矿物型土壤调理剂生产技术及应用效果*

付强强，沈彦辉，高璐阳,3

(1.金正大生态工程集团股份有限公司 山东临沭 276700；2.金正大诺泰尔化学有限公司 贵州瓮安 550400；3.广东金正大生态工程有限公司 广东英德 513000)

磷矿资源已经被我国定性为战略性资源，据统计数据显示，2017年国内75.6%的磷矿用于磷肥生产[1]。目前主流的湿法磷酸普遍采用硫酸萃取工艺生产，每生产1 t磷酸(以P2O5计)就会副产4.5～5.5 t磷石膏。据2019年工信部《财税优惠政策加大力度助推磷石膏综合利用》最新数据显示，我国当前磷石膏年产生量约为75 000 kt，综合利用率不足40%。大量磷石膏无序堆存除占用大量土地外，还可能带来地下水和土壤污染等问题，成为制约磷肥行业绿色健康发展的一大瓶颈。针对我国磷石膏资源化利用的现状，我国相继出台了一系列政策及措施。2016年11月，国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出要推动磷石膏等废弃物的综合利用。2018年4月，贵州省人民政府印发的《省人民政府关于加快磷石膏资源综合利用的意见》提出磷石膏“以渣定产”，将磷石膏产生企业消纳磷石膏情况与磷酸等产品生产挂钩，倒逼企业加快磷石膏资源综合利用，限制磷石膏的新增。

目前我国耕地质量不断退化，土壤酸化严重，酸化面积达约2×108hm2，占全国耕地总面积的23%左右，主要分布在长江以南广大地区[2-3]。我国相继出台了《土壤污染防治行动计划》《关于加快转变农业发展方式的意见》《耕地质量保护与提升行动方案》等与土壤改良修复相关的政策措施，鼓励土壤修复及治理技术的发展及应用，遏制土壤的进一步退化。

针对上述问题，金正大生态工程集团股份有限公司(以下简称金正大公司)利用工业废弃物磷石膏、钾长石及磷尾矿为原料制备矿物型土壤调理剂，实现了磷石膏的资源化利用，同时解决了钾长石利用难的问题，并将土壤调理剂应用于土壤修复，补充了土壤缺失的中微量元素，提高了土壤环境质量。

1 磷石膏制酸联产硅钙钾镁肥

1.1 反应机理

磷石膏在高温条件下会分解生成二氧化硫和氧化钙，经无烟煤还原，可降低分解温度，产生的高温二氧化硫烟气经收集后制取硫酸。高温同样可破解钾长石的稳定结构，使得钾长石中的二氧化硅和氧化钾得到有效活化，后期添加磷尾矿，可制得高活性硅钙钾镁肥。

磷石膏的分解反应：

CaSO4+2C→CaS+2CO2

CaS+3CaSO4→4CaO+4SO2

制取硫酸的反应：

2SO2+O2→2SO3

SO3+H2O→H2SO4

硅钙钾镁肥烧成反应：

K2O·Al2O3·6SiO2+CaO→硅钙钾镁肥

1.2 工艺流程

磷石膏制酸联产硅钙钾镁肥工艺流程见图1。

图1 磷石膏制酸联产硅钙钾镁肥工艺流程

二水磷石膏首先送至锤式烘干机进行烘干得到半水石膏，再通过气流输送泵输送至生料车间配料站；钾长石和焦炭经过破碎料磨，达到一定细度的细粉储存在生料车间配料站。半水石膏、钾长石及焦炭按生产要求通过转子秤计量控制比例，混合均匀后通过空气输送斜槽送入均化库。

来自均化库的生料经转子秤计量，由提升机输送至五级旋风预热器，被来自回转窑的烟气预热，预热后的物料在回转窑的旋转下从窑尾行至窑头(经历预热、分解、烧成等过程)。半水石膏在回转窑内1 150～1 200 ℃高温及还原剂存在的条件下，分解成氧化钙和二氧化硫，生成的氧化钙与配入生料中的钾长石反应生成以硅酸一钙为主的化合物，破解钾长石的稳定结构，进而使钾长石中的二氧化硅和氧化钾得到释放，制得高活性硅钙钾肥。烧成后的熟料进入篦冷机冷却、破碎后，输送至相应的熟料库，再配以其他辅料生产出硅钙钾镁肥。

回转窑产生的含二氧化硫窑炉气在窑尾经静电除尘器除尘后，进入净化设备洗涤除去固体物，然后进入干燥塔除去烟气中的水分，再进入转化器(两转两吸)转化成三氧化硫，最后进入干吸塔吸收，按生产要求产出相应浓度的硫酸。

1.3 技术优势

(1)研发出以磷石膏、磷尾矿、钾长石为主要原料，以非成型法、窑尾悬浮预热、中和促解技术为核心的硅钙钾镁肥生产工艺，实现废弃资源的综合利用，缓解资源紧缺，为解决磷石膏堆存提供了一条新的技术途径。

(2)开发出焦炭配料还原技术，大大降低了石膏热分解温度，提高了不溶性钾的熔出率；集成温度控制技术并降低能耗，解决了高硫烟气共同作用下旋风预热器的结皮问题，提高了装置运行的效率。

(3)研究了硅钙钾镁肥改良酸性土壤的作用原理，制定了硅钙钾镁肥在不同酸性土壤上高效施用的方法、技术规程，在提高土壤肥力、改善土壤微生物环境、提升作物产量等方面取得了显著的应用效果。

2 硅钙钾镁肥农用效果研究

硅钙钾镁肥富含钙、硅、镁等中量元素以及其他微量元素，具备一定的碱性特点。自2013年以来，金正大公司联合山东农业大学、浙江大学、内蒙古农业大学、山东农业厅果茶站和江西、安徽、广东、福建、海南、山东等6省的农业科学院的专家，开展了硅钙钾镁肥的长期定位试验。试验结果表明：施用硅钙钾镁肥不仅可以补充农田土壤流失的矿质元素，还能够调节土壤酸碱性[4-6]，在改良土壤结构、改善土壤微生态环境、增强土壤胶体性能、提高离子交换能力[7]、提升作物产量和品质[8-9]等方面效果显著。

2.1 提高土壤养分含量

土壤养分含量直接影响作物的生长发育。通过连续3年的长期定位试验，结果表明施用硅钙钾镁肥能有效提高土壤中有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁的含量。涂玉婷等对香蕉[4]，栗方亮等[5，8]对茄子、蜜柚，韩科峰等[6]对浙江水稻，高文胜等[10-11]对葡萄、甜樱桃开展了试验研究，施用硅钙钾镁肥对土壤养分含量的影响见表1。

2.2 改良酸性土壤

硅钙钾镁肥一方面可以调理酸性土壤，另一方面可以改善土壤结构，提高土壤渗透性和离子交换容量。韩科峰等[6]、冀建华等[7]对浙江水稻和江西水稻的长期定位试验结果(见表2)表明：施用硅钙钾镁肥可以改变土壤的酸碱度(pH提高0.3～0.7)，降低水稻土壤交换性H+、Al3+含量和盐基饱和度，提高土壤的酸碱缓冲性能和保肥能力。

表1 施用硅钙钾镁肥对土壤养分含量的影响

表2 硅钙钾镁肥对水稻土壤长期定位试验结果

2.3 提高作物产量和品质

硅钙钾镁肥不仅含有农作物所需的大量元素，还富含多种中微量营养元素，可促进营养平衡，调理失衡的土壤养分体系，强化氮磷钾和有机质等养分的供应，提高土壤保肥性，增加作物产量并改善作物品质。在不同作物上连续3年施用硅钙钾镁肥，并对作物的产量和品质进行研究(表3)，结果表明硅钙钾镁肥不仅能提高香蕉[4]、茄子[5]、蜜柚[8]、油菜[9]、葡萄[10]、甜樱桃[11]、黄瓜[12]等作物的产量，而且还能改善上述作物的品质。

表3 连续3年施用硅钙钾镁肥对部分作物产量和品质的影响

2.4 增加土壤微生物数量，提高酶活性

土壤微生物的种类和数量关系到土壤养分的有效性及肥力，是土壤健康的重要指标。金正大公司联合山东省农业科学院在寿光市蔬菜大棚上进行长期定位试验(表4)，结果表明：施用硅钙钾镁肥后，连作大棚土壤微生物区系从“真菌型”向“细菌型”转化，改善了设施土壤微生物环境，具有显著的正效应。土壤培养试验结果表明：硅钙钾镁肥能提高土壤中微生物量碳、量氮和多酚氧化酶活性，对土壤的过氧化氢酶具有一定的抑制作用[13]，并能提高整个土壤体系微生物活性，具有改善土壤微生态环境、提高酸性土壤质量的作用。

表4 不同用量硅钙钾镁肥对大棚黄瓜土壤微生物区系的影响(寿光黄瓜)

3 问题和讨论

3.1 国家政策支持与引导

《土壤污染防治行动计划》的发布，为土壤修复及改良开启了新篇章。近年来，土壤调理剂行业发展迅速，截至2018年12月31日，我国登记的土壤调理剂产品有149个，生产企业数量有400多家，但总体上处于规模小、散乱和略显无序的状态。由于市场缺乏统一的产品标准及管理评价体系，导致产品类型不一，质量参差不齐，甚至有的商家以土壤修复改良炒作概念。土壤修复和改良是一个长期的过程，很难达到种植户快速见效的预期，前期市场推广有一定的难度。所以主管部门首先要规范市场，制定标准化产品准则，正确规范引导企业发展。政府联合农资企业引导、指导种植户对土壤修复和耕地质量提升产品进行选择及应用；通过招投标建设政府工程示范区，推广土壤修复及改良应用技术；加大对土壤调理剂产业的资金补贴、政策支持，制定土壤修复产品税收优惠政策。

3.2 企业加强产品和技术创新

磷、钾资源同属我国紧缺性资源，科研人员一直在探索磷、钾资源的高效开发与综合利用。金正大公司研究开发了以磷石膏、钾长石为原料制备土壤调理剂的生产技术，为磷石膏变废为宝、发挥社会效益提供了思路，对磷化工企业的资源高效利用、清洁生产、节能减排等将起到积极的促进作用。当前我国土壤调理剂普遍存在产品同质化严重、技术单一、效果不佳等问题[14]，随着市场竞争的加剧，该问题愈加凸显。因此亟需研究开发能够切实解决问题、有效的好产品，以满足当前不同类型土壤改良的市场需求，真正打开市场发展空间。据统计，2015年我国土壤修复市场规模已超过400亿元，到2020年将达到1 500亿元[15]。土壤调理剂具有潜在的巨大经济价值，市场需求量非常大，行业也具有广阔的发展空间。企业唯有切实针对市场的实际需求，准确定位产品性能，避免产品单一化和同质化，加强研发及创新力度，才能真正发挥土壤改良的意义，推动行业发展。

3.3 完善技术标准体系

2018年，由上海化工研究院有限公司牵头制定的国家标准《硅钙钾镁肥》(GB/T 36207—2018)颁布实施，该标准规定了硅钙钾镁肥的定义、试验方法、检验规则等基本规则，但该类产品尚未纳入农业农村部产品登记系列。另外，土壤调理剂的定义及分类目前还没有统一的标准，相应的土壤调理剂配套体系建设较土壤调理剂产品和市场的快速发展来说仍显滞后，尤其是产品作用效果评价体系尚未建立，已成为制约土壤调理剂产品发展的重要因素。当前，市场上的土壤调理剂产品质量参差不齐，因此亟需尽快完善标准、技术及评价体系，研究制定相关产品标准、检验方法标准、安全评价和应用技术规范等，以规范产品市场，正确引导行业发展，为耕地质量保护提供依据。

4 结语

目前，耕地质量下降、土壤退化已成为我国农业可持续发展面临的重要问题，甚至关系到国家粮食安全。因此，障碍性土壤修复及改良将是我国农业领域长期重点研究的课题。硅钙钾镁肥作为新型的土壤调理剂产品，不仅能够改良障碍性土壤，而且可为作物提供必需的营养元素。

随着土壤调理剂检测和评价体系的逐步建立，土壤调理剂作为农田的基本投入品，其安全性、适用性和有效性将得到科学评价，尤其是能够验证长期使用的安全性，那么土壤调理剂产品的发展将逐渐步入一个科学、规范和快速发展的轨道。