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中国矿业未来的35种高技术矿产

来源: 矿业汇 发布时间:2021-08-02 浏览量: 字号:T|T

与传统的“战略性矿产”和近年来国际上兴起的“关键矿产”等术语不同,“高技术矿产”是中国学者近年来提出的新概念。高技术矿产、战略性矿产和关键矿产等术语在内涵和矿种清单上有一定的联系,但也有所区别。

战略性矿产术语来源于美国。1946年美国的《战略物资储备法》首先将钨、铅、锌等列为“战略性矿产”。1979年美国将战略矿产和急缺矿产定义为:在国家危急时刻,在美国没有找到或没有足够的产量来满足军事、工业和公众必需的矿产。陈毓川认为战略性矿产资源是指对国家经济、社会发展、国防安全必不可少,而国内不能保障的矿产资源及可影响国际市场的矿产资源。战略性矿产反映在国家危急时期的战略需要上,同时也体现在国家经济社会发展的重大战略实施时期减少潜在发展危机的战略需要上。

关键矿产,也译作“危机矿产”,主要来源于西方发达国家。它是指经济上具有重要性,同时供应上又存在较高风险的一类矿产。关键矿产既是当前支撑战略性新兴产业发展的重要原材料,也是产业升级换代不可替代的动力之源,也基本上是所在经济体认定为短缺的矿产或危机矿产,它有地域的概念。国内有些学者把国外的关键矿产也作为中国的关键矿产来对待,忽视了关键矿产的地域供应危机的因素。

高技术矿产既与战略性矿产、关键矿产有联系,对国家和地区经济发展和资源安全非常重要;也有别于战略性矿产和关键矿产,与战略性矿产的区别在于高技术矿产主要因新技术革命和战略性新兴产业发展具有特殊作用,与关键矿产的区别在于它不仅仅是危机矿产,同时也不像关键矿产那样十分强调地缘政治的因素,高技术矿产强调的是新兴矿产在高新技术领域的应用,或传统矿产的亚类型或特殊品级可以用于高新技术产业。从这些情况出发,高技术矿产的概念具有广泛的普适性。本文从国内外高技术矿产研究进展和比较分析,进一步厘清高技术矿产的定义、矿产清单和分类,指出高技术矿产在发展战略性新兴产业中的重要作用,以期对我国制定矿产资源战略和规划、促进矿业转型和绿色发展提供参考。

1 国内外研究进展

近10年来,国内外关于战略性矿产或关键矿产的战略或政策研究是一个热点。如2009年7月,日本政府提出了《稀有金属保障战略》。欧洲委员会在2010年6月《欧盟关键矿产原材料》报告中将14种重要矿产确定为关键原材料。美国能源部于2010年12月出台了《关键矿产战略》。联合国环境规划署(UNEP)2018年1月出版了《未来持续技术用关键金属及其循环回收潜力》的调研报告。中国原国土资源部2016年《全国矿产资源规划(2016—2020年)》将24种矿产列入战略性矿产目录。

1.1 日本《稀有金属保障战略》

日本对稀有金属定义为:“地球上存量稀少,因技术和经济因素提取困难的,现代工业以及未来伴随着技术革命所形成的新型工业所必需的金属。”根据这个定义,日本政府决定将锂、铍、硼、钛、钒、铬、锰、钴、镍、镓、锗、硒、铷、锶、锆、铌、钼、钯、铟、锑、碲、铯、钡、铪、钽、钨、铼、铂、铊、铋、稀土元素31个矿种作为优先考虑的重点矿种。在31种关键矿产原材料中,日本优先考虑10种矿产,其中,钛、铬、锰、钴、镍、钼属于较为丰富的黑色和有色金属,硼、锶和钡(重晶石)属于准金属、半金属或非金属,钯属于铂族元素贵金属。

1.2 欧洲委员会《欧盟关键矿产原材料》

欧洲委员会2010年6月在《欧盟关键矿产原材料》报告中,将稀土金属、铂族金属、钨、锑、镓、锗、铍、钴、镁、铌、钽、铟、萤石、石墨14种重要矿产确定为关键原材料。其中,稀土金属包括17种金属元素,铂族金属包括6种金属。这样,欧盟确定的14种关键原材料实际上相当于35种元素或矿物。首先,这14种关键原材料均属于高技术矿产;其次这14种关键原材料有9种以上主要产自中国;第三是关键矿产不包括铜、铝、铅、锌等大宗金属;第四是使用“关键矿产”原材料这一术语,而没有使用“战略”一词,因为该报告认为,“战略”一词更与军事相关。欧盟关键矿产清单每3年更新一次,从2011年的14种,增加到2014年的20 种,再到2017年的26种(不包括橡胶),2020年9月更新关键矿产清单扩大到30种。

1.3 美国《关键矿产战略》

美国能源部的这份战略报告只是分析了14种重要的元素及其相应的矿产,并且经过“关键性”评价之后,才能确定这14种重要元素(矿产)中哪些是关键矿产(战略矿产)。在稀土元素中,也并不分析所有16种稀土金属,只是选出了8种稀土元素(镧、铈、镨、钕、钐、铕、铽和镝)进行分析。另外6种元素是锂、钴、镓、铟、碲和钇。美国能源部选择这14种元素的理由是其兼具在清洁能源技术上的独特作用和供应中断的风险,包括缺乏供应多元性、难以回收、具有地缘政治风险。

美国内政部2018年5月发布了“关键矿产”最终名单,确定包括钨、稀土、锂等35种矿产品为最终但非永久性清单:铝(矾土)、锑、砷、重晶石、铍、铋、铯、铬、钴、萤石、镓、锗、石墨(天然)、铪、氦、铟、锂、镁、锰、铌、铂族金属、钾盐、稀土元素族、铼、铷、钪、锶、钽、碲、锡、钛、钨、铀、钒和锆。2019年6月,美国商务部发布《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》报告,提出了保障关键矿产供应的具体措施。

1.4 联合国环境规划署《未来持续技术用关键金属及其循环回收潜力》

该报告针对未来可持续发展技术,将必须利用的铟、锗、钽、铂族金属(特别是钌、铂、钯)、碲、钴、锂、镓、稀土金属元素(包括16种元素)以及其他“高技术金属”归类为“绿色稀有金属”。该报告列出了4类未来可持续技术及所应用的金属,包括:①电力和电子设备技术所必须利用的钽、铟、钌(以上3种最为关键)、镓、锗、钯等;②光伏技术所必须利用的镓、碲、锗(以上3种最为关键)、铟等;③电池技术所必须利用的钴、锂(以上2种最为关键)、稀土金属等;④催化技术所必须利用的铂、钯、稀土金属等。

1.5 国内关于高技术矿产相关问题的研究

国内开展战略性矿产的研究具有较长的历史。从20世纪80年代开始到90年代有较快速发展。但国内开展关键矿产的研究也是近10年内的事,基本上是在日本、欧盟、美国等提出关键矿产之后。张新安和张迎新指出随着国际矿业结构调整的深化,未来竞争将从大宗支柱金属转向“三稀”金属等“高技术矿产”,提出把“三稀”金属等高技术矿产的开发利用提高到战略高度。陈从喜、王正立等进一步明确了高技术矿产的术语定义、内涵和矿产种类,提出了中国高技术矿产战略需要确立的四大战略目标和高技术矿产种类。王登红等认为稀有、稀散和稀土金属(简称 “三稀”金属)是当前及今后培育发挥战略性新兴产业所需要的功能材料和结构材料。

中国地质调查局2011年设立了“三稀”矿产地质调查专项,2015年设立了“大宗急缺矿产和战略性新兴产业矿产调查”工程,2019年设立了“战略性新兴产业矿产调查”工程。科技部2012年在国家软科学计划中设立了有关高技术矿产的政策研究项目,2015年工业和信息化部牵头研究提出《稀有金属管理条例》希望进行立法。2016年国土资源部发布《国土资源“十三五”规划纲要》提出了24种战略性矿产,其中有10种属于高技术矿产。这期间国内不同单位的专家学者对高技术矿产开发利用开展了系列研究。

与高技术矿产相近的提法还有新技术矿产、战略性新兴矿产、战略性新兴产业所需矿产、战略性新兴产业矿物原料、战略性关键矿产、高技术城市矿产。专家学者在对国外政府组织研究报告、国内规划、国内学者研究成果等资料梳理的基础上,总结明确了战略性新兴产业所需矿产范围,且根据重要性进行了相关分类,开展了资源形势和供应能力分析,并提出了相应建议。

本文认为高技术矿产与传统的战略性矿产有所不同,传统的战略性矿产军事竞争味更强;与欧盟、美国、日本等提出的关键矿产有些接近;关键矿产虽与高新技术发展所需的关键材料有关,但也带有地缘政治和地域供应短缺的色彩;而高技术矿产则是面向新技术革命所需新兴矿产的比较中性(客观)的概念,因而可接受性更强。

2 高技术矿产的界定及分类

2.1 高技术矿产的定义

高技术矿产,是指广泛应用于战略性新兴产业所必需的稀有金属和具有特殊性能的非金属矿产,用于在低碳经济条件下生产精密的高科技产品及环保型产品,对高科技发展具有特别重要的战略意义,对国家战略性新兴产业和经济发展起着关键作用,占据科技创新的制高点,使国家或地区保持经济竞争力。高技术矿产具有以下主要特点。

(1)地球上含量稀有,多为共伴生矿产。“三稀”金属多与主矿产共伴生,品位低,缺少“独立”矿床。大鳞片天然石墨和高纯石英等非金属也属这类资源。

(2)主要用于战略性新兴产业,重点包括高效节能技术装备及产品、新一代信息技术产业、生物技术、新材料、新能源、生态环保等领域。

(3)高技术矿产的市场需求相对较小但增长迅速。大多数高技术矿产的世界总需求量介于数百t至25万t之间,但每年的需求量增长速度可以高达两位数。

(4)存在一定的供应风险。欧盟、日本和美国等缺少高技术矿产资源,具有一定的供应风险;发展中的资源国,高技术矿产的需求量相对较少,供应风险尚不够严重。

(5)难以循环回收利用。高技术矿产由于其终端应用比较分散且用量不大,主要以功能材料添加到其他材料中应用,难以回收利用。

2.2 高技术矿产的界定

不同国家高技术矿产界定的标准不同。综合世界各国关于战略性矿产、关键矿产、高技术矿产的定义、界定标准和矿产清单,可以根据不同类型矿产在经济社会发展过程中的地位、作用以及不同类型矿产自身在全球的禀赋、分布以及供应风险等,来界定高技术矿产。在这方面,我们借鉴欧盟对关键矿产采用的3个指数界定的方法,并结合中国国情,对高技术矿产进行界定。这3个指数分别是经济意义指数、供应风险指数和回收替代指数。

对比日本、美国、欧洲委员会和UNEP所确定的关键矿产、中国原国土资源部确定的战略性矿产,计算3个复合指数,再剔除油气和大宗固体矿产,界定出中国高技术矿产有35种。按照资源丰富程度,可分为优势矿产和短缺矿产。

优势高技术矿产,重点包括:稀土金属(含16种稀土元素)、钨、锑、锂、镓、锗、铍、镁、铟、铋、锶、钒、钪、钛、镉、钡、钼、晶质石墨、萤石等。中国这18种高技术矿产在国际市场上具有优势地位。

短缺高技术矿产,重点包括:铂族金属(特别是铂、钯、钌)、钴、铌、钽、锆、铪、碲、铷、铯、铬、铼、硒、铊、铀、钍、硼、高纯石英。中国这17种高技术矿产在国际市场上没有优势地位。

中国原国土资源部2016年《全国矿产资源规划(2016—2020年)》中列入战略性矿产目录的有24种,其中铀、钨、钼、锑、钴、锂、稀土、锆、晶质石墨、萤石等10种矿产属于本文界定的高技术矿产。

2.3 高技术矿产的分类

按照矿床学关于元素矿物学的分类方法,高技术矿产包括稀土、稀有、稀散等“三稀”矿产、铂族元素、其他金属和非金属矿产。

(1)稀土金属。稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕 、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等15个镧系元素以及性质与它们相近的钇、钪共17种元素,称为稀土元素。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质,以及它们在矿物中的共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征,可分为轻、重稀土两类,轻稀土包括铈族稀土:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕;重稀土包括钇族稀土:钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪。

稀土素有“工业维生素”的美称,在高科技产业中应用广泛,如铈、钇、铕等稀土元素是节能环保产业发展的关键材料,钕、铽、镝等稀土元素广泛应用于高端装备制造产业,铒、钬、镱等稀土元素广泛应用在新一代信息技术产业,镝、钆、钐、钷、铕、镥等稀土元素广泛应用在新能源产业,镧、铈、铽、钕、镨、铥等稀土元素广泛应用在新材料产业。稀土已成为现代高科技产业不可缺少的原料。

(2)稀有金属。稀有金属,通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。稀有金属一般从技术上分为3类。

稀有轻金属,包括锂、铷、铯、铍。密度较小,化学活性强。

稀有难熔金属,包括钛、锆、铪、铌、钽、钨。熔点较高,与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。

稀有放射性金属,包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀,以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104号至107号元素。

稀有金属由于赋存分散,并且常与其他金属伴生,物理化学性质特殊,往往要采取特殊的生产工艺。随着科学技术的进步与冶金工艺、设备和分析检测技术的发展以及稀有金属生产规模的扩大,稀有金属的纯度不断提高,性能不断改进,品种不断增多,从而推动了稀有金属应用领域的扩大。稀有金属的一些冶金工艺如有机溶剂萃取技术、氯化技术等也逐步推广到整个有色金属的冶金领域。

本文将以下17种金属作为稀有金属对待,包括钨、锂、铍、铋、铌、钽、锆、铪、铷、铯、钴、锑、镁、锶、钛、钼、钡。

(3)稀散金属。稀散金属通常是指镓、铟、铊、锗、硒、碲、铼、钒、镉等9种。

这一组元素之所以被称为稀散金属,一是因为它们之间的物理及化学性质等相似,划为一组;二是由于它们常以类质同象形式存在于有关的矿物当中,难以形成独立的具有单独开采价值的稀散金属矿床;三是因为它们在地壳中平均含量较低,以稀少分散状态伴生在其他矿物之中,只能随开采主金属矿床时在选冶中加以综合回收、综合利用。目前,虽然已发现有近200种含稀散元素矿物,但由于稀少而未富集成具有工业开采的独立矿床,仅发现有很少量的独立锗矿、硒矿、碲矿。

稀散金属被广泛应用到战略性新兴产业,如镓被广泛应用到半导体、太阳能等新兴技术领域;铟被广泛应用于宇航、无线电和电子工业、医疗、国防、新能源等领域;锗被广泛应用于电子、光学、化工、生物医学、新能源及其他高新科技领域;铼及其合金被广泛应用到航空航天、电子、化工等领域;硒的用途非常广泛,涉及电子、医疗、新能源等领域;碲主要用于碲化镉薄膜太阳能电池领域;钒常以钒铁、钒化合物和金属钒的形式广泛应用于宇航、电池等新兴技术行业。

(4)其他高技术矿产。主要有铂族金属、铬等金属,以及硼、石墨、萤石、高纯石英等非金属矿产。

铂族金属包括铂、钯、锇、铱、钌、铑6种金属元素,是典型的贵金属,其化学稳定性特别高,具有很好的抗腐蚀和抗氧化能力。主要应用在新能源产业、航空航天、电子工业等领域。铱和钌可用于电子行业,其合金可制造航空发动机的火花塞接点。铂族金属可以作为燃料电池的电极材料和催化剂。铂族金属是现代工业不可或缺的高技术矿产,美国、日本、欧盟等都将其作为战略性矿产。

铬是一种银白色金属,质极硬而脆,耐腐蚀;属不活泼金属,常温下对氧和湿气都比较稳定。主要应用在航空航天、高端装备制造等高新技术领域。铬主要用来炼制不锈钢、耐热钢及各种电热元件材料,是制造机械、坦克和装甲车的好材料。铬还可用作铝合金、钴合金、钛合金及高温合金、电阻发热合金等的添加剂。

硼是一种黑色或银灰色固体,单质硼为黑色或深棕色粉末,硼熔点2076℃,沸点3927℃。晶态硼较惰性,无定形硼则比较活泼。硼广泛应用于核工业、医药等高新技术产业。硼是微量合金元素,硼与塑料或铝合金结合,是有效的中子屏蔽材料。硼钢在反应堆中用作控制棒。硼纤维用于制造复合材料等。硼也可以用来冶炼耐热的特种合金等。

石墨具有耐高温性、可抗热震性,导电、导热性好,化学性质稳定,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。石墨广泛应用在原子能工业、新材料产业等新兴技术领域。石墨烯具有优异的特性,具有重要的应用前景。

萤石是自然界中较常见的一种矿物,可以与其他多种矿物共生,主要成分是氟化钙(CaF2),颜色鲜艳多变,质脆,部分样本在受摩擦、加热、紫外线照射等情况下可以发光。萤石作为重要的基础原材料,广泛应用于新能源、新材料等战略新兴产业,以及制冷、建材、冶炼、光学、陶瓷、玻璃、国防、电子、军工等领域。

高纯石英,是指能够提纯加工出SiO2纯度大于99. 998%(4N8)的高纯石英高端产品的天然石英矿物原料。高纯石英高端产品是芯片产业(半导体)、新能源(光伏等)和硅产业等功能材料和关键基础材料生产的原料,在国家战略性新兴产业、经济安全和国防安全中都具有重要作用。高纯石英原料短缺,以高纯石英优质原料加工的高科技产品需要进口。

3 高技术矿产的应用前景

高技术矿产大多具有耐高温、抗腐蚀、导电和导热性好等特点,因其独特的性能和作用,在国民经济中占据极为重要的地位,成为现代制造业特别是战略性新兴产业发展的关键原材料,在新技术革命中具有广阔的应用前景。据统计,2015—2018年战略性新兴产业规模以上工业增加值年均增速达到10.1%,比同期规模以上全国整体工业增加值高出30%。“十四五”期间,国家仍将未来产业培育和发展的重点领域放在人工智能产业、物联网产业、大数据与云计算产业、量子技术与量子产业、新一代机器人产业、区块链产业、新兴海洋产业、航空航天产业、生命科技与康养产业、新材料产业、新能源产业和新基础产业等上。

战略性新兴产业的快速崛起为各国经济发展带来了机遇。德国联邦经济和科技部委托德国联邦地学研究院对部分战略性新兴技术对高技术矿产的需求量进行了预测。到2030年,“新兴技术对高技术矿产需求”(ETRD)将大幅度增长。ETRD指数(指新兴技术所需高技术矿产需求量占世界总产量的比例)中,镓约为4,铟约为3.3,这意味着到2030年,由于技术创新,这两种高技术矿产的需求量分别是其目前全球产量的4倍、3.3倍。到2030年,镓的需求量将增长20倍,同期铟、锗和铋等金属的需求量将分别增加8倍、8倍和7倍。

4 结论与建议

本文综述了国内外高技术矿产的研究进展,提出了高技术矿产的界定、分类和矿种清单,指出了高技术矿产在战略性新兴产业中的重要意义和应用前景。高技术矿产,是指广泛应用于战略性新兴产业所必需的稀有金属和具有特殊性能的非金属矿产,用于在低碳经济条件下生产精密的高科技产品及环保型产品,对高科技发展具有特别重要的战略意义,对国家战略性新兴产业和经济发展起着关键作用,占据科技创新的制高点,使国家或地区保持经济竞争力。高技术矿产在内涵和矿产种类上与战略性矿产和关键矿产有区别也有联系。对比国内外对高技术矿产的界定原则和矿产清单,我们确定高技术矿产共有35种,其中包括:稀土(含稀土金属17种),稀有金属17种,稀散金属9种,铂族元素、铬和硼、石墨、萤石、高纯石英等非金属矿产6种,放射性元素铀、钍2种。

战略性新兴产业的快速崛起将会对高技术矿产的依赖越来越大。未来需要高度重视高技术矿产的勘查、开发利用和循环回收问题。建议在国内扩大高技术矿产的勘查开采和回收,建立高技术矿产全产业链大数据,为矿业企业提供更好的资源信息服务,加快新矿山的矿业权许可审批进程,并加强高技术矿产应用研发。在国际上加强资源合作和科技合作,参与全球资源治理,力争在新一轮资源和技术竞争中居于领先地位。

来源:自然资源情报

作者:陈从喜,崔荣国,李 政,张迎新

单位:自然资源部信息中心

第一作者简介:陈从喜(1963—),男,博士,研究员,主要从事自然资源战略研究和资源分析。