Heliogen:聚光太阳能用于熟料烧成还有多远?

除了CEMEX和Synhelion在合作将聚光太阳能(CSP,Concentrating Solar Power)技术创新应用于熟料烧成以降低熟料烧成工艺过程的碳排放外(CEMEX Cement:将利用太阳能煅烧熟料),由全球首富比尔·盖茨注资的第二家基于聚光太阳能技术的初创公司Heliogen正式成立并专注CSP技术的应用开发。

Synhelion Sun-to-Liquid Technology的NSP窑线装置示意图

Heliogen在11月20日宣布,其开发的HelioHeat技术,被纳入《时代》2020年最佳发明奖之列,被认为是2020年度最重要的可持续性技术创新之一。Heliogen项目还是近期美国能源部资助的67个太阳能技术研发项目之一

目前商业化规模的聚光太阳能技术(CSP)能达到的最高温度约为565℃,一般多用于发电或中高温热利用。Heliogen公司表示可将这一温度提升至1000℃以上,在此温度下,该技术可用以替代包括水泥、钢铁和石化产品生产等关键工业流程中化石燃料的使用,并能有效减少碳排放量。

该技术原理被称为HelioMax,其利用人工智能技术、闭环控制系统与计算机视觉软件等来提高定日镜系统的精度,并高度聚拢反射光线,从而实现高温。

该技术还计划实现高达1500℃的超高温,当该目标实现时,该技术能将氢分子从水中分离出来,用于大规模生产氢气,转化为飞机、卡车等交通工具的燃料。
Heliogen创始人Bill Gross表示公司的长远目标就是成为一家绿色氢能源公司。

Heliogen的Heliomax™ 技术目前正在莫哈韦沙漠(Mojave Desert)进行试验,使用400个巨型镜产生1800℃的高温。Heliomax™ 技术使镜子最终将300KW的功率聚焦到一块黑色碳化硅小板上。

Heliogen技术应用的最大限制是绝大部分的水泥工厂没有足够的土地和空间来建造Heliomax™ 系统。


实际上,太阳能在水泥行业的研究并不新鲜,但截至目前为止也未见到可接受的商业应用案例。
2007年,Holcim与Paul Scherrer 研究所、苏黎世理工(ETH)共同发起了发起了一个研究项目。该项目对低品位碳质原料进行高温太阳能热改质,生产出高质量的合成气,用于替代窑炉中的化石燃料。
欧盟Horizon 2020(地平线2020)资金支持的SOLPART项目也在开展类似研究。该项目旨在为能源密集型非金属矿产行业,如水泥、石灰等,开发中等规模的中高温(950°C)、全天候聚光太阳能(CSP)试验装置与工艺,以实现工业生产中颗粒原料(典型的如碳酸钙)的煅烧分解。
法国Odeillo的PROMES测试站点正在使用50kW的太阳能反应堆测试流化床系统。

该项目目前最大的挑战是开发一个反应堆系统,要求不仅能处理石灰和水泥生料颗粒,还能为石膏、和磷酸盐等非金属矿物提供能源。

这一项目也同时在德国科隆的劳姆法赫特实验室(DLR,Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt of Solar Research in Cologne, Germany)的实验装置上开展研究,主要考量长期运转的可行性,并同时在回转式反应器和流化床反应器开展验证。

众所周知,化工反应过程的放大,对于任何行业或产品从样品变为产品,从实验室走向工业生产都是至关重要的。从实验室公斤级的碳酸钙分解,放大到千吨甚至上万吨级别的石灰石处置量,这将会是一个非常大的挑战。目前DLR实验室验证基本乐观,太阳能热源用于回转窑煅烧是稳定的,最终SOLPART项目的目的是在西班牙的一条水泥窑上开展工业试验。

然而,1000℃的高温还不足以支撑完成一个完整的NSP水泥熟料烧成工艺流程。熟料生产在烧成阶段需要高达1450°C左右的高温才能形成熟料主要矿物C3S。SOLPART项目仅测试了适合其可达到的温度范围的熟料生产的石灰石分解阶段(NSP窑的分解炉热量提供)。除非Heliogen的创新技术能够确保将温度升至1450°C,否则它也只能在石灰石分解(分解炉)阶段减少熟料烧成所需的部分化石燃料,如煤炭,的使用。
如果Helopgen或SOLPART可设法在工业规模上做到这一点,并且实现成本效益,那么收益将是可观的,其对于减少全球温室气体排放或也能作出巨大贡献。根据国际能源署的数据,仅水泥生产过程排出的CO2量就占到全球CO2总排放量的7%。
而除了减少水泥生产中化石燃料的使用所产生的CO2排放外,该技术还将减少NOX和SO2的排放,使窑烧成更稳定(避免了煤炭燃烧产生的灰分沉降及成分波动对窑烧成工艺过程的影响)。

总结:从目前多家研究结构的研究和试验来看,太阳能用于熟料煅烧的概念虽然很美好,但是已经证明很难扩大规模,建造并实现一个完全依靠太阳能的水泥生产线是更不可能的。但是,不排除,该工艺技术在水泥工艺生产过程中的其它用途。
大胆的假设一:将CSP技术与我国NSP窑目前普遍配备的余热发电装置配合,对入锅炉废气温度进行二次预热,提高余热发电装置的发电效率和发电量。
大胆的假设二:利用CSP技术对入炉三次风进行二次预热(很多工厂由于篦冷机冷却效率低等问题导致三次风长期偏低,直接导致炉煤用量偏高),这样可以有效提高入炉三次风温度,并降低尾煤用量。
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