氫能在水泥行業(yè)替代燃料化應(yīng)用進(jìn)展
來源：徐榮 日期：2024-04-15 訪問量：2197 次
當(dāng)前人類工業(yè)化所處階段，能源是一切行業(yè)的盡頭，包括人工智能（據(jù)預(yù)測將消耗不低于全球20%的電力）。從自然界中尋找最豐富的物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為“高效能源”一直是所人類的夢想。在化石能源危機(jī)、氣候變化等因素的影響下，在全球加強(qiáng)減碳承諾與合作的背景下，“氫能利用”為包括中國在內(nèi)的許多國家提供了新的方向。
世界上已有超過30多個國家已經(jīng)制定了氫能路線圖，并在整個價值鏈中宣布了228個大型氫能項目。預(yù)計到 2050 年，氫能將滿足全球能源總需求的18%。
氫能源在水泥行業(yè)的替代燃料化應(yīng)用國內(nèi)外均在探索實踐，在國內(nèi)氫氣用于水泥熟料燒成是建材行業(yè)“揭榜掛帥”項目之一。目前進(jìn)展如何？
氫氣熱值達(dá)33446大卡，是煤炭的5-6倍，燃點574℃，火焰溫度2045℃，燃燒產(chǎn)物為水，可以說是一種完美的新能源類替代燃料。但同時，氫氣也有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤ㄆ偷氖叮?，輻射熱較小（汽油的十分之一），當(dāng)前價格高于化石燃料等缺點。
氫氣的來源主要為三種：化石能源（石油、煤、天然氣）化工行業(yè)產(chǎn)物、電解制氫（風(fēng)能、太陽能、潮汐海浪能）、固廢熱解制氫。目前我國主要氫氣來源是化石能源化工行業(yè)產(chǎn)物，成本與燃油相當(dāng)。在水泥行業(yè)應(yīng)用成本上不具備可行性。使用太陽能、風(fēng)能、潮汐海浪能，一種無污染“制氫”的方法，尤其是海浪能，是未來的主要發(fā)展方向。
我國已有30多個綠色氫能項目在建，如國有煤電生產(chǎn)商北京京能電力耗資230億元人民幣，在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市建設(shè)了一座由太陽能和風(fēng)能供電的綠色氫氣工廠。
2021年，中國建材聯(lián)合會23個“揭榜掛帥”攻關(guān)項目中，有3個是氫能煅燒水泥項目，可見該技術(shù)的重要程度。
1.雙供氫系統(tǒng)煅燒水泥熟料技術(shù)路線
中科院大連化學(xué)物理研究所提出了雙供氫系統(tǒng)煅燒水泥熟料技術(shù)路線。致力于實現(xiàn)水泥燃料的完全替代及煙氣二氧化碳的捕集利用。該技術(shù)路線通過風(fēng)能、太陽能、水電等綠色能源，利用高效水電解技術(shù)獲得氫氣和氧氣，利用特制的多射流燃燒器混合燃燒煅燒水泥熟料。煙氣進(jìn)行水和二氧化碳分離，水汽冷凝后返回電解工段循環(huán)利用，二氧化碳捕集后作為冷卻風(fēng)用于熟料冷卻，不斷富集。捕集的二氧化碳還可與氫氣反應(yīng)制備甲醇燃料，實現(xiàn)水和二氧化碳的自循環(huán)利用。
2.氫能耦合替代燃料碳減排技術(shù)
天津水泥院有限公司積極攻關(guān)“氫能高效利用耦合替代燃料，大比例降低化石燃料”碳減排技術(shù)。通過將氫能與替代燃料混燒，實現(xiàn)氫能與替代燃料燃燒效果耦合提升。致力于水泥煅燒氫能利用量不低于20%，燃料替代率不低于80%的目標(biāo)。
海德堡漢森水泥氫氣示范項目，將39%氫氣、12%肉骨粉、49%甘油的混合替代燃料成功應(yīng)用于水泥熟料生產(chǎn)。
墨西哥水泥與其他企業(yè)合作，利用等離子體電解將生物甲烷、天然氣等轉(zhuǎn)化為氫氣，耦合替代燃料使用，提高替代燃料比例。
墨西哥水泥還與西班牙某公司合作，將不超2%的氫氣注入固體燃料管道，使其吸附于固體顆粒表面，將電解副產(chǎn)氧氣注入水泥窯爐，提高燃燒效率。
德國水泥協(xié)會也推出了水泥廠氫能利用技術(shù)路線。窯頭使用50%的氫氣與50%的生物質(zhì)替代燃料，窯尾使用83.3%的生物質(zhì)燃料與16.7%的等離子體，實現(xiàn)燃料替代率100%。
國外水泥企業(yè)正在參與打造綠色氫能完整產(chǎn)業(yè)鏈。
豪瑞等水泥企業(yè)與其他行業(yè)共十家企業(yè)組成了跨行業(yè)聯(lián)合體。利用海上風(fēng)電電解水制備氫氣與氧氣，電解余熱用于工業(yè)生產(chǎn)，氧氣用于水泥廠富氧燃燒，氫氣一部分注入天然氣管道，一部分與水泥廠煙氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲醇等燃料。
墨西哥水泥與德國水泥廠合作，水泥廠用電完全來自于風(fēng)能和太陽能，燃料使用綠色氫能和替代燃料，實現(xiàn)燃料的100%替代，煙氣二氧化碳與氫氣經(jīng)催化反應(yīng)制備甲醇等多種燃料和化工品，實現(xiàn)“零碳水泥”生產(chǎn)。
- 成本
目前氫氣的生產(chǎn)使用成本仍舊高昂，水泥企業(yè)用不起。未來隨著各類新能源的使用，成本會顯著降低，但能否低到水泥企業(yè)可接受進(jìn)而大范圍使用還有待觀察。
2.安全
氫元素周期表排第一，極其活潑。假使未來水泥企業(yè)用上了氫能，制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等各個環(huán)節(jié)所可能面臨的安全問題對水泥企業(yè)都將是全新領(lǐng)域?？赡墚a(chǎn)生的危險也難以預(yù)估，需要極其嚴(yán)格的安全生產(chǎn)管理。
3.合作
天下大勢，分久必合合久必分。事物的變動期需要的是合作而非細(xì)分，國內(nèi)的水泥企業(yè)特別是大企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)合作，共同攻關(guān)，才有可能將氫能在水泥企業(yè)的應(yīng)用，以低成本、綠色、安全的方式實現(xiàn)。
4.不確定性
電解制氫需要消耗大量的電能，電解過程中也會損耗大量的電能。應(yīng)該說現(xiàn)階段綠色制氫與抽水蓄能、飛輪蓄能一樣，都是為了解決風(fēng)電、光電等新能源的不穩(wěn)定問題。未來水泥生產(chǎn)的能源消耗會不會有顛覆性低成本技術(shù)出現(xiàn)？比如100%替代燃料、替代燃料+電熱或電磁加熱、全電加熱、太陽能直熱等等。屆時孰優(yōu)孰劣仍未可知。
