察爾汗鹽湖資源開發利用現狀及關鍵技術進展*

熊增華， 王石軍,2

(1.青海師范大學，青海 西寧 810016；2.青海鹽湖工業股份有限公司，國家鹽湖資源綜合利用工程技術研究中心，青海省鹽湖資源綜合利用重點實驗室，青海 格爾木 816000)

0 引言

察爾汗鹽湖鉀、鈉、鎂、鋰、硼、銣等各種鹽類資源儲量達6.0×1010t[1]，是我國目前探明的最大鉀鎂鹽礦，也是世界著名的大鹽湖之一。該鹽湖地處戈壁瀚海，氣候炎熱干燥，日照時間長，蒸發量遠大于降水量，長期風吹日曬，湖內形成了高濃度的鹵水，其中的氯化鉀、氯化鎂、氯化鋰探明資源儲量分別占全國的50%、90%和50%，潛在經濟價值數十萬億元。經過60余年的努力，察爾汗鹽湖已成為國家首批循環經濟試驗區的核心產業區，未來必將為國家新能源、新材料產業創造更多價值。

1 察爾汗鹽湖資源概況及開發現狀

察爾汗鹽湖位于素有聚寶盆之稱的柴達木盆地中東部,東西長168 km，南北寬20～40 km，面積5 856 km2，海拔2 680 m。湖內蘊藏氯化鉀5.4×108t，氯化鎂4.0×109t[2]，氯化鋰1.2×107t，均居全國第一位。青海鹽湖工業股份有限公司作為察爾汗鹽湖鉀鎂鹽礦的開發主體，先后承擔了國家“七五”重點工程鉀肥一期項目、國家西部大開發標志性工程鉀肥二期項目以及國家級柴達木循環經濟試驗區金屬鎂一體化項目、首批國家礦產資源綜合利用示范基地等的建設,使我國鹽湖資源利用水平處于世界領先地位。

1.1 鹽湖固液相并存，為資源高效開采提供了理論基礎

鹽湖是“活礦”，有水則活，無水則死。鹽湖演化變遷的本身就是液相—固相—液相的轉化過程，察爾汗鹽湖固體鹽類資源達5.3×1010t，液體鹽類資源7.0×109t，說明固體、液體鉀鎂鹽礦具有共生關系，這為固體和液體資源的統一、同步高效開采提供了理論依據。因此鹽湖資源的開采不同于單一的固體礦開發，固液相并存，可以相互轉化，因而可支撐高效開采利用[3]。

1.2 鹽湖氣候獨特，為資源高效開采提供了廉價的清潔能源

察爾汗鹽湖地區年蒸發量高達3 500 mm,年降雨量不足50 mm,為液體礦的蒸發濃縮提供了廉價的清潔能源。根據相圖和工藝計算結果[4]，年產100 萬t鉀肥所需光鹵石礦如用機械裝置蒸發需要耗煤370 萬t，而采用太陽能鹽田蒸發可降低成本10億元，增強了產業競爭力。

1.3 鹽湖周邊水源豐富，可為資源開發與固轉液提供保障

察爾汗鹽湖地處最低洼地帶，其南側發源于昆侖山的格爾木河，年徑流量達7×108m3；在流經途中，除蒸發、滲漏損失外，最終匯入于此，可為資源開發、固轉液提供充足的水源保障。

1.4 工程地質條件優，可為液體礦蒸發濃縮提供良好場地

鹽湖區地形開闊，地勢平坦，區內為無任何植被的荒漠干鹽灘，湖積平原上黏土資源豐富，是天然的防滲“隔水層”，實踐證明察爾汗鹽湖區是建設太陽池鹽田的優質場地。這些條件為鹽湖鹵水蒸發濃縮和資源大規模開發提供了廉價空間。

1.5 荒漠環境為發展產業集群提供了環境容量

察爾汗鹽湖區為封閉洼地，地下水本身就是礦，不存在污染；鹽湖區及周邊為荒漠，無植被，無土地復墾；鹽湖開發采用井、渠方式，不破壞自然地貌，因此鹽湖資源綜合利用環境容量較其他常規礦產區具有明顯優勢[5-6]。

2 察爾汗鹽湖綠色產業發展現狀

察爾汗鹽湖資源開發始于1958年，青海鹽湖工業股份有限公司經過60多年的奮斗與創新發展，已成為國家級柴達木循環經濟試驗區內的龍頭企業、國家創新型企業、自然資源部礦產資源綜合利用與節約專項優秀企業、礦產資源節約與綜合利用先進適用技術推廣示范企業、國家綠色礦山，實現了我國鉀肥工業從無到有、生產規模從小到大、工藝技術從落后到先進、產業質量由低端到高端、產業鏈由單一到多產業融合，當前正邁向綠色高質量發展新階段[7]。

2.1 察爾汗鹽湖產業發展歷程

1958年察爾汗鉀肥廠(青海鹽湖工業股份有限公司前身)成立，當年生產鉀肥953 t；1978年原國家計委以計(1978)521號文“關于青海鉀礦計劃任務書的批復”同意建設青海鉀礦；1986年國家“七五”重點工程青海鉀肥一期項目開工建設；1997年“鹽湖鉀肥”深交所上市；2000年，國家西部大開發青海年產100 萬t鉀肥項目開工建設；2005年，以鉀資源深加工為主的鹽湖資源綜合利用一期工程開工建設；2010年金屬鎂一體化項目開工建設；2017年生態鎂鋰鉀園開工建設。作為我國鹽湖開發的龍頭企業，堅持綠色開發、科技創新，已形成氯化鉀500 萬t/a，居世界第四；氫氧化鉀40 萬t/a，居世界第一；碳酸鉀7.2 萬t/a，居世界第一；硝酸鉀40 萬t/a，居世界第二；金屬鎂10萬t/a，居世界第一；另外還形成純堿120萬t/a、燒堿30萬t/a、PVC 125萬t/a、焦炭240萬t/a、甲醇110萬t/a、尿素66萬t/a、聚丙烯16萬t/a等的生產能力，形成了“鉀、鈉、鎂、鋰、氯”五大產業群，探索出了一條鹽湖資源綜合利用綠色發展之路[8-10]。

2.2 產業發展成就與行業地位

2.2.1 通過科技創新建成具有國際競爭力的國家大型鉀肥基地

研發低品位固體鉀礦溶解轉化技術、鹽巖地區大規模鹵水遠距離安全輸送、大面積深水鹽田長串走水、光鹵石水采船精準采收、反浮選冷結晶法生產氯化鉀工藝、尾礦熱溶結晶再利用等技術，使鉀肥產能達到500 萬t/a，使我國鉀肥自給率由20世紀不足10%提升至現在的50%以上，增強了我國在國際鉀肥市場上的話語權，成為世界進口鉀肥價格凹地。這些均得益于國家對青海鉀肥基地的科學布局，得益于國家對鉀肥項目資本金的支持，得益于國家科技重大專項的實施對技術創新的推動，得益于增值稅免征和先征后返、2#運價、國家礦產資源綜合利用示范基地建設專項資金等優惠政策。

2.2.2 開發并掌握了獨具中國特色的高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰技術

歷經30年攻關探索，突破了高鎂鋰比鹵水提鋰這一世界性難題，獲得“超高鎂鋰比鹽湖鹵水吸附—膜分離耦合提鋰技術的開發及產業化”國際領先水平成果，自主研發的二代吸附劑取得重大產業化進展。鹵水直接電解法氫氧化鋰中試獲得突破，年產1萬t碳酸鋰裝置全面達產達標，2018、2019年連續穩定生產1.1萬t碳酸鋰，青海鹽湖工業股份有限公司成為全國鋰業第四、鹽湖提鋰第一的企業。正在建設的年產2萬t碳酸鋰裝置進展順利。鹵水鋰在國內市場的占比逐年提高，正在逐步擺脫對國外鋰礦石的依存，保障了我國戰略性新興產業的資源安全[11-13]。

2.2.3 正在開創世界金屬鎂生產和應用的嶄新格局

經過近10年的消化吸收，建成了利用鹽湖鹵水電解法制取金屬鎂的全球唯一的10萬t級全套裝置，已生產出合格的鹽湖金屬鎂產品；鎂合金產品、汽車構件已批量上市，產品具有環保、高品質、穩定等優異特性，特別是CO2排放量不足傳統工藝的1/4，成為世界綠色鎂產業的“一枝獨秀”。在第76屆世界鎂業大會上，鹽湖電解法金屬鎂及鎂合金技術榮獲“國際鎂協環境責任獎”，這是國際鎂業界對青海鹽湖金屬鎂及鎂合金一體化項目創新性技術路線及產業模式的認同、對低碳減排成效的認同、對鎂產品上下游產業鏈協同發展的認同。

2.2.4 探索出了青海高原特色的綠色發展循環經濟之路

自“十一五”以來，青海鹽湖工業股份有限公司秉承“以鉀為主、綜合利用、循環經濟、持續發展”理念，建成了鉀鹽、鎂鹽、鋰鹽、鈉鹽、氯堿五大產業集群，實現了由單一提鉀向鉀鹽、鹽湖化工、天然氣化工、有色金屬、冶金冶煉等多產業的融合發展。與傳統礦石法開采鎂、鋰、鉀資源相比，綜合利用鹽湖鹵水資源無需開山炸石，更無造渣之害，產品能耗小，污染排放少，環境負載輕。

2.2.5 探索出了固液并存鹽湖鉀資源的獨特開采模式

創新鉀鹽“固液轉化、驅動開采、貧富兼采、循環回收”獨特開采模式，使鉀礦由呆變活，通過反浮選-冷結晶、冷結晶-正浮選、兌鹵鹽、尾鹽熱溶結晶等技術組合提鉀，實現了高質量發展。產品質量由傳統的氯化鉀品位80%～90%提升至95%～98%，采礦回收率由35%提升至90%以上，單程選礦回收率由不足40%提升至60%以上，資源利用率由27%提升至75%，綜合回收率由40%提升至73.8%。徹底顛覆了鹽湖鉀資源規模論證方法，按照傳統方法，察爾汗鹽湖100萬t/a只能開采30年，而1958年以來青海鹽湖工業股份有限公司已累計生產鉀肥5 800 萬t，理論推算鹽湖鉀資源應當已經枯竭，但是目前鹽湖水位、水質依然與2005年基本持平，意味著這15年消耗的主要是固體鉀礦儲量而非給水度鹵水靜儲量。新的規模應增加固體鉀、持水度鹵水鉀、老鹵鉀、夾帶鉀、尾鹽鉀等新的可采資源量，據此新方法測算察爾汗鹽湖保有鉀鹽資源儲量按年產500萬t規模可服務50年[14]，對保障我國鉀肥工業可持續發展具有重大意義。

2.2.6 形成了高原鹽漠地區生態生產生活融合發展模式

建立了鹽湖4R1E生態綠色循環經濟模式[15]，即在傳統的3R(Reducing、Reusing、Recycling)的基礎上增加了再發現(Rediscovery)、環境再改善(Environment improving)。再發現即在廢棄物回收的基礎上，通過生產勘探和固液轉化、驅動開采盤活低品位礦，相當于“再造”多個察爾汗鹽湖。環境再改善通過太陽能利用、人造濕地實現生態環境改造，成功建成200多平方千米的鹽田和百里生態水景線，使過去“天上無飛鳥、地上不長草、風吹鹽塊跑”的鹽漠地變成如今的“水草茂密、魚類聚集、鳥類成群、藍天白云碧水”共存的生態大鹽湖，創造了新的鹽湖生態和生物多樣群，提升了鹽湖自然風光和工業旅游價值，實現了生態生產生活的良性循環。

3 察爾汗鹽湖資源開發利用關鍵技術進展

3.1 低品位固體鉀礦利用技術

通過承擔國家“十一五”重點項目“柴達木鹽湖難開發鉀礦開采技術研究”，發明了低品位固體鉀鹽的浸泡式轉化方法，開發了溶劑配方及制取方法，并獲得了該轉化方法的成套技術參數，溶出液平均KCl品位為2.23%，遠高于設計品位(0.50%)；溶解轉化率達80%，遠高于國外鉀鹽溶解轉化率(30%～32%)。溶解后固體殘余物KCl品位低于0.30%，奠定了建立鹽湖固體鉀溶解轉化KCl工業品位2.0%、KCl邊界品位0.50%的基礎，建立了技術轉化的六大工程化環節。

通過系統的室內、室外試驗和現場工業化大規模應用，實現了浸泡式溶解轉化技術的產業化。固體鉀溶采工業品位由8%降至2%，使2.96 億t依靠傳統技術無法利用的低品位固體鉀礦由呆變活。建成了300多平方千米示范區，已累計溶解轉化固體鉀礦5 004 萬t。在世界上首次實現低品位零星固體鉀鹽浸泡式溶解轉化技術的產業化，打破了察爾汗鹽湖只能開采液體鉀礦而無法開采固體鉀礦的局面。實現了“再造察爾汗”目標，改變了我國鉀資源供應格局。成果轉化應用后新增250 萬t/a鉀肥產能。

3.2 尾礦鉀資源綜合利用技術

通過承擔國家高技術示范項目和青海省重點科技攻關計劃項目“利用含鉀廢鹽建設10萬t/a精制氯化鉀工藝研究”，完成了多種化學體系的溶鉀試驗，發現了溶鉀規律，探索出了高效室內機械溶解轉化工藝，完成了鉀石鹽溶解工藝、真空冷卻結晶技術以及結晶器的研究，創新了高鈉貧鉀尾鹽溶鉀制取鉀石鹽成礦工藝，開發出了四級串聯逐級升溫溶解、三級串聯真空冷卻結晶成套工業技術，研制成功了國內第一套10萬t/a熱溶—真空結晶氯化鉀生產裝置。

通過技術產業化開發了尾鹽溶解轉化制取鉀石鹽—熱溶結晶工藝回收利用成套技術與裝備，實現了尾礦的資源化利用。基于相圖理論，建立了優化貧鉀尾鹽溶解轉化與鉀石鹽結晶的技術經濟模型，經多方案比較論證，首次開發出了高效室內機械溶解轉化新工藝，年新增氯化鉀產量17 萬t，產品純度≥98%，使鉀鹽回收率提高了6個百分點，成果處于國內領先水平。

3.3 共伴生鋰礦綜合利用技術

通過承擔國家科技部、青海省多個重大科技計劃項目，開發出了吸附法鹵水提鋰工藝，研制了適應高鎂鋰比鹵水提鋰吸附塔、專用鋰吸附劑，并將吸附法與膜耦合處理工藝應用于鹽湖提鋰領域；開發出了解析液鎂鋰分離的新技術，通過物理方法在不帶入其他雜質離子的情況下實現了鎂鋰的高效分離，解決了化學法除雜引入新的雜質離子及鋰損失率高等關鍵技術難題，同時解決了傳統鎂鋰分離物耗高、能耗高、三廢排放多、產品質量不穩定等問題，降低了成本，提高了純度。

通過解析液鎂鋰分離技術的推廣應用，改變了我國鹽湖鹵水提鋰格局，解決了超高鎂鋰比、低含量鋰離子的鹵水鋰資源開發難題，使得我國鋰資源保障程度大幅度提高。裝置常溫連續操作，無相變，無化學變化，工藝過程不帶入雜質，減少了環境污染，建成的年產1 萬t裝置運行穩定，正在建設的年產2 萬t裝置部分工序已經產生效益，成果處于國際領先水平。

3.4 共伴生鎂礦綜合利用技術

通過引進挪威海德魯公司的菱鎂礦酸化制取氯化鎂溶液后電解法制取金屬鎂技術與裝備，經消化吸收，用于以鹽湖鹵水提鉀后排出的氯化鎂老鹵母液為原料，經精制-脫水-電解流程生產金屬鎂。該技術破解了老鹵凈化與脫水難題，并據此建成了年產10萬t金屬鎂裝置，其工藝、裝備等均處于國際領先水平，待穩定運行后擬進行多極電解槽優化、光鹵石脫水電解、氧化鎂噴射電解法創新，這將進一步提升該技術水平，必將開創我國金屬鎂輕金屬產業新局面。

青海鹽湖工業股份有限公司從1958年產出鉀肥953 t發展到萬噸級鉀肥裝置，再到百萬噸產能以及如今的500 萬t產能和循環經濟產業集群，每一次提升都離不開新技術的突破和推廣應用。新技術的研發、推廣也促進了鹽湖產業低碳、生態發展。國內外礦石法開采鉀、鎂、鋰等資源，能源消耗大、污染排放多、環境負載重，而鹽湖鹵水資源具有明顯的節能環保優勢。鹽湖鹵水經太陽能蒸發濃縮，逐級提取鉀、鎂、鋰、鈉等產品，母液返回礦區循環利用，其生產過程采用太陽能、風能、水電等清潔能源和先進技術，不僅實現了從原料到產品的全流程節能低碳，而且形成了“資源—產品—再生資源” 的生態綠色循環經濟模式。據測算，察爾汗鹽田系統利用太陽能蒸發相當于年節約煤炭近2 000萬t，減少CO2排放5 240萬t、SO2排放17萬t、NOx排放14.8萬t。

4 察爾汗鹽湖資源開發存在問題及展望

4.1 技術創新能力不足

在共伴生資源綜合利用與新產業培育方面科技重大專項支撐不足，鹽湖鹵水資源可持續開采模型建立、鹽田精控分離、金屬鎂及鎂化合物提取、鎂鋰合金材料應用等關鍵技術和重大裝備研發投入大，但作為西部經濟欠發達省份，青海省和企業經濟實力不足，亟需國家給予科技重大專項支持。高端科研人才嚴重缺乏，科研人才引進難、留不住的問題突出。科技創新機制不健全，尚未形成適合市場經濟的科技創新激勵機制。

4.2 資源配置與產業協同綠色發展不同步

察爾汗鹽湖作為一個氯化物型鉀鹽湖，共伴生有鎂、鋰、硼、銣等多種國家戰略性資源，堅持綜合利用、平衡開發、生態優先、綠色發展的理念，脫掉“氯帽子”，實現“氯平衡”是前提。平衡氯的大宗產品只有PVC，采用乙烯法和乙炔法制取PVC需要大量的煤炭、天然氣作為原料，多年來由于資源配置不滿足循環經濟產業鏈的需求，導致裝置運行不經濟、難持續。

4.3 發揮創新平臺優勢，加快關鍵技術再突破

60多年來青海鹽湖工業股份有限公司先后與中國科學院鹽湖研究所、中藍連海設計研究院有限公司、中藍長化科技工程有限公司、清華大學、華東理工大學等30多家科研院所、高等院校共建研發團隊，開展科研試驗、行業研究、市場分析，加速人才培養，打造緊密型鹽湖資源“政產學研用”合作團隊。未來將充分利用“國家工程技術研究中心、院士工作站、博士后科研工作站、省級重點實驗室”“青海高端創新人才千人計劃、海西州百人計劃”“企業柔性引進人才機制”等平臺強化與國內外科研院所、高等院校、行業協會、企業的學術交流、技術研討、技術攻關，加快鹽湖資源綜合利用關鍵技術研發與成果轉化，提升鹽湖綠色產業國際競爭力。

4.4 推進鹽湖生態鎂鋰鉀園建設

青海鹽湖資源綜合開發利用前景廣闊，鹽湖開發涉及地質勘探、資源環境、礦山開采、化肥、鹽湖化工、煤炭化工、天然氣化工、氯堿化工、有色冶金、熱電、建材、裝備制造、輕金屬材料等諸多領域，涵蓋從原料、制造到農業、工業、食品、新材料、新能源、國防軍工等終端應用全流程，涉及的產業鏈廣、產品種類多，生產工藝技術復雜。今后需進一步創新產學研機制，通過合作開發、聯合攻關、技術咨詢、成果轉讓等方式，優勢互補，共聚合力，推動鹽湖生態鎂鋰鉀園建設，構建世界一流的鹽湖資源綠色開發產業體系。