和创新性认识：
　　(1)探明华北和华南地区石炭-二叠纪不同沉积环境煤中REE的分布规律
　　同一地区不同沉积环境下的煤中REE分布特征整体相似，不同地区相同沉积环境下REE分布特征各具差异。接近陆相沉积环境，煤中REE总含量就越高;越接近海相沉积环境，煤中轻、重稀土元素分馏就越大，E u元素的亏损程度会增强，C e的富集程度相对降低，直至亏损。煤中REE分布形态主要受控于陆源物质，岩浆活动会造成煤中REE相对富集，轻、重稀土元素分馏程度变髙。
　　(2)揭示了煤及其有机组分中REE的地球化学差异性特征
　　在成煤阶段，煤中有机和无机组分均继承了物源中REE赋存特征，但无机组分比有机组分更容易受水体环境的影响。煤样经过酸处理后，无机矿物被溶蚀而有机质基团基本未被破坏，且 REE的有机复合物稳定性较高，酸处理后有机组分中REE得以保留，其分布特征与有机基团种类和相对含量有关，表现为含碳基团较含氢基团越多，轻、重稀土元素分馏程度越明显。煤中有机和无机组分的含量差异是煤样经过酸处理后REE分布差异的主要原因。
　　(3)探索了原煤及其燃烧产物中REE迁移分配特征
　　燃煤产物基本保留了原煤中REE的分布特征，均为左髙右低的Eu元素负异常的宽缓“V”型曲线，其 R E E富集程度远高于原煤，燃煤产物的底灰中REE富集程度和轻、重稀土元素分馏程度均相对大于飞灰。
　　原煤中REE向灰分中迁移富集情况各异：原煤中硅酸盐矿物细颗粒比重越大，逸散率越髙，燃煤产物底灰中轻、重稀土元素分馏程度则越低；原煤中硅酸盐矿物含量及其细颗粒比重越大，燃煤产物中无水石膏、方解石等矿物含量相对就越高，随着燃烧温度升高（700℃—800℃)，飞灰中细颗粒及细颗粒中Si、Fe、S和P等主量元素含量增加；底灰中无水石膏等矿物含量相对降低，硅铝酸盐矿物含量相对升高，R E E相对富集。
　　(4)揭示了燃煤产物中磁性矿物与REE的响应关系
　　燃煤产物中的磁性矿物并非以颗粒分散状态出现，而是与玻璃质矿物相胶结。磁性矿物在燃烧温度较低的底灰中形状不规则，在髙温飞灰中则显示为磁珠状。受“镧系收缩”效应影响，燃煤产物中REE与其低频磁化率奴的相关系数随REE的正三价离子半径减小而增大。
　　随着燃烧温度的升高（700℃—800℃)，控温燃煤产物中F e元素的逸散率增加，由于Fe元素与REE呈正相关关系，其中与HREE的相关性系数较髙，Fe元素的逸散造成了底灰的磁性矿物中HREE含量的相对亏损；三价REE可以置换磁性矿物中的二价Fe，在磁性矿物中R E E含量与二价F e含量变化相反，随着温度的升髙（700℃—>1500℃),三价Fe离子含量降低，二价Fe离子含量升髙，磁性矿物中REE含量相对降低，其中HREE较原灰分尤其亏损。

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