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新视角下“中心烧嘴式石灰窑”技术进步与创新
中国石灰产业学会 孙武生
一、前言
我国石灰产业经历了高速发展、结构调整、产业提升等几个重要的发展阶段。进入21世纪以来，我国石灰产业发展迅猛，自主研发创新能力不断提升，在石灰产量逐年增长的情况下，工艺技术装备节能化、现代化、高效化发展成就成绩斐然。尤其是随着我国经济发展转型和对生态文明建设的日益重视，绿色发展对石灰行业生产尤其是石灰的生产工艺及装备的清洁燃料应用、生产能力、节能降耗、产品质量、环境保护和绿色节能性等方面提出了更高要求。
就石灰生产方式而言，无论是我国还是世界范围内，80%以上的石灰产能都来自于竖窑，但是，我国目前的石灰竖窑生产工艺还是以混料式机械化石灰竖窑为主，燃料结构还是以固体石化燃料煤炭为主，而且现阶段的石灰生产依然存在能源消耗大、环境污染严重的问题，这不符合我国绿色、可持续发展战略。
目前，在国家产业结构调整和生态文明建设的新形势下，节约能源与减少碳排放已经成为当下亟需面对与解决的问题。降低能源消耗、减少碳排放、保护自然生态环境是石灰产业健康可持续发展的坚实保障。因此，我国的石灰生产企业在完成经济效益指标的同时，也要将社会效益与生态效益纳入到企业的长远发展规划当中，不断对石灰生产工艺的节能减排技术进行创新与优化，并对各种新型技术进行有效应用，实现增产、节能、提效的美好愿景。
近年来，全球生物质能的开发利用技术取得了飞速发展，应用成本快速下降，以生物质产业为支撑的“生物质经济”被国际学界认为是正在到来的“接棒”石化基“烃经济”的下一个经济形态。我国生物质能在政策的支持与推动下，正逐步开始进入规模化发展阶段，它在石灰行业的应用场景也呈现更为多元化的发展趋势。在石灰生产高碳排能效提升的进程中，生物质能的应用也引起了行业、企业的普遍重视。
同时，从一个行业和一个企业的发展角度来看，我们已经从过去的“效率时代”进入了“高韧性时代”，越来越多的人开始关注韧性，而效率与韧性的关系归根结底是发展与安全的关系——未来越来越不可预测，在未来不知道会发生什么的当下，人们总觉得能够安全地过冬才是最重要的。从我们石灰行业当下发展角度来看，我们从业者如何在现有传统石灰生产工艺条件下提高应变力、顺势而为，快速适应新环境，不被淘汰，在失望的冬天中寻找春天。
所以，面对不断更新迭代创新技术和行业需求，本文以产业链韧性的支撑为基础，在基于产业根植性的新视角下，从新能源与再生能源利用为切入点，全面阐述如何找准企业发展契机与行业优势融合，按照新时期低碳绿色理念的发展要求，全面创新应用石灰生产新技术，向低碳绿色化方向转变，降低石灰生产过程的能源消耗和污染物排放，取得良好的实际应用效果，提升石灰产业综合效益，促进现代石灰产业的绿色、可持续发展。
二、新能源与可再生能源在石灰生产中的应用原则
2.1、降低石灰生产中的减排路径：
石灰生产中降低燃料燃烧排放量主要考虑两种路径，一是将化石固体燃料转为天然气；二是采用混合燃料完全脱碳，如生物质燃料。
以天然气为燃料的石灰窑为例，每吨石灰就会伴随产生0.96吨二氧化碳。其中20%的二氧化碳是在燃烧天然气过程中产生，80%的二氧化碳是在石灰石烧结过程中产生。当使用生物质或者可再生能源时，二氧化碳的排放量在制造每吨石灰中，会从0.96吨降到0.768吨。显然，使用生物质燃料时碳排放量减少了近20%，也可以理解为生物质燃料本身的产生的二氧化碳排放量接近于零。另外，使用可再生能源另外一个优点是他们可以创造未来负碳排放的一个基础。
2.2、生物质燃料在石灰生产中应用的影响与选择：
固体生物质燃料：
对比其它行业，在石灰窑中使用生物质燃料是有一些限制的。由于生物质燃料的特性，在使用固体块状（压块）生物质燃料时，由于其极高的挥发分和灰分在持续的燃烧中易熔融、积灰结渣，对石灰质量有一些负面影响以及污染物的排放，以及还有一些其它影响也需要考量，较难实现在石灰生产中的直接应用。
液体生物质燃料：
生物质是唯一可以转化为液体燃料的可再生能源，将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石燃料的不足，而且有助于保护生态环境。生物质液化燃料技术也日趋成熟，比如：唐山金泉冶化科技产业有限公司技术中心实验室在生物质热解液化配套技术方面的研究也取得重要进展，采用高压内混式雾化燃烧技术已能单独对生物油实现稳定的工业燃烧，在生物油催化裂解方面也进行了大量研究，通过对生物油与水蒸汽催化重整可以制取较高氢/碳比的富氢合成气（主要组分为H2/CO/CO2的混合气），这种合成气进一步纯化可获得氢气，也可通过不同的工艺合成制取柴油、汽油、甲醇或二甲醚等高品位的液体燃料。目前已经初步形成了一批具有自主知识产权和国际先进水平的研究成果，可以预料，生物质液体燃料在石灰生产中将实现新的跨越。
气体生物质燃料：
生物质气化作为一种高效洁净的使用方法，在提高生物质利用率及减少污染方面有重要作用，它是生物质热化学能转化中最重要的一种形式，生物质气化后利用率是直接燃烧的3～5倍。生物质作为气化原料和煤相比，具有更好的反应性、其挥发成分含量高、H/C和O/C比高、灰分含量较低、空隙率大、孔径大。这些性质使生物质成为气化的理想原料。
气态生物质燃料的使用有诸多优点，所以能被应用到石灰生产中。目前生物质气化技术中采用的气化介质主要有4种：空气气化、富氧气化、空气-水蒸气气化和水蒸气气化。
其中，对于裂解气体，这种气体包含很高比例的焦油。这些焦油必须在使用前分离出来，否则会导致压缩机和计量系统堵塞。同时，焦油分离后的裂解气体有时也会热值非常低，一般仅在3.0～4.5MJ/Nm3。
空气气化所需的设备简单，操作和维护十分简便，运行成本低。其生产的燃气适合一般工业炉的加热、煅烧等工艺，可以直接应用于石灰生产。
据统计，以空气为气化剂的生物质燃气：其燃气成分一般在表2-1所列范围。
表2-1 生物质燃气组分变化范围
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成分
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H2
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CO
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CH4
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CO2
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O2
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N2
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含量
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13.0~19.0
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18.6~19.8
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2.0~5.0
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10.6~12.2
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1.6~2.9
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44.1~53.2
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根据上表所列生物质燃气成分，可以计算出其物性参数如表2-2所示
表2-2 生物质燃气物性参数
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物理参数
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低位热值
（MJ/m³）
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高位热值
（MJ/m³）
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绝对密度（Kg/m³）
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相对密度
（Kg/m³）
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数值
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4.60~6.56
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4.95~7.13
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1.089~1.183
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0.8426~0.9146
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粉体生物质燃料：
生物质粉料直燃技术是最直接最经济的生物质燃烧技术，生物质粉末燃料直接燃烧技术可以提高燃烧温度获得真正意义上的高温燃烧，例如采用富氧燃烧及蓄热式燃烧技术等。唐山金泉冶化科技产业有限公司技术中心实验室通过研究和工业实验发现：生物质粉末燃料粉碎到微米级后，其燃烧温度可以大幅提高，而且其加工综合成本低于煤粉加工，可以实现单一的独立能源应用。也可以与煤粉及燃气混合燃烧，进而应用石灰窑的生产中。
2.3、生物质燃料应用的优势：
（1）、政策优势：
2022年，国家发展改革委、国家能源局发布了《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》。《意见》指出：新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，鼓励建设绿色用能产业园区和企业，鼓励全社会优先使用绿色能源和采购绿色产品及服务。
（2）、成本优势：
成本优势是生物质燃料生产石灰的关键，列如，当采用生物质气化技术汽化时以木屑、果树剪枝、木秸混料、玉米芯、棉秸、玉米秸、麦秸等为主。尤其是各种木材下脚料更为适合，可以破碎后直接使用，不需要生物质压缩制块，而且其成本仅为目前无烟煤价格的40%左右，极具应用价值。
剧测算，按照目前国内部分地区的木材下脚料价格计算，生产一吨石灰所需的生物质燃料制气成本仅在150-200元范围，与目前采用煤炭（无烟煤价格1700-2000元范围）生产石灰相比，至少可以降低100元以上。
（3）、环保优势：
生物质燃料低碳环保排放优势是其典型特征，被行业喻为CO2“零”排放，生物质燃气燃烧环保排放指标可媲美天然气，清洁达标，优于其它各项燃料燃烧后的排放值。
表2-3：燃料燃烧废气排放比较(参照2017年7月1日执行《锅炉大气污染物排放标准》)
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指标
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生物质燃气
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天然气
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重油
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轻油
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煤碳
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实测值
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标准值
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标准值
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标准值
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标准值
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颗粒物 mg/Nm3
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5-10
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20
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30
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30
|
50
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SO2 mg/Nm3
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16
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50
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200
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200
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300
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NOX mg/Nm3
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低氮燃烧40
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150
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200
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200
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300
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烟气黑度（林格曼）
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≤1
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≤1
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≤1
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≤1
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≤1
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（4）、产品质量优势：
与煤炭、焦炭竖窑相比，气烧石灰竖窑具有窑内气流量大、石灰活性度高、室内温度均匀、温度易控制、对燃气选择要求不高、热耗低等特点。而且，气体燃料可在石灰石的所有缝隙中燃烧，使锻烧带都处于均匀高温状态，不存在局部高温，火焰均匀，石灰生过烧率低。同时，由于气体燃烧是同时燃烧放热，可以快速燃烧和快速冷却，使石灰石可做到快透锻烧和冷却，故石灰活性度高、产品白度高。
表2-3：不同燃料结构下的石灰质量对比(石料钙含量平均53.5%)：
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