氢基氧燃零碳加热新技术开发及应用展望
时间：2023-06-19 13:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
饶文涛 魏 炜 蔡方伟 李文武
宝武清洁能源有限公司
随着国家“双碳”战略的实施，作为碳排放大户的钢铁行业，在全流程探索零碳技术具有重要的意义。加热技术是工业过程中重要的技术，轧钢加热炉是轧钢加热工艺中的核心设备，其使用的能源和加热方式也经历了一系列的变化。如今为实现“双碳”，其用能正在向绿电、绿氢转化，目标是持续提高燃料中的氢碳比。结合多年在钢厂热工设备的研究积累，提出了“氢基氧燃零碳加热技术”（HOCHT技术，Hydrogen-based Oxygen-fired zero-Carbon Heating Technology）这一新概念，并结合具体的加热炉案例探讨了应用的可行性，指出了这一技术可能应用的领域。
加热是钢铁、热处理和机加工行业中重要的工艺过程，其工艺及装备也随着能源的变化发生了相应的变化。工业炉窑是实现将燃料化学能转化为热能，并把物料加热到所需温度的热工设备。具体包括玻璃行业的玻璃窑、陶瓷行业的隧道窑、钢铁行业除高炉和电炉外的其他炉窑、机加工行业的热处理炉等。在工业炉窑中燃料转化为热能的过程需通过燃烧实现。对于钢铁行业轧钢加热工序而言，其也是碳排放的大户。对于钢铁工艺生产流程，炼铁工序的碳排放和减碳潜力位居首位，轧钢和铸造工序的碳排放仅次于炼铁工序，占比为7%，其主要的碳排放来源是轧钢工序加热炉使用的高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、天然气等碳基燃料。
加热炉使用的碳基燃料也经历了一系列的变化。最早采用粉煤［1］作为燃料，其工艺为采用磨煤机将粉煤磨碎到一定目数，然后通过粉煤喷嘴将粉煤喷入炉内燃烧，炉底设计成斜炉底，燃烧后的粉煤渣从炉底排出，与高炉类似，还开发过水煤浆燃烧技术。之后采用热值更高的重油［2］作为燃料，为了保留重油的流动性，需要配套复杂的蒸汽雾化装置，在燃烧时如何合理配置空燃比，实现燃烧时不冒黑烟，更是当时需要解决的核心问题。随着节能意识的提高，开始使用原来点天灯的放散副产煤气，极大程度地改善了生产环境。随着气体燃料开始使用，首先是混合煤气［3］，其间还使用过油气混合烧嘴，对其NOx［4］、控制系统［5］、富氧助燃［6］等领域都进行了研究，接着使用了天然气掺混煤气的燃料。如今开始向绿电化、绿氢化等两条路径发展，包括绿电加热技术和绿氢加热技术等路径。
日本政府于2020年10月宣布，2050年实现碳中和。为了实现这个目标，占排放量80%的能源部门必须努力改变，火电厂要优先使用零碳的氢、氨燃料替代煤炭等化石燃料。日本计划首先采用混烧技术，比如“30%的氢加70%的天然气”（气体燃料），或者“20%的氨加80%的煤粉”（固体+液体），之后逐步提升氨和氢的混烧比例，计划到2050年实现100%的氨、氢燃烧发电。2021年10月，日本电力巨头JERA的氨能混烧示范项目在其日本爱知县碧南市的火电厂首次点火启动。根据计划，此项目的氨燃料混烧比例到2024年将提高到20%，到2050年将实现100%。JERA在2021年11月中旬宣布，计划在未来2-3年内，每年采购50万t氨，用于混烧发电。“供应链”方面的行动也已展开，日本希望从澳大利亚获取“绿氨”，挪威化肥巨头雅苒国际（Yara International）2021年7月宣布，将于2023年在澳大利亚试生产绿氨，并计划将其销售给日本的发电厂。如果直接将氨作为燃料，则需要克服氨不容易燃烧的缺陷。氨燃烧的产物是水和氮，不造成碳排放，但是氨的燃烧速度低于氢，发热量也低于氢和天然气，将其点燃并持续稳定燃烧比较困难。氨燃料和其它燃料相比，它的能量密度高，能量成本比较低，但是氨燃料存在几个挑战：一是燃烧速度和热值都比较低，它的燃烧速度远远低于氢，这对于工业应用有一定问题。二是发热量相对来说比较低，它的热值比其他的天然气、氢都要低，点火比较困难，不易点燃和实现稳定燃烧，对于用作燃料，如何让它稳定地燃烧是一个技术挑战。日本政府于2014年启动的日本重振战略，设立了10个战略性创新研究项目，其中，能源载体项目下的“氨直接燃烧课题”由日本东北大学流体科学教授小林秀昭负责，参与单位包括：日本大阪大学，日本国立研究机构“产业技术综合研究所”（AIST），三菱重工，三菱日立电力，丰田，以及日本燃气轮机、涡扇发动机、军舰制造商IHI公司，日本工业气体和空分设备制造商大阳日酸公司等。2018年，此课题组展示了可以抑制一氧化氮产生的新型氨气燃烧技术，核心工艺是将氨气与空气搅混，形成旋涡状燃烧。燃烧氨虽不排放碳，但会产生NOx，也会污染大气，因此这项技术意义重大。课题组还实现了20%氨气和80%天然气在2 000 kW级燃气轮机中的稳定混烧。2019年，课题组开发了“一种将液态氨直接喷到燃烧器上以实现稳定燃烧的技术”。此前，为了向燃气轮机中压入大量的氨气，不得不采用诸如蒸发器之类的辅助设备，而新技术则不需要此类设备，从而降低了成本。2021年3月，课题组成功实现了70%的液氨在2 000 kW级燃气轮机中的稳定燃烧，并能同时抑制产生NOx。参与此课题的IHI公司表示，有信心在2025年之前实现氨燃气轮机商业化，2021年10月启动的JERA氨能发电示范项目，由IHI公司与JERA合作而成；
三菱重工则正开发4万kW级的100%氨专烧燃气轮机，计划在2025年以后实现商业化，引入发电站。
美国的林德公司开发了REBOX燃烧器，并在瑞典的Ovako Steel钢厂推广，于2020年3月18日，实现了25 t滚珠轴承钢加热全部使用氢基氧燃零碳烧嘴加氢燃料，氢和氧均是由可再生电力生产。
国内的合肥综合性国家科学中心能源研究院（以下简称“能源研究院”）与皖能集团合作，于2022年4月27日研制成功国内首创的8.3 MW纯氨燃烧器。在皖能股份铜陵发电有限公司300 MW火电机组一次性点火成功，并稳定运行2个多小时。点火成功意味着在煤电机组锅炉通过掺氨燃烧实现降碳目标在技术上是可行的，标志着氨能综合利用发电示范项目取得了关键性进展，这对我国火力发电厂实现CO2减排具有里程碑意义。
3.1氢 基氧燃零碳加热技术的基本概念
氢基氧燃零碳加热技术（HOCHT，Hydrogen-based Oxygen-fired Zero-carbon Heating Technology）是将原来以碳基燃料燃烧为主的加热方式逐步过渡到氢基燃料（包括纯氢、氨、甲醇等）为主的加热，同时将助燃气由氮基的空气过渡为氧基的纯氧，同时耦合绿电和绿氢，通过将绿氢与CO2耦合实现碳循环，通过以上流程实现加热过程的零碳化，目前是通过加热过程的绿电化、绿氢化实现零碳化。氢基氧燃零碳加热（HOCHT）技术原理示意图见图1。
图1 氢基氧燃零碳加热（HOCHT）技术原理示意图
HOCHT加热技术由于采用氢气作为燃料，氧气作为助燃剂，其在节能量和减排方面与以往的加热技术比较具有显著的效果，氢基氧燃零碳加热技术减碳效果详见图2。
图2 氢基氧燃零碳加热（HOCHT）技术减碳效果
HOCHT技术对应的相关化学反应如下：
（1）碳燃料燃烧
氢气是一种极易燃的气体，在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为286 kJ/mol：
氢气占4%至74%的浓度时与空气混合，或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体，在热、日光或火花的刺激下易引爆，氢气的着火点为500℃，纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。因为氢气比空气轻，氢气的火焰倾向于快速上升，故其造成的危害小于碳氢化合物燃烧的危害。
3.2 HOCHT加热技术的工艺方法
HOCHT加热技术，包括氢基能源的制、储运、使用等三大环节。其中氢基能源的制备，主要涉及采用绿电加电解槽制备绿氢的工艺，可参考现有的成熟工艺。氢气的储运涉及高压气、液态（或液氢）、固体储运氢等，对于工业加热供氢，与使用天然气相同，管道氢是首选，在管道氢无法满足的情况下，HOC技术聚集于氨储运、固体储运等两种方式。本文主要介绍HOC技术用在钢厂加热炉上的步骤和方法。
将HOC技术应用于加热炉时，需要有一套完整的设计流程给予保证，设计流程见图3。
图3 应用HOCHT加热技术炉窑设计流程
对于作为“工业炉心脏”的燃烧器，本文提出进行烧嘴个性化设计的概念。以往加热技术使用的国内烧嘴结构多仿制于国外，但是由于燃料的不同，使用效果远不如国外，而且烧嘴均是按照烧嘴厂的系列生产，并不考虑炉子用户的具体需求，为了保证炉子的供热负荷，经常配置较大功率的烧嘴，导致能源消耗的增加。“烧嘴个性化设计”的含义是首先考虑炉子用户的工艺特点，然后根据具体的炉子进行烧嘴的单项设计，主要手段是借助CFD技术的发展，在烧嘴使用前对其性能和使用的效果进行虚拟测试，并提供给炉子的用户作为选用和设计时的参考。目前国外的烧嘴公司如日本的中外炉公司、美国的B LO O M公司、HA U C K公司在烧嘴出厂时均提供由CFD技术完成的温度分布特性图，另外对氢基氧燃零碳烧嘴的特性需要进行专项测试，不断完善。作者在吸收国外先进技术的基础上，开发了“数字化燃烧实验台”，该技术的特点是可以模拟实际的烧嘴实验台功能对烧嘴性能进行测试，可以得到燃烧任意点的热工特性参数(温度、速度和压力等)，对深入理解HOCHT技术的原理具有重要的意义。
4.1钢 厂加热工序的工艺作用
钢厂热轧工序的主要作用为再结晶（温度）+形变再结晶的作用，即将铸造状态的粗大晶粒破碎，显著裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。形变：热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的热轧型钢能量消耗。热工解析：最小的成本保证一个再结晶温度，不管用什么方法，只要将板坯温度（表面+心部）加热到1 200～1 250℃，就可以完成热轧的功能，钢厂热轧加热工艺功能示意图见图4。
图4 钢厂热轧加热工艺功能示意图
4.2加 热炉应用HOCHT技术的方法
将HOCHT技术应用于加热炉时，可以采用全新设计的方法，也可以采用局部改造燃烧系统的方法，详见图5。
图5 HOCHT技术在加热炉上的应用示意图
HOCHT技术应用的流程，第一阶段采用富氧燃烧改造，第二阶段富氧过渡到纯氧，实现助燃剂的氮基向氧基的转化，然后不断提高燃料中的氢碳比。
HOCHT技术可以推广应用到板坯、线材等工业炉窑设备上，在实现减碳的同时，还能实现节能降耗，具有广泛市场应用前景。
本文进行一个简单的测算，每吨钢加热能耗一般按45 kgce，按1 kg氢的热值为34 197 kcal，相当于每吨钢采用全氢加热的氢耗为9.3 kgH2(104 m3H2/t钢)，对于一个1 000万t的钢厂，年加热用氢9.3万t，按8 000 h工作时，折合每小时需氢量13万m3。使用HOCHT技术后，每吨钢减碳112 kg（消耗1 kgce，CO2排放2.493 kg），对于年产1 000万t钢厂，年减碳112万t，碳税40元/t时，减碳效益4 487万元。IMF建议：到2030年，高收入的发达经济体应达到75美元/t的价格下限，新兴市场经济体如中国、印度等应达到50美元/t，低收入国家则应达到25美元/t（330元/t）。一个千万吨钢厂一年的减碳效益将达到3.7亿元，每吨钢可以减少由于交碳税增加的成本为37元，每公斤氢的成本可以降低4元。目前每公斤标煤的价格按2.1元计，吨钢能源成本为94.5元，按此计算，当每公斤氢价为10.2元，与目前用煤气的成本一致，按目前碳税40元/t计时，使用氢后，吨钢少交碳税1.8元，则氢价可以到10.4元/kg，到2030年时，按碳税330元/t计算，使用氢后，每吨钢少交碳税14.85元，则氢价为11.8元/kg。随着时间的变化，HOCHT将更加具有竞争力。吨钢使用氢后，燃料消耗可以减少30%，吨钢氢耗降低为6.51 kgH2(73 m3H2/t钢)，吨钢能源成本94.5元，碳税为1.8元/t，总成本为96.3元/t，对应氢气价格为14.8元/kg，若碳税增加到330元/t，则吨钢碳税为15元，吨钢能源成本增加到109元，对应的氢气价格为16.7元/kg。
使用本文开发的HOCHT技术可以降低化石燃料消耗20%~60%，也可以满足未来使用氢气的需要，是迈向无碳生产的完美过渡之旅！HOCHT技术使用氢气时性能良好，无论是部分使用还是全部使用，在钢包和加热炉使用时还可以减少NOx的排放。国外的同类技术在大规模的示范应用中已经证明，在加热炉上使用100%氢气的氢基氧燃零碳烧嘴技术对板坯的加热没有任何负面影响，HOCHT技术的开发使工业炉技术进步的步伐领先于绿色氢气的供应。
新一代氢基氧燃零碳加热技术是工业炉窑能适应“双碳”发展形势的新一代加热技术，是工业炉环节实现零碳的重要支撑技术，并将成为未来的主流加热技术。
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