能耗环保政策趋严下硅热法炼镁面临的挑战及可能的应对策略

二十世纪九十年代初，得益于丰富易取的原材料、低廉的劳动力和早期粗放的环保要求，技术门槛相对较低的皮江法真空硅热炼镁工艺在我国得到推广^[1]，迅速提升了我国金属镁产量，促使我国在2000年开始成为世界第一大原镁生产国和镁锭出口国，并持续引领全球原镁产量的快速增长^[2]。根据中国有色金属工业协会镁分会的统计数据，2020年中国的原镁生产量已达96万吨，占全世界总产量的80%以上。

得益于冶炼技术的进步和环保政策的倒逼，原镁产业在节能降耗、污染治理等方面取得了非常显著的进步。《中国镁工业进展》中公布的数据表明，2011年与1988年相比，我国硅热法炼镁吨镁标煤消耗从16 ~ 18吨下降至4.5 ~ 5.0吨，降幅度达71.88% ~ 72.22%。相关消耗指标达到甚至超越了同期国外使用皮江法的代表性镁厂（加拿大蒂明克和日本宇部），效果显著！在固体废弃物镁渣处理方面，早在2011年就已经开发了包括镁渣生产硅酸盐水泥，镁渣免烧砖等方向在内的多种综合利用途径，并在一些镁厂取得了实际应用效果。然而，最近10年来，原镁冶炼领域技术进步放缓，调研结果显示，2021年榆林地区生产一吨原镁的标煤消耗仍为4.2吨左右，镁渣处理上也以填埋为主，各种镁渣综合利用技术并未推广开来。

尽管我国原镁产业取得了显著的技术进步，但在国家绿色发展新形势下仍然存在着日益尖锐的矛盾，主要包括：（1）高能耗、高排放与日益缩紧的节能减排政策之间的矛盾；（2）高污染与日益严格的环保政策之间的矛盾；（3）下游日益增长的对原材料品质、稳定性的需求与现有产品杂质种类多、含量高、波动大之间的矛盾；（4）原镁企业技术升级对高技术人员的需求与工作环境恶劣导致的高素质原镁从业人员匮乏之间的矛盾；（5）金属镁产业革新急需颠覆性技术与新技术匮乏之间的矛盾。上述矛盾导致中国的原镁产业面临国际和国内的双重压力：一方面，在国际上，尽管我国原镁行业供应了世界最大量的原镁产品，承担了主要的原镁生产能耗与污染，但西方发达国家并不领情，反而在不同场合批评中国镁产业的生产现状。另一方面，2011年在国家发改委发布的《产业结构调整目录》中，就将原镁冶炼列为“限制类”项目。

近年来，由于国际和国内形势的变化，国家能耗和环保政策逐步趋严，基于硅热炼镁的原镁产业更是面临生死存亡的困境！2021年9月下旬，受年度能耗双控影响，产能占全国一半的府谷县壮士断腕，在镁价处于高位之时，关停辖区内大部分原镁冶炼企业。原镁价格继续上涨，镁行业下游企业生态受到严重冲击，部分海绵钛厂和镁合金加工企业不得不相应减产或停产，预期对整个金属镁产业链条都将造成一定的负面影响。因此，目前的中国原镁产业比历史上的任何时期都更急需变革。具体措施包括但不限于：从现有工艺改良出发，提升品质、降低能耗、减少污染排放，在等量能耗条件下，生产出数量更多、质量更好的镁，同时以积极的技术革新实践，争取政府在政策上的支持；与此同时，政府应该主动发挥主导作用，在政策和资金上，大力扶植预期有优秀经济指标、能耗指标和环保指标的高潜力新型炼镁技术的小试、中试及工业化试验，鼓励关联新技术研发，鼓励现有成熟技术整合，并在整套方案合理性论证后，分批逐步建设一系列具有一定规模的生产示范线，最终实现原镁产业的涅槃重生。本研究团队近年来针对上述问题进行了系统的研究，部分进展报告如下。

金属镁具有比强度、比刚度高，电极电位负、比容量高，生物相容性和降解性好等优点，在交通工具轻量化，电极材料以及生物医用材料等领域有着诱人的应用前景。但大量的研究表明，镁及其合金在实际应用中却经常受到所含微量杂质的严重影响，使其实际应用远不及预期^[2]。以牺牲阳极为例，镁合金中的高电位杂质会大幅提高阳极析氢，即金属镁失去的电子不经过外电路保护阴极，直接在阳极表面还原并放出氢气，导致电流效率显著降低，实际工作放电量远不及预期。反过来，只要控制其中的微量有害杂质，牺牲阳极的使用寿命就能大幅提升。美国陶氏化学的Osborn等人从大量的牺牲阳极镁合金性能实践性试验中发现，通过控制Mg–Al–Zn牺牲阳极镁合金中的有害杂质含量（Fe为10 ppm，Ni<10 ppm，Pb为100 ppm，Si为100 ppm），可是该合金相比同样牌号的普通合金（未控制杂质）的比放电量高一倍以上^[3]。

然而，我国原镁却面临着杂质元素种类多、含量波动大的痼疾^[4]。深入企业的调研表明，目前市场上绝大部分在售原镁的纯度仅为Mg9990（即3N级，N是英文数字Nine的首字母，3N代表%前面有3个9）级别，只有少数企业能达到Mg9995B（简称3N5B），而现行国标中纯度更高的Mg9995A，Mg9998，Mg9999则是凤毛麟角。事实上，即使是3N5B级原镁，国家标准对其中杂质硅的要求是小于150 ppm，铁小于50 ppm，难以满足高品质牺牲阳极材料的需求。综上所述，下游日益增长的对原材料品质、稳定性的需求与现有产品杂质种类多、含量高、波动大之间的矛盾已成为制约镁合金材料应用和未来推广的主要矛盾之一。

图1 “阻热梯凝”技术在不显著增加成本的前提下实现粗镁质量和还原效率的同步提升，降低原料和能源消耗

在充分调研和系统研究的基础上，研究团队联合国科镁业科技（河南）有限公司研发了“阻热梯凝”技术，并取得了显著成效，如图1所示。首先，原镁质量得到显著提升。在其余试验设置参数完全一致的前提下，研究发现我们发明的“阻热梯凝”技术，可使结晶器同一位置的粗镁具有更加明显的金属光泽（图1a）。对粗镁结晶多点取样，重熔后进行纯度测试，结果发现“阻热梯凝”技术可使粗镁中钙、硅、铝、锰等主要杂质呈数量级地下降，直接满足国标3N5A级中的相应要求（图1b）。其次，原镁产量也显著提升，如图1c所示。使用“阻热梯凝”技术可使料镁比从6.59（约为一般工业水平）下降至5.95，进而计算得到渣中的氧化镁理论平均含量从10.03%降低至6.96%，满足了硅酸盐国标控制在8%以下的要求。特别值得指出的是，料镁比的下降具有重要的经济价值。对一个2万吨的镁厂而言，如果单罐产量能提高5 ~ 10%，则年产量提升在1000 ~ 2000吨之间，按2万元/吨的镁价来计算，单此一项技术革新将为镁厂带来2000 ~ 4000万的经济效益。最近，在府谷县政府经费的支持下，我们到镁厂进行了现场试验，结果发现在不改变现有生产工艺（还原时间、温度）的前提下，实验组粗镁的平均产量达37 kg/罐，而同批次（相同原料、相同工艺、相同操作班组）下的平均产量为30.23 kg/罐，产量提升率大于20%。

需要指出的是，本技术的工作原理适用于所有硅热炼镁方法。因此，该技术可以融合到未来新型硅热炼镁工艺中，继续发挥提质增量的功能。

3. “镁渣固碳”——烟气CO₂捕集、反应余热利用、镁渣固化

镁渣（主要成分为Ca₂SiO₄）是皮江法炼镁所产生的固体废弃物。一方面，镁渣在自然降温冷却的过程中会由于物质晶型的转变引发12%的体积膨胀，进而出现粉化现象，从而导致环境粉尘污染并可能引发接触人群的呼吸道健康问题；另一方面，目前皮江法炼镁的还原效率较低，镁渣中约有4%~13%的MgO无法反应，因此难以满足工业化镁渣资源直接利用的要求。目前，大部分镁冶炼厂均采用浇水冷却、除尘、倾倒及填埋等手段处理镁渣，但由于镁渣浸出液pH值较高，填埋的镁渣不仅占用大量土地，还易造成土地盐碱化、土壤板结等地质灾害。此外，也正因为pH值较高（>9），一直以来镁渣被列为二类固废（《GB 18599-2020一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》），这无疑增大了处理难度、成本及环保压力。据调研，生产1吨金属镁将产生5 ~ 6吨镁渣，以2020年中国的原镁产量为例，2020年全年累计产渣500万吨左右！如此庞大的排放量若得不到妥善处理，将成为制约中国原镁冶炼发展的痼疾。因此，亟需寻找经济可行的镁渣综合利用及固废降级方法来解决这一迫切问题。

在全面剖析皮江法炼镁生产工艺流程的基础上，本团队提出直接将白云石煅烧环节产生的高温CO₂烟气与还原高温镁渣Ca₂SiO₄相反应来生产无污染、低pH值CaCO₃，进而降低镁渣评级的工艺。热力学计算表明，反应一旦发生且充分进行， 生产1吨镁所产生的镁渣可捕集CO₂约2.5吨，占总直接排放量的50%，同时释放3.62×10⁶ kcal（折合0.5吨标煤）的反应余热。目前，实验室验证性实验不仅已通过反应前后产物的增重、置料区的温度变化，观察到CO₂捕集、反应放热的明显效果，还发现CO₂与Ca₂SiO₄的反应产物可呈硬块状，这在一定程度上缓解了因镁渣粉化带来的粉尘污染问题。此外，对传统镁渣和反应后的镁渣按照标准进行pH值实验后，也可观察到反应后镁渣pH值的明显下降。但是，目前镁渣反应的效率尚不够高，未来有待从增大气固反应接触面积、调节烟气温度浓度或寻找低成本催化剂来进一步促进反应。

高温烟气与高温镁渣的直接反应，不仅可实现镁渣固废评级的降低，还有望实现烟气CO₂捕集、反应余热利用、镁渣固化等一举多得的目的。如能充分提升该反应的反应程度与效率，并通过工业化推广，将实现皮江法炼镁工艺链中的固废自消耗、能源自循环等一举多得的目的，在碳达峰、碳中和目标的提出和环保政策日益收紧的今天，具有环保和经济的双重意义！

4. 绿色低碳现代化新概念炼镁厂设计，核心是实现“常压炼镁”

上述局部技术改进可以在一定程度上解决原镁冶炼的品质、能耗和污染等问题，缓和炼镁产业日益趋严的能耗和环保政策上的矛盾。但是，受限于外部加热和抽真空工艺，现有皮江法炼镁工艺本身存在生产效率低，产能规模小，劳动力密集，人工成本高，产品质量不稳定，能耗高，生产成本高等痼疾，非全新替代技术不可根治。随着国家节能减排、碳达峰、碳中和、碳交易等政策的逐步落实，炼镁行业将面临前所未有的环保和生产成本压力。

为根治传统皮江法存在的问题，研究团队致力于研究基于气体载流在常压下实现硅热法炼镁的技术。2017年，研究团队采用炼镁厂压球车间的成品料球，利用三段控温电阻炉，在1200 ℃加热温度和高温惰性气体载流下，2小时内实现了金属镁的快速还原，实验得到的结晶镁晶粒完整，结晶良好，验证了常压条件下通过惰性气体吹气产出结晶镁的可行性^[5]。2018年5月，该技术进入中试研发阶段，历时三年完成了产镁量1kg/h的“载流法连续常压新型炼镁装备”中试装置设计。

“载流法连续常压新型炼镁装备”从原料制备段压球机出口料球始，至成品原镁和还原渣出厂止，全部的还原和精炼过程均在密闭装置中完成。该技术采用自动上料系统将压球机出口料球预热后，连续加入到还原罐中，同时循环风机将高温惰性气体也鼓入到还原罐中，在还原罐外部热源间接加热与还原罐内部高温惰性气体直接加热的双重作用下，料球快速升温到1200 ℃，同时通过惰性气体在料球表面均匀吹气，降低料球表面的镁蒸气分压，确保常压条件下镁蒸气顺利逸出，惰性气体携带镁蒸气排出还原罐，经降温、提纯和结晶后可直接产出合格原镁，从而实现常压条件下自动化连续高效炼镁的目的。结晶分离后的惰性气体经除尘、余热回收和循环风机升压后循环利用；反应完全的还原渣经自动排渣和余热回收系统送入渣仓后，可全部综合利用。

与现有皮江法炼镁工艺相比，“载流法连续常压新型炼镁装备”的工艺特点主要有：①机械化、自动化、全封闭连续生产，人工成本降低90%以上；②烟气排放达到超净排放标准，免精炼，无外排废水；③冶炼周期短，生产效率提高3~5倍；④节能减排20%以上，吨镁减少CO₂排放2.43吨；⑤还原罐寿命长，材料成本降低90%以上；⑥单罐产能150kg/h，是皮江法的50倍，易于大型化和规模化；⑦原镁纯度可达4N级，可直接产出高品质镁粉；⑧吨镁生产成本降低20%以上。按照2021年初，吨镁成本12000元，国内原镁年销售量96万吨来计算，采用“载流法连续常压新型炼镁装备”，每年可为炼镁企业创造利润26.95亿元（即吨镁增加利润2808元）。

以“载流法连续常压新型炼镁装备”为核心，研究团队进一步创新集成了镁提纯、镁渣固碳、镁渣降碳固硫、气浮法超细镁粉制备、白云石悬浮分解等新技术，并在此基础上提出了绿色低碳现代化炼镁厂的新概念设计。图2是绿色低碳现代化炼镁厂的工艺流程图。

图2 绿色低碳现代化新概念炼镁厂工艺流程图

与现有皮江法炼镁工艺相比，研究团队提供的绿色低碳现代化炼镁厂概念设计，其主要工艺特点包括：

（1）采用“载流法连续常压新型炼镁装备”新技术。采用“载流法连续常压新型炼镁装备”新技术，替代现有皮江法的还原段和精炼段，实现机械化、自动化、规模化、绿色低碳、连续常压炼镁，无需精炼，可直接生产高纯镁锭和超细镁粉，品质稳定。

（2）采用全流程全封闭自动化连续生产方式。采用全流程全封闭自动化连续生产方式。从原料入厂开始，到成品原镁和废渣出厂结束，全部生产过程均在密闭装置中完成，彻底根治现有皮江法开放式生产造成的高能耗、高污染问题。

（3）采用白云石悬浮分解炉新技术。采用白云石悬浮分解炉新技术，利用还原炉高温烟气将白云石分解为煅白，取代现有皮江法的回转窑和原料预热炉，提高分解效率，降低散热损失，节省占地面积和工程投资。

（4）采用镁渣固碳脱硫新技术。基于“以废治废，绿色脱碳，废物资源化利用”的原则，采用镁渣固碳脱硫新技术，实现二氧化碳、二氧化硫的固定脱除、余热回收发电（供热）以及镁渣稳定化后综合利用的一举四得。

（5）采用新能源碳中和装置，真正实现碳循环。采用新能源碳中和装置，利用风光新能源发电，通过电解水槽生产氢气和氧气。氢气作为固碳原料，与烟气中二氧化碳合成甲醇，作为化工产品销售；氧气则用于还原炉富氧燃烧。

（6）采用还原炉富氧燃烧技术。利用电解水产出氧气，用于还原炉富氧燃烧。一方面有利于提高还原炉热效率；另一方面可大幅降低还原炉排烟量，方便二氧化碳捕集。

（7）采用超净排放烟气净化技术。采用超净排放烟气净化技术。生产过程中所有废气、废渣和废水有组织集中排放，经环保处理达标后外排。其中，烟气经脱硝、除尘、脱硫处理，达到燃气机组超净排放标准后，进入新能源碳中和装置。

（8）采用余热回收发电技术。采用余热回收发电技术，充分回收工质余热，包括：高温烟气、还原渣、镁蒸气冷凝热等。利用余热发电，用于炼镁厂自用电，实现节能减排。

需要特别指出的是，上述新概念镁厂的不同模块可独立拆分，分布实施。每一项创新或整合技术，都可根据需要和经费支持力度，尽量衔接进现有皮江法炼镁厂设施，通过选择分步分期实施本概念设计中提出的新工艺技术，可望缩短研发周期，规避新技术工业化所带来的潜在风险。

在能耗和环保政策日益趋严，硅热炼镁产业面临严峻生存考验的新形势下，研究团队一方面着力于皮江法改良，突破技改瓶颈，研发了“阻热梯凝”、“镁渣固碳”等直接适用于现有炼镁工艺的新技术，上述技术具有提升原镁品质、提高原镁还原率、降低物耗能耗以及处理固废的作用，且易于推广，能够有效疏解和缓和原镁工业现有的尖锐矛盾；同时，上述技术本身具有可迁移性，不仅可以用于现有原镁冶炼，还可以用于未来的新型硅热炼镁工艺。另一方面，研究团队还大力投入研发新型炼镁技术，并整合其它领域的现有成熟技术，完成了绿色低碳现代化炼镁厂概念设计，目前正致力于验证每一项独创或整合技术在金属镁工艺流程中的可行性。新概念镁厂的成功工业化有望彻底根治现有皮江法开放式生产造成的高能耗、高污染问题，同时实现机械化、自动化、规模化、绿色低碳常压连续炼镁。

致谢: 感谢国家自然科学基金委重点项目（52031011）的资助。感谢府谷县人民政府及工贸局，府谷京府煤化有限责任公司、府谷县泰达煤化有限公司、府谷县金川鸿泰镁合金有限公司、榆林市天龙镁业有限责任公司、神木市东风金属镁有限公司等对研究团队调研和工厂试验的大力支持。感谢陕西省镁基新材料工程研究中心，国科镁业科技（河南）有限公司和陕西南洋镁创科技有限公司相关人员的大力协助。