难溶性钾（钾长石）制肥技术及产业化项目可行性研究报告书

难溶性钾（钾长石）制肥技术及产业化项目

第一部分概述一、项目概述本项目是目前国内唯一一种利用钙基固体废弃物与钾长石反应生成优质农用土壤基肥——钾钙硅肥的创新性技术，项目鉴定结果表明:该技术是目前国内难溶钾生产钾肥领域内的重大突破，达到国际先进水平，“大幅度的实现了生产过程的节能降耗和减污增效”。项目是华南理工大学环境学院石林教授团队研究成果，目前获得发明专利4项。主要内容是利用钙基固体废弃物（如电厂的烟气脱硫石膏和化工的磷石膏、石材下角料、电石渣、纯碱白泥渣等）做为分解含难溶性钾矿（钾长石）的原料，经过七年多的反复试验，已彻底摸清了钙基工业固体废弃物与钾长石反应的配合、分解反应的基本特征和反应条件。通过自主研发的低温激发剂，反应时间从以前所需的2～5小时缩短到0.5小时，同时反应温度从传统的1200-13000C降低至9000C，使得生产效率大大提高，生产能耗和成本降低，解决了低成本下利用钾长石生产新型钾钙硅肥的技术性难题。该项目研究先后得到广东省重大科技专项项目、国家自然科学基金和星火计划的支持。产品的技术优势可总结为：原料成本低、能耗低、产品营养组分全面平衡、酸性土壤专用。二、机会概述截止2012年，我国化肥产量已突破5000万吨(纯养分)，成为名副其实的世界化肥第一生产和消费大国。然而，当前也面临着氮肥施用量过大、作物养分不平衡和土壤酸化严重等重大问题。2010年2月，中国农业大学张福锁教授研究团队的一篇重头文章《中国主要农田土壤显著酸化》在《Science》杂志上指出，自20世纪80年代以来我国主要农田土壤出现显著酸化的现象，并且发现氮肥过量施用是导致农田土壤酸化的最主要原因，另外，大气酸性沉降也是因素之一。土壤酸化直接加速了营养元素特别是盐基离子的大量流失。同时，这一过程还促进了铝、锰以及重金属元素的活化，改变土壤微生物的种群及活性、影响作物根系发育和养分组分的吸收，抑制土壤中酶的活性，滋生植物病虫害等等。传统的土壤酸化的解决途径是运用石灰或石灰石粉，施用石灰能明显地使酸性土壤的酸度降低，但大量、长期施用石灰不但会引起土壤板结而形成“石灰板结田”，而且会引起土壤钙、钾、镁3种元素的平衡失调而导致减产。在酸性土壤施用石灰还可能引起镁与铝水化氧化物的共沉淀，降低土壤溶液中的Mg2+的活度和植物有效性。因此使用石灰只是临时的而非长远的解决途径。钾是植物生长所需要的三大元素之一（氮、磷、钾），能促进作物的光合作用，其重要的生理作用之一是增强细胞对环境的调节能力，增强植物对各种不良状况的忍受力（如干旱、低温、含盐量、病虫害及倒伏等），且有抗酸化作用。据广东省农业科学院研究报告，目前我省土壤中钾的缺乏度已达90%，土壤酸化特别严重。国外钾肥使用已相当普遍，而我们国内还在重点使用氮肥，这正是土壤酸化的原因之一。国家十二五规划已经将钾肥列入非常重要的地位，而目前我国钾肥来源基本上靠进口解决。钾矿石资源中分可溶性钾和难溶性钾，其中可溶性钾资源土壤易吸收，但我国资源稀缺、运输线长（主要分布在青海和新疆等西北地区），而难溶性钾矿资源丰富，但不能直接被土壤吸收。因此，如能使得难溶性钾加以加工利用变成土壤能吸收的钾资源，弥补我国钾肥资源的短缺，是关系到国际民生的大事。而难溶性钾矿资源的代表是钾长石，这就是石林团队项目攻克过程所利用的原料之一。本创业团队研发人员来地球化学、矿物岩石学、环境工程学、土壤化学等专业，常年从事教学、科研和工程实际的能力。

第二部分技术团队一、技术研发人员技术研发人员：

研发人---石林，华南理工大学环境科学与工程学院环境科学系系主任，博士/教授、博士生导师。主要从事脱硫灰渣、制碱白泥、磷石膏、造纸白泥、钢渣、电石渣、石材加工料、城市生活污泥等大宗工业固体废弃物农业资源化利用的研发工作，在国内首次提出了利用固废分解钾长石生产钾钙硅肥的理念。近5年来在国内外刊物上发表学术论文35篇，其中第一作者论文24篇，SCI收录5篇，EI收录6篇。申请国家发明专利8项，已获受权的发明专利6项。科研成果获省部级技术鉴定2项。主持过国家自然科学基金、广东省重大科技专项项目、广州市重大科技专项和广东省自然科学基金重点项目等总计13项。理念是：（1）建立示范生产线和种植基地，二者的建立主要是为技术输出提供示范，从而确立“技术输出为主、示范效应为辅”的高端产业链商业模式。二、技术团队成员姓名性别出生年毕业院校最高学历或学位角色是否全职男1963华南理工大学教授/博士后技术研发是女1970华南理工大学教授/博士分析测试是男1959日本国立山梨大学教授/博士分析测试是第三部分项目技术与产品（服务）实现第一章项目技术方案一、项目总体技术概述（一）总体技术方案项目所依据的技术原理：在各类大宗钙基工业固体废弃物中，多数含有二类钙基化合物，一类为CaCO3、Ca(OH)2和CaO，它们在焙烧过程中会以CaO的形式存在；另一类为CaSO4和CaSO3，CaSO3也会在焙烧过程中氧化成CaSO4，而且CaO与CaSO4之间的配比通过调配可作为钾长石热分解所需要的助熔剂成分要求。并使钾长石发生分解产生硫酸钾、硅酸钙和矿物组合，烧成物经粉碎，作为农作物所需的一种含K、Si、Ca为主的复合肥料，不但解决了这类灰渣的出路问题，克服了其单独在农田中使用时肥力不足及碱性太强的缺点，而且又能降低钾长石的分解成本，从而达到循环经济和可持续发展的要求。根据我们的研究结果，在钾长石---CaSO4---CaO体系中可能发生的主要化学反应有：(1) KAS6+CaSO4+8CaO==K2SO4+C3AS3+3C2S(2)KAS6+CaSO4+11CaO==K2SO4+C3AS3+3C3S(3) KAS6+CaSO4+12CaO==K2SO4+CA+6C2S(4) KAS6+CaSO4+14CaO==K2SO4+C3A+6C2S(5) KAS6+CaSO4+18CaO==K2SO4+CA+6C3S(6) KAS6+CaSO4+20CaO==K2SO4+C3A+6C3S(7)KAS6+CaSO4+10CaO=K2SO4+CAS2+2C3S+2C2S其中K=K2O；A=Al2O3；S=SiO2；C=CaO（以下同）。其中反应式（4），即KAS6+CaSO4+14CaO==K2SO4+C3A+6C2S是该体系中最容易发生的热分解反应。因此，以反应（4）为基础，通过分析钙基固体废弃物的成分，确定物料的加入比例和最佳反应条件，就可实现利用钙基固体废弃物与钾长石复合生产钾钙硅肥的目的。主要技术与性能指标：1生产的钾钙硅肥的指标：生产的产品中，硫酸钾的含量大于8%；枸溶性氧化钙含量大于25%；枸溶性二氧化硅含量大于20%；枸溶性氧化镁含量大于5%；pH值9.0-10.0；产品中重金属含量不超标，完全符合农用粉煤灰中污染物控制标准（GB8173-87）。2能耗和生产成本指标：生产过程中的能耗控制在150元/吨，产品的生产成本控制在600元/吨。（二）项目创新内容项目创新内容：本项目的突出优势和创新之处体现在：（1）成本低、能耗低。已彻底摸清了钾长石分解反应的定量摩尔配比，利用特制的添加剂可使分解温度从传统的1200-1300℃下降到800~950℃，反应时间从2~5小时缩短到30分钟，吨产品能耗从250公斤标准煤下降到约100公斤标准煤。钾长石的分解助剂几乎不用花钱。生产成本可控制在600元/吨以下。（2）自动化和智能化程度高，可大幅度减少生产用房。利用回转窑+智能PID窑炉控制系统，解决了温度控制难题，节省了厂房面积。从中试结果来看：利用15米的实验窑，可实现年产4000吨的目标，占地仅1000平方米。（3）施用后改良土壤，作物增产增质。由于产品中硫酸钾含量大于8%，且含有大量枸溶性钙、硅和镁等中微量元素，水溶性成分是传统工艺生产的硅钙钾肥的4-10倍，而且pH=9-10，呈弱碱性，施用后可温和调理土壤，可使土壤容重下降，持水性增加。该产品在广东地区大田试验表明：土壤改良效果非常明显。且增产率高达11.12~23.30%，作物品质明显改善。（三）与项目相关的知识产权情况与项目相关的知识产权情况知识产权类别知识产权名称发明（创作）人被许可使用权人权利人发明脱硫灰渣与钾矿石复合焙烧生产钾钙硅硫复合肥料的方法石林广州绿壤农业科技有限公司华南理工大学发明一种制碱白泥与钾矿石复合焙烧生产复合肥料的方法（CN101376611）石林广州绿壤农业科技有限公司华南理工大学发明一种利用制碱白泥生产钾肥及建材产品的方法（ZL201010191242.5

）石林广州绿壤农业科技有限公司华南理工大学发明利用干法或半干法脱硫灰渣生产钾肥及建筑砖块的方法（ZL201010117841.2）石林广州绿壤农业科技有限公司华南理工大学二、项目技术开发可行性（一）项目技术发展现状国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析：我国幅员辽阔，但可用于农业生产做为肥料的可溶性钾矿产却仅仅占全世界的1.6%，资源十分有限。所以，我国基于多年主要靠进口解决钾肥需求的窘境，从而在“十二五”规划中将有效开发难溶性钾资源列入国家战略发展规划之中。就难溶性钾资源的开发利用情况而言，目前山西富邦肥业和陕西荣昌公司已进行生产，产品有：硅钾肥、钾钙硅肥等等，市场销售情况良好，因为物美价廉，所以目前市场价格比较坚挺。山西富邦肥业有限公司以当地的优质钾长石矿石、高品位的糠醛渣加豆饼混合以及优质腐植酸为原料，经高活化工艺（隧道窑高温煅烧法）处理后，设计生产高活性、高吸收、长效、缓释的粉状硅钙肥2万吨，颗粒硅钙肥、硅氮肥、硅钾肥各2万吨的绿色环保肥料和2万吨的有机肥、有机—无机复混产品，突破了硅钙肥系列多元素肥料难以造粒与崩解的难题。也填补了山西省肥料品种的空白，具有独特的增产升质特点。其硅钙钾肥工艺流程可简述如下：先将钾长石与助剂石灰石按一定比例，进行粗破列60目，再进入雷蒙磨粉碎到250目；将粉碎好的硅钙钾生料成型压块后，由人工装到窑车上，将装好的窑车推进隧道窑；隧道窑热源由煤气发生炉供给，通过一定保温时间后硅钙钾的生料被烧熟，硅钙钾肥被冷后出窑入半成品库；将半成品压块的硅钙钾肥进入粗粉破后，雷蒙磨粉碎到250目，然后用提升机将成品粉状进入成品料仓后，再进入包装机进行成品包装入库。另外，中国科学院地质与地球物理研究所的科研人员自1995年以来十年不懈攻关，终于开发出以富钾硅酸盐岩石为原料的新型钾硅钙矿物肥料，本矿物肥料技术已经获得三项国家发明专利，并被列入国家星火科技计划。通过在全国近三十个试验点，对十几种农作物开展了农田肥效试验，初步证明其具有广泛适用性。其工艺流程可简述如下：利用天然富钾硅酸盐岩石（钾长石类难溶性含钾矿物）和生石灰为原料，模拟天然风化成土地球化学过程，在高压反应釜中通过水热化学反应将富钾岩石中的各种矿物质成分整体地、大比例（≥80%）地转化为能够被植物吸收利用的有效形态，从而生成在有效成分的构成上类似天然风化土壤的新型矿物肥物。本技术称为碱基激发剂下的水热化学反应法，生产工艺过程可简述为：将富钾硅酸盐岩石和生石灰破碎研磨至200目以下，按一定比例加水搅拌混匀，然后置入高压反应釜，在200℃、饱和蒸汽压下静态反应10~12个小时，取出、烘干，破碎过筛，包装即可。较之同类产品在原料上普遍应用含钾矿石和石灰（石），我们的产品利用了钙基工业固体废弃物，提钾技术更先进，同时降低了成本，达到变废为宝的效果。生产过程中由于低温激发剂的加入，大大降低了反应温度，从而达到了低能耗的效果。本产品中无对环境不友好的组分，可安全施用，产品中硫酸钾的含量大于8%，枸溶性二氧化硅的含量大于20%，氧化钙的含量大于25%，氧化镁大于5%，含有多种作物所需要的微量元素钼、硼、锌、铁等成分，营养组分平衡，特别对南方地区酸性土壤施用效果更佳。该项目研究先后得到国家自然科学基金、广东省重大科技专项项目和星火计划的支持，现已完成中试实验。研究成果符合国家节能减排、循环经济的产业政策和发展方向。2011年9月，该项目通过了省部级技术成果鉴定，鉴定意见如下：该项目属于工业固体废弃物资源化利用与新型肥料开发领域，项目使用特制的低温助剂、定量摩尔配比和微机智能控制系统（PID技术），使脱硫灰渣等钙基工业固体废弃物与钾长石反应，生产出一种适用于酸性土壤的钾钙硅肥，生产能耗及成本较低，整个生产过程符合环保理念。专家委员会一致认为，该项目利用自制的低温助剂，在国内外首次实现了900℃以下利用各种钙基固体废弃物和钾长石生产钾钙硅肥，技术属于“国内首创，达到国际先进水平”。建议进一步加快产业化进程，并在酸性土壤地区推广应用。（二）项目研究开发内容1、技术路线：以天然钾长石矿物与钙基化合物为原料，使用自制的低温活化剂，定量摩尔配比和微机智能控制系统（PID），在800-950度之间，反应约几十分钟，可一次性制成含有多种微量元素的钾钙硅肥。钾钙硅肥钾钙硅肥施用土壤石材厂/电厂钙基化合物钾长石增产增质图1钙基化合物与钾长石掺合低温活化的技术线路2、产品钾钙硅肥的有效成分肥料产品经过权威部门检测表明：水溶解度21.76%；2%的柠檬酸溶解度76.97%；2%盐酸溶解度87.90%。产品中硫酸钾的含量10%，枸溶性二氧化硅22.71%，枸溶性氧化钙大于35.74%，枸溶性氧化镁7.46%，pH=9.8，重金属含量低于农用粉煤灰国家标准（GB8173-87）。表1目标产品钾钙硅肥的溶解度%水中的溶解度2%柠檬酸中溶解度2%盐酸中的溶解度21.8376.8987.90表2目标产品钾钙硅肥中有效组分含量（wt.%）蒸馏水溶解K2OCaOSiO2MgO钾钙硅肥3.572.830.230.122%柠檬酸溶解K2OCaOSiO2MgO钾钙硅肥4.6335.7422.717.46表3国家标准（GB8173-87）最高允许含量与产品中重金属的测量值对比(mg/kg)项目在酸性土壤上(pH<6.5)在中性和碱性土壤上（pH>6.5）目标产测量值总镉（以Cd计）5100.6总砷（以As计）7575<5总钼（以Mo计）1010<1总硒（以Se计）1515-总镍（以Ni计）200300-总铬（以Cr计）2505009总铜（以Cu计）2505003总铅（以Pb计）25050025pH值10.08.79.83、生产成本从2011年4月---2011年7月完成的中试实验表明：若按燃煤进行计算，每吨的生产能耗可控制在200元以下，每吨生产成本低于600元。表4每吨产品的成本（按年产3万吨计）物料名称物料消耗（t）单位价格（元）每吨费用（元）钾长石（t）0.40600240两种添加剂（t）0.0380024电费（度）500.6532原煤0.11000100人工费（人）503000元/月5设备耗损20运输费80每吨肥料的成本（元）501预计销售价格（元）1000（最低）*中国无机盐工业协会钾盐行业分会针对此类肥料的市场指导价为1350元。本产品的生产成本只有市场价格的37%。本研究先后得到国家星火科技计划、国家自然科学基金和广东省2009年重大节能减排项目的支持。已申请国家专利8项，获得4项，是自主研发的具有自主知识产权的开创性研究成果。2011年，项目已完成了中试规模（生产产品109吨）的省部级成果鉴定，结论为国内首创，达到国际先进水平。2012年，以此项目包装参加的第八届“挑战杯”广东省大学生创业计划竞赛在700多个项目中勇夺金奖；此后还获得第六届“南网杯”广东省大学节能减排工业设计一等奖。4、增产增质说明施用钾钙硅肥未施钾钙硅肥施用钾钙硅肥未施钾钙硅肥施用钾钙硅肥未施钾钙硅肥施用钾钙硅肥未施钾钙硅肥株高平均值：株高平均值：84.72cm围长平均值：11.72cm株高平均值：株高平均值：79.45cm围长平均值：10.93cm株高平均值：84.81cm围长平均值：11.67cm35kg/亩50kg/亩65kg/亩干重（干重（20稞）：489.9克，增产率12.57%干重（20稞）：506.5克，增产率16.38%干重（20稞）：523.5克，增产率20.29%空白干重（20稞）：435.2克035kg/亩50kg/亩65kg/亩图3施用中试肥料钾钙硅肥的效果对比从目前课题组已经完成的对南方酸性土壤种植的水稻、木薯、甘蔗大田试验来看，每亩施用50公斤，作物的增产率高达13.17～29.73%，平均为15.54%，而且产品的质量明显提升。通过钾钙硅肥的施用，可调节土壤酸碱平衡、抑制土壤中铝离子的淋溶，降低有毒有害元素的积累效应，改善土壤结构、提高土壤墒值及有机质的含量，减少土壤水份流失，提高水肥利用率。表5施用后产品质量对比分析大米米粒水分（%）垩白度（%）垩白粒（%）胶稠度/mm直链淀粉（%）粒型空白CK12.100.1026518.903.4钾钙硅肥12.500.9047419.103.5表6施用前后大米重金属含量对比分析大米米粒Pb(mg/kg)Cd(mg/kg)Hg(μg/kg)无机As(mg/kg)空白CK0.0480.140.920.036钾钙硅肥0.0280.130.840.020GB2762-2005≤0.2≤0.2≤20≤0.15从表5和表6可知，施用该中试产品后，水稻的质量明显提升，重金属含量降低。从以上与国内同类技术的的对比分析，可以总结出本项目的突出优势和创新之处在于：（1）成本低、能耗低。已彻底摸清了钾长石分解反应的定量摩尔配比，利用特制的添加剂可使分解温度从传统的1200-1300℃下降到800~950℃，反应时间从2~5小时缩短到30分钟，吨产品能耗从250公斤标准煤下降到约100公斤标准煤。钾长石的分解助剂几乎不用花钱。生产成本可控制在600元/吨以下。（2）自动化和智能化程度高，可大幅度减少生产用房。利用回转窑+智能PID窑炉控制系统，解决了温度控制难题，节省了厂房面积。从中试结果来看：利用15米的实验窑，可实现年产4000吨的目标，占地仅1000平方米。（3）施用后改良土壤，作物增产增质。由于产品中硫酸钾含量大于8%，且含有大量枸溶性钙、硅和镁等中微量元素，水溶性成分是传统工艺生产的硅钙钾肥的4-10倍，而且pH=9-10，呈弱碱性，施用后可温和调理土壤，可使土壤容重下降，持水性增加。该产品在广东地区大田试验表明：土壤改良效果非常明显。且增产率高达11.12~23.30%，作物品质明显改善。三、项目技术成熟性项目所处阶段中试关键技术成熟性分析