探尋降碳密碼—解析傳統能源與清潔能源聯產石灰關鍵技術
一、編者導語
“十四五”以來，我國石灰產業進入轉型發展新時期，通過持續淘汰落后產能、大力推進技術創新、嚴格實施環保改造等一系列舉措持續發力，產業可持續發展取得顯著進步。同時，在碳達峰、碳中和背景下，所有石灰生產企業均面臨著嚴峻的降碳壓力和挑戰。隨著我國“雙碳”政策的逐步實施，石灰產業低碳發展課題已經開始成為“重中之重”，基于我國石灰生產以煤為主的能源結構和基本國情，在實施煤炭清潔高效利用的基礎上，選擇應用新的清潔能源和可再生生源是實現石灰生產能源轉型的必由之路和首要任務，也是石灰產業向實現“零污染物排放、零碳排放”目標邁進的關鍵一步。
目前，為了實現“碳中和目標”，我國將加緊推進能源體系清潔低碳發展，推動低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。我國能源結構正向綠色低碳轉型，煤炭將從主體能源地位逐步轉變為可再生能源平抑波動的穩定器，在相當長的時期內將與可再生能源相互依存，并支撐可再生能源的大規模消納需求。所以，在決定石灰產業未來的關鍵、前沿技術大開發上，一定要走協同創新之路，在關鍵低碳石灰生產技術方面，要在研發組織上實現變革和突破。要鼓勵先進協同減排技術示范應用，對典型行業源頭及過程碳減排控制技術和裝備開展研究，研發可行技術。
從目前我國石灰產業的發展狀況來看，以技術創新推動碳達峰和碳中和才是平衡環境與發展的根本之道。在加快經濟綠色轉型、大力發展低碳產業、推進資源節約集約循環利用、發展共享經濟、擴大碳匯潛力，推進綠色低碳循環發展的過程中，需要全面圍繞低碳技術創新為中心不動搖，在普及推廣“適用性” 低碳技術的同時，尋求“顛覆性”低碳技術也是我們行業的當務之急。
為此，中國石灰產業學會專門對目前可用的先進石灰生產工藝技術進行了調研，重點對清潔能源、可再生能源等新型能源在石灰生產領域的應用情況進行了專項調研，以期解開新能源在石灰產業應用中的可行性和技術關鍵點，供大家交流參考。
二、適用于石灰生產“減碳、降污”的清潔能源結構
當前，國家嚴控使用煤炭等傳統石化能源，石灰生產采用煤炭生產的項目已經不再審批，而且逐步加大淘汰傳統燃煤石灰窯步伐，實現“減碳、降碳”目標。從目前石灰生產的燃料結構分析及從國家產業政策和行業發展遠景來看，采用天然氣生產石灰將是首選的替代能源。天然氣作為未來的主要能源，具有許多其他能源所不具備的優勢：天然氣是*清潔的燃料，天然氣燃燒后生成二氧化碳和水，與煤炭和重油比較，燃燒天然氣產生的有害物質大幅度減少，如以天然氣代替燃煤，可減少氮氧化物排放量 80 — 90 ％，一氧化碳排放量可減少 52 ％，并基本杜絕二氧化硫的排放和城市酸雨的產生。天然氣還具有安全的特點，燃燒時不會產生一氧化碳等有毒氣體，不會危害人體健康，密度比空氣輕，即使泄泄露，也是往上空飄散，不易形成爆炸源。
但是，由于我國的能源結構特點限制，我國大部分地區的天然氣價格都非常昂貴，從其生產成本角度來看，天然氣生產成本還遠遠高于煤炭生產石灰的成本，致使無法直接或全部使用天然氣生產石灰。目前僅有新疆、四川、陜西等少數地區的天然氣價格較低，其生產成本接近煤炭生產石灰的成本，但是由于傳統石灰生產工藝裝備及天然氣燃燒特性的限制，絕大部分傳統豎窯無法采用天然氣生產石灰。所以，在優先選擇天然氣作為生產石灰燃料的前提下，如何選擇新的可用能源和替代能源生產石灰是目前亟待解決的問題，如何選擇可以采用新能源生產石灰的新工藝、新裝備也是廣大石灰行業從業者的期盼。
而在可再生能源中，完全具備替代化石能源天然稟賦的只有生物質能。在我國調整能源結構時期，只有生物質能源才能覆蓋工業文明所有能源商品，并承擔起新能源轉型的任務，這一點是其他可再生能源所不具備的。同時，生物質具有能源儲量豐富、有利于生態環境的保護、利用模式多元化、可實現無縫式能源替代等特征。重要的是，生物質能源是天然的綠色燃料，燃燒后從原料再生到能源轉化，可全周期趨于碳的零排放。也就是說生物質能源是碳中性的，不向大氣中增加CO 2 排放。
因此實現碳中和目標，生物質能大有可為。在煤電被逐步去產能的今天，由于煤改氣、煤改電陷入成本瓶頸，而風電和光伏不能實現穩定供能，生物質熱電正成為工業生產用能*佳替代角色。生物質能與化石能源高度融合，可穩定、安全的提供電、氣、熱和油及生物質粉料，且無需改變現有的能源基礎設施和架構體系，實現無縫式能源替代。中國提出碳減排“3060”目標，這為可再生能源發展提供了巨大的發展空間，生物質能也將會受到國家的重視，從而正式開啟能源替代時代。
三、再上新高度，新能源與傳統能源完美結合生產石灰
2022年 04月08日，“中國石灰產業學會”2022年專項新技術新產品鑒定會上，來自行業的領導、專家、學者以及行業媒體共同見證“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”等單位在石灰行業系列新產品、新技術的鑒定。與會專家聽取了5項新產品、3項新技術的研制和應用情況匯報，審查了鑒定文件和設計圖紙、專利文件、產品樣品以及客戶應用的商務合同等，并進行了現場質詢和討論，*終一致鑒定結果為3項新產品、新技術在關鍵技術水平、生產工藝、性能指標等達到國內領先水平，2項新產品、新技術達國內先進水平，且社會效益突出，對石灰產業的發展具有重要推動作用。
中國石灰產業學會領導在鑒定會上發表致辭，對唐山金泉公司在石灰行業領域全面發力推出諸多新產品、新技術取得重大突破表示誠摯祝賀。
會議中，經與會專家組成員一致通過，對唐山金泉公司的“TSM型清潔能源聯產石灰系列技術”之“雙膛豎窯噴吹生物質粉低耗降碳生產石灰技術”和“天然氣與生物質燃料聯產石灰工藝及裝備”兩項擁有自主知識產權的專利技術頒發了“新技術新裝備行業推廣證書”。
會中，我們對該項技術進行了專訪，重點對行業關注度*高的“天然氣與生物質燃料聯產石灰工藝及裝備”（天然氣+生物質+煤炭）技術及裝備情況進行了深入了解。
從行業鑒定資料中顯示（摘抄）：
單膛豎窯采用天然氣與生物質燃料聯產石灰工藝及裝備主要特征：
該項技術提供了一種新的活性石灰生產工藝及裝置，通過設計應用爐外周邊燃燒裝置、爐內中心噴吹裝置、爐內中心燃燒裝置、爐內空氣預熱裝置、燃氣壓力調節裝置等措施與碳循環工藝有機結合，可以使用天然氣和生物質氣兩種不同熱值的燃氣和生物質粉料燃料在同一爐膛內混合燃燒，并且在混合燃燒中達到理想的著火溫度、著火濃度極限、火焰傳播速度、燃燒反應速度等工藝特性要求。不但達到了二氧化碳回收利用和減排降碳的目的，而且結構簡單實用、緊湊，生產效率高，產量高、經濟性好。尤其單獨使用生物質燃料時比使用煤炭可以降低40%以上燃料成本，而且對生物質燃料的深層次利用，減少礦物燃料的使用給環境帶來的嚴重污染，對提高整體石灰生產工藝水平、降低生產成本、提高產品品質，以及在減污降碳、改善生態環境、保障國家能源安全等方面具有重要意義。
該項技術現有技術相比，有以下優點：
（1）、采用的燃料以天然氣燃料為主，天然氣是*清潔的燃料，燃燒后生成二氧化碳和水，與煤炭和重油比較，燃燒天然氣產生的有害物質大幅度減少，以天然氣代替燃煤，可減少氮氧化物排放量 80 — 90 ％，一氧化碳排放量可減少 52 ％，并基本杜絕二氧化硫的排放和城市酸雨的產生。
（2）、采用天然氣為燃料還具有安全的特點，燃燒時不會產生一氧化碳等有毒氣體，不會危害人體健康，密度比空氣輕，即使泄露，也是往上空飄散，不易形成爆炸源。
（3）、采用的生物質燃料能源中的有害物質含量很低，屬于清潔能源。每利用1000噸秸桿或枝柴來代替煤，在減少約1400噸CO2排放的同時，還可減少約4噸SO2和約10噸煙塵的排放。
（4）、采用的生物質燃料能源的轉化過程是通過綠色植物的光合作用將二氧化碳和水合成生物質，生物質能源的使用過程又生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循環排放過程，能夠有效減少人類二氧化碳的凈排放量，降低溫室效應。
（5）、可實現溫室氣體CO2零排放。大氣中的CO2通過光合作用進入生物體，生物體的碳通過燃燒、降解和呼吸作用重新變成CO2又回到自然界，從而構成碳元素的循環鏈。從理論上講，生物質能源的利用基本可以達到CO2的零排放。根據《京都議定書》機制，生物質燃料CO2為生態“0”排放。
（6）、不改變傳統燃煤石灰豎爐及燃氣石灰豎爐主要工藝結構特征，使大部分石灰豎爐都可以應用本發明的工藝方法和裝置，利于工業化推廣。
（7）、能夠單獨全部使用天然氣燃料生產。
（8）、能夠單獨全部使用生物質氣燃料生產。
（9）、能夠在使用燃氣生產時噴吹部分生物質粉料，達到助燃和降低燃料成本的目的。
（10）、能夠實現在爐外燃燒裝置使用天然氣燃料和在爐內燃燒裝置使用生物質氣燃料生產，實現兩種不同熱值的燃料在不同裝置中燃燒在同一區域內供熱的混合燃燒供熱方式，解決了天然氣等高熱值燃料和生物質氣等低熱值燃料不能直接混合后燃燒的關鍵性問題。
（11）、通過天然氣和生物質氣等潔凈燃料的組合，使環保排放指標更低，在線達標排放指標：顆粒物≤10mg/m³，二氧化硫≤50mg/m³，氮氧化物≤100mg/m³。
（12）、由于設置了爐內中心燃燒裝置，使爐內中心熱能供應更加均衡，解決了傳統周邊式燒嘴式燃氣豎窯因窯體直徑過大時熱能無法達到爐中心而造成的產量低、石灰生燒率高的問題，使傳統單膛豎爐的產量成倍增長，產量和生產利用系數已經高于目前的雙膛石灰窯。
（13）、窯膛采用圓形與環形相結合的斷面結構，窯的下部帶有中心分料柱，內裝中心燃燒裝置；物料在上部的圓形斷面窯膛內預熱和焙燒，在下部的環形斷面窯膛內冷卻。
（14）、窯型立面工藝斷面采用AHA型仿形結構，解決了煅燒帶高溫煅燒容易產生棚料（懸料）的弊病，使冷卻帶物料下降更平穩、冷卻效果更佳，有利于提高石灰活性度。
（15）、保留了使用煤炭等固體燃料生產石灰的各項功能，實現了氣煤兩用生產。其技術關鍵點是爐內中心燃燒裝置為可拆卸結構，用于當長時間采用煤炭等固體燃料生產石灰時的生產工藝要求。
（16）、新型爐內篩分傾動旋轉布料器實現了燃氣和燃煤兩種不同工藝的布料要求，通過調節及更換不同角度的布料鐘，可在使用燃氣生產時把大顆粒石料布置在窯壁周邊，在使用煤炭等固體燃料生產時可以把小顆粒石料布置在窯壁周邊，有效降低了窯壁效應。
（17）、在豎爐爐體內部出灰系統設置多點旋轉計量出灰裝置，采用分區減量稱量卸料，達到在使用不同燃料時可通過以精準控制出灰量控制和調整爐況。
（18）、在爐內設置二氧化碳氣體回收裝置進行二氧化碳氣體循環利用，利用二氧化碳滅火阻燃原理達到當使用天然氣等高熱值燃料時降低其燃燒反應速度的目的。
（19）、通過對爐內二氧化碳氣體的循環利用，達到了二氧化碳氣體增加濃度的目的，使二氧化碳氣體回收、捕集成本進一步降低。
（20）、生產成本進一步降低，尤其是采用生物質燃料，其生產成本僅為煤炭燃料成本的60%左右，僅為天然氣成本的40%左右。當采用組合燃料生產時其生產成本也低于采用單獨燃煤燃料成本。
（21）、綜合能耗低，單位能耗低于870Kcal/kg石灰.
（22）、通過實際生產數據顯示，采用天然氣和生物質氣等氣體燃料生產時與普通混料式燃煤豎爐相比，該項技術的工藝和裝置生產的石灰活性度可以提高80-150ml范圍， 石灰生過燒率可以降低8%以上，石灰鈣點可以提高8%以上。
（23）、投資低，延續了傳統石灰豎爐投資回報率和投資性價比高的特征。與傳統單膛混料式燃煤石灰豎爐投資相比，除去增加的燃燒系統裝置投資外，整個生產系統的投資沒有增加。與雙膛石灰窯投資相比，同等產量下投資只有雙膛石灰窯的三分之一左右。
本節編者點評：
目前，國內石灰行業中采用氣體燃料大都是低熱值工業尾氣，如：高爐煤氣、轉爐煤氣等，大多數豎窯為圓形斷面結構，設置的是周邊煤氣燒嘴，向中心的穿透能力較差，使窯的容積受到局限，單窯產量較低，一般在60-120噸范圍。尤其是當采用熱值很高的天然氣為燃料時由于火焰更短，向窯中心的穿透能力更差，產量更低，而且極難操控，產品質量更差。如何選擇新的生產工藝和適宜的窯型結構以適應高熱值燃料在單膛豎窯上的應用是目前行業亟待解決的技術難點。唐山金泉公司推出的這項技術把天然氣等高熱值燃料燃燒特性與生物質燃料等低熱值燃氣燃燒特性有機的組合，達到了理想的燃燒特性，使單膛豎窯實現了高產化、燃料多樣化。而且適應范圍廣、 造價低，十分適合我國國情，有廣泛的推廣價值。
事實上，通過筆者調查，目前國內采用中心燃燒器燃燒方式的單膛豎窯生產技術已經非常成熟，采用低熱值工業尾氣的窯型單窯日產量已經*高可以達到800噸。其產能和產品品質已經可以與國外雙膛豎窯技術相媲美，尤其是其投資性價比和占地面積更具優勢，同等產量下其投資僅為雙膛豎窯的50-60%范圍，占地面積也可以節省30%以上的面積。
所以，就是不考慮“雙碳”背景，隨著企業生產規模擴大，國內現有的單膛氣燒豎窯的生產工藝和生產能力也已經難以適應企業生產發展的需要，更多的用戶希望用大型單膛豎窯取代中小型豎窯，以節約用地，減少投資，降低消耗、減少排放和提高產品品質。
四、編者后語
“雙碳背景”下，什么是新技術？什么是好項目？我想，它必須要能夠符合國家政策、滿足社會需求、解決社會問題、創造社會價值、分配社會財富，缺一不可。唐山金泉公司“TRM型清潔能源聯產石灰技術（天然氣+生物質+煤炭）”系列技術的推出，很好的詮釋了上述特征。該項技術的核心價值在于讓傳統石灰窯找到能夠持續發展的新路徑，即解決了目前石灰行業“減碳、降污”的難題，也實現了“節能、降耗、提質、增效”的目的。
通過對剖析這項技術中的關鍵點我們也不難看出：這項工藝通過實施天然氣與生物質燃料聯產活性石灰的各項工藝方法及裝置，可以解決現有單膛豎爐技術存在的生產石灰時不能使用高熱值燃氣和低熱值燃氣混合燃燒、不能噴吹固體粉料燃料問題。通過在單膛豎爐爐體內部設置的爐內中心燃燒裝置與爐體外部設置的爐外燃燒裝置組合應用，實現了使用天然氣燃料和生物質氣燃料及生物質粉燃料三種清潔燃料在同一爐膛內燃燒生產活性石灰的目的。不但結構簡單實用、緊湊，煅燒時間短、生產效率高，產量高、產品品質好、經濟性好，生產成本低；而且實現了清潔能源替代礦物質燃料和對生物質燃料深層次利用的目的。同時還大幅度降低了污染物和二氧化碳的排放，在減污降碳、改善生態環境、保障國家能源安全等方面具有重要意義。
2022年是推進“十四五”發展、實施“雙碳”規劃、構建新發展格局的關鍵之年。唐山金泉公司技術團隊能夠立足新發展階段，堅持新發展理念，構建新發展格局，以推動行業高質量發展為主題，強化科技創新為支撐，在創新之路行穩致遠。“鳳凰涅槃，只為重生。其羽更豐，其音更清。其神更髓，其業更精”。唐山金泉公司品牌始創至今已經34年，自1992年率先研發成功國內首座低熱值煤氣燃料氣燒石灰豎窯開始，一直走在行業創新的前沿，它們的每一次創新，都是對自身的突破和超越，都是對理想初心的堅持和追求。此次石灰行業系列產品的鑒定將會為新時代背景下的新技術推廣開啟應用元年，也為石灰產業的持續、健康發展貢獻力量。
目前，該項技術的“第五代新型綠色復合能源石灰豎爐（TSM-400）”（天然氣+生物質+煤炭）省級示范項目已經在多省市展開，其中陜西、山西、黑龍江、甘肅、廣西、安徽等地的項目已經開始實施。
鑒于涉及相關專利技術核心，本文不做更詳細的技術分析，如果投資者和讀者需要了解更詳盡的技術方案和實施方案，可聯系唐山金泉公司索取：劉經理15512593479（微信同號）。
文稿編輯：
中國石灰產業學會
孫菲
2022年4月15日
附2022年度各省省級示范項目現場施工圖片：
