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推动成果转化的正能量——低品位磷矿资源综合利用研究
2012-11-21 22:23  
 

 来源:中国科学报

 

 

  日前,在天津闭幕的中国国际矿业大会上,国土资源部发布的《2012中国矿产资源报告》在阐述我国国内矿产品供应能力不断增强的同时,也提出我国磷矿石资源“丰而不富”的问题。

  2000年以来,在国家自然科学基金的持续资助下,四川大学教授、四川省磷化学与工程重点实验室主任刘代俊课题组就以我国磷矿颗粒为对象,探究了对磷矿复杂体系进行有效反应和分离的问题,为我国中低品位磷矿综合利用提供了科学依据。目前,在四川省及地方政府支持下,该团队和一家企业合作,在四川井研建立的生态型工业园完成主体建设,其中两个生产线获得重要突破。

  磷矿资源“丰而不富”

  目前我国磷矿产量的77%用于加工生产磷肥,16%用于生产黄磷,其余的7%用来生产饲料级磷酸钙盐。

  2011年,虽然我国严控化肥出口,但在世界磷肥市场需求量增加,价格高位运行的形势下,全国磷肥产量仍在增长,上游磷矿石消耗量也大幅上升。

  尽管我国磷矿资源丰富,但品位低,杂质多,是世界磷矿石品位最低的国家之一。国土资源部早已将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需要的20个矿种之一。

  目前我国可商品化的磷矿储量37亿吨,郑州大学化工与能源学院教授侯翠红按照目前的消耗速度估算,认为我国的磷矿储量仅够开采30年。

  随着我国磷矿资源消耗过快,中低品位磷矿资源日渐成为企业关注的重点。但我国现有湿法磷酸工艺要求磷矿品位高,杂质含量少。另一方面,湿法磷酸工艺的磷石膏堆积量大,污染严重。面对这些资源与环境危机,迫切需要湿法磷酸技术领域有新的突破。

  “总体来说,我国对磷矿资源利用的研究不是很多。不过四川大学在这方面有一定的优势,好几位教授都做得不错。”国家自然科学基金委员会化学科学部五处处长孙宏伟对《中国科学报》记者说,“刘代俊团队也在科学基金前期资助的基础上,在成果转化方面取得很好的成果。”

  发现“奇异现象”

  对大量中低品位磷矿石基本有两种处理方法。一种是经过选矿后,达到品位要求后,用来生产磷肥。而我国85%以上的磷矿五氧化二磷含量低于25%,大部分磷矿必须经过选矿富集后才能满足磷酸和高浓度磷复合肥生产需求。而且选矿技术难度大,成本也不能忽略。

  而直接利用低品位磷矿生产的磷肥存在总养分低、水溶磷含量低、耗酸耗能高、运费高等问题。

  “我们在实验中发现,由于磷矿中分布一些杂质,通过反应和扩散过程的耦合,磷矿系统的三相或两相反应中会出现一些非线性特性。”刘代俊对《中国科学报》记者说,“一般动力学反应过程都是随温度的升高而加快,但在特定条件下,会发生相反的情况,宏观反应过程将随温度升高而降低。这些过程可对磷矿进行有效的反应和分离。”

  从2000年开始,刘代俊团队在多项国家自然科学基金的资助下,以我国磷矿颗粒为主要研究对象,深入研究了磷酸系统中液固两相体系的动力学过程及出现的一些奇异现象。这些研究为中低品位磷矿的综合利用提供了科学依据。

  形成“正循环”

  在大量基础研究工作的基础上,刘代俊团队又在四川省及地方政府的大力支持下,与四川福斯科技公司合作,对磷矿进行集成综合,并按循环经济的原则建立了生态型工业园。

  2012年9月,该生态型工业园基本完成了主体建设。这个年产2万吨五氧化二磷的新型半水二水湿法磷酸生产工艺建成后,将不再产生黑灰色磷石膏,其中大量杂质在反应过程中被分离。该生产线将副产品——洁净的高强度α半水石膏直接用于建筑材料,如建筑石膏粉、石膏板等,还可进一步加工成无水石膏晶须,作为纸张、塑料生产的原料。该工艺生产的磷酸浓度可达到40%,省去了蒸发浓缩过程。目前这一生产线已基本建成,并进行局部运行。

  “与福斯公司结合后,研究成果迅速被产业化。其中新型半水二水生产线的磷收率大为提高,可达到98%。另一条生产线与其互补,利用磷矿和湿法工艺中的残磷化合物作为磷源生产肥料,同样没有磷石膏污染。”刘代俊说,“这两个工艺分别超越美国和法国曾试验过、但未工业化的流程,还有一些其他重要研究正在实施过程中。”

  刘代俊所说的另一条互补生产线,是该工业园区新建的年产3万吨尿硫磷基复合肥(AUSP)生产线,它可以消耗磷酸生产线中可能出现的含磷废渣,目前该生产线也开车成功。

  “园区中还将集成多种引进和原创技术,如纳滤分离、微乳分离、高镁磷矿物理化学选别及回收技术等。园区建成后,将成为我国生态型化工模式的示范基地之一,对我国磷化工生产领域产生重要影响。对于我国磷化工可持续发展,带动地方经济,节能减排都具有重要意义。”刘代俊说,“而这一切源于国家自然科学基金给予具有创新性思路的重要支持。”

  刘代俊认为,目前阶段我国还有相当数量的企业技术较为薄弱,需要有科研机构和大专院校进行前导性的研究与开发,再在此基础上可进行合作与扩大研究。国家自然科学基金及时对新思路进行支持,为科研成果转化提供了基础。

  “有了国家自然科学基金的支持,我们的团队才有可能连续不断地进行研究,同时也培养了一批博、硕士研究生。而科研成果转化产生后,又进一步为基础研究创造条件,促成新思路、新技术的成熟。”刘代俊说。

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