“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)應(yīng)用及其對(duì)資源和環(huán)境的影響分析

王羅海 王石軍 劉萬(wàn)平 王凡 左金星 金青明

1 青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，國(guó)家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，青海省鹽湖資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木，816099

2 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

“固體鉀礦的浸泡式溶解轉(zhuǎn)化方法”（以下簡(jiǎn)稱“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)）是青海鹽湖工業(yè)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“鹽湖股份公司”)通過(guò)承擔(dān)國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃，經(jīng)十余年科技攻關(guān)自主研發(fā)的專利技術(shù)，該方法包括固體鉀鹽溶解轉(zhuǎn)化單元?jiǎng)澐帧⑷軇┲迫?、溶劑輸送、溶劑浸泡、?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析、鹵水開(kāi)采等環(huán)節(jié)，對(duì)低品位固體鉀礦具有良好的選擇性溶解效果，其基本方法是根據(jù)礦區(qū)固體鉀礦的分布合理劃分單元，使用鹽田光鹵石曬制完成后的老鹵水或水氯鎂石、選礦加工廠排放的尾鹽與鹽湖礦區(qū)周邊微咸水或湖水精準(zhǔn)配制得到適合“選擇性溶解鉀鎂鹽的溶劑”，然后輸送、注入預(yù)定的固體鉀礦層單元中，使溶劑淹沒(méi)含鉀礦的鹽巖層，鉀鎂鹽組份溶解到溶劑中，最終接近飽和，再被開(kāi)采利用[1]。鹽湖股份公司于2008年開(kāi)始在察爾汗鹽湖西部別勒灘礦區(qū)工程化大規(guī)模應(yīng)用，隨后推廣至柴達(dá)木盆地各鹽湖生產(chǎn)礦區(qū)。

1 察爾汗鹽湖資源概況

察爾汗鹽湖位于柴達(dá)木盆地中東部，是中國(guó)探明儲(chǔ)量最大的可溶性氯化物型鉀鎂鹽礦，其開(kāi)發(fā)始于20 世紀(jì)50 年代。鉀鎂鹽分為固體、液體兩種形式。

固體鉀鎂鹽礦主要賦存在石鹽層、次為碎屑層，是鹵水高度濃縮后期的產(chǎn)物；礦體形態(tài)復(fù)雜，一般為層狀、似層狀及透鏡體、扁豆?fàn)睿V體厚度不連續(xù)、不穩(wěn)定，品位分布不均勻；自下而上劃分為四個(gè)含礦層、七個(gè)層次(K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7)，固體鉀礦主要礦體分布面積約2300km2。察爾汗鹽湖現(xiàn)探明固體鉀礦儲(chǔ)量約2.96 億t，平均品位為1.24%，約90%的固體鉀礦資源量分布在20m 以淺的K4、K5、K6、K7四個(gè)層次中[2-4]。

液體鉀礦根據(jù)鹵水賦存狀態(tài)可分晶間鹵水、孔隙鹵水兩種；根據(jù)富水性強(qiáng)弱，劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)含礦層。晶間鹵水的第Ⅰ含礦層，為出露地表的上部鹽層，因孔隙大，富水性強(qiáng)，單位涌水量30～84L/s·m，是察爾汗鹽湖的主要礦層，工業(yè)礦體分布面積約2341km2。第Ⅱ含礦層包括中部鹽層和下部鹽層，主要分布在別勒灘區(qū)段、達(dá)布遜區(qū)段，多為膠結(jié)致密的鹽層，富水性較差，工業(yè)價(jià)值低；鹽層間的孔隙鹵水，賦存在含石鹽粉砂、細(xì)砂和亞粘土中，是一相對(duì)較弱的隔水層，富水性差，工業(yè)價(jià)值不大[2-4]。

2 固轉(zhuǎn)液技術(shù)在鹽湖開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在2008 年“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)應(yīng)用之前，察爾汗鹽湖主要開(kāi)采含鉀原始晶間鹵水，隨著持續(xù)采鹵，水位埋深逐年下降、降落漏斗面積逐年擴(kuò)大。由于察爾汗鹽湖深部含水層孔隙度、給水度均低于淺部含水層[2-3]，隨著水位的下降，渠道出鹵衰減量也逐漸擴(kuò)大，采出鹵水量每年5%～10%的速度逐年遞減，難以保障生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定。而且采鹵渠道也因水位的逐漸下降而拓寬加深，開(kāi)挖深渠不僅降低了采礦的經(jīng)濟(jì)效益，也不利于長(zhǎng)期生產(chǎn)的安全運(yùn)行。因此如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程化、易操作低成本的開(kāi)采埋深相對(duì)較淺的低品位固體鉀礦資源，大幅提高察爾汗鹽湖鉀鹽的資源利用率，并且降低采礦成本和提升經(jīng)濟(jì)效益，成為察爾汗鹽湖開(kāi)發(fā)和持續(xù)發(fā)展需要解決的首要問(wèn)題。

“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)的研發(fā)成功，使固體鉀鹽工業(yè)品位由8%降低至2%，邊界品位由3%降低至0.5%[4-5]，使鹽湖鉀礦成為“活礦”，使低品位難開(kāi)采固體鉀礦得到了有效利用。鹽湖股份公司自2008年在別勒灘礦區(qū)300km2范圍建設(shè)“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)工程，至2019 年底已全面推廣至公司整個(gè)礦區(qū)固體鉀礦分布超過(guò)2300km2的范圍內(nèi)，使察爾汗鹽湖形成了世界上唯一的KCl 品位約為2%的低品位固體鉀鹽大面積開(kāi)采工程；亦使鹽湖股份公司鉀肥生產(chǎn)規(guī)模由100 萬(wàn)t/a 服務(wù)年限30 多年增加到500 萬(wàn)t/a 服務(wù)年限50 年，改變了我國(guó)鉀資源供應(yīng)格局[6-7]?！肮剔D(zhuǎn)液”技術(shù)作為鹽湖難開(kāi)發(fā)固體鉀礦的先進(jìn)開(kāi)采技術(shù)，推廣應(yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已通過(guò)專利技術(shù)使用許可等方式，在察爾汗鹽湖鐵路以東及馬海鹽湖等礦區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用[8]。

3 對(duì)鹽湖資源影響分析

察爾汗鉀資源具有固、液并存，固體礦層數(shù)多、品位低、零星分布，傳統(tǒng)的固體礦開(kāi)采技術(shù)難以直接開(kāi)采，應(yīng)用“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)，采用水溶法可進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)采，形成“固液轉(zhuǎn)化，驅(qū)動(dòng)開(kāi)采，尾液循環(huán)，貧富兼采”的新模式。

據(jù)國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)標(biāo)志性工程《青海鹽湖100 萬(wàn)t 氯化鉀項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》，別勒灘礦區(qū)設(shè)計(jì)利用KCl≥1.0%的鹵水資源，其孔隙度儲(chǔ)量6745萬(wàn)t，給水度儲(chǔ)量3781 萬(wàn)t[9]。如果采用傳統(tǒng)開(kāi)采方法無(wú)法采出持水度儲(chǔ)量，只能開(kāi)采出重力作用下從孔隙度中流出的給水度鹵水儲(chǔ)量，最大可采出KCl 資源量約為3781 萬(wàn)t，而且鹵水水位降深達(dá)到約20m；以年產(chǎn)100 萬(wàn)t 規(guī)模，服務(wù)年限僅27 年。2008 年鹽湖股份公司在別勒灘礦區(qū)推廣應(yīng)用“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)，大幅度增加了可采資源儲(chǔ)量，截至2019年累計(jì)開(kāi)采出KCl資源量6191萬(wàn)t[10]，已經(jīng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法可采出的KCl 資源量3781 萬(wàn)t。目前鹽湖股份公司礦區(qū)鹵水水位埋深與2002 年開(kāi)采前比較（圖1，圖2），平均降深僅3.11m，保有的可開(kāi)采鹵水礦層平均厚度仍在10m 以上，別勒灘礦區(qū)采出的KCl 資源量已經(jīng)超過(guò)傳統(tǒng)方法下可開(kāi)采出的最大資源量-2410 萬(wàn)t。說(shuō)明自2008年推廣應(yīng)用“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)以來(lái)，使鹽湖股份公司別勒灘礦區(qū)至少增加了2410 萬(wàn)t 可采KCl 資源量和10m 以上的可采鹵水礦層厚度。

“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)的推廣應(yīng)用，改變了原有的開(kāi)采模式，變靜態(tài)疏干式開(kāi)采為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)式開(kāi)采，使傳統(tǒng)方法不能利用資源變?yōu)榭衫觅Y源，使貧礦資源轉(zhuǎn)變?yōu)楦坏V資源，使資源可采量得到成倍增加。根據(jù)試驗(yàn)和實(shí)踐表明，僅柴達(dá)木盆地就可以溶解轉(zhuǎn)化出固體鉀礦約2.68 億t[11]。通過(guò)鉀礦“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)的推廣應(yīng)用，豐富了鹽湖礦產(chǎn)資源的開(kāi)采方式和手段，能夠有效提高資源利用率，增加中國(guó)鉀鹽保有儲(chǔ)量，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，保障中國(guó)現(xiàn)有鉀肥規(guī)模的可持續(xù)發(fā)展生產(chǎn)。

圖1 察爾汗鹽湖開(kāi)發(fā)前原始水位埋深等值線圖Fig.1 Contour map of original water level buried depth before development of Qarhan Salt Lake

圖2 察爾汗鹽湖 2019年12月水位埋深等值線圖Fig.2 Contour map of water level buried depth of Qarhan salt lake in December 2019

4 對(duì)鹽湖環(huán)境保護(hù)影響分析

青海鹽湖資源目前直接開(kāi)采和綜合開(kāi)發(fā)利用的礦產(chǎn)資源礦種有KCl、NaCl、MgCl2、LiCl，在資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中排放的副產(chǎn)物主要有鹽田老鹵、加工廠尾液和尾鹽。老鹵是指鹽湖鹵水抽取提升至鹽田系統(tǒng)后，通過(guò)自然蒸發(fā)提鉀后濃縮的高鎂鹵水，主要組份為MgCl2，并富含LiCl、B2O3；尾鹽和尾液是指選礦加工廠提鉀后排出的固態(tài)和液態(tài)副產(chǎn)物，主要含有KCl、NaCl、MgCl2等資源組分。具體組分含量詳見(jiàn)表1。

表1 鹽湖典型老鹵、尾液、尾鹽平均組分含量表Table 1 Average component content of old halide,tail liquor and tail salt in the salt lake

在察爾汗鉀肥生產(chǎn)過(guò)程中，將副產(chǎn)大量老鹵、尾液、尾鹽量。在“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)推廣應(yīng)用之前，只有尾液得到了循環(huán)利用，返回鹽田曬制光鹵石礦；尾鹽主要貯存堆放在尾鹽池，老鹵主要排放至團(tuán)結(jié)湖和南霍布遜湖貯存。而且老鹵排放不當(dāng)會(huì)回滲礦區(qū)，與晶間鹵水兌鹵污染鹽湖礦床使鹵水KCl 品位下降，造成鉀礦資源的破壞，因此妥善解決老鹵堆存排放問(wèn)題或充分利用老鹵，可以有效解決老鹵排放過(guò)程中產(chǎn)生的系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[12-13]。

應(yīng)用“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)后的察爾汗鹽湖資源開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖3，“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)利用的溶劑采用老鹵與微咸水或湖水兌制獲得，或者采用微咸水溶解從選礦加工廠排放出來(lái)的尾鹽獲得。通過(guò)“固轉(zhuǎn)液”技術(shù)的推廣應(yīng)用，將老鹵、尾鹽與微咸水或湖水兌制成溶劑返回采礦區(qū)溶解轉(zhuǎn)化固體鉀鹽礦，實(shí)現(xiàn)了原本廢棄的老鹵和尾鹽得到充分利用，減少了貯存堆放的面積，避免了老鹵可能引發(fā)的礦區(qū)資源破壞或環(huán)境問(wèn)題。同時(shí)老鹵中KCl、NaCl、MgCl2、LiCl、B2O3等資源返回到采礦區(qū)，貫徹了“開(kāi)發(fā)中保護(hù)，保護(hù)中開(kāi)發(fā)”的理念，實(shí)現(xiàn)了資源的保護(hù)，增加了資源可采儲(chǔ)量，有效提高了資源的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用和零排放。

圖3 察爾汗鹽湖資源開(kāi)發(fā)利用示意圖Fig.3 Diagram of resources development and utilization in Qarhan salt lake

利用老鹵、尾鹽與微咸水或湖水配制的鎂鈉綜合溶劑抑制地層中鹽巖溶解，溶劑高效選擇性地溶解地層中的固體鉀礦而不破壞地層中的石鹽骨架，可以保持地形原貌，不會(huì)出現(xiàn)坍塌或溶蝕現(xiàn)象(圖4)。

圖4 “固轉(zhuǎn)液”技術(shù)推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Popularization and application of solid potassium dissolution and transformation technology

5 結(jié)論

“固體鉀礦的浸泡式溶解轉(zhuǎn)化方法”是一種綠色環(huán)保的鹽湖資源開(kāi)采方法，其推廣應(yīng)用可以豐富鹽湖資源的開(kāi)采方式和手段，長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐表明可以有效提高難開(kāi)采鉀礦的資源利用率，大幅增加鉀鹽可采資源儲(chǔ)量，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限；實(shí)現(xiàn)老鹵、尾鹽的循環(huán)綜合利用和零排放，有效保護(hù)鹽湖資源和環(huán)境，提升資源的綜合回收率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙提升，為中國(guó)鹽湖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)發(fā)展提供了有力保障。