余 軍, 王 磊, 賀華明, 王紅藝

(1.湖北省國土資源廳,湖北 武漢 430071; 2.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

磷礦是指在經濟上能被利用的磷酸鹽類礦物的總稱,是不可再生的自然礦產資源之一,主要用來加工成磷肥和磷化工產品,在農業(yè)生產和磷化學工業(yè)中占有極其重要的地位和作用。

湖北作為磷化產品大省,采用濕法制磷酸的主要磷化工企業(yè)有28家。在生產磷酸的過程中同時產生大量的固體廢渣磷石膏,估算全省磷石膏歷年累計積存量>25 000萬t,造成資源毀損、環(huán)境污染和次生地質災害等諸多問題。因此,解決磷石膏的綜合利用具有重要意義。

1 湖北省磷礦資源概況

湖北省磷礦資源豐富,儲量大,是湖北的優(yōu)勢礦種,探明、保有的資源儲量位居全國首位,截至2015年底,湖北省上表磷礦區(qū)(段)共128處,累計查明磷礦石資源儲量70億t,保有資源儲量63億t,占全國總量的27.42%。

湖北省磷礦資源主要分布在宜昌、神農架—保康、荊襄、大悟—孝感、黃梅—武穴、鶴峰六大礦集區(qū)(圖1),前三個礦集區(qū)分別占全省查明資源儲量的56.63%、26.24%、11.77%。

磷礦的開發(fā)利用始于上世紀50年代,發(fā)展于上世紀末,截至2015年底,湖北省共設置磷礦采礦權102個,全省年累計開采磷礦石量2 255萬t。湖北省年外銷與外購磷礦石量基本持平,開采磷礦石量能滿足省內所需。2015年,全省磷礦開發(fā)利用企業(yè)102家,從業(yè)人員14 875人,礦產品銷售收入437 364萬元,利潤177 749萬元。

2 湖北省磷化產業(yè)概況

湖北省豐富的磷資源,為磷化工及其產業(yè)的發(fā)展奠定了基礎。全省已建成宜昌、?？?、荊門、大悟等磷礦采選基地,宜昌、荊門、襄陽、大悟、武穴等磷肥生產基地。近年來,磷化產業(yè)發(fā)展迅速?；窘ǔ梢瞬?、荊門、?？?、襄陽等精細化工生產基地,其中有湖北宜化、興發(fā)化工、東圣化工,新洋豐等企業(yè)位居中國十大磷化工企業(yè)排行榜。磷化工產品由最初的磷肥、基礎黃磷、磷酸和磷酸鹽等向食品、電子級磷酸鹽等精細磷化工產品發(fā)展,形成磷肥、基礎磷化工、精細磷化工20多種系列產品。不僅滿足省內需求,并且有大量產品遠銷其他省市或出口,產量及產值躍居全國前列。磷礦及相關產業(yè)已發(fā)展成為湖北國民經濟的重要戰(zhàn)略產業(yè)。

3 磷石膏概述

3.1 磷石膏的產生

磷石膏是磷化工企業(yè)采用濕法工藝,在生產磷酸過程中,排放的一種固體工業(yè)廢渣。具體的生產工藝是磷精礦與硫酸反應生成磷酸和二水硫酸鈣(即磷石膏)。在通常情況下,濕法生產1 t磷酸,產生4.5～5.5 t磷石膏。企業(yè)生產獲取磷酸后,把磷石膏作為廢物丟棄。

湖北省濕法制磷酸主要企業(yè)分布在宜昌、荊門、襄陽、大悟、武穴等地。年產磷石膏>100萬t有新洋豐、宜化等10家企業(yè),其他企業(yè)年產生量一般在50萬t左右,全省每年產生磷石膏2 500萬t。

3.2 磷石膏的組成

磷石膏呈灰白色,有時呈灰黑、灰黃色粉末,密度為2.05～2.45 g/cm3,并含有液體的多組分礦物組合體,主要成分為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O),一般含量80%～90%,其次為碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氟化物等可溶鹽,以及硅、鐵、鋁、鎂、重金屬、有機質等雜質。湖北省楚星、東圣、鄂中化工和興發(fā)集團等企業(yè)排放旳磷石膏成分見表1[1]。

表1所列本省磷石膏的組成,與國標GB/T 23456—2009《磷石膏》及GB6556—2010《建筑材料放射性核素限量》進行對照,特點如下:

表1 磷石膏化學成分及重金屬、放射性分析結果表Table 1 Analysis result table of chemical composition of phosphogypsum ,heavy metals and radioactivity

(1) 有用組分二水硫酸鈣的含量。楚星、鄂中化工的磷石膏CaSO4·2H2O含量>85%,屬一級品,興發(fā)化工略<85%,屬二級品,東圣化工<75%,屬三級品。

(2) 主要有害雜質水溶性P2O5和水溶性F。所有樣品的P2O5均高于水溶性的要求(P2O5≤0.8%),說明附著的磷酸未沖洗干凈。F含量有高有低,楚星和鄂中化工的水溶性F含量<0.5%,滿足基本要求;興發(fā)和東圣化工的F含量為0.8%左右,超過要求,需降氟處理。

(3) 重金屬含量均較低,僅砷略高。

(4) 放射性核素含量低。所有樣品的內照射指數IRa為0.163～0.354;外照射指數Iγ為0.116～0.241。兩項指標均符合建筑主體材料和A裝修材料對放射性核素限量的要求(IRa≤1.0和Iγ≤1.0)。

綜上所述,湖北省磷石膏的CaSO4·2H2O含量較高,除水溶性磷的含量較高外,其他組分及放射性含量都低于國家標準。只要再通過降低水溶性磷,完全可以用于建筑材料等。

3.3 磷石膏的排放隱患

過去湖北省磷石膏除少量用于生產建材產品外,大部分作為廢渣丟棄,堆存在企業(yè)附近。多數企業(yè)采用濕排干堆(堆場),少數企業(yè)采用濕排濕堆(磷石膏庫),全省共有35處磷石膏庫(堆場)(圖1),分布在宜昌、荊門、武穴、大悟、襄陽、武漢等地,累計積存量>500萬t的有東圣、新洋豐等13家企業(yè),最小積存量約50萬t。估算全省磷石膏累計積存量>25 000萬t。

磷石膏的堆放占用大量土地。全省35處磷石膏堆場(庫)共占地約1 063 hm2,其中占地面積30～60 hm2的有9家,占地>100 hm2的有4家。

磷石膏的堆放帶來許多隱患。干堆放的磷石膏呈粉末狀,長久日曬易形成揚塵,影響大氣環(huán)境。被雨水的淋漓,含有水溶性P2O5、F多種鹽類等有害雜質易于流出。庫堆存的磷石膏呈流塑狀物體,稍有處置不當,含有雜質的酸性污染水出現(xiàn)滲漏或外溢,進入地表水、地下水或土壤,將會造成不可逆轉的水體、土壤、植物污染。同時被國家安監(jiān)部門列為重大危險源,一旦磷石膏庫潰壩將對下游生命財產造成巨大的損失。

磷石膏引發(fā)的環(huán)境地質問題不可小視,國內曾經發(fā)生的磷石膏污染、安全事件就是深刻教訓。湖北省部分磷石膏庫(堆場)引起的環(huán)境地質問題也已顯現(xiàn),引起附近居民的強烈不滿,向政府、環(huán)保部門投訴,且逐年遞增。

總之,巨量的磷石膏堆存壓占了大量土地資源,破壞植被、自然景觀,造成資源毀損。磷石膏堆積已引起社會、環(huán)境問題,其綜合利用與治理已刻不容緩。

4 磷石膏的利用

4.1 綜合利用現(xiàn)狀

4.1.1 國內外磷石膏利用

磷石膏經水洗、浮選、石灰改性、煅燒、篩分、球磨、自然陳化等方法清除或減弱磷石膏中水溶性磷、氟等雜質后,國內外主要利用途徑是水泥工業(yè)(水泥緩凝劑、水泥)、化工原料(硫酸、硫酸銨、硫酸鉀、硫酸鈣、石膏晶須等)、石膏建材制品(石膏粉、石膏板、石膏砌塊等),其次是被用于筑路、填充采空區(qū)和土壤改良劑[2]。

4.1.2 湖北省磷石膏利用現(xiàn)狀

湖北近幾年才工業(yè)化利用磷石膏生產水泥緩凝劑和新型石膏建筑材料,與國內外還存在一些差距[3]。主要是起步晚、利用率不高、規(guī)模小、產品單一、低端,缺少消耗磷石膏量大的生產線,如山東魯化年產20萬t硫酸聯(lián)產30萬t水泥生產線。

湖北以磷石膏為原料的主要企業(yè)有10家,年消耗磷石膏量多的企業(yè)有湖北楚鐘新型建材、泰山石膏(湖北、襄陽公司)、湖北宜化等(表2)。年消耗量不大,≤60萬t。磷石膏主要產品是紙面石膏板、裝飾石膏板、石膏砌塊(磚)、水泥緩凝劑、石膏抹灰砂漿、石膏線材等。

表2 湖北省主要磷石膏綜合利用企業(yè)一覽表Table 2 List of enterprises comprehensive utilization of the main phosphogypsum in Hubei

全省企業(yè)年消耗磷石膏不足300萬t,與年2 500萬t產生量相距甚遠。按當前磷石膏綜合利用企業(yè)的產能,遠遠不能降低湖北省高速新增磷石膏積存量。

4.2 存在問題及制約因素

4.2.1 化學成分存在差異

磷石膏的產生源于磷礦石,其含量和有害雜質受磷礦石及磷化企業(yè)生產工藝和處理方式有關。不同產地磷礦的礦石類型和物質組成與磷石膏的質量關系密切,尤其是主要礦物磷灰石的種類影響較大。同時,在生產磷酸的過程中,不同企業(yè)、不同批次的磷石膏化學成分、雜質含量都會有所不同。特別是后處理的漂洗,直接關系到有害雜質水溶性的五氧化二磷和水溶性氟的殘存量。因此,掌握好生產工藝十分重要。

4.2.2 生產工藝相對復雜

生產出的磷石膏是潮濕的粉體,含較多的水分,以及水溶性磷、氟、重金屬、有機質等有害雜質,必需通過預處理來清除或減少雜質,達到標準方可利用。另外,磷石膏濕料需干燥后進行煅燒,增添干燥設備,并且煅燒溫度一般比天然石膏難控制。磷石膏化學成分的波動往往會造成生產線的既定工藝參數失控,產生廢品,造成經濟損失。

4.2.3 產品質量不完美,缺失相關質量標準

磷石膏的利用目前仍主要集中在建筑材料,用于水泥緩凝劑、石膏粉、石膏板、石膏砌塊(磚)等,工藝較成熟,產品性能、環(huán)保指標均已達到或超過相關產品質量。但是,因工藝參數把控偏差,也存在強度不夠,返潮、返硝等現(xiàn)象。究其原因主要是產品缺乏相關國家或行業(yè)標準,操作規(guī)程不規(guī)范。

4.2.4 生產成本較高

磷石膏作為原料需進行去雜質的凈化處理,增加生產成本。在除雜質的同時,還需防范產生新的廢渣和廢液的二次污染。部分產品生產工藝復雜、能耗高(如制硫酸聯(lián)產水泥生產線),生產成本高于目前主流成熟工藝。另外,磷石膏產品(特別是建材產品)具較大的體積和質量,運輸費用增加,制約了銷售半徑,造成企業(yè)運行成本高。根據湖北省磷石膏綜合利用企業(yè)現(xiàn)狀得知,企業(yè)利潤微薄,經濟效益不顯著。

4.2.5 資金投入較大

磷石膏作為再生資源利用,產品附加值較低,一般要具規(guī)模效應,才具有經濟效益,投資相對較大。同時某些工藝相對復雜,也增大了投入,如磷石膏制硫酸聯(lián)產水泥工藝,是目前最能有效大量消耗磷石膏,但其生產工藝復雜,投資大。

4.2.6 市場競爭力較弱

磷石膏與天然石膏生產相同產品比較,市場競爭力相對較弱。一是受傳統(tǒng)消費觀念影響,消費者不愿優(yōu)先使用磷石膏產品。二是消費者對產品質量有顧慮,個別產品穩(wěn)定性較差影響了整體聲譽。三是產品價格不占絕對優(yōu)勢,雖說磷石膏無需開采成本,原料價格低于天然石膏。由于磷石膏產品的生產成本較高,其銷售價格并不占優(yōu)勢。

4.3 綜合利用潛力

湖北磷產業(yè)鏈依托豐富的磷礦優(yōu)勢,由采選、復合肥向精細磷化工縱深發(fā)展,其產值占全省工業(yè)總產值的10%,在未來一定時間內,仍將是湖北經濟的支柱產業(yè)之一。磷石膏作為一種資源,替代天然石膏生產建材已形成共識。

前述湖北省磷石膏CaSO4·2H2O含量較高,作為石膏建材原料,有害雜質不高,放射性核素限量低,再稍許處理,即可利用。同時,磷石膏數量大,年產出2 500萬t,年利用量僅占12%,還累計積存量25 000萬t以上,優(yōu)質、豐富的磷石膏資源為磷石膏綜合利用企業(yè)持續(xù)發(fā)展提供資源保障。加上湖北省地處中國中心、長江經濟帶中游城市群,占據明顯的區(qū)位優(yōu)勢和便利的交通條件,磷石膏產品銷售范圍廣、市場前景較好。同時湖北省有實力雄厚的高校和科研院所,人才優(yōu)勢也為綜合利用提供了科技保障。

5 磷石膏綜合利用對策和建議

5.1 政府部門加大支持力度

湖北省利用磷石膏取得一定成績,主要是生產建材產品,具有低碳、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢,其性能、環(huán)保指標已達到或超過相關產品標準。但利用率不高,積存量巨大,對環(huán)境污染嚴重,還急需加快磷石膏資源化的利用。政府有關部門應發(fā)揮行政管理職能,從宏觀和微觀上提供服務職能。

5.1.1 摸清狀況,合理布局

相關部門應進一步查明全省磷石膏資源及生產狀況。根據現(xiàn)有的生產工藝和能力,結合地域經濟發(fā)展水平、市場需求量,選擇經濟合理的目標產品,引導企業(yè)合理布局生產線,避免同一地區(qū)大規(guī)模重復建設。

在條件成熟時,創(chuàng)建綜合利用示范區(qū),鼓勵和支持企業(yè)開展資源合理利用,通過示范基地效應,加快推進資源綜合利用步伐。

5.1.2 進一步減免稅收,加大扶持力度

磷石膏和天然石膏成分和用途基本相同。湖北省年產天然石膏158萬t,作為原料主要用于建材行業(yè),是磷石膏的有力競爭者。應逐步關停部分天然石膏礦山,擴大對變廢為寶的磷石膏利用。

磷石膏因投資較大,在建廠初期應給予土地、資金等方面政策優(yōu)惠。在落實資源綜合利用、環(huán)境保護、節(jié)能減排等已有相關優(yōu)惠政策之上,進一步完善稅費減免政策,擴大磷石膏產品稅收減免范圍(如水泥緩凝劑、建筑石膏粉等中間產品),并在企業(yè)成長期進行稅費減免試點。

5.1.3 設立財政專項資金,鼓勵企業(yè)發(fā)展

磷石膏的利用像其他廢物利用一樣,是一項利國利民的工作,符合國家的戰(zhàn)略決策。設立財政專項資金,給予企業(yè)和科研院校開展研發(fā)、技術攻關及生產等方面資金支持,擴大企業(yè)經營規(guī)模,鼓勵企業(yè)使用新技術,開發(fā)新產品,做大做強。

5.1.4 加強對企業(yè)的監(jiān)管,建立約束、激勵機制

樹立綠色發(fā)展理念,積極引導企業(yè)開展和加大綜合利用的力度,建立磷石膏綜合利用激勵機制。將資源節(jié)約、綜合利用、節(jié)能減排和環(huán)境保護等項納入企業(yè)重要考核目標。表彰獎勵磷石膏綜合利用成效好的企業(yè),對有條件進行綜合利用而不實行的企業(yè)進行懲罰,讓企業(yè)由被動變主動,形成自我約束機制,促進企業(yè)健康發(fā)展。

5.2 企業(yè)加快綜合利用步伐

5.2.1 提高認識,加強管理

企業(yè)作為磷石膏產生和使用的經濟主體,有義不容辭的責任和義務。面對目前存在的諸多問題,如磷石膏的某些有害雜質含量偏高,利用受到限制;生產工藝復雜,產品質量難以掌控;生產品種單調,市場銷路受阻;利用率不高,積存量居高不下等,需要積極認真對待,針對分析出的問題,采取有效辦法,做出成績,推動企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5.2.2 引進資金,擴大生產

磷石膏的綜合利用,產品的開發(fā),生產設備的購置,生產工藝技術的改進等,都需要大量資金支持。在企業(yè)資金短缺的情況下,通過招商引資,吸納外來資金,促使新材料或新工藝的投入和生產,是值得采取的可行方法。

5.2.3 加強合作,開展技術攻關

加大科研投入力度,加強與科研院所的合作,充分利用湖北省科研院所的人才和技術優(yōu)勢,研發(fā)新產品、新材料,以及技術攻關等,如優(yōu)化和完善利用磷石膏生產石膏晶須、制硫酸聯(lián)產水泥和回收水溶性P2O5、F的研究等。雙方合作以解決實際問題為目的,不空談理論,真正做到實處,提高產品質量,提升產品檔次,研發(fā)出適用性強、附加值高、經濟效益好、磷石膏消耗量大的產品。

6 結論

磷石膏綜合利用是實現(xiàn)其資源化、縮量化、無害化的重要手段,是節(jié)約資源、治理污染、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

湖北磷石膏綜合利用起步較晚,磷石膏消耗量與產生量不匹配,磷石膏大量積存已成為制約磷化工產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。湖北雄厚的科技實力,為企業(yè)研發(fā)先進生產工藝和開發(fā)新產品提供了技術保障。得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢和便捷的交通條件為磷石膏產品銷售帶來了很好的市場潛力。只要政府營造良好的政策環(huán)境,對企業(yè)加大資金、稅收減免力度,企業(yè)勇于承擔社會責任,磷石膏資源化利用步伐指日可待,循環(huán)經濟能力一定會大幅提升,逐步實現(xiàn)綠色發(fā)展目標。

[1] 張均,王磊,王云卿,等.湖北省磷礦固體廢棄物綜合利用的有效途徑與政策研究[R].武漢:中國地質大學,2015.

[2] 孫志立,車建軍.磷石膏資源化利用的發(fā)展方向[J].化肥工業(yè),2014(4):1-3.

[3] 張莉,馮兵.湖北省磷化工產業(yè)(鏈)轉型升級對策研究[J].企業(yè)導報,2015(10):1-4.