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美国大蓝公司:开发铝热还原工艺生产原镁

  • 发布人:中国镁质材料网
  • 发布时间:2023-11-08
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本文作者为大蓝技术公司Aaron Palumbo,原文发表于Light metal Age (October 2023)。在此编译发表,仅为业内交流,不代表我们认同本文的观点。

金属镁再次引领趋势。镁在20世纪30年代和40年代最初的繁荣周期,是由第二次世界大战引发的,并带来了一系列基础性的生产技术,而今天的生产工艺,在很大程度上要归功于这些技术。随着便携式电子产品的出现,在20世纪80年代和90年代,镁的最终用途迅速扩大。2021年,随着镁价达到历史新高,以及主要的供应链中断和对环境影响的敏感性,镁市场出现了一个新的波动周期。目前,镁是美国能源部和欧盟关键原材料联盟认定的关键材料,西方世界指责全球供应的地域不平衡。在气候技术基金和行业领袖的参与下,各国政府准备为其中许多努力提供支持。

自20世纪初首次商业化生产以来,镁的使用一直以平稳的速度呈上升趋势。作为最轻的结构金属,镁的应用在各种相关行业普及,巩固了它对更广泛的制造业的基础性支持并展现其重要性。最新的例子是将镁用于轻型电池驱动的电动汽车。更轻的重量,意味着更大的续航里程和/或更小的电池组,这减少了对钴等电池材料的依赖。

然而,生产金属镁的过程颇为困难,而且往往存在危险。之前的很多项目,都因为缺乏对核心冶炼技术的重视而失败。也许这就是为什么占主导地位的技术是一种劳动密集型的技术。中国的皮江法是一种硅热法,因其高劳动强度和能源强度而受诟病。并不先进的技术所形成的目前全球原镁生产格局,加剧了客户的许多供应链痛点。

将一种新的金属生产工艺推向市场的传统方法是收购矿产资源或海洋资产,然后选择或委托一项冶炼技术。这种商业模式并不适用于镁。作为地壳中丰度第八的元素,众所周知,镁不受资源限制,“几乎取之不尽,用之不竭(Merrill, A.M., “Magnesium Compounds,” Mineral Commodity Summaries, USGS.gov, January 2023)”。勘探和加工企业正寻求开发镁矿床或副产品的直接和间接价值,却发现不存在可以赚钱的有竞争力的冶炼技术。由于没有现成的途径,这些企业发现每个设施都是独一无二的,即使是那些采用相同技术工艺的设施。即使是硅热还原法,巴西RIMA工业公司的工艺也与中国皮江法生产大不相同。因此,每个项目都有一组独特的风险,这些风险只能通过强大的雄心和或许雄厚的财力来应对。

在过去和当前的周期中,有许多利益相关者希望看到这种“小金属”蓬勃发展,成为一种具有重要社会经济意义的材料,接近甚至达到其轻金属姐妹铝的水平。要实现这一目标,需要技术来推动价格下降,同时保持有吸引力的利润率。新的供应商也需要是具有可靠性和稳定性的。恢复市场平衡和重构生产布局,只能通过解决镁的实质性挑战来实现,这需要从核心冶炼单元操作开始。如果要从历史中吸取教训以避免重复失败,大蓝技术公司(BBT)团队已经把重点放在了提高成功几率的冶炼方面。在这样做的过程中,团队可以确认一个永恒问题的答案:这一次镁会成熟吗?

推进铝热还原工艺

BBT起源于科罗拉多大学博尔德分校。十年来,创始人一直在评估和创新各种热能或热法冶金工艺方案。从基础研究到试验,该团队已经研究了几乎所有可行的金属镁生产原料和工艺配置。这项技术探索使该团队在铝热还原(ATR)上取得进展。为了提高安全性和可扩展性,该团队目前在怀俄明州Cheyenne市外运营ATR试验设施(图1)。在验证关键操作技术的同时,BBT已经开始与工业合作伙伴一起向年产2000吨的商业示范工厂过渡。

铝热工艺在概念上很简单:将铝金属和镁矿石加热到1000°C左右,从炉料中提取金属镁,并同生产增值耐火材料。使用熔盐冷却来严格控制冷凝条件(图2),可以连续生产高质量的金属镁。采用最先进的自动化和控制,该过程可以在没有人在场的情况下操作,减少了劳动力并设定了安全标准。使用废铝可以降低成本和排放。在这种配置中,铝热还原ATR代表了所有生产技术中最低的能源需求,并解决了与热加工生产工艺过程中的与劳动强度和环境影响的相关的问题。

从资源开始

值得指出的是,任何镁金属生产路径几乎都可以使用任何含镁资源。Emley在他的开创性著作中阐述了这些基础化学(Emley, Edward F., Principles of Magnesium Technology, Pergamon Press, 1966)。天然存在的氯化镁,比如在大盐湖和死海高浓度存在的氯化镁,可以很容易地转化为氧化物。同样,菱镁矿、蛇纹石和任何其他陆基矿石都可以转化为氯化物。这些都是每天由各种工业参与者和各种市场进行的大规模生产所完成的,而金属镁生产只是其中之一。

例如,20世纪40年代初,加州Permanente的碳热金属镁生产厂使用海水作为其资源(Elkins, D.A., Placek, P.L., and K.C. Dean, “An economic and technical evaluation of magnesium production methods (in three parts): 2. Carbothermic,” U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines, 1967)。与此同时,陶氏化学公司(Dow Chemical)在其位于德克萨斯州自由港(Freeport)附近的电解生产厂开始使用来自墨西哥湾沿岸的海水(Ball, C.J.P., “The History of Magnesium,” The Journal of the Institute of Metals, February 1956)。因此,使用海水并不局限于任何特定的冶炼技术。事实甚至更加微妙。Permanente和陶氏化学的历史工艺都使用石灰(煅烧碳酸钙)和海水作为主要原料。石灰经过高温煅烧,化石燃料的燃烧和矿石本身的分解直接释放出二氧化碳。

听起来是不是很熟悉?皮江法还必须煅烧白云石原料。此外,陶氏镁厂同时还产生了大量的残渣,形成了一个大的废物堆,这就是著名的镁山(Brandt, E.N., We Called it MAG-nificent: Dow Chemical and Magnesium 1916 – 1998, Michigan State University Press, 2013)

ATR工艺的排放影响主要取决于氧化镁的来源,陆地还是海洋。消费前废铝(工艺废铝)或消费后废铝之间的排放差异也对总体碳足迹有所影响。在实践中,需要在产品成本和与产品相随的环境影响之间做出认真的权衡。不管怎样,现有的皮江工艺的碳排放量过高,而BBT工艺显示至少减少了60%的碳排放。为了达到95%的减排,甚至是零排放,氧化镁需要来自非碳酸盐矿石,或者需要在煅烧窑中实施碳捕获解决方案。许多参与方正在研究这些技术。

电解与热还原

热工艺作为一个分类类别,有点用词不当。电解槽的工作温度高达750°C,其中热工艺温度可低至1000°C。对于这两种工艺路径,与生产金属的化学反应热相比,加热系统所消耗的能量很小。当电子来自铝(用于ATR)时,与电解和硅热相比,所需的总理论能量最低(表I)。

表1 金属镁生产路线中原镁冶炼装置运行参数(来源:Ehrenberger, S. “Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction,” German Aerospace Centre e.V., 2013)

参数

电解法

皮江法

BBT 铝热法

额定工作温度(K)

973

1473

1373

理论最小能量

(kWh/kg Mg)

7.3

4.3

3.1

公布的能量消耗

(kWh/kg Mg)

14

14

8

碳排放

(kg CO2eg/kg Mg)

5.9*

4-7

3.3*

* 根据美国电网电力平均排放值(0.418 kgCO2eq/kWh)估算(资料来源:“How much of U.S. carbon dioxide emissions are associated with electricity generation?” U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=77&t=11, site visited August 11, 2023)

中国的皮江工艺在核心冶炼步骤中直接燃烧化石燃料。尽管热法工艺与皮江法同属一个类别,但可以电气化代替。前面提到的Permanente工厂就是一个例子。目前,巴西(RIMA)和塞尔维亚(Mg Serbien)的两座热法镁厂仍在运行。高温炉通常是消耗能量最多的步骤。电气化是镁工业未来发展的一种方式,可以避免直接排放,并结合可再生能源。由于ATR过程比其竞争对手需要更少的能源,因此即使使用当今发电厂的电网供电,它也可以实现低排放影响。

每种技术途径的挑战是截然相反的。电解工厂面临上游原料脱水的挑战;热法镁厂需要在镁蒸汽的下游冷凝和回收方面进行创新。经过近7年的热还原系统研究,BBT团队找到了一种在全电气化冶炼操作中精确控制冷凝过程的方法。

迈向更轻量化和轻松的未来

镁的好处已经不是秘密了。在众多行业中,镁是首选材料,如果价格降低,其他行业也会选择镁。这就是镁的真实情况:原镁供应行业的状况阻碍了商品化和高价值应用的增长。限量的标准化镁合金,可能直接与缺乏下游应用供应商参与有关。原镁项目一直并将继续充满失败和失望。数十亿美元已经损失。开发和商业项目的历史,伴随了爆炸、设备损失、商业损失、地方和国家工业损失以及生命损失。现在只是缺乏专业知识。谁想在这个行业工作?

Bob Brown先生以前所写的关于澳大利亚镁项目的文章仍然可查阅。澳大利亚拥有一些世界上最好的镁矿床,在20世纪90年代有十几个项目启动。尽管有数千万美元的私人和公共投资,但它们都没有成功实现全面商业化。

在上世纪90年代末开始,皮江法工艺镁产量迅速增长,电解镁的市场份额突然发生了逆转,从大约10年前的70%以上下降到今天的不到20%。考虑到一些引人注目的失败项目、公司亏损和令人不安的资本密集度,BBT相信,原镁供应的未来掌握在任何能够平衡成本、可持续性和安全性的人手中——这似乎是只有选择热法工艺路线才具备的特征。

扩展可行的金属镁生产概念并以具有成本竞争力的方式生产,是真正支持客户并实现新的最终用途的唯一途径。客户的主要诉求,是质量一致且能够准时交货。

最后,让我们再回顾下Emley那本书中的献词:“献给所有努力建设镁工业的人们;也感谢那些以耐心和理解支持他们努力的伙伴。”

参考资料:

Merrill, A.M., “Magnesium Compounds,” Mineral Commodity Summaries, USGS.gov, January 2023.

Emley, Edward F., Principles of Magnesium Technology, Pergamon Press, 1966.

Elkins, D.A., Placek, P.L., and K.C. Dean, “An economic and technical evaluation of magnesium production methods (in three parts): 2. Carbothermic,” U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines, 1967.

Ball, C.J.P., “The History of Magnesium,” The Journal of the Institute of Metals, February 1956.

Brandt, E.N., We Called it MAG-nificent: Dow Chemical and Magnesium 1916 – 1998, Michigan State University Press, 2013.

Ehrenberger, S. “Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction,” German Aerospace Centre e.V., 2013.

“How much of U.S. carbon dioxide emissions are associated with electricity generation?” U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=77&t=11, site visited August 11, 2023.

Brown, R., “Magnesium Summary 2011,” Australian Journal of Mining, August 2011.

【关键词:美国大蓝公司 原镁

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