商都縣鑫垚鉀業(yè)公司董事長(cháng)薛永庫（右）帶領(lǐng)馬鴻文（中）團隊成員考察商都鉀長(cháng)石資源（劉昶江攝）
 圖1 中國鉀肥的歷年產(chǎn)量、進(jìn)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(huì )于去年7月9日至11日在青海格爾木市召開(kāi)。數百位國內外專(zhuān)家、學(xué)者和商界精英圍繞鹽湖資源綜合開(kāi)發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和鉀鹽化工未來(lái)發(fā)展等主題展開(kāi)研討交流。如何提高中國鉀肥自給率，成為與會(huì )者討論的熱點(diǎn)之一。
鉀鹽作為重要肥料來(lái)源，是保證糧食安全生產(chǎn)供給的決定性資源?；蕦r作物產(chǎn)量的貢獻率高達三分之一，其重要程度可見(jiàn)一斑。然而長(cháng)期以來(lái)，中國作為水溶性鉀鹽資源極缺的國家，以?xún)H占全球探明經(jīng)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(jìn)口成為無(wú)奈的選擇。
“近5年來(lái)，我國的鉀肥自給率不足一半，而54.4%—63.5%都來(lái)源于進(jìn)口。”中國地質(zhì)大學(xué)（北京）馬鴻文教授，帶領(lǐng)研究團隊一直從事非水溶性鉀資源綠色加工技術(shù)的長(cháng)期研究。在他們眼中，這件事關(guān)乎中國社會(huì )與經(jīng)濟發(fā)展的鉀資源保障，更關(guān)系到國家糧食生產(chǎn)安全與礦業(yè)生態(tài)文明建設。他們的研究課題，正是中國鉀鹽工業(yè)當前急需解決的兩個(gè)重大問(wèn)題，即提高鉀資源保證程度和實(shí)現綠色可持續發(fā)展。
大國農業(yè) 缺鉀之困
鉀作為植物生長(cháng)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(jìn)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(zhì)，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(lèi)。前者主要用作鉀肥生產(chǎn)原料。
2014年，全國共有鉀肥生產(chǎn)企業(yè)200多家，資源型鉀肥產(chǎn)能682萬(wàn)噸，產(chǎn)量553萬(wàn)噸（折純K2O）。2015年，中國鉀肥產(chǎn)能預計增長(cháng)至約770萬(wàn)噸。
然而，僅依靠有限的鹽湖鉀鹽資源，仍遠不能滿(mǎn)足國民經(jīng)濟發(fā)展和建設現代化農業(yè)的需要。鉀肥供給受制于國際市場(chǎng)，已成為制約中國農業(yè)可持續發(fā)展的重要問(wèn)題。
中國石化協(xié)會(huì )預測，2020年中國鉀鹽的總需求量為1300萬(wàn)噸，其中鉀肥1180萬(wàn)噸，當年缺口達524.9萬(wàn)噸（K2O）。其中除氯化鉀以外，其他鉀鹽消費量約360萬(wàn)噸。
《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》（2006）明確指出，要加強非能源重要礦產(chǎn)勘查。在所列11種緊缺非能源礦產(chǎn)中，鉀鹽是唯一的非金屬礦產(chǎn)。足見(jiàn)鉀鹽資源對于中國社會(huì )與經(jīng)濟發(fā)展的重要性與緊迫性。
以中國水溶性鉀鹽資源的儲量來(lái)說(shuō)，僅依靠鹽湖鉀鹽資源提高產(chǎn)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(chǎn)資源綜合利用技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)”中，“非水溶性鉀礦開(kāi)發(fā)利用技術(shù)”位列第一，“鉀長(cháng)石綜合利用技術(shù)”排名第六。國家對于非水溶性鉀資源的開(kāi)發(fā)利用已提上日程。而此時(shí)，馬鴻文團隊已在這一領(lǐng)域耕耘積淀了20年。
鉀正長(cháng)巖 破局關(guān)鍵
從1993年開(kāi)始，馬鴻文就帶領(lǐng)團隊將主要精力放在對“中國非水溶性鉀資源評價(jià)與高效利用關(guān)鍵技術(shù)”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(guò)120億噸。要滿(mǎn)足國民經(jīng)濟可持續發(fā)展和建設現代化農業(yè)的需要，提高鉀資源保證程度，保證糧食生產(chǎn)安全，走技術(shù)創(chuàng )新之路，突破非水溶性鉀資源綠色加工技術(shù)，是當前最值得探索、也是最現實(shí)的選擇。
傳統上，以獲取某種可用元素或礦物為目的礦業(yè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(shù)預設了兩大目標，即資源利用率最大化和加工過(guò)程能耗最小化。此前這一領(lǐng)域并非無(wú)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(wèn)題。因此，馬鴻文團隊堅持踐行礦物資源的綠色加工，長(cháng)期致力于非水溶性鉀資源高效利用技術(shù)的研究與工程化應用。
“事實(shí)上，國際上聚焦利用鉀長(cháng)石制取鉀鹽技術(shù)研究的歷史已超過(guò)百年。”迄今仍在持續研究的主要有鉀長(cháng)石—霞石—石灰石燒結法、鉀長(cháng)石—石膏—石灰石燒結法、鉀長(cháng)石—硫酸—螢石低溫酸解法、鉀長(cháng)石—石灰靜態(tài)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(wèn)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(huán)境、難以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硫酸鉀、副產(chǎn)無(wú)機硅產(chǎn)品市場(chǎng)受限等問(wèn)題；靜態(tài)水熱法則存在鉀長(cháng)石分解不完全、產(chǎn)品鉀養分含量低且呈強堿性、反應周期長(cháng)效率低、難于實(shí)現規?；I(yè)生產(chǎn)等問(wèn)題。
20多年來(lái)，馬鴻文團隊對利用非水溶性鉀資源制取鉀鹽關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shù)”，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(chǎn)技術(shù)成果，初步建立了非水溶性鉀資源高效清潔利用的技術(shù)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(shù)》專(zhuān)著(zhù)。這是他們對全國16處代表性鉀礦資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究成果的系統總結。翌年，該書(shū)入選中國新聞出版總署“第三屆‘三個(gè)一百’原創(chuàng )出版工程”。
“十二五”期間，通過(guò)對東秦嶺—大別工作區的重點(diǎn)地質(zhì)調查和對前期成果的總結，他們進(jìn)一步確定了中國非水溶性鉀資源的主要類(lèi)型為富鉀正長(cháng)巖，產(chǎn)地集中分布于中國東部的“秦嶺大別正長(cháng)巖帶”和“燕遼陰山正長(cháng)巖帶”。兩巖帶礦石的K2O品位達12.0%—15.4%，估計鉀資源量超過(guò)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(cháng)巖，K2O品位11.9%—14.0%；云南個(gè)舊白云山霞石正長(cháng)巖，K2O品位10.3%—12.5%。據已有地勘資料，兩地鉀資源儲量超過(guò)3億噸。
與此同時(shí)，團隊通過(guò)系統的實(shí)驗探索，創(chuàng )新性建立了正長(cháng)巖型鉀資源“水熱堿法”制取鉀鹽技術(shù)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(chǎn)品的科學(xué)設計。其主要內容分為：
苛性鈉堿液水熱加工技術(shù)，適合處理富含鉀鋁的霞石正長(cháng)巖。主要產(chǎn)品碳酸鉀、磷酸鉀、氫氧化鉀，副產(chǎn)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(shù)，適合于處理富鉀正長(cháng)巖。主要產(chǎn)品硫酸鉀、硝酸鉀、沸石鉀肥或鉀型分子篩，副產(chǎn)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(shù)，適合于處理低鈉鉀長(cháng)石粉體。主要產(chǎn)品礦物基硝酸鉀、腐植酸鉀，副產(chǎn)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(shù)，均可實(shí)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(chuàng )制生態(tài)型鉀肥新品種、發(fā)展綠色可持續中國鉀鹽工業(yè)新體系的核心技術(shù)。
生態(tài)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(zhì)調查項目也圓滿(mǎn)結題。相比于此前的技術(shù)研究，該項目更像是為規?；I(yè)利用所做的資源評價(jià)與技術(shù)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(jìn)一步深入研究了“秦嶺大別正長(cháng)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(jìn)行了系統評價(jià)，為工業(yè)化利用此類(lèi)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(yè)化肥的新需求，團隊及時(shí)調整研究思路，研制了可有效修復農田重金屬污染的生態(tài)型礦物肥，對未來(lái)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(diǎn)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(diǎn)位超標率最高，達7.0%。在利用東秦嶺—大別富鉀正長(cháng)巖制備生態(tài)型礦物鉀肥方面，團隊通過(guò)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(cháng)條件下保證土壤肥力，一面是發(fā)展綠色化肥產(chǎn)業(yè)、控制土壤污染刻不容緩。馬鴻文團隊的研究對這兩個(gè)難題做出了回答。他們研發(fā)了直接水熱堿法處理富鉀正長(cháng)巖制備沸石分子篩同時(shí)溶出鉀的技術(shù)，解決了制取鉀鹽過(guò)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(shù)方案，生態(tài)型礦物鉀肥就是一個(gè)案例。非水溶性鉀資源從國家需要來(lái)說(shuō)，可以解決兩個(gè)重要問(wèn)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(wèn)題。沸石鉀肥是一種非常環(huán)保的材料，不僅自身含有鉀、鎂、硅等營(yíng)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(jià)格低廉，不會(huì )超過(guò)現有肥料品種的價(jià)格，不會(huì )增加農業(yè)生產(chǎn)成本和農民負擔。”楊靜說(shuō)。
積淀20年，馬鴻文團隊創(chuàng )立的綠色加工技術(shù)體系已日臻成熟，只待規?；こ虒?shí)施。“這里，還有這里……”馬鴻文用手指著(zhù)中國地質(zhì)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(gè)“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(shù)，在中國鉀鹽工業(yè)可持續發(fā)展歷程中盡早發(fā)揮作用。
綠色產(chǎn)業(yè) 效益可觀(guān)
對于我國農業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，馬鴻文團隊研發(fā)的綠色加工技術(shù)若能得以大規模工業(yè)轉化，將對建設現代化農業(yè)及保證糧食安全產(chǎn)生深遠影響。
目前，我國除氯化鉀以外的其他鉀鹽產(chǎn)品，均以氯化鉀為原料進(jìn)行生產(chǎn)。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(shù)體系，若付諸大規模工業(yè)化生產(chǎn)，預測屆時(shí)可提供中國鉀鹽鉀肥消費量40%的市場(chǎng)份額。
據測算，若規?；梅撬苄遭涃Y源形成新的產(chǎn)能，按K2O品位為12%、K2O回收率為85%估算，則全國每年開(kāi)發(fā)利用約3600萬(wàn)噸鉀礦石，即可滿(mǎn)足2020年中國生產(chǎn)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(shí)可減少作為化工原料的氯化鉀消費量570萬(wàn)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(shù)在工業(yè)上規?；瘧糜兄?zhù)多重意義。“首先，我國鹽湖鉀鹽儲量?jì)H6億噸，而非水溶性鉀資源量超過(guò)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(shù)實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)，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(shù)，與鹽湖鉀鹽資源加工技術(shù)是完全不同的兩個(gè)系統。這就相當于在現有鉀鹽化工之外開(kāi)辟出一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，創(chuàng )新了鉀肥生產(chǎn)技術(shù)體系。第三，很多花崗巖型金屬尾礦中，鉀長(cháng)石含量為30%—45%。上述技術(shù)為此類(lèi)尾礦的工業(yè)利用提供了技術(shù)基礎。最后，以上技術(shù)能夠將鉀礦石中85%以上的成分加工成產(chǎn)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(lǐng)礦產(chǎn)資源集約化、清潔化利用，顯著(zhù)減少其他非金屬礦產(chǎn)開(kāi)采，并最終形成鉀鹽工業(yè)新的產(chǎn)業(yè)集群。”馬鴻文逐一細數這一技術(shù)的潛在價(jià)值。
自從十八大提出要推進(jìn)生態(tài)文明建設后，全國各行業(yè)都開(kāi)始向綠色要效益。馬鴻文介紹，對于礦業(yè)領(lǐng)域，保護生態(tài)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(shí)現尾礦的資源化利用，就可大幅度減少一次資源開(kāi)采，從而更有效地保護自然植被與生態(tài)環(huán)境。顯然，實(shí)施建設生態(tài)文明的國家戰略，大力發(fā)展礦物資源綠色加工產(chǎn)業(yè)，乃是必然選擇！
針對業(yè)界對“水熱堿法”技術(shù)的經(jīng)濟可行性疑問(wèn)，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(cháng)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(guò)程對比：（1）水熱堿法每萬(wàn)元產(chǎn)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(wàn)元產(chǎn)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(yáng)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(chǎn)硫酸鉀，以及與羅布泊鹽湖鹵水直接生產(chǎn)硫酸鉀過(guò)程對比：（1）水熱堿法每萬(wàn)元產(chǎn)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(wàn)元產(chǎn)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(yáng)能）；（3）水熱堿法技術(shù)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(jiàn)，規?；梅撬苄遭涃Y源，不僅在當前具有其現實(shí)的技術(shù)經(jīng)濟可行性，而且從長(cháng)遠看，亦極有可能對中國經(jīng)濟、特別是農業(yè)的可持續發(fā)展和保障糧食安全產(chǎn)生深遠影響，同時(shí)也有助于提高中國在世界鉀鹽化工領(lǐng)域的核心競爭力。
企業(yè)需要創(chuàng )新技術(shù)推動(dòng)持續發(fā)展，國家也需要創(chuàng )新技術(shù)開(kāi)拓新的鉀鹽化工產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)礦業(yè)生態(tài)文明建設。“非水溶性鉀資源水熱堿法制取鉀鹽”技術(shù)體系，正是這樣一種技術(shù)，其中孕育著(zhù)百億噸級的緊缺鉀資源，孕育著(zhù)一個(gè)全新的鉀鹽化工產(chǎn)業(yè)集群，更孕育著(zhù)巨大的經(jīng)濟發(fā)展潛力與一種綠色、集約化的工業(yè)生產(chǎn)模式。
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