湖北省磷石膏综合利用与对策

余 军, 王 磊, 贺华明, 王红艺

(1.湖北省国土资源厅,湖北 武汉 430071; 2.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

磷矿是指在经济上能被利用的磷酸盐类矿物的总称,是不可再生的自然矿产资源之一,主要用来加工成磷肥和磷化工产品,在农业生产和磷化学工业中占有极其重要的地位和作用。

湖北作为磷化产品大省,采用湿法制磷酸的主要磷化工企业有28家。在生产磷酸的过程中同时产生大量的固体废渣磷石膏,估算全省磷石膏历年累计积存量>25 000万t,造成资源毁损、环境污染和次生地质灾害等诸多问题。因此,解决磷石膏的综合利用具有重要意义。

1 湖北省磷矿资源概况

湖北省磷矿资源丰富,储量大,是湖北的优势矿种,探明、保有的资源储量位居全国首位,截至2015年底,湖北省上表磷矿区(段)共128处,累计查明磷矿石资源储量70亿t,保有资源储量63亿t,占全国总量的27.42%。

湖北省磷矿资源主要分布在宜昌、神农架—保康、荆襄、大悟—孝感、黄梅—武穴、鹤峰六大矿集区(图1),前三个矿集区分别占全省查明资源储量的56.63%、26.24%、11.77%。

磷矿的开发利用始于上世纪50年代,发展于上世纪末,截至2015年底,湖北省共设置磷矿采矿权102个,全省年累计开采磷矿石量2 255万t。湖北省年外销与外购磷矿石量基本持平,开采磷矿石量能满足省内所需。2015年,全省磷矿开发利用企业102家,从业人员14 875人,矿产品销售收入437 364万元,利润177 749万元。

2 湖北省磷化产业概况

湖北省丰富的磷资源,为磷化工及其产业的发展奠定了基础。全省已建成宜昌、保康、荆门、大悟等磷矿采选基地,宜昌、荆门、襄阳、大悟、武穴等磷肥生产基地。近年来,磷化产业发展迅速。基本建成宜昌、荆门、保康、襄阳等精细化工生产基地,其中有湖北宜化、兴发化工、东圣化工,新洋丰等企业位居中国十大磷化工企业排行榜。磷化工产品由最初的磷肥、基础黄磷、磷酸和磷酸盐等向食品、电子级磷酸盐等精细磷化工产品发展,形成磷肥、基础磷化工、精细磷化工20多种系列产品。不仅满足省内需求,并且有大量产品远销其他省市或出口,产量及产值跃居全国前列。磷矿及相关产业已发展成为湖北国民经济的重要战略产业。

3 磷石膏概述

3.1 磷石膏的产生

磷石膏是磷化工企业采用湿法工艺,在生产磷酸过程中,排放的一种固体工业废渣。具体的生产工艺是磷精矿与硫酸反应生成磷酸和二水硫酸钙(即磷石膏)。在通常情况下,湿法生产1 t磷酸,产生4.5～5.5 t磷石膏。企业生产获取磷酸后,把磷石膏作为废物丢弃。

湖北省湿法制磷酸主要企业分布在宜昌、荆门、襄阳、大悟、武穴等地。年产磷石膏>100万t有新洋丰、宜化等10家企业,其他企业年产生量一般在50万t左右,全省每年产生磷石膏2 500万t。

3.2 磷石膏的组成

磷石膏呈灰白色,有时呈灰黑、灰黄色粉末,密度为2.05～2.45 g/cm3,并含有液体的多组分矿物组合体,主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),一般含量80%～90%,其次为碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氟化物等可溶盐,以及硅、铁、铝、镁、重金属、有机质等杂质。湖北省楚星、东圣、鄂中化工和兴发集团等企业排放旳磷石膏成分见表1[1]。

表1所列本省磷石膏的组成,与国标GB/T 23456—2009《磷石膏》及GB6556—2010《建筑材料放射性核素限量》进行对照,特点如下:

表1 磷石膏化学成分及重金属、放射性分析结果表Table 1 Analysis result table of chemical composition of phosphogypsum ,heavy metals and radioactivity

(1) 有用组分二水硫酸钙的含量。楚星、鄂中化工的磷石膏CaSO4·2H2O含量>85%,属一级品,兴发化工略<85%,属二级品,东圣化工<75%,属三级品。

(2) 主要有害杂质水溶性P2O5和水溶性F。所有样品的P2O5均高于水溶性的要求(P2O5≤0.8%),说明附着的磷酸未冲洗干净。F含量有高有低,楚星和鄂中化工的水溶性F含量<0.5%,满足基本要求;兴发和东圣化工的F含量为0.8%左右,超过要求,需降氟处理。

(3) 重金属含量均较低,仅砷略高。

(4) 放射性核素含量低。所有样品的内照射指数IRa为0.163～0.354;外照射指数Iγ为0.116～0.241。两项指标均符合建筑主体材料和A装修材料对放射性核素限量的要求(IRa≤1.0和Iγ≤1.0)。

综上所述,湖北省磷石膏的CaSO4·2H2O含量较高,除水溶性磷的含量较高外,其他组分及放射性含量都低于国家标准。只要再通过降低水溶性磷,完全可以用于建筑材料等。

3.3 磷石膏的排放隐患

过去湖北省磷石膏除少量用于生产建材产品外,大部分作为废渣丢弃,堆存在企业附近。多数企业采用湿排干堆(堆场),少数企业采用湿排湿堆(磷石膏库),全省共有35处磷石膏库(堆场)(图1),分布在宜昌、荆门、武穴、大悟、襄阳、武汉等地,累计积存量>500万t的有东圣、新洋丰等13家企业,最小积存量约50万t。估算全省磷石膏累计积存量>25 000万t。

磷石膏的堆放占用大量土地。全省35处磷石膏堆场(库)共占地约1 063 hm2,其中占地面积30～60 hm2的有9家,占地>100 hm2的有4家。

磷石膏的堆放带来许多隐患。干堆放的磷石膏呈粉末状,长久日晒易形成扬尘,影响大气环境。被雨水的淋漓,含有水溶性P2O5、F多种盐类等有害杂质易于流出。库堆存的磷石膏呈流塑状物体,稍有处置不当,含有杂质的酸性污染水出现渗漏或外溢,进入地表水、地下水或土壤,将会造成不可逆转的水体、土壤、植物污染。同时被国家安监部门列为重大危险源,一旦磷石膏库溃坝将对下游生命财产造成巨大的损失。

磷石膏引发的环境地质问题不可小视,国内曾经发生的磷石膏污染、安全事件就是深刻教训。湖北省部分磷石膏库(堆场)引起的环境地质问题也已显现,引起附近居民的强烈不满,向政府、环保部门投诉,且逐年递增。

总之,巨量的磷石膏堆存压占了大量土地资源,破坏植被、自然景观,造成资源毁损。磷石膏堆积已引起社会、环境问题,其综合利用与治理已刻不容缓。

4 磷石膏的利用

4.1 综合利用现状

4.1.1 国内外磷石膏利用

磷石膏经水洗、浮选、石灰改性、煅烧、筛分、球磨、自然陈化等方法清除或减弱磷石膏中水溶性磷、氟等杂质后,国内外主要利用途径是水泥工业(水泥缓凝剂、水泥)、化工原料(硫酸、硫酸铵、硫酸钾、硫酸钙、石膏晶须等)、石膏建材制品(石膏粉、石膏板、石膏砌块等),其次是被用于筑路、填充采空区和土壤改良剂[2]。

4.1.2 湖北省磷石膏利用现状

湖北近几年才工业化利用磷石膏生产水泥缓凝剂和新型石膏建筑材料,与国内外还存在一些差距[3]。主要是起步晚、利用率不高、规模小、产品单一、低端,缺少消耗磷石膏量大的生产线,如山东鲁化年产20万t硫酸联产30万t水泥生产线。

湖北以磷石膏为原料的主要企业有10家,年消耗磷石膏量多的企业有湖北楚钟新型建材、泰山石膏(湖北、襄阳公司)、湖北宜化等(表2)。年消耗量不大,≤60万t。磷石膏主要产品是纸面石膏板、装饰石膏板、石膏砌块(砖)、水泥缓凝剂、石膏抹灰砂浆、石膏线材等。

表2 湖北省主要磷石膏综合利用企业一览表Table 2 List of enterprises comprehensive utilization of the main phosphogypsum in Hubei

全省企业年消耗磷石膏不足300万t,与年2 500万t产生量相距甚远。按当前磷石膏综合利用企业的产能,远远不能降低湖北省高速新增磷石膏积存量。

4.2 存在问题及制约因素

4.2.1 化学成分存在差异

磷石膏的产生源于磷矿石,其含量和有害杂质受磷矿石及磷化企业生产工艺和处理方式有关。不同产地磷矿的矿石类型和物质组成与磷石膏的质量关系密切,尤其是主要矿物磷灰石的种类影响较大。同时,在生产磷酸的过程中,不同企业、不同批次的磷石膏化学成分、杂质含量都会有所不同。特别是后处理的漂洗,直接关系到有害杂质水溶性的五氧化二磷和水溶性氟的残存量。因此,掌握好生产工艺十分重要。

4.2.2 生产工艺相对复杂

生产出的磷石膏是潮湿的粉体,含较多的水分,以及水溶性磷、氟、重金属、有机质等有害杂质,必需通过预处理来清除或减少杂质,达到标准方可利用。另外,磷石膏湿料需干燥后进行煅烧,增添干燥设备,并且煅烧温度一般比天然石膏难控制。磷石膏化学成分的波动往往会造成生产线的既定工艺参数失控,产生废品,造成经济损失。

4.2.3 产品质量不完美,缺失相关质量标准

磷石膏的利用目前仍主要集中在建筑材料,用于水泥缓凝剂、石膏粉、石膏板、石膏砌块(砖)等,工艺较成熟,产品性能、环保指标均已达到或超过相关产品质量。但是,因工艺参数把控偏差,也存在强度不够,返潮、返硝等现象。究其原因主要是产品缺乏相关国家或行业标准,操作规程不规范。

4.2.4 生产成本较高

磷石膏作为原料需进行去杂质的净化处理,增加生产成本。在除杂质的同时,还需防范产生新的废渣和废液的二次污染。部分产品生产工艺复杂、能耗高(如制硫酸联产水泥生产线),生产成本高于目前主流成熟工艺。另外,磷石膏产品(特别是建材产品)具较大的体积和质量,运输费用增加,制约了销售半径,造成企业运行成本高。根据湖北省磷石膏综合利用企业现状得知,企业利润微薄,经济效益不显著。

4.2.5 资金投入较大

磷石膏作为再生资源利用,产品附加值较低,一般要具规模效应,才具有经济效益,投资相对较大。同时某些工艺相对复杂,也增大了投入,如磷石膏制硫酸联产水泥工艺,是目前最能有效大量消耗磷石膏,但其生产工艺复杂,投资大。

4.2.6 市场竞争力较弱

磷石膏与天然石膏生产相同产品比较,市场竞争力相对较弱。一是受传统消费观念影响,消费者不愿优先使用磷石膏产品。二是消费者对产品质量有顾虑,个别产品稳定性较差影响了整体声誉。三是产品价格不占绝对优势,虽说磷石膏无需开采成本,原料价格低于天然石膏。由于磷石膏产品的生产成本较高,其销售价格并不占优势。

4.3 综合利用潜力

湖北磷产业链依托丰富的磷矿优势,由采选、复合肥向精细磷化工纵深发展,其产值占全省工业总产值的10%,在未来一定时间内,仍将是湖北经济的支柱产业之一。磷石膏作为一种资源,替代天然石膏生产建材已形成共识。

前述湖北省磷石膏CaSO4·2H2O含量较高,作为石膏建材原料,有害杂质不高,放射性核素限量低,再稍许处理,即可利用。同时,磷石膏数量大,年产出2 500万t,年利用量仅占12%,还累计积存量25 000万t以上,优质、丰富的磷石膏资源为磷石膏综合利用企业持续发展提供资源保障。加上湖北省地处中国中心、长江经济带中游城市群,占据明显的区位优势和便利的交通条件,磷石膏产品销售范围广、市场前景较好。同时湖北省有实力雄厚的高校和科研院所,人才优势也为综合利用提供了科技保障。

5 磷石膏综合利用对策和建议

5.1 政府部门加大支持力度

湖北省利用磷石膏取得一定成绩,主要是生产建材产品,具有低碳、节能、环保等优势,其性能、环保指标已达到或超过相关产品标准。但利用率不高,积存量巨大,对环境污染严重,还急需加快磷石膏资源化的利用。政府有关部门应发挥行政管理职能,从宏观和微观上提供服务职能。

5.1.1 摸清状况,合理布局

相关部门应进一步查明全省磷石膏资源及生产状况。根据现有的生产工艺和能力,结合地域经济发展水平、市场需求量,选择经济合理的目标产品,引导企业合理布局生产线,避免同一地区大规模重复建设。

在条件成熟时,创建综合利用示范区,鼓励和支持企业开展资源合理利用,通过示范基地效应,加快推进资源综合利用步伐。

5.1.2 进一步减免税收,加大扶持力度

磷石膏和天然石膏成分和用途基本相同。湖北省年产天然石膏158万t,作为原料主要用于建材行业,是磷石膏的有力竞争者。应逐步关停部分天然石膏矿山,扩大对变废为宝的磷石膏利用。

磷石膏因投资较大,在建厂初期应给予土地、资金等方面政策优惠。在落实资源综合利用、环境保护、节能减排等已有相关优惠政策之上,进一步完善税费减免政策,扩大磷石膏产品税收减免范围(如水泥缓凝剂、建筑石膏粉等中间产品),并在企业成长期进行税费减免试点。

5.1.3 设立财政专项资金,鼓励企业发展

磷石膏的利用像其他废物利用一样,是一项利国利民的工作,符合国家的战略决策。设立财政专项资金,给予企业和科研院校开展研发、技术攻关及生产等方面资金支持,扩大企业经营规模,鼓励企业使用新技术,开发新产品,做大做强。

5.1.4 加强对企业的监管,建立约束、激励机制

树立绿色发展理念,积极引导企业开展和加大综合利用的力度,建立磷石膏综合利用激励机制。将资源节约、综合利用、节能减排和环境保护等项纳入企业重要考核目标。表彰奖励磷石膏综合利用成效好的企业,对有条件进行综合利用而不实行的企业进行惩罚,让企业由被动变主动,形成自我约束机制,促进企业健康发展。

5.2 企业加快综合利用步伐

5.2.1 提高认识,加强管理

企业作为磷石膏产生和使用的经济主体,有义不容辞的责任和义务。面对目前存在的诸多问题,如磷石膏的某些有害杂质含量偏高,利用受到限制;生产工艺复杂,产品质量难以掌控;生产品种单调,市场销路受阻;利用率不高,积存量居高不下等,需要积极认真对待,针对分析出的问题,采取有效办法,做出成绩,推动企业的可持续发展。

5.2.2 引进资金,扩大生产

磷石膏的综合利用,产品的开发,生产设备的购置,生产工艺技术的改进等,都需要大量资金支持。在企业资金短缺的情况下,通过招商引资,吸纳外来资金,促使新材料或新工艺的投入和生产,是值得采取的可行方法。

5.2.3 加强合作,开展技术攻关

加大科研投入力度,加强与科研院所的合作,充分利用湖北省科研院所的人才和技术优势,研发新产品、新材料,以及技术攻关等,如优化和完善利用磷石膏生产石膏晶须、制硫酸联产水泥和回收水溶性P2O5、F的研究等。双方合作以解决实际问题为目的,不空谈理论,真正做到实处,提高产品质量,提升产品档次,研发出适用性强、附加值高、经济效益好、磷石膏消耗量大的产品。

6 结论

磷石膏综合利用是实现其资源化、缩量化、无害化的重要手段,是节约资源、治理污染、保护环境、实现可持续发展的重要举措。

湖北磷石膏综合利用起步较晚,磷石膏消耗量与产生量不匹配,磷石膏大量积存已成为制约磷化工产业可持续发展的瓶颈因素。湖北雄厚的科技实力,为企业研发先进生产工艺和开发新产品提供了技术保障。得天独厚的区位优势和便捷的交通条件为磷石膏产品销售带来了很好的市场潜力。只要政府营造良好的政策环境,对企业加大资金、税收减免力度,企业勇于承担社会责任,磷石膏资源化利用步伐指日可待,循环经济能力一定会大幅提升,逐步实现绿色发展目标。

[1] 张均,王磊,王云卿,等.湖北省磷矿固体废弃物综合利用的有效途径与政策研究[R].武汉:中国地质大学,2015.

[2] 孙志立,车建军.磷石膏资源化利用的发展方向[J].化肥工业,2014(4):1-3.

[3] 张莉,冯兵.湖北省磷化工产业(链)转型升级对策研究[J].企业导报,2015(10):1-4.