鎵礦資源的分布、發展概況及中國發展鎵產業的思考

張麗曼，張會，梁倩，王小強，余文麗，顏蕙園

(1.河南省有色金屬地質勘查總院， 河南 鄭州 450000； 2.河南省地質研究院， 河南 鄭州 450000； 3.河南省有色金屬深部找礦工程技術研究中心， 河南 鄭州 450000； 4.河南省豫地科技集團有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

鎵(Gallium)是一種重要的稀散金屬。氮化鎵、砷化鎵能形成優良半導體性能材料被廣泛用于通訊、集成電路、航空航天等尖端科技領域，被稱為“半導體工業的新糧食”(陳其慎等，2016)。美國、日本和歐盟等國已將鎵列入“戰略資源”或“關鍵原材料”，我國于2011年也已將鎵列為“戰略儲備金屬”。蓬勃發展的電子信息產業進一步凸顯出鎵的戰略地位，鎵也成為戰略性新興礦產資源。資本和技術密集型的鎵產業鏈可分為3個部分，開采及提取煉制難度較大、資源耗費較高的屬于上游部分；需要深度加工的是中游部分，掌握此部分的國家較少；技術應用非常廣泛的是下游部分。我國大部分鎵生產企業仍處于鎵產業鏈底端，產品附加值低，資源浪費量大，對環境破壞程度高。深加工主要國家則是美國與日本。隨著無線通信和新能源產業的不斷發展，對鎵的高端產品的需求逐年上升。

通過研究發現，目前國內學者對鎵資源的研究大多集中在供需、生產技術以及應用領域。對國內外鎵資源分布、產業發展概況以及中國發展鎵產業的思考研究較少。敦妍冉等(2019)對全球鎵資源的分布、供需及消費情況進行了概述；趙汀等(2017)對鎵礦資源需求趨勢進行了分析；武秋杰等(2021)對國內外鎵資源分布供需及產業鏈發展現狀進行了研究；溫漢捷等 (2020)對中國鎵鍺鉈鎘資源礦床類型、富集特征進行了分析研究；華經產業研究院發布的《2022—2027年中國鎵行業市場發展現狀及投資前景展望報告》對2019年全球及中國鎵產業市場供需現狀進行了分析(張寒，2021)；蘇毅等(2003)、尹書剛等(2006)對提取鎵的技術方法進行了總結；黃蒙蒙等(2017)及鄒銘金等(2020)對不同二次資源中鎵提取方法進行了研究；劉倉等(2021)及趙澤森等(2021)對粉煤灰資源化提取利用進行充分研究；陸挺(2016)對中國銦鎵鍺產業鏈發展進行了戰略研究。本文在前人工作的基礎上，分析了國內外鎵資源分布概況；鎵產業發展概況，對中國發展鎵產業存在的問題提出合理化解決建議，為中國鎵礦產業合理、可持續循環發展提供一定的技術支撐。

1 鎵資源概況

1.1 全球鎵資源儲量分布

鎵在地殼中的含量為0.0015%，是典型的稀散元素，獨立礦物很少，多以伴生礦存在(涂光熾，2003)。據不完全統計，全球50%以上的鎵來自鋁土礦，主要分布的地區有非洲、大洋洲、南美洲(含加勒比)、亞洲以及其他地區，分別占比32%、23%、21%、18%和6%。另有不超過40%的鎵來自于鉛鋅礦和煤礦。2020年美國地質調查局的報告提出鋁土礦和鋅礦石中的鎵有潛在開采價值的占比不到10%。

全球鎵的金屬儲量約為27.93萬噸，其中中國鎵金屬儲量就有19萬噸，約占68%，居世界首位。其他地區情況為美國儲量0.45萬噸、南美洲1.14萬噸、非洲5.39萬噸和歐洲1.95萬噸(圖1)。2010年我國內蒙古發現的煤伴生礦中含有大量的鎵資源，當時已探明的儲量約為85.7噸，自此中國變為全球鎵資源儲量超級大國，引起全球鎵儲量格局的巨大變化(Wang et al.，2015)。

圖1 全球鎵儲量分布情況(萬噸)

1.2 中國鎵資源分布情況

中國鎵資源豐富，居世界首位(周令治和陳少純，2008)。我國自然資源部2021年7月發布《2020年全國礦產資源儲量統計表》(表1)，其中全國鎵資源儲量為20672.30噸，儲量較多的省份有廣西(11109.30噸)、貴州(3968.10噸)、江西(2540.73噸)、山西(2055.62噸)、云南(456噸)、內蒙古(251.84噸)、河南(143.23噸)、湖南(110.8噸)、山東(26.05噸)和四川(10.69噸)。從鎵資源分布類型來看，河南、山東、廣西等省的鎵主要存在于鋁土礦中(萬海泉和王玲，2015；郎巖峰等，2016；王莉等，2017；郎學聰等，2020；胡盛等，2021)；內蒙古鎵主要伴生在煤礦中(代世峰等，2006)；貴州、山西、云南等省的鎵主要富存在錫礦或煤礦中；江西、湖南等省，鎵主要富存在閃鋅礦中；四川鎵主要伴生存在于攀枝花鐵礦中。綜上所述，我國擁有豐富的鎵資源，且分布極為廣泛，若能充分利用，將有力緩解鎵資源短缺，加速經濟的快速發展。

表1 2020年我國鎵資源儲量統計

2 國內外鎵產業發展概況

2.1 全球主要鎵礦企業

鎵不但稀少且分散，在地表分布廣泛但卻很少富集、單獨成礦，直到1915年才提煉出來，美國于1943年開始生產，我國于1957年開始生產。目前，鎵產品主要有原生鎵與再生鎵(陳其慎等，2016)，由于產品品質的不同，原生鎵又可分為粗鎵和精鎵。全球粗鎵生產廠家一共有30余家，主要分布于中國、俄羅斯、烏克蘭、德國等國，生產企業主要有中國鋁業股份有限公司，烏克蘭尼古拉耶夫鋁廠(Nikolaev Alumina Refiner)等。日本和美國則是全球精鎵主要生產國，相關企業例如美國世界鎵股份有限公司(GEO Specialty Chemicals， Inc)、日本同和礦業等。同時日本和美國也是再生鎵的主要生產國，相關生產企業有拉莎工業株式會社(Rasa Industries Ltd.)和住友化學株式會社(Sumitomo Chenmical Ltd.)等(敦妍冉等，2019)(表2)。

表2 全球主要鎵礦企業(據陳其慎等，2016)

圖2 2010—2019年全球再生鎵產能變化情況(據張寒，2021)

2.2 中國主要鎵礦企業

中國鎵礦生產企業主要為中國鋁業集團、杭州錦江集團、珠海經濟特區方源有限公司、東方希望集團等，主要分布于廣西、山西、河南、山東等省。其中中國鋁業集團有限公司下屬的河南分公司、山西分公司、廣西分公司和遵義氧化鋁公司，連續3年鎵產量在全國占比超過三分之一，是迄今為止全球最大的鎵生產企業；杭州錦江集團下屬的山西孝義興安鎵業、廣西田東錦鑫化工、平陸優英鎵業，未來預計產能210 噸/年，進而成為鎵礦企業最大供應商；珠海經濟特區方源有限公司所屬魯山聯盛、登封聯美、廣西信泰以及新方源樹脂等，現在產能為100噸/年；東方希望集團下屬澠池鎵業，設計產能為60噸/年(劉麥等，2020)。

2.3 全球鎵生產情況

根據生產方式鎵產品可分為原生鎵和再生鎵。從產能來看，再生鎵產能一般保持穩定，但在2011年和2016年得到迅速上升，2011年從141噸上升至198噸，2016年直接從200噸上升至270噸。歸其原因主要是由于鎵產品相關行業飛速發展，帶動了再生鎵產能的迅速提升(圖2)。

根據品質鎵產品又可分為粗鎵(工業鎵)和精鎵(高純鎵)。其中精鎵產能從2010年的177噸上升至2019年的330噸，總體呈現上升趨勢，但是受需求量下降的影響，2014年全球精鎵產能迅速下降。到了2016年隨著全球半導體產業和無線通信行業飛快發展，精鎵產品需求量快速上升，從而使精鎵產能迅速回升至320噸(圖3)。

圖3 2010—2019年全球精鎵產能變化情況(據張寒，2021)

全球粗鎵產能從2010—2015年呈現大幅上升趨勢，主要是得益于中國粗鎵生產技術的快速發展。2015—2019年中國粗鎵產能基本在730萬噸左右。從產量來看，2015年全球粗鎵469噸，2019年全球粗鎵324噸，其中中國生產310噸，占比95.68%，說明中國的粗鎵生產國地位非常重要(圖4)。

圖4 2010—2019年全球粗鎵產能變化情況(數據來源《2022—2027年中國鎵行業市場發展現狀及投資前景展望報告》(張寒，2021))

2.4 中國鎵生產情況

2000年以前，美國GEO特殊化學品公司主導著世界鎵市場(周重陽，2002)，自2001年中國鎵產量逐年上升，到了2005年產量已占到全球的1/3左右，至2007年中國一躍成為全球第一大原生鎵生產國，2008年以后中國鎵產能開始急速增長。2017—2019年，因原料短缺、需求疲弱、價格低迷，中國原生鎵產量處于波動狀態。2019年全球原生鎵生產374.6 噸，而中國生產356噸占比達到95%以上。由于中國的新技術引發的低成本優勢，極大改變了全球鎵的供應格局(武秋杰等，2021)。

據中國有色金屬協會鎵硒碲分會對有關鎵產品的統計數據顯示，我國原生鎵的產量2019年比2018年下滑了11.7%，減產主要在河南和貴州兩個省份。其中，河南產量70噸，降幅最大，同比減少41.2%。貴州省同比減少了29.8%，產量僅為32.3噸。但是同時期山西、廣西產量卻有所上升，從而抵消了上述的部分減產。隨著我國鎵產業的發展，近幾年高純鎵的產量也在不斷增長。從2016年的88.5噸增長到2019年的126.2噸，但在鎵總產量中依然占比不到30%。

3 結論與思考

(1)中國高端鎵產品自主產能普遍較低，高度依賴美、日進口。中國粗鎵產品占比過高，仍處于鎵產業鏈的底端。因此在鎵產業鏈初級階段，要加大技術研發，推動高純鎵的回收水平；深加工階段，提升再生鎵生產技術能力。適應資源貧化趨勢，研發新一代提鎵技術。

(2)由于中國多數鎵生產企業以粗鎵為主，砷化鎵、氮化鎵、磷化鎵等直接供應的初級加工產品主要被日本、美國等發達國家掌控著生產和市場。鎵資源的需求主要依賴于下游高端產品和制成品的消耗，隨著我國在全球LED市場的業務拓展，提升下游鎵制成品國際競爭力是中國鎵產業發展的必由之路；國內大型鎵企業延伸產業鏈發展。盡管中國的鎵資源優勢非常明顯，但卻不能真正轉化為市場優勢，因此只有促使其產業鏈格局變化，建立技術優勢也是產品優勢再加上上游資源的整合，促使資源、產品優勢并存，進而轉化為市場和產業優勢。

(3)未來十年隨著全球鎵產業蓬勃發展，鎵資源戰略性地位凸顯，面對當前國際形勢的不確定性，提升以及鞏固我國的鎵資源優勢，應當建立鎵礦資源儲備庫。即使我國鎵資源儲量豐富，但鎵作為氧化鋁土礦、閃鋅礦等的副產品進行回收利用的很少，因此要提高含鎵礦石的二次資源化回收利用率。隨著鋁、煤市場需求下滑，冶煉企業產能將會受到主產礦影響，因此保護鎵產能，充分利用鋁土礦、煤礦等礦石中的伴生元素，提高企業的綜合經濟效益以及尋求新的含鎵礦產資源的勘查開發工作也具有現實意義。

(4)隨著經濟技術的發展，金屬鎵的需求也在逐年增大，雖然中國鎵資源儲量豐富，但回收制度、回收體系不完善致使中國的鎵產業不可能走可持續發展道路。伴隨著中國含鎵礦產資源開采成本的提高和資源枯竭，未來中國很有可能面臨向日本、美國等國家回收鎵資源的困境。那時中國巨大的資源優勢將徹底改變為他國的資源優勢，從而對中國鎵產業形成不利影響。鎵礦資源是一種伴生資源，我國氧化鋁、鉛鋅礦、煤礦等礦產產能的消減及其他問題可能引發原材料供應不足，因此逐步完善回收機制，建設高質量回收產業，是保障中國鎵資源有效供應和充分循環利用，促進鎵資源經濟、生態效益最大化的必要途徑。推動鎵產業鏈的低碳、綠色可持續發展是鎵產業未來發展的必由之路。

致謝在資料收集和圖件繪制過程中，得到朱超勝博士和李俐杰的幫助，在此表示感謝。