肖賽君， 章 俊， 王 振

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

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礦熱電爐處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝

肖賽君， 章 俊， 王 振

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

從難熔性富鉀巖石資源低成本提取鉀是解決我國(guó)鉀肥急缺的重要課題。本文依據(jù)富鉀巖石成分特點(diǎn)，提出采用礦熱電爐電熱還原揮發(fā)法處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝，該工藝可同時(shí)實(shí)現(xiàn)難熔性鉀資源中硅、鋁、鐵以及鉀的綜合利用。初步分析表明，該工藝具備實(shí)現(xiàn)我國(guó)富鉀巖石綜合利用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

富鉀巖石； 礦熱電爐還原； 硅鋁鐵； 鉀肥

0 引言

鉀鹽是我國(guó)最為緊缺的兩種非金屬礦產(chǎn)之一。2012年，我國(guó)鉀鹽產(chǎn)量為377萬(wàn)t，而鉀肥消費(fèi)量為795.4萬(wàn)t，對(duì)外依存度為52.2%[1]。我國(guó)可溶性鉀礦資源短缺，而難溶性鉀礦資源卻比較豐富，常見難溶性含鉀礦物多為鉀鋁硅酸鹽礦物，目前已探明的難溶性鉀資源儲(chǔ)量超過100億t[2]。加快開發(fā)利用難溶性富鉀巖石制造鉀肥，是保障我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。本文所探討的富鉀巖石即K2O含量達(dá)到工業(yè)利用要求(>8%)的富鉀硅酸鹽巖石。

國(guó)際上開展利用富鉀巖石制取鉀鹽技術(shù)的研究已超過百年[3]，目前有4種主要技術(shù)工藝路線：高溫煅燒、強(qiáng)酸分解、微生物分解和水熱化學(xué)反應(yīng)[4-7]。然而，所有工藝均在實(shí)驗(yàn)室取得成功，但在轉(zhuǎn)化為規(guī)?；a(chǎn)的過程中由于諸如能耗過高、資源利用率低、設(shè)備昂貴、產(chǎn)品種類、副產(chǎn)品附加值、副產(chǎn)品市場(chǎng)、環(huán)境保護(hù)等問題而無(wú)法產(chǎn)業(yè)化，為此行業(yè)內(nèi)外對(duì)于難溶性鉀資源是否值得開發(fā)一直存有爭(zhēng)議[8-10]。從已進(jìn)行的研究看，低成本開發(fā)難溶性富鉀巖石資源是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。

本文提出采用礦熱電爐電熱還原揮發(fā)法處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝，該工藝可同時(shí)實(shí)現(xiàn)難溶性鉀資源中硅、鋁、鐵以及鉀的綜合利用。文中分析了技術(shù)難點(diǎn)，提出初步設(shè)想和建議方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行初步分析。

1 富鉀巖石及其綜合利用現(xiàn)狀

我國(guó)可溶性鉀資源嚴(yán)重短缺，已探明儲(chǔ)量不足世界總量的0.2%。但是，我國(guó)難溶性鉀資源豐富，難溶性富鉀巖石儲(chǔ)量大于1 000億t，其中蘊(yùn)含的K2O資源量大于100億t。結(jié)合我國(guó)地質(zhì)特征和巖石類型分布特征，估測(cè)我國(guó)富鉀巖石的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量可能大于2 000億t，蘊(yùn)含的K2O資源量可能大于200億t，這些資源主要分布在安徽、內(nèi)蒙古、新疆、四川、山西等省[11]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)的科研人員對(duì)我國(guó)不同區(qū)域富鉀巖石的化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)分析，見表1[12]。

上世紀(jì)70年代后，由于在加拿大、前蘇聯(lián)和德國(guó)等國(guó)探明了大量水溶性鉀鹽礦床資源，國(guó)外關(guān)于富鉀巖石制取鉀鹽的研究報(bào)道較少，但美、法、日、俄羅斯以及某些東歐國(guó)家仍把不溶性鉀巖中K2O含量大于8%的鉀巖石作為潛在鉀肥資源。我國(guó)對(duì)不溶性鉀礦資源的開發(fā)利用比國(guó)外起步晚，上世紀(jì)50年代開始探索利用含鉀巖石提鉀的工藝。國(guó)內(nèi)的一些研究單位，如化工部、地礦部、建材部門的有關(guān)院所和企業(yè)，曾先后采用不同的方法(主要是熱法和濕化學(xué)法)進(jìn)行鉀肥開發(fā)，目前還處于試驗(yàn)和推廣階段，形成工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)不多，富鉀巖石工業(yè)提鉀的規(guī)?；a(chǎn)仍然沒有成功的先例[2]。

表1 富鉀巖石的成分 %

注：1—北京平谷區(qū)鉀質(zhì)響巖；2—天津薊縣鉀質(zhì)粗面巖；3—山西臨縣紫金山假榴正長(zhǎng)巖；4—江蘇豐縣華山富鉀頁(yè)巖；5—福建沙縣田口鉀長(zhǎng)石粉體；6—內(nèi)蒙古白云鄂博富鉀板巖；7—天津薊縣富鉀白云質(zhì)泥巖；8—河南嵩縣磨溝霓輝正長(zhǎng)巖。9—河南盧氏縣黃家灣白云母正長(zhǎng)巖；10—陜西洛南縣長(zhǎng)嶺霓輝正長(zhǎng)巖；11—同3；12—云南個(gè)舊市白云山霞石正長(zhǎng)巖；13—遼寧鳳城市賽馬霞石正長(zhǎng)巖；14—安徽金寨縣響洪甸角閃正長(zhǎng)巖；15—安徽南陵縣桂山石英正長(zhǎng)巖；16—同10；17—同8。

如何對(duì)富鉀巖石進(jìn)行有效的綜合利用，作者認(rèn)為根本問題是難溶性富鉀巖石中鉀品位低，如果只進(jìn)行鉀資源的利用，很難取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。由表1所示富鉀巖石成分可知，富鉀巖石中二氧化硅、三氧化二鋁以及鐵氧化物的含量占到富鉀巖石的80%左右，氧化鉀的平均含量約為12%。如何在回收鉀的同時(shí)，有效利用占到80%的二氧化硅、三氧化二鋁以及鐵氧化物，從鐵合金冶煉角度看，如果能采用礦熱爐電熱法高溫還原，制備附加值高的硅鋁鐵合金，同時(shí)鉀還原揮發(fā)再氧化成碳酸鉀進(jìn)行回收利用，則可以實(shí)現(xiàn)富鉀巖石中90%以上資源的綜合利用，其可能成為一種實(shí)現(xiàn)富鉀礦石綜合利用產(chǎn)業(yè)化的新工藝。

2 電熱還原揮發(fā)法處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝

該新工藝是受上世紀(jì)80年代云南省個(gè)舊化學(xué)工業(yè)公司一項(xiàng)處理含鉀巖石工藝啟發(fā)提出的[13]。云南省個(gè)舊化學(xué)工業(yè)公司采用電爐揮發(fā)法綜合利用霞石，霞石的成分見表2。

表2 霞石成分 %

表2所示霞石成分與表1所提供的富鉀巖石成分相差不大。該公司在20 kVA單相石墨電極電爐中進(jìn)行霞石的高溫碳熱還原，制備得到硅鐵合金的同時(shí)，鉀從爐內(nèi)揮發(fā)出來(lái)，而氧化鋁等未被還原的氧化物等進(jìn)入爐渣。試驗(yàn)表明，每生產(chǎn)1 t鉀鹽，會(huì)產(chǎn)生1 t的45號(hào)硅鐵和6.5 t含氧化鋁32%的爐渣。

盡管個(gè)舊化學(xué)工業(yè)公司提到該工藝可以實(shí)現(xiàn)低成本綜合利用含鉀礦石，但之后并沒有進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。作者認(rèn)為，該工藝確實(shí)提供了一條火法冶金綜合利用富鉀礦石的新思路，但是仍需要進(jìn)行改進(jìn)。由于三氧化二鋁仍在爐渣中，造成如下三方面的不足：1)需要加入大量石灰熔劑，1 t霞石需要配入0.4 t石灰石，以調(diào)整爐渣溫度及流動(dòng)性等，增加了成本；2)大量爐渣的存在使得硅的回收率偏低，試驗(yàn)時(shí)冶煉得到的爐渣中二氧化硅含量達(dá)到近25%；3)高溫爐渣需要消耗大量能量。如果能夠配入過量碳質(zhì)還原劑并提高冶煉溫度，進(jìn)一步將氧化鋁還原成金屬鋁，得到硅鋁鐵合金，上述三方面的不足都會(huì)彌補(bǔ)，而得到的硅鋁鐵合金產(chǎn)品的附加值明顯高于45號(hào)硅鐵，從而提高富鉀巖石綜合利用的經(jīng)濟(jì)可行性。

依據(jù)上述分析，提出電熱還原揮發(fā)法處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝，見圖1。

圖1 電熱還原揮發(fā)法處理富鉀巖石制備硅鋁鐵及鉀肥新工藝

采用電熱還原冶煉硅鋁鐵合金對(duì)于冶煉鋁含量較高的硅鋁鐵比較困難，但冶煉鋁含量低的硅鋁鐵比較成熟，表3為我國(guó)硅鋁鐵合金的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 硅鋁鐵合金冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YB/T065.1995)[14] %

近些年，哈薩克斯坦采用粉煤灰等進(jìn)行電熱還原制備硅鋁鐵合金，其產(chǎn)品成分見表4。

依據(jù)表4提供的FS60A20牌號(hào)硅鋁鐵合金進(jìn)行初步的物料計(jì)算，假設(shè)生產(chǎn)FS60A20牌號(hào)硅鋁鐵合金1 t，硅的回收率90%，鋁的回收率85%，鐵和鉀的回收率100%，被還原的鉀全部生成碳酸鉀。初步估算結(jié)果見表5。

表4 哈薩克斯坦冶煉的硅鋁鐵合金[15] %

表5 初步估算的主要物料收入與產(chǎn)出 t

哈薩克斯坦采用粉煤灰等冶煉FS60A20硅鋁鐵合金，電耗在1.1～1.2萬(wàn)kWh/t[15]?？紤]到鉀的還原還需要部分熱量，將礦熱爐處理富鉀巖石制備硅鋁鐵合金的電耗設(shè)為1.3萬(wàn)kWh/t。按照每度電0.6元，每生產(chǎn)1 t硅鋁鐵的電費(fèi)為0.78萬(wàn)元；FS60A20合金的售價(jià)1萬(wàn)元/t；碳酸鉀的售價(jià)6 000元/t，每生產(chǎn)1 t硅鋁鐵合金，產(chǎn)出0.45 t碳酸鉀，即2 700元。所得產(chǎn)品的總售價(jià)可達(dá)1.27萬(wàn)元。產(chǎn)品售價(jià)與電費(fèi)之差為0.49萬(wàn)元，即其它原材料以及相關(guān)能耗成本只要不超過0.49萬(wàn)元/t，則該工藝在經(jīng)濟(jì)上就是可行的。

關(guān)于低鋁硅鋁鐵產(chǎn)品的市場(chǎng)問題，哈薩克斯坦研究表明，低鋁含量的硅鋁鐵有利于提高鋁回收率以及降低夾雜物含量[15]。2011年，哈薩克斯坦所生產(chǎn)的硅鋁鐵合金牌號(hào)均為表4所示低鋁牌號(hào)，產(chǎn)量達(dá)到5 000 t/a，德國(guó)、土耳其、日本等國(guó)均購(gòu)買其低鋁系列硅鋁鐵合金用于鋼鐵生產(chǎn)[16]。低鋁硅鋁鐵合金代替表3中的高鋁硅鋁鐵合金是目前的主流趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)恰恰有利于擴(kuò)大采用富鉀巖石冶煉得到的低鋁硅鋁鐵產(chǎn)品的市場(chǎng)。

3 工藝技術(shù)可行性分析

由于該工藝仍處于概念設(shè)計(jì)階段，涉及原料中氧化鉀的還原揮發(fā)以及再次氧化等問題，技術(shù)上是否可行必須通過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證。本文僅依據(jù)現(xiàn)有資料和理論，進(jìn)行工藝可行性的初步分析。

該工藝是否可行的關(guān)鍵有兩個(gè)：第一，鉀能否還原揮發(fā)回收；第二，碳熱還原富鉀礦石能否得到合格的硅鋁鐵合金。對(duì)于冶煉過程中鉀的揮發(fā)及回收，依據(jù)云南省個(gè)舊化學(xué)工業(yè)公司的試驗(yàn)，氧化鉀的總收塵率大于95%。高溫還原熔煉時(shí)，不溶性鉀礦中的鉀揮發(fā)，遇到氧化性氣體重新氧化成氧化鉀，由于煙氣含有大量的二氧化碳，氣體中的氧化鉀與二氧化碳結(jié)合，大部分鉀鹽呈碳酸鉀狀態(tài)產(chǎn)出，同時(shí)焦炭等原料中的硫、礦石中的少量氯亦隨鉀進(jìn)入煙氣，故鉀鹽中亦有少量硫酸鉀和氯化鉀。既然冶煉硅鐵以及含鋁爐渣可以使幾乎所有鉀進(jìn)入氣體，那么在更高的溫度下進(jìn)行無(wú)渣法冶煉硅鋁鐵合金，鉀的揮發(fā)應(yīng)更完全。

早期電熱還原法冶煉硅鋁鐵采用鋁土礦、硅石、鐵屑、焦炭及其它含Al、Si礦物為原料，在礦熱爐中直接還原生產(chǎn)硅鋁鐵合金。后期為降低原料成本，我國(guó)很多企業(yè)嘗試了含碳、二氧化硅以及氧化鋁的粉煤灰等冶煉硅鋁鐵合金[17-18]。2008年，哈薩克斯坦報(bào)道采用一種富含二氧化硅和氧化鋁的礦石(clay rock)進(jìn)行低鋁含量硅鋁鐵生產(chǎn)[19]，該礦石的成分見表6。

表6 富含二氧化硅和氧化鋁的礦石成分[19] %

采用該礦石，哈薩克斯坦冶煉得到了硅鋁鐵合金。該礦石的硅、鋁含量與富鉀巖石相似。另外，由于缺少鋁土礦，前蘇聯(lián)曾采用電熱還原法從富鉀巖石中煉鋁，并得到副產(chǎn)品鉀肥[9]。該信息來(lái)自二次文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)僅表明前蘇聯(lián)的工藝流程是可行的，沒有詳細(xì)的工藝介紹。

分析表明，富鉀巖石冶煉硅鋁鐵合金及鉀肥存在可能性，但是有關(guān)原料的特性(比如導(dǎo)電性、軟熔性)、氧化鉀對(duì)硅鋁鐵冶煉的具體影響還需要深入研究，以優(yōu)化工藝。

4 結(jié)論

本文從富鉀巖石中二氧化硅、三氧化二鋁以及鐵氧化物含量較高的特點(diǎn)出發(fā)，借鑒鐵合金行業(yè)礦熱爐冶煉硅鋁鐵以及云南省個(gè)舊化學(xué)工業(yè)公司電爐揮發(fā)法處理霞石生產(chǎn)硅鐵及鉀肥的工藝，提出采用礦熱電爐還原冶煉硅鋁鐵及鉀肥的新工藝。

初步分析表明，該工藝具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性，為我國(guó)難溶性鉀鹽綜合利用提供了一條新的思路，希望對(duì)我國(guó)從事富鉀巖石提取鉀肥的科研工作者有所啟發(fā)，盡早實(shí)現(xiàn)我國(guó)難溶性鉀礦石的綜合利用。

[1] 中國(guó)無(wú)機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)鉀鹽(肥)行業(yè)分會(huì)．2012年中國(guó)鉀鹽鉀肥行業(yè)運(yùn)行情況報(bào)告及2013年預(yù)測(cè)[R].上海:中國(guó)無(wú)機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)鉀鹽(肥)行業(yè)分會(huì),2013:1-7.

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可再生能源投資版圖變遷 發(fā)展中國(guó)家首超發(fā)達(dá)國(guó)家

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署等機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布的最新報(bào)告顯示，2015年，全球新能源領(lǐng)域投資達(dá)2 859億美元，刷新了2011年投資額2785億美元的紀(jì)錄。2004～2015年間，全球?qū)稍偕茉赐顿Y總額達(dá)2.3萬(wàn)億美元。

這份名為《2016全球可再生能源投資趨勢(shì)》的報(bào)告顯示，發(fā)展中國(guó)家對(duì)新能源領(lǐng)域的投資額首次超過發(fā)達(dá)國(guó)家。2015年，發(fā)展中國(guó)家對(duì)可再生能源的投資達(dá)1 560億美元，同期，發(fā)達(dá)國(guó)家的投資額為1 300億美元。對(duì)發(fā)展中國(guó)家而言，這一數(shù)額與2014年相比，增長(zhǎng)19%，而且還是2004年時(shí)(90億美元)的17倍。

發(fā)展中國(guó)家投資創(chuàng)紀(jì)錄的背后，是以中國(guó)、印度、巴西為代表的國(guó)家，積極響應(yīng)應(yīng)對(duì)極端氣候挑戰(zhàn)的號(hào)召。其中，中國(guó)2015年可再生能源投資額為1 029億美元，同比增長(zhǎng)17%，在世界總投資額中占36%。除了中國(guó)、印度和巴西“三巨頭”外，其他發(fā)展中國(guó)家去年對(duì)新能源領(lǐng)域的投資提升30%，達(dá)360億美元，為2004年的近12倍。

發(fā)達(dá)國(guó)家中，歐洲對(duì)可再生能源的投資額從2014年的620億美元下降21%，至2015年的488億美元，為9年來(lái)的低谷；美國(guó)投資增長(zhǎng)14%，至441億美元；日本的投資與2014年持平，為362億美元。

報(bào)告認(rèn)為，一方面是發(fā)展中國(guó)家在風(fēng)能、太陽(yáng)能領(lǐng)域的快速研發(fā)以及需求量巨大，另一方面發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增速放緩，以及政府對(duì)可再生能源補(bǔ)貼力度的下降，導(dǎo)致了發(fā)展中國(guó)家更受資金的偏愛。

同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能的投資去年分別增長(zhǎng)12%和4%，雙雙創(chuàng)下新高。

報(bào)告發(fā)現(xiàn)，隨著可再生能源每兆瓦的發(fā)電成本進(jìn)一步降低，2015年可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量(大型水電站除外)占所有新增發(fā)電裝機(jī)容量的54%，標(biāo)志著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量首次超過常規(guī)能源發(fā)電裝機(jī)容量。

此外，2015年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，可再生能源高于常規(guī)能源表明電力系統(tǒng)正在發(fā)生結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。雖然可再生能源(大型水電除外)目前還只占世界總發(fā)電裝機(jī)容量的很小部分(約16.2%)，但這一比例在不斷攀升(與2014年相比增長(zhǎng)15.2%)。同時(shí)，2015年可再生能源生產(chǎn)的實(shí)際電量占到全球的10.3%，與2014年相比增長(zhǎng)9.1%。

Production of ferro-silico-aluminum and potash fertilizer by treating potassium-rich rock in the submerged arc furnace

XIAO Sai-jun, ZHANG Jun, WANG Zhen

It is a main task to achieve the resources comprehensive utilization of domestic infusible potassium-rich rock in order to solve the shortage of potash fertilizer. According to the characteristics of potassium-rich rock compositions, this paper proposes a new process of producing ferro-silico-aluminum and potash fertilizer from potassium-rich rock by using the electrothermal reduction volatilization method in the submerged arc furnace. The new process can achieve comprehensive utilization of silicon, aluminum, iron and potassium in the infusible potassium-rich rock. Preliminary analysis shows that the new process has the technical and economic feasibility.

potassium-rich rock; reduction in the submerged arc furnace; ferro-silico-aluminum; potash fertilizer

肖賽君(1982—)，女，湖北洪湖人，博士學(xué)位，講師，研究方向?yàn)橛猩饘僖睙捫鹿に嚰叭埯}電化學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)基金NO.51204001與NO.51404001以及教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目([2014]1685)資助。

2015-10-12

TF826.1

B

1672-6103(2016)04-0066-05