《武汉工程大学学报》 2020年02期
159-164
出版日期：2021-01-26
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
中国磷矿开发利用现状
磷元素是生物细胞生长必不可少的重要元素之一，在生物生命活动中具有极其重要的地位。人体维持生命活动所需要的磷元素，大多数都直接或间接源自于粮食作物［1-3］。我国是人口大国和农业大国，在有限耕地的条件下，肥料是关乎我国农业能否正常生产的基石。磷矿石是生产肥料的基础原料，2005年~2019年我国农业生产对磷肥的需求量增长率大概在1％~2％左右，磷矿石需求量也伴随着磷肥生产量的增加在逐年的增长［4］。其次，磷矿石是一类重要的战略资源，是制作磷肥保障粮食生产安全的重要原料，同时它也是磷化工生产的重要物质基础［5-6］。众所周知，矿产资源具有不可替代性和不可再生性，随着目前我国国民经济的飞速发展，对磷矿资源的需求量也越来越大。从2002年起我国国土资源部便已将磷矿列为国民经济发展急缺的20种重要矿产资源之一［7］。“十三五规划”提倡加大磷矿资源的整合开发力度，推行配额出口制度以此来保护我国现有的磷矿资源［8］。综上所述，研究我国磷矿资源开发利用现状具有十分重要的意义。
1 我国磷矿资源特点
1.1 分布规律
我国磷矿资源总储量十分丰富，目前主要磷矿产地全国已发现的有500多处，其中重要的磷矿赋矿层位多达20余个。据《2015中国矿产资源报告》统计结果，截止2014年底全国磷矿已查明的资源储量高达214.50亿吨，比2010年查明的资源储量增长了28.20亿吨［9］。
中国的磷矿主要分布在云南、贵州、四川、湖北和湖南5个省。5个省磷矿资源总储量占全国总量的80％左右。五省磷矿资源中2017年新探明储量湖北磷矿总储量位居全国第一［10］，云南省，贵州省两省磷矿质量最好。我国现有磷矿资源储量中品位（P2O5）大于30％的富矿仅有13.7亿吨，占目前探明储量的7％，磷矿石的平均品位仅为16.85％［11-13］。据不完全统计截止2019年底，全国主要省区磷资源分布如图1所示。
图1 全国主要省区磷资源分布图
Fig. 1 Distribution diagram of phosphorus resources in major provinces in China
从资源储量构成来看云南磷矿品位低于30%的磷矿占89%，而低于25%的中、低品位矿石约占80%左右，典型的磷矿床有昆阳磷矿［14］。贵州省磷矿资源储量丰富，质量上乘，但数量比云南略少。根据贵州磷矿资源的分布特点形成了4个典型的磷矿区［15］：开阳-息烽磷矿区、瓮安-福泉磷矿区、织金-清镇磷矿区和铜仁-松桃磷矿区。湖北磷矿主要分布在鄂西和鄂东北地区［16］，最主要的矿区是宜昌［17-18］、荆襄、保康、兴山和大悟这5大矿区，其中宜昌矿区的保有磷矿储量最多，占全省储量的50.23%。
1.2 矿石类型
磷矿按成因大致可以分为三大类型：一是海相沉积型磷块岩，这类矿石储量最多也是目前最重要的磷矿石原料，平均品位在30%以上，全世界磷的生产几乎都来自沉积型磷块岩；二是岩浆磷灰岩，该类磷矿的磷灰石是由火山喷发的碱性混合物形成，储量也十分庞大，但规模较海相沉积型磷矿石稍小；三是鸟粪堆积形成的磷块岩，这是海鸟和蝙蝠的粪便与石灰石相互作用最终演变形成的钙质型磷块岩［19］。
我国磷矿中岩浆岩型磷灰石仅占磷矿总储量的7%，这类矿石的可浮性较好，但沉积型磷块岩（俗称胶磷矿［20］）占总储量的70%左右，属于比较难选的磷矿类型。胶磷矿矿石中有害杂质含量高、矿石颗粒细小、胶结共生普遍、嵌布紧密、选别异常困难。除了极少数的富矿可以直接深加工利用以外，绝大部分都是中低品位矿石，都需要经选矿才能被进一步地开发和利用［21-23］。根据国家实物地质资料馆资料显示，典型磷矿床筛选的大致名录见表1［24］。
2 我国磷矿资源开发利用现状
2.1 磷矿储量和产量现状
据美国地质调查局资料统计，2016年全球磷矿石产量为22.30亿吨，产量排名前三的国家依次是中国52.92％、摩洛哥和西撒哈拉11.50％、美国10.66％。3个国家总产量占到全球磷矿石总产量的75.08％，产业集中度非常高。全球各国磷矿资源储量和产量见表2［25-26］。
虽然目前我国已成为世界上第二大磷矿资源储量国和世界第一磷矿产量国，但随着目前高品位磷矿资源开采枯竭，剩余易选的中低品位磷矿石的开采量在逐年增加。目前这种大规模的开采，高产量的生产模式必将导致我国磷矿企业未来的形势越来越严峻。资料显示，目前全球的大型磷矿企业的加权平均生产成本统价值大约为57 USD/t，中国是38 USD /t［27］，生产成本虽然目前暂时低于全球平均水平，但由于各种各样的原因中国磷矿生产成本有逐步增加的趋势。随着全球磷矿市场供过于求和摩洛哥、沙特等国优质的磷矿资源大规模开发利用，目前磷矿产业低迷局面的情形仍将持续存在甚至会加重。
2.2 磷矿开采现状
磷矿资源合理开发利用中“三率”是指磷矿开采回采率、选矿回收率和综合利用率三项因素，是评价磷矿企业开发利用磷矿资源效果的主要指标。衡量一个国家矿产开发水平的重要标准是采矿回采率，而矿产的回采率又与企业大小有直接的关系。根据磷矿“三率”指标要求，磷矿地下开采和露天开采的回采率依次不能低于72％和93％［28］。
然而目前我国仅有为数不多几家大型矿山采矿回采率接近当前国际水平［29-30］。瓮福磷矿、晋宁磷矿和黄麦岭磷矿露天开采的回采率都可以达到95%以上［31-32］。开阳磷矿井下开采的磷矿回采率可达70%。按照目前的生产规模现状分析，我国磷矿大型、中型、小型矿山的平均开采回采率依次为86.45％、83.85％、75.53％。小型矿山的平均开采回采率最低，并且开采水平参差不齐，大多在50%左右，有的甚至只有30%。大型矿山的平均开采回采率显著高于中型矿山和小型及以下矿山的平均开采回采率。露天开采的平均开采回采率要明显高于联合开采和地下开采的平均开采回采率。
2.3 磷矿选矿现状
目前我国含磷矿物中利用价值最高的磷矿类型是沉积型磷块岩，但是该类矿石含磷矿物主要是胶磷矿，脉石矿物是碳酸盐，硅酸盐和泥质矿物等［33-36］。因此必须通过选矿的方法才能进一步深加工利用。依据性质的不同对于不同类型磷矿石，采取不同的处理办法，目前我国的磷矿选矿方法主要以浮选法为主，“擦洗脱泥”工艺、重力选矿、焙烧-消化工艺、化学浸出技术、光电拣选和联合选矿工艺为辅的多种选矿方法。
常用的浮选方法主要有正反浮选法和双反浮选法。罗惠华等［37］在处理大峪口难选磷矿时采用正反浮选。对大峪口原矿P2O5品位22.28％的磷矿进行浮选处理，获得了P2O5品位为30.68％的精矿，精矿回收率为83.66％的选矿指标。刘朋等［38］对四川某地区的磷矿进行浮选试验研究。采用双反浮选流程，最终获得了P2O5品位为32.25％的精矿，回收率为82.21％的闭路试验指标，实现了目的矿物与脉石的分离。磷矿重选技术工艺在我国磷矿选矿中也有一定的应用。最早在湖北地区建成的第一座磷矿重介质选厂，主要采用磁铁矿作为介质加重剂，采用重介质旋流器作为磷矿分选设备［39］。
储量占比大和含有硅质脉石的混合型磷矿的选别十分困难［40］，选矿方面的研究大多着眼于新药剂的开发和在原有药剂的基础上进行改性。生产无毒、绿色环保药剂的研究正越来越被人们所重视［41］。
2.4 磷矿产业格局现状
世界上84％～90％的磷矿用于生产各种各样的磷肥，各个国家的磷矿产业格局大小和类型各不相同。诸如美国弗洛里达优质磷矿，经过简单的选别后即可用于制作磷肥和高端磷化工产品。中国目前的磷资源消费结构模式较为单一，仍以磷肥为主，其他化合物为辅的产业格局。产业布局中磷肥、黄磷、磷酸盐和磷化物的比例依次是71％、7％、6％和16％［42-43］。
我国农业对磷肥的需求量越来越大，磷肥生产对磷矿的需求量在逐年增长［44］。磷肥产量和磷矿石量关系预测如表3所示。从表2磷矿资源储量和产量、表3磷肥生产与磷矿石量关系预测表和磷矿产业格局分布来看，目前我国有相当一部分的优质磷矿石被用于生产各种类型的普通磷肥。虽然满足了磷肥生产对粮食生产的供应，但明显存在“优矿劣用”的浪费现象。除此以外，虽然我国磷化工企业数量十分庞大，但我国湿法磷酸净化技术以及精细磷化工加工技术普遍比较薄弱，现阶段难以生产出大规模高端、高精细的磷化工产品。磷化工产品的产业结构分布现状不够合理，附加值比较低的无机磷化工产品占比大，而附加值高的有机磷产品的比例较小［45-46］。
表3 磷肥和磷矿石需求量关系预测表
Tab. 3 Demand prediction between phosphate fertilizer and phosphate ore
[年份\&市场对磷肥（P2O5）的需求量 / kt \&磷肥生产对磷矿石30％P2O5的需求量（Phosphorite） / kt\&2010\&12 400\&40 400\&2020\&13 700\&45 700\&]
3 磷矿开发利用中现存问题
随着目前节能减排可持续发展观念越来越深入人心，我国磷矿资源的开采从原来“采富弃贫”粗放式的开采逐渐转为科学规划，有效利用的开采方式。选矿方面加深了国际化的合作研究，取得了一系列的研究成果，磷化工产品也逐渐呈现出多元化的趋势。2019年兴发集团湖北兴福电子材料有限公司技术创新取得重大突破，电子级磷酸顺利通过了中芯国际12寸（30.48 cm，工艺术语）28 nm先进制程工艺的验证测试。这意味着兴福电子级磷酸产品将进一步覆盖了国内中高端市场，为实现建设世界一流电子化学品材料企业目标迈出了坚实的一步。但在这个发展过程中目前我国磷矿开发利用仍存在一些亟待解决的问题［47］：
1） 目前我国磷矿整体开发利用仍然存在个体矿山规模小、粗放式开发、规模优势和整体效应不强的现象。处于矿业市场复苏、资源供给、利润空间等多重因素的影响下，全球磷矿价格短期内很难大幅度上涨。
2） 智能化采矿技术和大型化设备装备水平参差不齐，同澳大利亚等发达国家相比，开采技术、装备水平和资源利用水平等多个方面存在不小的差距。“采富弃贫”、掠夺性开采、破坏资源环境的情况时有报道。
3） 选矿工艺过程中脱出硅酸盐杂质的技术还具有一定的局限性，难以优质选别储量较大的含有硅酸盐脉石矿物的胶磷矿；目前浮选药剂普遍存在耐低温性差、浮选用量大的现象；除此之外，对于磷矿中富含的其他有价元素和物质的研究还不够深入。
4） 受经济水平和工艺条件的制约，目前湿法磷酸的净化工艺尚不能大规模的工业化推广。精细化，深度加工工艺和配套设施不够完善，高端磷化工产品的研发有待进一步加强。
4 磷矿未来开发利用建议
1） 磷矿资源开发利用工作者应该重视磷矿资源的稀缺性和矿产资源的不可再生性，对于磷矿资源的开发利用要做到及早规划、控制总量、提升质量、保护环境。合理利用我国磷矿资源，使磷矿资源经济成为循环经济的典范。
2 ）磷矿的开采要尽可能提升采矿回采率、控制采矿量、 减少资源的浪费。 要密切关注国际磷矿石的生产情况，在技术、经济条件允许的情况下尽可能的采用进口矿石，限制高品位磷矿石的出口。要加快推进智能化、数字化和绿色矿山的建设进程，加大对现有矿山的生产设备和技术改造的投入，提高化学矿山的装备水平。加强对磷矿矿山的监督管理，制定和完善磷矿矿山采矿标准和矿山回采率的考核制度。严格控制磷矿石和磷肥的新增产能，淘汰技术落后的部分产能，按区域整合或关闭一部分小型的磷矿企业，减少磷矿开采对环境带来的污染。
3） 选矿方面要注重研究脱硅药剂和新型浮选工艺的开发、注重矿石中其他伴生或共生元素铀、碘、铁、钛、稀土等的综合利用、重视选矿尾矿和磷石膏的综合开发利用，尽可能的减少固体废弃物的产量和加大资源利用化程度。加强磷矿固体废弃物的资源调查，为磷矿 固体废弃物综合利用和可持续发展提供决策依据。研究推广中低品位磷矿的富集和制酸技术。
4）以目前供给侧改革为契机促进磷资源产品结构的优化升级，注重对生产模式的革新。以提高生产率为基础，积极实现磷资源的合理利用和配给。积极推动磷矿深度加工产业，推动精细产品的产业发展和升级，将磷矿资源进行充分的深加工，以满足国内、国外市场的巨大需求，创造经济价值。磷资源深度加工工艺要紧紧围绕提高相关装置产能、湿法磷酸净化和副产物氟、硅等多元素综合利用技术的方向发展。大力推进电子级磷酸的工业化生产和有机磷产品的研发。受磷矿资源储量和开采现状制约，目前更应该增持低浓度复合磷肥的比例来减少对高品位磷矿资源的开发。通过税收政策鼓励或支持对中低品位磷矿资源的利用。