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鎂是地球上最豐富的金屬元素之一，既有重要的工業(yè)價(jià)值，又可實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，被譽(yù)為“21 世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力、綠色的戰(zhàn)略性原材料”?！版V經(jīng)濟(jì)”是基于燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新而構(gòu)建起來(lái)的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)及與其密切關(guān)聯(lián)的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)集群。它既為可再生能源的儲(chǔ)能消納、工業(yè)廢棄物的綜合利用提供了清潔安全高效的解決方案，又為發(fā)展高端制造提供重要基礎(chǔ)材料，開(kāi)創(chuàng)了質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的工業(yè)化來(lái)源。更為重要的是，“鎂經(jīng)濟(jì)”對(duì)眾多產(chǎn)業(yè)升級(jí)的帶動(dòng)和未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)的培育，及其中蘊(yùn)含的前沿科技交叉融合、多點(diǎn)突破，為我國(guó)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道、贏得發(fā)展主動(dòng)權(quán)制高點(diǎn)，提供了難得機(jī)遇。
“鎂經(jīng)濟(jì)”是新能源與新材料相融合的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)
“鎂經(jīng)濟(jì)”簡(jiǎn)而言之是以鎂為循環(huán)介質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)新能源和新材料兩大產(chǎn)業(yè)的綠色循環(huán)、優(yōu)勢(shì)整合，其核心產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)牵阂詵|部沿海/西部鹽湖大量堆積、難以處理的鹽場(chǎng)廢棄物苦鹵為原料，以風(fēng)光電為能源，先經(jīng)電解工藝制取金屬鎂，再通過(guò)鎂燃料電池發(fā)電，最終產(chǎn)物除了清潔穩(wěn)定的電能外，就是極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、粒度在納米級(jí)、純度高達(dá) 99.5%~99.95% 的氧化鎂(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“超純超細(xì)氧化鎂”)，全過(guò)程沒(méi)有工業(yè)三廢和二氧化碳排放。
“鎂經(jīng)濟(jì)”核心產(chǎn)業(yè)主要包括可再生能源發(fā)電、鹽化工、鎂燃料電池發(fā)電、金屬鎂/鎂合金和超純超細(xì)氧化鎂制造，其外延產(chǎn)業(yè)將涉及冶金陶瓷、航空航天、國(guó)防裝備、電動(dòng)汽車(chē)、電子電器、光學(xué)儀表、食品醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。
“鎂經(jīng)濟(jì)”的綠色循環(huán)能以經(jīng)濟(jì)高效方式構(gòu)建起來(lái)，得益于燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的一個(gè)重大突破。鎂燃料電池在軍事和民用領(lǐng)域有巨大發(fā)展?jié)摿?，因?yàn)殒V資源豐富、能量密度高(理論上約是鋰離子電池的 15 倍)，不存在回收利用難題、無(wú)污染物排放，從生產(chǎn)、使用到儲(chǔ)運(yùn)的全過(guò)程及長(zhǎng)期儲(chǔ)存都是安全的，沒(méi)有易燃易爆和腐蝕性問(wèn)題。但是，包括鎂燃料電池在內(nèi)的所有燃料電池都須使用稀有貴金屬鉑做催化劑， 導(dǎo)致資源受限且成本居高不下。我國(guó)科研人員已成功開(kāi)發(fā)出經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)處理、可完全替代鉑的碳基催化劑，使鎂燃料電池成本至少能降低 60%以上，進(jìn)而通過(guò)鎂循環(huán)實(shí)現(xiàn)一舉多得的“鎂經(jīng)濟(jì)”、引領(lǐng)諸多產(chǎn)業(yè)變革。
特別需要強(qiáng)調(diào)的是，“鎂經(jīng)濟(jì)”的重要產(chǎn)物之一——超純超細(xì)氧化鎂，在全世界范圍內(nèi)都是非常稀缺且昂貴的重要基礎(chǔ)材料。目前純度能達(dá)到 98.5%的氧化鎂即被稱(chēng)為“高純氧化鎂”，廣泛應(yīng)用于高端制造領(lǐng)域，每噸市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)元人民幣。國(guó)際上高純氧化鎂主要是通過(guò)海水提取，化學(xué)制備工藝非常復(fù)雜，且生產(chǎn)過(guò)程需大量使用有毒的氨水，還存在“硼難以去除”的世界性難題。目前這一技術(shù)只掌握在日本、荷蘭、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中。我國(guó)雖然是全球氧化鎂生產(chǎn)的第一大國(guó)，但高純氧化鎂卻長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口?！版V經(jīng)濟(jì)”不僅能實(shí)現(xiàn)超純超細(xì)氧化鎂的工業(yè)化生產(chǎn)，還能把成本降至目前市場(chǎng)價(jià)的 1/3 以下，既打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，生產(chǎn)工藝又清潔低碳無(wú)污染。
“鎂經(jīng)濟(jì)”對(duì)我國(guó)制造業(yè)升級(jí)有重大深遠(yuǎn)影響
工業(yè)產(chǎn)品追根溯源，最重要的支撐就是基礎(chǔ)材料。沒(méi)有尖端的基礎(chǔ)材料，高端產(chǎn)品就是無(wú)源之水。高純氧化鎂正是高端制造業(yè)所必需的尖端基礎(chǔ)材料之一。
高純氧化鎂因能在 2850℃高溫下具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗侵蝕性、電絕緣性、光透過(guò)性、高導(dǎo)熱性、高分散性和納米活性，作為高溫耐熱材料和精細(xì)化工原料被廣泛用于冶金陶瓷、石油化工、電子電器、光學(xué)儀表、國(guó)防航空、食品醫(yī)藥等高端制造領(lǐng)域。氧化鎂的純度和粒度不同，所生產(chǎn)的產(chǎn)品就有高下之分。比如，硅鋼片涂層是決定硅鋼片質(zhì)量的重要因素，99%純度的氧化鎂是目前最好的涂層原料，日本已用它來(lái)取代 98%純度的氧化鎂，因?yàn)閮H一個(gè)百分點(diǎn)的純度提升，就能顯著增強(qiáng)硅鋼片的絕緣性能、降低鐵芯損耗，使電機(jī)、變壓器等設(shè)備更加安全和節(jié)能。
我國(guó)是制造大國(guó)，但高端產(chǎn)品還比較匱乏，其中一個(gè)重要原因是基礎(chǔ)材料受限。比常規(guī)高純氧化鎂綜合性能更優(yōu)異的超純超細(xì)氧化鎂，若在我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，必將對(duì)基礎(chǔ)材料的創(chuàng)新和制造產(chǎn)業(yè)的升級(jí)產(chǎn)生重大深遠(yuǎn)影響。
僅以鋼鐵工業(yè)為例簡(jiǎn)要說(shuō)明。
特鋼的應(yīng)用遍布各個(gè)行業(yè)，是工業(yè)化的基礎(chǔ)材料，也是一個(gè)國(guó)家高端制造發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然近年來(lái)我國(guó)特鋼產(chǎn)量有明顯進(jìn)步，但仍以中低端為主，高端特鋼還要依賴(lài)進(jìn)口，每年高達(dá)上千萬(wàn)噸，與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距。
要提高鋼材的品質(zhì)，一個(gè)重要前提是提高鋼水的潔凈度、減少有害元素和非金屬夾雜物的引入，而煉鋼過(guò)程中高溫材料(如高溫容器襯里、鋼水控流元件等)的侵蝕磨損是造成鋼水“污染”的重要禍源之一。要解決此問(wèn)題，與鋼水接觸的所有高溫材料采用以高純氧化鎂為主要組成的堿性材料， 是全球公認(rèn)的成功之舉，可有效抵抗鋼水的沖刷侵蝕、提高鋼水的脫硫脫磷效果、減少非金屬夾雜物，并提升設(shè)備的安全性和使用壽命。
無(wú)論是作為主原料、輔助原料還是合成材料的添加組分(如鎂鋁尖晶石等)，高純氧化鎂對(duì)高溫材料的整體性能都起到至關(guān)重要的作用。一是它不僅自身性能優(yōu)異，還能有效彌補(bǔ)氧化鈣、氧化鋯等材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中的缺陷，使其揚(yáng)長(zhǎng)避短;二是目前最常用的幾種耐高溫的氧化物中，只有氧化鎂的高純化批量生產(chǎn)還是技術(shù)難題。可以說(shuō)，氧化鎂的品質(zhì)在很大程度上決定著高溫材料的品質(zhì)，進(jìn)而影響著鋼水的潔凈度和終端鋼材的品質(zhì)。因我國(guó)高純氧化鎂的純度不夠高、粒度不夠細(xì)，與鋼水接觸的高溫材料的性能還難以滿(mǎn)足高品質(zhì)潔凈鋼的苛刻要求。超純超細(xì)氧化鎂的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，必將極大促進(jìn)高溫材料的性能突破和品種創(chuàng)新，為我國(guó)高端潔凈鋼冶煉和鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)打下重要基礎(chǔ)。
我國(guó)具有開(kāi)創(chuàng)、引領(lǐng)“鎂經(jīng)濟(jì)”的顯著優(yōu)勢(shì)
“鎂經(jīng)濟(jì)”的核心產(chǎn)業(yè)鏈“風(fēng)光電+海洋/鹽湖資源→金屬鎂→鎂燃料電池→清潔電能+超純超細(xì)氧化鎂”，不僅關(guān)鍵技術(shù)完全自主可控，而且從上游資源來(lái)源到下游市場(chǎng)應(yīng)用， 我國(guó)還有發(fā)達(dá)國(guó)家所不具備的資源、市場(chǎng)和完整產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)， 主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：
一是讓無(wú)法處理的工業(yè)廢棄物苦鹵“變廢為寶”。苦鹵的主要成分是氯化鎂，是我國(guó)東部鹽場(chǎng)和西部鹽湖鹽化工行業(yè)的主要副產(chǎn)物，因找不到用武之地，只能當(dāng)廢棄物堆放。我國(guó)最大的鉀肥生產(chǎn)基地察爾汗鹽湖累積的苦鹵已達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，而全國(guó)的苦鹵總量還在以每年近千萬(wàn)噸的速度增加，既是巨大資源浪費(fèi)，又給環(huán)境造成很大破壞。“鎂經(jīng)濟(jì)”用風(fēng)光電來(lái)電解氯化鎂，產(chǎn)物是金屬鎂(即鎂燃料電池的燃料)和氯氣(即化工原料)。4 噸無(wú)水氯化鎂可生成 1 噸金屬鎂，進(jìn)而產(chǎn)生 1.66 噸氧化鎂。從目前氧化鎂的年需求量看，“鎂經(jīng)濟(jì)”至少可把全國(guó)每年新增的苦鹵消納掉，使總量不再增加。
二是讓鎂材料的生產(chǎn)工藝既環(huán)境友好又成本低廉。我國(guó)鎂資源儲(chǔ)量占世界 70%，目前擁有全世界 90%的金屬鎂產(chǎn)能和 2/3 的氧化鎂產(chǎn)能，但兩者的生產(chǎn)工藝都是高耗能高污染高成本?！捌そā泵可a(chǎn) 1 噸金屬鎂，大約消耗 11 噸白云石、5 噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1 噸硅鐵和1200 度電，產(chǎn)生約 8 噸工業(yè)廢渣和 17 噸 CO2 排放，還有大量粉塵污染，過(guò)高的成本也限制了鎂合金產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展。通過(guò)高溫煅燒菱鎂礦來(lái)制取氧化鎂，還無(wú)法實(shí)現(xiàn) 98.5%以上的高純度。發(fā)展“鎂經(jīng)濟(jì)”不僅可使我國(guó)鎂材料產(chǎn)業(yè)清潔低碳，還能使金屬鎂的成本至少降低 2/3、以普通氧化鎂的成本實(shí)現(xiàn)超純超細(xì)氧化鎂的量產(chǎn)。
三是超純超細(xì)氧化鎂在我國(guó)有龐大產(chǎn)業(yè)需求和配套。目前高純氧化鎂最主要的應(yīng)用是高溫材料，與之最緊密關(guān)聯(lián)的是耐火材料產(chǎn)業(yè)，我國(guó)產(chǎn)量高居世界 65%以上，且品類(lèi)最齊全;耐火材料的下游應(yīng)用如鋼鐵、玻璃、水泥、陶瓷等基礎(chǔ)制造業(yè)，我國(guó)產(chǎn)量都占全球一半以上。實(shí)現(xiàn)超純超細(xì)氧化鎂的工業(yè)化生產(chǎn)，使耐火材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，進(jìn)而帶動(dòng)中國(guó)制造向高端化發(fā)展，有龐大市場(chǎng)需求。此外，我國(guó)大力發(fā)展的電子電器、光學(xué)儀表、國(guó)防航天等產(chǎn)業(yè)，也都要用到超純超細(xì)氧化鎂?！版V經(jīng)濟(jì)”將為“短板產(chǎn)業(yè)補(bǔ)鏈、優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)延鏈、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升鏈、新興產(chǎn)業(yè)建鏈”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展大勢(shì)提供有力支撐。
四是“鎂經(jīng)濟(jì)”將助力提升我國(guó)的能源安全保障。通過(guò)金屬鎂實(shí)現(xiàn)風(fēng)光電的儲(chǔ)能，再通過(guò)鎂燃料電池發(fā)電，這一能源循環(huán)有著其他儲(chǔ)能技術(shù)難以替代的優(yōu)勢(shì)。比如鎂燃料電池可采用模塊化靈活部署，既沒(méi)有燃爆風(fēng)險(xiǎn)，又能承受極端苛刻工作環(huán)境(如擠壓、穿刺、水淹等)，非常適合做緊急狀況下的應(yīng)急電源、軍用裝備的保障電源、偏遠(yuǎn)海島的發(fā)電站等。此外，離網(wǎng)充電已是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一， 可解決電動(dòng)汽車(chē)充電難并避免集中充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊。利用鎂燃料電池實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)充電，不僅建設(shè)成本低、充電速度快， 而且投資回報(bào)高(副產(chǎn)品是超純超細(xì)氧化鎂)、運(yùn)行維護(hù)便捷。
政策建議
“鎂經(jīng)濟(jì)”核心產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵且?guī)?dòng)效應(yīng)最大的技術(shù)創(chuàng)新——通過(guò)鎂燃料電池生產(chǎn)超純超細(xì)氧化鎂，目前已在河北唐山建成了年產(chǎn) 300 噸級(jí)的生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性先進(jìn)性已得到實(shí)踐檢驗(yàn)。這標(biāo)志著“鎂經(jīng)濟(jì)”的綠色循環(huán)不僅切實(shí)可行，而且為我國(guó)加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力提供了重要抓手。為此，提出以下五點(diǎn)建議：
一是充分認(rèn)識(shí)“鎂經(jīng)濟(jì)”對(duì)我國(guó)的重要戰(zhàn)略意義?！版V經(jīng)濟(jì)”以顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了三大突破——超純超細(xì)氧化鎂實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、金屬鎂/鎂合金的成本大幅降低、鎂燃料電池不再受制于鉑的稀缺昂貴，為性能優(yōu)異的鎂質(zhì)新材料和鎂能源大規(guī)模推廣應(yīng)用掃除了最大障礙。在“鎂經(jīng)濟(jì)”的新領(lǐng)域新賽道上，中國(guó)有著得天獨(dú)厚的資源和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，且核心技術(shù)全部自主，不僅不會(huì)被“卡脖子”，反而可占領(lǐng)創(chuàng)新高地。建議從國(guó)家戰(zhàn)略高度推動(dòng) “鎂經(jīng)濟(jì)”，高效推進(jìn)新能源與新材料產(chǎn)業(yè)交叉融合、多點(diǎn)突破，贏得發(fā)展主動(dòng)權(quán)。
二是積極開(kāi)展“鎂經(jīng)濟(jì)”的綠色循環(huán)示范區(qū)建設(shè)?？蓪⒁延辛己醚邪l(fā)和工業(yè)基礎(chǔ)的唐山作為首個(gè)示范地，建立以“海上風(fēng)電、鎂燃料電池、金屬鎂/鎂合金和超純超細(xì)氧化鎂制造、溴素制取、電動(dòng)汽車(chē)等”為支撐的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)集群。暫不考慮“鎂經(jīng)濟(jì)”外延產(chǎn)業(yè)的巨大價(jià)值，僅風(fēng)電和鎂質(zhì)新材料直接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、減排效益就十分可觀。保守測(cè)算，若建設(shè) 2GW 海上風(fēng)電，可形成年產(chǎn) 40 萬(wàn)噸金屬鎂、66 萬(wàn)噸超純超細(xì)氧化鎂和 5 萬(wàn)噸溴素的產(chǎn)能，總投資約 350 億元人民幣，年收入至少在 300 億元以上，年減排 1300 多萬(wàn)噸 CO2?！版V經(jīng)濟(jì)” 立足海洋資源，將是市場(chǎng)潛力巨大和帶動(dòng)效應(yīng)巨大的綠色經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
三是加快推進(jìn)超純超細(xì)氧化鎂與產(chǎn)業(yè)升級(jí)相結(jié)合。超純超細(xì)氧化鎂是有重要價(jià)值的基礎(chǔ)材料，但要真正推進(jìn)一個(gè)產(chǎn)品或產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化升級(jí)，還須在應(yīng)用環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的工業(yè)研發(fā)試驗(yàn)。就拿特鋼冶煉所用的堿性耐火材料來(lái)說(shuō)，要引入或改用超純超細(xì)氧化鎂為原料，需重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)線，增建測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品還須有特鋼企業(yè)試用或聯(lián)合攻關(guān)，整個(gè)過(guò)程需大量資金投入和上下游企業(yè)聯(lián)動(dòng)。建議借鑒寶鋼工程帶動(dòng)國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級(jí)的成功經(jīng)驗(yàn)，從國(guó)家層面明確戰(zhàn)略目標(biāo)和布局，高效鏈接鋼鐵冶金領(lǐng)域的研究院、設(shè)計(jì)院和骨干企業(yè)，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同推進(jìn)超純超細(xì)氧化鎂這一重大突破的成果落地轉(zhuǎn)化。
四是盡快提升鎂材料產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和話語(yǔ)權(quán)。超純超細(xì)氧化鎂比高純氧化鎂應(yīng)用更高端和廣泛，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)將使世界高純氧化鎂的市場(chǎng)格局重新洗牌。目前我國(guó)高純氧化鎂行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量低，且用于高溫材料的基礎(chǔ)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)滯后于國(guó)外。應(yīng)考慮成立超純超細(xì)氧化鎂大型生產(chǎn)企業(yè)，并盡快健全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，抓住機(jī)遇走向國(guó)際市場(chǎng)。此外，因成本昂貴，目前全球金屬鎂/鎂合金的產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁/鋁合金、鋼鐵的產(chǎn)能，其重要工業(yè)價(jià)值遠(yuǎn)未發(fā)揮出來(lái)。建議依托“鎂經(jīng)濟(jì)”的技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)迅速擴(kuò)大金屬鎂/鎂合金產(chǎn)能，占領(lǐng)這塊價(jià)值巨大但還遠(yuǎn)未做大的新興市場(chǎng)。
五是深入拓展鎂質(zhì)新材料應(yīng)用的前沿科技和產(chǎn)業(yè)。納米金屬材料的應(yīng)用大大推進(jìn)了粉末冶金技術(shù)和金屬部件 3D 打印質(zhì)量的躍升，納米磁性材料的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了癌癥靶向診療方法。鎂質(zhì)新材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能、吸附催化性能、 高靈敏度和快速響應(yīng)特性，除了目前已知的應(yīng)用外，還有很多全新領(lǐng)域尚未發(fā)掘，特別是關(guān)聯(lián)效應(yīng)巨大的超純超細(xì)氧化鎂。比如可合成世界上還無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高純度鎂鋁尖晶石，開(kāi)發(fā)能承受極端苛刻環(huán)境的陶瓷集成電路基板等。建議設(shè)立與鎂質(zhì)新材料應(yīng)用有關(guān)的國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)，提前謀劃、及早布局前沿應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，使我國(guó)成為未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)跑者和開(kāi)拓者。
(本文作者王亦楠系國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心研究員)
(本文刊發(fā)于《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》2023年第20期)
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