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鎂行業(yè)分析:突破“瓶頸”,雙碳推動(dòng)鎂冶煉“低碳化”升級

作者:管理員 發(fā)布時(shí)間:2022-10-20 09:42:44點(diǎn)擊:208

1. 鎂行業(yè)基礎信息及現狀

1.1. 鎂資源豐富,應用廣泛

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一,主要分布在白云石礦、鹽湖、海水等資源中。鎂在 自然界中有固體和液體兩種存在形式,固體包含菱鎂礦、白云石、蛇紋石等;液體包含海水、 天然鹽湖水以及地下鹵水。目前開(kāi)采鎂資源主要來(lái)自菱鎂礦(MgCO3,鎂比重 28.8%)和白 云石礦(MgCO3·CaCO3,鎂比重 13.2%),其次為海水苦鹵、鹽湖鹵水以及地下鹵水。

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金屬鎂的比重是 1.74g/cm3,只有鋁的 2/3,鈦的 2/5,鋼的 1/4,具有比強度、比剛度 高,切削加工性以及加工成本低和易于回收等優(yōu)點(diǎn)。鎂合金應用于產(chǎn)品構件輕量化效果好、 節能減排效果顯著(zhù)。 鎂合金除了具有顯著(zhù)的結構輕量化優(yōu)勢之外,還具有很好的功能特性,可進(jìn)一步拓寬鎂 合金的應用領(lǐng)域。鎂合金具有高的阻尼減振性能,其主要阻尼機制是位錯阻尼,阻尼性能一 般是鋁合金的 15 倍、鋼的 60 倍。鎂合金具有高的導熱性能和散熱性能,其總體散熱性能優(yōu) 于鋁合金。鎂合金具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能,常規商用鎂合金在 30-1500MHz 頻率范圍內的 電磁屏蔽效能一般可達 50dB 以上,明顯優(yōu)于相同厚度的部分鋁合金。鎂合金具有良好的能 源特性,純鎂的理論儲氫量高達 7.6%,作為電池負極材料可以使電池具有很高的理論比容量 (2.22A?h/g),因此作為儲氫材料和電池負極材料展現出巨大的潛力。 因此,鎂合金應用的產(chǎn)業(yè)定位主要有汽車(chē)、軌道交通、建筑、3C、休閑和健康、軍口、 能源等重要行業(yè)。其中,交通工具、電子信息和建筑等行業(yè)對鎂合金零部件的需求近年來(lái)急 劇增加。作為我國獨特的戰略性金屬和新型結構材料,鎂在交通輕量化、新能源材料、環(huán)保 產(chǎn)業(yè)、消費電子、海洋工程、航空航天以及軍工配套、軍民融合等領(lǐng)域將發(fā)揮更大的作用。

1.2. 高端制造領(lǐng)域推動(dòng)鎂基新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展廣闊空間

鎂產(chǎn)業(yè)鏈包含上游提煉、中游鑄造塑性及下游深加工。上游提煉主要包括鎂礦石的分離、 提煉,海水鹽湖提煉等,從含有鎂元素菱鎂礦、白云石等提煉出原鎂;中游鑄造塑性是將原 鎂轉化為鎂合金,再對鎂合金通過(guò)鑄造和變形的成型工藝以生產(chǎn)鎂合金合成型材與鑄件;下 游產(chǎn)業(yè)通過(guò)壓鑄對鎂合金進(jìn)行深加工,形成能滿(mǎn)足下游特殊性能需求的鎂合金系列材料。

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根據中國耐火材料行業(yè)協(xié)會(huì )資料,全球菱鎂礦下游主要應用為合金,涉及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域逐步 擴大。伴隨合金成型工藝不斷發(fā)展,,可生產(chǎn)合金性能更為優(yōu)越,逐漸滿(mǎn)足更多應用場(chǎng)景需 求。同時(shí),由于合金較高性?xún)r(jià)比,及上游資源的豐富儲量,其作為新興輕質(zhì)材料在汽車(chē)、3C 和 航空航天領(lǐng)域的應用逐漸普及,目前全球新生產(chǎn)汽車(chē)方向盤(pán)骨架基本均采用合金為材料,伴 隨行業(yè)節能減排的要求提升以及材料行業(yè)迭代更新,行業(yè)發(fā)展前景廣闊。

2. 雙碳推動(dòng)鎂冶煉工藝升級,降碳降能耗技術(shù)大勢所趨

20 世紀初世界原鎂產(chǎn)量的 80%由電解法生產(chǎn),20%由熱還原法生產(chǎn)。90 年代后熱還原 法原鎂產(chǎn)量迅速增長(cháng),加之電解法的生產(chǎn)成本較高,國內外的電解法紛紛關(guān)閉。目前,世界 原鎂 80%由熱還原法生產(chǎn),其中 90%以上由熱還原法中的皮江法生產(chǎn)。

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鎂冶煉行業(yè)是一個(gè)高能耗的能源密集型行業(yè)。生產(chǎn)鎂的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量三廢,其單位 金屬的溫室氣體排放量是鋼鐵行業(yè)的 5 倍。早在 08 年發(fā)改委就發(fā)布了《鎂冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品 能源消耗限額》并且該能源消耗限額強制性國家標準逐漸嚴格。2011 年發(fā)改委在《產(chǎn)業(yè)結構 調整指導目錄》中將鎂冶煉列入限制類(lèi)名單。隨著(zhù)我國提出“碳達峰、碳中和”目標和相關(guān) 環(huán)保政策,高能耗、高污染的工藝現狀與日益收緊的節能、環(huán)保政策之間的矛盾越發(fā)凸顯, 我國鎂冶煉行業(yè)提出了諸多機遇和挑戰。 二十世紀九十年代初,得益于豐富易取的原材料、低廉的勞動(dòng)力和早期粗放的環(huán)保要求, 技術(shù)門(mén)檻相對較低的皮江法真空硅熱煉鎂工藝在我國得到推廣。皮江法是利用硅鐵(Si>75%) 還原煅燒后的白云石生產(chǎn)鎂。雖然皮江法煉鎂技術(shù)在過(guò)去的 20-30 年間取得了很大的進(jìn)步, 但皮江法鎂冶煉技術(shù)存在的問(wèn)題及挑戰還有很多:“三廢”排放多、熱還原反應生成金屬鎂的廢渣,仍未得到較好的處理,環(huán)保壓力大;能耗高、成本高;自動(dòng)化、智能化水平低; 不能實(shí)現連續化、規?;?;資源綜合利用低。

鋁熱法

鋁熱法煉鎂作為一種高效、節能、環(huán)保的煉鎂技術(shù),是在碳中和背景下真空熱法煉鎂的 發(fā)展方向之一。鋁熱法是采用鋁粉為還原劑的一種金屬熱還原法,鋁熱法煉鎂技術(shù)以氧化鎂 或白云石為原料以鋁粉為還原劑在真空條件下熱還原制取金屬鎂,同時(shí)副產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣和鎂 鋁尖晶石或鋁酸鈣水泥。生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)廢渣、無(wú)廢水外排,環(huán)境友好。 鋁熱法解決了白云石煅燒尾氣排放問(wèn)題;解決了鎂冶煉過(guò)程中還原渣的問(wèn)題,實(shí)現了“廢 氣、廢渣”零排放。能減少鎂行業(yè) 50%土地的占用,還原物料總量減少 52%;實(shí)現了“廢氣、 廢渣”零排放;打造環(huán)保節能企業(yè),清潔生產(chǎn);有利于優(yōu)化金屬鎂產(chǎn)業(yè)結構和我國鎂行業(yè)可 持續發(fā)展。

相較于皮江法,鋁熱法一方面能耗更低,去除鎂鋁尖晶石及輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品后,噸鎂能 耗 0.561tce/t;另一方面碳排放更低,在清潔生產(chǎn)上更進(jìn)一步。

單看得到金屬鎂的生產(chǎn)成本來(lái)說(shuō)鋁熱法比皮江法更高,鋁熱法煉鎂得到金屬鎂的同時(shí)還 會(huì )得到輕質(zhì)碳酸鈣和鎂鋁尖晶石產(chǎn)生收入,隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,未來(lái)鋁熱法成本有望持續降低, 具有成本優(yōu)勢。

實(shí)際上由于改變生產(chǎn)方法需要新建生產(chǎn)線(xiàn),年產(chǎn) 100kt 金屬鎂的生產(chǎn)線(xiàn)需建設投資 15 億 元,項目建設也需要 16~18 個(gè)月,并且需要鋪設輕質(zhì)碳酸鈣和鎂鋁尖晶石的銷(xiāo)售渠道,鋁熱 法的使用規模暫不及皮江法。

真空碳熱還原法

真空碳熱還原煉鎂(VCTRM)工藝具有低成本、低能耗、低資源消耗、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被認 為是一種理想的鎂清潔生產(chǎn)工藝。 真空碳熱還原相比于皮江法和電解法能耗分別降低了 42.9%和 27.5%。并且相比于皮江 法,碳熱法可處理的原料更廣,菱鎂礦和硅鎂鎳礦都可作為提取金屬鎂的原料。

碳熱還原煉鎂在成本和能耗方面都要低于皮江法,生產(chǎn)過(guò)程中冷凝鎂易燃易爆的問(wèn)題目 前得到一定程度的解決,但是鎂蒸汽與 CO 發(fā)生逆反應污染冷凝鎂的關(guān)鍵問(wèn)題制約了其工業(yè) 化應用。

再生鎂技術(shù)

鎂及其合金是易于回收的金屬,目前使用的鎂合金均可以回收。報廢鎂合金產(chǎn)品回收處 理技術(shù),不僅對于減少環(huán)境污染、節約能源、降低成本、延長(cháng)使用周期具有重要意義,也有 利于緩解鎂供給受限和下游需求大的市場(chǎng)矛盾。各地大型鎂加工企業(yè)也開(kāi)始投入資金和技術(shù) 開(kāi)發(fā)回收技術(shù),像重慶鎂業(yè)股份有限公司為了開(kāi)發(fā)鎂資源專(zhuān)門(mén)成立了萬(wàn)盛鎂廠(chǎng),其中一個(gè)很 重要的職能就是對壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中的廢件及毛邊料和失效報廢鎂合金零部件進(jìn)行回爐提煉, 生產(chǎn)出合格的再生錠,其成本和質(zhì)量遠遠優(yōu)于鎂礦產(chǎn)品。

天然氣替代煤炭作為鎂冶煉能源

天然氣較煤的利用效率更高,燃燒排放的 CO2、SO2、NOX 以及煙塵較少,可在節能減排 過(guò)程中發(fā)揮重要作用。噸鎂冶煉需約 1100m3 天然氣,1m3 天然氣與相應可替代的煤炭相比, 可節約能量 11%~73%,減排二氧化碳 47%~84%,氮氧化物 44%~95%,二氧化硫和煙塵近 100%。根據公司公告,云海金屬旗下五臺山云海、巢湖云海部分采用天然氣替代煤,有利于 降低能源成本。 總體看,雙碳背景下低碳技術(shù)及能源結構升級將加速推動(dòng)鎂冶煉低碳環(huán)保工藝發(fā)展,具 有相應技術(shù)的企業(yè)將獲益于成本降低及得到更多市場(chǎng)機會(huì )。

3. 能耗雙控下行業(yè)供給端或將邊際收縮

3.1. 我國鎂儲量和產(chǎn)量全球第一,榆林產(chǎn)量全國第一

儲量方面,中國是世界上鎂資源最豐富的國家之一 全球鎂資源豐富,分布廣泛。根據亞洲金屬網(wǎng)數據統計,全球鎂金屬儲量龐大分布廣泛, 全球的菱鎂礦儲量達 240 億噸,多分布于中國、朝鮮、俄羅斯等地。

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我國菱鎂礦所探明的儲量就有 27 處,主要分布在河北、遼寧、安徽、山東、四川、西藏、 甘肅、青海、新疆等 9 個(gè)省區,其中以遼寧省資源儲量最大,占全國總儲量的 85.62%,其次 是山東,占全國總儲量的 9.54%。儲量稍大的還有西藏、新疆和甘肅等省區。我國菱鎂礦的主 要資源特點(diǎn)是儲量相對集中,大型礦床較多;礦床類(lèi)型較為單一,主要是積變質(zhì)-熱液交代型 菱鎂礦;特別是遼寧省的礦石品質(zhì)優(yōu)良,一般 MgO 的含量都在 46%~47%。


產(chǎn)量方面,中國一直是全球主要原鎂供給國

2021 年全球金屬鎂產(chǎn)量為 103 萬(wàn)噸,同比增長(cháng)了 0.3%。我國原鎂產(chǎn)量 94.99 萬(wàn)噸,同比 縮減 1.27%。中國之外的鎂產(chǎn)量,美國 4 萬(wàn)噸,俄羅斯 2.4 萬(wàn)噸,巴西 2.2 萬(wàn)噸,以色列 1.83 萬(wàn)噸,其他 0.5 萬(wàn)噸。


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