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碳达峰碳中和典型案例:“建筑陶瓷工业窑炉氨燃烧(零碳燃料)技术”

2023年11月10日 14:20:03 人气: 135 来源: 广东省发展和改革委员会
  建筑陶瓷生产要经过1200℃高温烧制,目前主要使用天然气、煤和重油等化石燃料,因而产生大量的二氧化碳排放。在国家提出的“双碳”达标背景下,陶瓷产业面临巨大的二氧化碳减排压力。采用先进零碳燃料是最根本、最直接、最有效的减碳方式之一,这是高温制造业在这场新能源技术革命中对科技创新提出的迫切需求。
 
图1:全球首块零碳氨燃料烧制的绿色瓷砖成功出炉
 
  目前,适合大规模工业应用的零碳燃料只有氢气(H2)和氨气(NH3)两种,二者都不含碳,因此在高温下燃烧不会产生任何碳排放。由于工业窑炉燃烧用氢量巨大,而氢气大容量储运很困难,这极大地限制了氢在高温工业作为燃料的应用。氨是氢和氮的化合物,是可以运用风电、光电等清洁能源制备的可持续、可再生的零碳燃料。合成氨已有100多年的历史,其安全储运技术、基础设施、运输标准都较为成熟,可大容量储运,且成本大幅低于(仅约1%)氢的储运。但是,氨气不容易点火,不容易燃烧,高温燃烧时会产生氮氧化物,是开发氨气零碳燃烧技术所面临的挑战。
 
  一、主要成果
 
  2021年12月27日,佛山仙湖实验室、佛山欧神诺陶瓷有限公司和佛山市德力泰科技有限公司联合成立了“先进零碳燃烧技术联合创新研发中心”,瞄准陶瓷窑炉零碳燃烧颠覆性关键技术,旨在为我国陶瓷工业实现“双碳”达标探索新方向,并着眼于将“先进零碳燃烧技术”推广至其它高温制造行业。
 
  经过近一年的技术攻关,成功开发出新型纯氨和天然气混氨工业燃烧器及配套技术,建立了一整套适用于氨燃料陶瓷窑炉的安全使用制度以及应急管理措施。同时,还研发了适用于纯氨燃烧的液氨气化及供给精确控制系统,烟气残余氨在线监测系统,联合广东安清科技有限公司开发了高效液氨SCR脱销系统等成套技术及装备。
 
图2:完成改造欧神诺零碳氨燃料辊道窑系统
 
  2022年12月18日,“建筑陶瓷工业窑炉氨燃烧(零碳燃料)技术”项目正式在佛山欧神诺陶瓷有限公司进行示范试产。经项目改造的中试线辊道窑炉全长约30米,全窑从预热、升温及瓷砖烧制采用零碳氨气燃料。窑炉预热带、烧成带、及冷却带附近共计安装36只纯氨燃烧器,单只燃烧器设计功率35KW,每只燃烧器配备有分级燃烧系统,用于从源头降低NOx排放。中试窑炉使用100%氨气燃料经窑炉冷态点火升温,现场调控温度/气氛/压力等烧成制度后,正式进窑烧砖并成功下线全球首块零碳氨燃料烧制的绿色瓷砖。纯氨燃烧窑炉烟气现场采样检测显示,烟气污染物(氮氧化物、二氧化硫及颗粒物等)均低于国家标准限值。其中,采用分级燃烧及SCR技术处理后,NOx排放70mg/m³(小于行业标准100mg/m³—《DB 44/2160-2019 陶瓷工业大气污染物排放标准》);尾气中氨气浓度5ppm,经计算,实际氨气燃烧效率大于99.99%。
 
  二、创新经验及应用前景
 
  建筑陶瓷工业窑炉氨燃烧(零碳燃料)技术解决了纯氨燃料工业级燃烧器点火困难及燃烧火焰不稳定的技术挑战,实现了纯氨燃料的高效稳定燃烧(燃烧效率>99.9%,残氨浓度<5ppm);创造性地结合分级燃烧、SNCR及液氨SCR技术,大幅降低燃烧烟气中NOx排放。该项目创新成果共申报国家专利30余项。
 
  零碳氨燃料烧制陶瓷是全球首创的颠覆性创新技术,不仅为建筑陶瓷行业“双碳”达标提供了解决方案,也为其他高温制造业实现“双碳”战略规划指明了一条可行的技术路径,具有重大现实意义。项目在开发过程中同时验证了氨燃料与传统化石燃料(天然气)以任意比例掺混燃烧的技术可行性。这意味着在高温工业领域,可在现有化石燃料基础上率先开展掺氨燃烧,助力实现碳达峰;然后逐步提高掺氨比例,最终采用100%纯氨燃烧,助力实现碳中和,为行业实现“双碳”目标提供了一个可预见、可规划的技术实施方案。
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