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

1 加熱技術(shù)概述

加熱是鋼鐵、熱處理和機加工行業(yè)中重要的工藝過程，其工藝及裝備也隨著能源的變化發(fā)生了相應(yīng)的變化。工業(yè)爐窯是實現(xiàn)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，并把物料加熱到所需溫度的熱工設(shè)備。具體包括玻璃行業(yè)的玻璃窯、陶瓷行業(yè)的隧道窯、鋼鐵行業(yè)除高爐和電爐外的其他爐窯、機加工行業(yè)的熱處理爐等。在工業(yè)爐窯中燃料轉(zhuǎn)化為熱能的過程需通過燃燒實現(xiàn)。對于鋼鐵行業(yè)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(shù)，然后通過粉煤噴嘴將粉煤噴入爐內(nèi)燃燒，爐底設(shè)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(fā)過水煤漿燃燒技術(shù)。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(fù)雜的蒸汽霧化裝置，在燃燒時如何合理配置空燃比，實現(xiàn)燃燒時不冒黑煙，更是當時需要解決的核心問題。隨著節(jié)能意識的提高，開始使用原來點天燈的放散副產(chǎn)煤氣，極大程度地改善了生產(chǎn)環(huán)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(tǒng)［5］、富氧助燃［6］等領(lǐng)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(fā)展，包括綠電加熱技術(shù)和綠氫加熱技術(shù)等路徑。

2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

日本政府于2020年10月宣布，2050年實現(xiàn)碳中和。為了實現(xiàn)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(yōu)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(shù)，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(xiàn)100%的氨、氫燃燒發(fā)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(jù)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(xiàn)100%。JERA在2021年11月中旬宣布，計劃在未來2-3年內(nèi)，每年采購50萬t氨，用于混燒發(fā)電?！肮?yīng)鏈”方面的行動也已展開，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(chǎn)綠氨，并計劃將其銷售給日本的發(fā)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(chǎn)物是水和氮，不造成碳排放，但是氨的燃燒速度低于氫，發(fā)熱量也低于氫和天然氣，將其點燃并持續(xù)穩(wěn)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(zhàn)：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(yè)應(yīng)用有一定問題。二是發(fā)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(xiàn)穩(wěn)定燃燒，對于用作燃料，如何讓它穩(wěn)定地燃燒是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。日本政府于2014年啟動的日本重振戰(zhàn)略，設(shè)立了10個戰(zhàn)略性創(chuàng)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(xué)流體科學(xué)教授小林秀昭負責(zé)，參與單位包括：日本大阪大學(xué)，日本國立研究機構(gòu)“產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(fā)動機、軍艦制造商IHI公司，日本工業(yè)氣體和空分設(shè)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(chǎn)生的新型氨氣燃燒技術(shù)，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(chǎn)生NOx，也會污染大氣，因此這項技術(shù)意義重大。課題組還實現(xiàn)了20%氨氣和80%天然氣在2 000 kW級燃氣輪機中的穩(wěn)定混燒。2019年，課題組開發(fā)了“一種將液態(tài)氨直接噴到燃燒器上以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的技術(shù)”。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(fā)器之類的輔助設(shè)備，而新技術(shù)則不需要此類設(shè)備，從而降低了成本。2021年3月，課題組成功實現(xiàn)了70%的液氨在2 000 kW級燃氣輪機中的穩(wěn)定燃燒，并能同時抑制產(chǎn)生NOx。參與此課題的IHI公司表示，有信心在2025年之前實現(xiàn)氨燃氣輪機商業(yè)化，2021年10月啟動的JERA氨能發(fā)電示范項目，由IHI公司與JERA合作而成；三菱重工則正開發(fā)4萬kW級的100%氨專燒燃氣輪機，計劃在2025年以后實現(xiàn)商業(yè)化，引入發(fā)電站。

美國的林德公司開發(fā)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(xiàn)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(chǎn)。

國內(nèi)的合肥綜合性國家科學(xué)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(nèi)首創(chuàng)的8.3 MW純氨燃燒器。在皖能股份銅陵發(fā)電有限公司300 MW火電機組一次性點火成功，并穩(wěn)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(xiàn)降碳目標在技術(shù)上是可行的，標志著氨能綜合利用發(fā)電示范項目取得了關(guān)鍵性進展，這對我國火力發(fā)電廠實現(xiàn)CO2減排具有里程碑意義。

3 氫基氧燃零碳加熱技術(shù)的開發(fā)

3.1氫 基氧燃零碳加熱技術(shù)的基本概念

氫基氧燃零碳加熱技術(shù)（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(xiàn)碳循環(huán)，通過以上流程實現(xiàn)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(xiàn)零碳化。氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術(shù)原理示意圖見圖1。

圖1 氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術(shù)原理示意圖

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

圖2 氫基氧燃零碳加熱（HOCHT）技術(shù)減碳效果

HOCHT技術(shù)對應(yīng)的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)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(shù)為4%至75%時都能燃燒。氫氣燃燒的焓變?yōu)?86 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(shù)的工藝方法

HOCHT加熱技術(shù)，包括氫基能源的制、儲運、使用等三大環(huán)節(jié)。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(xiàn)有的成熟工藝。氫氣的儲運涉及高壓氣、液態(tài)（或液氫）、固體儲運氫等，對于工業(yè)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(shù)聚集于氨儲運、固體儲運等兩種方式。本文主要介紹HOC技術(shù)用在鋼廠加熱爐上的步驟和方法。

將HOC技術(shù)應(yīng)用于加熱爐時，需要有一套完整的設(shè)計流程給予保證，設(shè)計流程見圖3。

圖3 應(yīng)用HOCHT加熱技術(shù)爐窯設(shè)計流程

對于作為“工業(yè)爐心臟”的燃燒器，本文提出進行燒嘴個性化設(shè)計的概念。以往加熱技術(shù)使用的國內(nèi)燒嘴結(jié)構(gòu)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(chǎn)，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(jīng)常配置較大功率的燒嘴，導(dǎo)致能源消耗的增加?！盁靷€性化設(shè)計”的含義是首先考慮爐子用戶的工藝特點，然后根據(jù)具體的爐子進行燒嘴的單項設(shè)計，主要手段是借助CFD技術(shù)的發(fā)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(shè)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(shù)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(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了“數(shù)字化燃燒實驗臺”，該技術(shù)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(shù)(溫度、速度和壓力等)，對深入理解HOCHT技術(shù)的原理具有重要的意義。

4 HOCHT在鋼廠加熱爐上的應(yīng)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(jié)晶（溫度）+形變再結(jié)晶的作用，即將鑄造狀態(tài)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(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M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(jié)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(yīng)用HOCHT技術(shù)的方法

將HOCHT技術(shù)應(yīng)用于加熱爐時，可以采用全新設(shè)計的方法，也可以采用局部改造燃燒系統(tǒng)的方法，詳見圖5。

圖5 HOCHT技術(shù)在加熱爐上的應(yīng)用示意圖

HOCHT技術(shù)應(yīng)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(xiàn)助燃劑的氮基向氧基的轉(zhuǎn)化，然后不斷提高燃料中的氫碳比。

HOCHT技術(shù)可以推廣應(yīng)用到板坯、線材等工業(yè)爐窯設(shè)備上，在實現(xiàn)減碳的同時，還能實現(xiàn)節(jié)能降耗，具有廣泛市場應(yīng)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(shù)后，每噸鋼減碳112 kg（消耗1 kgce，CO2排放2.493 kg），對于年產(chǎn)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(fā)達經(jīng)濟體應(yīng)達到75美元/t的價格下限，新興市場經(jīng)濟體如中國、印度等應(yīng)達到50美元/t，低收入國家則應(yīng)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(yīng)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(yīng)的氫氣價格為16.7元/kg。

5 結(jié)論

使用本文開發(fā)的HOCHT技術(shù)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(chǎn)的完美過渡之旅！HOCHT技術(shù)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(shù)在大規(guī)模的示范應(yīng)用中已經(jīng)證明，在加熱爐上使用100%氫氣的氫基氧燃零碳燒嘴技術(shù)對板坯的加熱沒有任何負面影響，HOCHT技術(shù)的開發(fā)使工業(yè)爐技術(shù)進步的步伐領(lǐng)先于綠色氫氣的供應(yīng)。

新一代氫基氧燃零碳加熱技術(shù)是工業(yè)爐窯能適應(yīng)“雙碳”發(fā)展形勢的新一代加熱技術(shù)，是工業(yè)爐環(huán)節(jié)實現(xiàn)零碳的重要支撐技術(shù)，并將成為未來的主流加熱技術(shù)。