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超纯氧化镁突破工业技术壁垒

TOM    2021-07-06 17:28

一项具有国际先进水平、广泛应用于高温工业重要的合成材料终于研制成功了,发明者将其命名为“超纯氧化镁”。这种材料对于生产高端的钢铁、水泥、玻璃、陶瓷等都有着决定性的制约作用。我国高端的特种钢生产受限,其根本原因之一是炼钢炉的耐火材料系统无法耐受需要的炉温,而高纯度氧化镁材料的应用则可以全面提升耐火材料系统整体性能,减少钢水非金属氧化物夹杂。

超纯氧化镁突破工业技术壁垒

超纯氧化镁千吨生产线启动仪式现场合影。

2021年6月8日,唐山海港经济开发区,超纯氧化镁千吨生产线启动仪式发布会在“研究中心”工区大厅举行。与会的领导、专家、学者、研发人员齐聚一堂,他们将见证这一鼓舞人心的时刻。

会议主席台背景墙上、巨大的显示屏中央,是一个硕大的“1”,下方并列一排是四个环形,四条优美的弧线将它们连接到一起。每一个圆环内抚按的是一只厚实有力的手掌。五、四、三、二、一,随着倒计时最后一声的钟鸣,屏幕上溢射出绚丽夺目的火花。

超纯氧化镁千吨生产线正式启动了!这是一个令人欢欣鼓舞的时刻。

河北唐山海港经济开发区,一座整洁宽敞的巨大厂房。牌匾标识:唐山海港经济开发区北京理工大学机械与车辆学院转化研究中心(以下简称“研究中心”)。厂房最西部是一个四五百平方米的展室。

展室里是“研发中心”研发产品的流程介绍和数十件实物展品,略显简陋。然而,很难想象,这里研发的是在高科技材料领域具有颠覆性创新的产品,其名称为“超纯氧化镁”。

超纯氧化镁突破工业技术壁垒
超纯氧化镁突破工业技术壁垒

超纯氧化镁原电池组。

氧化镁制备遇瓶颈

工业产品最终的追根溯源,其最重要的支撑基础就是基础材料,没有尖端的基础材料,高端的产品将成为无源之水。我国高端产品乏馈,尖端基础材料受限是一个非常重要的根本原因。

镁是一种金属元素,从含镁的矿石到金属镁抑或是耐高温的氧化镁,这项技术已经在世界工业生产领域一成不变地使用了近200年。氧化镁广泛应用于钢铁、陶瓷、水泥、玻璃等需要高温炼制的耐火行业。氧化镁的纯度不同,生产出的产品会有高下之分。以钢铁行业为例,我国生产的钢产量占世界钢铁总量的百分之六十,但所生产的大部分是粗钢,这是因为炼钢炉的耐火材料难以达到生产特殊钢的环境所致,而耐火材料最基础也是最重要的合成原料就是氧化镁。水泥、玻璃等行业生产高端产品亦是如此。

氧化镁主要是从海水和从菱镁矿中制备,其生产制备过程中污染非常严重。菱镁矿在转化氧化镁的过程中需要“高温煅烧”,其目的是用高温去除菱镁矿中的二氧化碳,二氧化碳由此大量散发到空气中。据统计,每炼制一百吨氧化镁,散发到大气的二氧化碳多达一百一十吨。全球科学家们已有共识,导致地球变暖的“温室效应”的根源就是二氧化碳超量排放。

氧化镁的另一个来源是从海水提取。而这种工艺目前需要大量使用氨水,而氨水是剧毒品。

氧化镁第三种制备方式是“燃料电池”制备氧化镁法。这种方法需使用金属镁与铂结合才能产生电能。铂又称铂金,其开采难度远远高于黄金,铂属于稀有贵金属。这不仅造成“燃料电池”投入成本昂贵,而且规模化生产氧化镁也受到铂储量、产量的极大限制。综上所述,在环境污染问题严重,制备成本高的限制条件下,氧化镁的制备方法亟需优化。

在持续探索的过程中,研发团队将视线聚焦在“燃料电池”发电机发展空间上。

超纯氧化镁突破工业技术壁垒

另辟蹊径创造“新法”

正是基于这样一个创新方向的理论判断,“研究中心”的研发团队,经过潜心研究,终于创造出一种无“燃料电池”发电工艺,但却完全抛弃了铂或其他贵金属作为催化剂的方法。如此“新法”,在燃料电池的历史上,是一次颠覆性的创新,有巨大的潜在优势。

一、角度独特。

借鉴燃料电池的生产工艺但却不再使用贵金属,还可以制备出高级别的氧化镁,这是一个创新,更是一个奇迹。

“研究中心”采用的是引入特殊碳材料与金属镁结合的方式,实现化学变化。改造碳材料同样是一场高科技的研发,经过多次的攻关,新的碳材料实用技术终于成功。“研究中心”团队将处理过后碳材料称为“碳基”材料。这也是“新法”的核心技术。“新法”技术的运用使燃料电池生产工艺发生了质变。

二、“新法”具有的优势。

第一、降低成本,增加电能。“新法”每生产一吨超纯氧化镁投入约人民币8000-12000元,可产出价值约28000-41000元的超纯氧化镁,同时还可产生约2000-2100度优质直流电能。

第二、零排放、无污染源产生。“新法”运用“碳基”技术可以让金属镁与水和空气结合,不排放任何液体、气体和废弃的固体物。产生电能后,其唯一实存物体就是超纯氧化镁。

第三、提高了氧化镁的纯度。新法制备的氧化镁纯度可达到99.5%到99.95%。目前高等级的氧化镁工业制备技术掌握在日本、荷兰、美国、以色列、德国手中。以日本为例,其生产的氧化镁的纯度为99.5%,而研发中心新法制备的氧化镁纯度可达到99.95%。

“研究中心”展厅展示的用“新法”制备的超纯氧化镁,其色彩、亮度与其它氧化镁有明显的区别。因其纯度胜过日本宇部化学生产的超高纯氧化镁,所以命名为超纯氧化镁。

第四、智能化的生产工艺流程。制备超纯氧化镁的生产车间高度高智能化,一个千吨超纯氧化镁的生产车间,只需要二到三名操作工,其余则只用几名检修人员对生产设备进行日常维护即可。

第五、巨大的发展空间。“新法”制备出的超纯氧化镁运用的领域十分广泛,中国耐火材料协会会长周宁生教授对此初步总结出几个方面:

其一、可合成世界上目前还无法实现高纯度的尖晶石。

其二、可以做成纳米氧化镁。

其三、可以做成滑板、坩埚、烧结氧化铝、溶胶等方面更加尖端的产品。

其四、具体到钢铁行业,以唐山市的钢铁产业而言,如果使用超纯氧化镁将会产生节能、降污、提高钢铁等级的巨大效益。

超纯氧化镁突破工业技术壁垒

唐山海港经济开发区北京理工大学机械与车辆学院转化研究中心副主任梁靓(左)。北京理工大学机械与车辆学院董明明教授(右)。

“新法”与电能

“新法”来源于燃料电池技术,燃料电池电极材料可用风能、太阳能的“垃圾电”、水能的“弃水电量”制取。“新法”燃料电池技术则可将弃风、弃光、弃水的能量进行储存和利用,进一步提升清洁能源的使用效率,极具发展前景。

“新法”借鉴燃料原电池的发电方式,在制备超纯氧化镁的同时产生电能。“新法”发电方式有大型、中型、小型之分。

“新法”电池属于单体化、小型化;中型化的“新法”发电方式可以满足一个大型生产企业发电需求,而大型化的“新法”发电可以为一个中等城市提供2000兆瓦的发电量,完全可以满足其日常需要。

目前,电动汽车方兴未艾,电动汽车如果引入“新法”将会产生巨大变化。

第一、电池本体无需更换。这得益于“插板”技术的应用。所谓“插板”是将发电源材料制成一个与电池主体独立的个体,这是因为回收超纯氧化镁的需要,即“插板”就是超纯氧化镁的回收器。“插板”可以更换,而电池主体不动,这就是“新法”电池的“永久性”。

第二、电池能量密度大。因为使用了新的“碳基”技术,一组“插板”的行驶里程可超过1500公里。

第三、无需充电。“插板”即插即用,从此不再有充电之劳。又因为小巧的“插板”重量不足一千克,可随车携带多块。这基本上解决了续航问题。

“新法”的运用或将是电动汽车发展的福音。

“新法”的研发团队

这是一个由教授、专家、学者等高科技人才组成的团队,其中不乏行业的领军人物。团队的牵头人梁靓,2004年就读南京大学材料学专业,虽然身材高高大大,但不乏一副文文静静的书生气。

出生在唐山的梁靓,父亲是唐钢老一代的耐火材料专家。或许是耳濡目染、也或许是遗传基因。梁靓对材料学有浓厚的兴趣,这也造就了他在材料领域敏锐的眼光。

2010年,就读期间,从所熟悉的一位学长那里,他了解到,在电池生产工艺中有一种碳材料在燃料电池生产中可以打破原有的工艺流程,其前景广阔。

使用活性金属用于发电,早在1800年由意大利物理学家伏特发明,一直沿用至今。如果可以用碳材料替代铂等贵金属,这将会是一次划时代的创新。然而,这还只是理论论证阶段。由理论到实践还有一段漫长的路。

基础材料是微观领域的科学,位于尖端科学的前沿。一个新的方法的诞生,必须对所设计产品各个环节进行量化,这需要精确而复杂的数学计算,这是一个难关。梁靓请来了自己的忘年交,理论数学和应用数学专家陈泽森教授。经过精确的数学建模,严密的分析和计算,最终完成“新法燃料电池”的各项参数的量化分析,这为下一步如何工程实现,提供了扎实的数据支撑。

参数化设计完成后,随即转入电池原理样机的试制。这项工作由北京理工大学机械与车辆学院董明明教授统筹。在团队全体成员的同心协力下,最终“新法”技术全部准备工作“修成正果”,可以进行实验性的具体操作了。经过多次试验,终于在2018年8月26日,成功地制备出超纯氧化镁的样品。

“研究中心”展厅,十几种国内、国外氧化镁的样品摆放在橱柜中。“新法”炼制的超纯氧化镁样品,独树一帜、洁白晶莹、熠熠生辉,仿佛是一只高傲的白天鹅,展现出与众不同风采。

成功验收

2020年12月2日,由国内顶尖级的耐火材料专家、中国耐火材料协会会长周宁生领衔,包括钢铁冶金、燃料电池、高温材料领域的十一位专家,共同组成的评审团队对“新法”进行了验收检查。经过严格的审核,最后对“新法”给出了“电力联动生产、清洁无害、发展前景广阔,社会效益、经济效益显著,可以广泛用于钢铁、水泥等生产企业,属国际先进的科学技术”。这一鉴定结论表明,“新法”不仅填补了国内高纯氧化镁生产的空白,而且成了全球氧化镁生产领域的领头羊。

目前,研发团队已经集合了一批年轻、朝气蓬勃的博士、硕士队伍。万事俱备、只待东风!

唐山政府部门的支持

唐山,南临渤海,北依燕山,是一座有着百年历史的重工业老城,也同时是全国重要的能源生产基地,其钢铁的产量就占了全国的百分之五十。其它诸如陶瓷、煤炭等在全国也具有举足轻重的地位。重工业城市意味着工业人口的大比例,面对世界百年未有之大变局,城市转型、发展技术含量更高、构建现代产业体系更显迫切,这也是唐山追求的目标。

发展经济靠科技、靠人才,这是城市经济发展重要的基础所在。唐山引进高校科研院所。2019年北京交通大学在唐山兴办研究生院;2020年北京理工大学与唐山合作办学。“燃料电池”的项目正是在这样一个大背景下,落户到了唐山海港经济开发区。

2020年4月12日,梁靓与唐山海港经济开发区党工委书记、管委会主任黄玉刚第一次接洽。入驻开发区,有其一套规则,原本准备进行详细完整的介绍,但刚把主要的技术先进性及工艺环节介绍完,黄玉刚马上表态说:“你们的四个项目,我们全要了,一个也不许给别人,要钱要物,我们全力配合。”外表朴实无华,但性格却雷厉风行。这让梁靓很感动,他知道唐山海港经济技术开发区就是这个团队栖息的梧桐。以后的办事效率是快节奏的,从开始洽谈到“研究中心”注册及入驻,仅用了十二天的时间。入驻的厂区是一座6000平方米的超大厂房,并配套了500平方米的办公楼区。

之后,唐山市政府部门更是明确表示“开发区给予的前期资金落实后,其后续资金由唐山市政府负责”。唐山政府部门的办事效率和领导风格让研发团队信心倍增。

据悉,“新法”团队的目标是在2022年底之前完成千吨级超纯氧化镁生产。这标志着我国在尖端耐火材料生产领域已经迈出了实质性的一步。这更为我国在钢铁、陶瓷、水泥,以及发电领域的产品位于世界前端,提供了可靠的技术保障。

对生产者而言,以后的每一天,都将会紧张而忙碌,不过这正是他们的期待!

前景广阔,大路在远方!

 

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责任编辑: WY-BD

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人家也是有底线的啦~
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