12月23日，仙湖實驗室舉行氫氨融合零碳燃燒技術(shù)重大成果新聞發(fā)布會,。會上宣布,，全球首塊零碳氨燃料燒制的綠色瓷磚于2022年12月18日在廣東省佛山市成功出爐，這是仙湖實驗室與佛山歐神諾陶瓷有限公司,、佛山市德力泰科技有限公司共同攻關(guān)研發(fā)的成果,，標(biāo)志著我國建筑陶瓷行業(yè)向碳中和目標(biāo)邁出了歷史性的一步。
圖1. 氫氨融合零碳燃燒技術(shù)重大成果新聞發(fā)布會現(xiàn)場
一,、項目背景
建筑陶瓷生產(chǎn)要經(jīng)過1200℃高溫?zé)?，目前主要使用天然氣、煤和重油等化石燃料,，因而產(chǎn)生大量的二氧化碳排放,。在國家提出的“雙碳”達標(biāo)背景下，陶瓷產(chǎn)業(yè)面臨巨大的二氧化碳減排壓力,。采用先進零碳燃料是最根本,、最直接、最有效的減碳方式之一,，這是高溫制造業(yè)在這場新能源技術(shù)革命中對科技創(chuàng)新提出的迫切需求,。目前，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的零碳燃料只有氫氣（H2）和氨氣（NH3）兩種,，他們都不含碳,，因此在高溫下燃燒不會產(chǎn)生任何碳排放,。由于工業(yè)窯爐燃燒用氫量巨大，而氫氣大容量儲運很困難,，這極大地限制了氫在高溫工業(yè)作為燃料的應(yīng)用,。
氨是氫和氮的化合物，合成氨已有100多年的歷史,，目前主要是用于做農(nóng)業(yè)化肥和化工原料,。與氨相關(guān)的安全儲運技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施,、運輸標(biāo)準(zhǔn)都較為成熟,，尤為重要的是氨可以大容量儲運，成本大幅低于（僅約1%）氫的儲運,，氨燃料經(jīng)濟性明顯優(yōu)于氫燃料,。但氨氣不容易點火，不容易燃燒,，高溫燃燒時會產(chǎn)生氮氧化物,，這些都是開發(fā)氨氣零碳燃燒技術(shù)所必須解決的挑戰(zhàn)。
二,、項目研發(fā)過程
2021年12月27日,，佛山仙湖實驗室、佛山歐神諾陶瓷有限公司和佛山市德力泰科技有限公司聯(lián)合成立了“先進零碳燃燒技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新研發(fā)中心”,，由佛山仙湖實驗室戰(zhàn)略科學(xué)家程一兵教授擔(dān)任中心主任,。中心瞄準(zhǔn)陶瓷窯爐零碳燃燒顛覆性關(guān)鍵技術(shù)，旨在為我國陶瓷工業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標(biāo)探索新的方向,，并著眼于將“先進零碳燃燒技術(shù)”推廣至其他高溫制造行業(yè),。
經(jīng)過近一年的技術(shù)攻關(guān)，“聯(lián)合研發(fā)中心”成功設(shè)計并開發(fā)出新型純氨和天然氣混氨工業(yè)燃燒器及配套技術(shù),，在德力泰的工業(yè)實驗爐實現(xiàn)了穩(wěn)定點火,、摻氨和純氨穩(wěn)定燃燒（圖2），并有效地將氮氧化物排放控制在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi),。團隊在開發(fā)零碳燃燒技術(shù)的同時，還建立了一整套適用于氨燃料陶瓷窯爐的安全使用制度以及應(yīng)急管理措施,，包括使用操作規(guī)程,、氨氣存放、輸送等關(guān)鍵環(huán)節(jié),。在此基礎(chǔ)上,，團隊成功地完成了對歐神諾陶瓷公司一條30米長的輥道窯爐的改造，將此窯爐以天然氣為燃料改造成以純氨和天然氣混氨為燃料,。團隊同時研發(fā)了適用于純氨燃燒的液氨氣化及供給精確控制系統(tǒng),，煙氣殘余氨在線監(jiān)測系統(tǒng),，聯(lián)合廣東安清科技有限公司開發(fā)了高效液氨SCR脫銷系統(tǒng)等成套技術(shù)及裝備（圖3）。
圖2. 德力泰工業(yè)試驗爐摻氨/純氨燃燒火焰
圖3. 完成改造歐神諾零碳氨燃料輥道窯系統(tǒng)
三,、項目評估情況
由于氨燃料以前從未在陶瓷窯爐作為燃料使用,，缺乏相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，使項目在開展中試窯瓷磚安全生產(chǎn)評估過程中無據(jù)可循,。廣東陶瓷協(xié)會在得知我們遇到的這一困難后,，主動提出由協(xié)會組織行業(yè)專家對項目進行技術(shù)評估，助力推動這一全新雙碳技術(shù)的發(fā)展,。2022年11月11日,，廣東陶瓷協(xié)會組織專家對“建筑陶瓷工業(yè)窯爐氨燃燒（零碳燃料）技術(shù)”項目進行了實地考察和評估。專家組對這項顛覆性創(chuàng)新技術(shù)給與了高度評價,，認(rèn)為建筑陶瓷工業(yè)窯爐氨氣燃燒技術(shù)安全可控,，所開發(fā)的技術(shù)和裝備填補了國內(nèi)和國際的空白，為陶瓷工業(yè)乃至整個建材行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰,、碳中和”開辟了新能源技術(shù)路徑,，對推進建筑陶瓷行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標(biāo)具有重大現(xiàn)實意義。專家組建議加快推動該技術(shù)的應(yīng)用示范中試,。專家組的評估報告為項目中試掃清了障礙,。
四、項目示范中試情況
2022年12月18日,，“建筑陶瓷工業(yè)窯爐氨燃燒（零碳燃料）技術(shù)”項目正式在佛山歐神諾陶瓷有限公司進行示范試產(chǎn),。經(jīng)項目改造的中試窯爐使用100%氨氣燃料經(jīng)窯爐冷態(tài)點火升溫，現(xiàn)場調(diào)控溫度/氣氛/壓力等燒成制度后,，正式進窯燒磚并成功下線全球首塊零碳氨燃料燒制的綠色瓷磚,。
純氨燃燒窯爐煙氣由具有相關(guān)資質(zhì)的第三方現(xiàn)場采樣檢測，煙氣污染物（氮氧化物,、二氧化硫及顆粒物等）均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值,。下線的750x750mm規(guī)格的拋釉磚（圖4-5），瓷坯斷面無黑心,、色差等現(xiàn)象,，圖案發(fā)色正常，吸水率0.01%,，強度41.6MPa,，均高于瓷質(zhì)磚國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖4. 全球首塊零碳氨燃料燒制的綠色瓷磚成功出爐
圖5. 項目研發(fā)團隊在零碳氨燃料瓷磚燒制現(xiàn)場
圖6. 發(fā)布會現(xiàn)場與零碳氨燃料瓷磚
五,、項目創(chuàng)新成果及應(yīng)用前景
項目采用創(chuàng)新科研成果,，解決了純氨燃料工業(yè)級燃燒器點火困難及燃燒火焰不穩(wěn)定的技術(shù)挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了純氨燃料的高效穩(wěn)定燃燒（燃燒效率>99.9%,，殘氨濃度<5ppm）,；項目創(chuàng)造性地結(jié)合分級燃燒,、SNCR及液氨SCR技術(shù)，大幅降低燃燒煙氣中NOx排放,。項目創(chuàng)新成果共申報國家專利30余項,。
氨是可以運用風(fēng)電、光電等清潔能源制備的可持續(xù),、可再生的零碳燃料,。零碳氨燃料燒制陶瓷是顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，在國內(nèi)和國際都是首創(chuàng),，不僅為建筑陶瓷行業(yè)“雙碳”達標(biāo)提供了一項顛覆性技術(shù)方案,，也為其他高溫制造業(yè)實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略規(guī)劃指明了一條明確的、切實可行的技術(shù)路徑,，具有重大現(xiàn)實意義,。項目在開發(fā)過程中同時還驗證了氨燃料與傳統(tǒng)化石燃料（天然氣）以任意比例摻混燃燒的技術(shù)可行性，為政府和行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標(biāo)提供了一個可預(yù)見,、可規(guī)劃的技術(shù)實施方案,。可以預(yù)見未來在高溫工業(yè)領(lǐng)域,，可以通過在現(xiàn)有化石燃料中先開展摻氨燃燒,，首先實現(xiàn)“碳達峰”，然后逐步提高摻氨比例,，最終采用100%純氨燃燒,，實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。
目前佛山仙湖實驗室正在與多家陶瓷和金屬加工行業(yè)頭部企業(yè)積極洽談有關(guān)“零碳燃燒技術(shù)”合作事宜,。該技術(shù)的進一步推廣,，將產(chǎn)生重大的社會效應(yīng)，為廣東及全國高溫制造業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標(biāo)做出重大貢獻,。
