双碳战略下磷石膏的价值重估与资源储备
摘要：磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，同时含有丰富的无机磷、有机质、矿物质元素，可以作为生态修复重要的原材料。随着中国双碳战略的稳步推进，脱硫石膏的产量预计将显著下降，净化磷石膏将成为未来建筑市场的主流胶凝材料。加之经济发展进入新阶段，石膏用量将大幅提升，在未来的二十年内，新增磷石膏将供不应求，市场供给将需要存量石膏补充，磷石膏的价值将会显著上升。通过无害化处理获得没有环境风险的净化石膏，并建立净化石膏资源储备，对经济的可持续发展有着重要意义。从磷石膏中分离出来的无机磷、有机质、矿物质等成分，可以促进植物生长，可广泛应用于矿山复垦、尾矿库复绿、石漠化治理及荒漠改造。大力发展磷石膏生态化应用，可以为磷化工产业治污、降碳、扩绿，协同增效做出显著贡献。
关键词:双碳战略;磷石膏;净化石膏;脱硫石膏
全球因温室气体（主要是二氧化碳排放）导致气候变暖，已经成为共识。如果对碳排放不加控制，地球温度极有可能上升两度以上，全球气候系统将发生不可逆转的变化，给人类带来灾害。截至2020年底，全球已有40多个国家和经济体正式宣布了碳中和目标，中国是碳排放第一大国，约占全球总量的30%左右，加快绿色低碳转型更加紧迫。
2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上，郑重向全世界承诺：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上进一步提出：到2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非石化能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米。
中国是全球最大的磷酸生产国，每年副产磷石膏达8000万吨，现有堆存量近8亿吨。磷石膏是在通过硫酸与磷矿石反应制取磷酸过程中产生的一种工业副产品，主要成分为石膏（二水硫酸钙），是传统胶凝材料，具有重复使用的特点，可成为高能效建造和翻新建筑的原材料。同时，磷石膏中含有丰富的无机磷、硫酸盐、有机质、矿物质元素，可以作为生态修复重要的原材料。通过分离提纯，去除磷石膏中的有害杂质，将磷石膏转化为纯度较高的石膏胶凝材料（净化石膏）和生态修复材料（富磷营养土），可以变废为宝，将磷石膏转化为中国实现双碳目标的重要原材料。做好净化石膏资源的储备及磷石膏中其他元素的梯级利用，能为磷化工产业的健康发展和中国可持续发展战略贡献力量。
一、磷石膏的污染及转化利用问题
磷是动植物生长不可或缺的元素，磷肥是粮食稳产增产的必需品。几乎所有的磷肥都来自于磷矿石。目前最普遍的生产磷肥的方法是使用硫酸与磷灰石反应生成出磷酸，然后用磷酸与合成氨反应生成磷肥。磷酸作为一种基础化工原料，也广泛用于食品、医疗、化工、电子等众多领域。
磷石膏的主要固体成分为二水硫酸钙，与天然石膏无异。因磷石膏的孔隙水中含有磷酸生产过程中残留的游离磷、氟离子和酸根离子，一旦流失到环境中去，会造成河流、湖泊富氧化等环保问题。
在日益严峻的环保压力下，各地磷石膏制砖、制板、制炒粉的装置如雨后春笋般地兴起。然而，这些建材领域的应用都摆脱不了磷石膏污染物含量高、净化处理成本高的问题。特别是磷石膏用于建材，需要陈化、中和、去磷氟等前处理过程，处理成本显著高于脱硫石膏等竞争性石膏原材料。因此，除非持续不断地补贴，否则现有综合利用途径都难以大规模消耗磷石膏。
二、双碳背景下石膏需求和供给的变化趋势
随着经济水平提高和双碳战略的推进，石膏用量将显著增长，石膏资源将变得紧张，磷石膏的价值将日益凸显，建立净化磷石膏储备非常必要。
由于中国高碳的能源结构，碳中和面临巨大挑战。2019年主要国家能源结构中，中国化石能源占比最高，约为85%。此外，欧美化石能源中，煤占比仅3%~17%，中国高达57%。如中国在2060年如期实现碳中和，需基本完成低碳能源转型，煤电二氧化碳排放要基本清零，非石化能源发电80%以上，一次能源消费中非石化能源占比达到72%以上，可再生能源发电占比达到70%以上，工业部门终端煤炭消费比例低于15%，民用部门能源全面清洁化。与之对应的，中国的煤电总装机容量将大幅下降（如图1所示）。
2021年9月21日，国家主席习近平在北京以视频方式出席第76届联合国大会一般性辩论时表示：中国将大力支持发展中国家能源绿色低碳发展，不再新建海外煤电项目。再次表明，虽然面临艰巨挑战，中国仍将坚定走低碳可再生能源发展道路。由于脱硫石膏是煤电的产物，每1000万千瓦火电机组，产生约100万吨脱硫石膏。随着煤电的逐步退出，脱硫石膏的产量也将随之下降。
目前，建筑市场上的石膏供给主要由脱硫石膏、天然石膏和磷石膏构成。2020年，中国年脱硫石膏的产量约为9000万吨，天然石膏产量约为6000万吨，磷石膏的年产量约为8000万吨。预计到2030年，脱硫石膏产量将下降至4000万吨，2040年将下降到1500万吨。由于东部沿海省份需率先实现碳达峰目标，东部省份火电退出的比例将更高。鉴于天然石膏的产量不可能大幅增长，未来脱硫石膏退出的市场份额，大部分需要磷石膏来填补，这将给湖北、贵州、云南等省份外销磷石膏带来机遇。
此外，从发达国家的发展经历来看，以水泥和石膏做比较，在经济建设初期，水泥的使用量非常大，石膏使用量相对较小。当经济和收入水平提高以后。对水泥的需求会下降，而石膏的需求量会越来越大。目前中国人均石膏用量远远落后于美国、日本及欧洲各国。例如，中国人均石膏板消费面积约2㎡/年，仅为美国的1/4，日本的1/3，英法德的1/2，仍有较大成长空间。目前，美国是世界最大的石膏生产国之一，2015年总产量为2.69亿吨，其中90%用于生产纸面石膏板和石膏制品，剩下的应用于水泥缓凝剂和农业等。随着经济发展水平提高，石膏的人均使用量将进一步提升。如中国人均石膏消费量达到美国的一半，中国年石膏需求量将达到5亿吨/年。
由此可见，随着经济发展和碳减排进程的推进，石膏需求量将显著上升，脱硫石膏产量将大幅下降，石膏资源将变得稀缺，磷石膏的价值将显著提升。因此，在现阶段脱硫石膏仍为建材主流原材料的情况下，低价或通过补助的方式销售磷石膏会造成资源的浪费。通过无害化处理获得无环境风险的净化石膏，利用净化石膏暂存场或废旧矿坑，建立净化磷石膏资源储备，对经济的可持续发展有着重要意义。
三、磷碳协同是降碳扩绿的重要支撑
磷石膏中的无机磷、硫酸盐、有机质、矿物质是植物生长必不可缺的元素。这些物质占磷石膏总量的15~25%，目前均未得到有效利用，造成巨大的资源浪费。磷石膏的综合利用，不能忽视此部分资源的高效利用，应将其转化为降碳扩绿的生态修复材料。
通过预处理，中和磷石膏孔隙水中的残酸，去除游离氟，而保留游离磷或将游离磷转化为缓释磷，可将磷石膏转化为一种营养土。这种土中含有丰富的磷、氨氮和钙、镁离子，是促进植物生长的最佳基质。磷石膏营养土的应用非常广泛，可用于固废渣场、尾矿库、填埋场的封场植被，可用于城市屋顶花园的海绵城市建设，以及石漠化地区的植被恢复和畜牧业。
磷石膏营养土首先可以用于现有磷石膏库的运营和老磷石膏库的生态修复。通过联箱植树技术，将老磷石膏堆场及运行中的磷石膏堆场边坡开发成营养土植树基地，既能解决裸露磷石膏边坡的扬尘和冲刷问题，又能增强外边坡稳定性，实现安全、环保运行。尤为关键的是，树木的生长能充分吸收磷石膏营养土中的游离磷，待营养土渗水完全符合环保要求，树木和营养土即可整体迁移至废弃矿坑、石漠化地区进行生态修复，或外售作为城市绿化和景观用树。
四、净化-分离-贮存-利用的体系
原状磷石膏为两相体，即由固态磷石膏和液态酸性孔隙水构成，其中大部分硫酸钙、矿物质和有机质为固态，大部分游离磷、游离氟、硫酸盐溶解在酸性孔隙水中。造成磷石膏污染的主因，是液态酸性孔隙水渗入地下水和土壤中，进而使得地下和地表水体中总磷、总氟超标，导致水体富营养化。因此，磷石膏净化分离的过程，既是提高磷石膏品质，促进综合利用的过程，也是消除磷石膏污染，实现无害化贮存的过程。
磷石膏净化-分离-利用-贮存的流程如下：来自工厂的初始磷石膏在载浆槽稀释为磷石膏浆，输送至水洗净化工厂进行三级逆流水洗。水洗产生的酸水输送至水处理系统进行资源提取，分级沉淀获得氟化钙、磷酸氢钙、磷酸铵镁，以及硫酸钠。处理后的清水回到载浆槽用于载浆。水洗净化后的磷石膏进入旋流分级系统，其中，大部分的有机质和矿物质进入溢流，该部分通过中和改性处理后用于生产磷石膏营养土；占比为80%的底流部分则通过改性处理、浮选净化、萃取净化工艺分别生产水泥缓凝剂、建筑石膏粉、高纯石膏等产品，超出现有综合利用能力的净化石膏进入净化石膏暂存场进行无害化贮存，之后根据需求进行回采及价值化利用。
结论
一
随着中国双碳战略的稳步推进，脱硫石膏的产量预计将显著下降，净化磷石膏将成为未来建筑市场的主流胶凝材料。加之经济发展进入新阶段，石膏用量将大幅提升，在未来的二十年内，新增磷石膏将供不应求，市场供给将需要存量石膏补充，磷石膏的价值将会显著上升。
二
在现阶段脱硫石膏仍为建材主流原材料的情况下，低价或通过补助的方式销售磷石膏会造成资源浪费。通过无害化处理获得无环境风险的净化磷石膏，建立净化石膏资源储备，对经济的可持续发展有着重要意义。
三
深度净化后的磷石膏呈中性，磷氟含量极低，环境风险很小，既可以在工厂附近建设净化石膏暂存场贮存，也可以改造废旧矿坑作为暂存场。当石膏需求进入存量阶段，暂存场中的磷石膏将被逐步消化利用，直至最终回采清库，占用的土地资源又可恢复用于其它用途。
四
从磷石膏中分离出来的无机磷、有机质、矿物质成分，可以促进植物生长，可广泛应用于矿山复垦、尾矿库复绿、石漠化治理及荒漠改造。大力发展磷石膏生态化应用，可以为磷化工产业治污、降碳、扩绿，协同增效做出显著贡献。
五
目前，磷石膏无害化处置和贮存技术均已成熟，大规模处置试点示范项目已基本建成，可以满足产业化的需求。
来源：宜昌胜创新材料有限公司
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