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

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。

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

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

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。

图2 两种镁生产艺在资源、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。

来源： JMACCMg