氢气作为天然气替代燃料在粘土砖烧制中的中试规模评估

《Results in Engineering》：Pilot-scale assessment of hydrogen as a natural gas substitute in clay brick firing

　　

本研究在中试规模室式窑炉（850–925 °C）中考察了以纯氢气（H2）替代天然气（NG）烧制粘土砖的可行性。研究人员对纯天然气与纯氢气施加相同的烧成制度，评估燃烧参数、烟气组成与材料性能。氢气燃烧下窑炉运行稳定，炉温曲线与天然气相当；但其火焰温度更高且燃烧特性不同，导致燃烧器温度显著升高。正如预期，氢气烧成消除了燃料源CO2排放，提高了烟气中水蒸气浓度，同时NOX生成中度增加。材料表征显示氢气烧成对体积密度与烧成收缩无不利影响。双因素方差分析（two-way ANOVA）表明燃料类型影响低于常规统计显著性水平，仅表现出氢气烧成下抗压强度趋高的倾向。X射线衍射（XRD）揭示氢气烧成样品结晶相含量略高、非晶相分数相应降低，表明改性燃烧气氛下相演变存在细微差异。结果表明在所研究中试条件下氢气烧成技术可行，对材料性能无可见不良影响，支持氢气作为烧结粘土砖制造低碳燃料的潜力。

研究背景方面，烧结粘土砖年产伴随约0.5 Gt全球CO₂排放，占2024年总排放37.8 Gt的显著份额；砖瓦行业市场规模预计由2024年1.74万亿美元增至2034年2.36万亿美元，脱碳压力与增长潜力并存。现有天然气主导的高温热工装备若直接切换氢气，面临火焰温度高、绝热火焰温度高（H₂约2130 °C对比CH₄约1970 °C）、燃烧速度大（280 cm/s对比38 cm/s）、可燃范围宽（4.0–77.0 vol%对比4.4–16.5 vol%）、体积热值低（同热输入需>3倍体积流量）、烟气水蒸气浓度翻倍（约1.83倍）且露点由≈59 °C升至≈73 °C、NO_X中度上升等问题；同时工业隧道窑常处高过量空气比（n≈2–3.5）富氧氛围（排气O₂达12–15 vol%），而纯氢烧砖材料端响应（收缩、密度、强度、物相）此前仅零星报道（如HyBrick、Vogt等对高岭土/伊利石粘土975 °C研究），850–925 °C中试室式炉系统比对稀缺。论文发表于《Results in Engineering》，其意义在于给出同一烧成曲线下燃料替换对燃烧端与产品端的可控对照证据。

关键技术方法上，研究人员采用两组样本：组1为KEMA PVP 5/s实验室真空挤出机成型圆柱样（?33 mm×50 mm），组2为含木锯末实尺Wienerberger Porotherm 10 N+F砖，二者同基粘土；105 °C烘24 h后置于内腔110×40×40 cm室式炉中央，配Kromschr?der BIC65RBZ燃烧器，H₂来自3.5级钢瓶、NG来自管网，Bronkhorst EL-FLOW Select质量流量计控流，变频风机供风，DSC（OPTO22）按kW与过量空气比n调控；烧程起始n=3.5，升温段降致n≈2.0并保持微正压10–15 Pa，目标温850/875/900/925 °C各以纯NG与纯H₂重复（共8炉）； burner空气旋流装K型热电偶，Horiba PG-350连续烟气分析，组1样测烧缩(SH=(1?V_fired/V_init)×100)、阿基米德密度、EN 772-1抗压强度、Rigaku Miniflex II的XRD（Cu-Kα，3–90° 2θ，TOPAS 6 Rietveld定量，非晶半定量），NG组分由Dani Master气相色谱分析（CH₄≈95 vol%）。

研究结果部分，引言指出氢气管网掺混阈值受材质拓扑限制、纯氢烧砖文献缺口大，引出假设：氢燃烧特性改相演变与烧结。材料与方法小节已述设备样本与热工制度。结果与讨论中，先建模型（图4）：H₂代CH₄时LHV/HHV下降、燃料流量非线性增、空气流量微降、H₂O浓度1.83倍、CO₂零。实测925 °C炉温（Temp2/3）两燃料重叠，但burner旋流热电偶显H₂侧显著高——归因火焰温高、燃烧速度大移焰近burner、可燃限宽、轴向风微降；表1列绝热焰温/燃速/可燃限佐证。图5e烧率近同，5f显H₂流量数倍于NG；NO_X峰值32.1 ppm（NG）vs 43.3 ppm（H₂，1.35倍，13.3 kW时），150 min前（T₄≤556 °C）无差；CO单峰示锯末燃尽，NG侧持续至200 min（T₄721 °C或≈10 kW）；H₂侧无燃料CO₂本底，故750 °C附近峰属CaMg(CO₃)₂→CaCO₃+MgO+CO₂碳酸盐分解、850 °C附近峰归生物质残碳氧化，清晰可分。材料端：SH与体积密度燃料间无劣化；双因素ANOVA燃料项不显著（p常规范内），抗压强度仅呈H₂略高趋势；XRD经Rietveld得H₂烧样结晶相稍增、非晶稍减，呼应炉气高H₂O分压促高岭石脱水转亚高岭石（文献34–36）的机理指向，但研究人员未在本中试直接验矿物动力学。

讨论与结论翻译总结：研究人员讨论指出，同一炉温曲线不等于局部传热等价，H₂高焰温/高燃速使burner受热更苛，可借提过量空气（兼增排气O₂，契合砖窑富氧惯例）补偿，为旧burner改造提供路径；H₂O露点抬高至≈73 °C利好余热回收；NO_X增幅中度可控。结论重申：在850–925 °C中试室式炉、同热工曲线、同burner下，纯H₂替NG烧粘土砖技术可行，运行稳、炉温轨迹一致，燃料源CO₂归零，H₂O与NO_X升但材料收缩/密度/强度/物相无不利变异，抗压仅趋强，支持H₂作烧结粘土砖低碳燃料；但工业隧道窑高n、二次风、内循环未全模拟，全行业切换前需放大验证。