中国镁冶炼技术的当前进展与未来展望

一、镁行业现状及节能减排的意义

近几年，国内在镁冶炼技术开发方面开展了大量而富有成效的工作，通过借鉴其它行业，并结合现有冶炼工艺技术，镁冶炼技术有了较大提升。目前国内基本采用皮江法工艺生产，近些年国内外出现的一些典型新型镁冶炼技术，有些方法已经进入了中试阶段，还有一些仍处于实验室研究阶段，这些新方法为镁冶炼的发展提供了很好的研究思路和方向。

1. 镁行业现状

金属镁经过 200 多年的发展，经过优胜劣汰到目前, 镁的生产工艺主要分为熔盐电解法和热还原法两大类。电解法制镁是将氯化熔盐电解生成液态镁。此法生产过程连续, 可实现机械化、自动化生产，但是工艺复杂、投资大, 原镁产品纯度低, 生产过程中会产生大量的废气、废水和废渣, 对人体和环境形成危害。

热还原法是通过还原剂还原氧化镁产生气态镁的工艺, 热还原法生产流程简单, 生产规模灵活, 建设投资少, 建设周期短, 而且可直接利用天然镁矿石作原料。但是大多数热还原法机械化程度低, 需要大量的人力。目前，金属镁的生产方法是以硅热皮江法为主（占世界镁产量80%）。

2. 皮江法工艺的技术创新与进步

创新技术应用，从1990年至2023年，中国原镁经历了30多年的飞速发展。废热回收驱动蒸汽喷射泵的应用、节能环保型回转窑余热利用技术、粗镁精炼炉蓄热燃烧技术、粗废镁无熔剂连续复合精炼技术、还原渣余热回收技术、镁结晶器余热回收技术与竖罐炼镁技术等新技术的出现，不断提升皮江法工艺技术，减少了污染、降低了能耗，也使得原镁冶炼的成本在不断降低。

3.镁资源利用情况

在自然界已知的1500种矿物中，镁的化合物占200多种。目前只有少量镁化合物被用来生产金属镁，主要是菱镁矿、白云石、光卤石及海水、盐湖水中的MgCl2。

4.目前镁冶炼技术存在的问题及挑战

5.节能减排的意义

节能是成本最低的减碳技术手段

节能是能源科技领域的永恒主题

节能技术水平的高低已成为衡量一个国家能源利用情况的综合性指标，也是一个国家总体科技水平的重要标志之一。工业炉窑是目前金属镁厂二氧化碳排放及用能设备中的重点耗能设备。显然，炉窑节能减排意义十分明显，提高炉窑能源利用率是金属镁行业开展节能减排、减碳工作的重点方向。

有色金属行业碳排放最大依次是电解铝、铜精炼、工业硅、镁冶炼。其中电解铝、工业硅、镁冶炼是高排放行业。镁冶炼是有色金属行业单位碳排放最高企业；同时，金属镁行业又是有色行业能源利用率最低的企业。能源利用效率低下，环境污染严重，节能任务艰巨！

二、镁行业节能减排的途径

主要节能减碳的途径

优化改进工艺；

优化创新燃烧技术；

改进装备完善生产操作；

开发研制新式炉窑装备；

完善自动化控制；

充分利用余热技术；

实行工厂科学管理；

煅烧窑和还原炉是节能减碳的重点

1、几种先进的炉窑节能减排加热技术

蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧技术（HTAC技术）；

富氧（或全氧）燃烧技术，有利于实现清洁生产，氮氧化物大幅度减少，CO2 回收综合利用或封存；

微波加热技术，作为一种高效、节能和环境友好的内加热技术，在金属镁冶炼中具有广阔的应用前景和潜在的应用价值；

等离子加热技术，作为一种高效、节能和环境友好的加热新技术，非常适合用于金属镁行业；

气、电混烧技术，一种高效、节能、减排新技术；

电磁感应加热新技术；

球团预热技术的应用，可大幅度节能；

2、几种先进的煅烧装备

麦尔兹煅烧窑

90年代由瑞士麦尔兹公司引进中国，国内已有近百座双膛石灰窑。技术成熟，全自动化控制，操作维护简易。

套筒窑

又称贝肯巴赫窑，由德国贝肯巴赫公司开发，09年引进中国钢铁行业。套筒窑的优点非常明显，套筒窑煅烧过程同时采用了气流的并流和逆流原理，有效地解决了生、过烧问题，提高了石灰（煅白）的活性。

气态悬浮煅烧炉

气态悬浮焙烧炉是二十世纪八十年代以来，我国开始引进的具有世纪先进水平的氢氧化铝焙烧技术与设备。现已成功应用于菱镁矿的煅烧。该炉型具有热耗低、投资少、设备简单、使用寿命长、维修费用低、自动化程度高、有利于环境保护等特点，截止到目前，我国已投入使用和正在建造的气态悬浮焙烧炉约有近百台之多。

流态化煅烧炉

和气态悬浮煅烧炉一样，也是二十世纪八十年代，我国引进的具有世纪先进水平的金属矿物煅烧技术与设备。该炉型具有热耗低、投资少、设备简单、使用寿命长、维修费用低、自动化程度高、有利于环境保护等特点，已广泛应用于锌精矿、铜精矿、金精矿、锡精矿、镍精矿、红土矿、硫铁矿等物料的焙烧。

焦粉微波混合煅烧炉

焦粉微波混合煅烧炉，是我院与湖南中晟热能公司联合开发的一种新式节能环保煅烧炉，白云石煅烧均匀，质量好，烟气量大幅度减低，烟气中的CO2 浓度较高，有利于回收CO2 综合利用或封存，实现清洁生产

电磁加热回转窑

近年来，电磁加热回转窑作为一种新型加热设备，因其独特的优点而备受关注。电磁加热回转窑相比传统的加热方式具有更高的能量利用率；具有显著的环保优势；具有较高的灵活性，适应性。

三、镁行业炼镁技术的进步与创新

1、皮江法工艺的技术创新（国外）

波尔札诺法

波尔札诺法也称为内热还原法, 起源于意大利 Bolzano,此法从皮江法演化而来, 所用的原料与皮江法一样。该工艺采用的是还原室, 不用高温钢合金还原罐, 也大大节约了成本。内部采取电加热接对团块而不是对整个反应器加热, 能量消耗比皮江法低很多。反应温度较高, 镁的产出率也相应提高, 降低了原料的消耗。

马格内姆法

马格内姆法是六十年代由法国彼施涅铝业公司的子公司电冶金公司开发并工业化的, 后经不断完善和发展起来的一种新的硅热炼镁工艺。是一种以煅白为原料, 加入少量铝土矿为造渣熔剂, 硅铁( 硅铝) 为还原剂, 在半连续导电电炉中, 于 1500-1600C°及 4000Pa 低真空条件下热还原炼镁的方法, 因此也称为熔渣半连续法。

MTMP 法

上世纪80年代, 南非Mintek公司针对更加连续的热还原制取镁技术展开研究, 发明的一种工艺 , 此工艺到目前为止还在进行小批量实验, 没有完全实现工业化。

2.美国大蓝科技公司炼镁技术简介

美国大蓝科技公司（Big Blue Technologies）成立于2015年，是科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程系的衍生公司。大蓝公司分别进行了碳热还原（CTR）生产金属镁及连续铝热还原法生产金属镁研究和试验。2021年，BBT建造了一台加热功率50千瓦的真空电弧炉，该还原炉以1公斤镁/小时的速度运行。

镁蒸气以两步工艺法进行冷凝和精炼。粗Mg（70-85%）首先冷凝到冷凝器的侧壁上。冷凝器类似于管壳式换热器，使用熔融氯化物盐作为冷却液（400-500°C）。随后，冷凝器的温度升高（700-750°C），使镁蒸发，并收集99.9%的金属镁产品。

该技术的核心是冷凝器设计：

在较低的真空条件下（1-10mbar）冷凝；

在相对较高的温度下冷凝，以促进大晶体生长并减轻自燃细粒（400-550°C）；

导致冷凝物暴露于CO气氛的时间相对较短。

与皮江法还原炉相比。能源减少60-80%，，Mg的冷凝器产量和还原热效率是最重要的工艺性能因素，还原剂使用过石油焦、炭黑、生物炭和石墨。

大蓝公司在西部高产资源公司（WHY）正在建设一条示范线，采用闭路HCl浸出和连续铝热还原法从蛇纹石中提取金属镁的扩大试验。其工艺路线如下：

西部高产资源公司蛇纹石生产氧化镁工艺流程图

西部高产资源示范线还原炉采用真空电加热方式，较低的还原温度，能源消耗<8 kWh/kgMg；采用特制的BBT冷凝器，与还原炉串联操作相对较容易。大蓝的铝热法试点系统已投入运行，目前正在测试连续运行情况。原材料成本驱动因素必须通过尖晶石的销售来抵消，使用蛇纹石原料具有盈利能力，未来准备使用氢气和可再生电力资源。