“固转液”技术应用及其对资源和环境的影响分析

王罗海 王石军 刘万平 王凡 左金星 金青明

1 青海盐湖工业股份有限公司，国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心，青海省盐湖资源综合利用重点实验室，青海 格尔木，816099

2 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

“固体钾矿的浸泡式溶解转化方法”（以下简称“固转液”技术）是青海盐湖工业股份有限公司(以下简称“盐湖股份公司”)通过承担国家“十一五”科技支撑计划，经十余年科技攻关自主研发的专利技术，该方法包括固体钾盐溶解转化单元划分、溶剂制取、溶剂输送、溶剂浸泡、动态监测与分析、卤水开采等环节，对低品位固体钾矿具有良好的选择性溶解效果，其基本方法是根据矿区固体钾矿的分布合理划分单元，使用盐田光卤石晒制完成后的老卤水或水氯镁石、选矿加工厂排放的尾盐与盐湖矿区周边微咸水或湖水精准配制得到适合“选择性溶解钾镁盐的溶剂”，然后输送、注入预定的固体钾矿层单元中，使溶剂淹没含钾矿的盐岩层，钾镁盐组份溶解到溶剂中，最终接近饱和，再被开采利用[1]。盐湖股份公司于2008年开始在察尔汗盐湖西部别勒滩矿区工程化大规模应用，随后推广至柴达木盆地各盐湖生产矿区。

1 察尔汗盐湖资源概况

察尔汗盐湖位于柴达木盆地中东部，是中国探明储量最大的可溶性氯化物型钾镁盐矿，其开发始于20 世纪50 年代。钾镁盐分为固体、液体两种形式。

固体钾镁盐矿主要赋存在石盐层、次为碎屑层，是卤水高度浓缩后期的产物；矿体形态复杂，一般为层状、似层状及透镜体、扁豆状，矿体厚度不连续、不稳定，品位分布不均匀；自下而上划分为四个含矿层、七个层次(K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7)，固体钾矿主要矿体分布面积约2300km2。察尔汗盐湖现探明固体钾矿储量约2.96 亿t，平均品位为1.24%，约90%的固体钾矿资源量分布在20m 以浅的K4、K5、K6、K7四个层次中[2-4]。

液体钾矿根据卤水赋存状态可分晶间卤水、孔隙卤水两种；根据富水性强弱，划分为Ⅰ、Ⅱ两个含矿层。晶间卤水的第Ⅰ含矿层，为出露地表的上部盐层，因孔隙大，富水性强，单位涌水量30～84L/s·m，是察尔汗盐湖的主要矿层，工业矿体分布面积约2341km2。第Ⅱ含矿层包括中部盐层和下部盐层，主要分布在别勒滩区段、达布逊区段，多为胶结致密的盐层，富水性较差，工业价值低；盐层间的孔隙卤水，赋存在含石盐粉砂、细砂和亚粘土中，是一相对较弱的隔水层，富水性差，工业价值不大[2-4]。

2 固转液技术在盐湖开发中的应用

在2008 年“固转液”技术应用之前，察尔汗盐湖主要开采含钾原始晶间卤水，随着持续采卤，水位埋深逐年下降、降落漏斗面积逐年扩大。由于察尔汗盐湖深部含水层孔隙度、给水度均低于浅部含水层[2-3]，随着水位的下降，渠道出卤衰减量也逐渐扩大，采出卤水量每年5%～10%的速度逐年递减，难以保障生产的持续稳定。而且采卤渠道也因水位的逐渐下降而拓宽加深，开挖深渠不仅降低了采矿的经济效益，也不利于长期生产的安全运行。因此如何实现大规模工程化、易操作低成本的开采埋深相对较浅的低品位固体钾矿资源，大幅提高察尔汗盐湖钾盐的资源利用率，并且降低采矿成本和提升经济效益，成为察尔汗盐湖开发和持续发展需要解决的首要问题。

“固转液”技术的研发成功，使固体钾盐工业品位由8%降低至2%，边界品位由3%降低至0.5%[4-5]，使盐湖钾矿成为“活矿”，使低品位难开采固体钾矿得到了有效利用。盐湖股份公司自2008年在别勒滩矿区300km2范围建设“固转液”技术应用系统工程，至2019 年底已全面推广至公司整个矿区固体钾矿分布超过2300km2的范围内，使察尔汗盐湖形成了世界上唯一的KCl 品位约为2%的低品位固体钾盐大面积开采工程；亦使盐湖股份公司钾肥生产规模由100 万t/a 服务年限30 多年增加到500 万t/a 服务年限50 年，改变了我国钾资源供应格局[6-7]。“固转液”技术作为盐湖难开发固体钾矿的先进开采技术，推广应用前景广阔，现已通过专利技术使用许可等方式，在察尔汗盐湖铁路以东及马海盐湖等矿区进行推广应用[8]。

3 对盐湖资源影响分析

察尔汗钾资源具有固、液并存，固体矿层数多、品位低、零星分布，传统的固体矿开采技术难以直接开采，应用“固转液”技术，采用水溶法可进行大规模开采，形成“固液转化，驱动开采，尾液循环，贫富兼采”的新模式。

据国家西部大开发标志性工程《青海盐湖100 万t 氯化钾项目初步设计》，别勒滩矿区设计利用KCl≥1.0%的卤水资源，其孔隙度储量6745万t，给水度储量3781 万t[9]。如果采用传统开采方法无法采出持水度储量，只能开采出重力作用下从孔隙度中流出的给水度卤水储量，最大可采出KCl 资源量约为3781 万t，而且卤水水位降深达到约20m；以年产100 万t 规模，服务年限仅27 年。2008 年盐湖股份公司在别勒滩矿区推广应用“固转液”技术，大幅度增加了可采资源储量，截至2019年累计开采出KCl资源量6191万t[10]，已经远超传统方法可采出的KCl 资源量3781 万t。目前盐湖股份公司矿区卤水水位埋深与2002 年开采前比较（图1，图2），平均降深仅3.11m，保有的可开采卤水矿层平均厚度仍在10m 以上，别勒滩矿区采出的KCl 资源量已经超过传统方法下可开采出的最大资源量-2410 万t。说明自2008年推广应用“固转液”技术以来，使盐湖股份公司别勒滩矿区至少增加了2410 万t 可采KCl 资源量和10m 以上的可采卤水矿层厚度。

“固转液”技术的推广应用，改变了原有的开采模式，变静态疏干式开采为动态驱动式开采，使传统方法不能利用资源变为可利用资源，使贫矿资源转变为富矿资源，使资源可采量得到成倍增加。根据试验和实践表明，仅柴达木盆地就可以溶解转化出固体钾矿约2.68 亿t[11]。通过钾矿“固转液”技术的推广应用，丰富了盐湖矿产资源的开采方式和手段，能够有效提高资源利用率，增加中国钾盐保有储量，延长矿山服务年限，保障中国现有钾肥规模的可持续发展生产。

图1 察尔汗盐湖开发前原始水位埋深等值线图Fig.1 Contour map of original water level buried depth before development of Qarhan Salt Lake

图2 察尔汗盐湖 2019年12月水位埋深等值线图Fig.2 Contour map of water level buried depth of Qarhan salt lake in December 2019

4 对盐湖环境保护影响分析

青海盐湖资源目前直接开采和综合开发利用的矿产资源矿种有KCl、NaCl、MgCl2、LiCl，在资源开发利用过程中排放的副产物主要有盐田老卤、加工厂尾液和尾盐。老卤是指盐湖卤水抽取提升至盐田系统后，通过自然蒸发提钾后浓缩的高镁卤水，主要组份为MgCl2，并富含LiCl、B2O3；尾盐和尾液是指选矿加工厂提钾后排出的固态和液态副产物，主要含有KCl、NaCl、MgCl2等资源组分。具体组分含量详见表1。

表1 盐湖典型老卤、尾液、尾盐平均组分含量表Table 1 Average component content of old halide,tail liquor and tail salt in the salt lake

在察尔汗钾肥生产过程中，将副产大量老卤、尾液、尾盐量。在“固转液”技术推广应用之前，只有尾液得到了循环利用，返回盐田晒制光卤石矿；尾盐主要贮存堆放在尾盐池，老卤主要排放至团结湖和南霍布逊湖贮存。而且老卤排放不当会回渗矿区，与晶间卤水兑卤污染盐湖矿床使卤水KCl 品位下降，造成钾矿资源的破坏，因此妥善解决老卤堆存排放问题或充分利用老卤，可以有效解决老卤排放过程中产生的系列环境地质问题[12-13]。

应用“固转液”技术后的察尔汗盐湖资源开发流程见图3，“固转液”技术利用的溶剂采用老卤与微咸水或湖水兑制获得，或者采用微咸水溶解从选矿加工厂排放出来的尾盐获得。通过“固转液”技术的推广应用，将老卤、尾盐与微咸水或湖水兑制成溶剂返回采矿区溶解转化固体钾盐矿，实现了原本废弃的老卤和尾盐得到充分利用，减少了贮存堆放的面积，避免了老卤可能引发的矿区资源破坏或环境问题。同时老卤中KCl、NaCl、MgCl2、LiCl、B2O3等资源返回到采矿区，贯彻了“开发中保护，保护中开发”的理念，实现了资源的保护，增加了资源可采储量，有效提高了资源的综合利用率，实现了资源的循环利用和零排放。

图3 察尔汗盐湖资源开发利用示意图Fig.3 Diagram of resources development and utilization in Qarhan salt lake

利用老卤、尾盐与微咸水或湖水配制的镁钠综合溶剂抑制地层中盐岩溶解，溶剂高效选择性地溶解地层中的固体钾矿而不破坏地层中的石盐骨架，可以保持地形原貌，不会出现坍塌或溶蚀现象(图4)。

图4 “固转液”技术推广应用现场Fig.4 Popularization and application of solid potassium dissolution and transformation technology

5 结论

“固体钾矿的浸泡式溶解转化方法”是一种绿色环保的盐湖资源开采方法，其推广应用可以丰富盐湖资源的开采方式和手段，长期生产实践表明可以有效提高难开采钾矿的资源利用率，大幅增加钾盐可采资源储量，延长矿山服务年限；实现老卤、尾盐的循环综合利用和零排放，有效保护盐湖资源和环境，提升资源的综合回收率，促进经济效益与环境效益的双提升，为中国盐湖产业的可持续生产发展提供了有力保障。