夏維東 , 施 凱 王 城 王昊敏 , 陳仙輝 ,

* (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系,合肥 230026)

? (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碳中和研究院,合肥 230026)

** (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,合肥 230026)

?? (安徽省發(fā)展改革委員會,合肥 230001)

引言

電力、冶金、建材、化工等重工業(yè)二氧化碳排放(以下簡稱“碳排放”)是中國的碳排放主要來源.工業(yè)排放主要來源為化石燃料燃燒、工業(yè)還原反應(yīng)和碳酸鹽的分解[1].圖1 為2019 年中國主要工業(yè)碳排放及煤炭使用量的統(tǒng)計[1];其中,火電、鋼鐵冶金、水泥和煤化工4 個行業(yè)碳排放為77.6 億噸,占中國碳排放總量約72%;4 個行業(yè)碳排放占比分別約為42%,14%,12%和4%.火電電力行業(yè)的碳排放以燃煤產(chǎn)生為主,煤炭消耗占比最大,約為54%[2];其次鋼鐵、水泥和煤化工煤炭消耗分別約為17%,6%和9%[3];鋼鐵行業(yè)的燃燒供熱和還原反應(yīng)的碳排放比例相當(dāng)[4-8];而水泥行業(yè)碳排放約60%來自碳酸鹽(主要為石灰石)的分解[3,9-11];煤化工的碳排放主要為消耗煤炭制氫所產(chǎn)生,少部分為煤炭燃燒產(chǎn)生[12-13].中國實現(xiàn)“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)主要任務(wù)需要解決上述4 個行業(yè)的碳排放問題.

圖1 中國工業(yè)二氧化碳排放及煤炭使用量統(tǒng)計 (2019) (注: 煤化工數(shù)據(jù)未包括焦炭和電石行業(yè))Fig.1 China's coal used in industries and CO2 emissions (2019)(note: coal chemical industry data does not include coke and calcium carbide industries)

實現(xiàn)“雙碳”的基本技術(shù)路線是: (1) 節(jié)約能源;(2)減少化石燃料和原料的使用,包括低碳/零碳能源替代、低碳/零碳新工藝、材料替代等;(3)CO2捕獲儲存和轉(zhuǎn)化利用.由于具有較好的經(jīng)濟(jì)性,“節(jié)約能源”已經(jīng)開始廣泛實施,但并不能最終實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo);CO2捕獲儲存和轉(zhuǎn)化利用由于高昂的技術(shù)成本和基礎(chǔ)建設(shè)投資,缺乏明顯經(jīng)濟(jì)效益;而技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性較為均衡的化石燃料替代和CO2轉(zhuǎn)化利用成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最有潛力的路線[14-17].

實現(xiàn)碳中和必須從中國實際情況出發(fā),基于我國的能源、土地、礦產(chǎn)等自然資源基礎(chǔ)和分布條件[18],立足于我國的工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀.我國的資源稟賦是缺油、少氣、多煤.同時我國大力發(fā)展可再生能源,其規(guī)模穩(wěn)居世界第一.火電、鋼鐵、水泥和煤化工的產(chǎn)能和產(chǎn)值在全球占比均超過50%,工業(yè)資產(chǎn)量十分巨大.但是我國能源工業(yè)體系仍面臨著可再生能源電力消納和儲存、大規(guī)模工業(yè)加熱仍以煤炭燃燒為主、CO2高效轉(zhuǎn)化利用等問題.探索經(jīng)濟(jì)與技術(shù)可行的中國工業(yè)碳中和技術(shù)路線[19-20],綠電驅(qū)動的等離子體能在替代化石燃料加熱和CO2轉(zhuǎn)化過程可以發(fā)揮重大作用.

1 等離子體能

1.1 等離子體能簡介

等離子體按溫度可分為高溫等離子體和低溫等離子體,低溫等離子體又可分為冷等離子體和熱等離子體.高溫等離子體電子和重粒子溫度均在106K以上,主要用于產(chǎn)生核聚變釋放核能,而高溫等離子體自身所含的能量難以直接用于工業(yè)加熱使用;低溫冷等離子體的重粒子溫度為常溫范圍,雖然電子溫度可能在104K 以上,但等離子體能量密度很低,與常壓常溫氣體相當(dāng),并不能作為大規(guī)模的工業(yè)能源,主要用于增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的表面加工處理(刻蝕、鍍膜、摻雜、清洗、生物醫(yī)學(xué)和納米材料生長與處理)、氣體處理(產(chǎn)生臭氧、有害氣體處理)和冷光源等,也可用于材料的宏觀制備(金剛石生長等);熱等離子體溫度在5000 K 以上,具有高溫、高焓(高能量密度)和高功率密度等特點.熱等離子體是在外場(電磁場)的激勵下,形成電子、離子和激發(fā)態(tài)粒子以及活性自由基等粒子集群,是一種高品位的光能、熱能和化學(xué)能載體,即等離子體能.

最簡單產(chǎn)生熱等離子體方式是電弧放電,可在氧化/還原/惰性氣體或液體中產(chǎn)生,壓力在0.1～100 atm 之間,溫度在5000～ 50000 K 之間,焓值可大于1 GJ/kmol、功率密度可大于10 GW/m3,流速高可達(dá)到10 km/s.等離子體作為加熱源,其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于燃燒,用于高溫加熱和熱化學(xué)反應(yīng),具有加熱效率高、反應(yīng)速度快(氣相反應(yīng)時間約 1 ms、氣固相反應(yīng)時間約10 ms)、反應(yīng)器體積小的特點,還可促進(jìn)熱力學(xué)或動力學(xué)不利的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生.

1.2 工業(yè)電加熱方法比較

采用電能代替化石燃料燃燒用于工業(yè)加熱的主要方法有電阻加熱、感應(yīng)加熱、電子束加熱、微波加熱、激光加熱和等離子體加熱等.

(1)電阻加熱: 直接電阻加熱優(yōu)點是簡單、可靠,功率密度大、熱效率高、設(shè)備成本低,是最理想的工業(yè)電加熱方法.但直接電阻加熱要求被加熱對象必須具有導(dǎo)電性,因而不能用于氣體加熱.通過熱傳導(dǎo)、輻射等方式間接電阻加熱,則加熱溫度受到熱源溫度限制,功率密度低、熱效率低,難以滿足工業(yè)應(yīng)用需求.

(2)感應(yīng)加熱: 利用電磁感應(yīng)加熱物體,感應(yīng)頻率從工頻到數(shù)百千赫茲,要求被加熱對象具有良好的導(dǎo)電性,適用于金屬加熱和熔煉等工藝.與直接電阻加熱比,優(yōu)點是不會產(chǎn)生電極污染問題,但加熱效率和功率密度低于電阻加熱,設(shè)備成本高于電阻加熱[21].

(3)微波加熱: 利用微波電磁波進(jìn)行加熱,加熱對象為非導(dǎo)電性固體或液體,優(yōu)點是微波源可以遠(yuǎn)離被加熱對象,缺點是: 電-微波的能量轉(zhuǎn)化效率低、設(shè)備成本高、微波泄漏對人體安全有影響[22].

(4)電子束加熱: 優(yōu)點是加熱速度快,能量密度高,適用于材料表面改性和熔融等工藝;缺點是設(shè)備成本高,操作復(fù)雜,難以大規(guī)模使用.

(5)激光加熱: 激光加熱是利用激光束將能量聚焦在物體表面或內(nèi)部(透明)的加熱方法.與電子束加熱類似,加熱速度快、能量高度集中,缺點是能量轉(zhuǎn)化效率低、設(shè)備成本高、操作復(fù)雜,難以大規(guī)模使用.

(6)電弧等離子體加熱: 利用電弧放電產(chǎn)生高溫,通過傳質(zhì)傳熱、輻射和直接加熱方式,可加熱氣體、液體和固體,能夠提供寬廣的加溫范圍,電-等離子體能轉(zhuǎn)化效率高,功率密度高(可大規(guī)模),由于電力電子設(shè)備的發(fā)展設(shè)備使等離子體加熱設(shè)備成本大大降低[23-24].

需要注意的是,每種加熱方法都有其適用的特定場景和限制條件.選擇合適的加熱方法需要考慮加熱對象的性質(zhì)、加熱速度要求、能源效率、設(shè)備成本和安全等因素.相對于其他使用電能加熱技術(shù),等離子體能具備較全面的優(yōu)勢,將成為大規(guī)模工業(yè)加熱的主要手段.

1.3 (熱)等離子體能工業(yè)應(yīng)用發(fā)展歷史

熱等離子體廣泛用于金屬焊接、切割、耐高溫材料噴涂等加工行業(yè)[25].

熱等離子體作為能源最早的應(yīng)用是氣體放電的電光源,等離子體能作為電能轉(zhuǎn)化為光能的媒介.1804 年英國的H.Davy 發(fā)明了碳弧燈,1870 年才進(jìn)入實用階段,是人類用于實際照明的第一支氣體放電的等離子體光源(電光源).至今已發(fā)展了多種從低壓到高壓的各種電弧光源: 低氣壓氣體放電燈包括熒光燈、低壓鈉燈等,高氣壓氣體放電燈包括高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、超高壓汞燈等高壓氣體放電燈、以及碳弧燈和氙燈等.除了作為照明使用,也發(fā)展了多種紫外、紅外、激光等特殊光源.

等離子體能作為熱能和化學(xué)能載體大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用可追溯到1878 年W.Siemens 利用電極與被加熱物體之間直接電弧放電,開發(fā)了用于熔煉大塊金屬的電弧爐[26];19 世紀(jì)末,法國P.L.T.Héroult 發(fā)展了電弧爐直接冶煉鋼鐵[4].1897 年,H.Moissan 發(fā)表關(guān)于熱等離子體應(yīng)用于冶金和高溫化學(xué)方面的經(jīng)典實驗,Moissan 試圖在類似于西門子水平電極爐的“獨立”或非轉(zhuǎn)移弧爐中制備人造金剛石;他的工作包括研究無定形碳、石墨以及金剛石,還制備金屬和碳化鉻、碳化錳、碳化銅、碳化鎢、碳化鈾、碳化釩、碳化鈦、碳化硅、碳化鋯、碳化鋁,特別是碳化鈣.他于1886 年首先分離制的氟,并于1906 年榮獲諾貝爾化學(xué)獎.1905 年5 月在挪威Notodden 建廠“用電強(qiáng)化火焰”,從空氣和石灰石制取氮化鈣[27].電弧爐的出現(xiàn),開發(fā)了電能替代煤的歷史.電弧爐現(xiàn)今廣泛用于電石生產(chǎn)、金屬硅冶煉、鋼鐵冶煉、鐵合金精煉、高鈦渣熔煉、電焊渣劑熔煉和氧化鋁/氧化鎂/鋁鈣水泥等高溫耐火材料熔煉等.由于高溫加熱的高效率和可廣泛適應(yīng)反應(yīng)環(huán)境氣體性質(zhì),電弧爐在上述應(yīng)用比化石燃料具有更好的性價比.電弧爐也是當(dāng)今等離子體能最主要的應(yīng)用.

1862 年法國化學(xué)家Berthelot 采用電弧加熱甲烷制乙炔[28],是早期等離子體能用于工業(yè)氣體加熱的應(yīng)用,直到1938 年在德國Hüls 開始大規(guī)模生產(chǎn)(150 MW)[27].Hüls 這項工作確立了管狀電極氣體加熱器等離子體炬的基本原理.早期的工業(yè)應(yīng)用還有磁吹交流電弧固氮(1905,250 MW,K.Birkeland,挪威)[27,29]、長直流電弧固氮(Sch?nherr,約1905 年,1000 kW)[27].

20 世紀(jì)50 年代末期,由于空間技術(shù)的發(fā)展(主要是高溫環(huán)境模擬設(shè)備的需要和高比沖空間推進(jìn)器的研究),電弧加熱氣體技術(shù)的水平有很大提高[25];同時由于液氧工業(yè)副產(chǎn)品氮、氬的大量供應(yīng)的刺激,也促進(jìn)了電弧氣體加熱器技術(shù)在各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用.到20 世紀(jì)80 年代,研究達(dá)到高潮.文獻(xiàn)[27]闡述了等離子體工業(yè)研究和應(yīng)用的發(fā)展,這些研究和應(yīng)用包括了鋼包/中間包加熱、冶煉鐵合金、煉鐵高爐用等離子體加熱噴吹煤粉、鈦白粉生產(chǎn)、熱解鋯英砂、粉塵處理和貴金屬回收、微納米材料的生產(chǎn)、裂解煤粉制乙炔、生產(chǎn)合成氣、裂解碳?xì)浠衔镏埔胰?氰化氫/氫氣/炭黑,等等.

然而,等離子體能用于氣體加熱不如電弧爐直接熔融成功,主要原因是經(jīng)濟(jì)性問題.由化石燃料燃燒轉(zhuǎn)化的熱能比電能轉(zhuǎn)化為等離子體能用于供熱成本更低.而等離子體能幾乎能夠滿足燃燒加熱要求的場合,且提供更高的?.除了經(jīng)濟(jì)性因素之外,等離子體氣體加熱廣泛涉及傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程,仍存在能量集中、加熱體積小以及能量利用效率低等問題.自20 世紀(jì)90 年代后,等離子體作為氣體加熱的工業(yè)研究和應(yīng)用有所減緩和停滯,甚至有些已工業(yè)化的也沒有持續(xù)(如Hüls 公司的裂解天然氣制乙炔).少量的應(yīng)用多采用已有可行的技術(shù)以及采用適應(yīng)氣體反應(yīng),如用于空間飛行器模擬研究中高超聲速產(chǎn)生或材料耐熱、用于材料還原和熔煉反應(yīng)而發(fā)展起來的氣體加熱器,這些應(yīng)用中幾乎沒能達(dá)到商品化程度.空氣等離子體加熱代替燃油用于燃煤電站鍋爐煤粉點火和穩(wěn)燃,由于有較好經(jīng)濟(jì)性,在中國已獲得廣泛的應(yīng)用: 據(jù)安徽省新能電氣有限公司提供不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù),每臺火電機(jī)組安裝4～ 16 支等離子體炬,等離子體炬功率100～ 300 kW,已安裝了約1200 臺,占中國火電機(jī)組總數(shù)約40%.

人類能源利用經(jīng)歷了“柴草與火”、“煤炭與蒸汽機(jī)”、“石油與內(nèi)燃機(jī)”三大轉(zhuǎn)變.如今,第4 個階段-“新能源與可持續(xù)發(fā)展”也正在發(fā)生與演變.由綠電驅(qū)動產(chǎn)生的等離子體能是清潔、高效的二次能源.但在傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)中,等離子體能作為工業(yè)熱源比直接燃燒產(chǎn)生的熱能成本高出數(shù)倍.因此,除了在少數(shù)高溫加熱領(lǐng)域,如晶體生長、高溫熔煉(金屬硅冶煉、電石生產(chǎn)和廢鋼熔化冶煉等)、耐高溫粉末材料生產(chǎn)等行業(yè),等離子體能作為工業(yè)熱源應(yīng)用寥寥無幾.隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源的規(guī)模擴(kuò)大和發(fā)電成本的不斷降低,預(yù)計不遠(yuǎn)的將來,電—等離子體能(熱能)將與電—動能(電動機(jī))、電—化學(xué)能(電解水制氫)并駕齊驅(qū),成為電能轉(zhuǎn)化利用的三駕馬車之一.

2 中國重工業(yè)“雙碳”技術(shù)路線的思考

實現(xiàn)中國工業(yè)碳中和,首先必須考慮到資源稟賦、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展等問題.中國的煤電、鋼鐵、水泥和煤化工均超過世界產(chǎn)量的50%以上,即使考慮需求下降和淘汰部分落后產(chǎn)能,其仍然不可能完全被替代.對已有的火電進(jìn)行碳捕集儲存和轉(zhuǎn)化利用沒有經(jīng)濟(jì)性,火電作為調(diào)峰發(fā)電大有可為;對于已經(jīng)發(fā)展成熟、高效率的工藝、且為支柱產(chǎn)業(yè)的鋼鐵冶金、水泥、煤化工等,低碳流程再造可以使原有資產(chǎn)設(shè)備充分發(fā)揮作用,是最有經(jīng)濟(jì)性的方法.

對于電力、冶金、建材和煤化工四大重工業(yè)實現(xiàn)碳中和的技術(shù)路線和需要解決的問題分別加以討論.

2.1 電力

電力的碳排放主要來自火電燃煤.根據(jù)中電聯(lián)規(guī)劃發(fā)展部《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021》[8],截至2020 年底,全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量約22 億kW,其中,煤電10.8 億kW,占比約49.1%;全國全口徑發(fā)電量為76.3 億MW·h,煤電46.3 億kW·h,占比約60.7%.中國對能源的需求未來將會進(jìn)一步增加,特別是,工業(yè)電氣化將刺激電能需求的激增.必須大量發(fā)展核電或可再生能源電力等綠色電力,以實現(xiàn)電力行業(yè)碳減排[30].

由于核電的安全問題和高建設(shè)成本,核電價格大大高于火電;可再生能源電力中: 水電具有很好的經(jīng)濟(jì)性,但資源有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足能源消費的需求;其他的如生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、波浪能發(fā)電等等也都由于資源、規(guī)模等條件限制,或成本高、或規(guī)模不夠;可再生能源電力中,光伏和風(fēng)電有巨大的資源條件和極好經(jīng)濟(jì)性,尤其是光伏,除了廣泛的分布資源條件,我國西部和北部幅員遼闊的土地和高光照提供了巨大的低成本光伏資源,目前的成本電價已經(jīng)遠(yuǎn)低于煤電的電價,并且其上網(wǎng)電價(電能當(dāng)量價格)已經(jīng)與天然氣(能量當(dāng)量價格)價格相當(dāng)[18,31];隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大,未來還有進(jìn)一步降低電價的空間.

然而光伏、風(fēng)電等可再生能源電力最大的問題在于發(fā)電的間歇性和不確定性;電能難以直接大規(guī)模儲存,發(fā)電與用電的功率必須等量匹配;而冶金、建材、化工等重工業(yè)基本上都需要連續(xù)性生產(chǎn);直接或間接儲存電能存在資源不足(抽水蓄能、電化學(xué)儲能)或轉(zhuǎn)化效率不高的問題.發(fā)電-負(fù)荷的功率平衡和電能儲存是光伏、風(fēng)電等可再生能源電力發(fā)展的瓶頸.

2.2 冶金

2020 年中國冶金工業(yè)CO2排放為24.5 億噸,其中有色冶金約7 億噸[32].有色冶金中鋁行業(yè)碳排放為5.60 億噸,在有色金屬行業(yè)中占比80.1%,主要來自鋁冶煉(含電解鋁、氧化鋁、再生鋁)行業(yè)的碳排放,為5.28 億噸.其中電解鋁的直接碳排放只占約10%,其余碳排放大部分來自火電間接碳排放.

冶金行業(yè)的直接碳排放大部分來自鋼鐵冶金行業(yè).2020 年中國生產(chǎn)粗鋼10.65 億噸,占世界粗鋼產(chǎn)量56.5%[33];CO2排放約17.5 億噸;其中高爐-轉(zhuǎn)爐工藝產(chǎn)鋼量約占鋼總產(chǎn)量的 88.4%[34],是我國鋼鐵行業(yè)碳排放的主要來源.

代替高爐煉鐵技術(shù)路線中,直接氫還原受到了廣泛的青睞.瑞典、德國、奧地利等國已有氫能煉鋼項目投產(chǎn),國內(nèi)的寶武、河鋼、酒鋼等鋼鐵企業(yè)也開始了氫能煉鋼探索試點,代表地區(qū)為西南地區(qū)(四川、云南、重慶和貴州),其擁有豐富的綠色電力和水資源,可能低成本生產(chǎn)綠氫;此外,鋼鐵行業(yè)也在持續(xù)推動超低碳排放煉鋼工藝(ULCOS)技術(shù)的發(fā)展,包括生物質(zhì)煉鋼、新型直接還原工藝(ULCORED)、新型熔融還原工藝(HISarna)和電解鐵礦石工藝(ULCOWIN/ULCOLYSIS).這些探索距離工業(yè)化還有一定距離[35-37].

由于我國鋼廠絕大部分資產(chǎn)是基于高爐-轉(zhuǎn)爐工藝,如果不能延續(xù),對我國資產(chǎn)保值帶來壓力;并且現(xiàn)有高爐技術(shù)成熟、規(guī)模大、熱效率高、可以使用貧礦原料.因此減少和消除高爐碳排放,對促進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義.

2.3 建材

根據(jù)中國建筑材料工業(yè)碳排放報告[38],2020 年中國建筑材料工業(yè)碳排放14.8 億噸,其中水泥工業(yè)碳排放12.3 億噸,占比約為83%.2020 年我國水泥產(chǎn)量23.77 億噸,約占到全球的55%[39].

水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)過程大多需要高溫加熱.有些對功率密度要求不高的加熱可以通過電阻加熱法間接加熱,實現(xiàn)近零碳排放,如陶瓷燒結(jié)、熔融玻璃保溫過程、耐火材料燒成等.玻璃熔融溫度高、需要的功率密度大,現(xiàn)有工藝大多數(shù)采用天然氣或煤氣燃燒加熱,采用綠電的等離子體能可以替代化石燃料加熱,不僅比氣體加熱效率更高且速度快,實現(xiàn)近零碳排放.而高溫耐火材料,如電熔剛玉、電熔鎂砂、電熔鎂鉻砂、電熔莫來石、電熔鋯剛玉等),都是采用等離子體加熱.

水泥生產(chǎn)的主要碳排放來自石灰石分解和燃煤產(chǎn)生碳排放,并且由于水泥生產(chǎn)量大,產(chǎn)生了大量的碳排放.采用新材料替代水泥技術(shù)在探索中,且可以替代的規(guī)模有限,只可能降低少部分碳排放;直接電解CaCO3或CO2還在探索中,距離應(yīng)用還有很長的一段距離;氫燃料替代不僅難以在原有工藝設(shè)備上實現(xiàn),只能部分減碳,且存在能量效率問題,氫氣替代化石燃料直接燃燒成本提高很多;利用可再生能源電加熱替代化石燃料加熱可減少碳排放不到40%;碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2的主要利用途徑是加氫還原、并加氫合成為燃料或材料(乙醇、汽油、烯烴等).

由于我國水泥基本上都是先進(jìn)的干法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn),水泥行業(yè)的關(guān)鍵是基于現(xiàn)有干法回轉(zhuǎn)窯工藝產(chǎn)生的CO2捕獲儲存、利用和燃煤替代.

2.4 煤化工

煤化工是以煤為原料,經(jīng)化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料以及化學(xué)品的過程,主要包括煤的氣化、焦化和干餾、直接液化和電石乙炔化工等.

2019 年,煤化工行業(yè)耗煤量約為9.68 億噸,占全國煤炭消費總量的24.1%,僅次于電力行業(yè);煤化工行業(yè)CO2排放總量為5 億噸左右,占全國能源相關(guān)碳排放的5%,噸產(chǎn)品CO2排放量高達(dá)3～ 11 t[13].

圖2 為2019 年中國煤化工行業(yè)碳排放的分布[40].從圖中可以看出,煤化工中約92%的碳排放來自煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇、煤制烯烴和煤間接液化.煤焦化行業(yè)單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度雖然最低(0.2 t/t (以CO2計)),但由于產(chǎn)量高排放占比第二;相比之下,由于轉(zhuǎn)化水煤氣制氫和工藝過程長,其余原料消耗大,單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度大,碳排放系數(shù)范圍為3.3～ 10.8 t/t (以CO2計),其中煤制烯烴最高.

圖2 2019 年煤化工各子行業(yè) CO2 排放量占比Fig.2 Proportion of CO2 emissions from coal chemical sub industries in 2019

未列入上述統(tǒng)計的煤化工還應(yīng)包括電石乙炔、炭黑等,其中電石生產(chǎn)直接碳排放和使用煤電的間接碳排放分別達(dá)到1.6 (不包括電爐氣)和2.6 t/t.一噸電石產(chǎn)生的碳排放為4.2 t;按照2020 年國內(nèi)電石產(chǎn)量2758 萬噸,對應(yīng)碳排放總量約1.16 億噸[41-42].

顯然,主要依靠電解水制氫,綠電加熱替代燃料可以基本解決煤化工行業(yè)碳排放問題.

2.5 中國重工業(yè)碳中和的技術(shù)路線

電力、冶金、建材和化工等重工業(yè)碳排放主要分別來自火電、鋼鐵、水泥和煤化工等行業(yè).從行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展考慮,最經(jīng)濟(jì)技術(shù)路線是綠電替代火電和基于現(xiàn)有成熟高效的傳統(tǒng)工藝的低碳流程再造.

具體的技術(shù)路線是: 利用可再生能源電力產(chǎn)生等離子體能,等離子體提供工業(yè)加熱熱源和轉(zhuǎn)化CO2為合成氣,合成氣作為合成液體燃料或/和烯烴的化工原料,并儲存提供高效燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)的燃料(電力調(diào)峰),配合電解水制氫提供合成氣補(bǔ)充氫源并承擔(dān)電力負(fù)荷靈活調(diào)節(jié),從而解決工業(yè)碳中和存在的瓶頸問題-用于加熱的化石燃料替代、CO2高效轉(zhuǎn)化利用、間歇性可再生電力的平衡,從而實現(xiàn)中國工業(yè)碳中和.

關(guān)鍵環(huán)節(jié)為大規(guī)模等離子體能的高效產(chǎn)生和利用.

3 基于等離子體能的工業(yè)低碳流程再造

3.1 鋼鐵冶金

(1) 高爐碳排放

高爐噸鐵水碳排放約1.8 t;其中高爐加熱、還原產(chǎn)生碳排放1.35 t,其余為礦料燒結(jié)、碳酸鹽分解和煉焦等.目前,對于高爐的低碳流程再造的多種過渡性技術(shù)或新技術(shù)在試驗之中,例如爐頂煤氣循環(huán)、高爐噴吹氫氣、噴吹焦?fàn)t煤氣或天然氣等.寶武鋼鐵集團(tuán)在開發(fā)的電加熱(等離子體)高爐富氫碳循環(huán)技術(shù)[43],是將高爐爐頂煤氣的CO2分離,分離后的純煤氣用等離子體加熱送入高爐,提供高爐還原劑和反應(yīng)熱能,可以減少碳排放30%～ 50%.

這些技術(shù)路線雖然能顯著降低碳排放強(qiáng)度但不能實現(xiàn)鋼鐵碳中和.但要實現(xiàn)近零碳排放,高爐必須要有CO2的捕捉和利用.

(2) 基于等離子體能的高爐煉鐵的零碳排放流程

現(xiàn)有高爐煉鐵是將燒結(jié)礦料和焦炭分層堆放在高爐中;在爐腹底部吹入高溫空氣(1200 °C),爐內(nèi)主要反應(yīng)為: 高溫空氣與焦炭燃燒產(chǎn)生CO2(供熱),CO2與焦炭反應(yīng)再生成CO,CO 與焦炭還原鐵礦石產(chǎn)生鐵水,產(chǎn)生的氣體由高爐爐頂排出,高爐煤氣含有CO2,CO 和大量N2.為了減少焦炭耗量以提高經(jīng)濟(jì)性,在吹入熱空氣的同時吹入煤粉,煤粉在高爐內(nèi)燃燒部分代替焦炭燃燒[44].

近零碳排放的高爐低碳流程再造是以等離子體加熱器加熱CO2和煤粉(或生物質(zhì)),生成高溫煤氣吹入高爐,代替高爐熱風(fēng)和噴吹煤粉.圖3 (虛線框內(nèi))給出基于等離子體能的高爐零碳技術(shù)路線的流程圖[45].

圖3 高爐零碳排放工藝流程(虛線框內(nèi))及其鋼鐵廠能源系統(tǒng)Fig.3 Zero CO2 emission process flow diagram of blast furnace (inside dashed box) and energy system in iron and steel plant

按照高爐現(xiàn)有的工藝條件要求,高爐在最低焦比的情況下,以高溫合成氣(主要為CO 和H2)作為煉鐵補(bǔ)充還原劑和提供煉鐵反應(yīng)所需熱量;無空氣燃燒條件下高爐排出煤氣不含氮氣,排出高爐爐頂?shù)拿簹庵饕煞譃镃O2,CO 和少量的CH4,H2,CO2濃度可達(dá)40%以上;將高爐爐頂煤氣凈化處理和CO2分離;將脫除CO2的高熱值凈煤氣送入煤氣包儲存,用于化學(xué)合成原料和提供燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)燃料,將分離出的CO2送入電弧等離子體加熱器,并加入生物質(zhì)或煤粉,制成高溫(＞ 3000 K)合成氣;高溫合成氣送入高爐,提供補(bǔ)充還原劑和反應(yīng)所需熱能;完成高爐煉鐵無CO2直接排放的冶煉過程.對于鐵礦石原料為Fe2O3,以電-等離子體能轉(zhuǎn)化效率為90%計算,使用無煙煤,等離子體能電耗約2.2 MW·h/tHM(tHM,噸鐵水),煤氣產(chǎn)量700～ 710 N·m3/tHM;采用生物質(zhì)或煙煤做還原劑,因含有大量氫,有利于增強(qiáng)鐵礦石還原過程.

配合原有工藝,進(jìn)入高爐的風(fēng)量需達(dá)到約1000 N·m3/tHM,而循環(huán)CO2約360 N·m3/tHM,由等離子體反應(yīng)器部分CO2轉(zhuǎn)化為CO,進(jìn)入高爐風(fēng)量不足.為提高入爐風(fēng)量,可以提高CO2循環(huán)量.

生物質(zhì)或煤粉在等離子體反應(yīng)器內(nèi)預(yù)先氣化,可以降低焦比50%以上.一方面可以減少焦炭的使用,具有較好的經(jīng)濟(jì)性;另一方面減少了煉焦的污染排放.

在電力供應(yīng)不足時,可采用高爐分離出的煤氣循環(huán)或儲存的煤氣作為還原劑,采用等離子體加熱,以電-等離子體能轉(zhuǎn)化效率為90%計算,等離子體能電耗約為1.2 MW·h/tHM,CO2排放約為0.7 t/tHM;或者電力不足時減少CO2還原、增加煤氣用量,可將CO2儲存,電力富裕時再轉(zhuǎn)化儲存的CO2,提高入爐風(fēng)量;實現(xiàn)高爐煉鐵近零碳排放.等離子體能也可以成為靈活可調(diào)的電力負(fù)荷.

燒結(jié)也可以采用等離子體加熱方法,或者使用高爐引出的高溫?zé)煔饧訜?純氧燃燒)、或者微波加熱,將燒結(jié)爐碳酸鹽分解出的CO2送入等離子體加熱器加熱還原后再送入高爐.

(3) 低碳排放鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)

將脫除CO2的高熱值煤氣用于CCPP 發(fā)電,噸鐵水產(chǎn)生的煤氣可發(fā)電約1.5 MW·h/tHM,其中化學(xué)能中的約30%來自等離子體能.與燃煤發(fā)電最高效率50%相比較,高熱值煤氣用于CCPP 發(fā)電效率可大于60%,效率相對提高了20%;而且比燃煤發(fā)電更適合作為調(diào)峰發(fā)電.

為了提高高爐煤氣的利用價值,實現(xiàn)CO2高效轉(zhuǎn)化利用,配備電解水制氫系統(tǒng).電解水產(chǎn)生的氫氣與合成氣合成液體燃料或/和烯烴;在電力供應(yīng)不足時,使用電解水產(chǎn)生的氧氣燃燒煤氣或煤粉給高爐供能,有利于高爐CO2捕獲.

以合成甲醇計算,將所產(chǎn)煤氣1/2 用于甲醇合成,用于制氫耗電約為2.9 MW·h/tHM(電解水制氫耗電按4.2 kW·h/(N·m3)).電解制氫系統(tǒng)作為高度可調(diào)的電力負(fù)荷,實現(xiàn)VRE 系統(tǒng)的負(fù)荷深度靈活調(diào)節(jié).

本技術(shù)方案各能源單元與可再生能源電力的局域電網(wǎng)構(gòu)成一種新型鋼鐵冶金能源系統(tǒng),如圖3 所示.新型鋼鐵冶金能源系統(tǒng)包括含有可再生能源電力的局域電網(wǎng)、高爐電力負(fù)荷(等離子體能)、煤氣生產(chǎn)和煤氣儲存,以及其他鋼鐵廠內(nèi)電力/燃?xì)?熱負(fù)荷,還可包括電解水制氫、CCPP 發(fā)電、化工合成液體燃料等.鋼鐵能源系統(tǒng)可以大量消納波動性可再生能源電力(VRE),實現(xiàn)深度電力負(fù)荷靈活調(diào)節(jié),解決以可再生能源電力為主的電網(wǎng)負(fù)荷波動和電力儲存的難題.

圖4 為各種運行方式下用電負(fù)荷的變化柱狀圖.電力負(fù)荷可調(diào)范圍為:

圖4 各種運行方式下電力負(fù)荷的變化柱狀圖 (負(fù)荷符號說明: PE,等離子體能;H2,制氫;CO2 還原 PE;CG,煤氣循環(huán)利用 PE;CG+O2,氧燃煤氣;CCPP,燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電)Fig.4 Power load histogram at various operation modes (PE-plasma energy;H2-hydrogen production;CO2-plasma energy used for reduction of CO2;CG-plasma energy used for heating gas cycle;CCPP-combined gas-steam cycle power plant)

i) 采用等離子體能供熱和還原CO2,電力負(fù)荷為2.2 MW·h/tHM;

ii) 在供電能力下降時,不還原CO2,使用爐頂煤氣分離出CO2后的純煤氣或儲存煤氣經(jīng)等離子體加熱送入高爐,可減少CO2排放約50%,等離子體能電耗約為1.2 MW·h/tHM,比還原CO2減少電耗約1 MW·h/tHM;

iii) 電解水制氫: 匹配CO2全還原時煤氣產(chǎn)量的1/2 合成甲醇,制氫電力負(fù)荷2.9 MW·h/tHM,制氫電力負(fù)荷可與全等離子體能負(fù)荷疊加,最大負(fù)荷5.1 MW·h/tHM;

iv) 氧燃煤粉或煤氣供能,電力負(fù)荷為0～0.3 或0～ 0.7;

v) 儲存的噸鐵水產(chǎn)生的煤氣1/2 用于發(fā)電,電力負(fù)荷約0.75 MW·h/tHM;

vi) 電力供應(yīng)不足時可以將CO2儲存,發(fā)電高峰時用于還原生成煤氣.

鋼鐵能源系統(tǒng)可實現(xiàn)以可再生能源電力為主的局域電網(wǎng)的發(fā)電-負(fù)荷的日平衡.

以某鋼廠4000 m3、日產(chǎn)鐵水10000 t 的高爐構(gòu)建一個低碳煉鐵高爐能源系統(tǒng),高爐等離子體能需電力容量約920 MW,滿負(fù)荷運行時,8 h/d 小時生產(chǎn)煤氣2.3 × 106N·m3/d;配套制氫電力容量約1000 MW,10 h/d 小時生產(chǎn)氫氣2.3 × 106N·m3/d,生產(chǎn)氧氣1.15 ×106N·m3/d;所生產(chǎn)的氫氣和8 小時產(chǎn)煤氣的一半用于合成甲醇,生產(chǎn)甲醇約1600 t/d;配套CCPP 機(jī)組600 MW,8 h/d 所生產(chǎn)的煤氣的一半用于滿負(fù)荷調(diào)峰發(fā)電可超過4 h.在非用電高峰時可以用煤氣循環(huán)煉鐵,降低電力負(fù)荷,甚至再使用儲存氧氣燃燒煤粉或煤氣循環(huán),可以實現(xiàn)高爐零電力負(fù)荷運行(不包括輔助系統(tǒng)).

(4) 小結(jié)

基于綠電等離子體能加熱的高爐流程低碳再造的技術(shù)路線,以綠電產(chǎn)生等離子體能代替燃料加熱,減少化石能源利用;實現(xiàn)高爐最低焦比,減少煉焦碳排放和提高高爐經(jīng)濟(jì)效益;以等離子體能提供CO2還原的能量,實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)高爐煉鐵零碳排放;實現(xiàn)高爐煉鐵和煤氣發(fā)生爐完美地結(jié)合,副產(chǎn)大量煤氣;配備電解水制氫實現(xiàn)CO2高值化利用;部分所產(chǎn)煤氣用于CCPP 發(fā)電,提高了燃煤/生物質(zhì)發(fā)電的效率,并可用于發(fā)電調(diào)峰;本方案高爐等離子體能的可調(diào)電力負(fù)荷、電解水制氫的可調(diào)電力負(fù)荷、鋼鐵工業(yè)其他電力和熱負(fù)荷、儲存煤氣并用于CCPP 發(fā)電調(diào)峰,與VRE 電網(wǎng)構(gòu)成鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng),大量消納VRE 電力,在電力負(fù)荷側(cè)實行深度調(diào)節(jié),可實現(xiàn)可再生能源電力的熱利用(等離子體能)、電能儲存(電-化學(xué)能-電)、材料利用(合成甲醇等).

3.2 水泥

(1) 水泥工業(yè)碳排放

水泥生產(chǎn)中,噸水泥熟料CO2排放約為0.88 t.碳酸鹽(主要是石灰石)分解是碳排放的主要過程,約大于57%;其次是燃燒產(chǎn)生的碳排放約30%[46].替代燃料只能減少一小部分碳排放,更為關(guān)鍵的是要解決碳酸鹽分解過程碳排放問題,碳捕集封存或利用是有效的解決方案.

(2) 基于等離子體能的水泥生產(chǎn)近零碳排放流程

現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)將生料的預(yù)熱分解過程與熟料燒成過程分開,生料首先經(jīng)過窯外分解爐完成預(yù)熱升溫和碳酸鹽分解過程,然后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯完成熟料燒成過程.由于燒成過程時間長,回轉(zhuǎn)窯長度數(shù)十米,加熱溫度場要求加熱火焰長,而等離子體加熱功率密度高、能量集中,不適合回轉(zhuǎn)窯加熱[47];分解過程雖然要求溫度不高,但分解反應(yīng)大量吸熱,分解爐與回轉(zhuǎn)窯燃料占比約為2:1,而且還要利用回轉(zhuǎn)窯尾氣,能量相對集中,更適合于等離子體加熱;將CO2還原過程與碳酸鹽分解過程結(jié)合,進(jìn)一步提高吸熱功率,有利于等離子體供熱發(fā)揮作用.

干法回轉(zhuǎn)窯水泥工藝的低碳流程再造是將分解爐燃燒器部分改造成等離子體反應(yīng)器,完成生料的分解與CO2轉(zhuǎn)化,而回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器改為純氧煤氣燃燒器.基于現(xiàn)有水泥生產(chǎn)工藝的低碳流程再造的工藝流程如圖5 (點畫線框內(nèi))所示.

圖5 水泥回轉(zhuǎn)窯零碳排放工藝流程(點劃線框內(nèi))及水泥廠能源系統(tǒng)Fig.5 Zero CO2 emission process flow diagram of cement rotary kiln system (inside dotted line box) and energy system in cement plant

將原分解爐燃燒分解室設(shè)計為等離子體反應(yīng)器.在反應(yīng)器內(nèi)等離子體能分解碳酸鹽;采用生物質(zhì)燃料或煤粉作為還原劑生物質(zhì)還原CO2,生成煤氣,主要成分為CO,H2,CO2;等離子體反應(yīng)器輸出的高溫煤氣(約1000 °C)提供生料預(yù)熱,煤氣在分解爐預(yù)熱器頂部收集;經(jīng)分離CO2和脫水后的煤氣熱值約12 MJ/(N·m3);煤氣進(jìn)入儲存包儲存,可用于化工合成的原料、CCPP 發(fā)電燃料;回轉(zhuǎn)窯使用固體燃料(生物質(zhì)、煤粉等)或從分解爐預(yù)熱器排出的煤氣作為燃料,純氧燃燒,產(chǎn)生的高溫CO2進(jìn)入等離子體反應(yīng)器,余熱利用和被還原.

考慮對高溫熟料冷卻的熱利用,回轉(zhuǎn)窯用循環(huán)煤氣加熱和進(jìn)入分解爐還原的CO2預(yù)熱,碳酸鹽分解和CO2還原全部使用等離子體能,計算等離子體能耗約為1.6 MW·h/tcl(tcl,噸熟料);其中,采用無煙煤作為還原劑,還原CO2所需等離子體能約為0.75 MW·h/tcl.煤氣產(chǎn)量約為 680 N·m3/tcl,使用還原劑約為0.20 tce/tcl.煤氣中約30.5%化學(xué)儲能來自等離子體能.如果使用生物質(zhì)或煙煤作為還原劑,則電耗和煤氣產(chǎn)量相應(yīng)降低.

對于所生產(chǎn)的煤氣利用,配備電解水制氫系統(tǒng),用于合成甲醇或者烯烴.CO2全轉(zhuǎn)化時所產(chǎn)煤氣的一半用于合成甲醇,所需制氫量約670 N·m3/tcl,耗電約2.8 MW·h/tcl(4.2 kW·h/;可合成甲醇約0.46 t/tcl;電解水制氫產(chǎn)生氧量約335 N·m3/tcl,回轉(zhuǎn)窯燃燒需供氧約80 N·m3/tcl.

(3) 低碳生產(chǎn)水泥的能源系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、電耗及產(chǎn)出

與高爐煉鐵能源系統(tǒng)類似,低碳生產(chǎn)水泥的能源系統(tǒng)包括含有可再生能源電力的局域電網(wǎng)、分解爐電力負(fù)荷、煤氣生產(chǎn)與煤氣儲存、回轉(zhuǎn)窯熱力負(fù)荷、電解水制氫和制氧儲存、CCPP 發(fā)電以及其他水泥生產(chǎn)的電力/燃?xì)?熱負(fù)荷.

一例5000 tcl/d 水泥低碳連續(xù)生產(chǎn)的能源系統(tǒng)如圖5 所示.分解爐等離子體反應(yīng)器容量333 MW,產(chǎn)氣量143 kN·m3/h;配套制氫裝置容量580 MW,最大產(chǎn)氫量143 kN·m3/h;配套CCPP 容量300 MW (煤氣產(chǎn)量滿負(fù)荷發(fā)電).其中,幾種典型的運行方式如下.

i) 全電力負(fù)荷運行供能: 等離子體反應(yīng)器和制氫系統(tǒng)全負(fù)荷運行,最高電力負(fù)荷913 MW·h;生產(chǎn)過程無CO2排放;煤氣、氫氣產(chǎn)量分別為143 kN·m3/h.

ii) 等離子體反應(yīng)器全負(fù)荷運行,制氫裝置部分運行,電力負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍333～ 913 MW.

iii) 制氫裝置停止運行,分解爐等離子體反應(yīng)器補(bǔ)充氧燃煤粉,電力負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍0～ 333 MW,CO2的排放0～ 0.84 t/tcl.

iv) 制氫裝置停止運行,分解爐等離子體反應(yīng)器全氧燃煤粉,儲存煤氣CCPP 運行,負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍0～ 300 MW;等離子體反應(yīng)器滿負(fù)荷運行所產(chǎn)煤氣能滿足300 MW CCPP 滿負(fù)荷運行.全氧燃煤粉需氧量約占電解水制氫滿負(fù)荷運行產(chǎn)氧量的1/2;回轉(zhuǎn)窯與分解爐用氧量比值約0.35: 0.65.

以上配置運行方式,按照電力全負(fù)荷運行可以實現(xiàn)近零碳排放;承擔(dān)電力負(fù)荷調(diào)節(jié),平均可以減少碳排放50%以上;產(chǎn)生的煤氣部分用于CCPP 調(diào)峰發(fā)電(代替IGCC—integrated gasification combined cycle,集成煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)),將生物質(zhì)能或燃煤火電的發(fā)電效率提高到60%以上,但CCPP發(fā)電又產(chǎn)生了碳排放.

(4) 小結(jié)

與鋼鐵行業(yè)類似,基于綠產(chǎn)生電等離子體能供熱的水泥干法回轉(zhuǎn)窯工藝低碳流程再造,以綠電等離子體能提供分解爐能量,在分解爐內(nèi)分解碳酸鹽,以生物質(zhì)或煤粉作為還原劑,CO2在分解爐內(nèi)轉(zhuǎn)化還原,配備電解水制氫完成CO2轉(zhuǎn)化利用,可以減少水泥工業(yè)碳排放50%～ 75%.也可以配備CCPP,部分所產(chǎn)煤氣用于調(diào)峰發(fā)電,提高了燃煤/生物質(zhì)發(fā)電的效率;本方案等離子體反應(yīng)器的可調(diào)電力負(fù)荷、電解水制氫的可調(diào)電力負(fù)荷、水泥生產(chǎn)的其他電力負(fù)荷和熱負(fù)荷、儲存煤氣、CCPP 發(fā)電,與VRE 電網(wǎng)構(gòu)成水泥企業(yè)能源系統(tǒng),消納大量VRE 電力,從負(fù)荷側(cè)實現(xiàn)電力負(fù)荷深度調(diào)節(jié),實現(xiàn)可再生能源電力的熱利用(等離子體能)、電能儲存(電-化學(xué)能-電)、CO2的轉(zhuǎn)化料利用(合成甲醇等).

3.3 煤化工

(1) 煤氣化制氫

煤氣化生產(chǎn)化工材料的碳排放大部分由水煤氣轉(zhuǎn)化制氫過程產(chǎn)生[48].

合成氨生產(chǎn)[40](碳排放占比26%)的煤制氫完全可以用電解水制氫代替.

少數(shù)由天然氣、重油和輕油生產(chǎn)氫氣的化工廠可采用等離子體供能轉(zhuǎn)換制氫,可以減少燃料消耗,從而降低碳排放.

能源材料生產(chǎn)的碳排放高占比行業(yè)[40](如甲醇(19)、烯烴(18%)、甲烷(4%)、乙二醇(3%)等)應(yīng)限制發(fā)展,轉(zhuǎn)而采用鋼鐵、水泥行業(yè)低碳流程產(chǎn)生的合成氣和電解水制氫替代,并且還由于以生物質(zhì)作為還原劑而得到鼓勵.水泥和鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的煤氣的1/2～ 2/3 用于合成甲醇,可年產(chǎn)5 億噸以上甲醇、烯烴等,不僅可以滿足現(xiàn)有市場需求,還可以拓展甲醇燃料市場,減少化石燃料消費.

(2) 焦炭、煤焦油應(yīng)用行業(yè)

煤化工中煉焦過程碳排放占比約21%[40](2019).約90%焦炭產(chǎn)量用于冶金.傳統(tǒng)冶金工藝中焦炭具支撐骨架作用,使用等離子體能制合成氣代替焦炭供熱和還原劑作用,預(yù)計可減少焦炭使用量40%～50%.

煉焦得到的3 種產(chǎn)品: 焦炭、煤焦油和焦?fàn)t煤氣,這3 種產(chǎn)品深加工也會產(chǎn)生大量碳排放,通常不列入煤化工行業(yè).其中,利用焦炭生產(chǎn)電石產(chǎn)生的碳排放最多,其次是利用煤焦油生產(chǎn)炭黑.本文將此列入煤化工行業(yè)一同討論.

(3) 電石乙炔

電石用于生產(chǎn)乙炔.乙炔被稱為化工之母,其后續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈有幾十個產(chǎn)品.由于耗能高和受石油路線產(chǎn)品的影響,電石乙炔發(fā)展受到限制.受降解塑料市場需求的影響,全球近幾年產(chǎn)量逐步增加,2022 年達(dá)到1.2 億噸,其中中國產(chǎn)量達(dá)到2850 萬噸左右,與上一年相比有所增長[49].中國電石產(chǎn)量是全球電石產(chǎn)能和產(chǎn)量最高的國家,產(chǎn)能占比達(dá)到50%.從電石行業(yè)自身來看,由于受到市場供需結(jié)構(gòu)和環(huán)保政策等因素的影響,將會造成電石市場消費量的逐步放緩.

電石生產(chǎn)過程中的原料包括焦炭和石灰石,能源包括燃料和電碳.碳排放來自燒石灰(碳酸鹽分解、燃料)、電石爐CaO 還原和消耗電力(自備火電)產(chǎn)生的碳排放.由于電石爐生產(chǎn)的連續(xù)性和可再生能源供電的間歇性,傳統(tǒng)電石路線難以實現(xiàn)碳中和.電石生產(chǎn)不僅產(chǎn)生大量碳排放,還產(chǎn)生大量廢氣、灰塵和電石渣等,大量消耗環(huán)境資源(石灰石).

等離子體氣化煤粉制乙炔提供了一條乙炔生產(chǎn)近零碳排放的路線.工藝流程如圖6 所示.將煤粉和氫氣送入電弧等離子體反應(yīng)器,煤粉在等離子作用下迅速裂解并與氫氣反應(yīng)生成乙炔,時間控制在5 ms 內(nèi),經(jīng)急冷水急冷停止反應(yīng).反應(yīng)氣體包括乙炔、氫氣、甲烷、乙烯和一氧化碳等,經(jīng)吸收分離收獲乙炔.乙炔濃度8%～ 10%;烴類物質(zhì)和部分氫氣返回反應(yīng)器利用.反應(yīng)器內(nèi)的氫與氣相碳的比例大約控制在4:1,反應(yīng)器平均溫度1600～ 2000 K,采用水為急冷介質(zhì),反應(yīng)器乙炔電耗可以達(dá)到10～12 kW·h/kgC2H2,耗煤量2.5 kg/kgC2H2,副產(chǎn)氫氣和煤焦.

圖6 等離子體氣化煤粉制乙炔示意圖Fig.6 Schematic diagram of plasma gasification of pulverized coal to acetylene

等離子體裂解煤粉制乙炔最早起源于1927 年.20世紀(jì)80 年代美國AVOC 公司完成等離子體反應(yīng)器1 MW 工業(yè)可行性試驗[50],采用水做急冷介質(zhì),等離子體裂解煤制乙炔反應(yīng)器能耗達(dá)到10.5 kW·h/kgC2H2.20 世紀(jì)80 年代以來,我國的太原理工大學(xué)、陜西三維集團(tuán)、清華大學(xué)、新疆天業(yè)、中科院等離子體物理研究所、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位相繼開展了等離子體裂解煤粉制乙炔研究和試驗,特別是新疆天業(yè)(2～ 5 MW 反應(yīng)器)和浙江大學(xué)(10 MW 反應(yīng)器)的工業(yè)規(guī)模試驗,反應(yīng)器乙炔電耗12～ 13 kW·h/kgC2H2,已接近于工業(yè)化運行.

與電石乙炔相比,等離子體氣化煤粉制乙炔不用焦炭和石灰,不產(chǎn)生電石渣,節(jié)約用水,CO2減排16 tCO2/tC2H2.最為突出的是反應(yīng)器可以快速啟停;乙炔可以液體吸收大量儲存,滿足后續(xù)工藝生產(chǎn)的連續(xù)性;因此適用于電力負(fù)荷的實施調(diào)整(單個反應(yīng)器功率5～ 10 MW),能大量消納可再生能源電力(VRE),從負(fù)荷側(cè)承擔(dān)電網(wǎng)日調(diào)峰的任務(wù);對于日間或更長時間的電網(wǎng)波動,可以使用可存儲的電石供應(yīng)乙炔.所以等離子體氣化煤粉制乙炔是高比例波動性可再生能源電網(wǎng)的非常理想的負(fù)荷.

等離子體裂解煤粉制乙炔至今還未實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),原因之一是綜合電耗不理想,雖然理想反應(yīng)器乙炔電耗7～ 8 kW·h/kgC2H2,而實際大規(guī)模反應(yīng)器乙炔電耗約12 kW·h/kgC2H2,還存在氣體分離電耗、煤粉制備與烘干、冷卻過程電耗等;另一個未解決的關(guān)鍵問題是反應(yīng)器結(jié)焦: 采用氧化氣氛保護(hù)或清焦影響到反應(yīng)器的能量效率,機(jī)械清焦則影響反應(yīng)器連續(xù)運行.

(4) 炭黑

炭黑生產(chǎn)碳排放主要來自燃料供熱和反應(yīng)過程.由于炭黑工藝對溫度要求不同,油爐炭黑碳排放3～ 6 t/tCB(以CO2計).2020 年中國炭黑產(chǎn)量570 萬噸,產(chǎn)生碳排放2000 多萬噸.

雖然炭黑工業(yè)排放在中國工業(yè)中占比很小,由于等離子體能非常適合于炭黑生產(chǎn),用等離子體能供能且避免使用氧氣,幾乎不產(chǎn)生CO2排放,副產(chǎn)氫氣[51];可以使炭黑收率大大提高,并且焦油與電能的價比高,因此具有良好現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)性.目前美國Monolith 公司等離子體裂解天然氣炭黑項目已進(jìn)入工業(yè)示范運行階段[52],炭黑產(chǎn)品用于橡膠工業(yè),所產(chǎn)氫氣用于合成氨原料;中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與新疆峻新化工股份有限公司合作開展200 kW 等離子體裂解天然氣/焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)軟質(zhì)炭黑已取得成功,炭黑產(chǎn)品各項指標(biāo)達(dá)到N900 系列要求.

4 規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性、工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)

4.1 等離子體能及附加化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模

表1 列出了我國鋼鐵、水泥、乙炔等工業(yè)對等離子體能的需求量、副產(chǎn)煤氣量、配套電解水制氫和CCPP 需求.表中鋼鐵、水泥產(chǎn)量按現(xiàn)有產(chǎn)量2/3 估計,乙炔比現(xiàn)有產(chǎn)量有所增加,“其他”為冶金、建材、化工其他工業(yè)加熱對等離子體能的需求.考慮到電力日負(fù)荷調(diào)整: 等離子體能用電以15 h/d 滿負(fù)荷計,其中生產(chǎn)煤氣用電以12 h/d 滿負(fù)荷計;制氫裝置用電以12 h/d 滿負(fù)荷計.所需等離子體能裝備容量約4.9 × 108kW,等離子體能用電2.34 ×109MW·h/a;生產(chǎn)煤氣約6.45 × 1010N·m3/a,所需還原劑約2.0 × 108tec;所產(chǎn)煤氣3/5 用于合成甲醇,甲醇產(chǎn)量約5.0 × 108t/a (2020 年中國甲醇產(chǎn)量約6.36 × 107t);所需制氫裝備容量6.1 × 108kW,制氫用電2.44 × 109MW·h/a;等離子體能裝備容量和用電與制氫相當(dāng).

表1 工業(yè)等離子體能(PE)規(guī)模需求及副產(chǎn)化工規(guī)模Table 1 industrial plasma energy (PE) scale demand and by-product chemical scale

預(yù)計2050 年我國風(fēng)光發(fā)電裝備容量3.37 ×109kW,發(fā)電8.5 × 109MW·h/a;等離子體能及制氫耗電5.27 × 109MW·h/a,用電量占風(fēng)光發(fā)電量約62%.所產(chǎn)煤氣2/5 用于CCPP 調(diào)峰發(fā)電,發(fā)電量4.9 ×108MW·h/a.等離子體能與氫能將消納未來可再生能源電力超過約60%.

4.2 等離子體能經(jīng)濟(jì)性

等離子體能設(shè)備主要由電源、等離子體發(fā)生器、輔助冷卻設(shè)備和控制系統(tǒng)組成.以等離子體煤粉點火設(shè)備參考,不包括燃燒器的等離子體能設(shè)備(包括輔助電、水、氣、控制等)目前150 kW 電站鍋爐點火裝置市場價格約為30 萬元,平均約￥2000/kW,按照20 年設(shè)備折舊,設(shè)備成本占電能成本(電費按照￥0.3/(kW·h)計)不到1/20.設(shè)備的價格隨著制造量的增加還可進(jìn)一步降低.等離子體能由電能轉(zhuǎn)換,代替燃料燃燒,所以等離子體能的主要成本取決于電能價格.以kW·h 計的等離子體能與各類燃料及價格比較見圖7 所示 (燃料價格: 煤或生物質(zhì),￥1000/tce;焦炭,￥2500/t;天然氣,￥3000/(kN·m3);煤焦油: ￥5000/t).

圖7 等離子體能與化石燃料價格的比較(PF/PE: 燃料價格/等離子體能價格)Fig.7 Comparison of plasma energy with fossil fuel prices (PF/PE: fuel price/plasma energy price)

從圖中可看出,當(dāng)電價為￥0.27/(kW·h)、等離子體電能利用率90%時,等離子體能電價成本￥0.3/(kW·h),遠(yuǎn)低于焦油￥0.501/(kW·h),與天然氣價格￥0.301/(kW·h)、焦炭￥0.306/(kW·h)相當(dāng),遠(yuǎn)高于煤價￥0.122/(kW·h).因此,綠電等離子體能基本上可以替代焦炭、天然氣,代替燃料油有更好的經(jīng)濟(jì)性;目前等離子體能比燃燒煤炭成本要高出1.5～ 2 倍.在計及CO2排放費用為￥300/t (￥0.108/(kW·h)),燃煤成本價格￥0.23/(kW·h)后,等離子體能仍不能與燃煤成本相比.因此只有提高等離子體能利用價值和電能價格;兩者需要寄希望于電網(wǎng)輸電價格的下降和光伏風(fēng)電成本的進(jìn)一步降低.

使用生物質(zhì)和等離子體能(電能利用率0.9)將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O,進(jìn)一步與電解水制氫(4.2 kW·h/(N·m3))合成甲醇,電價￥0.3 y/(kW·h),碳源價格￥1000/tce,則甲醇原料成本約￥2350/tCH3OH,其中電解水制氫占總成本約78.5%.CO2利用約0.7 tCO2/tCH3OH.因此提高電解水制氫能量效率是降低CO2轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵.

4.3 工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

中國能源分布特點是: 大規(guī)模低成本光伏集中于西北和北方,而風(fēng)電相對于集中于沿中國周邊(沿海、北方、西北),大規(guī)模水電集中于西南;人口集中于東部和南部,工業(yè)分布于全國各地(除了西藏、青海),主要位于東南沿海.能源分布決定了國家超大復(fù)雜電網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu).在雙碳背景下,以可再生能源電力替代化石燃料是唯一途徑,冶金、建材、化工等重工業(yè)耗能大戶負(fù)荷和用電量飛躍上升,終究會促成以VRE 為主的更大規(guī)模的電網(wǎng).

流程低碳再造后的鋼鐵冶金、水泥建材、煤化工等工業(yè)不僅是大規(guī)模電力用戶,并可成為深度可調(diào)電力負(fù)荷,且CO2轉(zhuǎn)化利用會產(chǎn)生大量煤氣,依托高爐、水泥旋窯生產(chǎn)的煤氣可以形成新的能源化工產(chǎn)業(yè).鋼鐵、水泥等行業(yè)既是VRE 電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)用戶,又是能源材料的生產(chǎn)者.水泥工業(yè)因運輸距離限制分散在全國各地;鋼鐵工業(yè)相對集中一些,但也分散在全國各省;煤化工則主要集中在北部和西北;生物質(zhì)資源需要充分利用分布的農(nóng)業(yè)廢棄物和分布的荒地生產(chǎn).氣體和/或液體燃料規(guī)模及分布可以組建燃料管網(wǎng),有利于優(yōu)化資源配置,拓寬用戶范圍,降低輸送成本,更重要的是保證工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)運行的穩(wěn)定性.

因此,根據(jù)中國能源資源和重工業(yè)分布的特點,以工廠能源系統(tǒng)為核心,耦合電力生產(chǎn)、電網(wǎng)、重工業(yè)電力用戶、氣體/液體燃料生產(chǎn)、燃料輸送、CCPP發(fā)電各環(huán)節(jié),可以自然形成工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng).圖8 為能源互聯(lián)網(wǎng)的初步構(gòu)想示意圖(圖中未畫出液體燃料管網(wǎng)),其基本物理架構(gòu)是以等離子體能/氫能耦合電網(wǎng)于燃料管網(wǎng).以全國性的大電網(wǎng)為基礎(chǔ),電網(wǎng)供應(yīng)鋼鐵、水泥等工廠的等離子體能設(shè)備和其他電力設(shè)備的電能;以等離子體能與生物質(zhì)能將鋼鐵、水泥等工廠回收的CO2還原為煤氣;建設(shè)煤氣管道網(wǎng)(包括儲存),供應(yīng)合成氣化工(甲醇、烷烴、烯烴等)、CCPP 和其他工業(yè)加熱所需燃?xì)?制氫電力負(fù)荷(能源材料生產(chǎn))位于大規(guī)模VRE 電廠附近和/或煤氣生產(chǎn)中心附近,不設(shè)大規(guī)模氫氣儲存和輸送設(shè)施;可以建設(shè)液體燃料管網(wǎng)輸送甲醇(或烴類燃料).氣體燃料儲能提供日內(nèi)功率平衡調(diào)節(jié),液體燃料提供長期功率平衡調(diào)節(jié).如果煤氣管網(wǎng)能與現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)兼容或聯(lián)絡(luò)、液體燃料(甲醇)管網(wǎng)與現(xiàn)有的汽油管網(wǎng)兼容或聯(lián)絡(luò),會大大降低重新建設(shè)的投資,能快速發(fā)展.

圖8 工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)(未包括液體燃料輸送管網(wǎng))Fig.8 Industrial Energy Internet (excluding liquid fuel pipeline network)

工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)對于我國工業(yè)碳中和具有重大作用,也會大大提高我國能源運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性.在現(xiàn)有不斷增大VRE 電網(wǎng)和燃料管網(wǎng)的基礎(chǔ)上,發(fā)展這種超大規(guī)模工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng),會產(chǎn)生大量新技術(shù)問題,有更多國家層面的系統(tǒng)性的問題需要解決.

5 技術(shù)可行性和關(guān)鍵技術(shù)及科學(xué)問題

利用等離子體能對傳統(tǒng)工藝流程低碳再造,并構(gòu)造工業(yè)能源系統(tǒng)(工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng),圖8),使用現(xiàn)有較為成熟的技術(shù)和工藝,包括煤氣儲存輸送、電解水制氫、CCPP 發(fā)電、甲醇/烷烴/烯烴合成等.關(guān)鍵需要解決大規(guī)模等離子體能的產(chǎn)生及其與現(xiàn)有工藝配合問題;大規(guī)模VRE 電網(wǎng)及工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)則需要國家組織多部門、多行業(yè)、多學(xué)科的共同參與和攻關(guān).

大功率等離子體能產(chǎn)生的最簡單方法是電弧放電.盡管電弧等離子體應(yīng)用和研究已有二百多年的歷史,但針對鋼鐵冶金、水泥、煤化工工藝的低碳流程再造的特點,等離子體能裝備的性能,如壽命、靠性高、電熱轉(zhuǎn)化效率以及加熱均勻性等方面提出了新的和更高的要求,相應(yīng)也需要解決深層次的基礎(chǔ)科學(xué)問題.

(1) 等離子體發(fā)生器的功率

一臺高爐或者水泥窯爐要求等離子體加熱功率數(shù)百MW,單臺功率10 MW 的等離子體發(fā)生器需要幾十及至上百臺.盡管模擬航天器再入大氣層環(huán)境及材料試驗的等離子體氣體加熱器已可以達(dá)到100～1000 MW 級,但是由于其不足1 h 極壽命和不高的能量效率(＜ 60%),沒有工業(yè)化應(yīng)用價值.受限于電極壽命、能量效率、安全電壓運行等因素限制,單臺等離子體發(fā)生器功率宜選擇10 MW 級別.

(2) 使用壽命

等離子體能在鋼鐵、水泥行業(yè)的應(yīng)用是在還原氣氛下進(jìn)行,且可能在高氣壓下運行,等離子體發(fā)生器需要密封,且生產(chǎn)不能中斷,在線更換很困難;對等離子體發(fā)生器的使用壽命(主要是電極)越長越好,例如高爐在10 a 上壽命期間的休風(fēng)率 ＜ 1%.理想的電極壽命是1000 h 上.受安全電壓的限制,等離子體加熱器的安全工作電壓假設(shè)為2.5 kV,考慮電弧波動,則等離子體炬的工作電壓也只能到2 kV,對于10 MW 的雙射流等離子體炬,電極電流5 kA;消耗性石墨電極難滿足工藝要求;這對于傳統(tǒng)的水冷金屬電極壽命是一個極大的挑戰(zhàn),尤其是高氣壓下(高爐)電極損耗更為嚴(yán)重;現(xiàn)有常壓條件下氬氣保護(hù)的陰極壽命是50～ 100 h.科學(xué)上需要研究流動等離子體與固體電極的相互作用機(jī)制,從而理解電極燒蝕和生長機(jī)制,探索提高電極壽命的方法,特別是電極損耗的補(bǔ)償機(jī)制.這是一個非熱力學(xué)平衡、非化學(xué)平衡、非電中性、多尺度、多相(氣相和等離子體、液相、固體和微顆粒)的電磁力學(xué)問題[53].

(3) 可靠性

等離子體發(fā)生器的可靠性主要是電弧運行的穩(wěn)定性.電弧不穩(wěn)定極容易燒損等離子體發(fā)生器.然而穩(wěn)定的電弧不利于等離子體與氣體換熱,將極大地影響電弧等離子體加熱效率和等離子體發(fā)生器的功率提高;為提高功率而提高電流會加劇磁流體力學(xué)的不穩(wěn)定性、并降低電極壽命.大電流、高換熱的電弧等離子體的穩(wěn)定性控制技術(shù)和科學(xué)問題具有極大的挑戰(zhàn)性[54].

(4) 電熱轉(zhuǎn)化效率

作為獨立成裝置的氣體加熱器的等離子體發(fā)生器,由于輻射損耗和被加熱氣體的攜帶能量難以準(zhǔn)確測量,大功率等離子體加熱器電熱轉(zhuǎn)化效率通常用冷卻水帶走的熱量間接得到,即

式中,c為冷卻介質(zhì)比熱;Qi為輸入等離子體發(fā)生器第i路冷卻水流量;ΔTi為第i路冷卻水溫升;P為輸入等離子體發(fā)生器的電功率.

對于等離子體發(fā)生器直接與工藝結(jié)合的反應(yīng)器,反應(yīng)器壁面損耗基本與原有工藝相同,其電熱轉(zhuǎn)化效率也可以用上式計算,但不包括反應(yīng)器壁面損耗.

作為大規(guī)模能源利用,電熱轉(zhuǎn)化效率,即電能利用率,是最重要經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo).基于傳統(tǒng)工藝流程低碳再造,等離子體能加熱的電熱轉(zhuǎn)化效率應(yīng)不能明顯低于90%,這對等離子體加熱器是一個極大的挑戰(zhàn).已知的MW 級工業(yè)電弧氣體加熱器的電熱轉(zhuǎn)化效率為80%～ 85%[4].

電弧等離子體氣體加熱器的熱損失主要是熱輻射和氣體與加熱器壁面的對流換熱.由于等離子體熱輻射功率大(＞ 1 kW/cm3),壁面采用冷卻保護(hù),造成等離子體氣體加熱器不可避免的熱損失;而加熱氣體需要通過氣體與電弧強(qiáng)迫對流換熱,因而難以避免氣體與壁面產(chǎn)生對流熱損失.氫氣等離子體由于氫氣離解溫度低而熱導(dǎo)率高,表現(xiàn)出熱輻射損失比對流散熱低,因此氫等離子體加熱能達(dá)到更高的電熱轉(zhuǎn)化效率.

降低和利用等離子體輻射功率是提高電熱轉(zhuǎn)化效率的有效方法.等離子體輻射功率隨著溫度增大迅速增加,電流越大輻射越強(qiáng);輻射強(qiáng)度還與氣壓正相關(guān),這給高爐應(yīng)用帶來了極大的困難.降低等離子體溫度是最有效的方法;減小電弧電流可以降低輻射損耗,但也同時降低了等離子體發(fā)生器的功率;強(qiáng)制對流換熱有利于降低電弧溫度,然而受電弧穩(wěn)定性控制的限制.研究多種非平衡態(tài)下復(fù)雜組分的強(qiáng)對流耦合輻射與吸收問題具有極大的挑戰(zhàn)[55].

(5) 加熱均勻性

由于電弧等離子體能量集中,不能直接用于有加熱均勻性要求的工藝.加熱均勻性要求典型的應(yīng)用包括等離子體氣化煤粉制乙炔、等離子體裂解焦油生產(chǎn)炭黑及其他粉末材料的生產(chǎn).由于高溫下反應(yīng)速度快,工藝要求反應(yīng)時間短(1～ 10 ms),要實現(xiàn)空間尺度和時間尺度均勻加熱,現(xiàn)有兩條技術(shù)路線:一是產(chǎn)生大尺度均勻電弧等離子體,分散電弧、擴(kuò)散電弧、多電極電弧等,二是物料與等離子體快速混合均勻[56-62].前者需要克服電弧自收縮的特點和解決電弧等離子體收縮不穩(wěn)定性的問題;后者科學(xué)問題復(fù)雜性是多組分、非平衡、高溫度梯度和高速度梯度下的流動混合問題.前者只能用于高溫材料快速加熱,二者都具有極大的挑戰(zhàn).

(6) 等離子體與顆粒相互作用問題[63]

在電弧等離子體能源利用(包括粉末材料生產(chǎn))中,基本上都會涉及到等離子體與顆粒(固體和液滴)相互作用的問題,如煤粉或生物質(zhì)顆粒作為還原劑、制乙炔中的煤粉顆粒等,以及炭黑生產(chǎn)的霧化油滴.由于煤粉或生物質(zhì)顆粒組分的復(fù)雜性,進(jìn)入等離子體過程中和進(jìn)入等離子體后都伴隨著熱解和氣化,等離子體作用多種對顆粒運動的阻力,且這些固體顆粒往往高濃度存在或者為濃相(固相氣相體積比 ＞ 5%),存在著顆粒之間的相互作用,氣化過程和顆粒捕獲電荷使顆粒間產(chǎn)生遠(yuǎn)程相互作用;并且濃相高溫顆粒具有非常強(qiáng)的輻射-吸收過程,影響更大的是顆粒不對稱升溫氣化產(chǎn)生的不定向氣動力.這些都會給應(yīng)用帶來新的問題和開展科學(xué)研究的復(fù)雜性.如顆粒難以進(jìn)入等離子體、在等離子體反應(yīng)器壁面沉積結(jié)疤等,后者嚴(yán)重影響到等離子體反應(yīng)器使用壽命.

(7) 等離子體反應(yīng)器壁面結(jié)疤

作為等離子體能使用的等離子體發(fā)生器,存在還原氣分、碳顆粒、低熔點和揮發(fā)性固體,結(jié)疤可能是最廣泛的問題.由于煤粉或生物質(zhì)的復(fù)雜組分,結(jié)疤的物質(zhì)可能是表面具有熱解產(chǎn)生焦油的煤粉顆粒、熔融煤渣顆粒、液相碳(焦油)沉積、氣相碳沉積、低溫?fù)]發(fā)無機(jī)物(K,Na)沉積等,這些都是復(fù)雜組分的流動等離子體以及復(fù)雜成分的運動顆粒與固體表面作用的結(jié)果.

(8) 與工藝配合

基于傳統(tǒng)工藝流程的低碳再造必須盡可能滿足原有工藝條件,包括與原有設(shè)備的配合等,有些特殊的問題對等離子體產(chǎn)生方式和能量利用方式提出了特殊要求.

i) 高爐: 為了提高高爐生產(chǎn)效率,高爐通常高于常壓運行,爐頂壓力可達(dá)0.3 MPa,料柱阻力和等離子體發(fā)生器動壓,等離子體發(fā)生器內(nèi)壓力可能達(dá)到0.5 MPa.電弧電極在高壓下運行會嚴(yán)重影響到壽命;高氣壓也增強(qiáng)了等離子體的輻射損耗,從而影響到等離子體發(fā)生器的電能利用率;這是兩個關(guān)鍵技術(shù)難題.為了提高煤粉噴吹率和煤粉利用率,降低焦炭使用量,提出了將煤粉(或生物質(zhì))顆粒輸入等離子體發(fā)生器的方案,在等離子體發(fā)生器內(nèi)實現(xiàn)煤粉氣化;煤粉顆粒在等離子體發(fā)生器內(nèi)的行為和理化性質(zhì)的變化,及其對等離子體行為和參數(shù)的影響,是一個需要研究的新課題.此外,工藝要求氣體流量的配合,還原物質(zhì)產(chǎn)生的氫氣對高爐過程(鐵礦石還原、焦炭劣化等)的影響也是需要研究的新課題.

ii) 水泥分解爐: 分解爐燃燒器改成等離子體反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子體,實現(xiàn)石灰石分解,CO2與煤粉(生物質(zhì))的轉(zhuǎn)化.初步計算進(jìn)入反應(yīng)器CO2氣體施加的等離子體能須達(dá)到3 MW·h/(N·m3).現(xiàn)有分解爐工藝要求料出爐溫度不大于900 °C,現(xiàn)有燃燒溫度不大于950 °C.等離子體驅(qū)動的流場溫度場設(shè)計,需滿足生料溫度限制條件、還原劑和CO2轉(zhuǎn)化率要求,對于能量集中的熱等離子體是一個巨大的挑戰(zhàn),也是需要研究的新課題;反應(yīng)器內(nèi)電極結(jié)疤(結(jié)焦)和電極壽命問題是一個技術(shù)[10]難題.另還原環(huán)境對石灰石分解的影響的問題、預(yù)熱器[27]和分解爐密封等科學(xué)技術(shù)問題也需要研究和解決.

經(jīng)過50 多年的努力,如今熱等離子體已在一些基礎(chǔ)問題的研究方面取得重要的進(jìn)展,但離實際的需求仍有差距,等離子體能新的應(yīng)用提出了更深層次更復(fù)雜問題研究的需求.熱等離子體的應(yīng)用研究往往走在有關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究的前面,許多實際問題的解決,包括過程參數(shù)的選擇與優(yōu)化、綜合性能的優(yōu)化等往往依靠反復(fù)試驗和憑借以往積累的經(jīng)驗來實現(xiàn).應(yīng)用中普遍存在的問題是: 電極壽命和運行穩(wěn)定性差不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要;能量利用效率不高導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差;工藝過程的重復(fù)性差,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定;加熱不均勻?qū)е庐a(chǎn)品質(zhì)量差或/和效率低;反應(yīng)器容易結(jié)疤(產(chǎn)品顆粒在反應(yīng)器冷壁上的黏附、沉積引起)導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定等.這些問題是熱等離子體能技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的瓶頸.

6 結(jié)論

基于等離子體能的冶金、建材、化工工藝流程低碳再造,配合電解水制氫和CCPP,構(gòu)建等離子體能-氫能驅(qū)動的鋼鐵、水泥工業(yè)能源系統(tǒng)及至工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng),可實現(xiàn)如下目標(biāo):

(1) 等離子體能與制氫作為深度靈活可調(diào)電力負(fù)荷,可消納60%以上的可再生能源電力,煤氣儲存用于CCPP 調(diào)峰發(fā)電,可解決可再生能源電力波動性問題,為大規(guī)模VRE 電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供良好的條件;

(2) 實現(xiàn)鋼鐵、水泥、煤化工生產(chǎn)的低碳排放,使鋼鐵、水泥、煤化工煥發(fā)出新的生命力,可望對已有巨量工業(yè)資產(chǎn)保值和增值;

(3) CO2高效轉(zhuǎn)化利用與制氫配合可以大量合成低碳(部分碳來自生物質(zhì))液體燃料(年產(chǎn)5 億噸甲醇),解決中國石油不足問題;

(4) 以“等離子體能/氫能耦合的電網(wǎng)-燃料管網(wǎng)”構(gòu)成“電力生產(chǎn)輸送-工業(yè)電力用戶-能源材料生產(chǎn)輸運”工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)對我國能源安全、高效運行具有戰(zhàn)略意義;

(5) 等離子體能(熱能)將與電動力(動能)、氫能(化學(xué)能)并駕齊驅(qū),成為電能轉(zhuǎn)化利用的三駕馬車.等離子體能助力中國工業(yè)碳中和.