CN114527255A - 一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，适用于煤地质与地球化学领域。煤中含有丰富的元素，取元素含量较高的低阶煤，借助高温模拟实验系统对低阶煤进行不同温度条件下的模拟实验，取模拟前、后煤样分别进行主量元素和痕量元素含量测试，计算各元素迁移率，建立元素迁移率随温度变化的关联模型，并对元素迁移进行预测。本发明通过高温模拟实验还原煤的演化过程，可量化评估元素在煤级演化过程中的迁移，步骤简单明确，评价结果可靠，该方案可用于指导煤中关键战略元素的勘探和有害元素的治理，对煤中元素迁移富集规律的研究具有重大的理论和实践意义。
Description
技术领域
本发明属于煤地质与地球化学领域，具体涉及一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法。
背景技术
煤不仅是一种重要的能源矿产，还是许多战略元素赋存的场所。近年来，越来越多的研究表明，煤中富集的锂、镓、锗、铀等战略金属储量巨大，且具备工业开发的价值。此外，煤中还可能富集砷、氟、硫等有害元素，这些有害元素在煤炭开发利用过程中进入大气或水体后，会严重影响人们的健康和生活。基于此，对煤中元素赋存和迁移进行研究、开发成为当前国际煤地质领域的研究热点之一，此研究有助于煤炭资源更为高效、合理、洁净的利用。
目前，我国已经在内蒙古乌兰图嘎煤和云南临沧煤中发现了超大型富锗矿床，在内蒙古准格尔煤中发现了超大型富锂和镓的矿床，在新疆伊犁煤中发现了富铀矿床。由此可知，对煤中元素迁移富集规律的研究将具有重大理论和实践意义。
中国专利CN11474082A公开了一种煤中元素迁移规律的研究装置，煤或者煤矸石可在反应箱中按照特定PH值、特定温度、以及特定时间进行反应，之后通过对固体样品中微量元素含量的检测，可以分析各微量元素在煤或者煤矸石中的迁移速率；虽然该装置可以对煤中痕量元素在酸、碱性环境中的迁移开展模拟实验，但其不涉及煤级高温演化过程中元素变化方面的应用，未公开煤在高温和流体影响下发生煤级跃迁过程中元素迁移率的定量评价方法。而煤与其他岩石的典型不同之处在于，煤在沉积过程中随温度增大，煤级会发生演化，这在很大程度上会影响煤中元素的迁移和富集。然而，煤在地质历史时期的演化过程以百万年为单位，现实中难以对这一过程进行有效研究。因此，基于时间-温度补偿原则，提出一种基于高温物理模拟的元素迁移定量评价方法很有必要。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题提供一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，在高温模拟实验的基础上，结合各种现代测试手段，可定量计算主量元素和痕量元素在不同温度下煤级演化过程中的迁移率，并可利用元素迁移率与温度的拟合曲线预测拟合温度范围内元素在特定温度下的迁移率。
本发明的技术方案为：一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，主要包括以下步骤：
步骤一、收集国内各煤矿区煤地质、煤地球化学测试资料，统计各煤矿区主采煤层的主量元素和痕量元素含量，以低阶煤矿区为高温模拟实验区；
步骤二、从选定的低阶煤矿区采集10个以上煤块，用碎煤机将采集的所有煤块粉碎并混合均匀，筛选样品并取4-10目的粗大颗粒待用；
步骤三、随机取适量粗大颗粒并均分为2*n等份，随机选择其中的n份煤样标记为A系列，另外的n份标记为B系列，其中，n为不小于3的自然数；
步骤四、烘干n份A系列煤样，分别标号为A1、A2、…、An，将这n份煤样分别置于高温反应釜中，用真空机抽真空至-0.1MPa，向A1、A2、…、An这n份煤样中分别加入等量去离子水，以恒定的升温速率将这n份煤样在高温反应釜中分别升温至T1、T2、…、Tn后稳定48小时，分别收集这n份高温反应后的煤样，新的煤样标记为C系列，对应标号为C1、C2、…、Cn；
步骤五、将n份B系列煤样标号为B1、B2、…、Bn，测试B系列煤样中数种元素的含量，获取不同煤样中各种元素含量的数据集，分别记录为B1(x1,x2,…,xz)，B2(x1,x2,…,xz)，…Bn(x1,x2,…,xz)，其中，x1、x2、…、xz对应z种不同元素各自的含量，计算各个元素含量的平均值，分别记为
记录为数据集即为
步骤六、用与步骤五相同的方法测试C系列煤样中数种元素的含量，C系列煤样中各种元素含量的数据集被记录为C1(y1,y2,…,yz)，C2(y1,y2,…,yz)，…Cn(y1,y2,…,yz)，其中，y1、y2、…、yz对应高温反应后z种元素各自的含量；x1、x2、…、xz与y1、y2、…、yz代表的元素种类一一对应；
步骤七、T1、T2、…、Tn温度影响下各种元素迁移率的数据集被依次记录为M1(z1,z2,…,zz)，M2(z1,z2,…,zz)，…Mn(z1,z2,…,zz)，其中，z1、z2、…、zz表示z种元素各自的迁移率，x1、x2、…、xz与z1、z2、…、zz代表的元素种类一一对应；
量化关系式为
用该式依次计算T1、T2、…、Tn温度下对应的迁移率M1，M2，…，Mn，拟合得到各种元素随温度变化的关系式，根据关系式预测拟合温度范围内元素在特定温度下的迁移率。
进一步地，步骤一中选定的低煤阶矿区煤层中部分元素含量应大于中国煤中对应元素含量均值的5倍。
进一步地，步骤二中采集的煤块应分别取自煤层垂向的上、中、下部位及实验区平面的不同区域，确保采集的煤块中元素的含量能反映整个实验区煤层的平均水平，单个煤块质量控制在5±0.2千克。
进一步地，步骤四中高温模拟设定的温度范围T1，T2，…，Tn基于温度-时间补偿原则确定，T1＜T2＜…＜Tn，最高温度Tn需保证煤样可被反应至超无烟煤，现有相关研究表明，若要将低煤级煤高温反应至超无烟煤，温度大致需要稳定在700℃以上。
进一步地，步骤四中去离子水的加注量根据煤层本身含水饱和度的大小计算确定，煤层本身含水饱和度的确定方法为：取步骤二中粒径4-10目的粗大颗粒50克，记为S1，将S1置于烘箱中，在80℃条件下烘干24小时，称其干重记为S2，将S2置于真空加压饱和水装置中24小时，称其饱和重记为S3，则煤层本身含水饱和度Sw＝(S1-S2)/(S3-S2)*100％；去离子水的加注量记为w，煤样的质量记为Mc，则去离子水加注量为w＝Sw*Mc/(1-Sw)。
进一步地，测试步骤五中B系列煤样和步骤六中C系列煤样中数种元素的含量时采用了包括X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、垂直电极-发射光谱法、氢化物发生-原子荧光光谱法、冷蒸气-原子荧光光谱法在内的测试手段。
进一步地，根据温度控制的需要，可以选配不同温度控制范围的高温模拟实验装置还原煤级演化过程。
进一步地，测试的煤样中的数种元素包括主量元素和痕量元素，主量元素包括Al、Si、S、Ca、Fe、Ti、P、Na、Mg、K和Mn，痕量元素包括As、Hg、F、Se、Ge、B、U、Th、Bi、Pb、Tl、W、Ta、Hf、Ba、Cs、In、Cd、Mo、Nb、Zr、Sr、Rb、Ga、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Sc、Be、Li、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Tb、Gd、Eu、Sm、Nd、Pr、Ce、La和Y。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1.本申请提出的定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法考虑到高温模拟条件下煤级演化对元素迁移的影响，可以还原煤在实际地质过程中的演化过程，可以用于指导煤中关键战略元素的勘探和有害元素的治理，对煤中元素迁移富集规律的研究具有重大的理论和实践意义；
2.本申请公开的高温模拟过程中元素迁移率的定量评价方法可利用高温模拟实验装置还原煤级演化过程，通过设定梯度的反应温度，将富含主量、痕量元素的低煤级煤反应为不同煤级的煤，在此基础上测试主量、痕量元素在高温模拟前后的变化，计算各种元素的迁移率；与以往高温模拟实验装置主要用于模拟高温影响下烃源岩生烃量的变化不同，本发明首次将高温模拟实验装置与元素研究相结合，开创了新的应用场景，拓宽了实际应用范围。
附图说明
图1是一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法的技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例一：一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法
步骤一：收集国内各煤矿区煤地质、煤地球化学测试资料，统计各煤矿区主采煤层的主量元素和痕量元素含量，以低阶煤矿区为高温模拟实验区，高温模拟研究区须具有煤层中部分元素含量大于中国煤中对应元素含量均值5倍的特征；
步骤二：从选定的低阶煤矿区采集12个煤块，采集的煤块分别取自煤层垂向的上、中、下部位及实验区平面的不同区域，确保采集的煤块中元素的含量能反映整个实验区煤层的平均水平，单个煤块质量控制在5千克左右，偏差不超过0.2千克，用碎煤机将采集的所有煤块粉碎并混合均匀，筛选样品并取4-10目的粗大颗粒待用；
步骤三：随机取7000克粗大颗粒，均分为2*7等份，每份500克，随机取其中的7份煤样标记为A系列，另外的7份标记为B系列；
步骤四：将n份A系列煤样置于烘干箱中于80℃条件下烘干24小时，分别标号为A1、A2、…、A7，将这七份煤样分别置于高温反应釜中，用真空机抽真空至-0.1MPa，向A1、A2、…、A7这七份煤样中分别加入等量去离子水，去离子水加注量为100毫升，以V1＝2℃/min的恒定升温速率分别将A1、A2、…、A7这七份煤样在高温反应釜中升温至100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃后稳定48小时，700℃条件下煤样可被反应至超无烟煤；分别收集这七份高温反应后的煤样，煤样标记为C系列，对应标号为C1、C2、…、C7；
步骤五：将7份B系列煤样分别标号为B1、B2、…、B7，利用X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、垂直电极-发射光谱法、氢化物发生-原子荧光光谱法、冷蒸气-原子荧光光谱法等现代测试手段测试B系列煤样中元素的含量，获取不同煤样中各种元素含量的数据集，分别记录为B1(x1,x2,…,x59)，B2(x1,x2,…,x59)，…B7(x1,x2,…,x59)，其中，x1、x2、…、x59对应59种不同主量、痕量元素的含量，其中主量元素为Al、Si、S、Ca、Fe、Ti、P、Na、Mg、K和Mn，痕量元素为As、Hg、F、Se、Ge、B、U、Th、Bi、Pb、Tl、W、Ta、Hf、Ba、Cs、In、Cd、Mo、Nb、Zr、Sr、Rb、Ga、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Sc、Be、Li、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Tb、Gd、Eu、Sm、Nd、Pr、Ce、La和Y，计算各个元素含量的平均值，分别记为
记录为数据集即为
步骤六：用与步骤五相同的方法测试C系列煤样中元素的含量，C系列煤样中各种元素含量的数据集被记录为C1(y1,y2,…,y59)，C2(y1,y2,…,y59)，…C7(y1,y2,…,y59)，其中，y1、y2、…、y59为高温反应后对应59种不同主量、痕量元素的含量,x1、x2、…、xz与y1、y2、…、yz代表的元素种类一一对应；
步骤七：100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃这七个温度条件影响下各种元素的迁移率数据集分别记为M1(z1,z2,…,z59)，M2(z1,z2,…,z59)，M3(z1,z2,…,z59)，M4(z1,z2,…,z59)，M5(z1,z2,…,z59)，M6(z1,z2,…,z59)和M7(z1,z2,…,z59)，其中，z1、z2、…、z59为高温反应后对应59种不同主量、痕量元素的迁移率,x1、x2、…、xz与z1、z2、…、zz代表的元素种类一一对应；
以300℃这一温度条件为例，量化关系式为
用该式依次计算100℃，200℃，400℃，500℃，600℃和700℃条件下对应的迁移率M1，M2，M4，M5，M6和M7，拟合得到各种元素随温度变化的量化关系式，根据所得的量化关系式即可预测拟合温度范围内元素在特定温度下的迁移率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、收集国内各煤矿区煤地质、煤地球化学测试资料，统计各煤矿区主采煤层的主量元素和痕量元素含量，以低阶煤矿区为高温模拟实验区；
步骤二、从选定的低阶煤矿区采集10个以上煤块，用碎煤机将采集的所有煤块粉碎并混合均匀，筛选样品并取4-10目的粗大颗粒待用；
步骤三、随机取适量粗大颗粒并均分为2*n等份，随机选择其中的n份煤样标记为A系列，另外的n份标记为B系列，其中，n为不小于3的自然数；
步骤四、烘干n份A系列煤样，分别标号为A1、A2、…、An，将这n份煤样分别置于高温反应釜中，用真空机抽真空至-0.1MPa，向A1、A2、…、An这n份煤样中分别加入等量去离子水，以恒定的升温速率将这n份煤样在高温反应釜中分别对应升温至T1、T2、…、Tn后稳定48小时，分别收集这n份高温反应后的煤样，煤样标记为C系列，对应标号为C1、C2、…、Cn；
步骤五、将n份B系列煤样标号为B1、B2、…、Bn，测试B系列煤样中数种元素的含量，获取不同煤样中各种元素含量的数据集，分别记录为B1(x1,x2,…,xz)，B2(x1,x2,…,xz)，…Bn(x1,x2,…,xz)，其中，x1、x2、…、xz对应z种不同元素各自的含量，计算各个元素含量的平均值，分别记为
记录为数据集即为
步骤六、用与步骤五相同的方法测试C系列煤样中数种元素的含量，C系列煤样中各种元素含量的数据集被记录为C1(y1,y2,…,yz)，C2(y1,y2,…,yz)，…Cn(y1,y2,…,yz)，其中，y1、y2、…、yz对应高温反应后z种元素各自的含量；x1、x2、…、xz与y1、y2、…、yz代表的元素种类一一对应；
步骤七、T1、T2、…、Tn温度影响下各种元素迁移率的数据集被依次记录为M1(z1,z2,…,zz)，M2(z1,z2,…,zz)，…Mn(z1,z2,…,zz)，其中，z1、z2、…、zz表示不同元素的迁移率，x1、x2、…、xz与z1、z2、…、zz代表的元素种类一一对应；
量化关系式为
用该式依次计算T1、T2、…、Tn温度下对应的迁移率M1，M2，…，Mn，拟合得到各种元素随温度变化的关系式，根据关系式预测拟合温度范围内元素在特定温度下的迁移率。
2.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，步骤一中选定的低煤阶矿区煤层中部分元素含量大于中国煤中对应元素含量均值的5倍。
3.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，步骤二中采集的煤块分别取自煤层垂向的上、中、下部位及实验区平面的不同区域，单个煤块质量控制在5±0.2千克。
4.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，步骤四中高温模拟设定的温度范围T1、T2、…、Tn基于温度-时间补偿原则确定，T1＜T2＜…＜Tn，最高温度Tn需保证煤样可被反应至超无烟煤。
5.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，步骤四中去离子水的加注量根据煤层本身含水饱和度的大小计算确定，其中，煤层本身含水饱和度的确定方法为：取步骤二中粒径4-10目的粗大颗粒50克，记为S1，将S1置于烘箱中，在80℃条件下烘干24小时，称其干重记为S2，将S2置于真空加压饱和水装置中24小时，称其饱和重记为S3，则煤层本身含水饱和度Sw＝(S1-S2)/(S3-S2)*100％；去离子水的加注量记为w，煤样的质量记为Mc，则去离子水加注量为w＝Sw*Mc/(1-Sw)。
6.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，步骤五中测试B系列煤样中数种元素的含量时采用了包括X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、垂直电极-发射光谱法、氢化物发生-原子荧光光谱法、冷蒸气-原子荧光光谱法在内的测试手段。
7.根据权利要求1所述的一种定量评价高温模拟过程中煤中元素迁移率的方法，其特征在于，测试的煤样中的数种元素包括主量元素和痕量元素，主量元素包括Al、Si、S、Ca、Fe、Ti、P、Na、Mg、K和Mn，痕量元素包括As、Hg、F、Se、Ge、B、U、Th、Bi、Pb、Tl、W、Ta、Hf、Ba、Cs、In、Cd、Mo、Nb、Zr、Sr、Rb、Ga、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Sc、Be、Li、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Tb、Gd、Eu、Sm、Nd、Pr、Ce、La和Y。
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