獨辟蹊徑，新能源生產石灰技術又添一新家族！
一、編者導語
目前，推動減污降碳協同增效已成為國家意志。黨的十八大以來，包含減污在內的生態文明建設已是國家推進中國特色社會主義事業“五位一體”總體布局中不可或缺的組成部分，今年3月，中央又提出“將碳達峰碳中和納入生態文明建設整體布局”。另外，《大氣污染防治法》已明確要求“對顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物、氨等大氣污染物和溫室氣體實施協同控制”。國務院發布的《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》等文件也都提出了協同控制溫室氣體排放的目標。可以說，推動減污降碳協同增效既是國家意愿，也有國家行動，已通過法律政策、黨的要求等予以明確體現。
“十四五”時期，我國生態環境保護將進入減污降碳協同治理的新階段。未來，在石灰行業中要充分認識減污降碳協同增效的重要地位和作用，將減污降碳協同增效作為推進企業發展全面綠色轉型的總抓手，把實現減污降碳協同增效作為深入打好污染防治攻堅戰的目標要求，加強項目設計，從技術創新和改進提升等方面發力，切實推動環境質量改善、使企業得以健康發展。
二、新能源生產石灰技術的新途徑
從目前國家產業政策看，已經嚴控煤炭的使用，不再審批采用煤炭生產石灰的建設項目，采用煤炭生產石灰的途徑已經被徹底堵死，而且是每年都要逐步降低煤炭的使用量，已經投產的燃煤石灰生產企業也將面臨逐步減量和淘汰。而且，重要的是，從目前的煤炭價格看，采用煤炭生產石灰也無成本優勢了。所以，石灰生產企業如何選擇能源結構已經制約企業的生存和發展的關鍵。
石灰行業如何實現“減污降碳協同增效”？“減污”我們可以采用先進環保治理技術實現，“降碳和協同增效”如何實現？從目前石灰生產的燃料結構分析及國家產業政策看，如果不使用煤炭生產唯一可以使用的就是“天然氣”， 而且從行業發展遠景來看，天然氣生產石灰將是首選。但是，以目前天然氣的價格與煤炭價格對比來看，無論是煤炭漲價前還是漲價后，天然氣生產成本還遠遠高于煤炭。所以，如何選擇新的替代能源生產石灰是目前亟待解決的問題，也是廣大石灰行業從業者的期盼。
日前，由“中國石灰產業學會”主導開發的“生物質氣生產石灰關鍵技術與裝備集成示范”科研項目取得突破性進展，該項系列技術由“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山市豐南區金泉冶金能源新技術開發有限公司”和“唐山金泉成套設備有限公司”主持研發及中試。
該項新技術的研發應用促進了煤炭生產石灰燃料選擇的轉型換代，實現了石灰產業的綠色、降碳升級，解決行業共性瓶頸，具有關鍵意義。同時，本次科研項目取得的關鍵突破，也*促進了“唐山金泉”系列新能源生產石灰技術的研發進度，將進一步激發企業的科技創新動力與活力，也將在石灰生產領域技術示范與行業引領方面發揮更加積極的作用。
生物質資源具有清潔性和可再生性，不但能夠彌補我國化石燃料的短缺，并且可以降低SO2、NO2及煙塵的排放，減輕溫室效應。因此，發展生物質燃氣生產及工業化應用技術是很有必要的。
生物質氣化用途廣泛且規模靈活，是能夠真正實現生物質“因地制宜”開發利用的有效途徑。對生物質能開發利用的研究是我國可持續發展技術的重要內容之一，被列入我國21世紀發展議程。生物質能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點，如何用好這些富碳清潔的可再生資源是我國能源可持續發展的一個主要方向。以熱解、氣化方式實現低質生物質原料的深層次利用，減少礦物燃料的供應量和直接燃用給環境帶來的嚴重污染，對提高工業生產水平、改善生態環境、保障國家能源安全等方面具有重要意義。
生物質顆粒（壓塊）生產石灰的方式已經有企業嘗試過，由于生物質顆粒直接燃燒其熱值只有4000大卡左右，而且揮發分很高，在石灰窯中很難正常生產應用，而且目前國家也不再支持及控制生物質直燃的使用。所以，生物質直接燃燒生產石灰無法實現。
我們知道：熱化學能轉化有4種形式：燃燒、熱解、氣化和液化。雖然生物質顆粒直接燃燒不能有效應用于石灰生產，是否還有其它方式實現？“唐山金泉公司”“獨辟蹊徑”對“生物質燃料”在石灰生產工藝中，以生物質氣化工藝在石灰生產中的應用進行了理論研究和實踐應用，經過多年研發對生物質氣化燃燒生產石灰技術取得了多項技術成果。
生物質氣化作為一種高效潔凈的使用方法，在提高生物質利用率及減少污染方面有重要作用，它是生物質熱化學能轉化中*重要的一種形式，生物質氣化后利用率是直接燃燒的3～5倍。生物質作為氣化原料和煤相比，具有更好的反應性、其揮發成分含量高、H/C和O/C比高、灰分含量較低、空隙率大、孔徑大。這些性質使生物質成為氣化的理想原料。
“唐山金泉公司”在研究中重點對生物質氣的特性、生物質氣的燃燒特性等進行了系統性研究，尤其是對燃燒特性中的燃氣著火溫度、燃氣著火濃度極限、火焰傳播速度、燃燒反應速度等進行了系統性研究和中試。尤其對生物質燃氣石灰窯窯型和燃燒裝置的選用進行了重點研究。其中，已經完成中試及應用的燃燒系統裝置包括：爐外燃燒器、爐內預熱帶燃燒裝置、爐內煅燒帶燃燒裝置、爐內空氣預熱裝置、燃氣壓力調節裝置等，窯型主要是單膛豎窯結構、雙膛豎窯結構等。
溫度是工業窯爐生產過程中主要的控制參數，根據生產實測，生物質氣化后的燃氣熱值在1100-1500 kCal/kg范圍，與常規煤氣汽化爐燃氣熱值相等，與普遍應用生產石灰的高爐煤氣熱值750 kCal/kg相比高出近一倍。生物質燃氣在生產石灰時爐內溫度*高可達1300℃，是非常適合生產石灰的燃料。
在石灰生產的爐窯中溫度控制是制品燒成的關鍵。唐山金泉公司開發的生物質燃氣專用爐內中心復合式燃燒裝置是實現生物質燃氣正常燃燒的關鍵，該項技術對現有落后的石灰窯燃燒裝置進行全面提升，既進一步改善了冷卻效果，又同時預熱了總助燃風，解決了燒嘴無法分方位調節的關鍵問題，使豎窯整個氣流分布和溫度分布更加均勻。
成本優勢也是生物質燃氣生產石灰的關鍵，該項技術汽化采用的生物質主要是：木屑、果樹剪枝、木秸混料、玉米芯、棉秸、玉米秸、麥秸等。尤其是各種木材下腳料更為適合，可以破碎后直接使用，不需要生物質壓縮制塊，而且其成本僅為目前無煙煤價格的20%左右，極具應用價值。
劇測算，按照目前國內部分地區的木材下腳料價格計算，生產一噸石灰所需的生物質燃料制氣成本僅在150-200元范圍，與目前采用煤炭（無煙煤出廠價格2000元左右）生產石灰相比，至少可以降低100元以上。
同時，該項技術的低碳環保排放優勢是其典型特征，被行業喻為CO2“零”排放，生物質燃氣燃燒環保排放指標可媲美天然氣，清潔達標，優于其它各項燃料燃燒后的排放值，相關數據見表1：
表1：燃料燃燒廢氣排放比較(參照2017年7月1日執行《鍋爐大氣污染物排放標準》)
| 指標 |
生物質燃氣 |
天然氣 |
重油 |
輕油 |
煤碳 |
| 實測值 |
標準值 |
標準值 |
標準值 |
標準值 |
| 顆粒物 mg/Nm3 |
20（加布袋除塵10） |
20 |
30 |
30 |
50 |
| SO2 mg/Nm3 |
16 |
50 |
200 |
200 |
300 |
| NOX mg/Nm3 |
低氮燃燒40 |
150 |
200 |
200 |
300 |
| 煙氣黑度（林格曼） |
≤1 |
≤1 |
≤1 |
≤1 |
≤1 |
應該特別指出的是：生物質氣煅燒石灰技術能夠實施，其生物質制氣技術更為關鍵，該項技術及成套設備由唐山金泉公司的*協作單位完成。協作單位創立于2012年，是*從事綠色能源開發及產品研究制造的高科技環保企業。公司從成立伊始，致力于可再生能源生物質燃氣轉化設備－生物質燃氣氣化爐的研究，經歷無數次的失敗及堅持，在生物能源轉化技術上取得突破性進展，在生物能源轉化過程中，將過去幾十年困擾行業發展的污水問題、焦油問題解決，先后自主研制出六代系列生物質燃氣氣化爐，在失敗痛苦與成功喜悅的過程中，積累了豐富的可再生能源開發利用的經驗，已在國內同行業中具有領先水平。
氣化技術是生物質熱化學轉換的一種技術，即生物質燃料在不完全燃燒條件下，其中較高分子量的有機碳氫化合物鏈發生裂解，變成較低分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體。若不使用氣體介質，則稱為干餾（主要目的是為制碳）；按氣體介質種類可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣——氧氣混合氣化和氫氣氣化等。
對于為鍋爐、工業窯爐等通常用能終端提供生物質燃氣而言，*為常見和成熟的氣化技術為空氣生物質氣化技術，本文中所述的制氣技術，若不進行特別說明，即指的是生物質空氣氣化制氣技術，且采用自供熱方式（即原料提供全部的氣化熱量）。
目前，可以應用于石灰生產的生物質氣汽化設備單臺機組可以滿足日產60-250噸石灰的用量，而且無論流量、壓力都適合石灰豎窯的使用的工藝要求。同時，采用生物質燃氣用于石灰深加工的烘干生產線（比如：輕質碳酸鈣生產線）已經全面推廣應用，且用戶反饋良好。
生物質燃氣氣化爐主要由供料系統、燃氣發生系統、除渣系統、燃氣輸送系統、冷卻系統、控制系統、燃燒系統和安全防爆系統等組成，主要工藝流程部分見圖1：
說明：該流程圖僅為常規生物質氣的工藝流程，不作為生產石灰時生物制氣的實際生產線流程，實際應用流程以設計后實際選型為準。
目前，唐山金泉公司生物質氣生產石灰技術已經全面推出，具備了生產應用條件，從唐山金泉公司已經設計的窯型中看，單膛豎窯日產量從日產80-250噸、雙膛豎窯日產量從300-600噸均可以實現。而且，重要的是該項技術設計規劃的全部為“氣煤兩用生產工藝”，在使用生物質燃料生產時可以繼續使用煤炭生產，或者氣煤混合燃燒使用。唐山金泉“第三代”及“第四代”混料式燃煤石灰豎窯均可以改造為生物質燃氣氣燒窯或者氣煤兩用窯。
截止2021年11月底已經開始規劃設計和應用的主要省級示范項目有安徽省、黑龍江省、山西省、甘肅省等，部分改造項目已經設計規劃完畢并開始實施。
生物質燃氣燃燒實驗圖片：
生物質燃氣生產石灰工業實驗圖片：
三、編者調研札記
1、生物質氣技術發展現狀：
*個生物質氣化( wood gas )發生爐是德國化學家比朔夫(Ka1Gustav Christophbischof ， 1792 -1870)于1839年建成的，距今已經有180年歷史。我國在新中國成立初期，以及近些年某些油料緊缺的國家都使用過生物質氣化氣作為車船燃料。近十幾年來生物質氣化氣經過不斷研發創新，以其獨特的環保和經濟優勢得到各級政府的積極支持，和廣大用戶的歡迎。
在世界范圍內，生物質氣化主要用于供熱/窯爐、熱電聯產(combined heat and power，CHP)、混燃應用和合成燃料，目前規模*大的應用是CHP.20世紀80年代起，生物質氣化被美國、瑞典和芬蘭等國用于水泥窯和造紙業的石灰窯，既能保證原料供給又能滿足行業需求，具有較強的競爭力。
近年來，生物質利用成為行業熱門話題，生物質氣化作為生物質利用的細分領域，一段時間以來更是得到了長足發展。除了生物質能利用企業，諸多城燃公司也正在或者嘗試進入這一領域。可以說，生物質燃氣是天然氣的拾遺補漏，也是工業爐窯繼續生存發展的新領域、新機遇。
2、生物質燃料市場規模：
據統計，植物每年貯存的能量約相當于世界主要燃料消耗的10倍，而作為能源的利用量還不到其總量的1%。
根據世界自然基金會的預計，全球生物質能源潛在可利用量達350EJ/年（約合82.12 億噸標準油，相當于2009年全球能源消耗量的73%）。根據我國《可再生能源中長期發展規劃》統計，目前我國生物質資源可轉換為能源的潛力約5 億噸標準煤，今后隨著造林面積的擴大和經濟社會的發展，我國生物質資源轉換為能源的潛力可達10 億噸標準煤。在傳統能源日漸枯竭的背景下，生物質能源是理想的替代能源，被譽為繼煤炭、石油、天然氣之外的“第四大”能源。
生物質能源其來源廣泛，揮發分含量高，灰分含量低，含硫的有害氣體量較低，燃燒過程中二氧化碳的排放量近似于零，有利于改善溫室效應。生物質氣是以農作物秸稈和林業廢棄物經氣化爐產生的可燃性氣體，是生物質能源向大規模工業化應用發展的一個途徑。
生物質能作為唯一含碳的可再生能源，是傳統含碳礦物能源的直接替代燃料。雖然生物質氣化燃氣熱值較低，但對于燃料品質要求不是很高的工業窯爐( 如煉鋁爐、 煉銅爐、 軋鋼爐等) 可達到其生產工藝要求；燃氣經凈化處理后還可能應用于對燃料品質要求更高的玻璃窯爐、陶瓷窯爐等。根據中國環境統計年報，2010年全國重點調查的工業企業中在用工業窯爐為8.3萬臺，2012年達到9.9萬臺，應用生物質燃氣可低成本解決其燃料供應問題，推動生物質燃氣新興戰略性產業的形成與發展。鑒于我國清潔能源需求及大氣污染治理的緊迫任務，近年來各地對生物質燃料直接燃用有一定限制，但對于生物質燃氣化利用給予了支持。
根據部分資料顯示：預計我國生物質燃氣產量從2015~2050年間由126.13億m3增長到570億m3，其中工業和農業生物質廢物將成為未來生物質燃氣的主要來源。在低碳情景下，生物質燃氣能源供應量會大量提高，有利于我國能源結構更為科學的調整。
3、生物質燃料來源與石灰行業用量分析：
看到這里，讀者都會產生疑問，而且是*大的疑問，就是我們石灰行業可以用于生物質生產的原料來源在哪里？
在我國豐富多樣的生物質資源中，林業木質剩余物的規模*大。林木枝椏和林業廢棄物年可獲得量約9億噸，大約3.5億噸可作為能源利用，折合標準煤量后*大，達到了2億噸，占比為43.48%。
農作物秸稈年產生量約為10億噸，除部分作為造紙原料和畜牧飼料外，大約3.4億噸可作為燃料使用，折合標準煤量后為1.7億噸，占比為36.96%。
甜高粱、小桐子、黃連木、油桐等能源植物（作物）可種植面積達2000多萬公頃，可滿足年產量約5000萬噸生物液體燃料的原料需求；畜禽養殖和工業有機廢水理論上可年產沼氣約800億立方米，全國城市生活垃圾年產生量約1.2億噸。
從上述資料中我們可以看到，目前我國每年至少有7.5億噸生物質燃料的供應量，從我國石灰產能3億噸計算，約有75%的產能采用煤炭生產，每年需要約2000萬噸煤炭，與7.5億噸的生物質燃料供應量相比僅為其不足3%左右。可見作為我們石灰行業的這點用量真的是微不足道，只是你不在這個行業不太了解而已。而且這個3%用量是我國全部采用煤炭生產石灰的煤炭用量，如果僅按照一部分改造用戶的需求量那更是容易獲得了。
重要的是：生物質燃料來源是每年都有的，而且產量是固定和不斷增加的，也就是說，只要有生物質燃料來源就不會枯竭，永遠可以持續下去！與煤炭開采約來越枯竭正好相反！煤炭儲量隨著開采量的減少價格會越來越高，從目前煤炭的不斷暴漲就可以窺見一斑！畢竟物以稀為貴！這種狀況將會持續下去。同時，煤炭資源各地區的資源也不盡相同，有些地區采購優質煤炭需要從千里之外采購，無論從運費和煤炭價格上看，與生物質燃料相比都沒有可比性。從石灰產業長遠發展看，采用生物質燃料生產必將是優選之路。
四、編者后語
12月3日，工業和信息化部印發《“十四五”工業綠色發展規劃》(以下簡稱《規劃》)，為“十四五”工業綠色發展描繪了藍圖。《規劃》提出，到2025年，我國能源效率穩步提升，規模以上工業單位增加值能耗降低13.5%，單位工業增加值二氧化碳排放降低18%。
其中，在“加快能源消費低碳化轉型”中重點指出：著力提高能源利用效率，構建清潔高效低碳的工業用能結構，將節能降碳增效作為控制工業領域二氧化碳排放的關鍵措施，持續提升能源消費低碳化水平。提升清潔能源消費比重。鼓勵氫能、生物燃料、垃圾衍生燃料等替代能源在鋼鐵、水泥、化工等行業的應用。嚴格控制鋼鐵、煤化工、水泥等主要用煤行業煤炭消費，鼓勵有條件地區新建、改擴建項目實行用煤減量替代。
在“推動生產過程清潔化轉型”中重點指出：強化源頭減量、過程控制和末端高效治理相結合的系統減污理念，大力推行綠色設計，引領增量企業高起點打造更清潔的生產方式，推動存量企業持續實施清潔生產技術改造，引導企業主動提升清潔生產水平。
在實施工業領域碳達峰行動方面，《規劃》提出：推動煤炭等化石能源清潔高效利用，提高可再生能源應用比重。加快氫能技術創新和基礎設施建設，推動氫能多元利用。支持企業實施燃料替代，加快推進工業煤改電、煤改氣。對以煤、石油焦、渣油、重油等為燃料的鍋爐和工業窯爐，采用清潔低碳能源替代。通過流程降碳、工藝降碳、原料替代，實現生產過程降碳。
通過上述*新發布的國家產業政策不難發現：
石灰生產企業節能、降碳、應用清潔能源不僅是成本問題，更是生死問題！一場以提升資源和能源利用率，建立健全綠色低碳循環發展經濟體系為核心的時代浪潮正在滾滾襲來！為應對未來嚴峻形式，石灰企業已經開始積極行動，探索節能降碳和新能源利用技術研發與應用。
我們從唐山金泉公司推出的“生物質氣生產石灰關鍵技術與裝備集成示范”科研項目中可以得出結論：石灰產業正經歷應用清潔能源轉型過程中的一次關鍵節點，能源轉型是企業可持續發展的核心任務，而減少乃至停止煤炭應用已是大勢所趨。啟動棄煤進程，加速自身能源供給結構向清潔化方向轉型是石灰產業發展的必然走勢。
同時，我們從此次的“生物質燃氣生產石灰”技術中也不難看出，采用生物質燃料比使用煤炭更具優勢，無論從生產成本的降低、石灰品質的提高、產業政策的支持等各方面均體現出不可比擬的優勢，我們堅信，該項技術的推出必將為石灰行業新能源的利用起到示范性作用，也必將起到“拋石引玉”的作用，讓更多的新能源應用到石灰行業中來，這也是編者撰寫本文的初衷。
在這里，我們再次感謝唐山金泉公司為我們行業帶來的新技術和新理念。法國寓言詩人拉·封丹曾經說過，耐心和持久勝過激烈和狂熱，這句話用在“金泉”團隊身上再合適不過。唐山金泉公司品牌創立32年以來，唐山金泉公司的研發團隊一直專注于石灰行業的發展，自1992年研發成功國內首座低熱值煤氣（高爐煤氣）石灰豎窯以來，無論是在工業尾氣、發生爐煤氣、天然氣等燃氣生產石灰方面還是固體燃料及電燒生產石灰方面都積累了成熟的經驗，因此可以總是快人一步開發差異化功能石灰生產新技術、新工藝。此次生物質燃料的應用開發是在該公司推出的“煤電一體化石灰窯”生產石灰技術后的再次創新，采用電燒和生物質燃氣生產石灰不僅開創了新能源領域生產石灰的先河，同時也讓“唐山金泉”站在更高的起點上分享創新，助力行業發展，這不僅是企業社會責任，更是整個行業的奮斗目標。
資料編輯：
中國石灰產業學會
孫 菲
2021年12月09日
特別說明：
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生物質燃氣生產石灰工業實驗圖片：
