國(guó)際鎂協(xié)發(fā)布鎂生產(chǎn)的碳足跡及鎂部件應(yīng)用的生命周期評(píng)估

研究的目的與目標(biāo)

 

基于不同原因，尋找新的輕量化解決方案是汽車行業(yè)正在探索的重要工作之一。除了降低車輛的能耗外，增加續(xù)航里程是電動(dòng)汽車進(jìn)一步尋求輕量化材料的發(fā)展動(dòng)力。鎂作為一種輕質(zhì)材料，在運(yùn)輸工具的應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)。為了評(píng)估鎂的潛在環(huán)境效益，展現(xiàn)鎂和鎂合金的不同生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀和進(jìn)展，并與具有競(jìng)爭(zhēng)力的其他輕質(zhì)材料進(jìn)行比較，國(guó)際鎂協(xié)（IMA）發(fā)起了一項(xiàng)關(guān)于鎂的生命周期評(píng)估的研究。IMA委托德國(guó)航空航天中心（DLR）車輛概念研究所（Institute of Vehicle Concepts）進(jìn)行該項(xiàng)研究，編寫了研究報(bào)告“車輛制造中鎂部件的生命周期評(píng)估（LCA）”，并分析了運(yùn)輸工具應(yīng)用中鎂部件的整個(gè)生命周期。該報(bào)告于2013年首次發(fā)布，討論了鎂的生產(chǎn)、合金化、組件生產(chǎn)和使用的環(huán)境問題以及鎂組件的報(bào)廢問題。

 

隨著全球鎂生產(chǎn)工藝技術(shù)和行業(yè)狀況發(fā)展，尤其是中國(guó)的皮江法等純鎂冶煉工藝的持續(xù)改進(jìn)，2013年的研究報(bào)告進(jìn)行更新顯得尤為重要。此次更新的生命周期評(píng)估報(bào)告中，主要是結(jié)合當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)狀況，對(duì)鎂材料的生產(chǎn)和使用過程二氧化碳（CO2）和溫室氣體（GHG）排放情況進(jìn)行了新的測(cè)算，并與鋁材料進(jìn)行了比較。

 

此次更新主要涉及以下幾個(gè)方面：

 

重點(diǎn)是皮江法鎂冶煉工藝數(shù)據(jù)的更新。皮江法工藝的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，使得鎂行業(yè)在能源利用模式、能源消耗量都有積極的變化。此外，還更新了硅鐵（FeSi）生產(chǎn)的能源供應(yīng)和直接排放。

 

分析包含了現(xiàn)有替代性鎂冶煉項(xiàng)目和新規(guī)劃鎂冶煉生產(chǎn)工藝的二氧化碳平衡信息。

 

對(duì)于鎂產(chǎn)品的報(bào)廢階段，還包括關(guān)于消費(fèi)后鎂廢料回收率的相關(guān)信息以及關(guān)于再生鎂生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。

 

為了說明不同鎂來(lái)源對(duì)溫室氣體排放結(jié)果的影響，研究將選取汽車和飛機(jī)鎂制零件與鋁制零件進(jìn)行了比較。

 

研究旨在為鎂產(chǎn)業(yè)提供最新和可靠的生命周期數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果。這些結(jié)果不針對(duì)特定的鎂產(chǎn)品，鎂生產(chǎn)排放評(píng)估的結(jié)果可用于任何鎂產(chǎn)品。一般來(lái)說，生命周期評(píng)估方法是對(duì)環(huán)境影響的估計(jì)，結(jié)果為潛在影響，而不是對(duì)環(huán)境負(fù)擔(dān)或風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)。

 

原鎂生產(chǎn)分析

 

中國(guó)的皮江法煉鎂工藝

 

自2013年生命周期評(píng)估研究發(fā)表以來(lái)，皮江法工藝已經(jīng)有了重大的改進(jìn)，以提高能源效率，例如余熱綜合利用。此外，減少空氣污染物相關(guān)的法規(guī)更加嚴(yán)格，迫使鎂生產(chǎn)企業(yè)安裝輔助的空氣凈化設(shè)備。這導(dǎo)致外圍設(shè)備的電力需求增加，并在一定程度上對(duì)沖了還原工藝中節(jié)能的績(jī)效。

 

皮江法工藝的企業(yè)使用的燃料氣的類型不同，主要包括：發(fā)生爐煤氣（由鎂冶煉廠專用制氣車間生產(chǎn)）、焦?fàn)t煤氣（來(lái)自焦化廠）、蘭炭尾氣（來(lái)自半焦?fàn)t）和天然氣。2019年皮江法工藝的狀況與2013年生命周期評(píng)估研究的數(shù)據(jù)相比，使用蘭炭尾氣煉鎂的的比例從45%增長(zhǎng)到64%。發(fā)生爐煤氣占比由34%降低到22%，焦?fàn)t煤氣占比由14%降低到6%。盡管利用天然氣生產(chǎn)的鎂總量從2011年的4.3萬(wàn)噸增長(zhǎng)到2019年的7.5萬(wàn)噸，但其相對(duì)份額仍然維持在較低的水平（2019年是8%，2011年為6%）。燃料氣和其它生產(chǎn)材料的平均消耗量按公司數(shù)計(jì)算，并不是考慮各公司的產(chǎn)量的加權(quán)計(jì)算。

 

硅鐵生產(chǎn)的溫室氣體排放量具有不確定性。由于工藝的性質(zhì)，在生產(chǎn)過程中會(huì)釋放出一定量的二氧化碳和一氧化碳。此外，中國(guó)目前的硅鐵生產(chǎn)主要發(fā)生在二氧化碳密集型電力供應(yīng)地區(qū)，這也預(yù)示如果能將產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向低碳能源供應(yīng)鏈，將進(jìn)一步減少鎂生產(chǎn)的總排放量。

 

中國(guó)皮江法鎂冶煉溫室氣體排放情況

 

皮江法工藝溫室氣體排放量的計(jì)算，包括所有上游工藝，如硅鐵或燃料氣生產(chǎn)。硅鐵的生產(chǎn)、白云石的煅燒和還原工藝本身的排放，仍然是生命周期中溫室氣體排放最密集的工序。硅鐵生產(chǎn)的排放量為每千克鎂12.5kg二氧化碳當(dāng)量。煅燒過程在6.7kg到9.1kgCO2eq/kgMg之間變化，這取決于所使用的能源。由于能耗降低，皮江法工藝的排放量低于2011年。當(dāng)前皮江法鎂工藝的總平均排放量為28kgCO2，包括所有上游工藝。

 

生命周期清單的計(jì)算是基于焦?fàn)t煤氣和蘭炭尾氣的生產(chǎn)分配，該分配是根據(jù)燃料氣在（半）焦化廠的整個(gè)生產(chǎn)過程中的能源貢獻(xiàn)。目前，這些燃料氣要么免費(fèi)提供給鎂生產(chǎn)商，要么以低價(jià)提供給鎂生產(chǎn)商，否則這些氣體將不經(jīng)使用而釋放到大氣中，因此，回收利用這些燃料氣可以視為“碳信用”。在這種情況下，這些燃料氣體的生產(chǎn)不是鎂生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分。焦炭生產(chǎn)是硅鐵生產(chǎn)的上游工藝，在這種情況下，焦炭生產(chǎn)承擔(dān)著全部環(huán)境負(fù)荷，將該方法應(yīng)用于排放量時(shí)（即不考慮能源綜合利用情況下鎂生產(chǎn)中使用的上述燃料氣的碳排放），從“搖籃到墳?zāi)?rdquo;的角度來(lái)看，皮江法工藝的加權(quán)平均排放量為每千克鎂21.8kg二氧化碳當(dāng)量。其中，皮江法工藝步驟的直接排放量為每千克原鎂12.1kg二氧化碳當(dāng)量。

 

其它工業(yè)化規(guī)模的鎂冶煉工藝

 

其中一個(gè)采用皮江工藝的企業(yè)位于土耳其中部，這個(gè)工廠還有一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電裝置。其二氧化碳排放量與中國(guó)皮江工藝的排放量相似Ehrenberger and Brost 2015年。其可觀的碳排放節(jié)約潛力，源于一種使用更高比例可再生能源電力生產(chǎn)的硅鐵的可能性。位于巴西的利馬公司Rima使用硅熱法，是Bolzano法的一種改進(jìn)類型。Russ，Sandilands amd Hasenberg 2012計(jì)算出該工廠每千克鎂的二氧化碳排放量為10.1kg。這考慮了在生產(chǎn)過程中用作生物質(zhì)能的桉樹對(duì)二氧化碳的吸收量。

 

除了硅熱法生產(chǎn)工藝以外，原鎂可以通過電解法生產(chǎn)。在這種情況下，其排放主要取決于用于該冶煉過程的能源消耗。2013年LCA研究詳細(xì)分析了以色列的電解工藝（Ehrenberger,Dieringa and Friedrich 2013）。加上工藝副產(chǎn)品的碳信用，該工藝的溫室氣體排放值為每千克鎂14.0kg二氧化碳當(dāng)量。

 

另一家電解鎂廠是位于中國(guó)青海省的鹽湖鎂業(yè)。在該工藝中，原鎂是由氯化鎂（MgCl2）鹵水為原料生產(chǎn)的，而鹵水是附近青海鹽湖工業(yè)集團(tuán)鉀肥生產(chǎn)的廢物。該工廠的能源來(lái)源不同,鹽湖鎂業(yè)電解鎂總溫室氣體排放量為每千克鎂8.5千克二氧化碳當(dāng)量。由于進(jìn)一步使用電解鎂生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品氯氣，考慮由此產(chǎn)生的碳信用，導(dǎo)致鎂電解的總排放量可以降到每千克鎂5.3千克二氧化碳當(dāng)量。

 

廢鎂產(chǎn)品與回收分析

 

2013年生命周期評(píng)價(jià)報(bào)告中，詳細(xì)分析了不同的鎂回收途徑。以下信息將對(duì)歐洲再生鎂生產(chǎn)的分析添加到原始報(bào)告給出的數(shù)據(jù)中。此外，國(guó)際鎂協(xié)IMA的“歐盟鎂回收”研究項(xiàng)目的結(jié)果（Bell等2017）也被納入鎂的整個(gè)生命周期分析中。

 

工藝廢料中鎂的回收

 

在鎂零件的制造或進(jìn)一步加工過程中，會(huì)產(chǎn)生鎂廢料，這些廢料在某些場(chǎng)所會(huì)在內(nèi)部進(jìn)行處理，但一般會(huì)被送到專門的鎂回收廠。報(bào)告分析了海鎂特（Magontec GmbH）在歐洲的兩個(gè)工廠。能源供應(yīng)是回收廠排放核算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，除了工藝本身的溫室氣體排放外，材料運(yùn)輸過程所產(chǎn)生的排放也必須加入到再生鎂的溫室氣體平衡中。

 

報(bào)廢產(chǎn)品中廢料的回收

 

從技術(shù)上講，可以將鎂從報(bào)廢車輛的中分離出來(lái)，但由于單位車輛上鎂的用量相對(duì)較低，降低了回收鎂的經(jīng)濟(jì)效益，因此，實(shí)際回收的鎂遠(yuǎn)比可回收的要少。Bell等人（2017年）分析了鎂在汽車報(bào)廢零件中的走向。這些數(shù)字是基于對(duì)乘用車鎂含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、在用鎂產(chǎn)品積累的計(jì)算值以及歐洲報(bào)廢汽車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析得出的?；诖朔治觯狙芯恐屑僭O(shè)功能性和非功能性回收鎂替代原鎂，并在后續(xù)工序中對(duì)汽車零部件的生命周期進(jìn)行分析研究。如2013年生命周期評(píng)價(jià)研究中所述，車輛報(bào)廢處理的碳排放貢獻(xiàn)相對(duì)較?。?.2CO2eq/kg回收材料），而2013年生命周期評(píng)價(jià)研究中作為標(biāo)準(zhǔn)回收途徑的作為鋁合金化原材料的再利用方案的碳排放為3.6kgCO2eq。

 

鎂應(yīng)用分析

 

鎂用于汽車部件

 

與鋼或鋁相比，鎂合金零部件的整個(gè)生產(chǎn)過程中的每千克排放量更高（從礦石到零部件全過程）。而這些較高的排放量可以在鎂零部件使用階段得到補(bǔ)償（可以節(jié)省的燃油量和排放量取決于減輕的重量）。在本研究中，比較了由鎂合金制成的汽車儀表盤支架（CCB）和由鋁制成的相同部件。該范例CCB部件的特征參考Fackler和Berkmortel（2016）的研究。鎂CCB部件重4kg，由AM50合金制成。鋁CCB部件的重量為5.4kg，采用AlMg3合金。在鎂部件壓鑄工藝中（包括合金元素）的排放量為每千克材料排放1.5kg二氧化碳當(dāng)量，而鋁部件壓鑄工藝為每千克材料排放1.4kg二氧化碳當(dāng)量。比較的功能單元是在壽命里程為20萬(wàn)公里的乘用車中使用該部件。同時(shí)，鋁的回收率參考值為90%，鎂的回收率為66%。

 

對(duì)于交通運(yùn)輸中輕質(zhì)材料使用的生態(tài)評(píng)價(jià)，使用階段的績(jī)效對(duì)整體結(jié)果有相當(dāng)大的影響。按照每100kg減重每100公里里程對(duì)應(yīng)0.35升汽油的燃油節(jié)省值，來(lái)計(jì)算節(jié)省的燃油量。在20萬(wàn)公里的里程中，可減排32kg的CO2。在不考慮鎂和鋁材料本身的排放的情況下，每個(gè)部件在壓鑄工藝過程和其中合金元素的碳排放值對(duì)于鎂和鋁而言各為7.3kgCO2和9kgCO2）。而部件中溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)是來(lái)自于原生金屬的生產(chǎn)。因此，使用不同來(lái)源的鎂作為原材料所產(chǎn)生的總排放量差別很大。除青海鹽湖鎂業(yè)（QSLM）的低碳生產(chǎn)路徑外，鎂的生產(chǎn)與鋁的生產(chǎn)在碳排放上存在正差異，這意味在鎂生產(chǎn)這個(gè)生命階段的排放量更高。這包括原鎂和鎂合金的生產(chǎn)，以及通過壓鑄制造CCB部件的階段。

 

由于中國(guó)皮江法工藝在全球鎂行業(yè)占主導(dǎo)地位，其平均排放數(shù)值與平均皮江法過程相似。使用利用皮江法工藝生產(chǎn)的原鎂制造CCB的平均排放量為115kgCO2，而基于歐洲鋁材混合組成作為原材料生產(chǎn)CCB的平均排放量為53kgCO2。使用利用RIMA工藝生產(chǎn)的鎂制造的CCB的CO2排放量，與歐洲鋁的排放量參考值相近。

 

計(jì)算鎂部件整個(gè)生命周期的排放量與鋁參考值的總體差異，結(jié)果表明，與鋁部件相比，代表當(dāng)前鎂市場(chǎng)的所有鎂生產(chǎn)情景的溫室氣體排放凈平衡為正，即不論使用哪種工藝生產(chǎn)的鎂，用鎂制汽車部件替代鋁制部件都會(huì)有更佳的溫室氣體減排效應(yīng)。這個(gè)研究得出的結(jié)果代表了當(dāng)前可能的減排范圍。該結(jié)果是與歐洲混合用鋁的場(chǎng)景進(jìn)行比較的，更加符合現(xiàn)實(shí)情況。而如果鋁部件使用煤電生產(chǎn)的碳密集型原鋁材料，結(jié)果會(huì)完全不同，鎂的減排效應(yīng)會(huì)更加顯著。同樣，如果將其它的新技術(shù)和新項(xiàng)目的鎂來(lái)源與鋁進(jìn)行比較，采用鎂的部件可以獲得更高的減排值。

 

飛機(jī)部件

 

航空運(yùn)營(yíng)是能源密集型的，使用輕質(zhì)材料有助于減少燃料消耗和排放。為了說明減少排放的潛力，以飛機(jī)艙門上使用的零件作為研究對(duì)比實(shí)例。具體的零件為每個(gè)機(jī)艙門的頂部和底部所裝配的一個(gè)齒輪箱和一個(gè)密封件。包括合金元素在內(nèi)的砂型鑄造工藝的排放量，鎂零件每千克材料約為6kgCO2，鋁零件每千克材料約為5kgCO2。使用AZ91合金，鎂制門零件的重量達(dá)到6.6kg。同樣的零件采用鋁制材料（A356合金）時(shí)，重量為8.5kg，鋁鎂材料之間的重量差為22%。飛機(jī)重量與燃油消耗的關(guān)系采用DLR模型VAMP zero。對(duì)于報(bào)告中的部件，計(jì)算了A320的燃油消耗量，分析了4100km飛行里程和41t空機(jī)運(yùn)行質(zhì)量下燃油消耗與飛機(jī)重量的關(guān)系。

 

由于飛機(jī)在飛行過程中消耗的能源非常高，絕對(duì)減排潛力證明使用輕質(zhì)材料是合理的。只需要幾次飛行就可以抵償鎂零部件在生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的更高的排放量而與鋁部件達(dá)到平衡點(diǎn)。與使用階段的排放量相比，不同工藝來(lái)源的鎂的排放量與鋁相比的差異幾乎可以忽略。在任何情況下，只需要少數(shù)中距離飛行就可以補(bǔ)償生產(chǎn)階段對(duì)應(yīng)的更高排放量。如果鎂是通過利馬RIMA或鹽湖鎂業(yè)QSLM工藝生產(chǎn)的，生產(chǎn)排放量甚至比鋁的情況更低?？紤]到除了飛機(jī)每年的高里程數(shù)和溫室氣體排放外，其壽命更是長(zhǎng)達(dá)30年，這將導(dǎo)致鎂合金部件輕量化帶來(lái)的更高的生命周期排放節(jié)省潛力，大約相當(dāng)于250噸二氧化碳。

研究報(bào)告結(jié)論

 

鎂生產(chǎn)

 

自2011年（2013年生命周期評(píng)價(jià)研究的參考年份）以來(lái)，采用皮江工藝的鎂生產(chǎn)的排放量有所減少。然而，考慮到汽車市場(chǎng)中對(duì)碳中和零件需求的增長(zhǎng)潛力，需要通過進(jìn)一步提高可再生能源的份額來(lái)進(jìn)一步改善鎂生產(chǎn)過程。由于研究調(diào)查的企業(yè)數(shù)量有限，單個(gè)企業(yè)可以低于或高于研究中給出的數(shù)字。

 

進(jìn)一步降低鎂從“搖籃到墳?zāi)?rdquo;的整個(gè)生命周期的排放是可能的，例如，可以使用低碳排放的硅鐵替代高碳排放的。當(dāng)然，是否能夠?qū)崿F(xiàn)還是一個(gè)由諸多外部因素決定的問題。在今后的鎂生產(chǎn)和應(yīng)用研究中，對(duì)硅鐵的供應(yīng)需要做進(jìn)一步的敏感性分析。

 

在位于青海省鹽湖的鎂生產(chǎn)基地，是減少原鎂生產(chǎn)環(huán)境影響的一條有前途的路徑。根據(jù)前期對(duì)溫室氣體排放量的計(jì)算結(jié)果，在目前運(yùn)行的所有鎂生產(chǎn)工藝中，該方式生產(chǎn)的原鎂的溫室氣體排放量達(dá)到最低。隨著青海鹽湖鎂業(yè)工廠產(chǎn)量的增加，有可能改變世界鎂供應(yīng)格局和平均碳排放的整體績(jī)效。加拿大和澳大利亞目前正處于規(guī)劃階段的其它工藝，也顯示出類似的低二氧化碳排放和溫室氣體排放降低值的預(yù)期。

 

鎂回收

 

再生材料的使用是一個(gè)關(guān)鍵因素。鋁和鎂都采用了從零部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)回收和再利用工藝廢料的的途徑，這些廢料用于生產(chǎn)高質(zhì)量的再生合金。雖然鋁已經(jīng)有一個(gè)成熟的報(bào)廢產(chǎn)品回收循環(huán)體系，但從報(bào)廢產(chǎn)品生產(chǎn)的再生材料重新應(yīng)用于汽車零部件的實(shí)際數(shù)量還是一個(gè)未知數(shù)。工業(yè)廢料和報(bào)廢汽車廢料的再利用都很重要。然而，從產(chǎn)品生命周期評(píng)估的角度來(lái)看，從報(bào)廢車輛中回收和再利用材料是至關(guān)重要的。

 

在未來(lái)，從報(bào)廢產(chǎn)品中回收鎂并再利用的比例需要提高。這在技術(shù)上是可行的，但由于還缺乏針對(duì)報(bào)廢鎂廢料回收的成熟增值鏈，這降低了鎂零件功能性回收的潛力。

 

鎂應(yīng)用

 

該報(bào)告分析了鎂在兩種運(yùn)輸工具中的應(yīng)用，結(jié)果表明，鎂在整個(gè)生命周期內(nèi)的溫室氣體排放量更低，原鎂的不同工藝來(lái)源影響針對(duì)生產(chǎn)階段較高排放的平衡點(diǎn)。根據(jù)目前的文獻(xiàn)（World Aluminium 2017, European Aluminium 2018），原鋁生產(chǎn)的排放水平同樣差異較大，這取決于其不同的產(chǎn)地來(lái)源。在該研究中的產(chǎn)品比較中，排放量的實(shí)際差異很大程度上取決于部件特征和材料來(lái)源。因此，很難對(duì)這些輕質(zhì)材料帶來(lái)的減排情況給出一般性的說明。

 

飛機(jī)的高燃油減排潛力，能導(dǎo)致原材料生產(chǎn)階段高排放的快速攤銷。從這個(gè)角度來(lái)看，航空業(yè)應(yīng)該使用更多的鎂。