我國鉀礦資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與展望

我國鉀礦資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與展望

我國鉀資源嚴(yán)重不足，影響了氮磷效應(yīng)的形成，已成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。我國又是不溶性鉀礦資源大國之一,在國內(nèi)許多地區(qū)廣有分布。開發(fā)利用不溶性鉀礦資源,生產(chǎn)礦物鉀肥,已經(jīng)成為解決國內(nèi)鉀肥市場供應(yīng)不足的重要途徑之一。1富鉀巖石巖石地殼中的鉀絕大多數(shù)以水不可溶的形式賦存于硅酸鹽巖石中,只有極少部分在極端的地質(zhì)-地球化學(xué)條件下形成可溶性鉀鹽礦。通常將K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%以上的巖石稱作富鉀硅酸鹽巖石。富鉀巖石又可被劃分為鉀長石型和云母型兩大類。目前利用較多的是明礬石、鉀長石和含鉀砂頁巖等。富鉀巖石在國內(nèi)的分布極為廣泛,幾乎在每個省市自治區(qū)都有分布,儲量非常巨大。盡管迄今為止并未開展專項的地質(zhì)調(diào)查,但就目前積累的資料看,估計資源量在50億t以上,而遠(yuǎn)景資源量更可能達(dá)到120億t以上。如果以每年消耗K2O1000萬t計,則50億tK2O可以保障500年。富鉀巖石中所含的鉀主要是不溶性鋁硅酸鉀,作物不能直接吸收,必須經(jīng)過加工將其轉(zhuǎn)化為可溶性鉀,才能被作物生長吸收。然而,這一轉(zhuǎn)化加工過程較為復(fù)雜,生產(chǎn)成本高,極大地限制了富鉀巖石的開發(fā)利用。迫切需要研發(fā)出一種新型工藝技術(shù),將富鉀巖石中的不溶性鉀以及其他各種礦物質(zhì)整體地、低成本、大比例地轉(zhuǎn)化為能夠被植物吸收利用的有效形態(tài)。從農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來看,開發(fā)利用富鉀巖石制取鉀肥,將其轉(zhuǎn)化成為可溶性鉀,是真正解決我國缺鉀現(xiàn)狀的一條有效途徑。2富鉀巖石-石灰水熱法利用不溶性鉀礦作為補(bǔ)充鉀肥資源的有效途徑,世界各國都在不同程度上作了一些研究探索工作,美國、德國、日本、俄羅斯、墨西哥等國多年來在開發(fā)利用不溶性鉀礦和富鉀巖石方面積累了許多經(jīng)驗,取得了明顯效果。自20世紀(jì)50年代國內(nèi)就開始研究富鉀巖石提鉀工藝?；げ?、地礦部、建材部門的一些相關(guān)院校和生產(chǎn)企業(yè),曾先后采用不同的方法進(jìn)行富鉀硅酸鹽巖石制鉀肥的開發(fā),探索了細(xì)菌分解、酸分解、水熱反應(yīng)、煅燒等開發(fā)利用技術(shù)。然而,細(xì)菌分解法效率太低,酸分解法污染嚴(yán)重,水熱反應(yīng)法成本太高,都難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。煅燒法成本雖低,但煅燒產(chǎn)品卻具有類似水泥的板結(jié)硬化特征,施用后易造成土壤板結(jié)。近年來,國內(nèi)開發(fā)利用富鉀巖石制取鉀肥有了良好的開端,已試驗成功的范例有浙江平陽明礬石礦綜合利用生產(chǎn)硫酸鉀工藝、山西省聞喜縣鉀長石綜合利用生產(chǎn)鉀肥、碳酸鉀和水泥工藝,以及云南個舊霞石綜合利用生產(chǎn)碳酸鉀工藝等。利用鉀長石等不溶性鉀資源進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè),山西富邦肥業(yè)有限公司,產(chǎn)能已達(dá)到10萬t/a,主要產(chǎn)品是硅鉀肥、硅鈣鉀肥和含鉀硅氮肥。河北春滿秋化工有限公司與中科院密切合作,利用當(dāng)?shù)刎S富的鉀長石資源開發(fā)出新的工藝技術(shù),目前已生產(chǎn)出硫酸鉀鎂硅肥、鉀鈣硅肥產(chǎn)品。華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院經(jīng)過多年的努力,研究開發(fā)出一種利用工業(yè)廢渣與鉀長石等不溶性鉀礦,經(jīng)反應(yīng)生產(chǎn)含鉀復(fù)合肥料的新型技術(shù)。該技術(shù)生產(chǎn)成本低,每生產(chǎn)1t復(fù)合肥的成本在400元以下,肥料中硫酸鉀的含量大于8%,枸溶性二氧化硅的含量大于15%,氧化鈣的含量大于25%,氧化鎂大于2%,并含有多種作物所需要的微量元素成分。該肥料中沒有對環(huán)境不友好的組分,可安全施用,特別對南方地區(qū)酸性土壤施用效果更佳。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所經(jīng)過多年探索,研究利用富鉀巖石制取鉀肥,開發(fā)出一種半濕狀態(tài)下富鉀巖石-石灰水熱法制取鉀肥(鉀鹽)新型工藝。該工藝在實驗中采用來源方便、價格低廉的富鉀巖石、石灰、石膏。在工業(yè)生產(chǎn)時,可采用建材業(yè)生產(chǎn)加氣混凝土或硅酸鈣板相類似的設(shè)備,國內(nèi)可以制造,且易于操作。經(jīng)測定,反應(yīng)產(chǎn)物中可溶于水的部分為KOH、K2SO4等,過濾后可獲得含鉀溶液。該工藝具有鉀回收提取率高、原料價廉易得、工藝簡單,無需選礦、能耗較低、產(chǎn)品成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等特點,從而使利用不溶性富鉀巖石制取鉀肥的產(chǎn)業(yè)化成為可能。采用該工藝已經(jīng)進(jìn)行過充分的實驗室試驗,并在北京加氣混凝土廠生產(chǎn)線上進(jìn)行過公斤級擴(kuò)大試驗,取得了較好效果。該項目研究成果已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請了三項發(fā)明專利,其中兩項已授權(quán)生效。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自1996年還持續(xù)攻關(guān)研究“低溫水熱化學(xué)反應(yīng)工藝”,并取得了成果。通過模擬自然界的地球化學(xué)風(fēng)化成土作用過程,進(jìn)行反復(fù)試驗攻關(guān),研制出了一套經(jīng)濟(jì)可行的工藝,將硅酸鹽巖石中包括鉀在內(nèi)的所有礦物質(zhì)整體、大比例(可以達(dá)到80%~90%)、低成本地轉(zhuǎn)化成為植物可以吸收的有效營養(yǎng)形態(tài),從而生產(chǎn)出一種多元素、多功能的新型礦物肥料鉀硅鈣微孔礦物肥料。2004年,該產(chǎn)品開始在生產(chǎn)線上開展小規(guī)模生產(chǎn)試驗,達(dá)到日產(chǎn)幾十噸的生產(chǎn)規(guī)模,已生產(chǎn)出了千余噸合格產(chǎn)品。2008年制定了生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),并完成了相關(guān)的審批備案程序。同時啟動了肥料登記程序,目前正在穩(wěn)步推進(jìn)。2011年3月2日,中國科學(xué)院計劃財務(wù)局和資源環(huán)保局在北京,對“富鉀巖石水熱法生產(chǎn)鉀硅鈣微孔礦物肥料的工藝與農(nóng)業(yè)試驗效應(yīng)”成果進(jìn)行了會議鑒定。此次鑒定委員會的專家組匯集了國家農(nóng)業(yè)主管部門、國內(nèi)礦產(chǎn)資源、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、知名鉀鹽企業(yè)在內(nèi)的多個領(lǐng)域的專家和學(xué)者。鑒定委員會在充分審閱技術(shù)資料、聽取成果匯報及現(xiàn)場質(zhì)疑的基礎(chǔ)上,經(jīng)認(rèn)真討論,對富鉀巖石水熱法生產(chǎn)鉀硅鈣微孔礦物肥料的工藝與農(nóng)業(yè)試驗效應(yīng)表示認(rèn)可。據(jù)介紹,該工藝原料富鉀巖石和石灰來源方便、價格低廉,且無需選礦。生產(chǎn)中所采用的設(shè)備國內(nèi)都可以制造,易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在整個生產(chǎn)過程中無廢水、廢氣和固體廢物的排放,不存在環(huán)保問題。另外,水熱化學(xué)反應(yīng)是在靜態(tài)條件下進(jìn)行的,技術(shù)簡單,易于操作,能源消耗較低。該工藝該項成果屬自主創(chuàng)新,具有完全自主知識產(chǎn)權(quán),已獲三項國家發(fā)明專利。該成果研究方法科學(xué),試驗數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)翔實可靠,具有產(chǎn)業(yè)化推廣的價值和可行性,成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平,其中半濕狀態(tài)下的靜態(tài)水熱法工藝具有國際領(lǐng)先水平。北京中科建成礦物技術(shù)有限公司采用該技術(shù)先后組織了5次小規(guī)模試驗性生產(chǎn),生產(chǎn)出了幾百噸合格的鉀硅鈣多元素礦物肥產(chǎn)品,其中水溶性和枸溶性K2O的含量約為4%~6%,相當(dāng)于目前市場上出售的鉀鈣肥,是一種無氯鉀肥。同時,該產(chǎn)品含≥20%的枸溶性硅,達(dá)到了我國農(nóng)業(yè)部提出的硅肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品還含≥35%的枸溶性鈣鎂、5%左右的枸溶性鐵以及較大比例的其他枸溶性組分,也是一種良好的鉀、硅、鈣、鎂、鐵多元素長效緩釋礦物復(fù)合肥。3富鉀巖石制鉀硅鈣礦物鉀水熱法該方法采用半濕狀態(tài)下的水熱工藝,將富鉀巖石轉(zhuǎn)化為一種新型的鉀硅鈣多元素礦物肥料產(chǎn)品。通過適當(dāng)調(diào)整反應(yīng)物配方,富鉀巖石(包括鉀長石)與石灰等進(jìn)行水熱反應(yīng)后,反應(yīng)的產(chǎn)物不僅有鉀和硅,還有鈣、鎂、鐵、錳、鋁、鈉等元素,同時還包括富鉀巖石中含有的多種微量元素,如稀土元素等,可以直接把反應(yīng)后的產(chǎn)物作為肥料使用,不再進(jìn)行鉀和硅的分離與提取。這種枸溶性鉀硅鈣鎂硫多元素長效礦物復(fù)合肥,對農(nóng)作物生長大有益處。該工藝是在礦物材料合成原理的基礎(chǔ)上,將堿土激發(fā)劑與水熱反應(yīng)相結(jié)合,使富鉀巖石中的礦物成分能夠在較低溫度和壓力條件下快速、高效地轉(zhuǎn)化成能夠被植物所吸收的新礦物相,稱為堿基激發(fā)劑下的低溫水熱化學(xué)反應(yīng)法。富鉀巖石和石灰原料來源方便、價格低廉,且無需選礦,在全國大部分地區(qū)都可以就地取材。此外,所采用的設(shè)備主要有礦石粉碎機(jī)、物料攪拌機(jī)、蒸汽鍋爐、高壓蒸汽反應(yīng)釜等,國內(nèi)都可以制造,易于形成供產(chǎn)業(yè)化推廣的成套流水生產(chǎn)線,使該工藝的產(chǎn)業(yè)化推廣具備了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的可行性,易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。水熱化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)上是把自然界數(shù)百至數(shù)千年的化學(xué)風(fēng)化作用才能完成的轉(zhuǎn)化過程壓縮為高壓釜中10h的水熱化學(xué)反應(yīng),使富鉀巖石中的含鉀礦物轉(zhuǎn)化成納米-亞微米級、微孔狀新礦物相?，F(xiàn)已成功地將水固比從傳統(tǒng)水熱法的15~25降低到1~1.5,實現(xiàn)了無需攪拌和旋轉(zhuǎn),大大降低了能耗和成本,簡化了工藝,而且沒有三廢排放。生產(chǎn)出的礦物肥料中沒有加入任何有害物質(zhì),保留了富鉀巖石自身的天然物質(zhì)成分特征,與天然風(fēng)化形成的土壤一致,作為枸溶性長效緩釋肥,不會引起農(nóng)業(yè)環(huán)境污染。農(nóng)田施用后不會產(chǎn)生格外的毒害,適合于生產(chǎn)天然綠色食品。該方法在靜態(tài)條件下進(jìn)行,技術(shù)簡單,易于操作,能源消耗較低,轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%~80%,富鉀巖石制鉀硅鈣礦物鉀肥水熱法生產(chǎn)工藝流程見圖1。原料富鉀巖石和生石灰研磨至200目以下,按照一定比例與專用活化劑以及水充分混合,水固比約1~1.5,攪拌混勻。生產(chǎn)中所使用的活化劑來自天然巖石?；旌蠑嚢杈鶆虻奈锪纤椭粮邏悍磻?yīng)釜中,通入高壓蒸汽,在溫度為190~200℃、壓力為1.1~1.3MPa的靜態(tài)恒溫下反應(yīng)10~12h,即可完成水熱化學(xué)反應(yīng),得到半濕狀態(tài)的礦物肥料。再將其經(jīng)過烘干、粉碎、造粒,包裝機(jī)裝袋后即可作為產(chǎn)品銷售使用。整個生產(chǎn)過程中無廢水、廢氣和固體廢棄物的產(chǎn)生。4新型礦物肥料長期以來,由于不平衡施肥等技術(shù)因素和農(nóng)地產(chǎn)權(quán)不明晰等政策因素的影響,為了高產(chǎn),用地而不養(yǎng)地,我國土壤的綜合肥力普遍下降,協(xié)調(diào)平衡被打破。由此,不但破壞了生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性,而且使植物病變增多、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降,同時還降低了植物對氮肥的吸收利用率,使氮肥流失,限制了農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步增產(chǎn),提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,而且造成土壤酸化、次生鹽漬化,有害生物滋生和農(nóng)業(yè)污染。而鉀硅鈣多元素礦物肥是巖石中所有礦物質(zhì)成分整體地轉(zhuǎn)化成為植物可以吸收的有效形態(tài),能全面補(bǔ)充土壤中的有效礦質(zhì)養(yǎng)分,培肥地力,提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。其普適性和低成本可以為大面積改善我國土壤肥力,全營養(yǎng)平衡施肥和迅速提高我國土壤綜合肥力提供技術(shù)支撐。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,特別是大量使用氮、磷、鉀后,要使農(nóng)作物健康生長,僅依靠自然循環(huán)供給硅素養(yǎng)分是不夠的,必須重視硅肥的開發(fā)和應(yīng)用。開發(fā)多種營養(yǎng)元素的礦質(zhì)硅肥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。同時植物生長除了需要氮、磷、鉀外,還需要鈣、鎂、硫等中量元素以及鐵、錳、稀土等微量元素。這些元素與氮、磷、鉀同等重要,而且不可相互替代。用富鉀巖石制取的硅鈣鎂硫鉀多元素長效礦物復(fù)合肥除可提供作為生長所需的多種中量元素和微量元素外,也可用作硅肥。我國是一個亟待開發(fā)硅肥生產(chǎn)的國家。硅肥在肥料中的重要地位日益受到國內(nèi)外的關(guān)注。一項土地抽樣測量表明,目前全國有50%左右的耕地缺硅,每年需要3000萬~3500萬t硅肥。我國華北土壤堿性較高,但有效硅含量并不高,有的地方甚至比南方一些地區(qū)還要低。據(jù)估算,若要在全國范圍內(nèi)推廣使用硅肥,年需求量至少3000萬t左右。而目前國內(nèi)硅肥的產(chǎn)能只有100萬t/a左右,只能滿足市場3%的需求。因此,鉀硅鈣多元素礦物肥需求量巨大,市場前景看好。用富鉀巖石制取的這種新型礦物肥料產(chǎn)品,在全國25個省市的50多個地區(qū)先后對40多種農(nóng)作物開展了5年的農(nóng)田肥效試驗、近4年的溫室盆栽試驗,證明了該產(chǎn)品在多種作物上具有增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)、增強(qiáng)農(nóng)作物抗逆能力、調(diào)節(jié)改良土壤等綜合效果。從2006年開始,在全國的27個省、市、自治區(qū)開展了全面、系統(tǒng)的農(nóng)田試驗與推廣,在糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和水果蔬菜上進(jìn)行了試驗,不同程度地替代常規(guī)鉀肥并提高氮肥利用率。對作物提高產(chǎn)量以及改善品質(zhì)、增強(qiáng)植物抗性都有明顯的效果,其中水稻、玉米的增產(chǎn)率通常能夠達(dá)到5%~10%,而土豆、花生、紅薯、蘿卜等根系作物的增產(chǎn)率能達(dá)到15%~25%。我國長期依賴鉀肥進(jìn)口,進(jìn)口鉀肥主要是氯化鉀和硫酸鉀,氯化鉀含有氯離子,對許多忌氯作物的產(chǎn)量和品質(zhì)均有不良影響。而硫酸鉀的價格昂貴,且硫酸根對土壤也有一定的破壞作用,長期使用會造成土壤板結(jié)。這兩種鉀肥均為水溶性,其利用率較低,常常隨水流失,不僅造成浪費,而且會對地下水和河流產(chǎn)生污染。新型礦物鉀肥具有廣闊的市場前景,對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的提高將產(chǎn)生不可估量的多種效益。利用我國大量尚未開發(fā)利用的非水溶性鉀礦資源生產(chǎn)礦物鉀肥,將成為打破國際鉀肥市場高度壟斷,減少我國鉀肥進(jìn)口量及農(nóng)用鉀肥有效使用的關(guān)鍵,并適應(yīng)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的變化和經(jīng)濟(jì)作物迅速發(fā)展的需求。5關(guān)于發(fā)展的建議5.1建立富鉀巖石制礦物基肥生產(chǎn)裝置中國科學(xué)院地學(xué)部、生命科學(xué)部及化學(xué)部共同提出的《關(guān)于建立我國鉀肥資源穩(wěn)定供應(yīng)體系的建議》強(qiáng)調(diào)了非常規(guī)鉀資源,即統(tǒng)稱的富鉀巖石作為我國鉀肥來源之一的重要性。低成本地將富鉀巖石中的主要元素和微量元素整體地轉(zhuǎn)化成能被植物吸收的新型礦物肥料,革新了傳統(tǒng)的單一元素化肥或簡單幾種元素復(fù)合化肥的概念。當(dāng)前應(yīng)加快探索富鉀巖石制礦物鉀肥工業(yè)化生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)化工藝流程和最佳設(shè)備組合,為產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ);并進(jìn)行配方試驗和工藝試驗,形成成套的、可供產(chǎn)業(yè)化推廣的水熱反應(yīng)工藝技術(shù)及其配套設(shè)備,建立流水生產(chǎn)線。同時要深入開展礦物肥料在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的試驗示范,研究礦物肥料與其他肥料的配合施用和復(fù)合技術(shù)。5.2水合硅酸鈣的預(yù)處理在生產(chǎn)礦物鉀肥的過程中,除可溶性鉀用于生產(chǎn)礦物鉀肥外,還可以充分利用其中難溶于水的非晶態(tài)的水合硅酸鈣及未反應(yīng)完的少量Ca(OH)2等,水合硅酸鈣可以做水處理過濾材料、微生物載體、脫硫劑,若與雙氧水聯(lián)合使用,可以驅(qū)除赤潮等異常繁殖的浮游物。同時,還可利用其中的鉀、鋁、硅、鈉等成分開發(fā)出電子級碳酸鉀、白色氫氧化鋁、擬薄水鋁石、優(yōu)級