近20多年來，世界氣候的變化比過去劇烈得多，這是全球面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。各個經(jīng)濟(jì)部門減少溫室氣體是應(yīng)對這種挑戰(zhàn)采取的主要措施之一。近些年來，全世界交通運(yùn)輸量增長相當(dāng)快，因此，對溫室氣體排放的上升應(yīng)有較多的擔(dān)當(dāng)，減少這種排放的措施多種多樣，從技術(shù)觀點(diǎn)看，降低裝備質(zhì)量是可行的，也應(yīng)是很有效的。鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因此，采用鎂合金制造交通運(yùn)輸裝備零部件，可取得明顯的減重效果。
為了評估鎂合金零部件在生命周期的生態(tài)化效益，必須掌握零部件在整個周期內(nèi)各個階段的情況，德國車輛概念學(xué)院與航天中心的西蒙·埃倫伯格和霍斯特E·弗里德克分析了公共汽車和中型運(yùn)輸機(jī)典型鎂合金零件的生態(tài)化效益。評估了公共汽車零件在各個階段（原鎂提取、零件制造、使用期間、回收）的溫室氣體排放以及對氣候變化的影響。
目標(biāo)與范圍的分類及定義
在評估中采用了兩個典型的實(shí)例：汽油公共汽車的轉(zhuǎn)向盤車架和變速器，中型運(yùn)輸機(jī)門的上下密封器。對這些零件都計算了原鎂提取、合金和零件制備的能耗、溫室氣體排放，以及生命周期內(nèi)能耗和溫室氣體排放，對公共汽車轉(zhuǎn)向盤車架和變速器還計算與評估了廢件的回收能耗和溫室氣體排放。飛機(jī)門上下密封器到期報廢時幾乎沒什么回收價值，故未予評估。在評估時，以鋁合金零件作為參照物。
近期，原鎂提取技術(shù)有了一些進(jìn)展，評估時對此也有所考慮，對技術(shù)本身及其發(fā)展作了必要的評估。中國對皮江法熱法煉鎂技術(shù)作了不少改進(jìn)，它用此法生產(chǎn)的原鎂占世界總供應(yīng)量的80%以上，因此，中國的技術(shù)是當(dāng)前皮江法的代表，在評估時以中國的工藝為準(zhǔn)。還對電解法提鎂能耗和溫室氣體排放作了簡明的論述。溫室氣體排放按CO2eq當(dāng)量計算。
原鎂生產(chǎn)
皮江法煉鎂是1941年加拿大多倫多大學(xué)教授L·M·皮江發(fā)明的，他在渥太華建了一個以硅鐵還原鍛煉白云石煉鎂的工廠，商業(yè)化生產(chǎn)出了鎂。1942年加拿大政府在哈雷白云石礦建了一個生產(chǎn)能力為3000t/a的皮江法（硅熱法）鎂廠，大獲成功，從些皮江法成為電解法之后的第二大工藝，對世界鎂工業(yè)的發(fā)展起了大作用。近10多年來，中國鎂工業(yè)對皮江法做了許多改進(jìn)，使中國鎂工業(yè)得到很大發(fā)展，成了世界鎂工業(yè)的引領(lǐng)者，2018年，中國的原鎂產(chǎn)量863kt，占世界總產(chǎn)量的80%以上，沒有中國產(chǎn)的鎂，就沒有如此興旺發(fā)達(dá)的世界鎂工業(yè)。
當(dāng)前，中國、德國、澳大利亞等國家的研究者正致力于研究原鎂生產(chǎn)工藝過程和鎂產(chǎn)品制備過程的生命周期評估，同時大部分原鎂提取對環(huán)境影響的研究都聚焦于中國皮江法工藝的溫室氣體排放上。根據(jù)澳大利亞學(xué)者2003年的研究結(jié)果是，電解法溫室氣體排放20.4kgCO2eq/kgMg～26.4kgCO2eq/kgMg,而中國皮江法煉鎂（含硅鐵生產(chǎn)和電耗的溫室氣體排放為37kgCO2eq/～47kgCO2eq/kgMg，皮江法的平均排放量約為電解法的1.8倍，因些國際上普遍認(rèn)為，中國皮江法煉鎂會釋放許多的溫室氣體，不利于環(huán)境保護(hù)，皮江法是會排放CO2，但并不像人們認(rèn)為的那么多。
自2005年以來，北京工業(yè)大學(xué)材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價中心根據(jù)資源和能源結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合目前中國煉鎂工業(yè)的態(tài)勢，計算得到了以直接燃煤、發(fā)生爐煤氣和焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)鎂的溫室氣體排放強(qiáng)度為34kgCO2eq/～42kgCO2eq/kgMg。他們得出的結(jié)論是：直接燃煤的總體環(huán)境負(fù)荷最大；燃燒發(fā)生爐煤氣的比直接燒煤的下降1.9%;而以焦炭企業(yè)的副產(chǎn)物—煤氣作為主要燃料進(jìn)的負(fù)荷強(qiáng)度最小，比直接燃煤的減少17.5%。
根據(jù)以上計算結(jié)果，他們提出應(yīng)按照工業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)、能源流通規(guī)律構(gòu)建鎂與焦炭、硅鐵等生產(chǎn)的生態(tài)工業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)品之間的物質(zhì)傳遞、供應(yīng)、副產(chǎn)物交換和能量的階梯利用，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境容恰循環(huán)發(fā)展的模式。
北京工業(yè)大學(xué)評價中心2010年公布的研究結(jié)果顯示，中國2009年先進(jìn)的皮江法煉鎂工藝的溫室氣體排放強(qiáng)度為25.6kgCO2eq/kgMg，與電解法的平均水平大體相當(dāng)，而且還有進(jìn)一步降低的可能性。這得益于在中國推進(jìn)節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鎂業(yè)分會大力倡導(dǎo)和推動節(jié)能降耗技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，特別是大多數(shù)鎂業(yè)公司實(shí)施了冶煉過程各工序爐窯的技術(shù)改造，例如清潔能源、蓄勢式高溫空氣燃燒技術(shù)及余熱利用技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)，能耗整體降幅達(dá)到40%左右，使中國鎂冶煉在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率和環(huán)保方面取得了里程碑意義的顯著進(jìn)步。在此還需特別指出是，青海鹽湖工業(yè)股份有限公司引進(jìn)的海德魯鋁業(yè)公司的電解鎂的一期100kt/a項(xiàng)目已于2013年投產(chǎn)，生產(chǎn)線的溫室氣體排放較低，只有6.5kgCO2eq/kgMg，而且隨著原鎂及深加工產(chǎn)品進(jìn)一步提升到600kt/a與擴(kuò)大到1000kt/a的最終目標(biāo)，二氧化碳排放量還會有進(jìn)一步的下降。中國在降低原鎂溫室氣體排放方面正在做兩方面的工作，齊頭并進(jìn)：一是加快加大青海鹽湖鎂項(xiàng)目的建設(shè)，并大力引進(jìn)外資與先進(jìn)的鎂材深加工技術(shù)，建立合資企業(yè)；二是加強(qiáng)眾多皮江法煉鎂技術(shù)的改進(jìn)，進(jìn)一步降低能耗與溫室氣體排放。
與鋁工業(yè)生命周期評估工作相比，原鎂及鎂合金材料的相關(guān)生命周期評價研究還處于起步階段。由于鋁產(chǎn)業(yè)已完成其生命周期評價工作，鎂在這方面數(shù)據(jù)報告還不多與不充分，不利于鎂的推廣應(yīng)用?？上驳氖牵瑖H鎂業(yè)協(xié)會已于2011年啟動了鎂產(chǎn)品生命周期評價研究項(xiàng)目，包括4項(xiàng)內(nèi)容：原鎂提取，采用鎂材設(shè)計及制造零部件的獨(dú)特優(yōu)勢，鎂在路面運(yùn)輸裝備中應(yīng)用的生命周期評估，廢鎂材與鎂件的回收及再生利用。國際鎂業(yè)協(xié)會將定期公布研究總結(jié)報告，以便獲得業(yè)界的認(rèn)可與有利于鎂的推廣應(yīng)用。
電解本身能耗產(chǎn)生的溫室氣體最多，占總排放量的94%。電解鎂時會產(chǎn)生相當(dāng)多的副產(chǎn)品CL2、KCL,它們的品質(zhì)高，在工業(yè)中很有用，而單獨(dú)生產(chǎn)它們，也是要耗能與排放溫室氣體的，而現(xiàn)在利用它們，就可以節(jié)省一部分能與降低排放溫室氣體，考慮到這一點(diǎn)，電解鎂本身的溫室氣體排放實(shí)際上只有14kgCO2eq/kgMg。
轎車轉(zhuǎn)向盤架生命周期的評價
轎車分類，按ISO規(guī)定是指含司機(jī)座不多于9個的乘人車，而按日本JIS規(guī)定不多于10個的。
產(chǎn)品系統(tǒng)簡介
運(yùn)輸裝備零部件采用輕量化材料制造可以減少燃料消耗，降低溫室氣體排放。為了評估應(yīng)用鎂的優(yōu)點(diǎn)，選用鎂合金轎車轉(zhuǎn)向盤架進(jìn)行生命周期評價，同時以鋁合金件作為參照架。鎂合金轉(zhuǎn)向盤架的質(zhì)量0.55kg,以AM50鎂合金壓鑄，鋁合金架的質(zhì)量0.74kg，以ALMg3合金壓鑄。在評價時，選用中型轎車，行駛20萬公里。計算燃料降低量時以0.35L/（100km·100kg）為基準(zhǔn)。壓鑄時用的都是原生鎂與鋁，然后進(jìn)行合金化。
車的使用壽命終止后，回收鎂與鋁，但是沒有進(jìn)行分離與分類，而是賣給了廢料市場，這就是說，鎂合金件沒有單獨(dú)回收制成再生鎂合金，而是與鋁廢料混在一起成為再生鋁合金的合金化元素。如果鎂與鋁能與原生金屬一樣參與第二次輪回使用，那就可以降低溫室氣體排放。
轉(zhuǎn)向盤架的壓鑄
轉(zhuǎn)向盤架是用壓鑄法生產(chǎn)的，在熔煉鎂合金時必須添加覆蓋劑以防鎂的氧化，同時還必須采用氣體保護(hù)鎂合金熔體，可有3種保護(hù)氣體：SO2空氣混合物，SF6空氣混合物，R134a/CO2混合物。在實(shí)際生產(chǎn)中前一種用的最多。保護(hù)氣體消耗量可按美國環(huán)境保護(hù)局有關(guān)規(guī)定確定。
若用SO2或R134a作為鎂熔體保護(hù)氣體，壓鑄法的溫室氣體排放最低。在用其它保護(hù)氣體時，以及壓鑄鋁合金工件時，電力消耗是溫室氣體排放最多的。
全生命周期溫室氣體排放
由于轎車運(yùn)轉(zhuǎn)時的燃機(jī)會釋放大量的CO2，對車上零件全生命周期內(nèi)溫室氣體排放量影響甚大?，F(xiàn)對兩種材料轉(zhuǎn)向盤架生命周期內(nèi)各階段的排放量作一分析，生命周期有以下幾個階段：原生金屬及其合金生產(chǎn)、壓鑄、使用階段、使用期滿后報廢件的回收與再生處理。原鋁生產(chǎn)排放量的世界平均值取自文獻(xiàn)資料，在運(yùn)營期間溫室氣體排放量最低的是鎂轉(zhuǎn)向盤架，減少了3.8kg。
制造轉(zhuǎn)向盤架的的原鎂是用電解法提取的，此階段溫室氣體排放較少，對副產(chǎn)品是否回收利用不予考慮。如果鎂是用皮江法生產(chǎn)的，則生產(chǎn)階段排放的溫室氣體比電解生產(chǎn)鋁的高得多。如前所述，若生產(chǎn)鎂用廢棄的焦?fàn)t或半焦?fàn)t煤氣，則節(jié)約的焦量相當(dāng)于轎車行駛了4.6萬公里所排放的溫室氣體，在此階段轎車排放的溫室氣體與鎂生產(chǎn)時少排放的相抵銷。若皮江法生產(chǎn)鎂不用廢棄的煤氣，則就不需要考慮這些了。
航空器零件生命周期的評價
產(chǎn)品系統(tǒng)簡介
與地面運(yùn)輸裝備相比，飛機(jī)對質(zhì)量的減輕敏感得多，因?yàn)槟芎拇螅瑔挝焕锍棠芎拇蟮枚?。一般，中型客機(jī)一次航程往往＞4100公里，現(xiàn)在就以4100公里作為評價污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。選用的零件共3個，都是飛機(jī)門的：齒輪箱、上下密封。鎂合金零件為AZ91E，鋁合金零件為A356合金。鎂合金零件質(zhì)量為6.63kg,而鋁合金的為8.5kg。一架飛機(jī)的質(zhì)量減輕按5.8kg計算。用鎂合金零件時，每航行一次可節(jié)約噴氣燃料4.7kg。
砂模鑄造
所用的飛機(jī)門零件都是定點(diǎn)生產(chǎn)的。鑄造廢料認(rèn)為相等，同時廢料的89%得到回收，同時不同于壓鑄的是，砂型鑄造時每鑄一次就要換一個模型。制造砂型用的材料為砂料、黏結(jié)劑與抑制劑（防止鎂與砂粒反應(yīng)）組成，并用成型機(jī)壓實(shí)。砂模內(nèi)充滿SO2，以減輕鎂在模內(nèi)反應(yīng)然后將熔煉好的鎂合金熔體注入模內(nèi)。在鑄造鋁合金零件時，不需要向模內(nèi)充保護(hù)性氣體，也不需要向砂內(nèi)加反應(yīng)抑制劑。
總體上鎂零件的溫室氣體排放量低于鋁零件的，盡管砂模鑄造鎂件的工藝復(fù)雜一些。
在飛機(jī)中零部件的質(zhì)量減輕對降低溫室氣體排放有著非常重要的意義。對一架中型的客機(jī)來說，鎂合金零件雖僅比鋁合金的輕5.6kg,只要一年飛行了1.9Mkm，就可以少排放8t溫室氣體，如果它的生命周期按30a計算，那么在生命周期內(nèi)，少排放的溫室氣體可達(dá)226t。
結(jié)語
近些年業(yè)，皮江法煉鎂工藝的能源效率得到了很大改善，主要得益于中國鎂工業(yè)對工藝的改進(jìn)，采用可燃?xì)怏w——煤氣代替煤，使溫室氣體下降了不少。采用電取代天然氣，用新的保護(hù)劑取代SF6作為覆蓋氣體，采用水電與可再生新能源發(fā)的電可進(jìn)一步減少溫室氣體排放。
在零部件制造過程，保護(hù)覆蓋劑的采用對溫室氣體排放量有很大影響，而熔煉鋁合金則不用覆蓋保護(hù)劑。不用SF6作為覆蓋劑而用其他保護(hù)劑，可以降低對氣候的不利影響。另方面，從技術(shù)與設(shè)計層面改進(jìn)對廢料回收與再生，也是降低溫室氣體排放量的有效途徑之一。雖然，在生產(chǎn)再生鎂合金時還要添加一些材料，而生產(chǎn)它們也要釋放一些溫室氣體。
采用鎂制造器械零部件可從兩方面受益，一是制造過程中溫室氣體排放少，二是整個生命周期的排放少，在比較了鎂和鋁的溫室氣體排放量，原生金屬提高工藝影響相當(dāng)大。在談到轎車與飛機(jī)鎂合金零件的少排溫室氣體時，轎車零件對燃油敏感性比其他運(yùn)輸裝備的低。鎂合金對交通運(yùn)輸裝備的節(jié)能減排還大有潛力。