矿热电炉处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺

肖赛君， 章 俊， 王 振

(安徽工业大学冶金工程学院， 安徽 马鞍山 243002)



矿热电炉处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺

肖赛君， 章 俊， 王 振

(安徽工业大学冶金工程学院， 安徽 马鞍山 243002)

从难熔性富钾岩石资源低成本提取钾是解决我国钾肥急缺的重要课题。本文依据富钾岩石成分特点，提出采用矿热电炉电热还原挥发法处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺，该工艺可同时实现难熔性钾资源中硅、铝、铁以及钾的综合利用。初步分析表明，该工艺具备实现我国富钾岩石综合利用的技术和经济可行性。

富钾岩石； 矿热电炉还原； 硅铝铁； 钾肥

0 引言

钾盐是我国最为紧缺的两种非金属矿产之一。2012年，我国钾盐产量为377万t，而钾肥消费量为795.4万t，对外依存度为52.2%[1]。我国可溶性钾矿资源短缺，而难溶性钾矿资源却比较丰富，常见难溶性含钾矿物多为钾铝硅酸盐矿物，目前已探明的难溶性钾资源储量超过100亿t[2]。加快开发利用难溶性富钾岩石制造钾肥，是保障我国农业可持续发展的战略需要。本文所探讨的富钾岩石即K2O含量达到工业利用要求(>8%)的富钾硅酸盐岩石。

国际上开展利用富钾岩石制取钾盐技术的研究已超过百年[3]，目前有4种主要技术工艺路线：高温煅烧、强酸分解、微生物分解和水热化学反应[4-7]。然而，所有工艺均在实验室取得成功，但在转化为规模化生产的过程中由于诸如能耗过高、资源利用率低、设备昂贵、产品种类、副产品附加值、副产品市场、环境保护等问题而无法产业化，为此行业内外对于难溶性钾资源是否值得开发一直存有争议[8-10]。从已进行的研究看，低成本开发难溶性富钾岩石资源是一项极具挑战性的工作。

本文提出采用矿热电炉电热还原挥发法处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺，该工艺可同时实现难溶性钾资源中硅、铝、铁以及钾的综合利用。文中分析了技术难点，提出初步设想和建议方案，并对其可行性进行初步分析。

1 富钾岩石及其综合利用现状

我国可溶性钾资源严重短缺，已探明储量不足世界总量的0.2%。但是，我国难溶性钾资源丰富，难溶性富钾岩石储量大于1 000亿t，其中蕴含的K2O资源量大于100亿t。结合我国地质特征和岩石类型分布特征，估测我国富钾岩石的远景储量可能大于2 000亿t，蕴含的K2O资源量可能大于200亿t，这些资源主要分布在安徽、内蒙古、新疆、四川、山西等省[11]。中国地质大学(北京)的科研人员对我国不同区域富钾岩石的化学成分进行了详细分析，见表1[12]。

上世纪70年代后，由于在加拿大、前苏联和德国等国探明了大量水溶性钾盐矿床资源，国外关于富钾岩石制取钾盐的研究报道较少，但美、法、日、俄罗斯以及某些东欧国家仍把不溶性钾岩中K2O含量大于8%的钾岩石作为潜在钾肥资源。我国对不溶性钾矿资源的开发利用比国外起步晚，上世纪50年代开始探索利用含钾岩石提钾的工艺。国内的一些研究单位，如化工部、地矿部、建材部门的有关院所和企业，曾先后采用不同的方法(主要是热法和湿化学法)进行钾肥开发，目前还处于试验和推广阶段，形成工业化生产的技术不多，富钾岩石工业提钾的规模化生产仍然没有成功的先例[2]。

表1 富钾岩石的成分 %

注：1—北京平谷区钾质响岩；2—天津蓟县钾质粗面岩；3—山西临县紫金山假榴正长岩；4—江苏丰县华山富钾页岩；5—福建沙县田口钾长石粉体；6—内蒙古白云鄂博富钾板岩；7—天津蓟县富钾白云质泥岩；8—河南嵩县磨沟霓辉正长岩。9—河南卢氏县黄家湾白云母正长岩；10—陕西洛南县长岭霓辉正长岩；11—同3；12—云南个旧市白云山霞石正长岩；13—辽宁凤城市赛马霞石正长岩；14—安徽金寨县响洪甸角闪正长岩；15—安徽南陵县桂山石英正长岩；16—同10；17—同8。

如何对富钾岩石进行有效的综合利用，作者认为根本问题是难溶性富钾岩石中钾品位低，如果只进行钾资源的利用，很难取得较好的经济效益。由表1所示富钾岩石成分可知，富钾岩石中二氧化硅、三氧化二铝以及铁氧化物的含量占到富钾岩石的80%左右，氧化钾的平均含量约为12%。如何在回收钾的同时，有效利用占到80%的二氧化硅、三氧化二铝以及铁氧化物，从铁合金冶炼角度看，如果能采用矿热炉电热法高温还原，制备附加值高的硅铝铁合金，同时钾还原挥发再氧化成碳酸钾进行回收利用，则可以实现富钾岩石中90%以上资源的综合利用，其可能成为一种实现富钾矿石综合利用产业化的新工艺。

2 电热还原挥发法处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺

该新工艺是受上世纪80年代云南省个旧化学工业公司一项处理含钾岩石工艺启发提出的[13]。云南省个旧化学工业公司采用电炉挥发法综合利用霞石，霞石的成分见表2。

表2 霞石成分 %

表2所示霞石成分与表1所提供的富钾岩石成分相差不大。该公司在20 kVA单相石墨电极电炉中进行霞石的高温碳热还原，制备得到硅铁合金的同时，钾从炉内挥发出来，而氧化铝等未被还原的氧化物等进入炉渣。试验表明，每生产1 t钾盐，会产生1 t的45号硅铁和6.5 t含氧化铝32%的炉渣。

尽管个旧化学工业公司提到该工艺可以实现低成本综合利用含钾矿石，但之后并没有进行工业化生产。作者认为，该工艺确实提供了一条火法冶金综合利用富钾矿石的新思路，但是仍需要进行改进。由于三氧化二铝仍在炉渣中，造成如下三方面的不足：1)需要加入大量石灰熔剂，1 t霞石需要配入0.4 t石灰石，以调整炉渣温度及流动性等，增加了成本；2)大量炉渣的存在使得硅的回收率偏低，试验时冶炼得到的炉渣中二氧化硅含量达到近25%；3)高温炉渣需要消耗大量能量。如果能够配入过量碳质还原剂并提高冶炼温度，进一步将氧化铝还原成金属铝，得到硅铝铁合金，上述三方面的不足都会弥补，而得到的硅铝铁合金产品的附加值明显高于45号硅铁，从而提高富钾岩石综合利用的经济可行性。

依据上述分析，提出电热还原挥发法处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺，见图1。

图1 电热还原挥发法处理富钾岩石制备硅铝铁及钾肥新工艺

采用电热还原冶炼硅铝铁合金对于冶炼铝含量较高的硅铝铁比较困难，但冶炼铝含量低的硅铝铁比较成熟，表3为我国硅铝铁合金的产品质量标准。

表3 硅铝铁合金冶金行业标准(YB/T065.1995)[14] %

近些年，哈萨克斯坦采用粉煤灰等进行电热还原制备硅铝铁合金，其产品成分见表4。

依据表4提供的FS60A20牌号硅铝铁合金进行初步的物料计算，假设生产FS60A20牌号硅铝铁合金1 t，硅的回收率90%，铝的回收率85%，铁和钾的回收率100%，被还原的钾全部生成碳酸钾。初步估算结果见表5。

表4 哈萨克斯坦冶炼的硅铝铁合金[15] %

表5 初步估算的主要物料收入与产出 t

哈萨克斯坦采用粉煤灰等冶炼FS60A20硅铝铁合金，电耗在1.1～1.2万kWh/t[15]。考虑到钾的还原还需要部分热量，将矿热炉处理富钾岩石制备硅铝铁合金的电耗设为1.3万kWh/t。按照每度电0.6元，每生产1 t硅铝铁的电费为0.78万元；FS60A20合金的售价1万元/t；碳酸钾的售价6 000元/t，每生产1 t硅铝铁合金，产出0.45 t碳酸钾，即2 700元。所得产品的总售价可达1.27万元。产品售价与电费之差为0.49万元，即其它原材料以及相关能耗成本只要不超过0.49万元/t，则该工艺在经济上就是可行的。

关于低铝硅铝铁产品的市场问题，哈萨克斯坦研究表明，低铝含量的硅铝铁有利于提高铝回收率以及降低夹杂物含量[15]。2011年，哈萨克斯坦所生产的硅铝铁合金牌号均为表4所示低铝牌号，产量达到5 000 t/a，德国、土耳其、日本等国均购买其低铝系列硅铝铁合金用于钢铁生产[16]。低铝硅铝铁合金代替表3中的高铝硅铝铁合金是目前的主流趋势，而这种趋势恰恰有利于扩大采用富钾岩石冶炼得到的低铝硅铝铁产品的市场。

3 工艺技术可行性分析

由于该工艺仍处于概念设计阶段，涉及原料中氧化钾的还原挥发以及再次氧化等问题，技术上是否可行必须通过生产实践验证。本文仅依据现有资料和理论，进行工艺可行性的初步分析。

该工艺是否可行的关键有两个：第一，钾能否还原挥发回收；第二，碳热还原富钾矿石能否得到合格的硅铝铁合金。对于冶炼过程中钾的挥发及回收，依据云南省个旧化学工业公司的试验，氧化钾的总收尘率大于95%。高温还原熔炼时，不溶性钾矿中的钾挥发，遇到氧化性气体重新氧化成氧化钾，由于烟气含有大量的二氧化碳，气体中的氧化钾与二氧化碳结合，大部分钾盐呈碳酸钾状态产出，同时焦炭等原料中的硫、矿石中的少量氯亦随钾进入烟气，故钾盐中亦有少量硫酸钾和氯化钾。既然冶炼硅铁以及含铝炉渣可以使几乎所有钾进入气体，那么在更高的温度下进行无渣法冶炼硅铝铁合金，钾的挥发应更完全。

早期电热还原法冶炼硅铝铁采用铝土矿、硅石、铁屑、焦炭及其它含Al、Si矿物为原料，在矿热炉中直接还原生产硅铝铁合金。后期为降低原料成本，我国很多企业尝试了含碳、二氧化硅以及氧化铝的粉煤灰等冶炼硅铝铁合金[17-18]。2008年，哈萨克斯坦报道采用一种富含二氧化硅和氧化铝的矿石(clay rock)进行低铝含量硅铝铁生产[19]，该矿石的成分见表6。

表6 富含二氧化硅和氧化铝的矿石成分[19] %

采用该矿石，哈萨克斯坦冶炼得到了硅铝铁合金。该矿石的硅、铝含量与富钾岩石相似。另外，由于缺少铝土矿，前苏联曾采用电热还原法从富钾岩石中炼铝，并得到副产品钾肥[9]。该信息来自二次文献，该文献仅表明前苏联的工艺流程是可行的，没有详细的工艺介绍。

分析表明，富钾岩石冶炼硅铝铁合金及钾肥存在可能性，但是有关原料的特性(比如导电性、软熔性)、氧化钾对硅铝铁冶炼的具体影响还需要深入研究，以优化工艺。

4 结论

本文从富钾岩石中二氧化硅、三氧化二铝以及铁氧化物含量较高的特点出发，借鉴铁合金行业矿热炉冶炼硅铝铁以及云南省个旧化学工业公司电炉挥发法处理霞石生产硅铁及钾肥的工艺，提出采用矿热电炉还原冶炼硅铝铁及钾肥的新工艺。

初步分析表明，该工艺具有技术和经济上的可行性，为我国难溶性钾盐综合利用提供了一条新的思路，希望对我国从事富钾岩石提取钾肥的科研工作者有所启发，尽早实现我国难溶性钾矿石的综合利用。

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可再生能源投资版图变迁 发展中国家首超发达国家

联合国环境规划署等机构联合发布的最新报告显示，2015年，全球新能源领域投资达2 859亿美元，刷新了2011年投资额2785亿美元的纪录。2004～2015年间，全球对可再生能源投资总额达2.3万亿美元。

这份名为《2016全球可再生能源投资趋势》的报告显示，发展中国家对新能源领域的投资额首次超过发达国家。2015年，发展中国家对可再生能源的投资达1 560亿美元，同期，发达国家的投资额为1 300亿美元。对发展中国家而言，这一数额与2014年相比，增长19%，而且还是2004年时(90亿美元)的17倍。

发展中国家投资创纪录的背后，是以中国、印度、巴西为代表的国家，积极响应应对极端气候挑战的号召。其中，中国2015年可再生能源投资额为1 029亿美元，同比增长17%，在世界总投资额中占36%。除了中国、印度和巴西“三巨头”外，其他发展中国家去年对新能源领域的投资提升30%，达360亿美元，为2004年的近12倍。

发达国家中，欧洲对可再生能源的投资额从2014年的620亿美元下降21%，至2015年的488亿美元，为9年来的低谷；美国投资增长14%，至441亿美元；日本的投资与2014年持平，为362亿美元。

报告认为，一方面是发展中国家在风能、太阳能领域的快速研发以及需求量巨大，另一方面发达国家经济增速放缓，以及政府对可再生能源补贴力度的下降，导致了发展中国家更受资金的偏爱。

同时，对太阳能和风能的投资去年分别增长12%和4%，双双创下新高。

报告发现，随着可再生能源每兆瓦的发电成本进一步降低，2015年可再生能源发电装机容量(大型水电站除外)占所有新增发电装机容量的54%，标志着可再生能源发电装机容量首次超过常规能源发电装机容量。

此外，2015年新增发电装机容量中，可再生能源高于常规能源表明电力系统正在发生结构性转变。虽然可再生能源(大型水电除外)目前还只占世界总发电装机容量的很小部分(约16.2%)，但这一比例在不断攀升(与2014年相比增长15.2%)。同时，2015年可再生能源生产的实际电量占到全球的10.3%，与2014年相比增长9.1%。

Production of ferro-silico-aluminum and potash fertilizer by treating potassium-rich rock in the submerged arc furnace

XIAO Sai-jun, ZHANG Jun, WANG Zhen

It is a main task to achieve the resources comprehensive utilization of domestic infusible potassium-rich rock in order to solve the shortage of potash fertilizer. According to the characteristics of potassium-rich rock compositions, this paper proposes a new process of producing ferro-silico-aluminum and potash fertilizer from potassium-rich rock by using the electrothermal reduction volatilization method in the submerged arc furnace. The new process can achieve comprehensive utilization of silicon, aluminum, iron and potassium in the infusible potassium-rich rock. Preliminary analysis shows that the new process has the technical and economic feasibility.

potassium-rich rock; reduction in the submerged arc furnace; ferro-silico-aluminum; potash fertilizer

肖赛君(1982—)，女，湖北洪湖人，博士学位，讲师，研究方向为有色金属冶炼新工艺及熔盐电化学。

国家自然科学基金NO.51204001与NO.51404001以及教育部留学回国人员科研启动基金项目([2014]1685)资助。

2015-10-12

TF826.1

B

1672-6103(2016)04-0066-05