建筑陶瓷生產(chǎn)要經(jīng)過1200℃高溫?zé)?，目前主要使用天然氣、煤和重油等化石燃料，因而產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。在國家提出的“雙碳”達(dá)標(biāo)背景下，陶瓷產(chǎn)業(yè)面臨巨大的二氧化碳減排壓力。采用先進零碳燃料是最根本、最直接、最有效的減碳方式之一，這是高溫制造業(yè)在這場新能源技術(shù)革命中對科技創(chuàng)新提出的迫切需求。
圖1：全球首塊零碳氨燃料燒制的綠色瓷磚成功出爐
目前，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的零碳燃料只有氫氣(h2)和氨氣(nh3)兩種，二者都不含碳，因此在高溫下燃燒不會產(chǎn)生任何碳排放。由于工業(yè)窯爐燃燒用氫量巨大，而氫氣大容量儲運很困難，這極大地限制了氫在高溫工業(yè)作為燃料的應(yīng)用。氨是氫和氮的化合物，是可以運用風(fēng)電、光電等清潔能源制備的可持續(xù)、可再生的零碳燃料。合成氨已有100多年的歷史，其安全儲運技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、運輸標(biāo)準(zhǔn)都較為成熟，可大容量儲運，且成本大幅低于(僅約1%)氫的儲運。但是，氨氣不容易點火，不容易燃燒，高溫燃燒時會產(chǎn)生氮氧化物，是開發(fā)氨氣零碳燃燒技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。
一、主要成果
2021年12月27日，佛山仙湖實驗室、佛山歐神諾陶瓷有限公司和佛山市德力泰科技有限公司聯(lián)合成立了“先進零碳燃燒技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新研發(fā)中心”，瞄準(zhǔn)陶瓷窯爐零碳燃燒顛覆性關(guān)鍵技術(shù)，旨在為我國陶瓷工業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達(dá)標(biāo)探索新方向，并著眼于將“先進零碳燃燒技術(shù)”推廣至其它高溫制造行業(yè)。
經(jīng)過近一年的技術(shù)攻關(guān)，成功開發(fā)出新型純氨和天然氣混氨工業(yè)燃燒器及配套技術(shù)，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(yīng)急管理措施。同時，還研發(fā)了適用于純氨燃燒的液氨氣化及供給精確控制系統(tǒng)，煙氣殘余氨在線監(jiān)測系統(tǒng)，聯(lián)合廣東安清科技有限公司開發(fā)了高效液氨scr脫銷系統(tǒng)等成套技術(shù)及裝備。
圖2：完成改造歐神諾零碳氨燃料輥道窯系統(tǒng)
2022年12月18日，“建筑陶瓷工業(yè)窯爐氨燃燒(零碳燃料)技術(shù)”項目正式在佛山歐神諾陶瓷有限公司進行示范試產(chǎn)。經(jīng)項目改造的中試線輥道窯爐全長約30米，全窯從預(yù)熱、升溫及瓷磚燒制采用零碳氨氣燃料。窯爐預(yù)熱帶、燒成帶、及冷卻帶附近共計安裝36只純氨燃燒器，單只燃燒器設(shè)計功率35kw，每只燃燒器配備有分級燃燒系統(tǒng)，用于從源頭降低nox排放。中試窯爐使用100%氨氣燃料經(jīng)窯爐冷態(tài)點火升溫，現(xiàn)場調(diào)控溫度/氣氛/壓力等燒成制度后，正式進窯燒磚并成功下線全球首塊零碳氨燃料燒制的綠色瓷磚。純氨燃燒窯爐煙氣現(xiàn)場采樣檢測顯示，煙氣污染物(氮氧化物、二氧化硫及顆粒物等)均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值。其中，采用分級燃燒及scr技術(shù)處理后，nox排放70mg/m³(小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)100mg/m³—《db 44/2160-2019 陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》)；尾氣中氨氣濃度5ppm，經(jīng)計算，實際氨氣燃燒效率大于99.99%。
二、創(chuàng)新經(jīng)驗及應(yīng)用前景
建筑陶瓷工業(yè)窯爐氨燃燒(零碳燃料)技術(shù)解決了純氨燃料工業(yè)級燃燒器點火困難及燃燒火焰不穩(wěn)定的技術(shù)挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了純氨燃料的高效穩(wěn)定燃燒(燃燒效率>99.9%，殘氨濃度<5ppm)；創(chuàng)造性地結(jié)合分級燃燒、sncr及液氨scr技術(shù)，大幅降低燃燒煙氣中nox排放。該項目創(chuàng)新成果共申報國家專利30余項。
零碳氨燃料燒制陶瓷是全球首創(chuàng)的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，不僅為建筑陶瓷行業(yè)“雙碳”達(dá)標(biāo)提供了解決方案，也為其他高溫制造業(yè)實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略規(guī)劃指明了一條可行的技術(shù)路徑，具有重大現(xiàn)實意義。項目在開發(fā)過程中同時驗證了氨燃料與傳統(tǒng)化石燃料(天然氣)以任意比例摻混燃燒的技術(shù)可行性。這意味著在高溫工業(yè)領(lǐng)域，可在現(xiàn)有化石燃料基礎(chǔ)上率先開展摻氨燃燒，助力實現(xiàn)碳達(dá)峰；然后逐步提高摻氨比例，最終采用100%純氨燃燒，助力實現(xiàn)碳中和，為行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了一個可預(yù)見、可規(guī)劃的技術(shù)實施方案。