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氢氨低碳燃烧技术助力中国建筑卫生陶瓷产业绿色发展
来源：中国建筑卫生陶瓷协会2023/7/1 14:16:22115
导读
建筑卫生陶瓷行业未来想要达成碳中和目标，仅仅对当前产线进行技术优化提升已很难满足，必须要进行根本性的变革。
由佛山仙湖实验室联合德力泰、欧神诺陶瓷发起共建的“先进零碳燃烧技术联合创新研发中心”,在2022年12月23日成功烧制了世界首块使用纯氨燃料的绿色瓷砖。近日，该项技术再次取得了新的突破，实现了氮氧化物排放量的进一步控制，本文将对氢氨低碳燃烧技术进行解读，供行业参考。
推进碳达峰、碳中和工作是行业实现可持续发展，推动结构转型升级的迫切需要。建筑卫生陶瓷在生产阶段的碳排放主要包括三个部分，煤、天然气等化石燃料的燃烧排放，消耗电能折算的间接排放以及坯体烧成阶段本身碳酸盐矿物高温分解的过程排放。根据协会发布的《建筑卫生陶瓷行业低碳发展路径》，2021年建筑卫生陶瓷行业二氧化碳排放量约1.2亿吨，其中燃料燃烧排放约占总量的三分之二，约为8000万吨。随着国家“双碳”战略的推进实施，政府相关部门对制造业的能耗管控也将逐渐过渡为“能耗+碳排”双管控，行业面临着巨大的低碳转型压力。
建筑卫生陶瓷行业未来想要达成碳中和目标，仅仅对当前产线进行技术优化提升已很难满足，必须要进行根本性的变革。在众多降碳技术中，清洁能源利用是最根本、最直接、最有效的减碳途径之一。作为国家能源战略规划中用能终端实现绿色低碳发展的重要载体，氢氨能源利用的探索已成为当下国内外建筑卫生陶瓷行业关注的焦点。
氢能是一种高热值、高能量转化性、无毒、可再生、可持续的理想清洁能源，具有燃烧无碳排放以及燃烧极限较宽等优势。国内外装备企业已在氢能窑炉的开发利用上取得一定的成果，然而，氢能在大规模应用于陶瓷产业除了来源与成本外，还存在制备过程能耗很大，安全储运成本高、技术难度大等问题。
与氢气相比，氨气在低压和-33℃的条件下很容易被液化，液态氨的能量密度高于液态氢，氨的体积能量密度几乎是氢的2倍，使其运输和储存更具能效。从成本角度分析，氨气生产成本略高于氢气，但包括运输和存储在内的综合成本则远低于氢气,存储15天比氢气便宜50%，存储182天比氢气便宜5倍以上。
综上所述，氨气是一种极具发展潜力的清洁能源载体和零碳燃料。然而，全球范围内氨作为低碳燃料的研究大部分仍处于起步阶段，且基本集中在实验室小尺度研究，在陶瓷行业也一直未能在工业化条件下验证氨作为低碳燃料大规模使用的可行性。这一情况一直持续到2022年末，由佛山仙湖实验室联合中国陶机装备龙头企业科达制造旗下品牌德力泰与欧神诺陶瓷共建的“先进零碳燃烧技术联合创新研发中心”(以下简称为“研发中心”)，经过一年多的努力，成功设计并开发出新型纯氨和天然气混氨工业燃烧器及配套技术，在德力泰的工业实验炉实现了稳定点火、掺氨和纯氨稳定燃烧。团队还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，涵盖使用操作规程、氨气存放、输送等关键环节。
在此基础上，团队成功完成了对欧神诺陶瓷公司一条30米长的辊道窑炉的改造，将这条以天然气为燃料的窑炉改造成以纯氨和天然气混氨为燃料。在2022年12月，成功烧制了世界首块使用纯氨燃料的绿色瓷砖。
考虑到目前利用可再生能源生产氨的能力有限，短期内不可完全替代天然气，因此，采用氨与天然气在陶瓷窑炉中混燃的方式，降低陶瓷烧成阶段的二氧化碳排放，是现阶段更加可行的技术发展方向。然而，想要实现掺氨方式的应用，还需要解决以下问题：
与天然气的主要成分甲烷以及氢气进行对比，氨气作为直接的燃料能源，具有以下特点：第一，氨气的热值较低，仅在3000千卡/立方米左右；第二，最大层流燃烧速度较慢，仅为天然气的五分之一左右，第三，可燃范围窄，可燃极限的当量比为0.63-1.40，稳定性较好，不易燃易爆。怎么样能够使氨进行高速稳定燃烧成为首先要解决的问题。
研发中心技术团队从供气到管道输送，到喷嘴进行了系统化的设计调整，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)。
氨气作为直接能源燃烧还存在氮氧化物处理的问题。研发中心技术团队开发出多项专利技术，大幅降低燃烧烟气中氮氧化物排放。经第三方机构检验，该技术目前氮氧化物的排放量已远低于国家标准的要求。
目前我国氨的生产还是以煤炭为主要原料，不仅要消耗大量的能源，而且还排放大量二氧化碳。如果想要广泛使用氨燃料，就要对可再生能源的“绿氨”技术进行持续研发。据中讯化工信息研究院统计，截至今年2月，全国规划的绿氨项目已接近50个，产能规模超过800万吨。然而离工业燃烧所需要的巨大绿氨用量还有很大的距离。另外，按目前的市场价格，使用氨气作为工业燃料比使用天然气的燃料成本约贵一倍，企业难以承受燃料成本大幅上涨。
政策层面越来越重视绿氨产业的发展，由于四部委联合印发的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022 年版)》，国家能源局《“十四五”新型储能发展实施方案》，工信部《工业领域碳达峰实施方案》等涉及绿氨存储和应用方面的政策出台，2022年至今我国绿氨的发展明显加速，伴随政策进一步落地，未来绿氨的来源与成本问题应能逐渐得到解决。
在下一步氢氨低碳技术发展战略规划中，研究中心将依托已开发的建筑陶瓷领域的技术成果，在建筑陶瓷大生产线进行改造应用，实现氢氨低碳燃烧技术真正的产业化应用，然后持续在建筑陶瓷领域复制推广。
长期以来，科达制造顺应陶瓷行业绿色低碳发展趋势，将低碳节能、绿色环保的理念创新并集成于技术开发中，在氢氨低碳燃烧技术研发领域进行战略布局，旗下品牌佛山科达机电与唯高研发氢能混合燃烧技术，推出氢动力高效节能超宽体辊道窑，并逐步尝试工程化应用，旗下力泰品牌在氨能应用方面更是有着突破性技术进展，成功烧制了世界首块使用纯氨燃料的绿色瓷砖。科达制造以绿色技术创新引领行业绿色发展，为陶瓷工业乃至整个建材行业实现碳达峰、碳中和开辟了新能源技术路径，为中国陶瓷产业可持续发展做出了巨大的贡献。
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