燃煤电厂中锂、镓、锗和铀的分布模式及资源评估——以中国西南贵州省为例

《Journal of Geochemical Exploration》：Distribution patterns and resource assessment of Li, Ga, Ge and U from coal-fired power plants: A case study of Guizhou Province, Southwest China

　　关键金属在燃烧飞灰中高度富集。煤灰中锂的含量超过参考阈值。锂、镓、铀和铝呈正相关关系，并具备同步回收潜力。贵州煤灰中锂、镓、锗、铀的潜在资源量介于88至6388吨/年之间。引言近年来，全球能源需求持续攀升，煤炭仍然是全球能源供应的主要组成部分（Di等，2022；Raza等，2025）。在中国，尽管煤炭在国家能源消费结构中的占比逐步下降，但2023年仍占55%，这一比例显著高于石油和天然气（《中国统计年鉴》编辑委员会，2025）。在所有终端用能领域中，电力行业是煤炭的最大消费部门，2022年消费量达到23.7亿吨，且煤炭需求仍在持续上升（《中国统计年鉴》编辑委员会，2025）。作为一种传统能源资源，煤炭不仅是一种重要的燃料，也是多种高价值元素的潜在载体。这些元素在煤中的富集与赋存通常受构造背景、古地理条件、沉积环境以及热液或地下水相关流体活动的控制（Wu等，2026；Wang等，2022；Zhao等，2026）。先前的研究表明，煤和含煤地层可以含有可观浓度的关键元素（Swaine，2013；Zhao等，2018）。例如，在内蒙古准噶尔盆地，煤中锂、镓和铀的浓度分别达到56.6 mg/kg、12.8 mg/kg和3.6 mg/kg（Lin等，2016）；而广西壮族**族自治区西南部的兴安煤田中锂显著富集，最高浓度可达3000 mg/kg（Zhang等，2024a）。锂、镓、锗和铀在煤系统中的地球化学行为各不相同。镓通常与无机矿物相关联，特别是硅铝酸盐矿物（Dai等，2018；Wu等，2024；Zhang等，2024b），而锂和铀可能富集于含硫相中，包括硫化物或黄铁矿相关的赋存位点。锗表现出双重亲和性，可根据地质条件赋存于有机质或硫化物相中（Dai等，2018；Li等，2014；Wu等，2024；Zhou等，2021）。这些元素对于推动经济发展、保障能源安全和支撑国防建设具有关键作用（Lin等，2018；Zhou等，2022）。其中，锂是动力电池和储能系统的原材料，尤其对于快速发展的新能源汽车产业而言至关重要（Leinonen和Pokki，2025）。然而，中国锂资源的供应长期以来高度依赖进口。从2017年到2021年，尽管中国约占全球锂消费量的50%，但其对外依存度超过70%，对资源安全和产业可持续性构成了潜在风险（Li等，2024；Zheng等，2022）。镓和锗在高科技产业中同样不可或缺，在半导体芯片、5G通信、红外探测等领域具有重要应用（Silwamba等，2025）。值得注意的是，锗与煤矿产出密切相关，例如内蒙古乌兰图的煤田中，锗含量可达820 mg/kg（Du等，2009）。此外，铀是核能的核心燃料，在清洁能源发展和国防相关技术中发挥着重要作用（Peluzo和Kraka，2022）。根据中国核工业集团和中国核能行业协会的报告（中国新闻网，2026；中国核能行业协会，2023），预计到2035年核电装机容量将达到1.5亿千瓦，并在2040年进一步增至2亿千瓦。因此，确保铀资源稳定、安全的供应变得越来越紧迫（Zhu，2025）。在全球能源转型和战略矿产资源竞争加剧的背景下，从煤和煤燃烧副产物中回收锂、镓、锗、铀等关键金属日益受到关注。这一途径为关键矿产供应提供了有前景的补充路径，兼具战略意义和商业潜力。作为有机沉积型矿产资源，煤炭具有储量丰富、分布广泛的特点。成煤有机质的性质以及相关的沉积环境赋予了煤炭良好的吸附和还原能力，在特定的地质条件下，可以促进锂、镓、锗、铀等关键金属的富集。由此，可能形成大型、超大型甚至特富集的煤型关键金属矿床（Dai等，2022；Di等，2022；Etschmann等，2017；Shao等，2018）。然而，直接从煤层中提取关键金属通常被认为在经济上不可行（Zhang等，2026b）。尽管富锂地层广泛分布于海相和陆相沉积序列中，但煤不能被视作常规的锂资源（Yang等，2025；Zhang等，2026a）。与之相对，锂、镓、锗和铀可能在煤炭燃烧过程中显著富集，这使得煤燃烧副产物成为这些关键金属独特而极具前景的载体。贵州省是中国西南部重要的煤炭产区，煤炭储量超过800亿吨，居全国第五位、华南第一位，是西南地区能源供应的核心枢纽（Zhou等，2020）。除储量丰富外，该地区的煤炭资源煤种多样、开采条件普遍良好。到2023年，贵州省原煤产量已达到1.5亿吨（贵州省统计局，2024）。煤炭产业不仅对支撑当地经济发展起到至关重要的作用，还通过"西电东送"工程为广东等地区提供了稳定的电力供应（Chen等，2023）。在丰富煤炭资源的支持下，贵州省火电装机容量已超过4000万千瓦（贵州省能源局，2024），年耗煤量超过7000万吨（贵州省统计局，2024）。然而，值得注意的是，贵州省生态环境厅报告指出飞灰产生量巨大，存在严重的堆放风险和综合利用率低下的问题（贵州省生态环境厅，2025；Konstantinov等，2024）。尽管已有几项研究探讨了贵州省部分煤矿中的关键金属（Li等，2017；Liu等，2021；Lu等，2023），但对其在煤炭燃烧产物中的赋存、迁移和富集行为关注有限。因此，本研究从贵州省14家具有代表性的燃煤电厂采集了原煤、炉底渣、飞灰、石灰石、脱硫石膏和烟气样本。本研究的目的是初步识别这些关键金属在贵州原煤中可能的赋存形态，并研究它们在不同炉型燃烧产物中的迁移和分配行为。先前的研究表明，半挥发元素更容易优先富集于飞灰中，而低挥发元素则倾向于在燃烧残渣中更均匀地分布（Clarke，1993）。因此，高温燃烧过程可能显著影响由原煤衍生而来的关键金属的挥发、再分配和富集。鉴于此，本研究聚焦于评估关键金属在各种燃烧副产物（如飞灰和炉底渣）中富集的潜力，并为从煤燃烧副产物中回收和综合利用关键金属的潜在资源量提供理论支持。章节摘要样本采集与制备贵州省是中国最重要的煤炭产区之一，其煤炭资源主要分布在省域的中西部和北部。为体现这一地理特征，本研究根据炉型和大气污染控制装置（APCDs）的配置，在这些主要产煤和耗煤地区选取了14家电厂（图1）。每家电厂主要燃烧由其附近煤矿供应的煤炭。该……原煤品质与四种关键元素基于对贵州省14家典型电厂原煤样本的分析（表2），这些电厂所用煤炭总体特征为高灰分、中高硫分、中发热量和中高挥发分。灰分介于29.92%至45.73%之间，平均值为37.63 ± 5.60%，根据翟和Li（1994）的分类标准，这些原煤可归类为高灰分煤。这一特征具有重要意义，因为高灰分……结论本研究调查了中国贵州省14家代表性燃煤电厂采集的原煤、炉底渣、飞灰、脱硫石膏和烟气样本，并就四种关键金属元素的赋存形态、燃烧迁移行为以及理论储量的估计提供了初步发现。原煤的总体特征为中高灰分、中高硫分和中发热量。……作者贡献声明Kao Tian：起草原稿、可视化、软件。Qingfeng Wang：审阅与编辑、方法学、调查、资金支持获取。Tianrong He：审阅与编辑、监督。Zhonggen Li：审阅与编辑、监督、资源、调查、资金支持获取、概念化。未被引用的参考文献Roy等，2025利益冲突声明作者声明他们没有已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究由中国自然科学基金（编号：42367029、22266038）和贵州省科技厅基础研究计划重点项目（编号：黔科合支撑[2023]中点054）提供资金支持。Kao Tian | Qingfeng Wang | Tianrong He | Zhonggen Li