商都縣鑫垚鉀業公司董事長薛永庫(右)帶領馬鴻文(中)團隊成員考察商都鉀長石資源(劉昶江攝)
圖1 中國鉀肥的歷年產量、進口量和對外依存度
圖2 中國富鉀巖石分布圖
2015世界鉀鹽鉀肥大會于去年7月9日至11日在青海格爾木市召開。數百位國內外專家、學者和商界精英圍繞鹽湖資源綜合開發、關鍵技術研發和鉀鹽化工未來發展等主題展開研討交流。如何提高中國鉀肥自給率,成為與會者討論的熱點之一。
鉀鹽作為重要肥料來源,是保證糧食安全生產供給的決定性資源?;蕦r作物產量的貢獻率高達三分之一,其重要程度可見一斑。然而長期以來,中國作為水溶性鉀鹽資源極缺的國家,以僅占全球探明經濟可采儲量3.7%的鉀鹽資源,養活了占全世界近五分之一的人口,進口成為無奈的選擇。
“近5年來,我國的鉀肥自給率不足一半,而54.4%—63.5%都來源于進口。”中國地質大學(北京)馬鴻文教授,帶領研究團隊一直從事非水溶性鉀資源綠色加工技術的長期研究。在他們眼中,這件事關乎中國社會與經濟發展的鉀資源保障,更關系到國家糧食生產安全與礦業生態文明建設。他們的研究課題,正是中國鉀鹽工業當前急需解決的兩個重大問題,即提高鉀資源保證程度和實現綠色可持續發展。
大國農業 缺鉀之困
鉀作為植物生長三大要素之一,雖然不是植物體內的有機物成分,但卻能促進光合作用,明顯提高植物對氮的吸收利用,并很快轉化為蛋白質,還能促使作物有效利用水分。自然界的鉀資源分為水溶性鉀鹽和非水溶性鉀礦兩大類。前者主要用作鉀肥生產原料。
2014年,全國共有鉀肥生產企業200多家,資源型鉀肥產能682萬噸,產量553萬噸(折純K2O)。2015年,中國鉀肥產能預計增長至約770萬噸。
然而,僅依靠有限的鹽湖鉀鹽資源,仍遠不能滿足國民經濟發展和建設現代化農業的需要。鉀肥供給受制于國際市場,已成為制約中國農業可持續發展的重要問題。
中國石化協會預測,2020年中國鉀鹽的總需求量為1300萬噸,其中鉀肥1180萬噸,當年缺口達524.9萬噸(K2O)。其中除氯化鉀以外,其他鉀鹽消費量約360萬噸。
《國務院關于加強地質工作的決定》(2006)明確指出,要加強非能源重要礦產勘查。在所列11種緊缺非能源礦產中,鉀鹽是唯一的非金屬礦產。足見鉀鹽資源對于中國社會與經濟發展的重要性與緊迫性。
以中國水溶性鉀鹽資源的儲量來說,僅依靠鹽湖鉀鹽資源提高產量之路注定行不通。在國土資源部2013年公布的7項“非金屬礦產資源綜合利用技術攻關重點”中,“非水溶性鉀礦開發利用技術”位列第一,“鉀長石綜合利用技術”排名第六。國家對于非水溶性鉀資源的開發利用已提上日程。而此時,馬鴻文團隊已在這一領域耕耘積淀了20年。
鉀正長巖 破局關鍵
從1993年開始,馬鴻文就帶領團隊將主要精力放在對“中國非水溶性鉀資源評價與高效利用關鍵技術”研究上。
馬鴻文介紹,雖然我國水溶性鉀鹽資源十分匱乏,但非水溶性鉀礦資源卻非常豐富,預測礦石量在1000億噸以上,相當于K2O資源量超過120億噸。要滿足國民經濟可持續發展和建設現代化農業的需要,提高鉀資源保證程度,保證糧食生產安全,走技術創新之路,突破非水溶性鉀資源綠色加工技術,是當前最值得探索、也是最現實的選擇。
傳統上,以獲取某種可用元素或礦物為目的礦業開發過程,往往將其他所謂脈石礦物作為尾礦而廢棄。研究伊始,馬鴻文團隊就對研究非水溶性鉀資源利用技術預設了兩大目標,即資源利用率最大化和加工過程能耗最小化。此前這一領域并非無人涉足,但以往研究大多僅局限于提取礦石中的鉀,其他組分則完全廢棄,造成加工成本高、資源浪費等問題。因此,馬鴻文團隊堅持踐行礦物資源的綠色加工,長期致力于非水溶性鉀資源高效利用技術的研究與工程化應用。
“事實上,國際上聚焦利用鉀長石制取鉀鹽技術研究的歷史已超過百年。”迄今仍在持續研究的主要有鉀長石—霞石—石灰石燒結法、鉀長石—石膏—石灰石燒結法、鉀長石—硫酸—螢石低溫酸解法、鉀長石—石灰靜態水熱法等。但高溫燒結法存在一次資源消耗量大、能耗高、CO2排放量大、硅鈣尾渣排放量大等問題;低溫酸解法不僅能耗更高,還存在氟化物嚴重腐蝕設備、污染環境、難以生產優質硫酸鉀、副產無機硅產品市場受限等問題;靜態水熱法則存在鉀長石分解不完全、產品鉀養分含量低且呈強堿性、反應周期長效率低、難于實現規?;I生產等問題。
20多年來,馬鴻文團隊對利用非水溶性鉀資源制取鉀鹽關鍵技術進行了系統研究。“十一五”期間,團隊承擔國家科技支撐計劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術”,取得制取碳酸鉀、硫酸鉀、礦物基硝酸鉀、磷酸二氫鉀4項清潔生產技術成果,初步建立了非水溶性鉀資源高效清潔利用的技術體系。2010年,馬鴻文等出版《中國富鉀巖石:資源與清潔利用技術》專著。這是他們對全國16處代表性鉀礦資源高效利用關鍵技術研究成果的系統總結。翌年,該書入選中國新聞出版總署“第三屆‘三個一百’原創出版工程”。
“十二五”期間,通過對東秦嶺—大別工作區的重點地質調查和對前期成果的總結,他們進一步確定了中國非水溶性鉀資源的主要類型為富鉀正長巖,產地集中分布于中國東部的“秦嶺大別正長巖帶”和“燕遼陰山正長巖帶”。兩巖帶礦石的K2O品位達12.0%—15.4%,估計鉀資源量超過70億噸,相當于全國水溶性鉀鹽儲量的10倍以上。另外兩處重要鉀資源為:山西臨縣紫金山假榴正長巖,K2O品位11.9%—14.0%;云南個舊白云山霞石正長巖,K2O品位10.3%—12.5%。據已有地勘資料,兩地鉀資源儲量超過3億噸。
與此同時,團隊通過系統的實驗探索,創新性建立了正長巖型鉀資源“水熱堿法”制取鉀鹽技術體系。其核心在于按照鉀礦石的不同屬性,對主要含鉀礦物分解反應的精準調控和對硅鋁副產品的科學設計。其主要內容分為:
苛性鈉堿液水熱加工技術,適合處理富含鉀鋁的霞石正長巖。主要產品碳酸鉀、磷酸鉀、氫氧化鉀,副產品氧化鋁、沉淀硅酸鈣、鈉型或銨型分子篩、硅灰石粒狀粉等。
苛性鉀堿液水熱加工技術,適合于處理富鉀正長巖。主要產品硫酸鉀、硝酸鉀、沸石鉀肥或鉀型分子篩,副產品沉淀硅酸鈣或硅灰石針狀粉、高嶺石納米粉或煅燒高嶺土。
石灰乳堿液水熱加工技術,適合于處理低鈉鉀長石粉體。主要產品礦物基硝酸鉀、腐植酸鉀,副產品硅酸鈣保溫板、雪硅鈣石粉體(礦物填料、吸附材料、廢水處理)等。
上述水熱堿法技術,均可實現鉀礦資源利用率大于85%、K2O溶出率大于90%、有害“三廢”零排放的“綠色化工”要求,是創制生態型鉀肥新品種、發展綠色可持續中國鉀鹽工業新體系的核心技術。
生態鉀肥 修復污染
在“十二五”收官之年,該團隊承擔的“非水溶性鉀資源制取鉀鹽及前景分析”地質調查項目也圓滿結題。相比于此前的技術研究,該項目更像是為規?;I利用所做的資源評價與技術準備。
項目負責人楊靜介紹,在“十一五”科技支撐計劃課題積累的成果基礎上,該項目進一步深入研究了“秦嶺大別正長巖帶”的鉀礦資源特征;突破了“水熱堿法”制取鉀鹽鉀肥新工藝;對其應用前景進行了系統評價,為工業化利用此類鉀礦資源提供了重要依據。
更重要的是,按照“十三五”期間國家對于農業化肥的新需求,團隊及時調整研究思路,研制了可有效修復農田重金屬污染的生態型礦物肥,對未來推廣應用具有重大意義?!度珖寥牢廴緺顩r調查公報》(2014)顯示,我國耕地土壤污染的點位超標率為19.4%,主要污染物為鎘、砷、汞、鉛、鉻等。其中鎘污染的點位超標率最高,達7.0%。在利用東秦嶺—大別富鉀正長巖制備生態型礦物鉀肥方面,團隊通過系統深入的研究,成功制備出具有養分緩釋、固化重金屬離子、吸附有機污染物和保水等功能特性的礦物鉀肥。
一面是要在化肥使用量零增長條件下保證土壤肥力,一面是發展綠色化肥產業、控制土壤污染刻不容緩。馬鴻文團隊的研究對這兩個難題做出了回答。他們研發了直接水熱堿法處理富鉀正長巖制備沸石分子篩同時溶出鉀的技術,解決了制取鉀鹽過程中85%以上的硅鋁組份難以高效利用的難題。
“根據國家的重大戰略需求,我們除了做水溶性鉀鹽研究以外,也在不斷調整技術方案,生態型礦物鉀肥就是一個案例。非水溶性鉀資源從國家需要來說,可以解決兩個重要問題,一是能極大改善我國的缺鉀狀況,二是解決農田土壤的重金屬污染問題。沸石鉀肥是一種非常環保的材料,不僅自身含有鉀、鎂、硅等營養元素,而且具有鈍化重金屬離子、調節土壤酸堿度和保水保墑的功能效應。此外,它的價格低廉,不會超過現有肥料品種的價格,不會增加農業生產成本和農民負擔。”楊靜說。
積淀20年,馬鴻文團隊創立的綠色加工技術體系已日臻成熟,只待規模化工程實施。“這里,還有這里……”馬鴻文用手指著中國地質圖上的秦嶺大別和燕遼陰山一帶。在這里,他們希望能夠建設兩個“非水溶性鉀資源制取鉀鹽示范工程”。以使這套鉀資源綠色加工技術,在中國鉀鹽工業可持續發展歷程中盡早發揮作用。
綠色產業 效益可觀
對于我國農業發展來說,馬鴻文團隊研發的綠色加工技術若能得以大規模工業轉化,將對建設現代化農業及保證糧食安全產生深遠影響。
目前,我國除氯化鉀以外的其他鉀鹽產品,均以氯化鉀為原料進行生產。馬鴻文團隊建立的利用非水溶性鉀資源直接加工鉀鹽鉀肥的技術體系,若付諸大規模工業化生產,預測屆時可提供中國鉀鹽鉀肥消費量40%的市場份額。
據測算,若規?;梅撬苄遭涃Y源形成新的產能,按K2O品位為12%、K2O回收率為85%估算,則全國每年開發利用約3600萬噸鉀礦石,即可滿足2020年中國生產碳酸鉀、硫酸鉀、硝酸鉀、磷酸鉀和氫氧化鉀的全部K2O消費需求,屆時可減少作為化工原料的氯化鉀消費量570萬噸,相當于可以彌補當年鉀肥缺口的68.6%,使鉀肥對外依存度由目前的50%以上降低至18.8%。顯然在國家層面上,這是一筆大賬。
這些技術在工業上規模化應用有著多重意義。“首先,我國鹽湖鉀鹽儲量僅6億噸,而非水溶性鉀資源量超過120億噸,至少相當于鹽湖資源的20倍。非水溶性鉀資源綠色加工技術實現工業化生產,將極大拓展我國可利用鉀資源。其次,利用富鉀礦石加工鉀鹽技術,與鹽湖鉀鹽資源加工技術是完全不同的兩個系統。這就相當于在現有鉀鹽化工之外開辟出一個新興產業領域,創新了鉀肥生產技術體系。第三,很多花崗巖型金屬尾礦中,鉀長石含量為30%—45%。上述技術為此類尾礦的工業利用提供了技術基礎。最后,以上技術能夠將鉀礦石中85%以上的成分加工成產品,包括硅化合物、氧化鋁、硅灰石、高嶺土及多種新型建材等,從而引領礦產資源集約化、清潔化利用,顯著減少其他非金屬礦產開采,并最終形成鉀鹽工業新的產業集群。”馬鴻文逐一細數這一技術的潛在價值。
自從十八大提出要推進生態文明建設后,全國各行業都開始向綠色要效益。馬鴻文介紹,對于礦業領域,保護生態的最好辦法就是堅持礦物資源的“永續利用、清潔利用、低碳利用、集約利用”。實現尾礦的資源化利用,就可大幅度減少一次資源開采,從而更有效地保護自然植被與生態環境。顯然,實施建設生態文明的國家戰略,大力發展礦物資源綠色加工產業,乃是必然選擇!
針對業界對“水熱堿法”技術的經濟可行性疑問,馬鴻文團隊也做了詳細的對比研究。
例如,以河南嵩縣富鉀正長巖為原料,采用水熱堿法制取碳酸鉀,與以察爾汗鹽湖鹵水為原料采用離子交換法和離子膜—流化床法制取碳酸鉀過程對比:(1)水熱堿法每萬元產值的一次資源消耗為11.0噸,而后兩種方法分別為249.7噸和290.3噸;(2)三種方法每萬元產值的綜合能耗折合標煤依次為1.03噸、1.40噸和1.48噸(后兩法未計入太陽能)。
采用水熱堿法制取硫酸鉀,與以察爾汗鹽湖鹵水為原料采用曼海姆法生產硫酸鉀,以及與羅布泊鹽湖鹵水直接生產硫酸鉀過程對比:(1)水熱堿法每萬元產值的一次資源消耗為9.1噸,而后兩種方法分別為121.3噸和72.1噸;(2)三種方法每萬元產值的綜合能耗折合標煤依次為2.37噸、5.46噸和2.88噸(后兩法未計入太陽能);(3)水熱堿法技術的鉀回收率達94.7%,而后兩種方法的鉀回收率分別僅為76.2%和50.2%。
由此可見,規?;梅撬苄遭涃Y源,不僅在當前具有其現實的技術經濟可行性,而且從長遠看,亦極有可能對中國經濟、特別是農業的可持續發展和保障糧食安全產生深遠影響,同時也有助于提高中國在世界鉀鹽化工領域的核心競爭力。
企業需要創新技術推動持續發展,國家也需要創新技術開拓新的鉀鹽化工產業,推進礦業生態文明建設。“非水溶性鉀資源水熱堿法制取鉀鹽”技術體系,正是這樣一種技術,其中孕育著百億噸級的緊缺鉀資源,孕育著一個全新的鉀鹽化工產業集群,更孕育著巨大的經濟發展潛力與一種綠色、集約化的工業生產模式。
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