商都縣鑫垚鉀業(yè)公司董事長薛永庫（右）帶領(lǐng)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(chǎn)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(shù)百位國內(nèi)外專家、學(xué)者和商界精英圍繞鹽湖資源綜合開發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和鉀鹽化工未來發(fā)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(chǎn)供給的決定性資源。化肥對農(nóng)作物產(chǎn)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(jīng)濟可采儲量3.7%的鉀鹽資源，養(yǎng)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(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)的長期研究。在他們眼中，這件事關(guān)乎中國社會與經(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(shè)。他們的研究課題，正是中國鉀鹽工業(yè)當(dāng)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(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。
大國農(nóng)業(yè) 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(nèi)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(zhuǎn)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。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682萬噸，產(chǎn)量553萬噸（折純K2O）。2015年，中國鉀肥產(chǎn)能預(yù)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(jīng)濟發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需要。鉀肥供給受制于國際市場，已成為制約中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。
中國石化協(xié)會預(yù)測，2020年中國鉀鹽的總需求量為1300萬噸，其中鉀肥1180萬噸，當(dāng)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(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)。足見鉀鹽資源對于中國社會與經(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說，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”中，“非水溶性鉀礦開發(fā)利用技術(shù)”位列第一，“鉀長石綜合利用技術(shù)”排名第六。國家對于非水溶性鉀資源的開發(fā)利用已提上日程。而此時，馬鴻文團隊已在這一領(lǐng)域耕耘積淀了20年。
鉀正長巖 破局關(guān)鍵
從1993年開始，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(yù)測礦石量在1000億噸以上，相當(dāng)于K2O資源量超過120億噸。要滿足國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)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(dāng)前最值得探索、也是最現(xiàn)實的選擇。
傳統(tǒng)上，以獲取某種可用元素或礦物為目的礦業(yè)開發(fā)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(shù)預(yù)設(shè)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(lǐng)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(shù)的研究與工程化應(yīng)用。
“事實上，國際上聚焦利用鉀長石制取鉀鹽技術(shù)研究的歷史已超過百年。”迄今仍在持續(xù)研究的主要有鉀長石—霞石—石灰石燒結(jié)法、鉀長石—石膏—石灰石燒結(jié)法、鉀長石—硫酸—螢石低溫酸解法、鉀長石—石灰靜態(tài)水熱法等。但高溫?zé)Y(jié)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(shè)備、污染環(huán)境、難以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硫酸鉀、副產(chǎn)無機硅產(chǎn)品市場受限等問題；靜態(tài)水熱法則存在鉀長石分解不完全、產(chǎn)品鉀養(yǎng)分含量低且呈強堿性、反應(yīng)周期長效率低、難于實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。“十一五”期間，團隊承擔(dān)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)》專著。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(tǒng)總結(jié)。翌年，該書入選中國新聞出版總署“第三屆‘三個一百’原創(chuàng)出版工程”。
“十二五”期間，通過對東秦嶺—大別工作區(qū)的重點地質(zhì)調(diào)查和對前期成果的總結(jié)，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(chǎn)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(dāng)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(jù)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(tǒng)的實驗探索，創(chuàng)新性建立了正長巖型鉀資源“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(yīng)的精準調(diào)控和對硅鋁副產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計。其主要內(nèi)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)，均可實現(xiàn)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(xù)中國鉀鹽工業(yè)新體系的核心技術(shù)。
生態(tài)鉀肥 修復(fù)污染
在“十二五”收官之年，該團隊承擔(dān)的“非水溶性鉀資源制取鉀鹽及前景分析”地質(zhì)調(diào)查項目也圓滿結(jié)題。相比于此前的技術(shù)研究，該項目更像是為規(guī)?；I(yè)利用所做的資源評價與技術(shù)準備。
項目負責(zé)人楊靜介紹，在“十一五”科技支撐計劃課題積累的成果基礎(chǔ)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(yīng)用前景進行了系統(tǒng)評價，為工業(yè)化利用此類鉀礦資源提供了重要依據(jù)。
更重要的是，按照“十三五”期間國家對于農(nóng)業(yè)化肥的新需求，團隊及時調(diào)整研究思路，研制了可有效修復(fù)農(nóng)田重金屬污染的生態(tài)型礦物肥，對未來推廣應(yīng)用具有重大意義?！度珖寥牢廴緺顩r調(diào)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(tài)型礦物鉀肥方面，團隊通過系統(tǒng)深入的研究，成功制備出具有養(yǎng)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(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巖制備沸石分子篩同時溶出鉀的技術(shù)，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(jù)國家的重大戰(zhàn)略需求，我們除了做水溶性鉀鹽研究以外，也在不斷調(diào)整技術(shù)方案，生態(tài)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(nóng)田土壤的重金屬污染問題。沸石鉀肥是一種非常環(huán)保的材料，不僅自身含有鉀、鎂、硅等營養(yǎng)元素，而且具有鈍化重金屬離子、調(diào)節(jié)土壤酸堿度和保水保墑的功能效應(yīng)。此外，它的價格低廉，不會超過現(xiàn)有肥料品種的價格，不會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和農(nóng)民負擔(dān)。”楊靜說。
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(guī)?；こ虒嵤?。“這里，還有這里……”馬鴻文用手指著中國地質(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(shè)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(shù)，在中國鉀鹽工業(yè)可持續(xù)發(fā)展歷程中盡早發(fā)揮作用。
綠色產(chǎn)業(yè) 效益可觀
對于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展來說，馬鴻文團隊研發(fā)的綠色加工技術(shù)若能得以大規(guī)模工業(yè)轉(zhuǎn)化，將對建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)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(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，預(yù)測屆時可提供中國鉀鹽鉀肥消費量40%的市場份額。
據(jù)測算，若規(guī)?；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，則全國每年開發(fā)利用約3600萬噸鉀礦石，即可滿足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，屆時可減少作為化工原料的氯化鉀消費量570萬噸，相當(dāng)于可以彌補當(dāng)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(guī)模化應(yīng)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(dāng)于鹽湖資源的20倍。非水溶性鉀資源綠色加工技術(shù)實現(xiàn)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)是完全不同的兩個系統(tǒng)。這就相當(dāng)于在現(xiàn)有鉀鹽化工之外開辟出一個新興產(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，鉀長石含量為30%—45%。上述技術(shù)為此類尾礦的工業(yè)利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。最后，以上技術(shù)能夠?qū)⑩浀V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，顯著減少其他非金屬礦產(chǎn)開采，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(shù)這一技術(shù)的潛在價值。
自從十八大提出要推進生態(tài)文明建設(shè)后，全國各行業(yè)都開始向綠色要效益。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(xù)利用、清潔利用、低碳利用、集約利用”。實現(xiàn)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(tài)環(huán)境。顯然，實施建設(shè)生態(tài)文明的國家戰(zhàn)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，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(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)硫酸鉀過程對比：（1）水熱堿法每萬元產(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，規(guī)?；梅撬苄遭涃Y源，不僅在當(dāng)前具有其現(xiàn)實的技術(shù)經(jīng)濟可行性，而且從長遠看，亦極有可能對中國經(jīng)濟、特別是農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全產(chǎn)生深遠影響，同時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)推動持續(xù)發(fā)展，國家也需要創(chuàng)新技術(shù)開拓新的鉀鹽化工產(chǎn)業(yè)，推進礦業(yè)生態(tài)文明建設(shè)。“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)，其中孕育著百億噸級的緊缺鉀資源，孕育著一個全新的鉀鹽化工產(chǎn)業(yè)集群，更孕育著巨大的經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿εc一種綠色、集約化的工業(yè)生產(chǎn)模式。
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