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独辟蹊径，新能源生产石灰技术又添一新家族！
一、编者导语
目前，推动减污降碳协同增效已成为国家意志。党的十八大以来，包含减污在内的生态文明建设已是国家推进中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局中不可或缺的组成部分，今年3月，中央又提出“将碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局”。另外，《大气污染防治法》已明确要求“对颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物、氨等大气污染物和温室气体实施协同控制”。国务院发布的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》《“十三五”控制温室气体排放工作方案》等文件也都提出了协同控制温室气体排放的目标。可以说，推动减污降碳协同增效既是国家意愿，也有国家行动，已通过法律政策、党的要求等予以明确体现。
“十四五”时期，我国生态环境保护将进入减污降碳协同治理的新阶段。未来，在石灰行业中要充分认识减污降碳协同增效的重要地位和作用，将减污降碳协同增效作为推进企业发展全面绿色转型的总抓手，把实现减污降碳协同增效作为深入打好污染防治攻坚战的目标要求，加强项目设计，从技术创新和改进提升等方面发力，切实推动环境质量改善、使企业得以健康发展。
二、新能源生产石灰技术的新途径
从目前国家产业政策看，已经严控煤炭的使用，不再审批采用煤炭生产石灰的建设项目，采用煤炭生产石灰的途径已经被彻底堵死，而且是每年都要逐步降低煤炭的使用量，已经投产的燃煤石灰生产企业也将面临逐步减量和淘汰。而且，重要的是，从目前的煤炭价格看，采用煤炭生产石灰也无成本优势了。所以，石灰生产企业如何选择能源结构已经制约企业的生存和发展的关键。
石灰行业如何实现“减污降碳协同增效”？“减污”我们可以采用先进环保治理技术实现，“降碳和协同增效”如何实现？从目前石灰生产的燃料结构分析及国家产业政策看，如果不使用煤炭生产唯一可以使用的就是“天然气”，而且从行业发展远景来看，天然气生产石灰将是首选。但是，以目前天然气的价格与煤炭价格对比来看，无论是煤炭涨价前还是涨价后，天然气生产成本还远远高于煤炭。所以，如何选择新的替代能源生产石灰是目前亟待解决的问题，也是广大石灰行业从业者的期盼。
日前，由“中国石灰产业学会”主导开发的“生物质气生产石灰关键技术与装备集成示范”科研项目取得突破性进展，该项系列技术由“唐山金泉冶化科技产业集团”旗下“唐山市丰南区金泉冶金能源新技术开发有限公司”和“唐山金泉成套设备有限公司”主持研发及中试。
该项新技术的研发应用促进了煤炭生产石灰燃料选择的转型换代，实现了石灰产业的绿色、降碳升级，解决行业共性瓶颈，具有关键意义。同时，本次科研项目取得的关键突破，也极大促进了“唐山金泉”系列新能源生产石灰技术的研发进度，将进一步激发企业的科技创新动力与活力，也将在石灰生产领域技术示范与行业引领方面发挥更加积极的作用。
生物质资源具有清洁性和可再生性，不但能够弥补我国化石燃料的短缺，并且可以降低SO2、NO2及烟尘的排放，减轻温室效应。因此，发展生物质燃气生产及工业化应用技术是很有必要的。
生物质气化用途广泛且规模灵活，是能够真正实现生物质“因地制宜”开发利用的有效途径。对生物质能开发利用的研究是我国可持续发展技术的重要内容之一，被列入我国21世纪发展议程。生物质能具有可再生性、低污染性、广泛分布性的特点，如何用好这些富碳清洁的可再生资源是我国能源可持续发展的一个主要方向。以热解、气化方式实现低质生物质原料的深层次利用，减少矿物燃料的供应量和直接燃用给环境带来的严重污染，对提高工业生产水平、改善生态环境、保障国家能源安全等方面具有重要意义。
生物质颗粒（压块）生产石灰的方式已经有企业尝试过，由于生物质颗粒直接燃烧其热值只有4000大卡左右，而且挥发分很高，在石灰窑中很难正常生产应用，而且目前国家也不再支持及控制生物质直燃的使用。所以，生物质直接燃烧生产石灰无法实现。
我们知道：热化学能转化有4种形式：燃烧、热解、气化和液化。虽然生物质颗粒直接燃烧不能有效应用于石灰生产，是否还有其它方式实现？“唐山金泉公司”“独辟蹊径”对“生物质燃料”在石灰生产工艺中，以生物质气化工艺在石灰生产中的应用进行了理论研究和实践应用，经过多年研发对生物质气化燃烧生产石灰技术取得了多项技术成果。
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。
“唐山金泉公司”在研究中重点对生物质气的特性、生物质气的燃烧特性等进行了系统性研究，尤其是对燃烧特性中的燃气着火温度、燃气着火浓度极限、火焰传播速度、燃烧反应速度等进行了系统性研究和中试。尤其对生物质燃气石灰窑窑型和燃烧装置的选用进行了重点研究。其中，已经完成中试及应用的燃烧系统装置包括：炉外燃烧器、炉内预热带燃烧装置、炉内煅烧带燃烧装置、炉内空气预热装置、燃气压力调节装置等，窑型主要是单膛竖窑结构、双膛竖窑结构等。
温度是工业窑炉生产过程中主要的控制参数，根据生产实测，生物质气化后的燃气热值在1100-1500 kCal/kg范围，与常规煤气汽化炉燃气热值相等，与普遍应用生产石灰的高炉煤气热值750 kCal/kg相比高出近一倍。生物质燃气在生产石灰时炉内温度最高可达1300℃，是非常适合生产石灰的燃料。
在石灰生产的炉窑中温度控制是制品烧成的关键。唐山金泉公司开发的生物质燃气专用炉内中心复合式燃烧装置是实现生物质燃气正常燃烧的关键，该项技术对现有落后的石灰窑燃烧装置进行全面提升，既进一步改善了冷却效果，又同时预热了总助燃风，解决了烧嘴无法分方位调节的关键问题，使竖窑整个气流分布和温度分布更加均匀。
成本优势也是生物质燃气生产石灰的关键，该项技术汽化采用的生物质主要是：木屑、果树剪枝、木秸混料、玉米芯、棉秸、玉米秸、麦秸等。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20%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（无烟煤出厂价格2000元左右）生产石灰相比，至少可以降低100元以上。
同时，该项技术的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，相关数据见表1：
表1：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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20（加布袋除尘10）
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20
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30
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30
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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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应该特别指出的是：生物质气煅烧石灰技术能够实施，其生物质制气技术更为关键，该项技术及成套设备由唐山金泉公司的专业协作单位完成。协作单位创立于2012年，是专业从事绿色能源开发及产品研究制造的高科技环保企业。公司从成立伊始，致力于可再生能源生物质燃气转化设备－生物质燃气气化炉的研究，经历无数次的失败及坚持，在生物能源转化技术上取得突破性进展，在生物能源转化过程中，将过去几十年困扰行业发展的污水问题、焦油问题解决，先后自主研制出六代系列生物质燃气气化炉，在失败痛苦与成功喜悦的过程中，积累了丰富的可再生能源开发利用的经验，已在国内同行业中具有领先水平。
气化技术是生物质热化学转换的一种技术，即生物质燃料在不完全燃烧条件下，其中较高分子量的有机碳氢化合物链发生裂解，变成较低分子量的CO、H2、CH4等可燃性气体。若不使用气体介质，则称为干馏（主要目的是为制碳）；按气体介质种类可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气——氧气混合气化和氢气气化等。
对于为锅炉、工业窑炉等通常用能终端提供生物质燃气而言，最为常见和成熟的气化技术为空气生物质气化技术，本文中所述的制气技术，若不进行特别说明，即指的是生物质空气气化制气技术，且采用自供热方式（即原料提供全部的气化热量）。
目前，可以应用于石灰生产的生物质气汽化设备单台机组可以满足日产60-250吨石灰的用量，而且无论流量、压力都适合石灰竖窑的使用的工艺要求。同时，采用生物质燃气用于石灰深加工的烘干生产线（比如：轻质碳酸钙生产线）已经全面推广应用，且用户反馈良好。
生物质燃气气化炉主要由供料系统、燃气发生系统、除渣系统、燃气输送系统、冷却系统、控制系统、燃烧系统和安全防爆系统等组成，主要工艺流程部分见图1：
说明：该流程图仅为常规生物质气的工艺流程，不作为生产石灰时生物制气的实际生产线流程，实际应用流程以设计后实际选型为准。
目前，唐山金泉公司生物质气生产石灰技术已经全面推出，具备了生产应用条件，从唐山金泉公司已经设计的窑型中看，单膛竖窑日产量从日产80-250吨、双膛竖窑日产量从300-600吨均可以实现。而且，重要的是该项技术设计规划的全部为“气煤两用生产工艺”，在使用生物质燃料生产时可以继续使用煤炭生产，或者气煤混合燃烧使用。唐山金泉“第三代”及“第四代”混料式燃煤石灰竖窑均可以改造为生物质燃气气烧窑或者气煤两用窑。
截止2021年11月底已经开始规划设计和应用的主要省级示范项目有安徽省、黑龙江省、山西省、甘肃省等，部分改造项目已经设计规划完毕并开始实施。
生物质燃气燃烧实验图片：
生物质燃气生产石灰工业实验图片：
三、编者调研札记
1、 生物质气技术发展现状：
第一个生物质气化( wood gas )发生炉是德国化学家比朔夫(Ka1Gustav Christophbischof ， 1792 -1870)于1839年建成的，距今已经有180年历史。我国在新中国成立初期，以及近些年某些油料紧缺的国家都使用过生物质气化气作为车船燃料。近十几年来生物质气化气经过不断研发创新，以其独特的环保和经济优势得到各级政府的积极支持，和广大用户的欢迎。
在世界范围内，生物质气化主要用于供热/窑炉、热电联产(combined heat and power，CHP)、混燃应用和合成燃料，目前规模最大的应用是CHP.20世纪80年代起，生物质气化被美国、瑞典和芬兰等国用于水泥窑和造纸业的石灰窑，既能保证原料供给又能满足行业需求，具有较强的竞争力。
近年来，生物质利用成为行业热门话题，生物质气化作为生物质利用的细分领域，一段时间以来更是得到了长足发展。除了生物质能利用企业，诸多城燃公司也正在或者尝试进入这一领域。可以说，生物质燃气是天然气的拾遗补漏，也是工业炉窑继续生存发展的新领域、新机遇。
2、 生物质燃料市场规模：
据统计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1%。
根据世界自然基金会的预计，全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年（约合82.12 亿吨标准油，相当于2009年全球能源消耗量的73%）。根据我国《可再生能源中长期发展规划》统计，目前我国生物质资源可转换为能源的潜力约5 亿吨标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，我国生物质资源转换为能源的潜力可达10 亿吨标准煤。在传统能源日渐枯竭的背景下，生物质能源是理想的替代能源，被誉为继煤炭、石油、天然气之外的“第四大”能源。
生物质能源其来源广泛，挥发分含量高，灰分含量低，含硫的有害气体量较低，燃烧过程中二氧化碳的排放量近似于零，有利于改善温室效应。生物质气是以农作物秸秆和林业废弃物经气化炉产生的可燃性气体，是生物质能源向大规模工业化应用发展的一个途径。
生物质能作为唯一含碳的可再生能源，是传统含碳矿物能源的直接替代燃料。虽然生物质气化燃气热值较低，但对于燃料品质要求不是很高的工业窑炉( 如炼铝炉、炼铜炉、轧钢炉等) 可达到其生产工艺要求；燃气经净化处理后还可能应用于对燃料品质要求更高的玻璃窑炉、陶瓷窑炉等。根据中国环境统计年报，2010年全国重点调查的工业企业中在用工业窑炉为8.3万台，2012年达到9.9万台，应用生物质燃气可低成本解决其燃料供应问题，推动生物质燃气新兴战略性产业的形成与发展。鉴于我国清洁能源需求及大气污染治理的紧迫任务，近年来各地对生物质燃料直接燃用有一定限制，但对于生物质燃气化利用给予了支持。
根据部分资料显示：预计我国生物质燃气产量从2015~2050年间由126.13亿m3增长到570亿m3，其中工业和农业生物质废物将成为未来生物质燃气的主要来源。在低碳情景下，生物质燃气能源供应量会大量提高，有利于我国能源结构更为科学的调整。
3、生物质燃料来源与石灰行业用量分析：
看到这里，读者都会产生疑问，而且是最大的疑问，就是我们石灰行业可以用于生物质生产的原料来源在哪里？
在我国丰富多样的生物质资源中，林业木质剩余物的规模最大。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿吨，大约3.5亿吨可作为能源利用，折合标准煤量后最大，达到了2亿吨，占比为43.48%。
农作物秸秆年产生量约为10亿吨，除部分作为造纸原料和畜牧饲料外，大约3.4亿吨可作为燃料使用，折合标准煤量后为1.7亿吨，占比为36.96%。
甜高粱、小桐子、黄连木、油桐等能源植物（作物）可种植面积达2000多万公顷，可满足年产量约5000万吨生物液体燃料的原料需求；畜禽养殖和工业有机废水理论上可年产沼气约800亿立方米，全国城市生活垃圾年产生量约1.2亿吨。
从上述资料中我们可以看到，目前我国每年至少有7.5亿吨生物质燃料的供应量，从我国石灰产能3亿吨计算，约有75%的产能采用煤炭生产，每年需要约2000万吨煤炭，与7.5亿吨的生物质燃料供应量相比仅为其不足3%左右。可见作为我们石灰行业的这点用量真的是微不足道，只是你不在这个行业不太了解而已。而且这个3%用量是我国全部采用煤炭生产石灰的煤炭用量，如果仅按照一部分改造用户的需求量那更是容易获得了。
重要的是：生物质燃料来源是每年都有的，而且产量是固定和不断增加的，也就是说，只要有生物质燃料来源就不会枯竭，永远可以持续下去！与煤炭开采约来越枯竭正好相反！煤炭储量随着开采量的减少价格会越来越高，从目前煤炭的不断暴涨就可以窥见一斑！毕竟物以稀为贵！这种状况将会持续下去。同时，煤炭资源各地区的资源也不尽相同，有些地区采购优质煤炭需要从千里之外采购，无论从运费和煤炭价格上看，与生物质燃料相比都没有可比性。从石灰产业长远发展看，采用生物质燃料生产必将是优选之路。
四、编者后语
12月3日，工业和信息化部印发《“十四五”工业绿色发展规划》(以下简称《规划》)，为“十四五”工业绿色发展描绘了蓝图。《规划》提出，到2025年，我国能源效率稳步提升，规模以上工业单位增加值能耗降低13.5%，单位工业增加值二氧化碳排放降低18%。
其中，在“加快能源消费低碳化转型”中重点指出：着力提高能源利用效率，构建清洁高效低碳的工业用能结构，将节能降碳增效作为控制工业领域二氧化碳排放的关键措施，持续提升能源消费低碳化水平。提升清洁能源消费比重。鼓励氢能、生物燃料、垃圾衍生燃料等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。严格控制钢铁、煤化工、水泥等主要用煤行业煤炭消费，鼓励有条件地区新建、改扩建项目实行用煤减量替代。
在“推动生产过程清洁化转型”中重点指出：强化源头减量、过程控制和末端高效治理相结合的系统减污理念，大力推行绿色设计，引领增量企业高起点打造更清洁的生产方式，推动存量企业持续实施清洁生产技术改造，引导企业主动提升清洁生产水平。
在实施工业领域碳达峰行动方面，《规划》提出：推动煤炭等化石能源清洁高效利用，提高可再生能源应用比重。加快氢能技术创新和基础设施建设，推动氢能多元利用。支持企业实施燃料替代，加快推进工业煤改电、煤改气。对以煤、石油焦、渣油、重油等为燃料的锅炉和工业窑炉，采用清洁低碳能源替代。通过流程降碳、工艺降碳、原料替代，实现生产过程降碳。
通过上述最新发布的国家产业政策不难发现：
石灰生产企业节能、降碳、应用清洁能源不仅是成本问题，更是生死问题！一场以提升资源和能源利用率，建立健全绿色低碳循环发展经济体系为核心的时代浪潮正在滚滚袭来！为应对未来严峻形式，石灰企业已经开始积极行动，探索节能降碳和新能源利用技术研发与应用。
我们从唐山金泉公司推出的“生物质气生产石灰关键技术与装备集成示范”科研项目中可以得出结论：石灰产业正经历应用清洁能源转型过程中的一次关键节点，能源转型是企业可持续发展的核心任务，而减少乃至停止煤炭应用已是大势所趋。启动弃煤进程，加速自身能源供给结构向清洁化方向转型是石灰产业发展的必然走势。
同时，我们从此次的“生物质燃气生产石灰”技术中也不难看出，采用生物质燃料比使用煤炭更具优势，无论从生产成本的降低、石灰品质的提高、产业政策的支持等各方面均体现出不可比拟的优势，我们坚信，该项技术的推出必将为石灰行业新能源的利用起到示范性作用，也必将起到“抛石引玉”的作用，让更多的新能源应用到石灰行业中来，这也是编者撰写本文的初衷。
在这里，我们再次感谢唐山金泉公司为我们行业带来的新技术和新理念。法国寓言诗人拉·封丹曾经说过，耐心和持久胜过激烈和狂热，这句话用在“金泉”团队身上再合适不过。唐山金泉公司品牌创立32年以来，唐山金泉公司的研发团队一直专注于石灰行业的发展，自1992年研发成功国内首座低热值煤气（高炉煤气）石灰竖窑以来，无论是在工业尾气、发生炉煤气、天然气等燃气生产石灰方面还是固体燃料及电烧生产石灰方面都积累了成熟的经验，因此可以总是快人一步开发差异化功能石灰生产新技术、新工艺。此次生物质燃料的应用开发是在该公司推出的“煤电一体化石灰窑”生产石灰技术后的再次创新，采用电烧和生物质燃气生产石灰不仅开创了新能源领域生产石灰的先河，同时也让“唐山金泉”站在更高的起点上分享创新，助力行业发展，这不仅是企业社会责任，更是整个行业的奋斗目标。
资料编辑：
中国石灰产业学会
孙菲
2021年12月09日
特别说明：
为了让大家进一步了解生物质燃料生产石灰的详细的介绍，有意向建设或改造相关项目的读者可以免费索取电子版《生物质燃气生产石灰可行性分析报告（中国石灰产业学会编制）全版》资料。
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“唐山金泉技术团队”石灰行业十大贡献
★国内第一座120m³低热值正压煤气石灰竖窑（1992年）
★国内第一座机械化气煤两用石灰竖窑（2006年）
★乌兹别克斯坦首座天然气石灰竖窑（2010年）
★国内最大（当时）单体容积混烧燃煤竖窑（588m³）（2010年）
★国内首座内置对烧套筒石灰竖窑（2012年）
★印度尼西亚首座煤气发生炉煤气石灰竖窑（2014
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