前言

在“双碳”目标驱动全球冶金工业变革的大趋势下，金属镁还原炉依然因其高能耗性而面临前所未有的挑战。传统硅热还原工艺在镁产业链中的持续运用，已经成为限制镁产业节能减排的关键枷锁。尽管目前对于金属镁还原炉能源消耗优化的探索已经超越对参数或者单一设备的局部改进，但是融合深度融合能源科学与数字智能，如何动态优化和精准解析还原炉内的能质传递网络等，当下尚未有比较成熟的方案与模式可供借鉴和推广。金属镁还原炉能源消耗优化既是热工装备的创新，也是一场涉及闭环控制、智能决策与实时感知的工艺革命。因此聚焦金属镁还原炉能源消耗优化，从智能调控、清洁能源替代、装备节能改造等多维度探索长其能源损耗的主因，探索能耗动态优化解决方案等势在必行。

2  金属镁还原炉能源消耗的现状分析

2.1  主流生产工艺及其能耗构成

全球目前运用原镁硅热法生产的比率远超85%，此工艺在1200摄氏度的高温、真空条件下，往往使用硅铁还原煅烧白云石以得到金属镁。原镁硅热法在生产中依赖于能耗高度集中的外加热横贯还原炉，从其全流程来看，其能还原工序作为绝对的耗能主体，能耗占镁冶炼总能耗的60%—70%。原镁硅热法工序的能耗主要由燃料消耗、电力消耗、还原罐等耐材消耗的隐含能耗构成。

其中，燃料消耗主要用于补偿炉体散热和提供还原反应需要的热量，其消耗的能耗占总能耗的75%及以上；电力消耗用于运用冷却系统和维持真空系统；还原罐等能耗消耗的隐含能耗很难估量，且容易被企业管理人员所忽视。在热能运用方面，金属镁还原炉现有工艺偏于粗放，大量1200℃左右的高温烟气与高品质热能（输入热约35%—45%）被直接排空，在这类“高总耗、低回收”的能源运用模式下，有效热能利用率普遍不超过50%，导致行业能耗长期居高不下。

2.2  影响还原炉能耗的关键因素

影响金属镁还原炉能耗的因素众多，包含能源回收与系统匹配、热工过程控制水平、炉型结构和规模等。其一，能源回收与系统匹配方面，烟气余热的回收率与温度是外因。现阶段，按需匹配余热锅炉的企业毕竟还是少数，多数回收系统并没有按照先发电再预热的方式梯级运用热能，且常常因为积灰、腐蚀等问题而导致能源消耗优化效率降低。金属镁还原炉与镁蒸汽冷凝、原料预热等前后工序的热能协同，同样存在系统集成度低、协同优化不足等问题，这也会影响金属镁还原炉能源消耗整体能效的有序提高。

其二，热工过程控制水平，实践证明炉内流场、温度场是否均匀，燃烧是否充分，直接决定了传热的反应速率与效率。日常人工控制金属镁还原炉的燃烧过程，但很难保证空燃比的动态最优，一旦燃烧不完全，其造成的排烟热损失会迅速增大，加之温度不均匀导致的局部反应不完全或者过烧，更是会增加单吨镁的无效热耗量。

其三，炉型结构和规模。金属镁还原单炉还原罐的数量相对有限，而单位产能的炉体散热面积又偏大，严重限制了金属镁还原单炉的规模效益。传统横罐炉是间歇操作，其装出料的周期性会导致横罐炉体会反复经历升温、降温的过程，增加周期性热损失率。相比之下，蓄热式、连续化燃烧方面有节能优势的新型竖罐结构，也仅仅是在理论方面获得了一定的成绩，但在实践大范围推广方面还是缺乏毕较成熟的案例。

3  金属镁还原炉能源消耗面临的问题

3.1 关键材料性能和智能化控制短板明显

金属镁还原炉关键材料性能短板明显和智能化控制问题突出。还原罐是金属镁还原炉的核心消耗性部件，目前市面上使用耐热钢的还原炉多存在热传导效率偏低、抗蠕变性能较差、高温力学强度有限等问题，而高导热、长寿命的新型还原罐目前的研发进展却偏于缓慢。同时，由于金属镁还原炉的还原工艺反应环境比较苛刻，涉及复杂气固相反应等，但符合此条件的在线检测传感器比较稀缺，很难实时精准检测关键参数。缺乏有效数据作为支撑，就很难创设精确的数据驱动模型，那么基于模型的智能闭环优化操作与控制就更难以落实。

3.2 余热回收技术经济差

目前在金属镁还原炉余热回收环节，可用的技术存在难以规模化运用，经济性较差等问题。理论上还原炉产生的1000℃高温烟气具有较高的回收价值，但回收这些余热需要保持高效稳定换热性能、耐高温腐蚀与粉尘黏附、可在合理范围内控制运行成本且具备投资性能的换热装置。可是这类装置的不足始终影响余热回收方案的有效落实，并严重限制了金属镁还原炉的大范围运用与推广。

4  降低还原炉能耗的优化路径与对策

4.1  研发长寿命材料与提升过程智控水平

新型高性能还原罐材料可应对金属镁还原炉材料与智能化短板，从提高还原炉导热系数、抗腐蚀性、高温抗蠕变强度等需求着眼，可考虑使用金属间化合物复合材料或者将纳米级稀土元素加入传统耐热钢种，以便提高还原炉的传热效率、延伸罐体寿命，降低频繁更换材料导致还原炉生产中断或者间接能耗增加等。同时，还可在金属镁还原炉的关键点位部署可实时采集图像、气氛、压力、温度等数据的耐高温传感器，并基于反应热力学模型与这些真实数据，创设可动态预测、模拟还原炉真空度、燃料状态、反应过程的数字孪生系统等。

4.2  构建高效低成本的余热梯级利用系统

系统规划好技术创新并重的方式有助于解决金属镁还原炉余热回收经济性差的问题。其核心在于设计、按需灵活运用温度对口、梯级运用的系统。比如，对于1000℃以上的烟气温度梯度，可借助余热锅炉生产过热蒸汽或者高效辐射换热器，在800℃以上的最高温段，转换热量（如蒸汽等）发电；低温段可初级干燥助燃空气或者原料等，确保在此阶段热能可以被“榨干”；300-800℃的中温段为降低燃料消耗，则可使用耐腐蚀陶瓷转换器来预热燃烧空气到600℃以上。为提高还原炉运用的经济性，降低其能源消耗量，还需要攻关防积灰技术和低成本耐腐蚀换热材料。如，集成优化电力网络、全厂蒸汽与余热系统，确保回收的电力与蒸汽能稳定消耗，大幅度提高金属镁还原炉整体能源利用效率等。

5  结束语

目前，镁产业正处在从间歇式、高能耗的传统皮江法，向清洁、连续、高效的现代冶炼工艺转型的关键时期。而金属镁还原炉能耗的优化却是一项复杂、紧迫、系统的工程，其既面临低碳转型、能耗指标等政策软约束，也受到固废利用、耐高温材料等技术的硬性制约。未来，金属镁还原炉能耗的优化既需要坚定不移地研发氢还原、铝热还原等技术，又需要高效、务实地推广已成熟的节能环保技术，如蓄热式竖罐等，以便在快速降低行业平均能耗水平的同时，也为行业、产业的终极绿色转型提供客观依据。

［参考文献］

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[2] 汪雷，还原炉提取金属用旋转搅拌芯轴耐火材料的研发与产业化 安徽省 马鞍山江润冶金有限责任公司 2023(01)

[3]程惠伦，金属铼粉单管还原炉自动控制系统 世界有色金属 2022(04)

作者介绍：白锋锋（1987.02），男，汉族，陕西佳县人，本科，初级化工工艺工程师、中级注册安全工程师（化工安全），毕业于中国石油大学，职务：副部长，研究方向：化工工艺、安全管理。