氫基氧燃零碳加熱新技術開發及應用展望

饒文濤 魏 煒 蔡方偉 李文武

寶武清潔能源有限公司

0 背景介紹

隨著國家“雙碳”戰略的實施，作為碳排放大戶的鋼鐵行業，在全流程探索零碳技術具有重要的意義。加熱技術是工業過程中重要的技術，軋鋼加熱爐是軋鋼加熱工藝中的核心設備，其使用的能源和加熱方式也經歷了一系列的變化。如今為實現“雙碳”，其用能正在向綠電、綠氫轉化，目標是持續提高燃料中的氫碳比。結合多年在鋼廠熱工設備的研究積累，提出了“氫基氧燃零碳加熱技術”（HOCHT技術，Hydrogen-based Oxygen-fired zero-Carbon Heating Technology）這一新概念，并結合具體的加熱爐案例探討了應用的可行性，指出了這一技術可能應用的領域。

1 加熱技術概述

加熱是鋼鐵、熱處理和機加工行業中重要的工藝過程，其工藝及裝備也隨著能源的變化發生了相應的變化。工業爐窯是實現將燃料化學能轉化為熱能，并把物料加熱到所需溫度的熱工設備。具體包括玻璃行業的玻璃窯、陶瓷行業的隧道窯、鋼鐵行業除高爐和電爐外的其他爐窯、機加工行業的熱處理爐等。在工業爐窯中燃料轉化為熱能的過程需通過燃燒實現。對于鋼鐵行業軋鋼加熱工序而言，其也是碳排放的大戶。對于鋼鐵工藝生產流程，煉鐵工序的碳排放和減碳潛力位居首位，軋鋼和鑄造工序的碳排放僅次于煉鐵工序，占比為7%，其主要的碳排放來源是軋鋼工序加熱爐使用的高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣、天然氣等碳基燃料。

加熱爐使用的碳基燃料也經歷了一系列的變化。最早采用粉煤［1］作為燃料，其工藝為采用磨煤機將粉煤磨碎到一定目數，然后通過粉煤噴嘴將粉煤噴入爐內燃燒，爐底設計成斜爐底，燃燒后的粉煤渣從爐底排出，與高爐類似，還開發過水煤漿燃燒技術。之后采用熱值更高的重油［2］作為燃料，為了保留重油的流動性，需要配套復雜的蒸汽霧化裝置，在燃燒時如何合理配置空燃比，實現燃燒時不冒黑煙，更是當時需要解決的核心問題。隨著節能意識的提高，開始使用原來點天燈的放散副產煤氣，極大程度地改善了生產環境。隨著氣體燃料開始使用，首先是混合煤氣［3］，其間還使用過油氣混合燒嘴，對其NOx［4］、控制系統［5］、富氧助燃［6］等領域都進行了研究，接著使用了天然氣摻混煤氣的燃料。如今開始向綠電化、綠氫化等兩條路徑發展，包括綠電加熱技術和綠氫加熱技術等路徑。

2 國內外的研究現狀

日本政府于2020年10月宣布，2050年實現碳中和。為了實現這個目標，占排放量80%的能源部門必須努力改變，火電廠要優先使用零碳的氫、氨燃料替代煤炭等化石燃料。日本計劃首先采用混燒技術，比如“30%的氫加70%的天然氣”（氣體燃料），或者“20%的氨加80%的煤粉”（固體+液體），之后逐步提升氨和氫的混燒比例，計劃到2050年實現100%的氨、氫燃燒發電。2021年10月，日本電力巨頭JERA的氨能混燒示范項目在其日本愛知縣碧南市的火電廠首次點火啟動。根據計劃，此項目的氨燃料混燒比例到2024年將提高到20%，到2050年將實現100%。JERA在2021年11月中旬宣布，計劃在未來2-3年內，每年采購50萬t氨，用于混燒發電?！肮湣狈矫娴男袆右惨颜归_，日本希望從澳大利亞獲取“綠氨”，挪威化肥巨頭雅苒國際（Yara International）2021年7月宣布，將于2023年在澳大利亞試生產綠氨，并計劃將其銷售給日本的發電廠。如果直接將氨作為燃料，則需要克服氨不容易燃燒的缺陷。氨燃燒的產物是水和氮，不造成碳排放，但是氨的燃燒速度低于氫，發熱量也低于氫和天然氣，將其點燃并持續穩定燃燒比較困難。氨燃料和其它燃料相比，它的能量密度高，能量成本比較低，但是氨燃料存在幾個挑戰：一是燃燒速度和熱值都比較低，它的燃燒速度遠遠低于氫，這對于工業應用有一定問題。二是發熱量相對來說比較低，它的熱值比其他的天然氣、氫都要低，點火比較困難，不易點燃和實現穩定燃燒，對于用作燃料，如何讓它穩定地燃燒是一個技術挑戰。日本政府于2014年啟動的日本重振戰略，設立了10個戰略性創新研究項目，其中，能源載體項目下的“氨直接燃燒課題”由日本東北大學流體科學教授小林秀昭負責，參與單位包括：日本大阪大學，日本國立研究機構“產業技術綜合研究所”（AIST），三菱重工，三菱日立電力，豐田，以及日本燃氣輪機、渦扇發動機、軍艦制造商IHI公司，日本工業氣體和空分設備制造商大陽日酸公司等。2018年，此課題組展示了可以抑制一氧化氮產生的新型氨氣燃燒技術，核心工藝是將氨氣與空氣攪混，形成旋渦狀燃燒。燃燒氨雖不排放碳，但會產生NOx，也會污染大氣，因此這項技術意義重大。課題組還實現了20%氨氣和80%天然氣在2 000 kW級燃氣輪機中的穩定混燒。2019年，課題組開發了“一種將液態氨直接噴到燃燒器上以實現穩定燃燒的技術”。此前，為了向燃氣輪機中壓入大量的氨氣，不得不采用諸如蒸發器之類的輔助設備，而新技術則不需要此類設備，從而降低了成本。2021年3月，課題組成功實現了70%的液氨在2 000 kW級燃氣輪機中的穩定燃燒，并能同時抑制產生NOx。參與此課題的IHI公司表示，有信心在2025年之前實現氨燃氣輪機商業化，2021年10月啟動的JERA氨能發電示范項目，由IHI公司與JERA合作而成；三菱重工則正開發4萬kW級的100%氨專燒燃氣輪機，計劃在2025年以后實現商業化，引入發電站。

美國的林德公司開發了REBOX燃燒器，并在瑞典的Ovako Steel鋼廠推廣，于2020年3月18日，實現了25 t滾珠軸承鋼加熱全部使用氫基氧燃零碳燒嘴加氫燃料，氫和氧均是由可再生電力生產。

國內的合肥綜合性國家科學中心能源研究院（以下簡稱“能源研究院”）與皖能集團合作，于2022年4月27日研制成功國內首創的8.3 MW純氨燃燒器。在皖能股份銅陵發電有限公司300 MW火電機組一次性點火成功，并穩定運行2個多小時。點火成功意味著在煤電機組鍋爐通過摻氨燃燒實現降碳目標在技術上是可行的，標志著氨能綜合利用發電示范項目取得了關鍵性進展，這對我國火力發電廠實現CO2減排具有里程碑意義。

3 氫基氧燃零碳加熱技術的開發

3.1氫 基氧燃零碳加熱技術的基本概念

氫基氧燃零碳加熱技術（HOCHT，Hydrogen-based Oxygen-fired Zero-carbon Heating Technology）是將原來以碳基燃料燃燒為主的加熱方式逐步過渡到氫基燃料（包括純氫、氨、甲醇等）為主的加熱，同時將助燃氣由氮基的空氣過渡為氧基的純氧，同時耦合綠電和綠氫，通過將綠氫與CO2耦合實現碳循環，通過以上流程實現加熱過程的零碳化，目前是通過加熱過程的綠電化、綠氫化實現零碳化。氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術原理示意圖見圖1。

圖1 氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術原理示意圖

HOCHT加熱技術由于采用氫氣作為燃料，氧氣作為助燃劑，其在節能量和減排方面與以往的加熱技術比較具有顯著的效果，氫基氧燃零碳加熱技術減碳效果詳見圖2。

圖2 氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術減碳效果

HOCHT技術對應的相關化學反應如下：

（1）碳燃料燃燒

氫氣是一種極易燃的氣體，在空氣中的體積分數為4%至75%時都能燃燒。氫氣燃燒的焓變為286 kJ/mol：

氫氣占4%至74%的濃度時與空氣混合，或占5%至95%的濃度時與氯氣混合時是極易爆炸的氣體，在熱、日光或火花的刺激下易引爆，氫氣的著火點為500℃，純凈的氫氣與氧氣的混合物燃燒時放出紫外線。因為氫氣比空氣輕，氫氣的火焰傾向于快速上升，故其造成的危害小于碳氫化合物燃燒的危害。

3.2 HOCHT加熱技術的工藝方法

HOCHT加熱技術，包括氫基能源的制、儲運、使用等三大環節。其中氫基能源的制備，主要涉及采用綠電加電解槽制備綠氫的工藝，可參考現有的成熟工藝。氫氣的儲運涉及高壓氣、液態（或液氫）、固體儲運氫等，對于工業加熱供氫，與使用天然氣相同，管道氫是首選，在管道氫無法滿足的情況下，HOC技術聚集于氨儲運、固體儲運等兩種方式。本文主要介紹HOC技術用在鋼廠加熱爐上的步驟和方法。

將HOC技術應用于加熱爐時，需要有一套完整的設計流程給予保證，設計流程見圖3。

圖3 應用HOCHT加熱技術爐窯設計流程

對于作為“工業爐心臟”的燃燒器，本文提出進行燒嘴個性化設計的概念。以往加熱技術使用的國內燒嘴結構多仿制于國外，但是由于燃料的不同，使用效果遠不如國外，而且燒嘴均是按照燒嘴廠的系列生產，并不考慮爐子用戶的具體需求，為了保證爐子的供熱負荷，經常配置較大功率的燒嘴，導致能源消耗的增加?！盁靷€性化設計”的含義是首先考慮爐子用戶的工藝特點，然后根據具體的爐子進行燒嘴的單項設計，主要手段是借助CFD技術的發展，在燒嘴使用前對其性能和使用的效果進行虛擬測試，并提供給爐子的用戶作為選用和設計時的參考。目前國外的燒嘴公司如日本的中外爐公司、美國的B LO O M公司、HA U C K公司在燒嘴出廠時均提供由CFD技術完成的溫度分布特性圖，另外對氫基氧燃零碳燒嘴的特性需要進行專項測試，不斷完善。作者在吸收國外先進技術的基礎上，開發了“數字化燃燒實驗臺”，該技術的特點是可以模擬實際的燒嘴實驗臺功能對燒嘴性能進行測試，可以得到燃燒任意點的熱工特性參數(溫度、速度和壓力等)，對深入理解HOCHT技術的原理具有重要的意義。

4 HOCHT在鋼廠加熱爐上的應用

4.1鋼 廠加熱工序的工藝作用

鋼廠熱軋工序的主要作用為再結晶（溫度）+形變再結晶的作用，即將鑄造狀態的粗大晶粒破碎，顯著裂紋愈合，減少或消除鑄造缺陷，將鑄態組織轉變為變形組織，提高合金的加工性能。形變：熱軋時金屬塑性高，變形抗力低，大大減少了金屬變形的熱軋型鋼能量消耗。熱工解析：最小的成本保證一個再結晶溫度，不管用什么方法，只要將板坯溫度（表面+心部）加熱到1 200～1 250℃，就可以完成熱軋的功能，鋼廠熱軋加熱工藝功能示意圖見圖4。

圖4 鋼廠熱軋加熱工藝功能示意圖

4.2加 熱爐應用HOCHT技術的方法

將HOCHT技術應用于加熱爐時，可以采用全新設計的方法，也可以采用局部改造燃燒系統的方法，詳見圖5。

圖5 HOCHT技術在加熱爐上的應用示意圖

HOCHT技術應用的流程，第一階段采用富氧燃燒改造，第二階段富氧過渡到純氧，實現助燃劑的氮基向氧基的轉化，然后不斷提高燃料中的氫碳比。

HOCHT技術可以推廣應用到板坯、線材等工業爐窯設備上，在實現減碳的同時，還能實現節能降耗，具有廣泛市場應用前景。

本文進行一個簡單的測算，每噸鋼加熱能耗一般按45 kgce，按1 kg氫的熱值為34 197 kcal，相當于每噸鋼采用全氫加熱的氫耗為9.3 kgH2(104 m3H2/t鋼)，對于一個1 000萬t的鋼廠，年加熱用氫9.3萬t，按8 000 h工作時，折合每小時需氫量13萬m3。使用HOCHT技術后，每噸鋼減碳112 kg（消耗1 kgce，CO2排放2.493 kg），對于年產1 000萬t鋼廠，年減碳112萬t，碳稅40元/t時，減碳效益4 487萬元。IMF建議：到2030年，高收入的發達經濟體應達到75美元/t的價格下限，新興市場經濟體如中國、印度等應達到50美元/t，低收入國家則應達到25美元/t（330元/t）。一個千萬噸鋼廠一年的減碳效益將達到3.7億元，每噸鋼可以減少由于交碳稅增加的成本為37元，每公斤氫的成本可以降低4元。目前每公斤標煤的價格按2.1元計，噸鋼能源成本為94.5元，按此計算，當每公斤氫價為10.2元，與目前用煤氣的成本一致，按目前碳稅40元/t計時，使用氫后，噸鋼少交碳稅1.8元，則氫價可以到10.4元/kg，到2030年時，按碳稅330元/t計算，使用氫后，每噸鋼少交碳稅14.85元，則氫價為11.8元/kg。隨著時間的變化，HOCHT將更加具有競爭力。噸鋼使用氫后，燃料消耗可以減少30%，噸鋼氫耗降低為6.51 kgH2(73 m3H2/t鋼)，噸鋼能源成本94.5元，碳稅為1.8元/t，總成本為96.3元/t，對應氫氣價格為14.8元/kg，若碳稅增加到330元/t，則噸鋼碳稅為15元，噸鋼能源成本增加到109元，對應的氫氣價格為16.7元/kg。

5 結論

使用本文開發的HOCHT技術可以降低化石燃料消耗20%~60%，也可以滿足未來使用氫氣的需要，是邁向無碳生產的完美過渡之旅！HOCHT技術使用氫氣時性能良好，無論是部分使用還是全部使用，在鋼包和加熱爐使用時還可以減少NOx的排放。國外的同類技術在大規模的示范應用中已經證明，在加熱爐上使用100%氫氣的氫基氧燃零碳燒嘴技術對板坯的加熱沒有任何負面影響，HOCHT技術的開發使工業爐技術進步的步伐領先于綠色氫氣的供應。

新一代氫基氧燃零碳加熱技術是工業爐窯能適應“雙碳”發展形勢的新一代加熱技術，是工業爐環節實現零碳的重要支撐技術，并將成為未來的主流加熱技術。