隨著(zhù)中國磷復肥工業(yè)的迅猛發(fā)展，其副產(chǎn)物----磷石膏的排放量呈井噴式增長(cháng)趨勢，提高磷石膏的綜合利用率既是磷復肥行業(yè)必須面對的緊迫問(wèn)題，也是各級政府部門(mén)、科研單位和關(guān)聯(lián)企業(yè)必須認真解決的當務(wù)之急。
磷石膏是生產(chǎn)磷肥、磷酸時(shí)排放出的固體廢棄物，每生產(chǎn)1t磷酸約產(chǎn)生(4.5～5)t磷石膏。磷石膏主要成分是硫酸鈣(CaSO4˙2H2O)，另外也含有少量未完全分解的磷礦、氟化物、磷酸、有機質(zhì)、酸不溶物、鐵鋁化合物等雜質(zhì)。隨著(zhù)我國高濃度磷復肥和磷酸工業(yè)的快速發(fā)展，副產(chǎn)的磷石膏量急劇增加。目前我國磷石膏的年排放量已達5000萬(wàn)t左右，由于資源化利用技術(shù)的瓶頸，累計堆存量超過(guò)2億t。國內磷石膏還沒(méi)有很好的利用途徑，大多堆存處理，既占用土地，又浪費資源，含有的酸性及其他有害物質(zhì)容易對周邊環(huán)境造成污染，可見(jiàn)，磷石膏已到了非大力處置不可的地步，否則，將直接影響人、環(huán)境和社會(huì )的和諧，以及國土保護，并直接給企業(yè)的生存和發(fā)展帶來(lái)不可估量的損失。磷石膏廢渣無(wú)害化處理已經(jīng)成為影響磷復肥企業(yè)生產(chǎn)的“瓶頸”問(wèn)題，搞好磷石膏的綜合利用將成為磷肥化工產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵。
本文對磷石膏的綜合利用中存在的問(wèn)題及其資源化應用作了分點(diǎn)論述，并對磷石膏資源化利用提出了幾點(diǎn)建議。
我國磷石膏綜合利用現狀
據不完全統計，目前我國磷石膏綜合利用量在10000kt/a(即每年1000萬(wàn)噸)左右，低于脫硫石膏的利用量。其中，生產(chǎn)建筑石膏約2800kt/a，生產(chǎn)水泥緩凝劑約2500kt/a，生產(chǎn)石膏砌塊和石膏磚約1600kt/a，用作填充材料約1500kt/a，用作土壤改良劑約1500kt/a，制硫酸和硫酸銨等化工產(chǎn)品約100kt/a。當前我國磷石膏綜合利用存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。
(1)磷石膏雜質(zhì)多，利用成本高。磷石膏中含有游離磷酸和硫酸等酸性物質(zhì)，導致其pH值低，容易腐蝕生產(chǎn)設備。同時(shí)，磷石膏中含有的磷酸鹽、氟化物等對后加工產(chǎn)品有不利影響。因此，磷石膏必須經(jīng)凈化除雜等工藝處理后才能進(jìn)行下一步的利用。磷石膏利用過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生二次污染，需配套環(huán)保設施才能達到國家環(huán)保要求，其投資和運行成本較高。
(2)區域之間發(fā)展不平衡，磷石膏綜合利用長(cháng)期處于較低水平。受地域資源分布和運輸半徑的影響，不同地區磷石膏產(chǎn)生、堆存及綜合利用情況差異較大。磷石膏的排放、堆存主要集中在云南、貴州、四川、湖北和安徽等磷復肥產(chǎn)區，而石膏消費主要集中在建筑石膏、水泥產(chǎn)量大的地區，如我國經(jīng)濟發(fā)達的東部省市地區。由于受到運輸半徑的影響，石膏使用量大的地區供不應求，而排放量集中的地區卻無(wú)奈只能大量堆存。
(3)標準體系不完善。一方面缺乏用于生產(chǎn)不同建材的磷石膏標準，不利于磷石膏在不同建材領(lǐng)域的應用。另一方面，缺乏磷石膏綜合利用產(chǎn)品相關(guān)標準，只能參照其他同類(lèi)標準，市場(chǎng)認可度低，造成磷石膏難以大規模利用。
(4)我國天然石膏產(chǎn)量大，限制了磷石膏的利用。2010年我國天然石膏產(chǎn)量為45000kt，主要集中在山東、湖南、湖北、江蘇和安徽等地。天然石膏的大量開(kāi)采使用不僅破壞自然環(huán)境，而且搶占工業(yè)副產(chǎn)石膏的市場(chǎng)。與國外發(fā)達國家工業(yè)副產(chǎn)石膏高綜合利用率相比，我國磷石膏應用的壓力很大(如美國達到35％、日本幾乎已達到100％)。
磷石膏的資源化應用
?。?）磷石膏用作水泥緩凝劑
目前我國水泥緩凝劑主要以天然石膏和脫硫石膏為原料。隨著(zhù)水泥產(chǎn)量的增長(cháng)，國內對水泥緩凝劑的需求量也原來(lái)越大。而我國天然石膏礦開(kāi)采成本增加和優(yōu)質(zhì)石膏礦的減少，也為磷石膏用作水泥緩凝劑創(chuàng )造了機遇。目前國內磷石膏用作水泥緩凝劑總量約6Mt/a，而2012年我國水泥生產(chǎn)對水泥緩凝劑的需求量約為90Mt，即使磷石膏制水泥緩凝劑產(chǎn)能全部釋放，也僅占水泥緩凝劑需求量的7.4%左右?？梢?jiàn)，磷石膏作為水泥緩凝劑的市場(chǎng)前景很大。目前國內磷石膏制水泥緩凝劑單系列最大規模為800kt/a。
磷石膏作為水泥緩凝劑存在的最大問(wèn)題是磷石膏中含有的雜質(zhì)會(huì )影響水泥的凝結時(shí)間，使其強度下降。因此必須對磷石膏作適當的凈化除雜處理，關(guān)鍵是除去磷石膏中的磷、氟等酸性物質(zhì)。目前常用的凈化除雜工藝是水洗分離、中和、干燥和煅燒等。今后要在提高磷石膏品質(zhì)、降低磷石膏作為水泥緩凝劑生產(chǎn)成本上下工夫，以加快磷石膏替代天然石膏和脫硫石膏作為水泥緩凝劑應用的步伐。
?。?）磷石膏制石膏砌塊和石膏磚
與天然二水石膏和脫硫石膏一樣，磷石膏主要成分為CaSO4˙2H2O。用磷石膏制建筑材料如石膏砌塊和石膏磚，技術(shù)上是沒(méi)有問(wèn)題的，并且產(chǎn)品強度、承壓能力、透氣性均優(yōu)于傳統的粘土磚和水泥標磚。目前國內磷石膏制石膏砌塊總產(chǎn)能約為5.0×106m2/a，單系列最大規模為合肥市錦龍新型環(huán)保建材有限公司的1.5×106m2/a生產(chǎn)線(xiàn)；磷石膏制石膏磚總產(chǎn)能約2.0×109塊/a，單系列最大規模為貴州開(kāi)磷(集團)有限責任公司的1.0×109塊/a生產(chǎn)線(xiàn)。
目前磷石膏制石膏砌塊和石膏磚技術(shù)經(jīng)濟性已經(jīng)過(guò)關(guān)，但市場(chǎng)推廣緩慢，主要原因是建筑行業(yè)認可度低。亟需國家出臺相關(guān)政策和制修訂行業(yè)標準，以鼓勵和規范磷石膏制石膏砌塊和石膏磚產(chǎn)品的發(fā)展。
?。?）磷石膏制紙面石膏板
紙面石膏板是一種新型的建筑裝飾輕質(zhì)板材料，是木制裝飾板的最近替代品，也是保護森林資源、節約林木的最佳材料。紙面石膏板具有質(zhì)輕、隔聲、隔熱、抗震、收縮率低、強度高、自動(dòng)微調室內濕度、加工性能強及施工方法簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。近年來(lái)，國內石膏制紙面石膏板項目較多，但主要以天然石膏和脫硫石膏為原料。隨著(zhù)國內磷石膏凈化除雜技術(shù)的提高，不少企業(yè)開(kāi)始新建磷石膏制紙面石膏板項目。據不完全統計，目前我國磷石膏制紙面石膏板總產(chǎn)能約3.5×108m2/a，單系列最大規模為昆明英耀建材有限公司的7.0×107m2/a生產(chǎn)線(xiàn)。
?。?）磷石膏制粒狀硫酸銨
為減少環(huán)境污染，延長(cháng)磷石膏渣場(chǎng)的使用年限、解決磷石膏堆存問(wèn)題，促進(jìn)磷石膏硫、鈣資源綜合利用，甕福集團與科研院校采用產(chǎn)、學(xué)、研相結合的方式對磷石膏制硫酸銨進(jìn)行試驗研究。2012年國內首套250kt/a磷石膏制粒狀硫酸銨裝置在甕福集團投產(chǎn)。磷石膏經(jīng)凈化、分離，再漿后與碳酸銨一起進(jìn)入反應釜反應，再經(jīng)分離、結晶、干燥后得到硫酸銨成品。目前該裝置運行正常，每年可消耗磷石膏廢渣520kt。磷石膏制粒狀硫酸銨工業(yè)化生產(chǎn)在國內屬首例，開(kāi)辟了磷石膏綜合利用的新途徑，也使甕福集團磷石膏廢渣綜合利用率提升到26%。
?。?）懸浮態(tài)分解磷石膏制硫酸
磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥是化學(xué)法利用石膏資源的重要途徑。目前國內已有多套石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥裝置在生產(chǎn)，積累了豐富的建設和生產(chǎn)經(jīng)驗。目前甕福集團正在研究懸浮態(tài)分解磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)氧化鈣工藝技術(shù)。試驗研究表明，在1000℃～1100℃的高溫氣氛下，φ(CO)3%～5%、φ(CO2)25%～30%、反應時(shí)間20min時(shí)，磷石膏分解率在95%以上，脫硫率在85%以上。采用稀相懸浮外循環(huán)輸送床反應器煅燒磷石膏制硫酸并聯(lián)產(chǎn)氧化鈣，可克服現有磷石膏制硫酸技術(shù)窯氣SO2濃度低及氧化鈣品質(zhì)差的缺點(diǎn)。
建議
(1)磷石膏要實(shí)現資源化利用，提高磷石膏品質(zhì)、減少雜質(zhì)含量是基礎，這項工作必須從源頭抓起。磷肥企業(yè)要根據所使用的磷礦質(zhì)量，選擇合適的工藝技術(shù)方案，加強對生產(chǎn)進(jìn)行全過(guò)程管理。
(2)將磷石膏加工成性能良好的建筑石膏還有要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，對于放射性含量大的磷石膏應采取措施，以小摻量形式作為膠凝材料使用；第二，水洗磷石膏的污水以及炒制磷石膏的廢煙會(huì )導致二次污染，應采取措施加以過(guò)濾回收；第三，磷石膏的處理增加了成本，應考慮以經(jīng)濟手段促進(jìn)磷石膏的利用,并提高磷石膏處理的經(jīng)濟效益。
(3)進(jìn)一步完善工業(yè)副產(chǎn)石膏綜合利用標準體系，加快工業(yè)副產(chǎn)石膏及相關(guān)產(chǎn)品和應用標準的制修訂。
(4)今后要大力推廣磷石膏用作水泥緩凝劑及生產(chǎn)紙面石膏板、石膏砌塊、石膏商品砂漿等新型建筑材料。重點(diǎn)鼓勵全部使用磷石膏作為原料，單線(xiàn)能力在3．0×107m2/a及以上的紙面石膏板生產(chǎn)線(xiàn)項目，單線(xiàn)能力在3．0×105m2/a及以上的石膏砌塊生產(chǎn)線(xiàn)建設或改造項目，單線(xiàn)能力在100kt/a及以上的粉刷石膏、粘接石膏等石膏干混建材生產(chǎn)線(xiàn)建設或改造項目，單線(xiàn)生產(chǎn)能力在50kt/a及以上的高強石膏粉生產(chǎn)線(xiàn)建設項目，單線(xiàn)能力在1000kt/a及以上的建筑石膏粉生產(chǎn)線(xiàn)建設項目。
(5)開(kāi)發(fā)一批關(guān)鍵共性技術(shù)，如低成本、高性能、環(huán)保型磷石膏凈化技術(shù)，低品質(zhì)磷石膏生產(chǎn)低成本高性能的礦井充填專(zhuān)用膠凝材料技術(shù)，利用工業(yè)副產(chǎn)石膏改良土壤的關(guān)鍵技術(shù)等。
(6)積極開(kāi)展化學(xué)法處理磷石膏的技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)低能耗磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥或氧化鈣、制硫酸銨聯(lián)產(chǎn)碳酸鈣、制硫酸鉀聯(lián)產(chǎn)氯化銨或氯基NPK復合肥等先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
(7)磷石膏綜合利用的關(guān)鍵還是國家政策的支持力度，要通過(guò)財政、稅收、能源等政策扶持使企業(yè)在磷石膏綜合利用中有利可圖或基本保本。建議以磷石膏為原料生產(chǎn)的建筑材料、化工產(chǎn)品等減免征收增值稅，或即征即返。
結語(yǔ)
由于技術(shù)和人民生活水平等方面的差距，我國磷石膏的綜合利用相對較為落后。當前大多數磷化工企業(yè)生產(chǎn)中排放的磷石膏，至今尚未得到有效利用，不僅浪費資源、占用土地，還污染環(huán)境，其綜合開(kāi)發(fā)利用已迫在眉睫。利用磷石膏可制作建筑材料、肥料等附加值較高、使用量較大的化工產(chǎn)品，實(shí)現變廢為寶的目的。因此，很有必要加強磷石膏資源化高效利用方面的研發(fā)工作。
作者：孫振平教授課題組
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