居安思危優化配置磷礦資源 積極推動磷化工高質量可持續發展

孫志立, 牛仁杰, 黃 平

(1.中國無機鹽工業協會 北京 100013;2.攀枝花學院 四川攀枝花 617064;3.黔南州化學化工學會 貴州都勻 558000)

2022年5月,國內化肥價格一路暴漲,多地磷礦石的供給嚴重告急。據2022年5月25日《中國化工報》報道,安徽化工行業協會及省內化肥企業反映,由于磷礦石采購困難,疊加國內外宏觀局勢等影響因素,省內磷肥企業幾乎都面臨著生產原料缺少的窘境,尤其是磷礦石的缺口更大,價格一路飛漲。

2012年,筆者在“貴州省第四屆甕福經濟帶發展論壇暨貴州源翼礦業集團磷煤電一體化發展高峰論壇”上,作了《審時度勢重新認識磷資源利用的合理性,實現企業與社會和諧發展》的主旨演講;10年間,筆者多次受邀在中國磷化工發展高峰論壇、學術交流會議以及國內期刊上陸續發表了有關“中國磷資源的利用與思考”“中低品位磷礦資源優化配置在熱法制磷工藝的應用”等內容的演講和論文[1-4]。

這些演講和論文中都特別強調和警示呼吁:目前,中國不是一個缺磷的國家,但未來一定是受全球磷危機威脅最嚴重的國家之一。中國磷肥產業國際競爭力評價報告也指出,我國“磷資源前景堪憂”。因此,一定要“居安思危,思則有備,有備無患”,千萬不能置若罔聞、盲目樂觀[1-4]。

1 回眸國內外磷資源的開發與利用

1.1 世界各國科學家對磷資源危機的警示

全球氣候變化是21世紀人類面臨的災難性問題,人類在推進工業化社會發展的進程中,雖然創造了豐富的精神文明和物質財富,但也消耗了巨大數量的資源,付出了慘痛的環境代價[5]。自然生態中并非有取之不盡、用之不竭的自然資源,各國二氧化碳排放量的遞增,對地球村的生命系統和人類生存環境形成了很大的威脅,要求人們探索新的發展模式,減少人類對自然資源的消耗和生態系統的損傷。因此,“雙碳”循環經濟就成了當今磷化學工業高質量可持續發展的必然和首選[4]。

2008年6月23日,英國《泰晤士報》引文《科學家警告,全球將可能面臨磷短缺》。

2009年6月,《科學美國人》刊文《磷資源耗竭——即將出現的危機》。

2009年,日本春季號《季刊肥料》發表長篇論述《磷資源的有限性》[6]。

全球磷礦資源的稀缺性隨著使用量的提升逐步顯現,磷礦石開采品位整體將不斷下降。有專家警示,用于磷復肥生產的磷礦石資源可能在未來30～100年間加速枯竭,這絕非危言聳聽!太平洋上的島國瑙魯坐擁豐富的磷礦(磷酸鹽)資源,當年是世界上最富有的國家之一,人均國內生產總值(GDP)多年位列全球第一。由于無序過度開采,到了21世紀,曾經富得流油的瑙魯變成了窮困潦倒的地方,一眼望去只剩下光禿禿的珊瑚尖石,空空如也的礦洞猶如在流淚的眼睛,控訴著人類無休止對地球的索取和破壞……

1.2 國內磷資源的管控

中國作為“世界工廠”,產業鏈日漸完善,磷化工的生產能力及產量與日俱增,隨之而來的是磷資源的大量消耗及碳排放量加速攀升。在這一背景下,我國如何科學合理地利用有限的磷資源,實現“雙碳”目標及磷化工的可持續發展,是業內應該認真研究與探討的課題。

我國政府在2001年就將磷礦石列入2010年后不能滿足中國國民經濟發展需求的20種礦種之一;2008年,為了加強磷礦的保護與合理開發利用,我國對磷礦石的出口實行了配額制管理,各級政府陸續出臺了關于磷礦石生產治理的相關規定。

2006年,湖北省政府發布了《關于加強磷礦資源管理意見》,對磷礦開發利用中存在的礦山布局不合理、采富棄貧、礦山環境惡化、粗放的增長方式等問題開展專項整治行動。

2010年,湖北省對磷礦資源進行了一定程度的整合,但磷礦石生產企業數仍達65家,平均產量為250 kt/a,產能17 000 kt/a左右;興發集團、湖北三寧礦業的產能在3 000 kt/a左右,與云南、貴州區域的龍頭企業差距較大。

2011年,按“十二五”規劃要求,原國土資源部、財政部啟動建設了首批40個礦產資源綜合利用示范基地,并在此期間實現了低品位膠磷礦反浮選關鍵技術的突破。

2011年7月,湖北省政府出臺了《關于進一步加強磷礦高磷鐵礦開發利用管理的意見》,提出設立省級磷礦規劃區,并在省級地勘基金項目外,對規劃區內所有礦種的探礦權、采礦權暫停審批,并將逐步重組和關閉150 kt/a以下的磷礦,加速區域內的整合。

2016年,為了提高磷礦資源安全供給能力和開發利用水平,在《全國礦產資源規劃(2016—2020年)》中,我國將磷礦等24種礦產資源列入戰略性礦產目錄。

2019年,商務部開始對磷礦石的出口實行許可證制度,進一步加強了對磷礦石出口的管理。

1.3 我國磷資源的開發利用及現狀

縱觀我國磷資源的開發利用和發展歷史,經歷了萌芽發現期、探索開發期、壯大輝煌期、優化調控期等4個階段。

(1)第一階段:磷資源萌芽發現期。20世紀30年代初,江蘇錦屏山發現了磷礦,曾一度有計劃開發利用但未實現;1938年冬,王學海、鐘道樹兩位化學工程師在昆明滇池附近的昆陽(今昆明市晉寧區)意外發現了w(P2O5)為35%左右的磷礦石,并以該磷礦石為原料試驗成功了電爐法生產黃磷,為揭開國內磷礦資源寶藏的奧秘和磷化工的發展起到了積極的推動作用[5]。

(2)第二階段:磷資源探索開發期?！耙晃濉逼陂g(1953—1957),連云港錦屏山磷礦被列為國家重點工程,于1959年年底建成投產,1960年國內黃磷產量只有2 986 t;“二五”期間(1958—1962),國內磷礦勘探有了重大突破,先后發現了云南昆陽、貴州開陽、湖北襄陽三大磷礦區,當時被譽為原化工部的“三陽開泰”[5]。

(3)第三階段:磷資源利用壯大輝煌期。1999年前,國內的磷礦石產量在20 000 kt/a以內;2000年,我國磷礦石產量突破20 000 kt,2000—2005年國內磷礦石產量為30 000 kt/a左右;2006—2014年,磷礦石產量以10 000 kt/a的速度遞增,2014年的產量達到了120 000 kt;2016年達到近150 000 kt的峰值,該產量占全球當年磷礦石開采總量的50%以上,相當于元古代100萬年的成礦量[1]。

(4)第四階段:磷資源優化調控期。2019年全球選礦回收率為63.01%,我國的選礦回收率達到了89.97%(國內在低品位礦提純除雜方面有很多領先的技術),高于世界平均水平26.96%,我國對磷資源的優化調控使用取得了顯著的成果。2016年我國磷礦石產量達到峰值后,2017—2020年實現了磷礦石產量的零增長,且連續4年呈下降趨勢,產量分別為123 130、96 330、93 320、88 930 kt。

我國近20年的磷礦開采率和磷礦石產量均遠高于其他國家,業內專家測算,若按2016年的產量計算,我國有限的磷資源可以維持的年限僅為37年。

2019年,生態環境部印發了《長江“三磷”專項排查整治行動實施方案》,重點對磷礦、磷化工和磷石膏庫進行污染排放整治[4],磷化工行業去產能、磷資源優化調控全面展開。

2 磷礦石價值與價格的回歸引發磷化工成本的改變

2.1 國內外磷礦石的價格及現狀

根據美國地質勘探局(USGS)的統計,由于主要磷礦石生產國家出口減少和限制加大,導致全球磷礦石價格近年來持續大幅上漲。美國進口的磷礦石(標礦,下同)均價從2007年開始上漲,2011年進口均價升至145.2美元/t。2011年初,摩洛哥磷礦石價格已從40～45美元/t上漲至80～85美元/t,印度磷礦石的到岸價翻了一倍以上(100～110 美元/t)。目前,印度進口的磷礦石價格達到220美元/t,同比提高了36.6%;約旦到中國的到岸倉庫磷礦粉報價2 500～3 000元/t。

長期以來,國內磷礦石價格被低估,一直比國際市場低50%左右。由于國際磷礦石價格暴漲的傳導效應開始蔓延,國內磷礦石供給已多次出現供不應求的局面,磷礦石價格(P2O5質量分數28%的擦洗礦)從20世紀末的80元/t(不含運費)逐步上漲至350元/t。

據百川盈孚數據統計,2022年1月,國內磷礦石(P2O5質量分數30%)主流地區參考均價為690元/t左右,2月18日上漲至710元/t,3月23日上漲至740元/t,與2021年初相比均價上漲了390元/t,漲幅達111.43%;2022年7月末,磷礦石價格又從740元/t上漲至1 054元/t,環比漲幅達42.43%,同比漲幅達201.14%。

由于全球磷資源的短缺及國內磷礦石價值與價格的回歸,隨著磷礦資源的逐步耗竭,磷礦石供給必然逐漸緊張,采購成本必然大幅上升。

2.2 熱法制磷的成本結構發生了顛覆性的改變

采用電爐法生產黃磷時,磷礦石所含的其他化學成分與磷礦石品位同樣重要,企業既要評價分析磷礦石本身的價格和消耗,又要考慮生產操作控制中影響工藝的指標以及最終成本。

電爐法生產黃磷的磷爐升華電、磷礦石、炭質還原劑等3種主要消耗品的成本費用占比,2020年前分別為50%～65%、20%～35%、10%～18%;按磷礦石中w(P2O5)為27%左右、w(CO2)為3%～5%,還原劑中w(固定碳)≥80%計,生產1 t黃磷產品3種消耗品的消耗量一般分別為14 000～14 500 kW·h、8～12 t、1.5～1.8 t[7]。

目前,國內的磷礦石品質不但發生了變化(如CO2質量分數一般為8%左右),而且可用的磷礦石品位正在以每年1%～2%的速率下降。以云南省、貴州省各一家采用電爐法生產黃磷的企業為例,2022年1—6月生產1 t黃磷產品的磷爐升華電、磷礦石、炭質還原劑消耗量分別為15 000～16 500 kW·h、12～13 t、1.5～1.8 t,單耗分別按15 750 kW·h、12.5 t、1.7 t計;磷礦石中w(P2O5)為25%左右、w(CO2)為5%～10%,還原劑中w(固定碳)≥80%;云南省的升華電、磷礦石、炭質還原劑價格分別按0.38元/(kW·h)、1 054元/t、3 000元/t計,貴州省的分別按0.60元/(kW·h)、800元/t、2 200元/t計。

(1)云南省企業

升華電:15 750×0.38=5 985(元/t)

磷礦石:12.5×1 054=13 175(元/t)

炭質還原劑:1.7×3 000=5 100(元/t)

合計:5 985+13 175+5 100=24 260(元/t)

升華電、磷礦石、炭質還原劑的成本費用占比分別為24.67%、54.31%、21.02%。

(2)貴州省企業

升華電:15 750×0.60=9 450(元/t)

磷礦石:12.5×800=10 000(元/t)

炭質還原劑:1.7×2 200=3 740(元/t)

合計:9 450+10 000+3 740=23 190(元/t)

升華電、磷礦石、炭質還原劑的成本費用占比分別為40.75%、43.12%、16.13%。

從上述計算可以看出,兩省黃磷企業的升華電、磷礦石、炭質還原劑的成本費用占比為24.67%～40.75%、43.12%～54.31%、16.13%～21.02%。

云南省的磷礦石成本費用占比在2022年上半年黃磷生產成本中名列前茅,反超了2020年前升華電的成本費用占比(51.01%),升華電的成本費用占比下降為24.67%;盡管貴州省的電價比云南省的高0.22元/(kW·h),但磷礦石在生產成本中的占比仍然是最高的。電爐法黃磷生產的成本結構發生了顛覆性的改變,表明國內的磷化工行業已進入了以資源為王的時代。

3 低品位磷礦石的直接利用是磷化工的戰備課題

3.1 2022年國內磷礦石短缺的原因

我國磷礦石經過長期大規模、高負荷開采后,供給側已經顯現出了持久性不足的情況,有效品位大打折扣,品質較差,影響穩定供給的因素增多。目前,國內低品位磷礦石都必須經過洗選提高品位后方能使用[8]。入選原礦的品位從2012年的24%以上降至2018年的18%～20%,業內人士分析到2025年將降至15%～16%。需要提醒的是,所有的除雜提純(洗選過程)都是需要消耗能量的。

通常除雜提純分離裝置在化工基建投資中的占比為50%～90%,能耗在整個流程中的占比為30%～50%。從圖1可以看出:當除雜提純純度<65%時,困難程度在30%以內;當除雜提純純度>65%時,困難程度快速上升,說明除雜提純到一定程度對于經濟價值就沒有太大的意義了。

圖1 除雜提純純度與困難程度的關系

據有關部門的統計數據顯示,截至2002年年底,我國共查明磷礦石產地412處,全國磷礦資源儲量為167.86 億t,其中資源儲量為127.32 億t;現有技術可以真正利用、具有經濟開采價值的磷礦儲量只有40.54 億t,僅占總儲量的24%左右。

我國磷礦石中w(P2O5)>30%的富礦僅占6.4%,w(P2O5)為24%～30%的占7.4%,w(P2O5)為14%～24%的占72.9%,w(P2O5)為3%～14%的占13.3%;w(P2O5)>24%的磷礦石僅占13.8%,w(P2O5)<24%的占86.2%,全國磷礦石平均品位僅為16.85%,難選礦占總儲量的65%以上,我國是世界上磷礦石品位最低的國家之一[9]。從國內持續的大規模高濃度磷肥用礦需求+工業需求的相對穩定+滿足新能源需求不斷增長的趨勢分析,磷礦石不是現在才短缺,而是國內磷礦資源本來就不充裕。盡管當前危機尚未顯現,但從長遠的角度看,居安思危、思則有備是目前我國磷資源優化配置、合理利用的國策。

3.2 低品位磷礦石生產黃磷的成功案例及經濟技術指標

直接使用低品位磷礦石電熱法生產黃磷的成功案例很多,世界各國工程技術人員一直在積極探索與研發工藝路線。二十世紀六七十年代,前蘇聯的熱法制磷工廠就是使用低品位磷礦石生產黃磷,由于當時云貴川鄂的磷礦石太便宜[w(P2O5)>30%的磷礦石價格為30元/t左右],又沒有政策支持,未能在我國得到推廣[9]。

1974年,寧夏銀川化工廠通過實踐摸索,采用賀蘭山含硅量高的低品位磷礦石生產黃磷取得了很好的經驗,累計生產了11個月,該企業采用的磷礦石化學組分、單位產品消耗和爐渣分析結果見表1～表3[10]。

表1 高硅低品位磷礦石化學組分

表2 采用高硅低品位磷礦石生產1 t黃磷產品的消耗

表3 采用高硅低品位磷礦石生產黃磷的爐渣分析結果

使用低品位磷礦石生產黃磷,由于入爐物料(主要是磷礦石化學組分)改變,爐內的熔池電阻也會發生變化,爐渣酸度過高(爐渣酸度值MK為1.18～1.32),對爐膛炭磚沖刷腐蝕性增大,但渣中的殘磷控制非常好(1.60%～2.12%,極差為0.52%),符合國家標準《黃磷生產技術規范》(GB/T 33321—2016)中極差為1.0%～2.5%的規定[11]。

使用低品位磷礦石生產黃磷,在生產操作控制和工藝管理方面是可行的(筑爐、配料、工藝管理進行適當調控)。類似賀蘭山w(P2O5)為19.73%左右的低品位磷礦石(當時在云南稱為垃圾礦),目前國內價格一般為200～250元/t(按225元/t計),電價和炭質還原劑按2022年上半年均價計,單耗按表2計,進行經濟技術指標的分析對比。

(1)云南省企業

升華電:19 386×0.38=7 366.68(元/t)

磷礦石:14.35×225=3 228.75(元/t)

炭質還原劑:1.68×3 000=5 040.00(元/t)

合計:7 366.68+3 228.75+5 040.00=15 635.43(元/t)

升華電、磷礦石、炭質還原劑的成本費用占比分別為47.12%、20.65%、32.23%。

(2)貴州省企業

升華電:19 386×0.60=11 631.60(元/t)

磷礦石:14.35×225=3 228.75(元/t)

炭質還原劑:1.68×2 200=3 696.00(元/t)

合計:11 631.60+3 228.75+3 696.00=18 556.35(元/t)

升華電、磷礦石、炭質還原劑的成本費用占比分別為62.68%、17.40%、19.92%。

從上面的計算可看出,使用低品位磷礦石生產黃磷,以目前的市場價格和資源條件,不但經濟合理,技術上也是可行的,貴州省和云南省生產1 t黃磷的成本費用分別僅為18 556.35、15 635.43元。磷礦石、升華電、炭質還原劑等3種主要消耗品在貴州省和云南省的成本費用占比范圍分別為17.40%～20.65%、47.12%～62.68%、19.92%～32.23%,生產1 t黃磷的生產成本費用比目前貴州省、云南省的分別下降4 633.65、8 624.57元,降幅分別為19.98%、35.55%,使用低品位磷礦石生產黃磷是有經濟效益的。

4 建議與思考

(1)國內磷礦貧化率加速,自有資源配備顯示出了重要性。目前各省廠商的磷礦石產銷量基本都是以磷礦石實物量作為統計口徑,高品位磷礦石資源被不斷消耗,國內可用的磷礦石品位每年下降1%～2%,高低品位磷礦石之間的價差擴大明顯,原料磷礦石在主要成本中的占比正逐漸加大。同時,磷礦石的提純除雜分離的困難程度越來越大,經濟技術指標下降。目前新能源發展處于火爆狀態,由于磷酸鐵及凈化磷酸對磷礦石的品質要求較高,還將拉動高品位“好礦”的需求量和拉高磷礦石中長期的中樞價格[8]。2025年新能源對磷酸鐵的需求量可能達到2 500 kt,按4～5 t磷礦石生產1 t磷酸鐵計,國內磷礦石的需求量將增加10%以上(10 000～12 500 kt),磷化工生產單位成本的結構已經發生了顛覆性的變化,未配備自有資源的磷化工生產企業今后將可能面臨無礦可用和磷礦采購價格難以承受的尷尬局面和困境[12]。

(2)調整磷化工產業結構,研究探索磷化工行業旺季收儲制度?；谖覈谆どa企業今后仍然主要集中在磷礦資源和電力資源豐富的區域內,建議調整國內當前的磷肥產品結構,將高濃度磷復肥產量從全國占比的82.3%降至50%左右,磷肥產量控制在11 000 kt/a以內[9,13];熱法制磷用礦和水力發電棄水立法;高品位、易加工的磷資源應該用于磷化工、磷化學品合成,而不應大量用于高濃度磷復肥及黃磷的生產[12,14];充分利用云、貴、川豐富的水電資源,豐水期滿負荷生產黃磷,鼓勵有條件的企業進行黃磷旺季收儲,充分發揮黃磷產品蓄能調峰的功能,將資源優化配置和CO2減排做到極致,實現資源轉化價值的最大化[8]。

(3)實行出口配額管控,細分不同規格產品,調整產業政策。磷礦是國家戰備性資源,高能耗、資源型產品出口是變相能源和資源的出口,現行政策不能充分體現出對走循環經濟可持續發展的大中型企業的鼓勵,以及對污染嚴重、管理水平和環保技術水平低下的企業的懲罰目的[8]。調整磷化工產業政策,制定向具有磷化工產品深加工能力的大型企業集中擇優配置資源的辦法。

(4)發揮行業協會作用,淘汰低水平產能,實施行業退出機制。提高落后產能的淘汰標準,禁止落后、低水平重復建設,國家對磷化工行業將要出臺一系列法規、產業政策及標準,如何執行好這些法規、產業政策及標準,應有統一的監管實施單位。建議發揮行業協會的橋梁和專業技術服務作用,并給予一定的權限,協助國家與企業密切聯系溝通,監督法規、標準及產業政策的實施執行情況。落實磷化工行業磷礦資源費、資源利用水平和環境治理掛鉤的浮動費率制度,調整不合理的磷礦資源費“量改價”的征收辦法;加大對磷化工高技術、高附加值產品的開發,制定切實可行的政策,鼓勵企業利用中低品位、難選的磷礦資源[15]。

(5)人類在創造巨大精神文明和物質財富的同時,也付出了巨大的資源和環境代價,以較低資源和環境代價獲取高質量發展是社會經濟持續增長的必然模式。單純追求經濟數量增長的發展模式,正在加大資源消耗,嚴重威脅著國內磷資源的可持續利用。倍增的磷化工經濟效益并非都是管理和工藝技術的提高改善,目前單位產品消耗、工藝參數也創了“新高”,優秀的企業應該經得住歷史和實踐的檢驗,真正做到“雙碳”節能降耗[5,11]。

5 結語

2023年5月以來,國內磷礦石供給告急,價格一路暴漲,世界各國科學家對“磷資源前景堪憂”“全球可能將面臨磷短缺”的危機早有警示。

2021年,我國磷礦石產量又突破了1 億t(102 899 kt),比2020年增長了15.71%。業內專家測算,若按2016年的開采速度,我國磷資源保障年限僅可維持37年。

目前的現實和呼吁再次給業內敲響了警鐘,我國雖然不是一個缺磷的國家,但人均磷資源占有率極低,未來一定是受全球磷危機威脅最嚴重的國家之一。居安思危、思則有備,科學合理地使用磷礦資源已經迫在眉睫。低品位磷礦石的綜合利用及技術指標顯示的經濟效益優勢,將為低品位磷礦石的直接利用開辟一條新路,對國內磷化工行業可持續高質量發展、繁榮地方經濟具有深遠的戰略意義[5]。