国际镁协发布镁生产的碳足迹及镁部件应用的生命周期评估

研究的目的与目标

 

基于不同原因，寻找新的轻量化解决方案是汽车行业正在探索的重要工作之一。除了降低车辆的能耗外，增加续航里程是电动汽车进一步寻求轻量化材料的发展动力。镁作为一种轻质材料，在运输工具的应用中具有诸多优势。为了评估镁的潜在环境效益，展现镁和镁合金的不同生产工艺的现状和进展，并与具有竞争力的其他轻质材料进行比较，国际镁协（IMA）发起了一项关于镁的生命周期评估的研究。IMA委托德国航空航天中心（DLR）车辆概念研究所（Institute of Vehicle Concepts）进行该项研究，编写了研究报告“车辆制造中镁部件的生命周期评估（LCA）”，并分析了运输工具应用中镁部件的整个生命周期。该报告于2013年首次发布，讨论了镁的生产、合金化、组件生产和使用的环境问题以及镁组件的报废问题。

 

随着全球镁生产工艺技术和行业状况发展，尤其是中国的皮江法等纯镁冶炼工艺的持续改进，2013年的研究报告进行更新显得尤为重要。此次更新的生命周期评估报告中，主要是结合当前实际生产状况，对镁材料的生产和使用过程二氧化碳（CO2）和温室气体（GHG）排放情况进行了新的测算，并与铝材料进行了比较。

 

此次更新主要涉及以下几个方面：

 

重点是皮江法镁冶炼工艺数据的更新。皮江法工艺的技术进步和产业结构变化，使得镁行业在能源利用模式、能源消耗量都有积极的变化。此外，还更新了硅铁（FeSi）生产的能源供应和直接排放。

 

分析包含了现有替代性镁冶炼项目和新规划镁冶炼生产工艺的二氧化碳平衡信息。

 

对于镁产品的报废阶段，还包括关于消费后镁废料回收率的相关信息以及关于再生镁生产的数据。

 

为了说明不同镁来源对温室气体排放结果的影响，研究将选取汽车和飞机镁制零件与铝制零件进行了比较。

 

研究旨在为镁产业提供最新和可靠的生命周期数据和评估结果。这些结果不针对特定的镁产品，镁生产排放评估的结果可用于任何镁产品。一般来说，生命周期评估方法是对环境影响的估计，结果为潜在影响，而不是对环境负担或风险的预测。

 

原镁生产分析

 

中国的皮江法炼镁工艺

 

自2013年生命周期评估研究发表以来，皮江法工艺已经有了重大的改进，以提高能源效率，例如余热综合利用。此外，减少空气污染物相关的法规更加严格，迫使镁生产企业安装辅助的空气净化设备。这导致外围设备的电力需求增加，并在一定程度上对冲了还原工艺中节能的绩效。

 

皮江法工艺的企业使用的燃料气的类型不同，主要包括：发生炉煤气（由镁冶炼厂专用制气车间生产）、焦炉煤气（来自焦化厂）、兰炭尾气（来自半焦炉）和天然气。2019年皮江法工艺的状况与2013年生命周期评估研究的数据相比，使用兰炭尾气炼镁的的比例从45%增长到64%。发生炉煤气占比由34%降低到22%，焦炉煤气占比由14%降低到6%。尽管利用天然气生产的镁总量从2011年的4.3万吨增长到2019年的7.5万吨，但其相对份额仍然维持在较低的水平（2019年是8%，2011年为6%）。燃料气和其它生产材料的平均消耗量按公司数计算，并不是考虑各公司的产量的加权计算。

 

硅铁生产的温室气体排放量具有不确定性。由于工艺的性质，在生产过程中会释放出一定量的二氧化碳和一氧化碳。此外，中国目前的硅铁生产主要发生在二氧化碳密集型电力供应地区，这也预示如果能将产业转向低碳能源供应链，将进一步减少镁生产的总排放量。

 

中国皮江法镁冶炼温室气体排放情况

 

皮江法工艺温室气体排放量的计算，包括所有上游工艺，如硅铁或燃料气生产。硅铁的生产、白云石的煅烧和还原工艺本身的排放，仍然是生命周期中温室气体排放最密集的工序。硅铁生产的排放量为每千克镁12.5kg二氧化碳当量。煅烧过程在6.7kg到9.1kgCO2eq/kgMg之间变化，这取决于所使用的能源。由于能耗降低，皮江法工艺的排放量低于2011年。当前皮江法镁工艺的总平均排放量为28kgCO2，包括所有上游工艺。

 

生命周期清单的计算是基于焦炉煤气和兰炭尾气的生产分配，该分配是根据燃料气在（半）焦化厂的整个生产过程中的能源贡献。目前，这些燃料气要么免费提供给镁生产商，要么以低价提供给镁生产商，否则这些气体将不经使用而释放到大气中，因此，回收利用这些燃料气可以视为“碳信用”。在这种情况下，这些燃料气体的生产不是镁生产系统的一部分。焦炭生产是硅铁生产的上游工艺，在这种情况下，焦炭生产承担着全部环境负荷，将该方法应用于排放量时（即不考虑能源综合利用情况下镁生产中使用的上述燃料气的碳排放），从“摇篮到坟墓”的角度来看，皮江法工艺的加权平均排放量为每千克镁21.8kg二氧化碳当量。其中，皮江法工艺步骤的直接排放量为每千克原镁12.1kg二氧化碳当量。

 

其它工业化规模的镁冶炼工艺

 

其中一个采用皮江工艺的企业位于土耳其中部，这个工厂还有一个太阳能发电装置。其二氧化碳排放量与中国皮江工艺的排放量相似Ehrenberger and Brost 2015年。其可观的碳排放节约潜力，源于一种使用更高比例可再生能源电力生产的硅铁的可能性。位于巴西的利马公司Rima使用硅热法，是Bolzano法的一种改进类型。Russ，Sandilands amd Hasenberg 2012计算出该工厂每千克镁的二氧化碳排放量为10.1kg。这考虑了在生产过程中用作生物质能的桉树对二氧化碳的吸收量。

 

除了硅热法生产工艺以外，原镁可以通过电解法生产。在这种情况下，其排放主要取决于用于该冶炼过程的能源消耗。2013年LCA研究详细分析了以色列的电解工艺（Ehrenberger,Dieringa and Friedrich 2013）。加上工艺副产品的碳信用，该工艺的温室气体排放值为每千克镁14.0kg二氧化碳当量。

 

另一家电解镁厂是位于中国青海省的盐湖镁业。在该工艺中，原镁是由氯化镁（MgCl2）卤水为原料生产的，而卤水是附近青海盐湖工业集团钾肥生产的废物。该工厂的能源来源不同,盐湖镁业电解镁总温室气体排放量为每千克镁8.5千克二氧化碳当量。由于进一步使用电解镁生产过程的副产品氯气，考虑由此产生的碳信用，导致镁电解的总排放量可以降到每千克镁5.3千克二氧化碳当量。

 

废镁产品与回收分析

 

2013年生命周期评价报告中，详细分析了不同的镁回收途径。以下信息将对欧洲再生镁生产的分析添加到原始报告给出的数据中。此外，国际镁协IMA的“欧盟镁回收”研究项目的结果（Bell等2017）也被纳入镁的整个生命周期分析中。

 

工艺废料中镁的回收

 

在镁零件的制造或进一步加工过程中，会产生镁废料，这些废料在某些场所会在内部进行处理，但一般会被送到专门的镁回收厂。报告分析了海镁特（Magontec GmbH）在欧洲的两个工厂。能源供应是回收厂排放核算的关键环节，除了工艺本身的温室气体排放外，材料运输过程所产生的排放也必须加入到再生镁的温室气体平衡中。

 

报废产品中废料的回收

 

从技术上讲，可以将镁从报废车辆的中分离出来，但由于单位车辆上镁的用量相对较低，降低了回收镁的经济效益，因此，实际回收的镁远比可回收的要少。Bell等人（2017年）分析了镁在汽车报废零件中的走向。这些数字是基于对乘用车镁含量统计数据、在用镁产品积累的计算值以及欧洲报废汽车统计数据的分析得出的。基于此分析，本研究中假设功能性和非功能性回收镁替代原镁，并在后续工序中对汽车零部件的生命周期进行分析研究。如2013年生命周期评价研究中所述，车辆报废处理的碳排放贡献相对较小（0.2CO2eq/kg回收材料），而2013年生命周期评价研究中作为标准回收途径的作为铝合金化原材料的再利用方案的碳排放为3.6kgCO2eq。

 

镁应用分析

 

镁用于汽车部件

 

与钢或铝相比，镁合金零部件的整个生产过程中的每千克排放量更高（从矿石到零部件全过程）。而这些较高的排放量可以在镁零部件使用阶段得到补偿（可以节省的燃油量和排放量取决于减轻的重量）。在本研究中，比较了由镁合金制成的汽车仪表盘支架（CCB）和由铝制成的相同部件。该范例CCB部件的特征参考Fackler和Berkmortel（2016）的研究。镁CCB部件重4kg，由AM50合金制成。铝CCB部件的重量为5.4kg，采用AlMg3合金。在镁部件压铸工艺中（包括合金元素）的排放量为每千克材料排放1.5kg二氧化碳当量，而铝部件压铸工艺为每千克材料排放1.4kg二氧化碳当量。比较的功能单元是在寿命里程为20万公里的乘用车中使用该部件。同时，铝的回收率参考值为90%，镁的回收率为66%。

 

对于交通运输中轻质材料使用的生态评价，使用阶段的绩效对整体结果有相当大的影响。按照每100kg减重每100公里里程对应0.35升汽油的燃油节省值，来计算节省的燃油量。在20万公里的里程中，可减排32kg的CO2。在不考虑镁和铝材料本身的排放的情况下，每个部件在压铸工艺过程和其中合金元素的碳排放值对于镁和铝而言各为7.3kgCO2和9kgCO2）。而部件中温室气体排放的主要贡献是来自于原生金属的生产。因此，使用不同来源的镁作为原材料所产生的总排放量差别很大。除青海盐湖镁业（QSLM）的低碳生产路径外，镁的生产与铝的生产在碳排放上存在正差异，这意味在镁生产这个生命阶段的排放量更高。这包括原镁和镁合金的生产，以及通过压铸制造CCB部件的阶段。

 

由于中国皮江法工艺在全球镁行业占主导地位，其平均排放数值与平均皮江法过程相似。使用利用皮江法工艺生产的原镁制造CCB的平均排放量为115kgCO2，而基于欧洲铝材混合组成作为原材料生产CCB的平均排放量为53kgCO2。使用利用RIMA工艺生产的镁制造的CCB的CO2排放量，与欧洲铝的排放量参考值相近。

 

计算镁部件整个生命周期的排放量与铝参考值的总体差异，结果表明，与铝部件相比，代表当前镁市场的所有镁生产情景的温室气体排放净平衡为正，即不论使用哪种工艺生产的镁，用镁制汽车部件替代铝制部件都会有更佳的温室气体减排效应。这个研究得出的结果代表了当前可能的减排范围。该结果是与欧洲混合用铝的场景进行比较的，更加符合现实情况。而如果铝部件使用煤电生产的碳密集型原铝材料，结果会完全不同，镁的减排效应会更加显著。同样，如果将其它的新技术和新项目的镁来源与铝进行比较，采用镁的部件可以获得更高的减排值。

 

飞机部件

 

航空运营是能源密集型的，使用轻质材料有助于减少燃料消耗和排放。为了说明减少排放的潜力，以飞机舱门上使用的零件作为研究对比实例。具体的零件为每个机舱门的顶部和底部所装配的一个齿轮箱和一个密封件。包括合金元素在内的砂型铸造工艺的排放量，镁零件每千克材料约为6kgCO2，铝零件每千克材料约为5kgCO2。使用AZ91合金，镁制门零件的重量达到6.6kg。同样的零件采用铝制材料（A356合金）时，重量为8.5kg，铝镁材料之间的重量差为22%。飞机重量与燃油消耗的关系采用DLR模型VAMP zero。对于报告中的部件，计算了A320的燃油消耗量，分析了4100km飞行里程和41t空机运行质量下燃油消耗与飞机重量的关系。

 

由于飞机在飞行过程中消耗的能源非常高，绝对减排潜力证明使用轻质材料是合理的。只需要几次飞行就可以抵偿镁零部件在生产阶段所产生的更高的排放量而与铝部件达到平衡点。与使用阶段的排放量相比，不同工艺来源的镁的排放量与铝相比的差异几乎可以忽略。在任何情况下，只需要少数中距离飞行就可以补偿生产阶段对应的更高排放量。如果镁是通过利马RIMA或盐湖镁业QSLM工艺生产的，生产排放量甚至比铝的情况更低。考虑到除了飞机每年的高里程数和温室气体排放外，其寿命更是长达30年，这将导致镁合金部件轻量化带来的更高的生命周期排放节省潜力，大约相当于250吨二氧化碳。

研究报告结论

 

镁生产

 

自2011年（2013年生命周期评价研究的参考年份）以来，采用皮江工艺的镁生产的排放量有所减少。然而，考虑到汽车市场中对碳中和零件需求的增长潜力，需要通过进一步提高可再生能源的份额来进一步改善镁生产过程。由于研究调查的企业数量有限，单个企业可以低于或高于研究中给出的数字。

 

进一步降低镁从“摇篮到坟墓”的整个生命周期的排放是可能的，例如，可以使用低碳排放的硅铁替代高碳排放的。当然，是否能够实现还是一个由诸多外部因素决定的问题。在今后的镁生产和应用研究中，对硅铁的供应需要做进一步的敏感性分析。

 

在位于青海省盐湖的镁生产基地，是减少原镁生产环境影响的一条有前途的路径。根据前期对温室气体排放量的计算结果，在目前运行的所有镁生产工艺中，该方式生产的原镁的温室气体排放量达到最低。随着青海盐湖镁业工厂产量的增加，有可能改变世界镁供应格局和平均碳排放的整体绩效。加拿大和澳大利亚目前正处于规划阶段的其它工艺，也显示出类似的低二氧化碳排放和温室气体排放降低值的预期。

 

镁回收

 

再生材料的使用是一个关键因素。铝和镁都采用了从零部件生产环节回收和再利用工艺废料的的途径，这些废料用于生产高质量的再生合金。虽然铝已经有一个成熟的报废产品回收循环体系，但从报废产品生产的再生材料重新应用于汽车零部件的实际数量还是一个未知数。工业废料和报废汽车废料的再利用都很重要。然而，从产品生命周期评估的角度来看，从报废车辆中回收和再利用材料是至关重要的。

 

在未来，从报废产品中回收镁并再利用的比例需要提高。这在技术上是可行的，但由于还缺乏针对报废镁废料回收的成熟增值链，这降低了镁零件功能性回收的潜力。

 

镁应用

 

该报告分析了镁在两种运输工具中的应用，结果表明，镁在整个生命周期内的温室气体排放量更低，原镁的不同工艺来源影响针对生产阶段较高排放的平衡点。根据目前的文献（World Aluminium 2017, European Aluminium 2018），原铝生产的排放水平同样差异较大，这取决于其不同的产地来源。在该研究中的产品比较中，排放量的实际差异很大程度上取决于部件特征和材料来源。因此，很难对这些轻质材料带来的减排情况给出一般性的说明。

 

飞机的高燃油减排潜力，能导致原材料生产阶段高排放的快速摊销。从这个角度来看，航空业应该使用更多的镁。