我国磷矿资源的特点及加工利用分析

我国磷矿资源的特点及加工利用分析磷矿是指在经济上可利用的磷酸盐类矿物的总称，在工业上主要用于生产磷系肥料，也可以用来制造黄磷、磷酸、磷化物及其他磷酸盐类产品。这些产品广泛应用于农业生产、医药、食品、轻工、化工、国防等工业部门。我国磷肥生产所消耗的磷矿石约占总消费量的80%左右。磷在地壳中的含量虽然很高，但具备工业开采价值的磷资源在全世界非常有限且分布极其不均。具有工业开采和商业开发价值、经济意义较高的优质磷矿床80%以上集中在4个国家：中国、摩洛哥(西撒哈拉)、南非、美国。因此，从全世界磷资源的地理分布、人口集中度、经济发展的程度及对磷资源的需求情况看，全世界磷资源具有一定的稀缺性。磷矿石具有不可再生的特点。磷矿资源成因年代久远，成矿条件极其复杂，因而磷矿的再生性几乎不可能。磷矿资源一经开发利用，磷素随着各下游加工产品的消费领域分散到自然界中，不可再循环利用，因而磷资源又具有不可循环性。由于磷资源的稀缺性和不可再生性，许多国家已经将磷矿资源列为战略资源。我国国土资源部在2001年对我国45个矿种供应国民经济建设的保证程度进行了论证，其结果表明，磷矿是2010年以后不能保证需求的矿种之一，属保护性开发的矿产资源。因此，如何根据国内磷资源的特点进行合理加工利用，对于科学利用资源、提高资源利用效率、维持国内磷化工行业的健康可持续发展，意义重大，也是本文探讨的问题所在。1我国磷矿资源的地质特征及分布情况我国磷矿主要是海相沉积磷块岩矿床，成矿年代主要为震旦纪和寒武纪，其次是泥盆纪。贵州开阳磷矿区和瓮福磷矿区为中震旦统海相沉积磷块岩矿床；湖北胡集、宜昌和保康磷矿区为上震旦统海相沉积磷块岩矿床；云南滇池地区磷矿和四川马边磷矿区为下寒武统海相沉积磷块岩矿床：四川金河和清平磷矿区为上泥盆统海相沉积磷块岩矿床。以上各矿区构成我国磷矿矿区的主体部分。震旦纪和寒武纪海相沉积磷块岩矿床，矿体呈层状，其顶板和夹层以含磷白云岩居多，且含磷层与含磷白云岩层以不等、厚度相间、形成条带状或层纹状构造；磷矿物多为微—低碳氟磷灰石，多呈鲕状、假鲕状或凝胶状结构，其中夹裹有不等量的细散脉石矿物，主要也是碳酸盐矿物，不仅脉石矿物的物化性质与磷矿物相近，而且常需细磨方能单体解离。因此，氧化镁含量高，分选困难是此类矿床的两大特征。采出的原矿氧化镁含量一般在3%～6%，最高可达10%。上泥盆统海相沉积磷块岩矿床，磷矿物主要是隐晶—细晶的碳氟磷灰石，因此富含硫磷铝锶矿(矿层顶板也为硫磷铝锶矿)而R2O3，含量高达9%～10%。此外，陕西金家河磷矿为中泥盆统浅海相沉积磷块岩矿，茶店磷矿也属泥盆纪。除磷块岩矿床外，我国东部和北部还分布有少量的岩浆岩磷灰石矿和海相沉积变质磷灰岩矿。如河北涿鹿、矾山磷矿和承德马营磷矿均为岩浆岩矿床；江苏锦屏磷矿、新浦磷矿和湖北黄麦岭磷矿为磷灰岩矿床。这两类磷矿的磷矿物均为氟磷灰石，结晶颗粒较粗，虽P2O5品位为8%～14%，但分选容易。我国磷矿资源广泛分布在我国27个省、市、自治区(均有查明资源储量)，查明资源储量在1亿t以上的有14个省、自治区。列前5位的依次是云南、贵州、湖北、湖南和四川，分别占全国查明资源储量的24%、16%、13%、12%和9%，前5位共占全国查明资源储量的74%。我国磷富矿(P2O5品位高于30%)主要分布在云、贵、鄂三省。具体地说，我国磷矿主要分布在以下8个区域：云南滇池地区、贵州开阳地区、瓮福地区、四川金河—清平地区、马边地区和湖北的宜昌地区、胡集地区、保康地区。从总体上看，我国磷矿资源分布极不平衡，探明储量南多北少、西多东少，大型磷矿及富矿高度集中在西南部地区。2我国磷矿资源的赋存情况我国的磷矿成因类型基本与国外相一致，分为沉积磷块岩矿床、内生磷灰石矿床、沉积变质磷灰岩矿床及鸟粪矿床等。从储量上看，以沉积磷块岩矿床为主，其次为内生磷灰石矿床，鸟粪等类型矿床储量最少。2.1沉积磷块岩矿床世界上最大的磷矿床都是由沉积磷块岩组成的，这类矿床具有矿层厚、品位高、储量大、层位稳定的特点，成磷时代多，分布广泛。我国这种类型的矿床主要集中在黔中、鄂西、滇东3个聚磷区。沉积磷块岩矿床是我国主要的磷矿矿床，储量大，由于是以胶磷矿形式存在，选矿技术复杂，除部分磷富矿外，加工利用难度大。但该类磷资源是我国磷矿的主要组成部分，将是我国磷矿加工利用的重点。2.1.1黔中盆地位于贵州的开阳一瓮安一带，成磷时代为震旦纪陡山沱期，属于扬子海盆中的黔中台地北东缘的台盆凹地，分布面积达2万km2以上。含磷岩系主要为碳酸盐岩、磷块岩及粘土岩，多含磷质迭层石；主要可分为上下两个工业矿层，上矿层延伸稳定，多呈倾斜至缓倾斜产出，厚13～33m，P2O5平均品位约25%，矿石以胶磷矿为主。开阳、瓮安两个特大型磷矿产地以富矿多、品位高而闻名。黔中地区另有形成于早寒武世梅树村期的磷块岩，自织金至金沙呈北东一南西向带状分布；以条带状白云质磷块岩为主。其P2O5品位较低，平均约17.5%，磷块岩中稀土含量较高，可以综合利用，并普遍含铀。织金新华磷矿为此成矿时期的典型矿床。2.1.2鄂西聚磷区在大地构造上位于扬子地台区内。成磷时代与黔中盆地的开阳、瓮安磷矿相一致，为晚震旦世陡山沱期。含磷岩系主要由白云岩、磷块岩、粘土岩等岩性组成，矿层常呈层状、似层状产出，主要可分为上、下两矿层。主要矿石矿物为胶磷矿，常呈隐晶胶状，矿石类型以硅钙质磷块岩为主，P2O5平均品位大于20%，有害组分具有高镁低铁铝的特点。该聚磷区内的荆襄、宜昌、保康等均为大型磷矿产地。2.1.3滇东成磷盆地成磷时代为早寒武世梅树村期，属扬子海盆地的次一级拗陷区，为水下隆起及古陆所环抱，封闭条件较好的海湾泻湖成磷盆地。含磷地层是一套海相碎屑岩及碳酸盐建造，主要由硅质岩、磷块岩、白云岩、灰岩及粉砂岩组成，可分为4个含磷层位，构成有工业意义的磷矿有2层。一为梅树村阶下部的中谊村段上部，这是滇东盆地的最主要工业矿层；二为梅树村阶上部八道湾段底部。该磷矿层常伴生有钒、镍、钼等矿产。磷矿石按工业类型划分，主要为硅钙型磷块岩，P2O5品位以中低为主，有害杂质的含量一般呈镁高铁铝较低的特点。其矿体埋深一般较浅，有较多的露采矿量；磷矿上部普遍存在着由风化作用形成的次生富集磷矿。已探明磷矿产地多数具大型规模，著名磷矿山有昆阳、海口、晋宁等。此外，我国另有形成于泥盆纪的较为重要的磷块岩矿床，这个时代的磷块岩在世界上发现不多。主要分布在四川什邡、陕西略阳等地，可以什邡磷矿作代表。什邡磷矿产于上泥盆统沙窝子组底部，沉积环境为古陆边缘的浅海封闭、半封闭海盆，矿层直接位于古侵蚀面上；矿床由下部的磷块岩矿层和上部的硫磷铝锶矿层组成；矿体呈层状、似层状，层厚受底板岩溶古侵蚀面控制，变化较大；主要矿物组分为胶磷矿、细晶磷灰石、硫磷铝锶矿、水云母；黄铁矿、白云石、方解石等；P2O5品位30%左右，伴生有碘、稀土等有益组分，可以进行综合利用。2.2内生磷灰石矿床内生磷灰石矿床在储量规模和矿床数量上均远不如磷块岩矿床，但由于该类矿床具有易选、综合利用价值高等优点，因而仍是磷的重要来源之一。在缺磷地区，尤为显得重要。我国磷灰石矿床主要分布在河北、辽宁、山东、山西、陕西等省，属华北地台范围。产出地层的时代多为元古代至古生代，大多赋存在基性片麻岩、基性一超基性岩及碱性岩中，已探明储量的产地最主要的有河北矾山磷灰石矿床。河北涿鹿矾山铁磷矿，是我国内生磷灰石矿床中品位较高、选矿效果好的唯一大型磷矿。矿体产于偏碱性超基性—碱性杂岩体内，属晚期岩浆矿床，杂岩体侵入震旦系雾迷山组，呈椭园形，面积超过20km2；矿体形态呈似层状，连续完整，厚度较大。矿石类型主要可分为黑云母辉石岩型、磁铁辉石岩型、磷灰石型和正长黑云母辉石岩型；矿石矿物主要为磷灰石及磁铁矿，脉石矿物主要有次透辉石、黑云母及正长石；矿区内P2O5平均品位大于11%，全铁质量分数13%左右。2.3沉积变质磷块岩矿床该类矿床主要由海相沉积的磷块岩经区域变质作用而形成，时代一般较老，多为元古代；主要分布在江苏、安徽、湖北等省。含磷岩系从苏北经安徽肥东，宿松至湖北黄梅、大悟，构成大致呈北东—南西向断续分布的矿带。湖北大悟黄麦岭磷矿是我国该类型磷矿的最大矿床。湖北大悟黄麦岭磷矿产于元古界，矿体呈层状，可分上下两层，矿层厚度可达四十余米；其原生带磷矿P2O5品位在10%左右，而在风化带中增至16%；矿石易选，并有伴生硫可综合回收利用。2.4鸟粪等类型磷矿此类矿床的储量和数量均极其有限，但常常小而富，含可溶性磷较高，便于直接作为磷肥施用。鸟粪磷矿在我国南部沿海岛屿上有一定的分布，数量不大，许多矿已被土法开采殆尽。3我国磷矿资源特点我国磷矿资源的主要特点为：储量较大，分布比较集中；中低品位矿多，富矿少；胶磷矿多，采选难度大，具体如下。(1)矿床类型齐全，但以沉积磷块岩矿床为主。沉积磷块岩矿床储量占总量的79%；内生成因的磷灰石矿床储量占16%；沉积变质磷灰岩矿床储量占4%；鸟粪等类型的磷矿储量占0.4%。(2)较难开采的倾斜至缓倾斜、薄至中厚矿体多，适宜于大规模高强度开采的少。我国磷矿床大部分成矿时代久远，埋藏深，岩化作用强，矿石胶结致密，且约有75%以上的矿层呈倾斜至缓倾斜产出，为薄至中厚层。这种产出特征给磷矿开采带来一系列技术难题，往往造成损失率高、贫化率高和资源回收率低等问题。(3)我国磷矿质量较差，全国磷矿平均品位P2O5在17%左右，矿石品位大于30%的富矿只有14亿t左右，富矿占磷矿总量约8.5%，并且主要分布在云、贵、鄂三省。因此，我国大部分的磷矿必须经过选矿富集后才能满足湿法磷酸生产的需要。(4)难选矿多，易选矿少。我国磷矿中，大部分为中低品位矿石，且以胶磷矿为主，占全国总储量的80%左右，这类矿石颗粒细微、嵌布紧密；另外，磷矿中约90%是高镁磷矿，其矿石中有用矿物的粒度细，它和脉石结合紧密，不易解离，一般需要磨细到200目占90%以上才能单体解离，属当今世界上难选的磷矿石。(5)磷矿伴生资源丰富，可利用的伴生资源多。磷矿生成过程中共生了一些伴生资源。我国沉积磷块岩矿主要伴生一定品位的碘；部份变质型磷灰岩矿含有硫铁矿，如黄麦岭磷磷矿；华北的岩浆岩型磷灰石矿，如矾山磷矿含有铁矿；贵州织金磷矿中含有伴生的稀土金属；其它伴生的资源还有氟、镁、钒、镍、钼等。从资源综合利用角度看，这些共伴生资源虽相对较少，但在开发利用磷矿资源的同时，有些可进行相应的回收、利用。4我国磷矿加工利用及存在的问题磷矿石是生产磷肥最主要的原料，世界上90%左右的磷矿用于生产各种磷肥，，3.3%的磷矿用于生产磷酸盐饲料，4%的磷矿用于生产洗涤剂，2.7%的磷矿用于其它产品。我国磷矿石消费稍有不同，其消费构成为：磷肥约占75%～85%，黄磷占10%～15%，饲料磷酸氢钙占5%左右。初步估算，2006年全国磷矿表观消费量约为5400万t，其中磷肥消费约4270万t，黄磷消费约700万t，饲钙消费约340万t，出口95万t。根据各行业的发展情况预测，2010年全国磷矿表观消费量为6400万t，2020年达到7400万t。磷矿的消费增长率较高，消费量巨大。根据近几年我国磷矿的开采、加工情况，目前我国在磷矿加工利用方面主要存在如下问题。4.1“优质劣用”、“高质低用”的问题较严重由于我国目前中低品位磷矿的开采利用情况不甚理想，，主要以开采富矿为主，磷矿的加工利用也就立足于富矿为主。根据磷矿消费的各行业的加工情况和磷矿的出口情况，初步估算磷矿表观量中约80%为磷富矿，2006年消费磷富矿约为4300万t。由此带来的后果是磷矿的“优质劣用”、“高质低用”。许多P2O5品位高、杂质含量低、可生产高品质湿法磷酸的优质磷矿被用于生产低浓度的磷肥、黄磷等，造成有限的优质磷矿资源没有优用，资源利用的不合理，同时造成优质资源的浪费。如果按目前磷矿加工利用方式，即只开采利用富矿，根据国内磷矿的需求预测，如此巨大的磷矿需求量，我国现有的14亿t富矿资源储量仅可满足开采10多年。4.2分类利用不合理磷矿以化学加工方法分为两大类，一类为用无机酸分解的方法，即酸法