氢能窑炉技术发展情况：以Sacmi公司新一代氢气混合窑炉为例

2021年12月，国家工信部、科技部、自然资源部联合印发的《“十四五”原材料工业发展规划》提出，组织研发富氢碳循环高炉、氢能窑炉、氢基直接还原等技术，实施氢冶金、非高炉炼铁等低碳冶炼试点项目，明确了氢在工业减排中的重要作用。

具体到陶瓷行业，在双碳目标提出和能耗政策收紧的背景下，叠加当下不断飙升的天然气等能源价格，寻求能源转型以实现行业的绿色可持续发展也变得前所未有的紧迫。

据不完全统计，目前已公布氢能窑炉开发计划并取得一定进展的有三家意大利装备企业。Sacmi已开发出天然气-氢气混合燃料窑炉，氢气的体积占比最高可达到50%。SITI B&T在完成了所有生产的窑炉可使用氢气后，于2021年启动了以传统燃料和氢能作为混合燃料的窑炉开发计划，其中，零碳排放的窑炉设备预计在2024年问世。Carfer Forni公司也公布了其在氢能利用方面的两大目标：首先，升级传统燃烧器，使其能够兼容氢能（氢气体积含量为40-50%）混合燃料；然后，开发能够用空气或氧气作为燃烧剂处理纯氢的新装置。

Ceramic World Review杂志第146期刊登了Sacmi公司在氢能窑炉研究方面取得的最新进展的专题文章，本文将选取其中的重点部分翻译如下，供行业企业参考。

Sacmi开发的Maestro系列窑炉中，可燃烧含10%氢气的混合气体（氢气-天然气）的窑炉已在实际生产中运行，目前最新的产品可应用于含50%氢气的混合气体。为了使该窑炉能够稳定、高效的运行，Sacmi公司在以下方面改进了技术和设备，并取得进展。

除了提升窑的隔热性能和改善传统的高临界roller housing zone外，Sacmi还引进了一种新的高速燃烧器，使燃烧主要在腔体内部发生。这显著提高了排气速度，在最大运行条件下可达到150米/秒（比上一代燃烧器高出50%以上），并使窑炉在宽度方向保持温度的均匀性和出料的颜色、口径的一致性。

在预热过程中，燃烧器可与喷射泵组组合，喷射泵组凭借其专利几何结构，可促进烟气再循环，并确保燃烧室中的温度均匀性。该技术已应用在多家陶企设备上，它可以降低黑心和边缘裂纹（通常在预热过程中产生）出现的几率。同时，它还可以将氮氧化物的排放量最多可以减少35%，燃料的消耗量最多可以减少7%。

大尺寸产品的出现需要根据既定工艺和产品特征对快速冷却阶段进行重新设计，同时还要保持生产的最大灵活性。因此，与之配套的鼓风机需要根据产品的尺寸进行精准调整：高/低、侧/中心（由于墙壁采用了专用鼓风机）。

相对传统的固定空气窑，该系列开发了一种空气分区窑炉。通过划分燃烧空气供应管道，可以调整到达窑各部分燃烧器的空气流量。氧气分析仪的安装确保了操作条件的可复制性。将固定空气窑转换为分区空气窑不仅可行，而且还可以节省2%-8%的燃料成本（取决于产品和窑炉的运行情况）。

固定空气窑炉中的空气燃料比

可调节空气窑炉中的空气燃料比

此外，还有一种可调节空气的窑炉，在这种窑中，温度控制是通过同时改变空气和气体流量以调整其比率来实现的。这意味着，对于每组燃烧器，空气-气体燃烧比不仅在设定温度变化时保持不变，而且在负载条件变化时也能保持不变。

这为不同产品生产的切换提供了很大的灵活度，并保证了产品的稳定性。通过软件监测和控制，各种待烧产品的操作条件就可以复制。

数字窑炉对氢能的使用也至关重要。窑炉数字化的目的是尽可能降低消耗、提高产品质量、保证过程的可复制性和维持最大产量。

在数字窑中，空气和气体流量由专用设备连续读取，这些设备与窑监控系统实时通信。这允许为每个燃烧器组设置不同的燃烧比。同时，这意味着在每次产品更换时，窑炉会根据每个配方中设定的空气/气体比率自动进行调整，从而提高其燃烧性能。

数字窑炉中的空气燃料比

目前，Sacmi的第一条使用50%氢气的混合燃料窑炉已进入组装阶段，另两条将于8月份交付。该窑配备了新型超高速燃烧器（最大功率时为200米/秒）。该燃烧器非常灵活，无论是使用100%天然气还是含有高达50%氢气的混合燃料，都能够以相同的效率运行。

在氢能应用不断进步的背景下，必须要有一个能够适应燃料比例变化的系统，在实际应用中，这意味着必须设置不同的燃烧比，唯一能够精确实现这一点的窑型是数字窑。

混合燃料中氢气占比和排放物中各成分占比之间的函数关系

氢能窑炉的使用不仅对窑炉本身提出了要求，而且对管道、部件和储存等相关方面也有影响。

我们可以以意大利陶瓷主产区萨索洛区的数据为例，看一下完成向能源转型所面临的挑战。平均每天生产10000平方米瓷砖的窑炉消耗约500 Nm³/h的天然气。使用50%氢气意味着拥有385 Nm³/h天然气和385 Nm³/h氢气的混合物。因此，当使用50%的混合气时，整个地区每天需要约250吨氢气，如果所有窑都转换为100%氢气，这一数字将上升到每天1000吨以上。此外，这只考虑到窑炉，而向氢气的过渡还涉及干燥器的用能。

虽然这些技术现在已经可用，但在陶瓷区脱碳的过程中，还有其他一些关键问题需要解决，包括目前缺乏工业规模的水力发电供应，以及需要从可再生能源中获取氢气，而可再生能源本质上是不连续的。如果没有足够的激励措施，对于有多条窑炉的公司来说，靠自己来生产氢气不现实的。因此，关键问题仍然是在陶企高度集中的地区，为各个工厂提供氢气的基础设施。