石灰新產業|“鎂經濟”的前景與機遇
2024-06-14 14:42:17 來源：石灰窯生態圈
石灰新產業|“鎂經濟”的前景與機遇
在制造業有一句共識：先進產能永不過剩。但不可否認的是，近幾年，我國石灰行業的整體產能供需處于一種階段性失衡的狀態，也就是說，優質產品再次呈現供需兩旺，而落后產能生產的低檔劣質產品趨于飽和且供需呈下降趨勢，部分生產企業已經被淘汰出局，如何破局已經是當下重中之重。
事實上，與其它傳統行業一樣，當前中國石灰產業處在*好的時刻與*壞的時刻并存，正處在陣痛中破繭成蝶的重要轉換期。石灰行業正在經歷的不是以往三五年一輪的周期性迭代，而是“雙碳”大變局時代來臨之前的一場預演。
所以，挑戰與機遇并存，行業環境不好的時候，就要靠技術去驅動，有新技術出來迭代會讓這個行業發生一些轉變。
為了進一步推動綠色技術創新與發展，近日，圍繞“低碳創新如何引領石灰產業綠 色未來”為主題，《石灰產業》內刊總第三十五期發布了“石灰產業全產業鏈發展全景路線”，其中囊括了石灰生產新技術、石灰新產品生產應用、新材料應用等全產業鏈的應用與開發，特別是“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山金泉冶化科技產業有限公司研發中心”推出的一系列對于引領行業的重大科技迭代技術、碳減排指標全行業優勢突出的16項新一代專利及專有技術，包括全行業脫碳技術領域有重要影響力的綠色低碳科技產品等前沿科技脫穎而出，引來行業關注，展示了其在技術創新方面的強勁動力，也對推動石灰全產業鏈因綠而興，協力交出了控碳、減碳的高分答卷。
尤其值得關注的是，“唐山金泉冶化科技產業有限公司”推出的以石灰窯生產線為主進行“高值化石灰產品”生產技術如：高鎂產品、金屬鈣產品、鈣鈦產品等，以及以石灰窯回收CO2高值化、增值化應用為主的產品如：CO2轉CO（煤氣）生產石灰技術、CO2碳化礦化技術、CO2轉可再生燃料技術、生物質能高效利用與捕集CO2利用耦合技術、碳酸鹽法生產負碳建筑材料、CO2轉有機化合物技術、CO2轉化合成高附加值碳基新材料等一批行業前沿科技應運而生，為推動石灰行業綠色低碳產業發展、助力實現碳達峰與碳中和、提升綠色低碳能級、打造一流的綠色低碳產業高地等目標起到了示范和引領作用。
唐山金泉公司“石灰全產業鏈提質增值系列技術”取得的突破和實施，是石灰行業全產業鏈研究的開創性成果，填補了國內石灰生產全產業鏈產品應用開發方面的空白。
應廣大讀者要求，《石灰窯生態圈》微信公眾平臺及《石灰產業》編輯部將針對上述技術的工藝、產品、市場等進行全方位解讀，系列文章將在本平臺陸續發布，專屬文章將發表在《石灰產業》內刊。
本期文章首先介紹“鎂經濟”的前景與機遇。
“鎂經濟”前景廣闊，我國應抓住引領機遇
文| 王亦楠
鎂既有重要的工業價值，又可實現能源循環利用。地球上能單獨作為金屬材料應用且資源*豐富（豐度大于1%）的元素只有鋁、鐵、鎂三種，但從目前全球年產量來看，鋁約為8000萬噸，鋼鐵約為18億噸，而鎂卻只有100萬噸左右，其重要工業價值和巨大市場價值還遠未釋放出來。
得益于鎂燃料電池關鍵技術出現重大突破，以鎂作為循環介質，建立“鎂經濟”綠色循環體系，為性能優異的鎂材料和鎂能源的大規模推廣應用掃除障礙，已成為可行。而在這一前景廣闊的新領域新賽道上，中國有著得天獨厚的引領優勢，應高度重視并抓住難得的機遇，以在激烈的國際競爭中贏得更多發展主動權。
“鎂經濟”潛力巨大，或將深刻影響世界
“鎂經濟”是新能源與新材料相融合的綠色循環經濟。“鎂經濟”綠色循環產業鏈的源頭，從原料講是取之不盡的海鹵水，從能源講是用之不竭的可再生能源。利用鎂既是工業材料又是能源載體的雙重屬性，“鎂經濟”可同時實現新能源和新材料兩大產業的綠色循環、優勢整合：既解決了風光電的儲能難題，又將無法處理的鹽化工行業廢棄物苦鹵“變廢為寶”，變成可帶動國民經濟眾多領域實現產業升級的重要基礎材料。
“鎂經濟”核心產業鏈的綠色循環過程如圖所示，簡而言之是：以東部沿海/西部鹽湖大量堆積的苦鹵為原料，利用風光電將其電解，產生金屬鎂和氯氣。氯氣是有廣泛用途的化工原料，如生產溴素、氯乙烯等，金屬鎂既可發展鎂合金制造，也可通過鎂燃料電池來發電，若是后者，產物除了清潔穩定的電能外，就是當前在全世界范圍內都非常稀缺且昂貴、與高端制造密切相關的尖端材料——粒度在納米級、純度高達99.5%以上的氧化鎂（以下簡稱“超純超細氧化鎂”）。
“鎂經濟”核心產業鏈的生產全過程無工業三廢和二氧化碳排放，不僅讓所有產物“物盡其用、可循環利用”，而且可實現三大突破，即超純超細氧化鎂在世界上首次實現工業化生產、金屬鎂/鎂合金的生產成本和鎂燃料電池的發電成本可大幅降低，這將在工業領域和能源領域引發深刻變革。
“鎂經濟”的兩大材料突破將大大帶動高端制造發展。目前純度達到98.5%的氧化鎂即稱為“高純氧化鎂”，能在2850℃高溫下保持優良的熱穩定性、抗侵蝕性、電絕緣性、光透過性、高導熱性等，因此作為高溫耐熱和精細化工原料，廣泛用于冶金陶瓷、石油化工、國防航空、電子電器、光學儀表等眾多行業的高端制造領域。鎂合金是目前世界上*輕的高強度金屬結構材料，比剛度和比強度顯著高于鋼鐵和鋁合金，且阻尼減振性好、導熱散熱性好、電磁屏蔽能力強、機加工性能優、無毒易回收，在汽車、航空航天、武器裝備、軌道交通、電子通信、生物醫用等領域顯示出巨大發展潛力。
但是，目前高純氧化鎂和金屬鎂的生產工藝均存在高能耗高污染高成本的問題。國際上高純氧化鎂主要通過海水提取，化學制備工藝非常復雜，且技術被少數發達國家壟斷，而我國高溫煅燒菱鎂礦的工藝還無法實現氧化鎂98.5%以上的高純度。“皮江法”生產金屬鎂在環保的壓力下產能嚴重受限且價格波動大，制約著下游鎂合金產業的大發展。中國金屬鎂冶煉的90%以上都采用的是被稱為“皮江法”的硅熱還原法，其工藝流程主要包括白云石煅燒、粉磨與壓球、真空熱還原等過程，以煅燒白云石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑，將白云石還原成金屬鎂。
“鎂經濟”以顛覆性的技術創新和綠色循環，讓高純氧化鎂和金屬鎂的生產從此“物美價廉”。保守測算，金屬鎂的成本可比目前至少降低2/3，將帶動鎂合金的應用大大提速；超純超細氧化鎂比高純氧化鎂的性能更優異，以普通氧化鎂的成本實現工業化生產和應用后，將促進高溫材料的性能突破，比如可合成目前世界上還無法實現的高純度鎂鋁尖晶石、開發能承受極端苛刻環境的陶瓷集成電路基板等。作為高端制造的重要基礎材料，金屬鎂/鎂合金和超純超細氧化鎂的突破，將在眾多領域產生巨大關聯效應。
“鎂經濟”為能源低碳轉型和安全保障開創了新路徑。“鎂經濟”利用風光電制金屬鎂，鎂再通過鎂燃料電池發電，產出清潔穩定的電能。鎂燃料電池與氫燃料電池的發電原理相同，只是燃料不同，前者是金屬鎂，后者是氫氣。雖然氫燃料電池的能量密度比鎂燃料電池高，但氫能源的產業化一直存在重大技術難題：因為氫氣非常容易泄漏和爆炸，其泄漏率比天然氣高出6倍，只要環境濃度達到4%即進入爆炸區間，所以從制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫的全過程都存在重大安全風險；而且儲氫運氫的成本很高，因一般碳鋼會產生氫脆從而導致強度大大下降，所有管道、儲罐都必須用特殊材料，目前還沒有又安全又經濟的技術手段。相比之下，鎂能源從生產、使用到儲運的全過程及長期儲存都沒有易燃易爆和腐蝕性問題，產業化難度比氫能源要小得多。
鎂燃料電池既能量密度高，理論上是鋰離子電池的15倍，又能確保安全，還沒有回收利用難題，前景一直被業內高度看好，但目前包括氫燃料電池在內的所有燃料電池，都必須使用稀有貴金屬鉑做催化劑，從而導致資源受限、電池成本居高不下。
針對這一痛點，我國科研人員已成功開發出完全替代鉑的新型催化劑，可使鎂燃料電池成本至少降低60%以上，在民用領域的推廣也成為可行。比如，鎂燃料電池能承受如擠壓、穿刺、水淹等極端苛刻工作環境，非常適合做緊急狀況下的應急電源、裝備的保障電源、偏遠海島的發電站等。與目前普遍使用柴油發電機做備用電源相比，鎂燃料電池可使發電成本降低50%。此外，離網充電（即充電樁設置不受電網限制）是電動汽車產業發展的重要方向之一，可有效解決電動汽車的充電難，并避免大規模集中充電對電網的沖擊。鎂燃料電池可采用模塊化靈活部署，是實現離網充電的極佳手段，建設成本低、充電速度快，而且投資回報高（副產品是超純超細氧化鎂）、運行維護便捷。
我國有開創和引領“鎂經濟”的顯著優勢
我國的鎂資源儲量位居世界之首。我國擁有世界鎂資源儲量的70%。目前我國鐵礦和鋰礦的對外依存度已分別高達82%和65%，發展“鎂經濟”不僅可培育出眾多綠色增長點，而且鎂合金和鎂能源的大規模推廣應用將顯著降低我國鐵、鋰等金屬礦產資源的進口依賴，在復雜多變的國際形勢下尤其有重要戰略意義。
“鎂經濟”的資源獲取可先從消納鹽化工廢棄物苦鹵開始。目前全國累積的苦鹵總量至少高達數億噸，且還在以2000萬噸/年的速度增加，既浪費資源，又破壞環境。“鎂經濟”將苦鹵變成高端制造重要基礎材料，實現了資源化、高值化再利用，同時把礦石鎂資源留給子孫后代。
我國自主掌握*關鍵的核心技術。“鎂經濟”的綠色循環產業鏈能以經濟高效的方式打通，關鍵在于鎂燃料電池技術取得重大突破——不再受制于鉑的稀缺昂貴。催化劑之關鍵相當于燃料電池的心臟，新型的碳基催化劑及其在燃料電池中的應用，目前已獲得30余項專利，并在美國、英國、日本、新加坡等多國獲得了專利權。相比于氫能源的核心技術幾乎全被發達國家壟斷，鎂能源的核心技術全部為中國自主，且處于世界領先水平，沒有“卡脖子”風險。目前，通過鎂燃料電池生產超純超細氧化鎂，已在河北唐山建成了年產300噸級的生產線，生產工藝的先進性可靠性已得到實踐檢驗，標志著“鎂經濟”綠色循環從技術和經濟上都已可行。該產線是模塊化設計，通過簡單復制即可擴大產能。
我國有完整的配套產業鏈支撐。目前全球90%的金屬鎂產能和2/3的氧化鎂產能都在我國。與氧化鎂應用緊密關聯的耐火材料產業，我國產量高居世界65%以上，且品類*齊全；再下游的應用如鋼鐵、玻璃、水泥、陶瓷等基礎制造業，我國產量都占全球1/2以上。“鎂經濟”及其延伸領域，在我國既有龐大的配套產業做支撐，又有實現產業升級的內在動力。比如，我國在鋼水潔凈度控制上與發達國家還有很大差距，目前高端特鋼還要依賴進口。高純氧化鎂對鋼水潔凈度起著至關重要的作用，超純超細氧化鎂若實現工業化生產和應用，可大大助力我國高端特鋼的冶煉和鋼鐵產業的轉型升級。
當前推動“鎂經濟”的關鍵問題和對策建議
“鎂經濟”的綠色循環體系關聯領域眾多、發展前景廣闊，但要真正將其巨大潛力變成現實的生產力、創造出巨大經濟社會效益，需要新能源、新材料實現跨行業的交叉融合甚至重構，并和眾多高端制造業實現上下游協同推進，才能發揮出*大效能。比如，目前鎂燃料電池生產出來的超純超細氧化鎂，并不是各領域高端制造可直接拿來就用的產品，還要針對不同應用場景，如硅鋼涂層、高溫材料、陶瓷材料、電子器件等，專門調節它的晶體形態、微觀結構、堆積密度、水化率、灼燒失量等系列物理指標，才能滿足特定需求；而在再加工的過程中，超純超細氧化鎂的物理指標不同，所需要的工藝、設備和產線也不同，因此必須有下游用戶提出明確需求并實現應用聯動，超純超細氧化鎂的重要價值才能真正發揮出來。而下游行業的產品升級通常需要企業在初期做相當大的投入以改變現有的生產工藝、技術和設備，很多情況下單靠市場的力量或某個企業的力量難以啟動。正如歐美國家在能源轉型等問題上的經驗總結：“無形之手”托不起綠色經濟、“對國家整體*優的方案”不會依靠市場自然而然地發生。
因此，當前推動“鎂經濟”，要在資源、技術、產業鏈三大優勢基礎上，充分發揮我國的制度優勢——通過國家力量來啟動這個綠色循環體系、高效鏈接各個行業，讓政府“有形之手”和市場“無形之手”協同作用。為此，提出4點建議：
一是切實做好我國“鎂經濟”發展的頂層設計。“鎂經濟”有助于我國加快形成新質生產力，引領世界科技和產業變革，應從國家戰略高度認識“鎂經濟”的重要性，并制定清晰的發展路線圖。包括但不限于：明確產業發展方向、目標、重點任務及優先順序；建立統一協調管理機構，明確產業政策、法規標準和監管要求；搭建技術創新平臺，集中優勢資源開展以先進應用為導向的基礎研究等。
二是積極開展沿海“鎂經濟”循環示范區建設。沿海省區苦鹵堆積的壓力*大，同時鋼鐵、化工、陶瓷、金屬加工等產業完備，可與“鎂經濟”的綠色循環形成完美的上下游配套。據測算，2GW的海上風電場電解苦鹵，即可形成每年40萬噸金屬鎂、66萬噸超純超細氧化鎂和5萬噸溴素的產能，直接創造的經濟效益十分可觀，還未考慮下游產業的關聯效益。“鎂經濟”可為向海圖強、高質量發展注入內生動力。
三是有序推進鎂燃料電池的規模化生產和應用。鑒于鎂燃料電池在民用領域均有巨大發展潛力，建議依托鎂燃料電池的*新創新成果，率先開展兩個應用示范：1，建設規模約200千瓦的海島發電站，目標是滿足大約100人的生活用電和工作用電（如無人機、水面艦船、便攜式電源、通信裝備等）需求；第二，在大型港口建設離網充電站，滿足碼頭電動車輛的用電需求，減輕港口電動化升級帶來的供電壓力。
四是加快推進鎂質新材料在高端制造業的應用。對于金屬鎂/鎂合金，應基于創新工藝有序擴大行業的生產規模，增加鎂合金牌號種類，完善產品標準體系。對于超純超細氧化鎂，應針對主要應用場景，盡快開展從氧化鎂再加工到終端用戶整個鏈條上所需要的工業研發試驗和技術改造示范。比如特鋼冶煉，應從國家層面組織特鋼企業、耐火材料企業和工業設計院聯合攻關，并對技術改造給予必要的啟動資金支持。
（本文作者系國務院發展研究中心研究員），（本文刊發于《中國經濟周刊》2024年第8期）
中國鎂資源非常豐富，已經探明的菱鎂礦儲量約為27億t，白云石儲量40億t以上，目前中國鎂產量占全球產量的40% 以上，其中 80% 以上作為初級原材料出口，這是由于國內鎂行業存在嚴重的結構性矛盾，比如，目前國內的氧化鎂（輕燒白云石）產能至少3000萬噸以上，僅鋼鐵行業的用量至少也在2000萬噸以上，生產氧化鎂有著成熟的生產技術，但是，輕燒白云石（氧化鎂）價格目前僅在600元/噸左右，而純鎂的價格近幾年價格達到過6萬元/噸以上，而且通過6月12日了解，99.9%鎂錠府谷地區工廠報主流出廠含稅現金價格維穩18300-18400元/噸，主流成交價格18300元/噸。可見，同樣是一樣的白云石等鎂資源，其生產的*終產品價值和效益有著天壤之別。所以，開發升值、增值潛力大，具有顯著戰略性、引領性的產品還是有著巨大發展前景的，特別是在目前經濟環境下如何利用目前的石灰生產線進行產品功能化、增值化提升，也是實現企業和產品實現層級躍升的有效途徑。
資料編輯整理：
《石灰產業》編輯部
2024年6月14日
下一篇文章預告（06月21日）：石灰新產業2|生產“高鎂產品”的途徑與方法
