膠磷礦開發利用技術創新的回顧與展望

李耀基,歐志兵

(云南磷化集團有限公司,云南 昆明 650600)

0 引 言

磷是工農業的重要原料,磷礦是一種不可再生資源,我國磷礦資源儲量雖大,但富礦少,中低品位礦多.隨著富礦資源開采的日漸枯竭,磷肥生產將不得不依賴雜質較多的貧礦資源,因此中低品位磷礦的開發將具有重要的現實意義.我國只有少數磷礦屬于易選礦石,其中難選的海相沉積磷塊巖即膠磷礦占80%以上.云南是“貧、細、雜”式膠磷礦的主要產地,選礦工藝復雜.湖北和貴州與云南雖同屬沉積磷塊巖礦床,但礦石結構相對簡單[1],通常采用單一正、反浮選工藝可獲得高品質的磷精礦.因此,解決好云南膠磷礦高效開采技術和加工利用技術問題,不僅保證了云南國家級磷復肥基地生產原料的供應,而且也解決了我國磷資源開發利用領域關鍵性、共性技術問題.

1 膠磷礦資源狀況

1.1 全國膠磷資源狀況

中國已探明磷礦資源總量僅次于摩洛哥,位居世界第二位.據全國礦產儲量通報報道,截止2004年底,全國共有礦產地440處,其中大型礦72處,中型礦137處,分布在全國27個省市自治區,查明資源儲量163.40億噸,其中基礎儲量38.94億噸,資源量124.46億噸,可采儲量18.92億噸.

1.2 云南膠磷資源狀況

截止2005年底,云南省保有磷資源儲量38.26億噸,其中,基礎儲量8.49億噸,占保有資源儲量的22.19%;可采儲量3.6億噸,占保有資源儲量的9.41%,占基礎儲量的42.40%;資源量29.77%,占保有資源儲量的77.81%.分布在52個礦區(段).云南省74.98%的磷礦資源主要分布在滇池周邊地區.其中80%以上的磷資源是中低品位膠磷礦[2-4].

1.3 膠磷礦資源主要特點

我國磷礦分布的區域主要為:云南滇池地區,貴州開陽地區、甕福地區,湖北宜昌地區、保康地區,四川金河-清平地區、馬邊地區.從總體上看,中國磷礦資源分布極不平衡,探明儲量南多北少、西多東少,大型磷礦及富礦高度集中在西南部地區,總體上呈現出以下特點:

一是儲量較大,分布集中.中國探明的資源儲量比較豐富,但大部分地區所需磷礦均依賴云、貴、川三省供應,從而造成了中國“南磷北運、西磷東調”的局面,給交通運輸、企業原料供應、生產成本帶來較大影響.

二是中低品位礦多,富礦少.磷礦品位較差,P2O5平均含量在17%左右,富礦磷礦石只有13.83億噸,占磷礦石總量的約8.5%,并主要分布在云、貴、鄂三省.中國大部分的磷礦必須經過選礦富集后才能滿足磷酸和高濃度磷復肥生產的需求.

三是難選礦多,易選礦少.在中國磷礦探明儲量中,沉積型磷塊巖(膠磷礦)多,占全國總儲量的80%以上,其大部分為中低品位礦.同時中國磷礦90%是高鎂磷礦,其礦石中有用礦物的粒度細,和脈石結合緊密,不易解離,一般需要磨細到200目顆粒占90%以上才能單體解離.因此,中國磷礦是世界上難選的磷礦石之一.

四是礦床開采難度大.中國磷礦床大部分成礦時代久遠,埋藏深,巖化作用強,礦石膠結致密,且約有75%以上的礦層為薄至中厚層分布,通過傾斜至緩傾斜方式采出.這種特征給磷礦開采帶來一系列技術難題,往往造成損失率高、貧化率高和資源回收率低等問題.

2 云南膠磷礦開發利用歷史沿革

2.1 歷史簡述

1939年,王學海、陳裕琪在幫助昆明煉銅廠尋找耐火材料時,在云南晉寧昆陽中邑村歪頭山發現了昆陽磷礦.伴隨新中國農業發展對磷肥的需求,拉開了磷礦資源開發利用的序幕,先后在磷礦資源儲量最集中和最豐富的滇池周邊地區建設了昆陽磷礦、海口磷礦、晉寧磷礦.

依據化工部化工礦山設計研究院1996年提交的昆陽磷礦、海口磷礦、晉寧磷礦酸評報告,滇池周邊地區的磷礦因活性好、重金屬、氟等有害雜質含量低、是生產磷肥和磷酸鹽產品的理想原料等特點而倍受青睞.同時,位于晉寧縣古城鎮梅樹村地界、昆陽磷礦礦區內的梅樹村地質層型剖面,因是研究震旦系—寒武系界限的重要地點和全球唯一的前寒武系—寒武系梅界限層型剖面,而倍受世界地質學界的關注.

2.2 開發利用狀況

云南磷礦資源優勢在全國聞名.1980年以前,云南的磷礦資源主要是以云南磷化集團為首的少數幾個國有大中型企業在開采,由于開采設計規范,對資源開發利用起到了強有力的保護作用.但是,從上世紀80年代開始,眾多無正規設計的小礦加入開采行列,導致云南磷礦資源開采加工處于“三低兩嚴重”的狀態.即規模化集約化水平低,開采加工技術水平低,資源利用系數低和資源浪費嚴重,環境破壞嚴重,全省55%以上的磷礦石產量來自眾多無正規設計的小礦.同時,一些磷資源所在的市、縣、鄉無序引進磷化工項目,加劇了對磷資源的無序開采和消耗.不少小礦普遍采取采富棄貧、采易棄難、采塊丟粉等掠奪性方式開采,甚至將部分高品位富礦和中低品位礦石當廢石排棄或掩埋,破壞礦體,造成磷資源的極大浪費.加之沒有建設固定的排土場,加劇了礦區生態環境的惡化和水土流失.

云南磷礦資源歷經近50年的開發利用,高品位富礦大量消耗急劇減少,如按目前開采狀況和速度計算,富礦開采年限大致僅能維持6年左右.從我國磷礦資源開發利用狀況看,依據相關資料,我國磷礦品位大于30%的富礦僅為8.57億噸,每年采出的富礦占總開采量60%以上.盡管我國磷礦產量是世界第一,基本上能滿足國內需求,但近兩年來由于高濃度磷復肥產量的增加,含量在30%以上的磷礦日趨緊張.按照國家發改委對磷肥工業的發展要求,“十一五”末我國磷肥產量將達到1 500萬噸,預計磷礦的總需求要達到6 500萬噸.按這樣的需求,我國高品位磷礦只能開采到2013年.國土資源部已將磷礦列為2010年后不能滿足中國國民經濟發展要求的20個礦種之一.

基于生存發展的壓力和保護環境、節約資源的責任,云南磷化集團從80年代開始,在一無成熟磷礦浮選工藝技術成果支撐,二無經驗借鑒的情況下,系統化、規模化實施了礦山地質環境恢復治理、磷資源高效安全開采、中低品位膠磷礦選礦、浮選試劑研發等的基礎試驗研究,取得了階段性的系列成果.其中,組織實施完成的《云南滇池地區磷資源開發利用研究》、《滇池地區中低品位磷礦石開發利用研究》、《中低品位膠磷礦選礦技術研究及產業化開發》、《云南海口磷礦Ⅰ、Ⅱ采區硅鈣質磷塊巖礦石選礦試驗》等重大課題,一定程度上對中低品位膠磷礦選礦技術工藝、路線和工業化方向進行了系統全面的試驗研究和探索,為后續工程化、產業化應用研究奠定了理論基礎.實施完成的“我國主要磷礦開采新方法”、“昆陽磷礦露天長壁式采礦方法工業性試驗研究”,針對緩傾斜薄礦體、軟硬夾層礦體開采工藝具有獨創性,技術達到國際先進水平.組織實施的《昆陽磷礦采空區復土植被試驗研究》,對礦山采空區、排土場的內排工藝、內排穩定性、植被恢復技術、環境變化規律等內容進行試驗研究,奠定了磷礦采掘、復土、植被一體化工藝技術路線理論和實踐基礎.

3 膠磷礦開發利用的瓶頸和制約因素

總結回顧磷礦資源開發利用狀況,整體呈現出以下技術瓶頸和制約因素.

3.1 開采條件越來越差

由于磷礦床多呈緩傾斜、多薄層、軟夾層的賦存狀態,通過近50年開采,采礦作業由山坡露天轉化為凹陷露天,生產剝離和原礦運輸重車上坡,運距延伸,剝采比增大,采剝成本大幅上升.除云南磷化集團等少數國有企業在全程開采過程中將中低品位磷礦單獨堆存作為浮選原料礦使用外,眾多小礦采富棄貧現象嚴重,貧化率、損失率高,采礦回收率越來越低,對資源造成了巨大浪費.據統計,2005年我國磷礦消耗量為5 189萬噸,而2005年我國國有大礦山磷礦產量只有3 000萬噸,2 000多萬噸需求量是由開采秩序比較亂的小礦點補充的,如采礦回收率按24%計算,我國每年損失的中低品位磷礦儲量高達1.5億噸.

3.2 環境壓力大

露天開采,必然會使地表和生態環境遭到破壞,如何處置剝離廢棄物和治理采空區、排土場,落實保護環境、節約資源的基本國策,實現環境影響最小化和生態再造最優化是露天開采型礦山實現可持續發展的最大難題.

3.3 膠磷礦選礦是國內外公認的難選磷礦

通過企業、科研院所、大學院校的共同努力,雖然在膠磷礦加工利用技術方面取得了重要突破和進展,但選擇性高、專屬性強、環境友好的高效浮選藥劑亟待開發;分選效果好、能耗低、占地面積小的浮選成套設備還沒有廣泛用于工業化生產;大型化、自動化、智能化與國外相比還存在差距.

3.4 濕法磷酸凈化技術及磷石膏綜合利用仍然是制約磷化工發展的瓶頸

以黃磷為原料生產熱法磷酸工藝路線,存在能耗高、排放量大等問題,是國家準入條件審批嚴格和限制產能的行業.濕法磷酸中的雜質含量較多,給分離提純帶來了難度,凈化率不高;萃取劑對陰、陽離子的選擇性較差,增加了后續凈化難度;萃取成套設備存在著占地面積較大、能耗較高、溶劑損失較多、自動化與連續化程度低等問題.此外磷石膏綜合利用和無害化處理技術仍是業內重點研究的難題,進一步研發濕法磷酸凈化技術,獲得成本低的高品質磷酸替代熱法磷酸,是磷化工行業發展急需解決的問題.

通過以上瓶頸制約因素的分析,得出的結論是:誰先掌控磷資源開發利用領域關鍵技術和共性技術,誰就先獲得經濟持續發展能力及磷礦開發和磷化工產業的核心競爭力.

4 技術創新體系的初步建立

為有利于掌控磷資源開發利用領域關鍵技術和共性技術,有利于提高經濟持續發展能力以及磷礦開發和磷化工產業的核心競爭力,著力解決好中低品位硅鈣質膠磷礦開發利用問題,延長礦山服務年限,提高資源綜合利用率,為磷肥及磷化工行業可持續發展與國家糧食安全,建立穩定可靠的資源保障,云南磷化集團依托實驗研究和應用研究系列成果,走以礦石特性、分層分品級開采、浮選工藝選擇、浮選藥劑適應性、尾礦處理、尾礦水循環利用為一體的工藝礦相、高效開采、配礦、選礦工藝、浮選藥劑、尾礦干堆制硅肥等的集成技術創新道路,實施了一系列技術創新工程.

4.1 組建研發中心打造研發平臺

在完成云南省磷礦采選工程技術研究中心建設基礎上,向國家申報立項建設了磷資源開發利用工程技術研究中心.通過磷礦工藝礦物學研究室、磷礦開采安全監測實驗室、磷礦選礦實驗室、浮選藥劑研究實驗室、礦物分析檢測中心、磷石膏綜合利用實驗室及磷礦選礦和磷化工中試生產線等的硬實力建設,提升技術裝備水平,繼續保持在磷資源開發利用領域關鍵技術和共性技術的領先優勢.

4.2 創新管理體制構建四大開放平臺

基于中低品位膠磷礦浮選技術、試劑技術、浮選柱設備開發、磷石膏綜合利用技術和產業化應用已成為潛在的巨大技術市場,為以一流的工程化、產業化水平,一流的工程技術人才,一流的工程試驗條件,一流的管理運行水平,搶占國內國際磷資源開發利用領域技術市場的制高點,提升企業核心競爭力和行業影響力.同時出于圍繞主營業務擴大經營規模、延伸產業鏈、調整產品結構,以創新的管理體制激活運行機制等的戰略考慮,構建了項目開放、人員開放、科研資金開放、科技活動開放四個開放式平臺.

a. 項目開放.經審議批準的年度研發課題,實行研發課題招投標制、研發課題負責人制和工作團隊管理制.即通過研發課題招投標,優選確定研發課題負責人,研發課題負責人可打破部門界限,面向社會自由組合研發人員,形成工作團隊開展研發工作.

b. 人員開放.研發人員報酬打破工資界限,實行研發成果報酬制,報酬與研發成果緊密掛鉤,按研發成果支付報酬,由研發課題負責人自主考核分配,據此建立優勝劣汰的人才激勵機制.同時,為有利于高技術人才的引進,通過技術入股分紅、提供住房、解決配偶和子女就業就讀、提供安家費等優厚的福利待遇政策,吸收、接納國內外高技術人才參與研發工作或攜帶科研成果進行工程化研究開發及實驗.

c. 科研資金開放.對有志于從事磷資源開發利用領域技術研究的高技術人才,經考評聘用后,依據其研究重點和意愿配套建立實驗室、配備相應實驗儀器設備、配備助手、撥付資金、創造有利條件,保證其研發工作有序進行.

d. 科技活動開放.定期或不定期開展學術活動、舉辦學術會議,吸引國內國際知名專家、學者進行學術交流與合作,吸引國內、國際社會團體、經濟組織、科研院所和個人投資.

5 技術創新取得的成果和突破

通過多年的努力,以中低品位膠磷礦浮選工藝、浮選柱設備開發、選礦試劑為重點的技術研發成果,已成為大型浮選裝置設計依據,實現了膠磷礦浮選產業化應用.特別是針對海口、安寧兩套各200萬噸/年采選裝置中槽式浮選機占地面積大、能耗高等不足,自主研發并作為晉寧450萬噸/年采選項目設計依據的膠磷礦浮選柱技術和設備,其工程化和產業化屬國內首創,國際上也無產業化成功運用的實例報道.海口、安寧兩套各200萬噸/年采選裝置應用其研發的浮選工藝技術和選礦試劑,經達產達標考核,主要技術經濟指標均達到或超過設計水平,膠磷礦選礦技術開發與產業化處于國際領先水平;以礦山地質環境恢復治理項目為基礎的綠色礦山建設成果成為全國礦山行業的典范,被國土資源部推廣為示范基地.

6 展 望

當今世界,和平、發展、合作仍是時代潮流,資源環境仍然是時代主題,相隨世界多極化、經濟全球化深入發展,科技創新孕育新突破.面對日趨強化的資源環境約束,從聯想公然向蘋果叫板的案例啟示,企業要想成為受人尊敬、產業報國、國際化經營的公司,必須堅持自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來的方針,增強共性、核心技術突破能力,促進科技成果向現實生產力轉化.同時,增強危機意識,樹立綠色、低碳發展理念.

由此,云南磷化集團以突破影響和制約公司可持續發展面臨的資源、環境瓶頸問題為切入點,以造福子孫后代為己任,以實現企業發展方式和經濟增長方式由傳統礦業向新型綠色礦業的根本性轉變為目的,以實現資源、環境、社會、企業經濟效益“四效并舉”一體化的綠色礦業循環經濟為核心,圍繞戰略目標定位,致力實施中低品位膠磷礦的技術創新工作.

a. 以浮選柱設備和自動控制系統工業化試驗及設計、制造、安裝、調試,環保、經濟、新型浮選試劑配方研發和改良,邊坡、排土場地質環境恢復治理技術,磷資源高效安全開采技術,地采技術,礦物工藝學研究,磷礦選礦工藝環節解決磷肥、磷化工下游產品生產中的有害雜質剔除,利用尾礦生產硅肥工藝技術等為重點主攻方向,開展課題研發工作,實現研發技術成果的工業化、產業化轉化.

b. 將浮選柱設備和新型浮選試劑推廣到全國磷礦采選企業,帶動行業浮選技術發展;解決地采技術應用中實際問題,開展濕法磷酸凈化技術、磷石膏綜合利用技術和產業化應用研究,實施利用尾礦生產硅肥工藝技術的產業化試驗,實施涉外合作課題的研發,打通磷資源開發利用產業鏈,提升行業影響力.以行業領先的技術優勢輻射云、貴、川、湘、鄂五省磷礦主產區企業,全面提升我國中低品位磷礦開發利用水平.

c. 發展科技產業.依托國家磷資源開發利用工程技術研究中心,圍繞磷資源綜合利用、磷礦地質勘探、磷礦采選、磷肥及磷化工、環境保護及循環經濟實施等技術方向,研究開發具有工程化、產業化意義和自主知識產權的新技術、新工藝、新方法、新設備、新產品,發展科技產業,實現技術研發公司化運營管理.在此基礎上,引進戰略合作伙伴和戰略投資者,實施股份制改造,實現股權多元化.

d. 與剝離-采礦-復墾一體化關鍵技術相配套,以業已形成733.3公頃生態林為基礎,繼續實施好采空區、排土場、邊坡、開拓運輸道路兩旁經濟林復墾植被工作.配合政府探索采礦用地的三種進入退出機制:一是對采空區、排土場土地進行二次開發利用,從生態林向經濟林轉變,最終達到以林養林的目的.二是將后續采礦用地由征用轉為租用,資源開采完后,按政府土地資源管理部門的相關要求和標準進行復土植被,驗收通過后移交地方政府退出.三是以目前733.3公頃的生態林和擬將實施的經濟林置換新增采礦用地.

參考文獻:

[1]黃志良,劉羽,石和彬,等.磷灰石礦物材料[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2]滇池地區中低品位磷礦開發利用研究所.昆陽磷礦中低品位磷塊巖礦物工藝學研究報告[R].昆明:昆明冶金研究院,1995.

[3]中低品位磷礦浮選技術開發[R].昆明:云南磷化集團,2007.

[4]昆陽磷礦志[R].昆明:昆陽磷礦礦務局昆陽磷礦,1990.

Abstract: Phosphate ore is the raw material of Production phosphate fertilizer, phoschemical industry and fine phoschemical industry. Although phosphate ore widely distributed in the crust and is very abundant, but it is rarely used to high grade ore directly, because of a long time, the complex geological structure and its scarcuty. According to composition, phosphate ore is divided into apatite of magmatic rock type, phosphate rock of sedimentary type (known as collophanite) and apatite of metamorphic rock type. As we know,the medium low grade sedimentary phosphate rock accounts for more than 80% of total phosphate ore ,and it is difficult dressing in the world.Especially, Yunnan as the typical example. This article based on the reserves、 development and utilization of collophanite resources,summarizes and reviews the leading enterprises of phosphate ore Mining industry at the Yunnan Province-the core of yunnan phosphate chemical group′s exploiting collophanite, innovative achievements and leadership have been made in the international and domestic collophanite acquisition technology . A limiting factor of the exploitation and utilization bottleneck has been analyzd by the system. The technical route, direction and implementing of the technology industry strategy′s idea of collophanite acquisition technology have also been put forward.

Keywords: collophanite;exploit;technical innovation;look into the distance