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镁应用

真空碳热还原法和皮江法炼镁的能耗和资源消耗对比评价

发布时间：2023-10-23 作者：综合管理部
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论文概述

镁是最轻的结构金属材料之一，镁合金被广泛用于航空航天、交通和电子等领域，特别是用作汽车工业中的轻量化材料，以减少汽车温室气体排放，缓解全球变暖的问题。随着镁合金应用和需求的扩大，全球原镁需求持续高速增长。然而，皮江法生产原镁是能源密集型行业，其单位金属的温室气体排放量是钢铁行业的5倍，制约了中国镁行业的健康发展，并削弱作为汽车轻量化材料对缓解全球变暖的贡献。在诸多炼镁工艺中，真空碳热还原炼镁(VCTRM)工艺具有低成本、低能耗、低资源消耗、环保等优点，被认为是一种理想的镁清洁生产工艺，但是镁蒸气与CO发生逆反应污染冷凝镁的关键问题制约了其工业化应用。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)及昆明理工大学为碳热法炼镁工艺的工业化应用进行数十年的研究，解决冷凝镁易燃易爆的问题，使其工业化更进一步。然而，碳热法炼镁工艺的数据鲜有报道，缺乏对VCTRM工艺的系统性和定量的认识，不利于炼镁工艺之间的对比和工艺改进。因此，在实现VCTRM工艺产业化之前，有必要对VCTRM工艺过程进行系统地量化和分析。

最近，昆明理工大学真空冶金国家工程研究中心的田阳教授课题组基于皮江法近年的工业数据，系统地量化了VCTRM工艺的物质流、能量流和环境影响，并与皮江法进行对比分析，为真空碳热法炼镁下一步的研究和应用提供了优化路径，同时也为皮江法的优化提供参考依据。分析结果表明，VCTRM工艺因采用焦煤作为还原剂和具有更低的料镁比（2.953:1），在不可再生矿产资源消耗、综合能耗、温室气体排放、固体废弃物产生方面较皮江法工艺分别降低了63.14%、69.16%、66.67%和90.45%，证明了VCTRM工艺是一种高效、低成本、低污染、更环保的镁生产工艺。

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图1  VCTRM工艺和皮江法的工艺流程对比

图1 是VCTRM工艺和皮江法工艺流程的对比及本次研究的计算范围。两种工艺都属于热还原法，工艺过程有许多相似之处。除还原工序有较大差异外，其他工序与皮江法基本相同，这意味着VCTRM工艺存在着改进现有皮江法生产设备而进行工业化生产的可能性。

本文首先依据相关国家标准系统分析了皮江法的物质和能量流，确保了数据的可比性，结果（见表1 ）与镁工业年度报告和中国“十三五”规划中的相关数据相符，反映了近几年中国皮江法炼镁的能耗平均水平和趋势。

表1  皮江法炼镁各工序的资源和能源消耗情况

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根据皮江法综合能耗的计算原则和范围，计算获得以白云石和菱镁矿为原料的VCTRM工艺的资源及能量消耗情况，如表2所示。对比发现：煅白中的CaO在VCTRM工艺中没有任何作用，反而增加了煅烧和还原工序中的能量消耗。相较于其他炼镁原料，煅烧后几乎只含有MgO的菱镁矿是VCTRM法生产镁的理想原料。

表2  皮江法和VCTRM工艺的资源、能源消耗以及废物生成情况

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图2 从不可再生矿产资源消耗、综合能耗、温室气体排放、废弃物产生及重要工艺参数进行两种工艺的对比，VCTRM工艺较皮江法工艺分别降低了63.14%、69.16%、66.67%、90.45%和56.39%。菱镁矿和焦煤的使用大幅降低了矿物资源的消耗，资源消耗的减少降低了料镁比从而提高了生产效率，从根本上减少能耗、温室气体和废弃物的产生。VCTRM工艺焦煤代替硅铁所降低的能耗占总降低能耗的72.69%，同时矿石需求降低、煅烧温度降低以及高设备热效率也是降低能耗的重要因素；温室气体的排放主要是在煅烧工序和燃料燃烧产生的CO2，碳酸盐矿物煅烧排放的CO2无法避免，VCTRM工艺中电力占总能耗的近3/4，若电力由水力、风力发电获得或者使用生物质炭作为碳源，可大大减少温室气体排放。皮江法产生的5.679 t固体废物为pH>11的灰白色粉末，目前尚未得到很好的利用，同时 VCTRM工艺生产的1.266 吨CO也还未得到很好的利用，但更具应用价值。

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图2 两种镁生产工艺在资源、综合能耗、废物产生和工艺参数方面的比较

综上所述，本研究提供了对VCTRM工艺生产过程中资源、能耗和环境影响的量化数据和详细评估。考虑到该工艺的产业化规模，根据实际情况，能耗预估可上调或下调30-50%。这些结果为今后的VCTRM工艺改进提供了一个良好的基准，促进这种清洁生产技术在镁生产中的应用。


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文章发表


该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2022年第10卷第3期：

[1] Yang Tian*, Lipeng Wang, Bin Yang, Yongnian Dai, Baoqiang Xu, Fei Wang*, Neng Xiong. Comparative evaluation of energy and resource consumption for vacuum carbothermal reduction and Pidgeon process used in magnesium production [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, 10(3): 697-706.


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文章下载


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04
中文摘要

随着镁合金应用的快速发展，全世界对原镁的需求与日俱增。皮江法是目前国内应用最广泛的镁生产工艺，但存在能源和资源消耗高，环境污染等诸多问题。而真空碳热还原炼镁 (VCTRM) 工艺因其优点而受到越来越多的关注，但在工业应用中并没有得到很好的实践，还缺乏对该工艺全面和定量的分析。本文量化了皮江法和VCTRM工艺的物质和能量流，并从三个方面对这两种工艺进行了对比、分析。VCTRM工艺比皮江法工艺分别降低了63.14%和69.16%的不可再生矿产资源和能源消耗。VCTRM工艺能耗低（2.675 tce vs. 8.681 tce），料镁比低（2.953:1 vs. 6.429:1），使得温室气体（8.777 t vs. 26.337 t）和固体废弃物（0.522 t vs. 5.465 t）的排放量更低，较皮江法分别减少了66.67%和90.45%。结果表明，VCTRM工艺是一种高效、低成本、低污染、更环保的镁生产工艺，在解决了逆反应的瓶颈问题之后将具有良好的工业化潜力。


05
Abstract


With the fast development of the application of magnesium based alloys, the demand for primary magnesium is increasing dramatically all over the world. The Pidgeon process is the most widely used process for producing magnesium in China, but suffers from problems such as high energy, resource consumption and environmental pollution. While the process of vacuum carbothermal reduction to produce magnesium (VCTRM) has attracted more and more attention as its advantages, but it has not been well-practiced in industrial applications and there also is no comprehensive and quantitative analysis of this process. This study quantified the flows of resource and energy for the Pidgeon process and the VCTRM process, then compared and analyzed these two processes with each other from three aspects. The VCTRM process results in 63.14% and 69.16% lower of non-renewable mineral resources and energy consumptions when compared to the Pidgeon process, respectively. Moreover, the low energy consumption (2.675 tce vs. 8.681 tce) and material to magnesium ratio (2.953:1 vs. 6.429:1) of the VCTRM process, which lead to lower greenhouse gas (GHG) emissions (8.777 t vs. 26.337 t) and solid waste generation (0.522 t vs. 5.465 t) with a decrease of 66.67% and 90.45%, respectively. Results indicate that the VCTRM process is a more environmentally friendly process for magnesium production with high efficiency but low cost and low pollution, and it shows a good potential to be industrialized in the future after solving the bottleneck problem of the reverse reaction.

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作者简介


第一作者/通讯作者简介：

田阳（第一作者，通讯作者），昆明理工大学冶金与能源工程学院教授，博士生导师，瑞典国家冶金研究院出站博士后，入选云南省“兴滇英才支持计划”产业创新人才；第一作者/通讯作者发表SCI/EI期刊论文20篇，Magnesium Technology委员会委员、中国材料学会镁分会理事。主要研究方向为真空碳热还原炼镁、高纯镁制备、镁二次资源回收；主持国家基金、国家重点研发计划子课题等各类项目20余项，获授权发明专利10件。

王立鹏（共同一作），博士生，现就读于昆明理工大学冶金与能源工程学院，从事有色金属真空冶金、镁合金废料回收方面研究。

图文编辑：王立鹏 昆明理工大学


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