钾矿成矿模式研究现状论文

一、国内外资源状况

(一)世界钾盐资源状况

世界钾盐资源极为丰富，但资源分布极不均衡。2009年底，据美国地质调查局测算，世界钾盐(K2O)储量为85亿吨，近年来储量变化不大，主要分布在加拿大、俄罗斯、巴西、德国，四国储量合计占世界总量的90%(表1)。按现有的生产规模，世界储量可保证250年左右的开采。矿床类型多为沉积型，海水和湖泊卤水中的钾盐资源也很丰富。

表1 2009年世界钾盐资源储量分布情况单位:百万吨(K2O)

资料来源:Mineral Commodity Summaries，2010

(二)我国钾盐资源状况

我国钾盐资源缺乏，供需矛盾突出。近十几年来，钾盐找矿未见明显突破，储量稍有增长。截至2009年底，我国钾盐储量为1.43亿吨(KCl)，占世界总量的约1%，基础储量3.58亿吨(KCl)，查明资源储量8.60亿吨(KCl)。钾盐资源主要分布在青海(三项储量指标分别占全国的92%、75%和85%)和新疆(三项储量指标分别占全国的8%、22%和11%)(表2)。

我国钾盐成矿时代与国外差别很大，以现代盐湖钾盐矿为主，如青海柴达木盆地及新疆、甘肃等省(区)的钾盐矿均属此类型，很少一部分属于古代沉积矿床。从组分上看，钾盐矿都与钠盐矿共生，特别是现代盐湖钾盐矿，常有镁盐、硼酸盐、锂盐、天然碱、芒硝等多种组分可供综合利用。

表2 2009年我国钾盐资源储量分布情况单位:万吨(KCl)

二、国内外钾盐生产情况

(一)世界钾盐生产情况

自1861年德国首先生产出钾肥以来，世界钾盐资源开发与钾盐生产工业发展迅速。20世纪60年代，加拿大萨斯喀彻温钾矿得以开发，自此以后加拿大钾盐生产在世界上占据重要地位，长期以来是世界钾盐第一生产大国，其产量及出口均占世界总量的1/3以上。最近20年来，世界钾盐生产增长有限。1988年世界钾盐生产量达到历史最高值3254万吨，直到2005年世界钾盐生产量才恢复到这一水平，达到3280万吨(图1)。

图1 1988年以来世界钾盐生产量变化趋势注:1994～2005数据来自加拿大矿业年评;2005～2009数据来自美国矿业年评。

目前，世界上只有15个国家生产钾盐，钾盐生产能力总计4030万吨(K2O)。加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、德国分别占世界总生产能力的30%、18%、15%、10%。其他国家如约旦、以色列、美国、智利、巴西等，产量较小。2009年世界钾盐产量2500万吨(K2O)，较2008年的3500万吨下降1000万吨，降幅达28.6%。四大钾盐生产国减产20%到47%不等，其他国家钾盐产量有增有减(表3)。

表3 2000～2009年世界各国钾盐生产量单位:万吨(K2O)

资料来源:美国地质调查局，矿业年评

(二)我国钾盐生产情况

我国从20世纪50年代末就开始生产钾盐，但受资源、技术等因素制约，产量一直很低。直到21世纪初，随着一系列新技术、新工艺的开发和应用，产量才有明显提高，钾盐对外依存度有所下降(图2)。2009年我国钾盐产量为320.8万吨(K2O)，能满足国内约45%的需求，而2000年钾盐自给率仅为10%。随着罗布泊项目的建成投产，我国钾盐产能尚有较大的增长空间。我国正成为世界五大钾盐生产国之一。虽然与加拿大仍有较大差距，但与德国、俄罗斯、白俄罗斯已经比较接近。

图2 1991～2009年我国钾盐(不包括复合肥)产量变化趋势资料来源:中国石油和化学工业协会

我国钾盐生产主要集中在青海省，占全国产量的80%以上。2008年以来，新疆、河南等地产量提高明显(表4)。

表4 2004～2009年我国钾盐生产省(区)分布单位:万吨(K2O)

资料来源:中国石油和化学工业协会

三、国内外钾盐消费情况

(一)世界钾盐消费情况

钾是植物生长必需的营养元素，且不可替代。大部分国家对钾盐有消费需求。20世纪90年代以来，钾盐消费缓慢增长，从1900多万吨(K2O)增长到2008年的3241万吨。受金融危机影响，2009年钾盐消费下降8.6%，为2962万吨(图3)。钾盐(K2O)消费集中在中国(650万～700万吨)、美国(500万～600万吨)、巴西(350万吨)、印度(250万吨)等农业大国，欧盟诸国消费量为350万～400万吨(K2O)。南亚及东亚地区消费增长较快，其中又以印度尼西亚(80万～100万吨)、马来西亚(100万吨)近年来消费增长最为明显，成为主要的消费国。

图3 1999～2009年世界钾盐消费量变化趋势

(二)我国钾盐消费情况

钾盐90%以上用于生产钾肥或氮—磷—钾复合肥。我国耕地大面积缺钾，20世纪90年代以来，三元素复合肥及钾肥施用量及相对量逐步增加，氮肥相对量则明显减少。2008年，我国钾肥施用量达到545万吨(K2O)，复合肥施用量1608万吨。2009年我国钾盐表观消费量为500.8万吨(K2O，国内产量与净进口量之和)。据测算，2009年我国钾肥实际需求604万吨，加上钾化工产品和库存的需要，目前我国每年钾盐(K2O)需求量在700万～800万吨之间(图4)。

图4 1991～2009年我国复合肥及钾肥施用量变化趋势

四、钾盐贸易

我国钾盐消费长期以来依靠进口，并且自2005年开始成为世界最大的钾盐进口国。2009年，受国际市场钾盐价格高涨及国内产量稳定增长的影响，钾盐净进口180万吨(K2O)，较2008年减少达66%。进口以KCl为主，占钾盐进口量的90%以上，此外少量进口硫酸钾及三元素复合肥。近年来，硫酸钾及复合肥进口量仍有下降的趋势。KCl以从俄罗斯进口为主，约占进口量的一半，近年比例稍有下降。从加拿大进口的钾盐占比在25%左右。2009年由于到年底才与加拿大供应商达成进口协议，进口量更加偏少，占进口总量的不到13%。从白俄罗斯的进口量自2005年起比例上升，占到总量的近20%。以色列对我国出口有所减少，德国对我国的出口有所增加(图5)。

我国只有少量钾盐出口，主要是KCl及三元素复合肥，一般面向周边国家如朝鲜、越南、日本等南亚、东南亚各国，以及非洲国家及中东地区，出口量从几百吨、几千吨到几万吨不等。

图5 2003年以来我国进口KCl来源地构成

由于钾盐生产只在少数几个国家进行，所以钾盐的国际贸易尤其重要。每年钾盐世界贸易量达到当年产量的80%左右。加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、德国、约旦、以色列出口量占世界的95%以上。2009年受世界金融危机的影响，世界钾盐贸易量(KCl)为2000万吨，较2008年下降51%。加拿大97%以上的钾盐以KCl形式出口，其中50%～55%出口到美国，其次出口到巴西、印度、中国、印度尼西亚、马来西亚。

五、价格

市场价格方面，由于长期以来我国国内需求主要依靠进口解决，国际市场钾盐价格的波动直接决定了国内市场价格的变化。2004年前我国国内KCl价格在1200元/吨以下，较稳定，波动不大。2004年平均价格为1600元/吨，到2008年达3700元/吨，最高时达5000元/吨。2009年平均价格有所回落，在3000元/吨左右。

国际市场钾盐(KCl，FOB)价格1990～2003年间一直在100～120美元/吨之间波动。2004年以来钾盐价格高涨，2007年涨到240美元/吨。2008年从年初的300美元/吨一路上扬达1000美元/吨。与国际其他大宗商品不同，受金融危机影响，2009年钾盐价格出现下调。温哥华KCl现货FOB价格从2009年初的965美元/吨降到年底的450美元/吨。死海地区现货KCl市场FOB价格则从2009年初的1020美元/吨降到年底的300美元/吨(图6)。

图6 1990～2009年国际、国内市场钾盐(KCl)价格变化趋势

六、结论

世界钾盐资源丰富，按照目前的开发规模能持续开发260年。但资源分布极不均衡，钾盐生产掌握在为数不多的十几家企业手中。钾盐市场生产商的垄断地位近乎天然而成。加大我国钾盐资源的找矿力度，加快钾盐生产基础设施的配套建设，建立钾盐储备，保障供应是我国钾盐产业发展的重要选择。

(于银杰)

赵恒勤 马华龙 胡宏杰 张克仁

（国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，河南 郑州 450006；中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006）

摘要 介绍了国内外不溶性含钾岩石的基本特征和综合开发情况，建议通过综合利用模式开发利用。 不溶性含钾岩石在我国广泛分布，随着可利用含钾资源愈加紧张，对大量赋存的不溶性含钾岩石的价值挖掘和开发利用越来越引起人们的重视。结合对不溶性含钾岩石多年的研究实践，对不溶性含钾岩石的特点、潜在价值、开发利用状况进行了一些分析比较，供开发利用时参考［1～6］。

关键词 不溶性含钾岩石；基本特征；潜在价值；开发利用。

第一作者简介：赵恒勤，研究员，从事矿产资源的综合利用开发和化工新材料研究。

一、我国不溶性含钾岩石的类型和分布特点

不溶性含钾岩石在我国广泛存在，几乎在每个省份都有分布。按所含的主体矿物来划分主要包括以下几种类型：霞石、绿豆岩、钾长石、含钾砂质页岩。

1）霞石（Nepheline）：是一种含钾的铝硅酸盐矿物，化学式为（Na，K）2O·Al2O3·（2 ＋n） SiO2，n＝0～0.2，在不溶性含钾岩石中算含硅量相对较少的矿物。云南个旧、陕西平利、新疆拜城等地有较大的典型矿床，其中云南个旧矿床储量达30×108t以上。

2）绿豆岩（Potassium-bearing tuff）：是一种富含钾的火山凝灰岩，其化学成分为K2O·Al2O3·10SiO2，在不溶性含钾岩石中属于含钾较高的一种矿石类型。主要分布在四川、陕西。四川绿豆岩一般产于中三叠统雷口坡组下部，常作为白云岩或膏盐层底板。可分两种类型，一是富钾凝灰岩，主要分布在四川东北地区，据开县岩石成分分析，K2O含量高，一般为9.8%～12.05%，平均10.9%；另一种为水云母化凝灰岩，主要分布在川南、川西南，多为火山碎屑岩受强烈水云母化形成的，以水云母为主，该类岩石还含钾水云母粘土岩，一般品位偏低，威远县岩石化学分析 K2O 为 5.60%～7.46%，品位、厚度变化较稳定。

3）钾长石（Potash feldspar）：也是一种典型的铝硅酸盐矿物，其化学式为（Na，K）2O·Al2O3·6SiO2，是含硅较高的含钾矿物，化学稳定性强，很难溶解于酸碱。根据已有的调查，以钾长石为代表的含钾岩石K2O含量在8%～15%之间，平均为10%，几乎遍及全国各地，地质储量估计上千亿吨。

4）含钾砂质页岩（Potassium-bearing sandy shale）：是一种混合型不溶性含钾岩石，K2O含量一般在4%～15%之间。多数成矿区带的矿物组成一般以钾长石伴生海绿石为主要特征，在河南、陕西、内蒙古等地都有大型矿床发现，储量巨大。

二、我国不溶性含钾岩石的资源价值及其开发利用的意义

（一）不溶性含钾岩石是我国重要的含钾资源

我国是一个钾盐严重短缺的国家，每年都要从国外进口大量钾肥，2005年全国钾肥进口883×104t，占世界贸易量的19.9%，为全球第二大进口国。作为世界上一个农业大国，由于钾肥短缺，基本化肥氮磷钾肥比例长期失调，氮钾肥比例长期徘徊在1∶0.2以下，低于世界平均水平1∶0.30。我国钾肥长期不能自给已经成为农业发展的一大障碍，钾盐对国外资源的依赖程度已达90%，可利用钾盐已成为我国紧缺的非金属矿产之一。造成这种局面的主要原因在于我国可利用的钾盐资源即水溶性钾盐资源很少，而且分布很不均匀，95%以上分布在西部地区。因此今后除了加强在地质工作中继续寻找水溶性钾盐资源外，开发利用大量存在的不溶性含钾岩石已成为我国经济发展中的一件大事。

（二）不溶性含钾岩石也是我国重要的替代铝资源

根据国土资源部和我国最大的氧化铝生产商中国铝业公司的统计，我国目前铝土矿的资源保障年限大约10年，这与有色金属行业通常要求的50年以上的资源保障要求有很大的差距。非铝土矿铝资源在我国有很广泛的分布，从地壳中平均含氧化铝约17%就可以看出其储量非凡。问题的关键在于如何找到经济可行的技术来利用这些大量存在的非铝土矿替代铝资源。含钾岩石作为一种铝硅酸盐矿物，是非铝土矿未来替代铝资源的备选矿种，若能解决其作为替代铝资源的技术难题，将会为我国开发利用非铝土矿替代铝资源如粘土、钠长石、明矾石等资源的利用树立典范，为铝工业的健康发展提供有力的资源保障。

（三）不溶性含钾岩石也是我国重要的硅肥资源

开展不溶性含钾岩石的综合利用研究有助于开辟硅肥生产新的资源来源，为提升我国大量赋存的铝硅酸盐类资源的价值提供技术保障。

含钾岩石中含有60%以上的二氧化硅，然而由于其可溶性差，有效硅含量低，直接作为硅肥的肥效较差。硅肥作为20世纪末新开发的一种化肥，被国际土壤界认为是继氮、磷、钾之后第四种植物营养元素。硅肥是一种含酸钙为主的可溶性矿物肥料，具有无毒、无味、无腐蚀、不易流失等特性，广泛施用于水稻、小麦、玉米、棉花、花生、油菜、甘蔗、果蔬等作物。农作物所需的硅大都是由土壤提供的，但土壤中能被植物吸收的硅却很少。有关部门的勘查表明，我国长江流域70%的土壤缺硅，黄河、淮海及胶东半岛地区约有一半的土壤缺硅，而且缺硅的区域正在逐渐扩大。硅作为农作物生长所需要的重要营养元素，农作物吸收硅后能促进根系生长发育，提高抗倒伏、抗病虫害、抗旱、抗寒和养分吸收的能力，并能够改善农作物的品质，符合现代“绿色食品”发展的要求。因此，如果能在综合利用提钾的工艺技术中兼顾考虑所含的硅作为长效硅肥原料的来源，将有助于开辟我国硅肥生产新的资源来源。目前中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所正在开展林州含钾页岩的综合利用研究，以期获得钾盐、氢氧化铝和硅肥，实现其综合利用。

三、不溶性含钾岩石资源研发状况

（一）国外不溶性含钾岩石资源研发状况

对于不溶性含钾岩石，国外相关的研究开发只在少数国家进行，比较典型的是前苏联。

在前苏联，由于铝土矿资源相对匮乏，有部分氧化铝厂以含钾页岩为原料来生产氧化铝，并综合利用回收钾，而且已有工业化生产厂。比较典型的企业有皮卡列夫铝厂，以含钾岩石霞石为原料，生产氧化铝，副产碳酸钾、碳酸钠；基洛沃巴德铝厂，以明矾石为原料，生产氧化铝，副产硫酸、硫酸钾和五氧化二钒。前者采用碱法，后者采用酸法。他们的研究和产业化技术都以提取氧化铝为主线，兼顾回收钾盐，残渣则作为建筑材料辅料或直接作为建筑材料及其原料。

对于含钾页岩中最难处理的钾长石的综合利用研究，国外矿石由于含铁低，钾长石矿物纯度相对较高，矿物嵌布关系简单，多经过简单选矿除铁以后作为优质钾长石原料用作陶瓷、玻璃原料。对于化工综合处理尚没有成熟的技术可以借鉴。

（二）国内不溶性含钾岩石资源研发状况

国内针对含钾岩石的研究始于20世纪60年代，以运用云南霞石进行的研究较为典型，所采用的工艺包括水化学法和烧结法，目前已有投资人在云南计划投资进行工业实践。

针对不溶性含钾岩石（以下称含钾岩石）的研究开发技术，国内的研究归纳起来有以下几种方法。

1）以钾长石等为主的含钾岩石矿经选矿作为陶瓷、玻璃原料，这在国内已有成熟的工业实践。一般要求原矿石嵌布关系简单，钾长石矿物纯度好，易于选矿除杂。对于复杂嵌布关系的矿，由于选矿除杂效果差，一般不适用。中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所曾对国内一些不溶性含钾岩石矿进行过选矿试验研究，主要针对钾长石矿进行，目的在于降低矿石中的含铁杂质，以满足玻璃、陶瓷生产原料的需要。

2）利用窑灰挥发法回收利用钾。此方法的实质在于用含钾岩石作为水泥原料，在高温下部分氧化钾挥发出来富集在窑灰中，进而通过窑灰回收钾。由于受挥发率的限制，钾的回收率较低。

3）食盐钠化焙烧法。此工艺的实质在于利用钠离子很好的渗透性和氯根的化学活动性，在高温下破坏含钾岩石稳定的化学结构，从而将钾转化为可溶性的氯化钾。该方法的缺陷在于回收率低，设备腐蚀严重，环境污染大，目前难于产业化。

4）酸法处理含钾岩石。该工艺的实质在于通过加温酸解来破坏含钾岩石的结构。由此法衍生的工艺包括HCl法、H2SO4法、硝酸法、硫酸铵焙烧法、水明矾法、碱式硫酸铝法等，发表的专利很多。但由于终端产品结构简单、价值较低，加上酸再生困难，设备腐蚀严重，环境治理成本较高，因而难于实现工业化。

5）细菌解钾法。该工艺采用细菌对硅矿物溶蚀，从而破坏钾长石的结构而得到可溶性钾。目前，广泛应用的菌种主要是硅酸盐细菌。硅酸盐细菌对不同晶体结构的矿物具有明显不同的解钾效果。相比之下，硅酸盐细菌对伊利石（钾赋存于层间域中）的解钾效果明显强于对钾长石（钾赋存于结构间隙中）的解钾作用。在有多种矿物共存的条件下，细菌会因矿物晶体结构的不同，在作用强弱或快慢上表现出明显的差异，从而对不同类型的矿物产生不同程度的破坏作用。硅酸盐细菌对矿物的这种破坏作用因矿物产地、矿物结晶程度、伴生矿物状况而有所区别。该工艺随着生物技术的发展应是一个较好的方法，但在目前限于细菌培育成本较高，产业化前景不大。页岩的综合利用研究有助于挖掘非溶性钾盐资源的经济价值，缓解我国水溶性钾盐资源不足的局面，开辟我国钾盐/钾肥生产的新资源和新技术，对保障和提高河南省乃至我国农业可用钾资源储量有重要的科学技术意义。

图1 不溶性含钾岩石烧结法综合利用工艺流程

6）碱法处理含钾岩石。碱法包括高温水化学法、石灰烧结法、碱石灰烧结法和衍生出来的其他碱法流程。该工艺的实质在于或者在高温高碱的水体系中，或者在高温石灰等存在下，使铝变为可溶性的铝酸钠、铝酸钾、铝酸钙，让硅转化为硅酸钙，从而回收铝钾，残渣则用做建筑原料或者生产硅肥。该法的最大特点在于可以很好地实现综合利用，设备较简单，容易闭路循环，环境污染很小。该法的另一个特点在于采用碱法工艺，生产回收的钾以价值相对较高的碳酸钾和氢氧化钾的形式存在，铝则以价值较高的化学品氧化铝，如水铝石、活性氧化铝、易溶氧化铝、超白超细氧化铝等形式存在，硅以硅肥或建筑材料等用量很大的存在方式存在，这给含钾岩石的开发利用走向工业化奠定了很好的市场经济基础。中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所已对山西紫金山矿、山东钾长石矿进行过研究，钾的综合收率达到70%以上，氧化铝综合收率达到65%，残渣全部用作水泥原料。该项目已获得国土资源部科技进步奖。在该法的基础上，2003年国内有关科研单位对包头富钾板岩进行的研究表明，碱法仍然是目前最好的处理含钾岩石的工艺方法。图1、图2给出了这两种碱法工艺处理含钾岩石的典型工艺图。

图2 高压水化法工艺流程

四、开发利用建议

1）根据目前国内外针对含钾岩石的研究状况，我国今后在含钾岩石的开发利用方面应着眼于工艺技术路线和最终产品设计。在技术路线上，应朝着工艺简单、易行、经济合理的方向进行。在最终产品设计上，应本着既能最大限度提取有用成分钾、铝，并能对找到残余物硅的用途的原则，同时又要本着钾和铝产品价值最大化的原则，而对硅产品的选择应本着使用量大的原则。只有这样，才能充分挖掘含钾页岩的价值，并真正实用化。

2）国家或有关省份应集中研发力量针对交通、水电等以及开采条件比较好的矿区进行优先开发，兼顾周边地区的工业现状，选择既有资源又靠近具有较大水泥市场或者农用肥料市场的区域开发含钾岩石，这样才能从一开始就走向良性循环。

参考文献

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An Analysis on the Research and development Status Quo of Resources of Insoluble Potassium-bearing Ore

Zhao Hengqin，Ma Hualong，Hu Hongjie，Zhang Keren

（China National Engineering Center for the Multipurpose Utilization of Nonmetallic Mineral Resources；Zhengzhou Minerals Resources Multipurpose Utilization Institute，CAGS，Zhengzhou 450006，Henan，China）

Abstract：Some characteristics of insoluble potassium-bearing ore were introduced.The technology and methods for their comprehensive development were also reviewed simultaneously with corresponding research practices.Some suggestions on comprehensive development and utilization of resources were put forward.

Key words：Potassium-bearing ore，Analysis.