研究的目的與目標

 

基于不同原因，尋找新的輕量化解決方案是汽車行業正在探索的重要工作之一。除了降低車輛的能耗外，增加續航里程是電動汽車進一步尋求輕量化材料的發展動力。鎂作為一種輕質材料，在運輸工具的應用中具有諸多優勢。為了評估鎂的潛在環境效益，展現鎂和鎂合金的不同生產工藝的現狀和進展，并與具有競爭力的其他輕質材料進行比較，國際鎂協（IMA）發起了一項關于鎂的生命周期評估的研究。IMA委托德國航空航天中心（DLR）車輛概念研究所（Institute of Vehicle Concepts）進行該項研究，編寫了研究報告“車輛制造中鎂部件的生命周期評估（LCA）”，并分析了運輸工具應用中鎂部件的整個生命周期。該報告于2013年首次發布，討論了鎂的生產、合金化、組件生產和使用的環境問題以及鎂組件的報廢問題。

 

隨著全球鎂生產工藝技術和行業狀況發展，尤其是中國的皮江法等純鎂冶煉工藝的持續改進，2013年的研究報告進行更新顯得尤為重要。此次更新的生命周期評估報告中，主要是結合當前實際生產狀況，對鎂材料的生產和使用過程二氧化碳（CO2）和溫室氣體（GHG）排放情況進行了新的測算，并與鋁材料進行了比較。

 

此次更新主要涉及以下幾個方面：

 

重點是皮江法鎂冶煉工藝數據的更新。皮江法工藝的技術進步和產業結構變化，使得鎂行業在能源利用模式、能源消耗量都有積極的變化。此外，還更新了硅鐵（FeSi）生產的能源供應和直接排放。

 

分析包含了現有替代性鎂冶煉項目和新規劃鎂冶煉生產工藝的二氧化碳平衡信息。

 

對于鎂產品的報廢階段，還包括關于消費后鎂廢料回收率的相關信息以及關于再生鎂生產的數據。

 

為了說明不同鎂來源對溫室氣體排放結果的影響，研究將選取汽車和飛機鎂制零件與鋁制零件進行了比較。

 

研究旨在為鎂產業提供最新和可靠的生命周期數據和評估結果。這些結果不針對特定的鎂產品，鎂生產排放評估的結果可用于任何鎂產品。一般來說，生命周期評估方法是對環境影響的估計，結果為潛在影響，而不是對環境負擔或風險的預測。

 

原鎂生產分析

 

中國的皮江法煉鎂工藝

 

自2013年生命周期評估研究發表以來，皮江法工藝已經有了重大的改進，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的法規更加嚴格，迫使鎂生產企業安裝輔助的空氣凈化設備。這導致外圍設備的電力需求增加，并在一定程度上對沖了還原工藝中節能的績效。

 

皮江法工藝的企業使用的燃料氣的類型不同，主要包括：發生爐煤氣（由鎂冶煉廠專用制氣車間生產）、焦爐煤氣（來自焦化廠）、蘭炭尾氣（來自半焦爐）和天然氣。2019年皮江法工藝的狀況與2013年生命周期評估研究的數據相比，使用蘭炭尾氣煉鎂的的比例從45%增長到64%。發生爐煤氣占比由34%降低到22%，焦爐煤氣占比由14%降低到6%。盡管利用天然氣生產的鎂總量從2011年的4.3萬噸增長到2019年的7.5萬噸，但其相對份額仍然維持在較低的水平（2019年是8%，2011年為6%）。燃料氣和其它生產材料的平均消耗量按公司數計算，并不是考慮各公司的產量的加權計算。

 

硅鐵生產的溫室氣體排放量具有不確定性。由于工藝的性質，在生產過程中會釋放出一定量的二氧化碳和一氧化碳。此外，中國目前的硅鐵生產主要發生在二氧化碳密集型電力供應地區，這也預示如果能將產業轉向低碳能源供應鏈，將進一步減少鎂生產的總排放量。

 

中國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算，包括所有上游工藝，如硅鐵或燃料氣生產。硅鐵的生產、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。硅鐵生產的排放量為每千克鎂12.5kg二氧化碳當量。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。

 

生命周期清單的計算是基于焦爐煤氣和蘭炭尾氣的生產分配，該分配是根據燃料氣在（半）焦化廠的整個生產過程中的能源貢獻。目前，這些燃料氣要么免費提供給鎂生產商，要么以低價提供給鎂生產商，否則這些氣體將不經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不是鎂生產系統的一部分。焦炭生產是硅鐵生產的上游工藝，在這種情況下，焦炭生產承擔著全部環境負荷，將該方法應用于排放量時（即不考慮能源綜合利用情況下鎂生產中使用的上述燃料氣的碳排放），從“搖籃到墳墓”的角度來看，皮江法工藝的加權平均排放量為每千克鎂21.8kg二氧化碳當量。其中，皮江法工藝步驟的直接排放量為每千克原鎂12.1kg二氧化碳當量。

 

其它工業化規模的鎂冶煉工藝

 

其中一個采用皮江工藝的企業位于土耳其中部，這個工廠還有一個太陽能發電裝置。其二氧化碳排放量與中國皮江工藝的排放量相似Ehrenberger and Brost 2015年。其可觀的碳排放節約潛力，源于一種使用更高比例可再生能源電力生產的硅鐵的可能性。位于巴西的利馬公司Rima使用硅熱法，是Bolzano法的一種改進類型。Russ，Sandilands amd Hasenberg 2012計算出該工廠每千克鎂的二氧化碳排放量為10.1kg。這考慮了在生產過程中用作生物質能的桉樹對二氧化碳的吸收量。

 

除了硅熱法生產工藝以外，原鎂可以通過電解法生產。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研究詳細分析了以色列的電解工藝（Ehrenberger,Dieringa and Friedrich 2013）。加上工藝副產品的碳信用，該工藝的溫室氣體排放值為每千克鎂14.0kg二氧化碳當量。

 

另一家電解鎂廠是位于中國青海省的鹽湖鎂業。在該工藝中，原鎂是由氯化鎂（MgCl2）鹵水為原料生產的，而鹵水是附近青海鹽湖工業集團鉀肥生產的廢物。該工廠的能源來源不同,鹽湖鎂業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量。由于進一步使用電解鎂生產過程的副產品氯氣，考慮由此產生的碳信用，導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量。

 

廢鎂產品與回收分析

 

2013年生命周期評價報告中，詳細分析了不同的鎂回收途徑。以下信息將對歐洲再生鎂生產的分析添加到原始報告給出的數據中。此外，國際鎂協IMA的“歐盟鎂回收”研究項目的結果（Bell等2017）也被納入鎂的整個生命周期分析中。

 

工藝廢料中鎂的回收

 

在鎂零件的制造或進一步加工過程中，會產生鎂廢料，這些廢料在某些場所會在內部進行處理，但一般會被送到專門的鎂回收廠。報告分析了海鎂特（Magontec GmbH）在歐洲的兩個工廠。能源供應是回收廠排放核算的關鍵環節，除了工藝本身的溫室氣體排放外，材料運輸過程所產生的排放也必須加入到再生鎂的溫室氣體平衡中。

 

報廢產品中廢料的回收

 

從技術上講，可以將鎂從報廢車輛的中分離出來，但由于單位車輛上鎂的用量相對較低，降低了回收鎂的經濟效益，因此，實際回收的鎂遠比可回收的要少。Bell等人（2017年）分析了鎂在汽車報廢零件中的走向。這些數字是基于對乘用車鎂含量統計數據、在用鎂產品積累的計算值以及歐洲報廢汽車統計數據的分析得出的。基于此分析，本研究中假設功能性和非功能性回收鎂替代原鎂，并在后續工序中對汽車零部件的生命周期進行分析研究。如2013年生命周期評價研究中所述，車輛報廢處理的碳排放貢獻相對較小（0.2CO2eq/kg回收材料），而2013年生命周期評價研究中作為標準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生產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償（可以節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二氧化碳當量，而鋁部件壓鑄工藝為每千克材料排放1.4kg二氧化碳當量。比較的功能單元是在壽命里程為20萬公里的乘用車中使用該部件。同時，鋁的回收率參考值為90%，鎂的回收率為66%。

 

對于交通運輸中輕質材料使用的生態評價，使用階段的績效對整體結果有相當大的影響。按照每100kg減重每100公里里程對應0.35升汽油的燃油節省值，來計算節省的燃油量。在20萬公里的里程中，可減排32kg的CO2。在不考慮鎂和鋁材料本身的排放的情況下，每個部件在壓鑄工藝過程和其中合金元素的碳排放值對于鎂和鋁而言各為7.3kgCO2和9kgCO2）。而部件中溫室氣體排放的主要貢獻是來自于原生金屬的生產。因此，使用不同來源的鎂作為原材料所產生的總排放量差別很大。除青海鹽湖鎂業（QSLM）的低碳生產路徑外，鎂的生產與鋁的生產在碳排放上存在正差異，這意味在鎂生產這個生命階段的排放量更高。這包括原鎂和鎂合金的生產，以及通過壓鑄制造CCB部件的階段。

 

由于中國皮江法工藝在全球鎂行業占主導地位，其平均排放數值與平均皮江法過程相似。使用利用皮江法工藝生產的原鎂制造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CCB的平均排放量為53kgCO2。使用利用RIMA工藝生產的鎂制造的CCB的CO2排放量，與歐洲鋁的排放量參考值相近。

 

計算鎂部件整個生命周期的排放量與鋁參考值的總體差異，結果表明，與鋁部件相比，代表當前鎂市場的所有鎂生產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的鎂，用鎂制汽車部件替代鋁制部件都會有更佳的溫室氣體減排效應。這個研究得出的結果代表了當前可能的減排范圍。該結果是與歐洲混合用鋁的場景進行比較的，更加符合現實情況。而如果鋁部件使用煤電生產的碳密集型原鋁材料，結果會完全不同，鎂的減排效應會更加顯著。同樣，如果將其它的新技術和新項目的鎂來源與鋁進行比較，采用鎂的部件可以獲得更高的減排值。

 

飛機部件

 

航空運營是能源密集型的，使用輕質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，以飛機艙門上使用的零件作為研究對比實例。具體的零件為每個機艙門的頂部和底部所裝配的一個齒輪箱和一個密封件。包括合金元素在內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到6.6kg。同樣的零件采用鋁制材料（A356合金）時，重量為8.5kg，鋁鎂材料之間的重量差為22%。飛機重量與燃油消耗的關系采用DLR模型VAMP zero。對于報告中的部件，計算了A320的燃油消耗量，分析了4100km飛行里程和41t空機運行質量下燃油消耗與飛機重量的關系。

 

由于飛機在飛行過程中消耗的能源非常高，絕對減排潛力證明使用輕質材料是合理的。只需要幾次飛行就可以抵償鎂零部件在生產階段所產生的更高的排放量而與鋁部件達到平衡點。與使用階段的排放量相比，不同工藝來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，只需要少數中距離飛行就可以補償生產階段對應的更高排放量。如果鎂是通過利馬RIMA或鹽湖鎂業QSLM工藝生產的，生產排放量甚至比鋁的情況更低。考慮到除了飛機每年的高里程數和溫室氣體排放外，其壽命更是長達30年，這將導致鎂合金部件輕量化帶來的更高的生命周期排放節省潛力，大約相當于250噸二氧化碳。

研究報告結論

 

鎂生產

 

自2011年（2013年生命周期評價研究的參考年份）以來，采用皮江工藝的鎂生產的排放量有所減少。然而，考慮到汽車市場中對碳中和零件需求的增長潛力，需要通過進一步提高可再生能源的份額來進一步改善鎂生產過程。由于研究調查的企業數量有限，單個企業可以低于或高于研究中給出的數字。

 

進一步降低鎂從“搖籃到墳墓”的整個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。當然，是否能夠實現還是一個由諸多外部因素決定的問題。在今后的鎂生產和應用研究中，對硅鐵的供應需要做進一步的敏感性分析。

 

在位于青海省鹽湖的鎂生產基地，是減少原鎂生產環境影響的一條有前途的路徑。根據前期對溫室氣體排放量的計算結果，在目前運行的所有鎂生產工藝中，該方式生產的原鎂的溫室氣體排放量達到最低。隨著青海鹽湖鎂業工廠產量的增加，有可能改變世界鎂供應格局和平均碳排放的整體績效。加拿大和澳大利亞目前正處于規劃階段的其它工藝，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期。

 

鎂回收

 

再生材料的使用是一個關鍵因素。鋁和鎂都采用了從零部件生產環節回收和再利用工藝廢料的的途徑，這些廢料用于生產高質量的再生合金。雖然鋁已經有一個成熟的報廢產品回收循環體系，但從報廢產品生產的再生材料重新應用于汽車零部件的實際數量還是一個未知數。工業廢料和報廢汽車廢料的再利用都很重要。然而，從產品生命周期評估的角度來看，從報廢車輛中回收和再利用材料是至關重要的。

 

在未來，從報廢產品中回收鎂并再利用的比例需要提高。這在技術上是可行的，但由于還缺乏針對報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。

 

鎂應用

 

該報告分析了鎂在兩種運輸工具中的應用，結果表明，鎂在整個生命周期內的溫室氣體排放量更低，原鎂的不同工藝來源影響針對生產階段較高排放的平衡點。根據目前的文獻（World Aluminium 2017, European Aluminium 2018），原鋁生產的排放水平同樣差異較大，這取決于其不同的產地來源。在該研究中的產品比較中，排放量的實際差異很大程度上取決于部件特征和材料來源。因此，很難對這些輕質材料帶來的減排情況給出一般性的說明。

 

飛機的高燃油減排潛力，能導致原材料生產階段高排放的快速攤銷。從這個角度來看，航空業應該使用更多的鎂。