杨博
中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司 陕西西安 710054
摘要：分析了我国金属镁冶炼行业的现状及特点，对我国炼镁企业的环保技术现状进行了概括。指出我国金属镁冶炼行业存在产能过剩严重、生产过程高污染高耗能、行业排放标准不尽合理、行业环境管理水平低等问题。为推进我国金属镁冶炼行业绿色转型发展，建议出台行业环境管理指导意见、开展电解法炼镁关键环保技术研究、尽快启动行业污染排放标准修订、加强无组织排放管控和固体废物处置力度。
关键词：金属镁；冶炼；工艺
引言
镁是十分常见的有色金属之一,也是最轻的一种金属结构材料。镁以其独特的性质,在社会经济发展中越来越受重视,得以不断发展,自20世纪90年代初开始,国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化,钢铁、铜、铝、锌等传统材料的应用增长缓慢,而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起,以每年20%的速度持续增长。世界各国高度重视镁合金的研究与开发,将镁资源作为21世纪的重要战略物资,加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的应用开发与研究,镁合金已成为世界最令人瞩目的绿色环保工程材料,属21世纪的朝阳产业,因此镁合金得到了广泛的应用。特别是近几年来国外采用镁压铸件取代汽车某些钢制和铝质零部件引起人们的极大关注。我国镁冶金的技术仍然是落后的,是以牺牲环境和燃料资源为代价的,我国已经是产镁大国,但还远远达不到产镁强国的地位。
1镁冶炼主要原料
含镁矿物有1500多种，但适合炼镁的矿不多，矿物不同，选择的冶炼工艺就可能不同，因此首先对矿物类型、特点作简单的介绍。镁在自然界中主要以液体矿和固体矿形式存在，液体矿主要成分为MgCl2，固体矿主要成分为MgO、MgCO3等。随着铁、铝、铜等金属矿产资源的日益枯竭，镁以其丰富的矿产资源受到了广泛关注，目前镁合金材料的研究和应用已经成为世界的热点之一。中国镁矿资源分布广、类型全，占世界总储量的23.1%，是世界上原料占有量最大的国家，我国是镁矿资源大国，为产业发展奠定了基础。盐湖卤水是目前主要电解法原料，白云石是热法炼镁的主要原料。
2金属镁冶炼工艺
2.1南非热法镁冶炼工艺技术
南非MINTEK热法炼镁工艺技术（简称MTMP工艺技术）的中间试验厂已经获得成功，正在准备新建示范厂和进一步扩大到工业生产中。新工艺技术由MINTEK公司和英美ESKOM公司共同研究开发，进行了五年的科研工作，MINTEK公司直流电弧炉熔炼技术在全球处于领先地位，正是这一技术促成了镁冶炼新工艺技术。热法炼镁工艺技术从煅烧白云石中获得镁蒸气，经过冷凝在冷凝器中形成镁液，为连续生产，在常压下排放镁液并从炉中除渣，所以劳动生产率高，在投资和生产成本上具有明显优势。
2.2采用先进的燃烧技术
采用先进的燃烧技术以降低热耗:采用煤气或重油为燃料可以严格控制炉温,缩短装出料引起的温度波动时间,同时可以降低燃煤对于还原罐的侵蚀,延长还原罐的寿命。也可以避免燃煤的污染问题。采用煤气加热可以是还原周期从12h缩短为8h[8],每天产量增加50%。据报道维恩克公司[1～2]采用水煤浆技术,附加余热交换器,用来预热水煤浆,同时改变装出炉顺序,减少同时装出炉的罐数,以减少炉内温度场波动，可以节约燃料20%。采用内热式多热源电加热方法:多热源的温度场叠加会提高反应时间,热效率利用率也非常高,同时选用电热具有环保意义。
2.3开展电解法炼镁关键技术研究，进一步提升行业清洁水平
电解法炼镁使用清洁能源，污染排放明显优于皮江法。挪威Ｎ．Ｈ．公司波斯格龙镁厂使用无隔板电解槽生产镁技术，早在２０世纪９０年代就实现了近零排放。我国洛阳双瑞万基以电解法炼镁，用作钛生产的还原剂。
其电解镁车间几乎无环境污染。青海格尔木金属镁一体化项目一期设计产能１０万ｔ/ａ，超过了所有的皮江法炼镁企业，远期规划更是达到４０万ｔ/ａ，占我国目前原镁产能的２６％，极可能显著改变我国原镁发展远景。建议开展青海格尔木金属镁项目关键技术、特别是氯化炉尾气和电解槽阴极气体处理等关键环保技术研究，助力企业快速走上运行轨道，提升我国镁冶炼行业的整体清洁生产水平。
2.4废热利用及装料和扒渣设备
还原炉的废热利用:皮江法工艺从还原炉排出的废气温度在1100℃左右,含有大量的热焓,目前比较成熟的技术是利用余热锅炉产生蒸汽带动蒸汽喷射泵替代机械真空泵,从而降低电耗。另外还可以采用废热发电,据报道[9]山西清徐某厂利用还原炉余热发电,节煤48%,吨镁成本降低1069元。研制和开发装料和扒渣设备[6]:可以减少装出料时间,缩短还原周期,同时提高生产自动化水平,降低工人劳动强度。据了解南京白云石矿自己设计了扒渣机,湖南镁厂从日本购进了四用扒渣机(加料、扒渣、清罐、拉镁结晶器),但目前使用效果不佳。据说国内正在设计气动扒渣机(包括扒渣机、输送机和除尘系统)。
2.5电解法
电解法是西方国家原来优先采用的工艺，该工艺吨镁电耗为10500～13500kW·h，如果将原料制备到电解、治污的过程全计算在内，吨镁能耗约为7.7～9.428tce，CO2排放23.506tce，吨镁投资在40000～50000元，是皮江法的4～5倍，其中处理氯气的烯烃、VCM、PVC投资是皮江法的8～10倍，吨镁生产成本低于或等于皮江法成本，在综合利用的基础上国外有少数几家在使用该法生产。单厂产量低于35000t/年时，电解法一般不经济［1］。电解法依资源而存在，其弊端在于原料制备工艺流程过长，电解产生大量氯气、废渣，处理副产物及废渣投资大，给炼镁生产造成负担。我国拥有世界上储量第二的盐湖矿，电解法炼镁有一定的发展空间，在这里不作重点论述。
2.6碳还原剂
碳是早期热法还原采用的还原剂，尽管碳还原剂价格最低并且容易得到，工艺还原温度在1350～1520℃，总能耗及CO2排放最低，理论还原工序能耗碳热法约是硅热法的1/3，但还原反应产物CO与镁蒸气一同产生，收集镁蒸气时温度在250～1200℃范围内，此时，CO对镁蒸气及镁金属有再氧化作用，造成镁还原率低，并且MgO易混入收集的镁中。澳大利亚通过激冷的方法成功解决了这个问题，但因为镁固有的冷却特点，得到的是粉状镁金属。粉状镁金属极其活泼，在有火星及空气的条件下极易发生爆炸，存在重大安全隐患。澳大利亚采用部分氧化的方法解决了这个问题，但氧化镁膜并不致密，同时又造成镁金属纯度不高的新问题。因此认为在现有的技术条件下，采用有CO产生的碳还原剂还原镁总体上不太合适。
结语
皮江法炼镁实际生产还原能耗远高于理论还原能耗，这是由于加热效率低下引起的，提高还原器热效率是炼镁反应器的方向之一，对皮江法采用内加热法能够大大提高反应器的热效率，其中微波法、感应加热法具有加热原件在炉外而被加热物料在炉内的特点，是较好的加热方法。提高还原剂利用率是炼镁反应器的另一个努力方向，有利于降低成本、能耗，适当提高还原温度是有效的方法之一，液态法高还原温度明显改善了反应的动力学条件，同时剩余还原剂可循环使用。由于我国拥有大量电解法生产的优质原料，在原料区或电价较低的区域需要适当发展电解法，但投资相对较大，必须处理好有害中间产物的协同处理，变废为宝。
参考文献
[1]熊呈辉.我国硅热法炼镁现状及发展趋势[J].轻金属,2005,(11):48-50.
[2]刘金平.皮江法炼镁技术的缺陷与改进途径[J].冶金能源,2005,(5):31-23.
[3]娄光伟.硅热法炼镁的节能和清洁能源解决方案[J].有色金属,2005,(3):16-19.
[4]刘勇，龙思远，曾聪，等．镁冶炼新技术概况［J］．机械工程材料，2012，36(11):5－8．