湖北省磷石膏綜合利用與對(duì)策

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(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

磷礦是指在經(jīng)濟(jì)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(chǎn)資源之一,主要用來加工成磷肥和磷化工產(chǎn)品,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和磷化學(xué)工業(yè)中占有極其重要的地位和作用。

湖北作為磷化產(chǎn)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(chǎn)磷酸的過程中同時(shí)產(chǎn)生大量的固體廢渣磷石膏,估算全省磷石膏歷年累計(jì)積存量>25 000萬t,造成資源毀損、環(huán)境污染和次生地質(zhì)災(zāi)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(chǔ)量大,是湖北的優(yōu)勢(shì)礦種,探明、保有的資源儲(chǔ)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(jì)查明磷礦石資源儲(chǔ)量70億t,保有資源儲(chǔ)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(nóng)架—?？怠⑶G襄、大悟—孝感、黃梅—武穴、鶴峰六大礦集區(qū)(圖1),前三個(gè)礦集區(qū)分別占全省查明資源儲(chǔ)量的56.63%、26.24%、11.77%。

磷礦的開發(fā)利用始于上世紀(jì)50年代,發(fā)展于上世紀(jì)末,截至2015年底,湖北省共設(shè)置磷礦采礦權(quán)102個(gè),全省年累計(jì)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(nèi)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(chǎn)品銷售收入437 364萬元,利潤(rùn)177 749萬元。

2 湖北省磷化產(chǎn)業(yè)概況

湖北省豐富的磷資源,為磷化工及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。全省已建成宜昌、保康、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(chǎn)基地。近年來,磷化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速?；窘ǔ梢瞬?、荊門、?？怠⑾尻柕染?xì)化工生產(chǎn)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(chǎn)品由最初的磷肥、基礎(chǔ)黃磷、磷酸和磷酸鹽等向食品、電子級(jí)磷酸鹽等精細(xì)磷化工產(chǎn)品發(fā)展,形成磷肥、基礎(chǔ)磷化工、精細(xì)磷化工20多種系列產(chǎn)品。不僅滿足省內(nèi)需求,并且有大量產(chǎn)品遠(yuǎn)銷其他省市或出口,產(chǎn)量及產(chǎn)值躍居全國前列。磷礦及相關(guān)產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為湖北國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

3 磷石膏概述

3.1 磷石膏的產(chǎn)生

磷石膏是磷化工企業(yè)采用濕法工藝,在生產(chǎn)磷酸過程中,排放的一種固體工業(yè)廢渣。具體的生產(chǎn)工藝是磷精礦與硫酸反應(yīng)生成磷酸和二水硫酸鈣(即磷石膏)。在通常情況下,濕法生產(chǎn)1 t磷酸,產(chǎn)生4.5～5.5 t磷石膏。企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生量一般在50萬t左右,全省每年產(chǎn)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(shí)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(jī)質(zhì)等雜質(zhì)。湖北省楚星、東圣、鄂中化工和興發(fā)集團(tuán)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(biāo)GB/T 23456—2009《磷石膏》及GB6556—2010《建筑材料放射性核素限量》進(jìn)行對(duì)照,特點(diǎn)如下:

表1 磷石膏化學(xué)成分及重金屬、放射性分析結(jié)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(jí)品,興發(fā)化工略<85%,屬二級(jí)品,東圣化工<75%,屬三級(jí)品。

(2) 主要有害雜質(zhì)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(nèi)照射指數(shù)IRa為0.163～0.354;外照射指數(shù)Iγ為0.116～0.241。兩項(xiàng)指標(biāo)均符合建筑主體材料和A裝修材料對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。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(chǎn)建材產(chǎn)品外,大部分作為廢渣丟棄,堆存在企業(yè)附近。多數(shù)企業(yè)采用濕排干堆(堆場(chǎng)),少數(shù)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(chǎng))(圖1),分布在宜昌、荊門、武穴、大悟、襄陽、武漢等地,累計(jì)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(jì)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(chǎng)(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(zhǎng)久日曬易形成揚(yáng)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(zhì)易于流出。庫堆存的磷石膏呈流塑狀物體,稍有處置不當(dāng),含有雜質(zhì)的酸性污染水出現(xiàn)滲漏或外溢,進(jìn)入地表水、地下水或土壤,將會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的水體、土壤、植物污染。同時(shí)被國家安監(jiān)部門列為重大危險(xiǎn)源,一旦磷石膏庫潰壩將對(duì)下游生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。

磷石膏引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題不可小視,國內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生的磷石膏污染、安全事件就是深刻教訓(xùn)。湖北省部分磷石膏庫(堆場(chǎng))引起的環(huán)境地質(zhì)問題也已顯現(xiàn),引起附近居民的強(qiáng)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(huì)、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(nèi)外磷石膏利用

磷石膏經(jīng)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(zhì)后,國內(nèi)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(chǎn)水泥緩凝劑和新型石膏建筑材料,與國內(nèi)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(chǎn)品單一、低端,缺少消耗磷石膏量大的生產(chǎn)線,如山東魯化年產(chǎn)20萬t硫酸聯(lián)產(chǎn)30萬t水泥生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生量相距甚遠(yuǎn)。按當(dāng)前磷石膏綜合利用企業(yè)的產(chǎn)能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)成分存在差異

磷石膏的產(chǎn)生源于磷礦石,其含量和有害雜質(zhì)受磷礦石及磷化企業(yè)生產(chǎn)工藝和處理方式有關(guān)。不同產(chǎn)地磷礦的礦石類型和物質(zhì)組成與磷石膏的質(zhì)量關(guān)系密切,尤其是主要礦物磷灰石的種類影響較大。同時(shí),在生產(chǎn)磷酸的過程中,不同企業(yè)、不同批次的磷石膏化學(xué)成分、雜質(zhì)含量都會(huì)有所不同。特別是后處理的漂洗,直接關(guān)系到有害雜質(zhì)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(chǎn)工藝十分重要。

4.2.2 生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜

生產(chǎn)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(jī)質(zhì)等有害雜質(zhì),必需通過預(yù)處理來清除或減少雜質(zhì),達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)方可利用。另外,磷石膏濕料需干燥后進(jìn)行煅燒,增添干燥設(shè)備,并且煅燒溫度一般比天然石膏難控制。磷石膏化學(xué)成分的波動(dòng)往往會(huì)造成生產(chǎn)線的既定工藝參數(shù)失控,產(chǎn)生廢品,造成經(jīng)濟(jì)損失。

4.2.3 產(chǎn)品質(zhì)量不完美,缺失相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

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(chǎn)品性能、環(huán)保指標(biāo)均已達(dá)到或超過相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量。但是,因工藝參數(shù)把控偏差,也存在強(qiáng)度不夠,返潮、返硝等現(xiàn)象。究其原因主要是產(chǎn)品缺乏相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),操作規(guī)程不規(guī)范。

4.2.4 生產(chǎn)成本較高

磷石膏作為原料需進(jìn)行去雜質(zhì)的凈化處理,增加生產(chǎn)成本。在除雜質(zhì)的同時(shí),還需防范產(chǎn)生新的廢渣和廢液的二次污染。部分產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜、能耗高(如制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥生產(chǎn)線),生產(chǎn)成本高于目前主流成熟工藝。另外,磷石膏產(chǎn)品(特別是建材產(chǎn)品)具較大的體積和質(zhì)量,運(yùn)輸費(fèi)用增加,制約了銷售半徑,造成企業(yè)運(yùn)行成本高。根據(jù)湖北省磷石膏綜合利用企業(yè)現(xiàn)狀得知,企業(yè)利潤(rùn)微薄,經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品附加值較低,一般要具規(guī)模效應(yīng),才具有經(jīng)濟(jì)效益,投資相對(duì)較大。同時(shí)某些工藝相對(duì)復(fù)雜,也增大了投入,如磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝,是目前最能有效大量消耗磷石膏,但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜,投資大。

4.2.6 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱

磷石膏與天然石膏生產(chǎn)相同產(chǎn)品比較,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)較弱。一是受傳統(tǒng)消費(fèi)觀念影響,消費(fèi)者不愿優(yōu)先使用磷石膏產(chǎn)品。二是消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有顧慮,個(gè)別產(chǎn)品穩(wěn)定性較差影響了整體聲譽(yù)。三是產(chǎn)品價(jià)格不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),雖說磷石膏無需開采成本,原料價(jià)格低于天然石膏。由于磷石膏產(chǎn)品的生產(chǎn)成本較高,其銷售價(jià)格并不占優(yōu)勢(shì)。

4.3 綜合利用潛力

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

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(zhì)不高,放射性核素限量低,再稍許處理,即可利用。同時(shí),磷石膏數(shù)量大,年產(chǎn)出2 500萬t,年利用量?jī)H占12%,還累計(jì)積存量25 000萬t以上,優(yōu)質(zhì)、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(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游城市群,占據(jù)明顯的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和便利的交通條件,磷石膏產(chǎn)品銷售范圍廣、市場(chǎng)前景較好。同時(shí)湖北省有實(shí)力雄厚的高校和科研院所,人才優(yōu)勢(shì)也為綜合利用提供了科技保障。

5 磷石膏綜合利用對(duì)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(jī),主要是生產(chǎn)建材產(chǎn)品,具有低碳、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì),其性能、環(huán)保指標(biāo)已達(dá)到或超過相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。但利用率不高,積存量巨大,對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,還急需加快磷石膏資源化的利用。政府有關(guān)部門應(yīng)發(fā)揮行政管理職能,從宏觀和微觀上提供服務(wù)職能。

5.1.1 摸清狀況,合理布局

相關(guān)部門應(yīng)進(jìn)一步查明全省磷石膏資源及生產(chǎn)狀況。根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和能力,結(jié)合地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、市場(chǎng)需求量,選擇經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)產(chǎn)品,引導(dǎo)企業(yè)合理布局生產(chǎn)線,避免同一地區(qū)大規(guī)模重復(fù)建設(shè)。

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

5.1.2 進(jìn)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(chǎn)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(jìng)爭(zhēng)者。應(yīng)逐步關(guān)停部分天然石膏礦山,擴(kuò)大對(duì)變廢為寶的磷石膏利用。

磷石膏因投資較大,在建廠初期應(yīng)給予土地、資金等方面政策優(yōu)惠。在落實(shí)資源綜合利用、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等已有相關(guān)優(yōu)惠政策之上,進(jìn)一步完善稅費(fèi)減免政策,擴(kuò)大磷石膏產(chǎn)品稅收減免范圍(如水泥緩凝劑、建筑石膏粉等中間產(chǎn)品),并在企業(yè)成長(zhǎng)期進(jìn)行稅費(fèi)減免試點(diǎn)。

5.1.3 設(shè)立財(cái)政專項(xiàng)資金,鼓勵(lì)企業(yè)發(fā)展

磷石膏的利用像其他廢物利用一樣,是一項(xiàng)利國利民的工作,符合國家的戰(zhàn)略決策。設(shè)立財(cái)政專項(xiàng)資金,給予企業(yè)和科研院校開展研發(fā)、技術(shù)攻關(guān)及生產(chǎn)等方面資金支持,擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)營規(guī)模,鼓勵(lì)企業(yè)使用新技術(shù),開發(fā)新產(chǎn)品,做大做強(qiáng)。

5.1.4 加強(qiáng)對(duì)企業(yè)的監(jiān)管,建立約束、激勵(lì)機(jī)制

樹立綠色發(fā)展理念,積極引導(dǎo)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(lì)機(jī)制。將資源節(jié)約、綜合利用、節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)等項(xiàng)納入企業(yè)重要考核目標(biāo)。表彰獎(jiǎng)勵(lì)磷石膏綜合利用成效好的企業(yè),對(duì)有條件進(jìn)行綜合利用而不實(shí)行的企業(yè)進(jìn)行懲罰,讓企業(yè)由被動(dòng)變主動(dòng),形成自我約束機(jī)制,促進(jìn)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(rèn)識(shí),加強(qiáng)管理

企業(yè)作為磷石膏產(chǎn)生和使用的經(jīng)濟(jì)主體,有義不容辭的責(zé)任和義務(wù)。面對(duì)目前存在的諸多問題,如磷石膏的某些有害雜質(zhì)含量偏高,利用受到限制;生產(chǎn)工藝復(fù)雜,產(chǎn)品質(zhì)量難以掌控;生產(chǎn)品種單調(diào),市場(chǎng)銷路受阻;利用率不高,積存量居高不下等,需要積極認(rèn)真對(duì)待,針對(duì)分析出的問題,采取有效辦法,做出成績(jī),推動(dòng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5.2.2 引進(jìn)資金,擴(kuò)大生產(chǎn)

磷石膏的綜合利用,產(chǎn)品的開發(fā),生產(chǎn)設(shè)備的購置,生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)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(chǎn),是值得采取的可行方法。

5.2.3 加強(qiáng)合作,開展技術(shù)攻關(guān)

加大科研投入力度,加強(qiáng)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(shù)優(yōu)勢(shì),研發(fā)新產(chǎn)品、新材料,以及技術(shù)攻關(guān)等,如優(yōu)化和完善利用磷石膏生產(chǎn)石膏晶須、制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥和回收水溶性P2O5、F的研究等。雙方合作以解決實(shí)際問題為目的,不空談理論,真正做到實(shí)處,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提升產(chǎn)品檔次,研發(fā)出適用性強(qiáng)、附加值高、經(jīng)濟(jì)效益好、磷石膏消耗量大的產(chǎn)品。

6 結(jié)論

磷石膏綜合利用是實(shí)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(hù)環(huán)境、實(shí)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(chǎn)生量不匹配,磷石膏大量積存已成為制約磷化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。湖北雄厚的科技實(shí)力,為企業(yè)研發(fā)先進(jìn)生產(chǎn)工藝和開發(fā)新產(chǎn)品提供了技術(shù)保障。得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和便捷的交通條件為磷石膏產(chǎn)品銷售帶來了很好的市場(chǎng)潛力。只要政府營造良好的政策環(huán)境,對(duì)企業(yè)加大資金、稅收減免力度,企業(yè)勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任,磷石膏資源化利用步伐指日可待,循環(huán)經(jīng)濟(jì)能力一定會(huì)大幅提升,逐步實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)。

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