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去年12月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、自然資源部聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，組織研發(fā)富氫碳循環(huán)高爐、氫能窯爐、氫基直接還原等技術(shù)，實(shí)施氫冶金、非高爐煉鐵等低碳冶煉試點(diǎn)項(xiàng)目，明確了氫在工業(yè)減排中的重要作用。具體到陶瓷行業(yè)，在“雙碳”目標(biāo)提出和能耗政策收緊的背景下，疊加當(dāng)下不斷飆升的天然氣等能源價(jià)格，尋求能源轉(zhuǎn)型以實(shí)現(xiàn)行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展也變得前所未有的緊迫。零碳排放窯爐可能實(shí)現(xiàn)嗎？我們不妨將目光轉(zhuǎn)向意大利，了解其陶瓷行業(yè)氫能窯爐的最新進(jìn)展。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已公布?xì)淠芨G爐開(kāi)發(fā)計(jì)劃并取得一定進(jìn)展的有3家意大利裝備企業(yè)。Sacmi已開(kāi)發(fā)出天然氣-氫氣混合燃料窯爐，氫氣的體積占比最高可達(dá)到50%。SITI B&T在完成了所有生產(chǎn)的窯爐可使用氫氣后，于2021年啟動(dòng)了以傳統(tǒng)燃料和氫能作為混合燃料的窯爐開(kāi)發(fā)計(jì)劃，其中，零碳排放的窯爐設(shè)備預(yù)計(jì)在2024年問(wèn)世。Carfer Forni公司也公布了其在氫能利用方面的兩大目標(biāo)：首先，升級(jí)傳統(tǒng)燃燒器，使其能夠兼容氫能（氫氣體積含量為40-50%）混合燃料；然后，開(kāi)發(fā)能夠用空氣或氧氣作為燃燒劑處理純氫的新裝置。

近日，Sacmi公司在公開(kāi)報(bào)導(dǎo)中表示，公司的氫能窯爐研究方面取得了新的進(jìn)展。據(jù)悉，Sacmi開(kāi)發(fā)的Maestro系列窯爐中，可燃燒含10%氫氣的混合氣體（氫氣-天然氣）的窯爐已在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行，目前最新的產(chǎn)品可應(yīng)用于含50%氫氣的混合氣體。為了使該窯爐能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，Sacmi公司在以下方面改進(jìn)了技術(shù)和設(shè)備，并取得進(jìn)展。

提升燃燒器、噴射泵、鼓風(fēng)機(jī)性能

除了提升窯的隔熱性能和改善傳統(tǒng)的高臨界roller housing zone外，Sacmi還引進(jìn)了一種新的高速燃燒器，使燃燒主要在腔體內(nèi)部發(fā)生。這顯著提高了排氣速度，在最大運(yùn)行條件下可達(dá)到150米/秒（比上一代燃燒器高出50%以上），并使窯爐在寬度方向保持溫度的均勻性和出料的顏色、口徑的一致性。

在預(yù)熱過(guò)程中，燃燒器可與噴射泵組組合，噴射泵組憑借其專(zhuān)利幾何結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)煙氣再循環(huán)，并確保燃燒室中的溫度均勻性。該技術(shù)已應(yīng)用在多家陶企設(shè)備上，它可以降低黑心和邊緣裂紋（通常在預(yù)熱過(guò)程中產(chǎn)生）出現(xiàn)的幾率。同時(shí)，它還可以將氮氧化物的排放量最多可以減少35%，燃料的消耗量最多可以減少7%。

大尺寸產(chǎn)品的出現(xiàn)需要根據(jù)既定工藝和產(chǎn)品特征對(duì)快速冷卻階段進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)還要保持生產(chǎn)的最大靈活性。因此，與之配套的鼓風(fēng)機(jī)需要根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整：高/低、側(cè)/中心（由于墻壁采用了專(zhuān)用鼓風(fēng)機(jī)）。

 固定、分區(qū)和可調(diào)節(jié)空氣窯爐

相對(duì)傳統(tǒng)的固定空氣窯，該系列開(kāi)發(fā)了一種空氣分區(qū)窯爐。通過(guò)劃分燃燒空氣供應(yīng)管道，可以調(diào)整到達(dá)窯各部分燃燒器的空氣流量。氧氣分析儀的安裝確保了操作條件的可復(fù)制性。將固定空氣窯轉(zhuǎn)換為分區(qū)空氣窯不僅可行，而且還可以節(jié)省2%-8%的燃料成本（取決于產(chǎn)品和窯爐的運(yùn)行情況）。

此外，還有一種可調(diào)節(jié)空氣的窯爐，在這種窯中，溫度控制是通過(guò)同時(shí)改變空氣和氣體流量以調(diào)整其比率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這意味著，對(duì)于每組燃燒器，空氣-氣體燃燒比不僅在設(shè)定溫度變化時(shí)保持不變，而且在負(fù)載條件變化時(shí)也能保持不變。這為不同產(chǎn)品生產(chǎn)的切換提供了很大的靈活度，并保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。通過(guò)軟件監(jiān)測(cè)和控制，各種待燒產(chǎn)品的操作條件就可以復(fù)制。

數(shù)字窯爐

數(shù)字窯爐對(duì)氫能的使用也至關(guān)重要。窯爐數(shù)字化的目的是盡可能降低消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證過(guò)程的可復(fù)制性和維持最大產(chǎn)量。 

在數(shù)字窯中，空氣和氣體流量由專(zhuān)用設(shè)備連續(xù)讀取，這些設(shè)備與窯監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信。這允許為每個(gè)燃燒器組設(shè)置不同的燃燒比。同時(shí)，這意味著在每次產(chǎn)品更換時(shí)，窯爐會(huì)根據(jù)每個(gè)配方中設(shè)定的空氣/氣體比率自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而提高其燃燒性能。

目前，Sacmi的第一條使用50%氫氣的混合燃料窯爐已進(jìn)入組裝階段，另兩條將于8月份交付。該窯配備了新型超高速燃燒器（最大功率時(shí)為200米/秒）。該燃燒器非常靈活，無(wú)論是使用100%天然氣還是含有高達(dá)50%氫氣的混合燃料，都能夠以相同的效率運(yùn)行。

在氫能應(yīng)用不斷進(jìn)步的背景下，必須要有一個(gè)能夠適應(yīng)燃料比例變化的系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著必須設(shè)置不同的燃燒比，唯一能夠精確實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的窯型是數(shù)字窯。

氫能窯爐發(fā)展的挑戰(zhàn)

氫能窯爐的使用不僅對(duì)窯爐本身提出了要求，而且對(duì)管道、部件和儲(chǔ)存等相關(guān)方面也有影響。

我們可以以意大利陶瓷主產(chǎn)區(qū)薩索洛區(qū)的數(shù)據(jù)為例，看一下完成向能源轉(zhuǎn)型所面臨的挑戰(zhàn)。平均每天生產(chǎn)10000平方米瓷磚的窯爐消耗約500 Nm3/h的天然氣。使用50%氫氣意味著擁有385 Nm3/h天然氣和385 Nm3/h氫氣的混合物。因此，當(dāng)使用50%的混合氣時(shí)，整個(gè)地區(qū)每天需要約250噸氫氣，如果所有窯都轉(zhuǎn)換為100%氫氣，這一數(shù)字將上升到每天1000噸以上。此外，這只考慮到窯爐，而向氫氣的過(guò)渡還涉及干燥器的用能。

雖然這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可用，但在陶瓷區(qū)脫碳的過(guò)程中，還有其他一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，包括目前缺乏工業(yè)規(guī)模的水力發(fā)電供應(yīng)，以及需要從可再生能源中獲取氫氣，而可再生能源本質(zhì)上是不連續(xù)的。如果沒(méi)有足夠的激勵(lì)措施，對(duì)于有多條窯爐的公司來(lái)說(shuō)，靠自己來(lái)生產(chǎn)氫氣不現(xiàn)實(shí)的。因此，關(guān)鍵問(wèn)題仍然是在陶企高度集中的地區(qū)，為各個(gè)工廠(chǎng)提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施。