磷(phosphorus, P)是作物和畜禽生长不可或缺的营养元素, 是保障粮食安全的关键, 同时也是不可再生资源^[1-3]。66%~80%的磷矿石被开采加工用于磷复肥和饲料添加剂生产^[4-6]。磷肥和磷饲料添加剂生产效率不仅影响粮食安全, 也关乎全球磷资源的可持续利用。我国磷资源储量位居世界第二, 但品位低, 开采快, 效率低, 现有生产技术下经济储量仅能维持50年左右^[7-8], 而富矿预计在10年左右耗竭^[8]。因此, 定量我国磷化工企业“采矿—选矿—磷酸—磷肥/磷饲料添加剂”各环节并分析整个链条磷流动特征可以为提高磷利用效率提供理论依据。这对提高磷肥和磷饲料添加剂生产效率和保障粮食安全意义重大。

目前, 国内外关于磷肥工业的研究多集中在产品生产工艺的改进方面。从早期生产低浓度的过磷酸钙到高浓度磷肥(磷铵类)和复合肥(NPK), 再到新型磷肥和饲料添加剂, 不同种类产品生产工艺的改进和磷利用效率都有报道^[9]。同样, 生产这些产品的中间环节和中间产品的生产研究也不缺乏, 如最重要的中间产品——磷酸生产工艺由热法逐渐转变为湿法, 生产效率也得到极大提升^[9-10]。磷矿的开采与加工工艺也在日趋成熟^{[6, 11-12]}, 磷矿的回采率不断提高。同时, 磷肥生产过程中, 副产物的环境排放和污染问题也越来越受到关注^[13]。然而, 对磷复肥和磷饲料添加剂在“采矿—选矿—磷酸—磷肥/磷饲料添加剂”整个生产链条磷流动的定量研究还很少。

物质流分析、投入产出分析、生命周期评价、生态足迹分析与工业代谢等方法可以用于定量分析不同物质或生产部门的资源流动。目前针对磷资源的物质流研究有很多报道, 但涉及磷复肥和饲料添加剂生产的磷流动研究多是在区域或国家尺度上, 将其作为“磷矿—磷肥—土壤—作物—畜牧—家庭消费”食物链磷流动的一部分^[14-19]。Zhang等^[20]、Chen等^[21]和Liu等^[22]分别报道了中国磷化工行业整体的磷流动情况, 表明我国磷化工生产水平相对世界先进水平不高, 资源浪费严重, 尚处于发展和改进的阶段; 行业结构、产品结构都需要作进一步调整。但这些研究都是在国家尺度上进行的, 并没有对企业不同种类磷肥和饲料添加剂产品的磷流动特征进行分析。Ma等^[23]定量了企业磷复肥生产的物质流动情况和生态效益, 但并未分析其磷流动特征和磷资源利用效率。

本研究拟通过企业实地调研建立企业流动数据库, 利用物质流分析的方法, 扩展了NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型的磷肥和饲料添加剂磷模块, 以我国某大型磷化工企业为例, 定量揭示磷化工企业“采矿—选矿—磷酸—磷肥/磷饲料添加剂”整个链条磷流动特征、损失和利用效率, 分析各种磷肥和饲料添加剂产品生产磷流动、利用效率和磷足迹, 并利用情景分析评估其优化潜力, 研究结果将为我国磷肥和添加剂生产企业磷资源可持续利用提供理论依据和优化管理建议。

1 材料与方法 1.1 研究对象与系统边界

本研究以磷矿开采和磷化工产业为核心的某大型综合性企业下属9个主要子公司为研究对象, 以其2015年度生产情况为研究基础, 研究边界内包括:磷矿开采(F1)、磷矿加工(F2)、磷酸生产(F3)、磷肥和磷饲料添加剂生产(F4) 及其各个环节的废弃物和磷损失, 终产品与废弃物去向(F5) 则不在本研究系统边界之内(图 1)。对于单种类产品, 其整个生产过程的磷足迹在本研究中被定义为每消耗含100单位P₂O₅的自然矿石所能生产的产品量。可生产的产品单位数越大, 说明该产品的整个生产链条的磷素额外消耗(损失)越小, 则其自然磷矿资源消耗越小; 反之, 则消耗越大。相对传统上以生产1单位含P₂O₅产品消耗的磷资源的总和来表示产品的磷足迹, 此种表示足迹的方法在本质上一致, 但能够更直观地体现在资源供给一定的情况下不同产品的磷足迹和损失差异。企业目前的矿石开采都是露天开采形式进行, 全由子公司1承担。矿石加工目前主要有2大工艺, 分别为浮选和擦洗, 浮选为物理+化学方法, 而擦洗为物理方法。磷酸(phosphoric acid, PA)生产全为湿法磷酸(wet process phosphoric acid, WPPA)生产, 可进一步细分为半水法和二水法。大部分磷肥和磷添加剂的生产都通过F1~F4 4个部门依次进行, 但普通过磷酸钙(普钙, single superphosphate, SSP)为直接利用擦洗矿粉生产(不经过F3), 其生产链条较其他产品更短; 重钙(triple superphosphate, TSP)产品同时利用了磷酸和磷矿石合成, 非单链条; 而复合肥(N-P-K compound fertilizer, NPK)生产除利用磷酸之外也利用了其他产品, 生产链条更长。由于本研究只关注磷资源的流动, 因此在生产流动链条中, 不含磷产品和副产物的去向都未被考虑。

该企业采用的工艺和设备在国内具有较强的代表性, 因此其生产链条的磷流动和足迹也具有较强的代表性。其下属主要子公司生产工艺和产品不同(表 1), 在本研究中也分别对各子公司的生产做进一步分析。本研究的数据来源包含两部分:第1部分由该企业生产统计部门提供, 以报表的形式呈现, 报表中包含了2015年各个子公司生产含磷产品的种类、大部分产品的月度产量、原料消耗量及磷养分含量; 第2部分为调研数据, 以对生产企业技术负责人问卷调查方式获取, 问卷涉及每个企业相关产品的生产流程、统计数据中缺失的部分产品生产的相关数据、生产工艺(装置)及年代等。

1.2 模型参数与算法

本研究参考NUFER模型算法进行计算^[24], 该模型基于物质流分析和投入产出分析(input-output analysis, IOA)的方法, 模拟国家、区域、流域和农户等多尺度氮磷在“土壤—作物生产—畜牧生产—家庭消费”食物链系统的流动特征、利用效率和环境损失。本研究以磷化工企业为例研究磷在“磷矿开采—磷矿加工—磷酸生产—磷肥(饲料添加剂)生产”系统流动特征, 可以作为食物链系统的扩展与延伸。

磷流动的模拟依靠上文所述的4个部门的投入产出数据计算获得。投入产出基本指标及与图 1的对应见表 2。对于单个子公司而言, 可能并不包含完整的4个部门。但由于同一类产品的工艺流程一致, 下文的计算公式对于企业整体和单个的子公司都适用。

由于调研获得的各物质数据为实物量, 首先须将已获取到的各物质折算为含100% P₂O₅的数量后再统一计算和分析。研究所涉及物质折纯计算:

$ W{p_i}{\rm{ = }}W{t_i} \times {C_i}_{{{\rm{P}}_2}{{\rm{O}}_5}} $

(1)

式中: Wp_i为第i种物质(包括研究涉及的所有含磷物质)的折纯重量, Wt_i为该物质的实际重量, C_iP2O5为其P₂O₅含量。研究所涉及的各物质对应的P₂O₅含量参数如表 3所示, 由企业提供或调研获得。其中产量占比极少的某些规格的磷铵产品没有被详细列出。后文涉及的重量, 除有特别说明的, 都为折纯P₂O₅数量, 计算的标准单位为10³t。

终产品生产部门F4中各产品产量计算:

${P_i} = \sum\nolimits_{j = 1}^n {{P_{ij}}} (i = 1, {\rm{ }}2, \cdots, {\rm{ }}8;j = 1, {\rm{ }}2, \cdots, 20)$

(2)

式中: P_i代表第i种类产品的折纯(100% P₂O₅, 下同)产量, 产品的种类包括DAP(磷酸二铵)、MAP(磷酸一铵)、NPK(复合肥)、TSP、SSP、KH₂PO₅(磷酸二氢钾)、NPS(硫肥)和MDCP(磷酸一二钙)共8种; P_ij代表第i种类产品下第j规格产品的折纯P₂O₅产量, j的值视各产品规格数不同而不同。

磷肥、饲料添加剂产品总产量(F4.1~4.8) 计算:

$ P{\rm{t}} = \sum {{P_i} - {P_{{\rm{DAP - NPK}}}} - } {P_{{\rm{MAP - NPK}}}} - {P_{{\rm{SSP - NPK}}}} $

(3)

式中: Pt代表终产品的折纯产量。P_DAP-NPK(F4.11)、P_MAP-NPK(F4.10) 和P_SSP-NPK(F4.9) 分别代表DAP、MAP、SSP被用以作为生产NPK产品的原料的折纯量。

磷酸生产部门F3中磷酸实际产量计算:

$ {P_{{\rm{PA}}}} = {P_{{\rm{PAd}}}} + {P_{{\rm{PAs}}}} $

(4)

式中: P_PA为磷酸总折纯产量(F3.1~3.8之和)。P_PAd为稀磷酸折纯产量, P_PAs为浓磷酸折纯产量, 由企业提供。

生产磷复肥、饲料添加剂产品的磷酸消耗量计算:

${P_{{\rm{PAc}}}} = \sum {{P_{{\rm{PAc}}i}}} (i = 1,2, \cdots ,8)$

(5)

式中: P_PAc为生产磷复肥、磷饲料添加剂产品总的磷酸折纯消耗量(F3.1~3.7之和)。P_PAci为生产第i种产品的磷酸消耗折纯量, 包括DAP、MAP、NPK、TSP、KH₂PO₅、NPS和MDCP共7种。

磷酸大部分被用以生产下游产品, 但仍有部分被作为产品售卖。产品磷酸量计算:

$ {P_{{\rm{PAp}}}} = {P_{{\rm{PA}}}} + {P_{{\rm{PAc}}}} $

(6)

式中: P_PAp为产品磷酸的折纯产量(F3.8)。

磷矿加工部门F2中精矿消耗量计算:

${P_{{\rm{PR}}}} = \sum {{{\rm{P}}_{{\rm{PRc}}i}}} = {P_{{\rm{PRf}}}} + {P_{{\rm{PRs}}}}\left( {i = 1,2,3} \right)$

(7)

式中: P_PR为该企业生产磷复肥和磷饲料添加剂的精矿总消耗折纯量(F2.1~2.4之和), 该值与企业1的精矿折纯产量并不存在对应关系。P_PRci为生产第i种下游产品的精矿消耗折纯量, 包括PA、SSP和TSP 3种产品。P_PRf代表浮选精矿的量(F2.1), P_PRs代表擦洗精矿的量(F2.2~2.4)。由调研得知, 开采的原矿石被以浮选和擦洗方式加工的比例为1:2, 浮选矿只被用于生产PA产品, 浮选和擦洗工艺的磷回收率分别为84%和92%, 则精矿的消耗量计算亦为:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{P_{{\rm{PR}}}} = {P_{{\rm{PRf}}}} + {P_{{\rm{PRs}}}} = {P_{{\rm{POf}}}} \times 0.84 + {P_{{\rm{ROs}}}} \times 0.92}\\ {\;\;\;\;\;\; = \frac{1}{3}{P_{{\rm{RO}}}} \times 0.84 + \frac{2}{3}{P_{{\rm{RO}}}} \times 0.92} \end{array} $

(8)

式中: P_RO为开采获得的原矿折纯量, P_ROf为原矿以浮选加工的折纯量(F1.2), P_ROs为原矿以擦洗方式加工的折纯量(F1.3)。由上式可知:

$ {P_{{\rm{RO}}}} = \frac{{{P_{{\rm{PR}}}}}}{{0.89}} $

(9)

即企业整体F2部门的矿石加工效率为89%。

磷矿石开采部门F1矿石开采效率为95%(忽略贫化, 调研结果), 可得整个生产链条的自然矿藏的消耗:

$ {P_{{\rm{PM}}}} = \frac{{{P_{{\rm{RO}}}}}}{{0.95}} $

(10)

式中: P_PM为整个企业生产消耗的自然磷矿折纯量(F1.1)。

在实际生产中, 由于不同来源, 不同加工阶段的矿石品位不同, 需将它们统一为同一品位, 工业生产通常取30%, 称之为标准矿。不同阶段的矿石折标计算为:

$ {P_{{\rm{PMst}}{\rm{.}}}} = \frac{{{P_{{\rm{PM}}}}}}{{0.3}} $

(11)

$ {P_{{\rm{ROst}}{\rm{.}}}} = \frac{{{P_{{\rm{RO}}}}}}{{0.3}} $

(12)

$ {P_{{\rm{PRst}}{\rm{.}}}} = \frac{{{P_{{\rm{PR}}}}}}{{0.3}} $

(13)

式中: P_PMst.、P_ROst.和P_PRst.分别代表自然磷矿消耗、开采得到的原矿石和生产消耗的加工精矿的折标重量。

在得到各个生产部门的投入、产出折纯量之后, 依养分平衡法计算各个生产环节的损失:

$ L1 = {P_{{\rm{PM}}}} - {P_{{\rm{RO}}}} $

(14)

$ \begin{array}{*{20}{l}} {L2 = L{2_{\rm{f}}} + L{2_{\rm{s}}} = \left( {{P_{{\rm{ROf}}}} - {P_{{\rm{PRf}}}}} \right) + \left( {{P_{{\rm{ROs}}}} - {P_{{\rm{PRs}}}}} \right)}\\ {\;\;\;\;\; = {P_{{\rm{RO}}}} - {P_{{\rm{PR}}}}} \end{array} $

(15)

$ L3 = {P_{{\rm{PRcPA}}}} - {P_{{\rm{PA}}}} $

(16)

$\begin{array}{*{20}{l}} {L4 = {P_{{\rm{PAc}}}} + {P_{{\rm{PRcTSP}}}} + {P_{{\rm{PRcSSP}}}} - P{\rm{t}} = \sum {{\rm{L}}{4_i}} }\\ {\left( {i = 1,2, \cdots ,8} \right)} \end{array}$

(17)

式中: L1(F1.4)、L2(F2.5~2.6之和)、L3(F3.9)、L4(F4.12~4.19之和)分别为4个生产部门的损失折纯量。L2_f(F2.5) 和L2_s(F2.6) 分别为浮选和擦洗工艺下加工损失的折纯量。L4_i为第i种产品生产过程中的损失折纯量, 包括所有8种终产品。对于除NKP产品外的其他7种产品, 有:

$L{4_i} = {P_{{\rm{PRc}}i}} + {P_{{\rm{PAc}}i}} - {P_i}\left( {i = 1,2, \cdots ,7} \right)$

(18)

若产品生产过程中没有磷酸或精矿的消耗, 则对应的P_PAci或P_PRci值为0。而对于有终产品消耗的NPK产品, 有:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {L{4_{{\rm{NPK}}}} = {P_{{\rm{PAcNPK}}}} + {P_{{\rm{DAP - NPK}}}} + {P_{{\rm{MAP - NPK}}}} + }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{P_{{\rm{SSP - NPK}}}} - {P_{{\rm{NPK}}}}} \end{array} $

(19)

进一步地, 可以计算得到各个环节的生产效率。矿石的开采效率e1, 也即开采回采率, 由调研已知为95%, 其余环节生产效率为:

$ e2 = 1 - \frac{{L2}}{{{P_{{\rm{RO}}}}}} = {P_{{\rm{PR}}}}/{P_{{\rm{RO}}}} $

(20)

$ e3 = 1 - \frac{{L3}}{{{P_{{\rm{PRcPA}}}}}} = {P_{{\rm{PA}}}}/{P_{{\rm{PRcPA}}}} $

(21)

$ \begin{array}{*{20}{l}} {e4 = 1 - \frac{{L4}}{{{P_{{\rm{PAc}}}} + {P_{{\rm{PRcTSP}}}} + {P_{{\rm{PRcSSP}}}}}}}\\ {\;\;\;\; = P{\rm{t}}/\left( {{P_{{\rm{PAc}}}} + {P_{{\rm{PRcTSP}}}} + {P_{{\rm{PRcSSP}}}}} \right)} \end{array} $

(22)

式中: e2为矿石加工效率, 式(8) 已计算出为89%, 其可视作该企业目前生产方式下的磷矿石加工整体磷回收率; e3为磷酸生产的生产效率; e4为生产最终的磷复肥、磷饲料添加剂产品的整体效率。对于除NPK产品外的每一种单独的终产品, 其生产效率为:

$e{4_i} = \left( {{P_{{\rm{PAc}}i}} + {P_{{\rm{PRc}}i}}} \right)/{P_i}\left( {i = 1,2, \cdots ,7} \right)$

(23)

对于NPK产品, 其生产效率为:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {e{4_{{\rm{NPK}}}} = {P_{{\rm{NPK}}}}/\left( {{\rm{PA}}{{\rm{c}}_{{\rm{NPK}}}} + {P_{{\rm{DAP - NPK}}}} + } \right.}\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left. {{P_{{\rm{MAP - NPK}}}} + {P_{{\rm{SSP - NPK}}}}} \right)} \end{array} $

(24)

对于各个子公司间而言, 同一环节或同一种类产品的生产效率可以是不一致的。

分别将上述计算所得的各产品在不同部门的消耗和损失按生产链条连接起来, 再将其消耗的自然矿石量标准化(折100), 即得各产品的足迹值:

$ {F_i} = e{4_i} \times e3 \times e2 \times e1 \times 100\left( {i = 1, {\rm{ }}2, \cdots, {\rm{ }}6} \right) $

(25)

式中: F_i为第i种产品的磷足迹, 包括MAP、DAP、MDCP、SSP、TSP和NPK 6种主要产品。

1.3 情境的设置

本研究依据该企业各子公司生产产品效率的不同和废弃物利用率提升的潜力, 探索整个公司的生产优化潜力。设置以下几个优化情景:

情景S0为目前实际的生产情况, 为基准情境。

情境S1为废弃物利用率提高的情景:假定在生产过程中含磷废弃物得到循环利用, 根据企业生产的情况及已开展的研究^[25-26], 假定在矿石加工过程中废弃物尾矿的磷回收率由实际值提高至53%, WPPA生产的废弃物磷石膏综合利用率由实际值提高至40%, 同时终产品的产量保持不变。

情境S2为生产效率提高的情景:假定所有生产企业生产产品, 包括中间产品时, 其生产效率都达到该企业目前所能达到的最高水平(见表 4), 同时也保持终产品的产量不变。

情境S3为S1与S2的综合:即在提高生产效率的情况下同时提高废弃物的利用率。

2 结果与分析 2.1 企业磷肥和饲料磷添加剂生产系统磷流动特征和利用效率

根据投入、产出数据及相关参数, 计算出该企业2015年磷复肥及磷饲料添加剂产品生产磷流动特征(图 2)。产品中以磷铵类(MAP和DAP)的产量最大。各生产企业利用折合3.902×10⁶t P₂O₅的自然磷矿(相当于1.236×10⁷t标准矿)生产出2.426×10⁶t P₂O₅各类磷复肥及磷饲料添加剂产品(F4.1~4.8), 以及7.09×10⁵t P₂O₅产品磷酸(F3.8)。磷素最大的去向是DAP产品(F4.4和F4.11), 共折合1.558×10⁶t P₂O₅, 其占产品折纯总量达64%。其次是MAP产品(F4.2和F4.10, 6.340×10⁵t, 26%)、TSP产品(F4.8, 1.300×10⁵t, 5.3%)、MDCP产品(F4.7, 3.400×10⁴t, 1.4%)和SSP产品(F4.1, 2.300×10⁴t, > 1.0%), 这几类产品的折纯产量都超过1×10⁴t, 但SSP、MAP以及DAP都有一部分作为原料生产了NPK产品(F4.3, 1.540×10⁵t, 6.3%), 实际的产品输出量有不同程度减少。此外, 还有少量的NPS产品(F4.5, 1×10³t)和KH₂PO₄产品(F4.6, 1×10³t)被生产出来; 由于这两种产品产量极少, 生产企业单一, 因此不被视为主要产品。

在生产主产品的同时, P₂O₅在各环节中损失量或废弃物中残留量占我国磷肥总消费量6.8%(以2014年消费量计算), 总量达7.730×10⁵t(F1.4、F2.5~2.6、F3.9、F4.12~4.19)。企业总体的磷素利用效率为80%。流动链条的前2个部门F1和F2的磷素损失(F1.4、F2.5~2.6) 占总损失量的77%。虽然露天磷矿有较高的矿石开采效率(可达95%的磷素回采率), 但损失的绝对数量仍很大, 在4个生产部门中位居第2。在该环节共有折合20万t P₂O₅的磷素损失(F1.4), 大多数存留在矿山剥离物中, 少量在转运过程中损失。矿石加工部门是磷素流失最主要的一环, 总共有折合近4.000×10⁵t的P₂O₅的磷素在此环节损失或存留在尾矿中(F2.5~2.6), 磷素利用效率为89%。其中, 浮选工艺(磷回收率84%)虽然能够提高磷矿石品位, 有助于较低品位矿石的进一步利用, 但比相对简单的擦洗工艺(磷回收率92%)的磷素利用效率更低, 即使其投入的原矿量相对更少(投入量比约为1:2), 但两者损失量却接近(都约为20万t)。该环节的主要废弃物——尾矿, 即以目前工艺水平不能直接利用的低品位矿石, 则直接堆积存放, 为企业的一大运营成本。如果能够为尾矿找到行之有效的利用途径, 该环节的磷素利用率将得到极大的提高。PA生产部门也有大量的磷素损失(F3.9), 其量相当于1.070×10⁵t P₂O₅, 磷素利用效率为97%。而终产品生产部门的损失量(F4.12~4.19) 最低, 合计共有7.000×10⁴t P₂O₅损失。

2.2 企业各种磷肥和饲料添加剂产品生产的磷流动、利用效率和足迹

整个研究企业DAP、MAP、TSP、MDCP、SSP、NPK、NPS和KH₂PO₄产品的平均生产效率分别为98%、98%、93%、95%、91%、99%、98%和91%。各产品的生产效率与其生产装置和工艺水平有直接的关系, 生产工艺相似的产品的生产效率也更接近(表 4)。但即使同一类产品, 在不同的企业间也会有差异。进一步地, 由各个环节的磷素损失量以及不同产品的生产效率可以得到各产品的磷流动特征。由于NPS和KH₂PO₄产品产量太低, 因此并未关注其磷流动特征。其他生产量超过1×10⁴ t的产品磷足迹见图 3。其中, DAP和MAP产品的足迹最小, 即生产消耗最少, 每100单位自然矿石都可以生产80单位的产品。而TSP产品每100单位自然矿石生产76单位产品, 使其成为单位产品生产磷矿消耗最多的产品。其他产品的磷矿消耗则介于这两者之间。各产品的磷矿消耗差异不大的原因主要是由于它们几乎共用有磷流动链条的上游环节, 而这些环节是磷素损失占比最大的部分。

2.3 各子公司产品生产的磷流动特征

本研究包含了9个子公司, 不同子公司的产品和工艺情况各不相同。这使得其各自的磷流动有较大差异(图 4)。根据各子公司产品生产的特点, 可将它们分为3类。其中子公司1单独为第Ⅰ类, 子公司2~6为第Ⅱ类, 子公司7~9为第Ⅲ类。第Ⅰ类是唯一有矿石开采部门的公司, 也是唯一生产MDCP产品的公司。第Ⅱ类包括子公司2~6, 类型为较大规模的磷复肥生产公司, 单个公司的产品年产量都在3.000×10⁵t以上。第Ⅲ类子公司, 子公司7~9的规模较小, 各企业的产品年产量都不到10万t, 产品主要为过磷酸钙类产品SSP和TSP, 以及NPK。结合整体的磷流动情况来看, 无论是产品的构成或是产品的产量, 第Ⅰ类和第Ⅱ类子公司是该企业的核心。该企业的整体磷素利用率提高依赖于各类别子公司生产效率的优化提高, 然而, 不同类别子公司面临的情况不同使得其优化的潜力并不一致。

子公司1是唯一的矿石开采企业, 其生产的矿石中有248万t为酸法矿(同时利用浮选和擦洗工艺), 占95%;而其中有23万t为其自身所用。子公司1作为生产链条上游主要的矿石开采-加工企业, 其需要面临部门F1、F2的大量磷素损失问题, 但也意味着其磷素利用率的提高潜力较大。

第Ⅱ类子公司基本生产链条包括部门F3、F4, 最主要的产品即为DAP和MAP。这类公司磷素利用效率的主要差异来源于湿法磷酸的生产环节, 该环节的磷素利用率约为97%。第Ⅱ类子公司(包括子公司1 MDCP生产部门)作为本企业产品生产的主体部分, 受重视程度较高, 各企业的生产效率都已达到比较高的水平(表 4, 图 4)。在本企业内各子公司装置不存在代差, 而各自工艺的选择也跟自身的产品结构相适应。

第Ⅲ类子公司的生产链条相对大规模的企业更短, 它们不能自产PA, 只能利用成品产品或前两类子公司的生产余料来直接生产产品, 磷素利用效率通常由终产品的生产效率决定。第Ⅲ类企业能够进一步细分为2个类型, 企业9是专门的NPK产品生产企业, 单一的产品种类下实际上有多种规格, 但得益于直接利用其他成品原料的简单工艺, 磷素的损失极少, 仅微量损失于灰分中, 因此该种生产状态可能会长期维持。企业7和企业8则是另一个类型, 它们的核心产品都是过磷酸钙类。调研显示目前这类低浓度磷肥的生产通常是利用较低品位的矿石或是渣酸, 即利用较大规模企业弃之不用的余料进行生产。直接用这类低规格原料进行生产, 在目前的工艺水平下很难提升生产效率(磷素不能充分反应), 这使得其磷素利用率相对其他企业更低。

同一种类的产品在不同子公司间的生产效率差异并不特别大, 通常在1%~2%范围内(表 4)。依获取到的数据情况, 部分子公司可以得到更详细的磷流图。如图 4-1和4-6, 分别可以查看到子公司1的详细精矿去向以及子公司6不同工艺下生产PA的产量和损失。这意味着如果有更详尽的资料, 可以将4个大的生产部门分别再细化为更小的生产环节来探究磷流动情况。

2.4 情景分析

在情景S0中, 磷素总损失为7.730×10⁵t P₂O₅, 其中矿石加工部门的废弃物量为4.000×10⁵t, WPPA生产废弃物量为1.100×10⁵t (图 2)。

根据情景S1中设定的磷回收率和利用率(见1.3), 在此情景下, 尾矿经回收后减少2.100×10⁵t, 磷石膏有4.000×10⁴t被综合利用, 共计减少2.500×10⁵t P₂O₅损失, 占高达33%的废弃物排放和损失量。但此情景的自然矿石消耗量没有发生改变。

在情境S2中(见1.3), 由于KH₂PO₅、NPS和MDCP产品都只有一个企业生产, 因此在本情境中其生产无法在现有基准上得到优化。其他5种磷复肥产品与直接输出的PA产品生产效率的提高, 最终可使精矿的消耗量减少6.800×10⁴t(表 5), 折合自然矿石的需求约8.000×10⁴t, 即目前实际用量的2%。即情境S2与S0相比, 可以减少10%的废弃物排放和损失, 共约8.000×10⁴t; 而这部分量的减少, 是以直接减少矿石的投入量得到的。优化结果中, 约有98%来源第一、二类子公司, 其中贡献最大的产品是DAP, 精矿消耗减少4.300×10⁴t。此外, MAP和PA产品生产的精矿消耗的减少也在1.000×10⁴t以上。由此可见在本研究中, 产量越大的产品对优化结果的影响越显著。

情景S3表明, 在减少8.000×10⁴t原矿开采的情况下, 尾矿仍能减少近2.100×10⁵t, 磷石膏减少3.000×10⁴t, 共计近3.200×10⁵t, 占情景S0下损失量的42%, 相当于企业产品本年度产量的13%, 全国1年磷肥施用折纯量的2.8%(以2014年用量计)。资源的投入和废弃物的排放都得到可观地减少。

3 结论与讨论

整体而言, 研究企业作为国内大型磷化工企业的代表, 其整体磷利用效率为80%。但从情景分析结果来看, 该企业仍有很大的提升潜力。在最理想情景下, 每年能够减少3.200×10⁵t P₂O₅的磷资源损失, 相当于总损失的42%, 全国磷肥施用折纯量的2.8%。与其他企业相比, 本研究企业已达到国内先进水平(表 6), 与国内其他大型磷化工企业相当, 更是远超出国内的平均水平——虽然国内的整体水平也在逐渐提升^[27]。究其原因, 一是国内仍有较多数量的中小型磷矿, 这类型企业技术实力较弱, 对自然矿石的利用效率不高; 二是国内有60%左右的磷矿为地下开采式, 这类型磷矿的回采率相比露天磷矿也更低^{[6, 8, 28]}。此外, 该企业产品的生产效率也超过了2000年代的世界平均水平, 但产品的产量结构却不尽相同^[29]。然而在企业尺度上研究的缺乏使得很难将本研究中产品生产链条的各生产环节与其他企业做平行比较。

在整个生产链条上, F2矿石加工部门和F1矿石开采是损失量最多的两个部门, F3磷酸生产部门的损失也很大, 3者共可占总损失量的90%。同时企业产品生产又共有依次位于生产链条前端的F1~F3生产部门(SSP产品除外), 这表明这3个部门的磷素利用效率变化可以显著影响到几乎所有的终产品。

矿石开采部门F1的生产效率虽然可达95%, 但损失量近2.000×10⁵t, 占总损失的25%。由于位于整个生产链条的最前端, 其绝对物质量最大, 效率的变化引起磷素量的变化也最大。在部门F1, 损失的磷素多存在于矿山剥离物中, 无论从形态和含磷量来看, 都很难再提取利用。而运输过程的损失, 可以通过提升管理水平来减少。在实际生产中, 该企业矿山都为较易采的露天矿山, 其回采率已达目前国内最高水平, 已难以再提升^[30]。同时, 开采-加工一体的生产模式也有效避免了大量的运输损失。

矿石加工部门F2的整体效率为89%, 损失量近4.000×10⁵t, 是损失最多的部门, 占总损失51%。该部门存在多种工艺, 不同工艺的磷素利用率各不相同, 对于湿法磷酸的生产来说, 主要利用的是浮选矿和擦洗矿。擦洗工艺相较浮选更为简单, 磷素利用效率也更高。但基于目前企业甚至全国都面临的原矿品位越来越低的现实^[31], 未来浮选矿的占比会越来越高, 这是由于擦洗并不能提高原矿的品位, 而浮选工艺的作用正在于此^[31-32]。这意味着部门F2未来的磷素利用率可能会持续降低, 但随着工艺的改进^[12], 下降的趋势可能会逐渐变缓。本企业目前的原矿石平均品位在24%左右, 已不能直接用于目前的WPPA生产工艺(需品位28%以上), 因此对于该企业来说浮选矿的增加不可避免。这需要企业研发更高效的浮选药剂来满足生产需求, 同时提升磷素利用率。对于尾矿的利用, 目前并没有适宜于企业实际利用的途径, 但已有利用尾矿作磷肥或肥料补充剂的研究开展(情景S1的假定值), 更多的研究表明, 综合多种利用途径, 尾矿的远期期望磷回收率或转化率能够更高, 并可以更好地利用尾矿中其他元素矿产资源, 这意味着尾矿的利用在未来有更大提升潜力, 使磷素利用率的进一步提高有了可能^[33-34]。此外, 该环节还有灰分、废水等几乎不可避免的少量磷素损失途径。

磷酸生产部门F3的效率为97%, 仍损失1.070×10⁵t, 占总损失的14%。企业PA生产都以湿法生产进行, 这也是目前国内绝大部分PA的生产方法。部门F3的磷素利用效率较强地依赖于生产工艺和技术水平。经过多年的工艺改进, 目前各个工艺的磷酸生产效率都大幅提高^{[10, 35]}。得益于此, 虽然各子公司磷酸生产装置基于不同的工艺, 但总体效率仍维持在97%的较高水平。若要继续提高该环节的效率, 除了改进现有装置外, 选择生产效率更高的工艺方法也是有效的途径, 但由于不同的工艺方法得到的磷酸浓度和纯净度不同^[35], 可能会影响下游产品的生产, 使下游部门磷素利用率发生变化。该环节的磷损失途径主要为磷石膏(phosphogypsum, PG)。磷石膏作为磷酸生产的副产物之一, 主要成分为石膏(CaSO₄·2H₂O), 含有其他杂质, 磷素绝对含量并不高^[36]。目前磷石膏的主要处理方法, 无论是将其堆积存放或是加以利用(一般作为建筑材料或原材料), 都没有实际提高磷素的利用率, 但适宜的利用方式可以提高生产的生态效益, 减少环境污染^[37]。利用磷石膏作肥料原料或土壤改良剂的研究虽已开展, 这类利用途径可以使磷石膏中的磷素得到充分利用, 但过多的杂质是其实际应用的一大阻碍^[38-40]。与尾矿相似, 虽然已有关于其资源化利用的研究, 但要达到可应用在实际生产中的水平尚需时日。

终产品生产部门F4中各产品的效率差异大, 但整体而言损失量是4个部门中最少的, 共计近8.000×10⁴t, 只占9.7%。该部门最主要的产品——磷铵, 都是利用大型装置来生产, 单装置的年产量可高达1.000×10⁵t级或更高。而诸如NPK和SSP产品可利用小型机械生产, 甚至可以单人操作, 原料也更为灵活。如此大的差异性使得很难再提出统一方法来提高此环节的磷素利用率, 尤其是在各产品的生产效率已经很高的情况下。事实上, 由调研可知, 由于损失量小, 在实际生产中, 企业已不单独监测这一环节的磷素利用(损失)情况, 磷素利用率的提高依赖于企业管理水平的提高, 装置、工艺改进而得到客观提升。本研究的对象企业作为我国大型磷化工企业的代表, 其磷复肥和磷饲料添加剂的生产效率达80.3%, 在国内处于先进水平。在2015年, 其利用折合3.902×10⁶t P₂O₅的自然矿石, 共生产出含PA在内的3.135×10⁶t磷复肥和磷饲料添加剂产品, 最主要的产品是磷铵, 包括DAP和MAP。对于整个生产链条, 最前端的矿石开采-加工2大部门是决定整体磷资源利用效率最为关键的环节。因此对于整个企业来说, 提高从矿石到精矿生产链条的生产水平, 更好地利用尾矿、磷石膏等废弃物, 可以进一步提高磷素利用效率。而对于各子公司, 依据其产品类别不同, 其能够提高磷素利用率的环节也各不相同。若能够同时提高各子公司的生产效率, 以及提高废弃物的回收再利用比例, 预期能够减少42%的磷资源损失, 使该企业的磷资源利用效率得到显著提高。由于企业报表和调研数据的限制, 本研究并未对结果进行不确定性分析和敏感性分析评估。在后续的研究中, 需要继续加强该方面的分析。