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氢能在水泥行业替代燃料化应用进展

来源:徐荣 日期:2024-04-15 访问量:513 次
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当前人类工业化所处阶段,能源是一切行业的尽头,包括人工智能(据预测将消耗不低于全球20%的电力)。从自然界中寻找最丰富的物质并将其转化为“高效能源”一直是所人类的梦想。在化石能源危机、气候变化等因素的影响下,在全球加强减碳承诺与合作的背景下,“氢能利用”为包括中国在内的许多国家提供了新的方向。

世界上已有超过30多个国家已经制定了氢能路线图,并在整个价值链中宣布了228个大型氢能项目。预计到 2050 年,氢能将满足全球能源总需求的18%。

氢能源在水泥行业的替代燃料化应用国内外均在探索实践,在国内氢气用于水泥熟料烧成是建材行业“揭榜挂帅”项目之一。目前进展如何?

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氢气的特性及来源

    氢是一种清洁且具有潜在可再生性的清洁能源,它是自然界中最常见的元素。据估计,它构成了宇宙质量的75%。除空气中所含的物质外,它主要以化合物的形式储存在水中。氢是所有元素中重量最轻的。它可以以气体、液体或固体金属氢化物的形式出现,可以适应不同的储存和运输需求,适应各种应用环境。

氢气热值达33446大卡,是煤炭的5-6倍,燃点574℃,火焰温度2045℃,燃烧产物为水,可以说是一种完美的新能源类替代燃料。但同时,氢气也有火焰传播速度快(汽油的十倍),辐射热较小(汽油的十分之一),当前价格高于化石燃料等缺点。

氢气的来源主要为三种:化石能源(石油、煤、天然气)化工行业产物、电解制氢(风能、太阳能、潮汐海浪能)、固废热解制氢。目前我国主要氢气来源是化石能源化工行业产物,成本与燃油相当。在水泥行业应用成本上不具备可行性。使用太阳能、风能、潮汐海浪能,一种无污染“制氢”的方法,尤其是海浪能,是未来的主要发展方向。

我国已有30多个绿色氢能项目在建,如国有煤电生产商北京京能电力耗资230亿元人民币,在内蒙古自治区鄂尔多斯市建设了一座由太阳能和风能供电的绿色氢气工厂。

国内技术进展

    继太阳能之后,我国一直在加大对氢能产业的投资。2022年,发改委发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》,将氢能产业列为战略新兴产业。目前,我国已将氢能产业纳入“十四五规划”,作为中国未来的六大产业之一。根据预测,到2050年,氢能将满足我国不低于10%的能源需求。

2021年,中国建材联合会23个“揭榜挂帅”攻关项目中,有3个是氢能煅烧水泥项目,可见该技术的重要程度。

1.双供氢系统煅烧水泥熟料技术路线

中科院大连化学物理研究所提出了双供氢系统煅烧水泥熟料技术路线。致力于实现水泥燃料的完全替代及烟气二氧化碳的捕集利用。该技术路线通过风能、太阳能、水电等绿色能源,利用高效水电解技术获得氢气和氧气,利用特制的多射流燃烧器混合燃烧煅烧水泥熟料。烟气进行水和二氧化碳分离,水汽冷凝后返回电解工段循环利用,二氧化碳捕集后作为冷却风用于熟料冷却,不断富集。捕集的二氧化碳还可与氢气反应制备甲醇燃料,实现水和二氧化碳的自循环利用。

2.氢能耦合替代燃料碳减排技术

天津水泥院有限公司积极攻关“氢能高效利用耦合替代燃料,大比例降低化石燃料”碳减排技术。通过将氢能与替代燃料混烧,实现氢能与替代燃料燃烧效果耦合提升。致力于水泥煅烧氢能利用量不低于20%,燃料替代率不低于80%的目标。

国外技术进展

    国外拉法基豪瑞、海德堡、墨西哥水泥等大企业均把发展氢能列为重要的技术发展方向。

海德堡汉森水泥氢气示范项目,将39%氢气、12%肉骨粉、49%甘油的混合替代燃料成功应用于水泥熟料生产。

墨西哥水泥与其他企业合作,利用等离子体电解将生物甲烷、天然气等转化为氢气,耦合替代燃料使用,提高替代燃料比例。

墨西哥水泥还与西班牙某公司合作,将不超2%的氢气注入固体燃料管道,使其吸附于固体颗粒表面,将电解副产氧气注入水泥窑炉,提高燃烧效率。

德国水泥协会也推出了水泥厂氢能利用技术路线。窑头使用50%的氢气与50%的生物质替代燃料,窑尾使用83.3%的生物质燃料与16.7%的等离子体,实现燃料替代率100%。

国外水泥企业正在参与打造绿色氢能完整产业链。

豪瑞等水泥企业与其他行业共十家企业组成了跨行业联合体。利用海上风电电解水制备氢气与氧气,电解余热用于工业生产,氧气用于水泥厂富氧燃烧,氢气一部分注入天然气管道,一部分与水泥厂烟气中的二氧化碳生产甲醇等燃料。

墨西哥水泥与德国水泥厂合作,水泥厂用电完全来自于风能和太阳能,燃料使用绿色氢能和替代燃料,实现燃料的100%替代,烟气二氧化碳与氢气经催化反应制备甲醇等多种燃料和化工品,实现“零碳水泥”生产。

问题与建议

  1. 成本

目前氢气的生产使用成本仍旧高昂,水泥企业用不起。未来随着各类新能源的使用,成本会显著降低,但能否低到水泥企业可接受进而大范围使用还有待观察。

2.安全

氢元素周期表排第一,极其活泼。假使未来水泥企业用上了氢能,制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等各个环节所可能面临的安全问题对水泥企业都将是全新领域。可能产生的危险也难以预估,需要极其严格的安全生产管理。

3.合作

天下大势,分久必合合久必分。事物的变动期需要的是合作而非细分,国内的水泥企业特别是大企业应该加强合作,共同攻关,才有可能将氢能在水泥企业的应用,以低成本、绿色、安全的方式实现。

4.不确定性

电解制氢需要消耗大量的电能,电解过程中也会损耗大量的电能。应该说现阶段绿色制氢与抽水蓄能、飞轮蓄能一样,都是为了解决风电、光电等新能源的不稳定问题。未来水泥生产的能源消耗会不会有颠覆性低成本技术出现?比如100%替代燃料、替代燃料+电热或电磁加热、全电加热、太阳能直热等等。届时孰优孰劣仍未可知。

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