化肥和飼料添加劑生產(chǎn)磷流動(dòng)特征研究*

陳炫冀, 陳曉輝, 柏兆海, 馬 林**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100083)

化肥和飼料添加劑生產(chǎn)磷流動(dòng)特征研究*

陳炫冀1,2, 陳曉輝3, 柏兆海1, 馬 林1**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100083)

磷是作物和畜禽生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素, 同時(shí)也是不可再生資源。為了提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力, 80%左右的磷礦石用于生產(chǎn)磷肥與磷飼料添加劑, 因此提高磷肥和磷飼料添加劑生產(chǎn)效率至關(guān)重要。然而關(guān)于磷肥和磷飼料添加劑“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”整個(gè)鏈條的磷流動(dòng)特征和各個(gè)環(huán)節(jié)效率的定量研究卻很少。本研究通過(guò)企業(yè)實(shí)地調(diào)研, 建立企業(yè)流動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù), 利用物質(zhì)流分析的方法擴(kuò)展了NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型的磷肥和飼料磷添加劑生產(chǎn)模塊。以我國(guó)某大型磷化工企業(yè)為例, 定量揭示磷化工企業(yè)“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”整個(gè)鏈條磷流動(dòng)特征、損失和利用效率; 分析各種磷肥和飼料添加劑產(chǎn)品生產(chǎn)磷流動(dòng)、利用效率和磷足跡; 并利用情景分析提出提高磷利用效率的策略和優(yōu)化潛力。結(jié)果表明: 2015年該企業(yè)利用含3.902×106t P2O5的自然礦石, 生產(chǎn)了2.426×106t (折純 P2O5, 下同)磷復(fù)肥和磷飼料添加劑, 其中磷酸二銨和磷酸一銨是最主要的產(chǎn)品, 分別為156萬(wàn)t和54萬(wàn)t。磷酸二銨、磷酸一銨、重過(guò)磷酸鈣、磷酸一二鈣、普通過(guò)磷酸鈣、復(fù)合肥、硫肥和磷酸二氫鉀產(chǎn)品的生產(chǎn)效率分別為98%、98%、93%、95%、91%、99%、98%和 91%, 整個(gè)生產(chǎn)鏈條的生產(chǎn)效率為 80%。大多數(shù)的磷資源在礦石加工部門(mén)損失掉, 占磷損失量的51%; 其次是礦石開(kāi)采部門(mén)(25%)和磷酸生產(chǎn)部門(mén)(14%)。通過(guò)提高生產(chǎn)效率和廢棄物利用率, 磷資源損失預(yù)計(jì)可以減少42%。研究企業(yè)的磷利用效率在國(guó)內(nèi)已達(dá)先進(jìn)水平, 但仍有提升潛力。

磷資源; 磷流動(dòng); 磷利用效率; 物質(zhì)流分析; NUFER模型; 磷化工企業(yè)

磷(phosphorus, P)是作物和畜禽生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素, 是保障糧食安全的關(guān)鍵, 同時(shí)也是不可再生資源[1-3]。66%～80%的磷礦石被開(kāi)采加工用于磷復(fù)肥和飼料添加劑生產(chǎn)[4-6]。磷肥和磷飼料添加劑生產(chǎn)效率不僅影響糧食安全, 也關(guān)乎全球磷資源的可持續(xù)利用。我國(guó)磷資源儲(chǔ)量位居世界第二, 但品位低, 開(kāi)采快, 效率低, 現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)下經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)量?jī)H能維持50年左右[7-8], 而富礦預(yù)計(jì)在10年左右耗竭[8]。因此, 定量我國(guó)磷化工企業(yè)“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”各環(huán)節(jié)并分析整個(gè)鏈條磷流動(dòng)特征可以為提高磷利用效率提供理論依據(jù)。這對(duì)提高磷肥和磷飼料添加劑生產(chǎn)效率和保障糧食安全意義重大。

目前, 國(guó)內(nèi)外關(guān)于磷肥工業(yè)的研究多集中在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的改進(jìn)方面。從早期生產(chǎn)低濃度的過(guò)磷酸鈣到高濃度磷肥(磷銨類(lèi))和復(fù)合肥(NPK), 再到新型磷肥和飼料添加劑, 不同種類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和磷利用效率都有報(bào)道[9]。同樣, 生產(chǎn)這些產(chǎn)品的中間環(huán)節(jié)和中間產(chǎn)品的生產(chǎn)研究也不缺乏, 如最重要的中間產(chǎn)品——磷酸生產(chǎn)工藝由熱法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈穹? 生產(chǎn)效率也得到極大提升[9-10]。磷礦的開(kāi)采與加工工藝也在日趨成熟[6,11-12], 磷礦的回采率不斷提高。同時(shí), 磷肥生產(chǎn)過(guò)程中, 副產(chǎn)物的環(huán)境排放和污染問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注[13]。然而, 對(duì)磷復(fù)肥和磷飼料添加劑在“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”整個(gè)生產(chǎn)鏈條磷流動(dòng)的定量研究還很少。

物質(zhì)流分析、投入產(chǎn)出分析、生命周期評(píng)價(jià)、生態(tài)足跡分析與工業(yè)代謝等方法可以用于定量分析不同物質(zhì)或生產(chǎn)部門(mén)的資源流動(dòng)。目前針對(duì)磷資源的物質(zhì)流研究有很多報(bào)道, 但涉及磷復(fù)肥和飼料添加劑生產(chǎn)的磷流動(dòng)研究多是在區(qū)域或國(guó)家尺度上,將其作為“磷礦—磷肥—土壤—作物—畜牧—家庭消費(fèi)”食物鏈磷流動(dòng)的一部分[14-19]。Zhang等[20]、Chen等[21]和Liu等[22]分別報(bào)道了中國(guó)磷化工行業(yè)整體的磷流動(dòng)情況, 表明我國(guó)磷化工生產(chǎn)水平相對(duì)世界先進(jìn)水平不高, 資源浪費(fèi)嚴(yán)重, 尚處于發(fā)展和改進(jìn)的階段; 行業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都需要作進(jìn)一步調(diào)整。但這些研究都是在國(guó)家尺度上進(jìn)行的, 并沒(méi)有對(duì)企業(yè)不同種類(lèi)磷肥和飼料添加劑產(chǎn)品的磷流動(dòng)特征進(jìn)行分析。Ma等[23]定量了企業(yè)磷復(fù)肥生產(chǎn)的物質(zhì)流動(dòng)情況和生態(tài)效益, 但并未分析其磷流動(dòng)特征和磷資源利用效率。

本研究擬通過(guò)企業(yè)實(shí)地調(diào)研建立企業(yè)流動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù), 利用物質(zhì)流分析的方法, 擴(kuò)展了 NUFER (NU-trient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型的磷肥和飼料添加劑磷模塊, 以我國(guó)某大型磷化工企業(yè)為例, 定量揭示磷化工企業(yè)“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”整個(gè)鏈條磷流動(dòng)特征、損失和利用效率, 分析各種磷肥和飼料添加劑產(chǎn)品生產(chǎn)磷流動(dòng)、利用效率和磷足跡, 并利用情景分析評(píng)估其優(yōu)化潛力, 研究結(jié)果將為我國(guó)磷肥和添加劑生產(chǎn)企業(yè)磷資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和優(yōu)化管理建議。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象與系統(tǒng)邊界

本研究以磷礦開(kāi)采和磷化工產(chǎn)業(yè)為核心的某大型綜合性企業(yè)下屬9個(gè)主要子公司為研究對(duì)象, 以其2015年度生產(chǎn)情況為研究基礎(chǔ), 研究邊界內(nèi)包括:磷礦開(kāi)采(F1)、磷礦加工(F2)、磷酸生產(chǎn)(F3)、磷肥和磷飼料添加劑生產(chǎn)(F4)及其各個(gè)環(huán)節(jié)的廢棄物和磷損失, 終產(chǎn)品與廢棄物去向(F5)則不在本研究系統(tǒng)邊界之內(nèi)(圖1)。對(duì)于單種類(lèi)產(chǎn)品, 其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的磷足跡在本研究中被定義為每消耗含100單位P2O5的自然礦石所能生產(chǎn)的產(chǎn)品量?？缮a(chǎn)的產(chǎn)品單位數(shù)越大, 說(shuō)明該產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)鏈條的磷素額外消耗(損失)越小, 則其自然磷礦資源消耗越小;反之, 則消耗越大。相對(duì)傳統(tǒng)上以生產(chǎn)1單位含P2O5產(chǎn)品消耗的磷資源的總和來(lái)表示產(chǎn)品的磷足跡, 此種表示足跡的方法在本質(zhì)上一致, 但能夠更直觀地體現(xiàn)在資源供給一定的情況下不同產(chǎn)品的磷足跡和損失差異。企業(yè)目前的礦石開(kāi)采都是露天開(kāi)采形式進(jìn)行, 全由子公司1承擔(dān)。礦石加工目前主要有2大工藝, 分別為浮選和擦洗, 浮選為物理+化學(xué)方法, 而擦洗為物理方法。磷酸(phosphoric acid, PA)生產(chǎn)全為濕法磷酸(wet process phosphoric acid, WPPA)生產(chǎn),可進(jìn)一步細(xì)分為半水法和二水法。大部分磷肥和磷添加劑的生產(chǎn)都通過(guò) F1～F4 4個(gè)部門(mén)依次進(jìn)行,但普通過(guò)磷酸鈣(普鈣, single superphosphate, SSP)為直接利用擦洗礦粉生產(chǎn)(不經(jīng)過(guò) F3), 其生產(chǎn)鏈條較其他產(chǎn)品更短; 重鈣(triple superphosphate,TSP)產(chǎn)品同時(shí)利用了磷酸和磷礦石合成, 非單鏈條; 而復(fù)合肥(N-P-K compound fertilizer, NPK)生產(chǎn)除利用磷酸之外也利用了其他產(chǎn)品, 生產(chǎn)鏈條更長(zhǎng)。由于本研究只關(guān)注磷資源的流動(dòng), 因此在生產(chǎn)流動(dòng)鏈條中, 不含磷產(chǎn)品和副產(chǎn)物的去向都未被考慮。

圖1 磷化工企業(yè)“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”生產(chǎn)鏈條系統(tǒng)邊界及磷流動(dòng)Fig.1 System boundary and P flow of “mining-ore processing-phosphoric acid production-P fertilizers(feed additive) production” chain of the research company

該企業(yè)采用的工藝和設(shè)備在國(guó)內(nèi)具有較強(qiáng)的代表性, 因此其生產(chǎn)鏈條的磷流動(dòng)和足跡也具有較強(qiáng)的代表性。其下屬主要子公司生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品不同(表1), 在本研究中也分別對(duì)各子公司的生產(chǎn)做進(jìn)一步分析。本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源包含兩部分: 第 1部分由該企業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)部門(mén)提供, 以報(bào)表的形式呈現(xiàn),報(bào)表中包含了 2015年各個(gè)子公司生產(chǎn)含磷產(chǎn)品的種類(lèi)、大部分產(chǎn)品的月度產(chǎn)量、原料消耗量及磷養(yǎng)分含量; 第 2部分為調(diào)研數(shù)據(jù), 以對(duì)生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人問(wèn)卷調(diào)查方式獲取, 問(wèn)卷涉及每個(gè)企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中缺失的部分產(chǎn)品生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝(裝置)及年代等。

表1 研究對(duì)象企業(yè)下屬子公司及其生產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)表Table 1 Research company’s subsidiaries and their products

1.2 模型參數(shù)與算法

本研究參考 NUFER模型算法進(jìn)行計(jì)算[24], 該模型基于物質(zhì)流分析和投入產(chǎn)出分析(input-output analysis, IOA)的方法, 模擬國(guó)家、區(qū)域、流域和農(nóng)戶等多尺度氮磷在“土壤—作物生產(chǎn)—畜牧生產(chǎn)—家庭消費(fèi)”食物鏈系統(tǒng)的流動(dòng)特征、利用效率和環(huán)境損失。本研究以磷化工企業(yè)為例研究磷在“磷礦開(kāi)采—磷礦加工—磷酸生產(chǎn)—磷肥(飼料添加劑)生產(chǎn)”系統(tǒng)流動(dòng)特征, 可以作為食物鏈系統(tǒng)的擴(kuò)展與延伸。

磷流動(dòng)的模擬依靠上文所述的 4個(gè)部門(mén)的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。投入產(chǎn)出基本指標(biāo)及與圖 1的對(duì)應(yīng)見(jiàn)表2。對(duì)于單個(gè)子公司而言, 可能并不包含完整的4個(gè)部門(mén)。但由于同一類(lèi)產(chǎn)品的工藝流程一致, 下文的計(jì)算公式對(duì)于企業(yè)整體和單個(gè)的子公司都適用。

表2 “磷礦開(kāi)采—磷礦加工—磷酸生產(chǎn)—磷肥(飼料添加劑)生產(chǎn)”系統(tǒng)磷流動(dòng)分析基本指標(biāo)以及其與圖1中流動(dòng)鏈條的對(duì)應(yīng)Table 2 Basic indicators for P flow analysis of “mining-ore processing-phosphoric acid production-P fertilizers (feed additive)production” system and their corresponding to the flow chains in the Fig.1

由于調(diào)研獲得的各物質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)物量, 首先須將已獲取到的各物質(zhì)折算為含100% P2O5的數(shù)量后再統(tǒng)一計(jì)算和分析。研究所涉及物質(zhì)折純計(jì)算:

式中:Wpi為第i種物質(zhì)(包括研究涉及的所有含磷物質(zhì))的折純重量,Wti為該物質(zhì)的實(shí)際重量,為其 P2O5含量。研究所涉及的各物質(zhì)對(duì)應(yīng)的P2O5含量參數(shù)如表3所示, 由企業(yè)提供或調(diào)研獲得。其中產(chǎn)量占比極少的某些規(guī)格的磷銨產(chǎn)品沒(méi)有被詳細(xì)列出。后文涉及的重量, 除有特別說(shuō)明的, 都為折純 P2O5數(shù)量, 計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)單位為103t。

表3 研究對(duì)象企業(yè)主要終產(chǎn)品及中間產(chǎn)品P2O5含量參數(shù)Table 3 P2O5 content parameters of final products and intermediate products of the research company

終產(chǎn)品生產(chǎn)部門(mén)F4中各產(chǎn)品產(chǎn)量計(jì)算:

式中:Pi代表第i種類(lèi)產(chǎn)品的折純(100% P2O5, 下同)產(chǎn)量, 產(chǎn)品的種類(lèi)包括 DAP(磷酸二銨)、MAP(磷酸一銨)、NPK(復(fù)合肥)、TSP、SSP、KH2PO5(磷酸二氫鉀)、NPS(硫肥)和MDCP(磷酸一二鈣)共 8種;Pij代表第i種類(lèi)產(chǎn)品下第j規(guī)格產(chǎn)品的折純P2O5產(chǎn)量,j的值視各產(chǎn)品規(guī)格數(shù)不同而不同。

磷肥、飼料添加劑產(chǎn)品總產(chǎn)量(F4.1～4.8)計(jì)算:

式中:Pt代表終產(chǎn)品的折純產(chǎn)量。PDAP-NPK(F4.11)、PMAP-NPK(F4.10)和PSSP-NPK(F4.9)分別代表 DAP、MAP、SSP被用以作為生產(chǎn) NPK產(chǎn)品的原料的折純量。

磷酸生產(chǎn)部門(mén)F3中磷酸實(shí)際產(chǎn)量計(jì)算:

式中:PPA為磷酸總折純產(chǎn)量(F3.1～3.8之和)。PPAd為稀磷酸折純產(chǎn)量,PPAs為濃磷酸折純產(chǎn)量, 由企業(yè)提供。

生產(chǎn)磷復(fù)肥、飼料添加劑產(chǎn)品的磷酸消耗量計(jì)算:

式中:PPAc為生產(chǎn)磷復(fù)肥、磷飼料添加劑產(chǎn)品總的磷酸折純消耗量(F3.1～3.7之和)。PPAci為生產(chǎn)第i種產(chǎn)品的磷酸消耗折純量, 包括DAP、MAP、NPK、TSP、KH2PO5、NPS和MDCP共7種。

磷酸大部分被用以生產(chǎn)下游產(chǎn)品, 但仍有部分被作為產(chǎn)品售賣(mài)。產(chǎn)品磷酸量計(jì)算:

式中:PPAp為產(chǎn)品磷酸的折純產(chǎn)量(F3.8)。

磷礦加工部門(mén)F2中精礦消耗量計(jì)算:

式中:PPR為該企業(yè)生產(chǎn)磷復(fù)肥和磷飼料添加劑的精礦總消耗折純量(F2.1～2.4之和), 該值與企業(yè)1的精礦折純產(chǎn)量并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。PPRci為生產(chǎn)第i種下游產(chǎn)品的精礦消耗折純量, 包括PA、SSP和TSP 3種產(chǎn)品。PPRf代表浮選精礦的量(F2.1),PPRs代表擦洗精礦的量(F2.2～2.4)。由調(diào)研得知, 開(kāi)采的原礦石被以浮選和擦洗方式加工的比例為 1∶2, 浮選礦只被用于生產(chǎn)PA產(chǎn)品, 浮選和擦洗工藝的磷回收率分別為84%和92%, 則精礦的消耗量計(jì)算亦為:

式中:PRO為開(kāi)采獲得的原礦折純量,PROf為原礦以浮選加工的折純量(F1.2),PROs為原礦以擦洗方式加工的折純量(F1.3)。由上式可知:

即企業(yè)整體F2部門(mén)的礦石加工效率為89%。

磷礦石開(kāi)采部門(mén)F1礦石開(kāi)采效率為95%(忽略貧化, 調(diào)研結(jié)果), 可得整個(gè)生產(chǎn)鏈條的自然礦藏的消耗:

式中:PPM為整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)消耗的自然磷礦折純量(F1.1)。

在實(shí)際生產(chǎn)中, 由于不同來(lái)源, 不同加工階段的礦石品位不同, 需將它們統(tǒng)一為同一品位, 工業(yè)生產(chǎn)通常取 30%, 稱之為標(biāo)準(zhǔn)礦。不同階段的礦石折標(biāo)計(jì)算為:

式中:PPMst.、PROst.和PPRst.分別代表自然磷礦消耗、開(kāi)采得到的原礦石和生產(chǎn)消耗的加工精礦的折標(biāo)重量。

在得到各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)的投入、產(chǎn)出折純量之后,依養(yǎng)分平衡法計(jì)算各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的損失:

式中:L1(F1.4)、L2(F2.5～2.6 之和)、L3(F3.9)、L4(F4.12～4.19之和)分別為4個(gè)生產(chǎn)部門(mén)的損失折純量。L2f(F2.5)和L2s(F2.6)分別為浮選和擦洗工藝下加工損失的折純量。L4i為第i種產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的損失折純量, 包括所有8種終產(chǎn)品。對(duì)于除NKP產(chǎn)品外的其他7種產(chǎn)品, 有:

若產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有磷酸或精礦的消耗, 則對(duì)應(yīng)的PPAci或PPRci值為0。而對(duì)于有終產(chǎn)品消耗的NPK產(chǎn)品, 有:)

進(jìn)一步地, 可以計(jì)算得到各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。礦石的開(kāi)采效率e1, 也即開(kāi)采回采率, 由調(diào)研已知為95%, 其余環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率為:

式中:e2為礦石加工效率, 式(8)已計(jì)算出為 89%,其可視作該企業(yè)目前生產(chǎn)方式下的磷礦石加工整體磷回收率;e3為磷酸生產(chǎn)的生產(chǎn)效率;e4為生產(chǎn)最終的磷復(fù)肥、磷飼料添加劑產(chǎn)品的整體效率。對(duì)于除NPK產(chǎn)品外的每一種單獨(dú)的終產(chǎn)品, 其生產(chǎn)效率為:

對(duì)于NPK產(chǎn)品, 其生產(chǎn)效率為:

對(duì)于各個(gè)子公司間而言, 同一環(huán)節(jié)或同一種類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率可以是不一致的。

分別將上述計(jì)算所得的各產(chǎn)品在不同部門(mén)的消耗和損失按生產(chǎn)鏈條連接起來(lái), 再將其消耗的自然礦石量標(biāo)準(zhǔn)化(折100), 即得各產(chǎn)品的足跡值:

式中:Fi為第i種產(chǎn)品的磷足跡, 包括MAP、DAP、MDCP、SSP、TSP和NPK 6種主要產(chǎn)品。

1.3 情境的設(shè)置

本研究依據(jù)該企業(yè)各子公司生產(chǎn)產(chǎn)品效率的不同和廢棄物利用率提升的潛力, 探索整個(gè)公司的生產(chǎn)優(yōu)化潛力。設(shè)置以下幾個(gè)優(yōu)化情景:

情景S0為目前實(shí)際的生產(chǎn)情況, 為基準(zhǔn)情境。

情境S1為廢棄物利用率提高的情景: 假定在生產(chǎn)過(guò)程中含磷廢棄物得到循環(huán)利用, 根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的情況及已開(kāi)展的研究[25-26], 假定在礦石加工過(guò)程中廢棄物尾礦的磷回收率由實(shí)際值提高至 53%,WPPA生產(chǎn)的廢棄物磷石膏綜合利用率由實(shí)際值提高至40%, 同時(shí)終產(chǎn)品的產(chǎn)量保持不變。

情境S2為生產(chǎn)效率提高的情景: 假定所有生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品, 包括中間產(chǎn)品時(shí), 其生產(chǎn)效率都達(dá)到該企業(yè)目前所能達(dá)到的最高水平(見(jiàn)表4), 同時(shí)也保持終產(chǎn)品的產(chǎn)量不變。

情境S3為S1與S2的綜合: 即在提高生產(chǎn)效率的情況下同時(shí)提高廢棄物的利用率。

2 結(jié)果與分析

2.1 企業(yè)磷肥和飼料磷添加劑生產(chǎn)系統(tǒng)磷流動(dòng)特征和利用效率

根據(jù)投入、產(chǎn)出數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù), 計(jì)算出該企業(yè) 2015年磷復(fù)肥及磷飼料添加劑產(chǎn)品生產(chǎn)磷流動(dòng)特征(圖2)。產(chǎn)品中以磷銨類(lèi)(MAP和DAP)的產(chǎn)量最大。各生產(chǎn)企業(yè)利用折合3.902×106t P2O5的自然磷礦(相當(dāng)于 1.236×107t標(biāo)準(zhǔn)礦)生產(chǎn)出 2.426×106t P2O5各類(lèi)磷復(fù)肥及磷飼料添加劑產(chǎn)品(F4.1～4.8), 以及7.09×105t P2O5產(chǎn)品磷酸(F3.8)。磷素最大的去向是DAP產(chǎn)品(F4.4和F4.11), 共折合1.558×106t P2O5,其占產(chǎn)品折純總量達(dá) 64%。其次是 MAP產(chǎn)品(F4.2和 F4.10, 6.340×105t, 26%)、TSP 產(chǎn) 品(F4.8,1.300×105t, 5.3%)、MDCP 產(chǎn)品(F4.7, 3.400×104t,1.4%)和 SSP 產(chǎn)品(F4.1, 2.300×104t, ＞1.0%), 這幾類(lèi)產(chǎn)品的折純產(chǎn)量都超過(guò)1×104t, 但SSP、MAP以及DAP都有一部分作為原料生產(chǎn)了 NPK產(chǎn)品(F4.3,1.540×105t, 6.3%), 實(shí)際的產(chǎn)品輸出量有不同程度減少。此外, 還有少量的NPS產(chǎn)品(F4.5, 1×103t)和KH2PO4產(chǎn)品(F4.6, 1×103t)被生產(chǎn)出來(lái); 由于這兩種產(chǎn)品產(chǎn)量極少, 生產(chǎn)企業(yè)單一, 因此不被視為主要產(chǎn)品。

圖2 2015年研究對(duì)象企業(yè)磷肥和飼料添加劑磷產(chǎn)品“采礦—選礦—磷酸—磷肥/磷飼料添加劑”生產(chǎn)整體磷流動(dòng)圖[103 t(P2O5)]Fig.2 P flow of “mining-ore processing-phosphoric acid production-P fertilizers (feed additive) production” system of P fertilizer and feed additive P production in the research company in 2015 [Gg(P2O5)]

在生產(chǎn)主產(chǎn)品的同時(shí), P2O5在各環(huán)節(jié)中損失量或廢棄物中殘留量占我國(guó)磷肥總消費(fèi)量 6.8%(以2014年消費(fèi)量計(jì)算), 總量達(dá) 7.730×105t(F1.4、F2.5～2.6、F3.9、F4.12～4.19)。企業(yè)總體的磷素利用效率為80%。流動(dòng)鏈條的前2個(gè)部門(mén)F1和F2的磷素?fù)p失(F1.4、F2.5～2.6)占總損失量的77%。雖然露天磷礦有較高的礦石開(kāi)采效率(可達(dá) 95%的磷素回采率),但損失的絕對(duì)數(shù)量仍很大, 在 4個(gè)生產(chǎn)部門(mén)中位居第 2。在該環(huán)節(jié)共有折合 20萬(wàn) t P2O5的磷素?fù)p失(F1.4), 大多數(shù)存留在礦山剝離物中, 少量在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中損失。礦石加工部門(mén)是磷素流失最主要的一環(huán),總共有折合近4.000×105t的P2O5的磷素在此環(huán)節(jié)損失或存留在尾礦中(F2.5～2.6), 磷素利用效率為89%。其中, 浮選工藝(磷回收率84%)雖然能夠提高磷礦石品位, 有助于較低品位礦石的進(jìn)一步利用,但比相對(duì)簡(jiǎn)單的擦洗工藝(磷回收率 92%)的磷素利用效率更低, 即使其投入的原礦量相對(duì)更少(投入量比約為1∶2), 但兩者損失量卻接近(都約為20萬(wàn)t)。該環(huán)節(jié)的主要廢棄物——尾礦, 即以目前工藝水平不能直接利用的低品位礦石, 則直接堆積存放, 為企業(yè)的一大運(yùn)營(yíng)成本。如果能夠?yàn)槲驳V找到行之有效的利用途徑, 該環(huán)節(jié)的磷素利用率將得到極大的提高。PA生產(chǎn)部門(mén)也有大量的磷素?fù)p失(F3.9), 其量相當(dāng)于1.070×105t P2O5, 磷素利用效率為97%。而終產(chǎn)品生產(chǎn)部門(mén)的損失量(F4.12～4.19)最低, 合計(jì)共有7.000×104t P2O5損失。

2.2 企業(yè)各種磷肥和飼料添加劑產(chǎn)品生產(chǎn)的磷流動(dòng)、利用效率和足跡

整個(gè)研究企業(yè) DAP、MAP、TSP、MDCP、SSP、NPK、NPS和KH2PO4產(chǎn)品的平均生產(chǎn)效率分別為98%、98%、93%、95%、91%、99%、98%和91%。各產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與其生產(chǎn)裝置和工藝水平有直接的關(guān)系, 生產(chǎn)工藝相似的產(chǎn)品的生產(chǎn)效率也更接近(表 4)。但即使同一類(lèi)產(chǎn)品, 在不同的企業(yè)間也會(huì)有差異。進(jìn)一步地, 由各個(gè)環(huán)節(jié)的磷素?fù)p失量以及不同產(chǎn)品的生產(chǎn)效率可以得到各產(chǎn)品的磷流動(dòng)特征。由于NPS和KH2PO4產(chǎn)品產(chǎn)量太低, 因此并未關(guān)注其磷流動(dòng)特征。其他生產(chǎn)量超過(guò)1×104t的產(chǎn)品磷足跡見(jiàn)圖3。其中, DAP和MAP產(chǎn)品的足跡最小, 即生產(chǎn)消耗最少, 每100單位自然礦石都可以生產(chǎn)80單位的產(chǎn)品。而TSP產(chǎn)品每100單位自然礦石生產(chǎn)76單位產(chǎn)品, 使其成為單位產(chǎn)品生產(chǎn)磷礦消耗最多的產(chǎn)品。其他產(chǎn)品的磷礦消耗則介于這兩者之間。各產(chǎn)品的磷礦消耗差異不大的原因主要是由于它們幾乎共用有磷流動(dòng)鏈條的上游環(huán)節(jié), 而這些環(huán)節(jié)是磷素?fù)p失占比最大的部分。

表4 企業(yè)下屬子公司主要產(chǎn)品生產(chǎn)磷利用效率及產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)平均磷利用效率Table 4 P use efficiency of each subsidiaries’ products and the average P utilization efficiency of each product %

2.3 各子公司產(chǎn)品生產(chǎn)的磷流動(dòng)特征

本研究包含了 9個(gè)子公司, 不同子公司的產(chǎn)品和工藝情況各不相同。這使得其各自的磷流動(dòng)有較大差異(圖4)。根據(jù)各子公司產(chǎn)品生產(chǎn)的特點(diǎn), 可將它們分為 3類(lèi)。其中子公司 1單獨(dú)為第Ⅰ類(lèi), 子公司 2～6為第Ⅱ類(lèi), 子公司 7～9為第Ⅲ類(lèi)。第Ⅰ類(lèi)是唯一有礦石開(kāi)采部門(mén)的公司, 也是唯一生產(chǎn) MDCP產(chǎn)品的公司。第Ⅱ類(lèi)包括子公司2～6, 類(lèi)型為較大規(guī)模的磷復(fù)肥生產(chǎn)公司, 單個(gè)公司的產(chǎn)品年產(chǎn)量都在3.000×105t以上。第Ⅲ類(lèi)子公司, 子公司7～9的規(guī)模較小, 各企業(yè)的產(chǎn)品年產(chǎn)量都不到10萬(wàn)t, 產(chǎn)品主要為過(guò)磷酸鈣類(lèi)產(chǎn)品SSP和TSP, 以及NPK。結(jié)合整體的磷流動(dòng)情況來(lái)看, 無(wú)論是產(chǎn)品的構(gòu)成或是產(chǎn)品的產(chǎn)量, 第Ⅰ類(lèi)和第Ⅱ類(lèi)子公司是該企業(yè)的核心。該企業(yè)的整體磷素利用率提高依賴于各類(lèi)別子公司生產(chǎn)效率的優(yōu)化提高, 然而, 不同類(lèi)別子公司面臨的情況不同使得其優(yōu)化的潛力并不一致。

圖3 企業(yè)主要產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程磷足跡(P2O5, 起始資源消耗量統(tǒng)一為100單位)Fig.3 P footprints of main products’ production process of the research company (P2O5, the initial consumption is 100 units)

圖4 企業(yè)下屬子公司分類(lèi)及主要產(chǎn)品生產(chǎn)磷流動(dòng)情況[103 t(P2O5)]Fig.4 P flow of subsidiaries and the classification of subsidiaries of the research company [Gg(P2O5)]

子公司 1是唯一的礦石開(kāi)采企業(yè), 其生產(chǎn)的礦石中有248萬(wàn)t為酸法礦(同時(shí)利用浮選和擦洗工藝),占95%; 而其中有23萬(wàn)t為其自身所用。子公司1作為生產(chǎn)鏈條上游主要的礦石開(kāi)采-加工企業(yè), 其需要面臨部門(mén)F1、F2的大量磷素?fù)p失問(wèn)題, 但也意味著其磷素利用率的提高潛力較大。

第Ⅱ類(lèi)子公司基本生產(chǎn)鏈條包括部門(mén) F3、F4,最主要的產(chǎn)品即為 DAP和 MAP。這類(lèi)公司磷素利用效率的主要差異來(lái)源于濕法磷酸的生產(chǎn)環(huán)節(jié), 該環(huán)節(jié)的磷素利用率約為97%。第Ⅱ類(lèi)子公司(包括子公司1 MDCP生產(chǎn)部門(mén))作為本企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的主體部分, 受重視程度較高, 各企業(yè)的生產(chǎn)效率都已達(dá)到比較高的水平(表 4, 圖 4)。在本企業(yè)內(nèi)各子公司裝置不存在代差, 而各自工藝的選擇也跟自身的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

第Ⅲ類(lèi)子公司的生產(chǎn)鏈條相對(duì)大規(guī)模的企業(yè)更短, 它們不能自產(chǎn) PA, 只能利用成品產(chǎn)品或前兩類(lèi)子公司的生產(chǎn)余料來(lái)直接生產(chǎn)產(chǎn)品, 磷素利用效率通常由終產(chǎn)品的生產(chǎn)效率決定。第Ⅲ類(lèi)企業(yè)能夠進(jìn)一步細(xì)分為2個(gè)類(lèi)型, 企業(yè)9是專門(mén)的NPK產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè), 單一的產(chǎn)品種類(lèi)下實(shí)際上有多種規(guī)格, 但得益于直接利用其他成品原料的簡(jiǎn)單工藝, 磷素的損失極少, 僅微量損失于灰分中, 因此該種生產(chǎn)狀態(tài)可能會(huì)長(zhǎng)期維持。企業(yè)7和企業(yè)8則是另一個(gè)類(lèi)型, 它們的核心產(chǎn)品都是過(guò)磷酸鈣類(lèi)。調(diào)研顯示目前這類(lèi)低濃度磷肥的生產(chǎn)通常是利用較低品位的礦石或是渣酸, 即利用較大規(guī)模企業(yè)棄之不用的余料進(jìn)行生產(chǎn)。直接用這類(lèi)低規(guī)格原料進(jìn)行生產(chǎn), 在目前的工藝水平下很難提升生產(chǎn)效率(磷素不能充分反應(yīng)), 這使得其磷素利用率相對(duì)其他企業(yè)更低。

同一種類(lèi)的產(chǎn)品在不同子公司間的生產(chǎn)效率差異并不特別大, 通常在1%～2%范圍內(nèi)(表4)。依獲取到的數(shù)據(jù)情況, 部分子公司可以得到更詳細(xì)的磷流圖。如圖4-1和4-6, 分別可以查看到子公司1的詳細(xì)精礦去向以及子公司6不同工藝下生產(chǎn)PA的產(chǎn)量和損失。這意味著如果有更詳盡的資料, 可以將 4個(gè)大的生產(chǎn)部門(mén)分別再細(xì)化為更小的生產(chǎn)環(huán)節(jié)來(lái)探究磷流動(dòng)情況。

2.4 情景分析

在情景S0中, 磷素總損失為 7.730×105t P2O5,其中礦石加工部門(mén)的廢棄物量為4.000×105t, WPPA生產(chǎn)廢棄物量為1.100×105t (圖2)。

根據(jù)情景 S1中設(shè)定的磷回收率和利用率(見(jiàn)1.3), 在此情景下, 尾礦經(jīng)回收后減少 2.100×105t,磷石膏有4.000×104t被綜合利用, 共計(jì)減少2.500×105t P2O5損失, 占高達(dá) 33%的廢棄物排放和損失量。但此情景的自然礦石消耗量沒(méi)有發(fā)生改變。

在情境S2中(見(jiàn)1.3), 由于KH2PO5、NPS和MDCP產(chǎn)品都只有一個(gè)企業(yè)生產(chǎn), 因此在本情境中其生產(chǎn)無(wú)法在現(xiàn)有基準(zhǔn)上得到優(yōu)化。其他5種磷復(fù)肥產(chǎn)品與直接輸出的PA產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提高, 最終可使精礦的消耗量減少6.800×104t(表5), 折合自然礦石的需求約8.000×104t, 即目前實(shí)際用量的 2%。即情境 S2與S0相比, 可以減少 10%的廢棄物排放和損失, 共約8.000×104t; 而這部分量的減少, 是以直接減少礦石的投入量得到的。優(yōu)化結(jié)果中, 約有98%來(lái)源第一、二類(lèi)子公司, 其中貢獻(xiàn)最大的產(chǎn)品是 DAP, 精礦消耗減少4.300×104t。此外, MAP和PA產(chǎn)品生產(chǎn)的精礦消耗的減少也在1.000×104t以上。由此可見(jiàn)在本研究中, 產(chǎn)量越大的產(chǎn)品對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響越顯著。

表5 情景S2下企業(yè)精礦和自然礦石節(jié)約數(shù)量Table 5 Concentration savings and P ore savings in scenario S2 of the research company Gg(P2O5)

情景S3表明, 在減少8.000×104t原礦開(kāi)采的情況下, 尾礦仍能減少近 2.100×105t, 磷石膏減少3.000×104t, 共計(jì)近3.200×105t, 占情景S0下?lián)p失量的42%, 相當(dāng)于企業(yè)產(chǎn)品本年度產(chǎn)量的13%, 全國(guó)1年磷肥施用折純量的2.8%(以2014年用量計(jì))。資源的投入和廢棄物的排放都得到可觀地減少。

3 結(jié)論與討論

整體而言, 研究企業(yè)作為國(guó)內(nèi)大型磷化工企業(yè)的代表, 其整體磷利用效率為 80%。但從情景分析結(jié)果來(lái)看, 該企業(yè)仍有很大的提升潛力。在最理想情景下, 每年能夠減少3.200×105t P2O5的磷資源損失, 相當(dāng)于總損失的 42%, 全國(guó)磷肥施用折純量的2.8%。與其他企業(yè)相比, 本研究企業(yè)已達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平(表 6), 與國(guó)內(nèi)其他大型磷化工企業(yè)相當(dāng), 更是遠(yuǎn)超出國(guó)內(nèi)的平均水平——雖然國(guó)內(nèi)的整體水平也在逐漸提升[27]。究其原因, 一是國(guó)內(nèi)仍有較多數(shù)量的中小型磷礦, 這類(lèi)型企業(yè)技術(shù)實(shí)力較弱, 對(duì)自然礦石的利用效率不高; 二是國(guó)內(nèi)有 60%左右的磷礦為地下開(kāi)采式, 這類(lèi)型磷礦的回采率相比露天磷礦也更低[6,8,28]。此外, 該企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率也超過(guò)了2000年代的世界平均水平, 但產(chǎn)品的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)卻不盡相同[29]。然而在企業(yè)尺度上研究的缺乏使得很難將本研究中產(chǎn)品生產(chǎn)鏈條的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)與其他企業(yè)做平行比較。

在整個(gè)生產(chǎn)鏈條上, F2礦石加工部門(mén)和F1礦石開(kāi)采是損失量最多的兩個(gè)部門(mén), F3磷酸生產(chǎn)部門(mén)的損失也很大, 3者共可占總損失量的90%。同時(shí)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)又共有依次位于生產(chǎn)鏈條前端的F1～F3生產(chǎn)部門(mén)(SSP產(chǎn)品除外), 這表明這3個(gè)部門(mén)的磷素利用效率變化可以顯著影響到幾乎所有的終產(chǎn)品。

礦石開(kāi)采部門(mén)F1的生產(chǎn)效率雖然可達(dá)95%, 但損失量近2.000×105t, 占總損失的25%。由于位于整個(gè)生產(chǎn)鏈條的最前端, 其絕對(duì)物質(zhì)量最大, 效率的變化引起磷素量的變化也最大。在部門(mén) F1, 損失的磷素多存在于礦山剝離物中, 無(wú)論從形態(tài)和含磷量來(lái)看, 都很難再提取利用。而運(yùn)輸過(guò)程的損失, 可以通過(guò)提升管理水平來(lái)減少。在實(shí)際生產(chǎn)中, 該企業(yè)礦山都為較易采的露天礦山, 其回采率已達(dá)目前國(guó)內(nèi)最高水平, 已難以再提升[30]。同時(shí), 開(kāi)采-加工一體的生產(chǎn)模式也有效避免了大量的運(yùn)輸損失。

礦石加工部門(mén)F2的整體效率為89%, 損失量近4.000×105t, 是損失最多的部門(mén), 占總損失51%。該部門(mén)存在多種工藝, 不同工藝的磷素利用率各不相同, 對(duì)于濕法磷酸的生產(chǎn)來(lái)說(shuō), 主要利用的是浮選礦和擦洗礦。擦洗工藝相較浮選更為簡(jiǎn)單, 磷素利用效率也更高。但基于目前企業(yè)甚至全國(guó)都面臨的原礦品位越來(lái)越低的現(xiàn)實(shí)[31], 未來(lái)浮選礦的占比會(huì)越來(lái)越高, 這是由于擦洗并不能提高原礦的品位,而浮選工藝的作用正在于此[31-32]。這意味著部門(mén)F2未來(lái)的磷素利用率可能會(huì)持續(xù)降低, 但隨著工藝的改進(jìn)[12], 下降的趨勢(shì)可能會(huì)逐漸變緩。本企業(yè)目前的原礦石平均品位在 24%左右, 已不能直接用于目前的 WPPA生產(chǎn)工藝(需品位 28%以上), 因此對(duì)于該企業(yè)來(lái)說(shuō)浮選礦的增加不可避免。這需要企業(yè)研發(fā)更高效的浮選藥劑來(lái)滿足生產(chǎn)需求, 同時(shí)提升磷素利用率。對(duì)于尾礦的利用, 目前并沒(méi)有適宜于企業(yè)實(shí)際利用的途徑, 但已有利用尾礦作磷肥或肥料補(bǔ)充劑的研究開(kāi)展(情景S1的假定值), 更多的研究表明,綜合多種利用途徑, 尾礦的遠(yuǎn)期期望磷回收率或轉(zhuǎn)化率能夠更高, 并可以更好地利用尾礦中其他元素礦產(chǎn)資源, 這意味著尾礦的利用在未來(lái)有更大提升潛力,使磷素利用率的進(jìn)一步提高有了可能[33-34]。此外,該環(huán)節(jié)還有灰分、廢水等幾乎不可避免的少量磷素?fù)p失途徑。

磷酸生產(chǎn)部門(mén) F3的效率為 97%, 仍損失1.070×105t, 占總損失的14%。企業(yè)PA生產(chǎn)都以濕法生產(chǎn)進(jìn)行, 這也是目前國(guó)內(nèi)絕大部分PA的生產(chǎn)方法。部門(mén)F3的磷素利用效率較強(qiáng)地依賴于生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平。經(jīng)過(guò)多年的工藝改進(jìn), 目前各個(gè)工藝的磷酸生產(chǎn)效率都大幅提高[10,35]。得益于此, 雖然各子公司磷酸生產(chǎn)裝置基于不同的工藝, 但總體效率仍維持在 97%的較高水平。若要繼續(xù)提高該環(huán)節(jié)的效率, 除了改進(jìn)現(xiàn)有裝置外, 選擇生產(chǎn)效率更高的工藝方法也是有效的途徑, 但由于不同的工藝方法得到的磷酸濃度和純凈度不同[35], 可能會(huì)影響下游產(chǎn)品的生產(chǎn), 使下游部門(mén)磷素利用率發(fā)生變化。該環(huán)節(jié)的磷損失途徑主要為磷石膏(phosphogypsum,PG)。磷石膏作為磷酸生產(chǎn)的副產(chǎn)物之一, 主要成分為石膏(CaSO4·2H2O), 含有其他雜質(zhì), 磷素絕對(duì)含量并不高[36]。目前磷石膏的主要處理方法, 無(wú)論是將其堆積存放或是加以利用(一般作為建筑材料或原材料), 都沒(méi)有實(shí)際提高磷素的利用率, 但適宜的利用方式可以提高生產(chǎn)的生態(tài)效益, 減少環(huán)境污染[37]。利用磷石膏作肥料原料或土壤改良劑的研究雖已開(kāi)展,這類(lèi)利用途徑可以使磷石膏中的磷素得到充分利用,但過(guò)多的雜質(zhì)是其實(shí)際應(yīng)用的一大阻礙[38-40]。與尾礦相似, 雖然已有關(guān)于其資源化利用的研究, 但要達(dá)到可應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中的水平尚需時(shí)日。

終產(chǎn)品生產(chǎn)部門(mén)F4中各產(chǎn)品的效率差異大, 但整體而言損失量是 4個(gè)部門(mén)中最少的, 共計(jì)近8.000×104t, 只占9.7%。該部門(mén)最主要的產(chǎn)品——磷銨, 都是利用大型裝置來(lái)生產(chǎn), 單裝置的年產(chǎn)量可高達(dá)1.000×105t級(jí)或更高。而諸如NPK和SSP產(chǎn)品可利用小型機(jī)械生產(chǎn), 甚至可以單人操作, 原料也更為靈活。如此大的差異性使得很難再提出統(tǒng)一方法來(lái)提高此環(huán)節(jié)的磷素利用率, 尤其是在各產(chǎn)品的生產(chǎn)效率已經(jīng)很高的情況下。事實(shí)上, 由調(diào)研可知, 由于損失量小, 在實(shí)際生產(chǎn)中, 企業(yè)已不單獨(dú)監(jiān)測(cè)這一環(huán)節(jié)的磷素利用(損失)情況, 磷素利用率的提高依賴于企業(yè)管理水平的提高, 裝置、工藝改進(jìn)而得到客觀提升。本研究的對(duì)象企業(yè)作為我國(guó)大型磷化工企業(yè)的代表, 其磷復(fù)肥和磷飼料添加劑的生產(chǎn)效率達(dá) 80.3%, 在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)水平。在 2015年, 其利用折合 3.902×106t P2O5的自然礦石, 共生產(chǎn)出含 PA在內(nèi)的 3.135×106t磷復(fù)肥和磷飼料添加劑產(chǎn)品, 最主要的產(chǎn)品是磷銨, 包括DAP和MAP。對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)鏈條, 最前端的礦石開(kāi)采-加工2大部門(mén)是決定整體磷資源利用效率最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因此對(duì)于整個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō), 提高從礦石到精礦生產(chǎn)鏈條的生產(chǎn)水平, 更好地利用尾礦、磷石膏等廢棄物, 可以進(jìn)一步提高磷素利用效率。而對(duì)于各子公司, 依據(jù)其產(chǎn)品類(lèi)別不同, 其能夠提高磷素利用率的環(huán)節(jié)也各不相同。若能夠同時(shí)提高各子公司的生產(chǎn)效率,以及提高廢棄物的回收再利用比例, 預(yù)期能夠減少42%的磷資源損失, 使該企業(yè)的磷資源利用效率得到顯著提高。由于企業(yè)報(bào)表和調(diào)研數(shù)據(jù)的限制, 本研究并未對(duì)結(jié)果進(jìn)行不確定性分析和敏感性分析評(píng)估。在后續(xù)的研究中, 需要繼續(xù)加強(qiáng)該方面的分析。

表6 本研究磷化工企業(yè)的磷利用效率與相似企業(yè)、全球平均和全國(guó)平均值的比較Table 6 Comparison of P use efficiency among the research enterprise, similar enterprise, global average,and national average %

References

[1]Vaccari D A.Phosphorus: A looming crisis[J].Scientific American, 2009, 300(6): 54–59

[2]Cordell D, Neset T S S.Phosphorus vulnerability: A qualitative framework for assessing the vulnerability of national and regional food systems to the multi-dimensional stressors of phosphorus scarcity[J].Global Environmental Change, 2014,24: 108–122

[3]Elser J, Bennett E.Phosphorus cycle: A broken biogeochemical cycle[J].Nature, 2011, 478(7367): 29–31

[4]孫小虹, 陳春琳, 王高尚, 等.中國(guó)磷礦資源需求預(yù)測(cè)[J].地球?qū)W報(bào), 2015, 36(2): 213–219

Sun X H, Chen C L, Wang G S, et al.The prediction of phosphate rock demand in China[J].Acta Geoscientia Sinica,2015, 36(2): 213–219

[5]張文學(xué).我國(guó)磷資源開(kāi)發(fā)利用及趨勢(shì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(2): 1–5

Zhang W X.Development and utilization trend of phosphate resources in China[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2011, 33(2): 1–5

[6]鄢正華.我國(guó)磷礦資源開(kāi)發(fā)利用綜述[J].礦冶, 2011, 20(3):21–25

Yan Z H.Review of development and utilization of phosphate resources in China[J].Mining and Metallurgy, 2011, 20(3):21–25

[7]國(guó)土資源部信息中心.世界礦產(chǎn)資源年評(píng)[M].北京: 地質(zhì)出版社, 2013

ICMLR.World Mineral Resources Annual Review[M].Beijing: Geological Publishing House, 2013

[8]王邵東, 張紅映.中國(guó)磷礦資源和磷肥生產(chǎn)與消費(fèi)[J].化工礦物與加工, 2007, 36(9): 30–32

Wang S D, Zhang H Y.Phosphate rock resources and phosphate fertilizer production and its consumption in China[J].Industrial Minerals & Processing, 2007, 36(9): 30–32

[9]Becker P.Phosphates and Phosphoric Acid: Raw Materials,Technology, and Economics of the Wet Process[M].2nd ed.New York: Marcel Dekker, Inc., 1989

[10]馬超, 吳元欣, 金放, 等.磷酸的工業(yè)生產(chǎn)研究現(xiàn)狀與展望[J].化學(xué)工程, 2013, 41(6): 74–78

Ma C, Wu Y X, Jin F, et al.Current status and prospect of industrial phosphoric acid production[J].Chemical Engineering (China), 2013, 41(6): 74–78

[11]李小雙, 李耀基.我國(guó)磷礦資源開(kāi)采現(xiàn)狀及其展望[C]//中國(guó)采選技術(shù)十年回顧與展望.北京: 中國(guó)冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì), 2012

Li X S, Li Y J.Current situation and prospect of phosphate resources exploitation in China[C]//Retrospect and Prospect of Chinese Mining Technology in Ten Years.Beijing: China Metallurgical Mining Enterprise Association, 2012

[12]周永興, 田宗平, 曹健, 等.磷礦選礦現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].廣州化工, 2014, 42(19): 31–33

Zhou Y X, Tian Z P, Cao J, et al.Current situation and development trend of phosphate rock enrichment[J].Guangzhou Chemical Industry, 2014, 42(19): 31–33

[13]楊紅.磷肥企業(yè)生產(chǎn)工藝及產(chǎn)污節(jié)點(diǎn)分析[J].工程技術(shù):全文版, 2016, (10): 232

Yang H.Phosphate fertilizer production technology and pollution node analysis[J].Engineering Technology Magazine,2016, (10): 232

[14]Ma L, Velthof G L, Wang F H, et al.Nitrogen and phosphorus use efficiencies and losses in the food chain in China at regional scales in 1980 and 2005[J].Science of the Total Environment, 2012, 434: 51–61

[15]Ma L, Wang F H, Zhang W F, et al.Environmental assessment of management options for nutrient flows in the food chain in China[J].Environmental Science & Technology,2013, 47(13): 7260–7268

[16]Cordell D, Jackson M, White S.Phosphorus flows through the Australian food system: Identifying intervention points as a roadmap to phosphorus security[J].Environmental Science &Policy, 2013, 29: 87–102

[17]Chen M P, Graedel T E.A half-century of global phosphorus flows, stocks, production, consumption, recycling, and environmental impacts[J].Global Environmental Change, 2016,36: 139–152

[18]Bai Z H, Ma L, Qin W, et al.Changes in pig production in China and their effects on nitrogen and phosphorus use and losses[J].Environmental Science & Technology, 2014, 48(21):12742–12749

[19]Van Dijk K C, Lesschen J P, Oenema O.Phosphorus flows and balances of the European union member states[J].Science of the Total Environment, 2016, 542: 1078–1093

[20]Zhang W F, Ma W Q, Ji Y X, et al.Efficiency, economics,and environmental implications of phosphorus resource use and the fertilizer industry in China[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2008, 80(2): 131–144

[21]Chen M P, Sun F, Xia X, et al.The phosphorus flow in China:A revisit from the perspective of production[J].Global Environmental Research, 2015, (19): 19–25

[22]Liu X, Sheng H, Jiang S Y, et al.Intensification of phosphorus cycling in China since the 1600s[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(10): 2609–2614

[23]Ma S J, Hu S Y, Chen D J, et al.A case study of a phosphorus chemical firm’s application of resource efficiency and eco-efficiency in industrial metabolism under circular economy[J].Journal of Cleaner Production, 2015, 87: 839–849

[24]Ma L, Ma W Q, Velthof G L, et al.Modeling nutrient flows in the food chain of China[J].Journal of Environment Quality,2010, 39(4): 1279–1289

[25]梁興榮, 王其林, 張英英, 等.從反浮選磷尾礦中回收磷的研究[J].非金屬礦, 2014, 37(5): 64–65

Liang X R, Wang Q L, Zhang Y Y, et al.A resource recovery way from reverse floatation tailings of phosphate rock[J].Non-Metallic Mines, 2014, 37(5): 64–65

[26]廖若博, 徐曉燕, 紀(jì)羅軍, 等.我國(guó)磷石膏資源化應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景[J].硫酸工業(yè), 2012, (3): 1–7

Liao R B, Xu X Y, Ji L J, et al.Situation and prospects of China’s the phosphogypsum resources applications[J].Sulphuric Acid Industry, 2012, (3): 1–7

[27]武希彥, 武雪梅.中國(guó)磷肥 20年發(fā)展與展望[J].磷肥與復(fù)肥, 2010, 25(5): 1–6

Wu X Y, Wu X M.Development of phosphate fertilizer industry in China in the past 20 years and its prospect[J].Phosphate & Compound Fertilizer, 2010, 25(5): 1–6

[28]李維, 高輝, 羅英杰, 等.國(guó)內(nèi)外磷礦資源利用現(xiàn)狀、趨勢(shì)分析及對(duì)策建議[J].中國(guó)礦業(yè), 2015, (6): 6–10

Li W, Gao H, Luo Y J, et al.Status, trends and suggestions of phosphorus ore resources at home and abroad[J].China Mining Magazine, 2015, (6): 6–10

[29]Ramírez C A, Worrell E.Feeding fossil fuels to the soil: An analysis of energy embedded and technological learning in the fertilizer industry[J].Resources, Conservation and Recycling,2006, 46(1): 75–93

[30]魏鵬.我國(guó)磷礦分布特點(diǎn)及主要開(kāi)采技術(shù)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(2): 108–110

Wei P.Main distribution features of phosphate ore and it’s major mining technology in China[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2011, 33(2): 108–110

[31]張?zhí)K江, 易錦俊, 孔令湖, 等.中國(guó)磷礦資源現(xiàn)狀及磷礦國(guó)家級(jí)實(shí)物地質(zhì)資料篩選[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2016, 48(2): 1–5

Zhang S J, Yi J J, Kong L H, et al.Current status of phosphorite-ore resources in China and screening for national-class physical geological data of phopshorite[J].Inorganic Chemicals Industry, 2016, 48(2): 1–5

[32]余永富, 葛英勇, 潘昌林.磷礦選礦進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].礦冶工程, 2008, 28(1): 29–33

Yu Y F, Ge Y Y, Pan C L.Progress and problems in beneficiation of phosphorite ores[J].Mining and Metallurgical Engineering, 2008, 28(1): 29–33

[33]黎繼永, 童雄, 韓彬, 等.磷尾礦綜合利用研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用, 2015, (5): 57–62

Li J Y, Tong X, Han B, et al.Research development of comprehensive utilization of phosphate tailings[J].Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2015, (5): 57–62

[34]張偉, 代佳雨.磷尾礦綜合利用現(xiàn)狀及展望[J].化工礦物與加工, 2015, 44(9): 52–55

Zhang W, Dai J Y.Current status and prospect of comprehensive utilization of phosphate tailings[J].Industrial Minerals & Processing, 2015, 44(9): 52–55

[35]匡國(guó)明.濕法磷酸工藝路線的探討[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2013,45(4): 1–4

Kuang G M.Discussion on process routes of wet-process phosphoric acid[J].Inorganic Chemicals Industry, 2013, 45(4): 1–4

[36]紀(jì)羅軍, 陳強(qiáng).我國(guó)磷石膏資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景綜述(待續(xù))[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程, 2006, (5): 5–10

Ji L J, Chen Q.Overview of current status and development prospect of phosphogypsum resource utilization in China (to be continued)[J].Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering, 2006, (5): 5–10

[37]Tayibi H, Choura M, López F A, et al.Environmental impact and management of phosphogypsum[J].Journal of Environmental Management, 2009, 90(8): 2377–2386

[38]白來(lái)漢, 張仕穎, 張乃明, 等.不同磷石膏添加量與接種菌根對(duì)玉米生長(zhǎng)及磷、砷、硫吸收的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011, 31(11): 2485–2492

Bai L H, Zhang S Y, Zhang N M, et al.Effect of different phosphogypsum addition levels and mycorrhizal inoculation on growth and phosphorus, sulfur and arsenic uptake by maize plants (Zea maysL.)[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2011, 31(11): 2485–2492

[39]Ramirez R, Mendoza B, Lizaso J I.Mycorrhiza effect on maize P uptake from phosphate rock and superphosphate[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2009,40(13/14): 2058–2071

[40]紀(jì)羅軍, 陳強(qiáng).我國(guó)磷石膏資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景綜述(續(xù)完)[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程, 2006, (6): 9–20

Ji L J, Chen Q.Overview of current status and development prospect of phosphogypsum resource utilization in China(finished)[J].Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering, 2006, (6): 9–20

Phosphorus flow from large-scale fertilizer and feed additive chemical enterprises*

CHEN Xuanji1,2, CHEN Xiaohui3, BAI Zhaohai1, MA Lin1**
(1.Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences /Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Phosphorus (P), as an essential nutrient for crops and livestock, is a non-renewable resource.In order to improve theproductivity of agriculture and animal husbandry, about 80% of phosphate rocks are used to produce phosphate fertilizers and P feed additives.Therefore, it is very important to improve the production efficiency of P.However, information on flow characteristics and use efficiency of P in the production chain of “mining-benefaction-phosphoric acid-P fertilizers (feed additive)” has remained scarce.This study was done in support of establishing database on P flow through enterprise survey.The fertilizer and feed additive production module of NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)model, which is based on Material Flow Analysis (MFA) was used.Using a large P chemical enterprise in China as a case study,we analyzed P flow characteristics, P use efficiency, P footprint and P loss in the “mining-benefaction-phosphoric acid-P fertilizers (feed additive)” system and future scenarios for P chemical enterprises.The results showed that of the 3 902 Gg P ore resources (100% P2O5, the same as below), only 2 426 Gg ended up in fertilizers and P feed additives in 2015.Diammonium phosphate (DAP) was the highest yield product (1 558 Gg), followed by mono-ammonium phosphate (MAP), NPK compound fertilizer (NPK), triple superphosphate (TSP), di-calcium phosphate (MDCP) feed additive, single superphosphate (SSP), NPS compound fertilizer (NPS) and potassium dihydrogen phosphate (KH2PO5).The corresponding yields were respectively 634 Gg, 154 Gg, 130 Gg, 34 Gg, 22 Gg, 3 Gg and 1 Gg.The production efficiency was 99% for NPK, 98% for DAP, MAP and NPS,95% for MDCP, 93% for TSP and 91% for SSP and KH2PO5.The production efficiency of the entire production chain was 80%.Most of the P loss came from phosphate rock processing, which accounted for 51% of total P loss.This was followed by mining (25%) and phosphoric acid product (14%).By optimizing production efficiency and improving recycling rate of wastes, P loss was expected to reduce by 42%.Although the utilization efficiency of P in the enterprise was at an advanced stage in China, there was still room for improvement.

Apr.7, 2017; accepted Aug.18, 2017

Phosphorus resources; Phosphorus flow; Phosphorus utilization efficiency; Material flow analysis; NUFER-model;Phosphorus chemical enterprise

X24

A

1671-3990(2017)11-1565-15

10.13930/j.cnki.cjea.170299

陳炫冀, 陳曉輝, 柏兆海, 馬林.化肥和飼料添加劑生產(chǎn)磷流動(dòng)特征研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(11):1565-1579

Chen X J, Chen X H, Bai Z H, Ma L.Phosphorus flow from large-scale fertilizer and feed additive chemical enterprises[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1565-1579

* 河北省杰出青年科學(xué)基金(D2017503023)、云天化國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究院開(kāi)放項(xiàng)目(YTHZWYJY2016001)和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目資助

** 通訊作者: 馬林, 主要研究方向?yàn)轲B(yǎng)分資源管理和農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

陳炫冀, 主要研究方向?yàn)轲B(yǎng)分資源管理和農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: wbzjlm@126.com

2017-04-07 接受日期: 2017-08-18

* This study was supported by the Science Fund for Distinguished Young Scholars of Hebei Province (D2017503023), the Research Project of International Plant Nutrition Institute in Yuntianhua Company (YTHZWYJY2016001) and the Hundred Talent Program of Chinese Academy of Sciences.

** Corresponding author, E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn