“菲钒”工艺助力能源转型——中国恩菲短流程钒电解液制备技术发展

中国有色金属报 2024-09-08 12:59

当前,我国能源供给体系向“新能源+储能”加速转变。全钒液流储能电池因其安全性高、循环寿命长、易于实现规模化的显著优势在电化学储能领域脱颖而出,迎来广阔发展空间。中国恩菲工程技术有限公司(以下简称中国恩菲)依托在钒产业领域50余载技术积淀,围绕全钒液流储能,引领储能产业实现低碳、安全、高效的高质量发展。

厚积薄发,三次迭代,勇担钒电解液工艺创新使命

全钒液流电池是一种基于金属钒元素的氧化还原液流电池系统,利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能储存能量。在钒电池中,核心材料钒电解液成本占比在40%~80%。传统钒电解液生产工艺以高纯五氧化二钒为原料,从原料提纯到电解液产成品需经十余个工艺步骤,工艺流程长、环保风险大、配套要求多,导致生产成本高,严重制约了全钒液流储能电池的大规模推广应用。

早在20世纪70年代,作为国内最早一批开展钒技术研发的单位之一,中国恩菲以钒钛磁铁矿炼钢产生的废渣为原料,开展提钒技术的研发,形成钒冶金技术体系并先后应用在承德钢铁厂、威远钢铁厂等多个大型钢渣提钒综合利用工程项目中。近年来,为应对市场的爆发式增长,中国恩菲行业率先以“调质-萃取”短流程技术取代原有“多次沉钒除杂-煅烧-溶解还原”,攻克了杂质分离困难和系统杂质累积等多个技术难题,并完成了一系列扩大化、工程化验证,快速迭代形成了三代短流程工艺:

1.0版本:工艺以钒与多金属杂质(主要包括铬、铁、硅、钠、钾等)分离为研究目标,开发了靶向萃钒有机体系,通过对钒离子的整形调控,实现了短流程技术的工艺可行。

2.0版本:工艺针对杂质积累问题进行技术迭代,完成连续中试,制备出立方规模级高纯硫酸氧钒电解液,并获“从含钒溶液制备钒氧化物的方法”发明专利授权。

3.0版本:2022年,针对钢渣、石煤、98五氧化二钒等不同性质原料,连续制备出硫酸氧钒溶液,验证了萃取体系对不同原料的适应性,形成了系列技术工艺包。

在一次次迭代中,国内外短流程电解液制备工艺试验线中呈现的杂质积累难开路、工艺不成熟、难以实现稳定连续工程化运行等核心问题均被中国恩菲突破。中国恩菲技术人员通过连续中试,在实验中不断完善技术参数和工艺流程,成功实现了短流程电解液制备工艺的连续稳定运行。

“菲钒”工艺助力能源转型——中国恩菲短流程钒电解液制备技术发展
中国恩菲短流程工艺小试情况

创新工艺,四重优势,引领行业变革

通过持续迭代升级,中国恩菲形成了以萃取为核心的短流程钒电解液制备和短流程高纯钒制备等9项钒冶金专利技术,同时拥有专利萃取剂和钒电解液电解电堆等多项核心产品装备。

中国恩菲短流程钒电解液制备技术有着工艺节能环保、产品质优、加工成本低、原料适应性广等显著优势,极大程度上解决了全钒液流储能推广的核心问题,具有“三优一强一低”的突出优势:

环保效益优:技术全部制备过程无氨氮废水排放,无钒酸铵高温焙烧制备氧化钒高能耗工段,同时减少工艺水用量。

产品质量优:技术拥有多种杂质开路手段,针对钢渣原料中的铬、铁、钙、镁、铝、氯和石煤原料中的铁、砷、磷等相似杂质,可进行全流程元素走向分析,高效回收钒资源,产品杂质含量仅为国家标准限值的10%。

加工成本低:技术取消高纯五氧化二钒制备环节,比传统制备技术加工成本低50%。

原料适应性强:技术可高效处理不同来源的石煤、钢渣、含钒浸出液、98五氧化二钒等十余种原料,从前端保障了工艺的稳定、可靠。

推广前景优:中国恩菲不断加强研发和孵化,以中国五矿科创基金项目为依托成立菲钒储能科创公司,自主建设了规模可达5000立方米/年的短流程钒电解液中试线基地。目前在建和对接中的采用中国恩菲短流程技术的电解液制备项目有四川发展、星辰新能、金川集团等近十项,规模超过40万立方米/年,实现了从研发到生产再到技术服务的闭环,更为4.0技术的更新奠定产业基础。

强链补链,产业升级,助力能源绿色转型

中国恩菲高度关注产业链培育和产业能级提升,致力于打造安全、长时、绿色、低成本的储能关键材料和系统,制定了全钒液流储能 “资源开发-冶炼加工-材料制备-环保治理-智慧运营”全环节的技术攻关图谱。目前,中国恩菲从压缩原料成本和运输成本、提高电解液利用效率等核心问题入手,开展创新性技术研发,不断优化升级短流程钒电解液制备和高纯钒制备的技术、试剂、装备,逐步推出多原料含钒浸出液净化、电解液固态化、电解液价态电化学调整、高性能电解液配方等系列技术,正在攻关钒钛磁铁矿、海砂矿、石煤页岩钒矿的大规模低成本绿色开发工艺技术,致力于打通“钒矿-钒液”的短流程制造,更大幅度降低多个环节的加工制造成本,实现全钒液流电解液生产全流程技术谱系。

为引领全钒产业链战略升级,中国恩菲牵头汇聚“政产学研用金服”各方力量,与豫资控股集团、五矿创投、星辰新能等资本战略合作,构建新型的钒产业生态圈,业务覆盖“资源勘探-先进制造-高端材料-系统集成-终端用户”的全价值链,更在河南、新疆、甘肃、陕西等关键区域精准布局,“产学研用”深度融合已初见雏形。2024年2月,中国恩菲与豫资控股集团签订战略合作框架协议,共同推动全钒液流电池产业链深度融合与高质量发展。以河南南阳石煤钒矿资源为切入点,对接河南省内优势资源和工商业用户需求,构建上游控资源、中游建生产线、下游布产能的产业链,赋能中原地区产业绿色转型升级。

《中国的能源转型》白皮书指出:“科技创新是加快能源转型、发展能源新质生产力的核心要素。”通过创新,中国恩菲实现了短流程钒电解液制备技术的巨大突破。未来,中国恩菲将继续以科技创新为基础,进一步推动技术优化升级,推进钒电解液产业链创新链协同发展,不断提升能源含“新”量,为能源转型注入“恩菲力量”。

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