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保存能量,具有使用寿命长、安全性好、零衰减、容量易扩充等优点。在钒电池中,钒电解液成本占比最高,并随储能时长的增加而增加,占比在40%~80%。钒电池的广泛应用将会带动,钒电解液的需求,并可能会受到钒资源的制约。
图:全钒液流电池成本构成
来源:《全钒液流电池储能技术的产业格局、市场需求及发展前景》张华民、亚化咨询《中国全钒液流电池年度报告》
中国是世界上最大的钒生产国,近十年来年产量持续占世界总产量的50%以上。据美国地质调查局统计,全球已探明的钒矿总金属储量为万t,主要集中在少数国家和地区,如中国、俄罗斯、南非和澳大利亚,其储量分别占比全球46.9%、24.7%、17.3%与10.4%,上述四个国家储量合计占到世界总储量的99%以上。其中中国钒矿总金属储量约为万t,居世界第—位。
图:年全球钒资源储量分布(单位:万吨)
来源:USGS、亚化咨询《中国全钒液流电池年度报告》
我国钒资源分布不均,分布于15个省市,但主要集中在四川、甘肃、广西。四川省是我国钒钛资源的重要产地,钛储量世界第一,钒储量世界第三,经过多年发展已成为我国钒、钛矿原料及相关制品的最大生产和供应基地,是钒液流电池的上游原料集群地区。湖南、安徽等省份则主要为石煤资源,尤其以湖南省的石煤资源优势明显。
图:年中国钒资源储量各省分布
来源:中国自然资源部、亚化咨询《中国全钒液流电池年度报告》
钒钛磁铁矿中由于钒是作为伴生元素存在的,因此钒含量比较低。我国大多采用间接提钒的方法,即以钒渣或含钒钢渣为提钒原料,主要以冶炼钢铁为主,钒作为副产品产出,其中又以钒渣提钒为主。
钒渣提钒是将钒钛磁铁矿通过电炉或高炉冶炼得到含钒铁水,再选择性氧化含钒铁水,使钒氧化进入炉渣中,得到钒含量较高的钒渣,再利用得到的钒渣进一步提钒。
图:钒渣提钒工艺流程
来源:《钒钛磁铁矿提钒工艺综述》王伟等、亚化咨询《中国全钒液流电池年度报告》
在钢铁产能受限、结构不断调整的情况下,国内的钒渣来源逐渐减少,短期内无法进行扩张;并且我国年向国际贸易组织(WTO)递交了不再接收“洋垃圾”的申请,钒渣就是其中之一,从国外进口钒渣也受到了限制。因此,钒产量很难通过钒渣提钒来提供保障。
石煤是我国特有的、独具优势的一种钒矿资源,据不完全统计,仅湘、鄂、桂、赣、浙、皖、黔、豫、陕9省的石煤储量就高达.8亿t,其中湘、鄂、浙、赣、黔、皖、陕7省石煤中V2O5的储量近1.18亿t(以V2O50.3%以上计算),占我国V2O5总储量的87%,是钒钛磁铁矿中V2O5储量的6.7倍,超过了国外钒储量的总和。
尽管我国石煤资源储量巨大、分布广泛,但钒品位(以V2O5计,下同)普遍偏低,品位>1.0%的石煤仅占2.8%,<0.5%的则占到60%。基于目前工业技术水平,对品位在0.7%以下的石煤尚无法进行充分的开采利用,而超过60%的石煤资源均低于此要求。
表:我国石煤品位分布
来源:《钒市场分析与石煤提钒工艺进展》胡艺博等、亚化咨询《中国全钒液流电池年度报告》
石煤提钒工艺过程主要由矿石分解(焙烧、浸出)、浸出液的净化与富集、精钒制备三个环节组成。其中,浸出液的净化与富集、精钒制备,已基本模式化,变化与研究较多的主要是矿石分解环节,即焙烧和浸出作业。传统提钒多采用钠化焙烧—水浸的工艺,此工艺环境污染非常严重,钒回收率也不高,目前已基本被禁止使用。为解决环境污染问题,进一步开发了钙化焙烧、空白焙烧、直接酸浸、低温硫酸化焙烧等先进工艺。与钠化焙烧相比,钙化焙烧能实现绿色生产,但缺点是选择性较差,仅适用于高价钒含量较高、晶体结构发育不完全的石煤;空白焙烧污染和生产成本最低,但焙烧熟料需要较大浓度的酸浸,浸出时间较长,酸浸液杂质含量较多;直接酸浸提钒工艺省去了焙烧过程,具有能耗低、污染小、浸出指标高的优点,但依然存在着酸耗过大、浸出时间长、设备耐腐蚀性要求高等问题;低温硫酸化焙烧—浸出工艺具有能耗低、污染小、效率高等优点,但技术尚不成熟,仍然存在着浸出率较低、酸耗较大等问题。(来源:储能论坛)