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氫氨低碳燃燒技術助力中國建筑衛生陶瓷產業綠色發展

2023-06-08 來源:中國陶瓷網 責任編輯:劉思桃 閱讀:10776
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編者按:由佛山仙湖實驗室聯合德力泰、歐神諾陶瓷發起共建的“先進零碳燃燒技術聯合創新研發中心”,在2022年12月23日成功燒制了世界首塊使用純氨燃料的綠色瓷磚。近日,該項技術再次取得了新的突破,實現了氮氧化物排放量的進一步控制,本文將對氫氨低碳燃燒技術進行解讀,供行業參考。

推進碳達峰、碳中和工作是行業實現可持續發展,推動結構轉型升級的迫切需要。建筑衛生陶瓷在生產階段的碳排放主要包括三個部分,煤、天然氣等化石燃料的燃燒排放,消耗電能折算的間接排放以及坯體燒成階段本身碳酸鹽礦物高溫分解的過程排放。根據協會發布的《建筑衛生陶瓷行業低碳發展路徑》,2021年建筑衛生陶瓷行業二氧化碳排放量約1.2億噸,其中燃料燃燒排放約占總量的三分之二,約為8000萬噸。隨著國家“雙碳”戰略的推進實施,政府相關部門對制造業的能耗管控也將逐漸過渡為“能耗+碳排”雙管控,行業面臨著巨大的低碳轉型壓力。

建筑衛生陶瓷行業未來想要達成碳中和目標,僅僅對當前產線進行技術優化提升已很難滿足,必須要進行根本性的變革。在眾多降碳技術中,清潔能源利用是最根本、最直接、最有效的減碳途徑之一。作為國家能源戰略規劃中用能終端實現綠色低碳發展的重要載體,氫氨能源利用的探索已成為當下國內外建筑衛生陶瓷行業關注的焦點。

氫能是一種高熱值、高能量轉化性、無毒、可再生、可持續的理想清潔能源,具有燃燒無碳排放以及燃燒極限較寬等優勢。國內外裝備企業已在氫能窯爐的開發利用上取得一定的成果,然而,氫能在大規模應用于陶瓷產業除了來源與成本外,還存在制備過程能耗很大,安全儲運成本高、技術難度大等問題。

與氫氣相比,氨氣在低壓和-33℃的條件下很容易被液化,液態氨的能量密度高于液態氫,氨的體積能量密度幾乎是氫的2倍,使其運輸和儲存更具能效。從成本角度分析,氨氣生產成本略高于氫氣,但包括運輸和存儲在內的綜合成本則遠低于氫氣,存儲15天比氫氣便宜50%,存儲182天比氫氣便宜5倍以上。

綜上所述,氨氣是一種極具發展潛力的清潔能源載體和零碳燃料。然而,全球范圍內氨作為低碳燃料的研究大部分仍處于起步階段,且基本集中在實驗室小尺度研究,在陶瓷行業也一直未能在工業化條件下驗證氨作為低碳燃料大規模使用的可行性。這一情況一直持續到2022年末,由佛山仙湖實驗室聯合中國陶機裝備龍頭企業科達制造旗下品牌德力泰與歐神諾陶瓷共建的“先進零碳燃燒技術聯合創新研發中心”(以下簡稱為“研發中心”),經過一年多的努力,成功設計并開發出新型純氨和天然氣混氨工業燃燒器及配套技術,在德力泰的工業實驗爐實現了穩定點火、摻氨和純氨穩定燃燒。團隊還建立了一整套適用于氨燃料陶瓷窯爐的安全使用制度以及應急管理措施,涵蓋使用操作規程、氨氣存放、輸送等關鍵環節。

在此基礎上,團隊成功完成了對歐神諾陶瓷公司一條30米長的輥道窯爐的改造,將這條以天然氣為燃料的窯爐改造成以純氨和天然氣混氨為燃料。在2022年12月,成功燒制了世界首塊使用純氨燃料的綠色瓷磚。

考慮到目前利用可再生能源生產氨的能力有限,短期內不可完全替代天然氣,因此,采用氨與天然氣在陶瓷窯爐中混燃的方式,降低陶瓷燒成階段的二氧化碳排放,是現階段更加可行的技術發展方向。然而,想要實現摻氨方式的應用,還需要解決以下問題:

與天然氣的主要成分甲烷以及氫氣進行對比,氨氣作為直接的燃料能源,具有以下特點:第一,氨氣的熱值較低,僅在3000千卡/立方米左右;第二,最大層流燃燒速度較慢,僅為天然氣的五分之一左右,第三,可燃范圍窄,可燃極限的當量比為0.63-1.40,穩定性較好,不易燃易爆。怎么樣能夠使氨進行高速穩定燃燒成為首先要解決的問題。

研發中心技術團隊從供氣到管道輸送,到噴嘴進行了系統化的設計調整,解決了純氨燃料工業級燃燒器點火困難及燃燒火焰不穩定的技術挑戰,實現了純氨燃料的高效穩定燃燒(燃燒效率>99.9%,殘氨濃度<5ppm)。

氨氣作為直接能源燃燒還存在氮氧化物處理的問題。研發中心技術團隊開發出多項專利技術,大幅降低燃燒煙氣中氮氧化物排放。經第三方機構檢驗,該技術目前氮氧化物的排放量已遠低于國家標準的要求。

目前我國氨的生產還是以煤炭為主要原料,不僅要消耗大量的能源,而且還排放大量二氧化碳。如果想要廣泛使用氨燃料,就要對可再生能源的“綠氨”技術進行持續研發。據中訊化工信息研究院統計,截至今年2月,全國規劃的綠氨項目已接近50個,產能規模超過800萬噸。然而離工業燃燒所需要的巨大綠氨用量還有很大的距離。另外,按目前的市場價格,使用氨氣作為工業燃料比使用天然氣的燃料成本約貴一倍,企業難以承受燃料成本大幅上漲。

政策層面越來越重視綠氨產業的發展,由于四部委聯合印發的《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南(2022 年版)》,國家能源局《“十四五”新型儲能發展實施方案》,工信部《工業領域碳達峰實施方案》等涉及綠氨存儲和應用方面的政策出臺,2022年至今我國綠氨的發展明顯加速,伴隨政策進一步落地,未來綠氨的來源與成本問題應能逐漸得到解決。

在下一步氫氨低碳技術發展戰略規劃中,研究中心將依托已開發的建筑陶瓷領域的技術成果,在建筑陶瓷大生產線進行改造應用,實現氫氨低碳燃燒技術真正的產業化應用,然后持續在建筑陶瓷領域復制推廣。

長期以來,科達制造順應陶瓷行業綠色低碳發展趨勢,將低碳節能、綠色環保的理念創新并集成于技術開發中,在氫氨低碳燃燒技術研發領域進行戰略布局,旗下品牌佛山科達機電與唯高研發氫能混合燃燒技術,推出氫動力高效節能超寬體輥道窯,并逐步嘗試工程化應用,旗下力泰品牌在氨能應用方面更是有著突破性技術進展,成功燒制了世界首塊使用純氨燃料的綠色瓷磚??七_制造以綠色技術創新引領行業綠色發展,為陶瓷工業乃至整個建材行業實現碳達峰、碳中和開辟了新能源技術路徑,為中國陶瓷產業可持續發展做出了巨大的貢獻。

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