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探寻降碳密码—解析传统能源与清洁能源联产石灰关键技术
一、编者导语
“十四五”以来，我国石灰产业进入转型发展新时期，通过持续淘汰落后产能、大力推进技术创新、严格实施环保改造等一系列举措持续发力，产业可持续发展取得显著进步。同时，在碳达峰、碳中和背景下，所有石灰生产企业均面临着严峻的降碳压力和挑战。随着我国“双碳”政策的逐步实施，石灰产业低碳发展课题已经开始成为“重中之重”，基于我国石灰生产以煤为主的能源结构和基本国情，在实施煤炭清洁高效利用的基础上，选择应用新的清洁能源和可再生生源是实现石灰生产能源转型的必由之路和首要任务，也是石灰产业向实现“零污染物排放、零碳排放”目标迈进的关键一步。
目前，为了实现“碳中和目标”，我国将加紧推进能源体系清洁低碳发展，推动低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。我国能源结构正向绿色低碳转型，煤炭将从主体能源地位逐步转变为可再生能源平抑波动的稳定器，在相当长的时期内将与可再生能源相互依存，并支撑可再生能源的大规模消纳需求。所以，在决定石灰产业未来的关键、前沿技术大开发上，一定要走协同创新之路，在关键低碳石灰生产技术方面，要在研发组织上实现变革和突破。要鼓励先进协同减排技术示范应用，对典型行业源头及过程碳减排控制技术和装备开展研究，研发可行技术。
从目前我国石灰产业的发展状况来看，以技术创新推动碳达峰和碳中和才是平衡环境与发展的根本之道。在加快经济绿色转型、大力发展低碳产业、推进资源节约集约循环利用、发展共享经济、扩大碳汇潜力，推进绿色低碳循环发展的过程中，需要全面围绕低碳技术创新为中心不动摇，在普及推广“适用性”低碳技术的同时，寻求“颠覆性”低碳技术也是我们行业的当务之急。
为此，中国石灰产业学会专门对目前可用的先进石灰生产工艺技术进行了调研，重点对清洁能源、可再生能源等新型能源在石灰生产领域的应用情况进行了专项调研，以期解开新能源在石灰产业应用中的可行性和技术关键点，供大家交流参考。
二、适用于石灰生产“减碳、降污”的清洁能源结构
当前，国家严控使用煤炭等传统石化能源，石灰生产采用煤炭生产的项目已经不再审批，而且逐步加大淘汰传统燃煤石灰窑步伐，实现“减碳、降碳”目标。从目前石灰生产的燃料结构分析及从国家产业政策和行业发展远景来看，采用天然气生产石灰将是首选的替代能源。天然气作为未来的主要能源，具有许多其他能源所不具备的优势：天然气是最清洁的燃料，天然气燃烧后生成二氧化碳和水，与煤炭和重油比较，燃烧天然气产生的有害物质大幅度减少，如以天然气代替燃煤，可减少氮氧化物排放量 80 — 90 ％，一氧化碳排放量可减少 52 ％，并基本杜绝二氧化硫的排放和城市酸雨的产生。天然气还具有安全的特点，燃烧时不会产生一氧化碳等有毒气体，不会危害人体健康，密度比空气轻，即使泄泄露，也是往上空飘散，不易形成爆炸源。
但是，由于我国的能源结构特点限制，我国大部分地区的天然气价格都非常昂贵，从其生产成本角度来看，天然气生产成本还远远高于煤炭生产石灰的成本，致使无法直接或全部使用天然气生产石灰。目前仅有新疆、四川、陕西等少数地区的天然气价格较低，其生产成本接近煤炭生产石灰的成本，但是由于传统石灰生产工艺装备及天然气燃烧特性的限制，绝大部分传统竖窑无法采用天然气生产石灰。所以，在优先选择天然气作为生产石灰燃料的前提下，如何选择新的可用能源和替代能源生产石灰是目前亟待解决的问题，如何选择可以采用新能源生产石灰的新工艺、新装备也是广大石灰行业从业者的期盼。
而在可再生能源中，完全具备替代化石能源天然禀赋的只有生物质能。在我国调整能源结构时期，只有生物质能源才能覆盖工业文明所有能源商品，并承担起新能源转型的任务，这一点是其他可再生能源所不具备的。同时，生物质具有能源储量丰富、有利于生态环境的保护、利用模式多元化、可实现无缝式能源替代等特征。重要的是，生物质能源是天然的绿色燃料，燃烧后从原料再生到能源转化，可全周期趋于碳的零排放。也就是说生物质能源是碳中性的，不向大气中增加CO 2 排放。
因此实现碳中和目标，生物质能大有可为。在煤电被逐步去产能的今天，由于煤改气、煤改电陷入成本瓶颈，而风电和光伏不能实现稳定供能，生物质热电正成为工业生产用能最佳替代角色。生物质能与化石能源高度融合，可稳定、安全的提供电、气、热和油及生物质粉料，且无需改变现有的能源基础设施和架构体系，实现无缝式能源替代。中国提出碳减排“3060”目标，这为可再生能源发展提供了巨大的发展空间，生物质能也将会受到国家的重视，从而正式开启能源替代时代。
三、再上新高度，新能源与传统能源完美结合生产石灰
2022年 04月08日，“中国石灰产业学会”2022年专项新技术新产品鉴定会上，来自行业的领导、专家、学者以及行业媒体共同见证“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”等单位在石灰行业系列新产品、新技术的鉴定。与会专家听取了5项新产品、3项新技术的研制和应用情况汇报，审查了鉴定文件和设计图纸、专利文件、产品样品以及客户应用的商务合同等，并进行了现场质询和讨论，最终一致鉴定结果为3项新产品、新技术在关键技术水平、生产工艺、性能指标等达到国内领先水平，2项新产品、新技术达国内先进水平，且社会效益突出，对石灰产业的发展具有重要推动作用。
中国石灰产业学会领导在鉴定会上发表致辞，对唐山金泉公司在石灰行业领域全面发力推出诸多新产品、新技术取得重大突破表示诚挚祝贺。
会议中，经与会专家组成员一致通过，对唐山金泉公司的“TSM型清洁能源联产石灰系列技术”之“双膛竖窑喷吹生物质粉低耗降碳生产石灰技术”和“天然气与生物质燃料联产石灰工艺及装备”两项拥有自主知识产权的专利技术颁发了“新技术新装备行业推广证书”。
会中，我们对该项技术进行了专访，重点对行业关注度最高的“天然气与生物质燃料联产石灰工艺及装备”（天然气+生物质+煤炭）技术及装备情况进行了深入了解。
从行业鉴定资料中显示（摘抄）：
单膛竖窑采用天然气与生物质燃料联产石灰工艺及装备主要特征：
该项技术提供了一种新的活性石灰生产工艺及装置，通过设计应用炉外周边燃烧装置、炉内中心喷吹装置、炉内中心燃烧装置、炉内空气预热装置、燃气压力调节装置等措施与碳循环工艺有机结合，可以使用天然气和生物质气两种不同热值的燃气和生物质粉料燃料在同一炉膛内混合燃烧，并且在混合燃烧中达到理想的着火温度、着火浓度极限、火焰传播速度、燃烧反应速度等工艺特性要求。不但达到了二氧化碳回收利用和减排降碳的目的，而且结构简单实用、紧凑，生产效率高，产量高、经济性好。尤其单独使用生物质燃料时比使用煤炭可以降低40%以上燃料成本，而且对生物质燃料的深层次利用，减少矿物燃料的使用给环境带来的严重污染，对提高整体石灰生产工艺水平、降低生产成本、提高产品品质，以及在减污降碳、改善生态环境、保障国家能源安全等方面具有重要意义。
该项技术现有技术相比，有以下优点：
（1）、采用的燃料以天然气燃料为主，天然气是最清洁的燃料，燃烧后生成二氧化碳和水，与煤炭和重油比较，燃烧天然气产生的有害物质大幅度减少，以天然气代替燃煤，可减少氮氧化物排放量 80 — 90 ％，一氧化碳排放量可减少 52 ％，并基本杜绝二氧化硫的排放和城市酸雨的产生。
（2）、采用天然气为燃料还具有安全的特点，燃烧时不会产生一氧化碳等有毒气体，不会危害人体健康，密度比空气轻，即使泄露，也是往上空飘散，不易形成爆炸源。
（3）、采用的生物质燃料能源中的有害物质含量很低，属于清洁能源。每利用1000吨秸杆或枝柴来代替煤，在减少约1400吨CO2排放的同时，还可减少约4吨SO2和约10吨烟尘的排放。
（4）、采用的生物质燃料能源的转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物质能源的使用过程又生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循环排放过程，能够有效减少人类二氧化碳的净排放量，降低温室效应。
（5）、可实现温室气体CO2零排放。大气中的CO2通过光合作用进入生物体，生物体的碳通过燃烧、降解和呼吸作用重新变成CO2又回到自然界，从而构成碳元素的循环链。从理论上讲，生物质能源的利用基本可以达到CO2的零排放。根据《京都议定书》机制，生物质燃料CO2为生态“0”排放。
（6）、不改变传统燃煤石灰竖炉及燃气石灰竖炉主要工艺结构特征，使大部分石灰竖炉都可以应用本发明的工艺方法和装置，利于工业化推广。
（7）、能够单独全部使用天然气燃料生产。
（8）、能够单独全部使用生物质气燃料生产。
（9）、能够在使用燃气生产时喷吹部分生物质粉料，达到助燃和降低燃料成本的目的。
（10）、能够实现在炉外燃烧装置使用天然气燃料和在炉内燃烧装置使用生物质气燃料生产，实现两种不同热值的燃料在不同装置中燃烧在同一区域内供热的混合燃烧供热方式，解决了天然气等高热值燃料和生物质气等低热值燃料不能直接混合后燃烧的关键性问题。
（11）、通过天然气和生物质气等洁净燃料的组合，使环保排放指标更低，在线达标排放指标：颗粒物≤10mg/m³，二氧化硫≤50mg/m³，氮氧化物≤100mg/m³。
（12）、由于设置了炉内中心燃烧装置，使炉内中心热能供应更加均衡，解决了传统周边式烧嘴式燃气竖窑因窑体直径过大时热能无法达到炉中心而造成的产量低、石灰生烧率高的问题，使传统单膛竖炉的产量成倍增长，产量和生产利用系数已经高于目前的双膛石灰窑。
（13）、窑膛采用圆形与环形相结合的断面结构，窑的下部带有中心分料柱，内装中心燃烧装置；物料在上部的圆形断面窑膛内预热和焙烧，在下部的环形断面窑膛内冷却。
（14）、窑型立面工艺断面采用AHA型仿形结构，解决了煅烧带高温煅烧容易产生棚料（悬料）的弊病，使冷却带物料下降更平稳、冷却效果更佳，有利于提高石灰活性度。
（15）、保留了使用煤炭等固体燃料生产石灰的各项功能，实现了气煤两用生产。其技术关键点是炉内中心燃烧装置为可拆卸结构，用于当长时间采用煤炭等固体燃料生产石灰时的生产工艺要求。
（16）、新型炉内筛分倾动旋转布料器实现了燃气和燃煤两种不同工艺的布料要求，通过调节及更换不同角度的布料钟，可在使用燃气生产时把大颗粒石料布置在窑壁周边，在使用煤炭等固体燃料生产时可以把小颗粒石料布置在窑壁周边，有效降低了窑壁效应。
（17）、在竖炉炉体内部出灰系统设置多点旋转计量出灰装置，采用分区减量称量卸料，达到在使用不同燃料时可通过以精准控制出灰量控制和调整炉况。
（18）、在炉内设置二氧化碳气体回收装置进行二氧化碳气体循环利用，利用二氧化碳灭火阻燃原理达到当使用天然气等高热值燃料时降低其燃烧反应速度的目的。
（19）、通过对炉内二氧化碳气体的循环利用，达到了二氧化碳气体增加浓度的目的，使二氧化碳气体回收、捕集成本进一步降低。
（20）、生产成本进一步降低，尤其是采用生物质燃料，其生产成本仅为煤炭燃料成本的60%左右，仅为天然气成本的40%左右。当采用组合燃料生产时其生产成本也低于采用单独燃煤燃料成本。
（21）、综合能耗低，单位能耗低于870Kcal/kg石灰.
（22）、通过实际生产数据显示，采用天然气和生物质气等气体燃料生产时与普通混料式燃煤竖炉相比，该项技术的工艺和装置生产的石灰活性度可以提高80-150ml范围，石灰生过烧率可以降低8%以上，石灰钙点可以提高8%以上。
（23）、投资低，延续了传统石灰竖炉投资回报率和投资性价比高的特征。与传统单膛混料式燃煤石灰竖炉投资相比，除去增加的燃烧系统装置投资外，整个生产系统的投资没有增加。与双膛石灰窑投资相比，同等产量下投资只有双膛石灰窑的三分之一左右。
本节编者点评：
目前，国内石灰行业中采用气体燃料大都是低热值工业尾气，如：高炉煤气、转炉煤气等，大多数竖窑为圆形断面结构，设置的是周边煤气烧嘴，向中心的穿透能力较差，使窑的容积受到局限，单窑产量较低，一般在60-120吨范围。尤其是当采用热值很高的天然气为燃料时由于火焰更短，向窑中心的穿透能力更差，产量更低，而且极难操控，产品质量更差。如何选择新的生产工艺和适宜的窑型结构以适应高热值燃料在单膛竖窑上的应用是目前行业亟待解决的技术难点。唐山金泉公司推出的这项技术把天然气等高热值燃料燃烧特性与生物质燃料等低热值燃气燃烧特性有机的组合，达到了理想的燃烧特性，使单膛竖窑实现了高产化、燃料多样化。而且适应范围广、造价低，十分适合我国国情，有广泛的推广价值。
事实上，通过笔者调查，目前国内采用中心燃烧器燃烧方式的单膛竖窑生产技术已经非常成熟，采用低热值工业尾气的窑型单窑日产量已经最高可以达到800吨。其产能和产品品质已经可以与国外双膛竖窑技术相媲美，尤其是其投资性价比和占地面积更具优势，同等产量下其投资仅为双膛竖窑的50-60%范围，占地面积也可以节省30%以上的面积。
所以，就是不考虑“双碳”背景，随着企业生产规模扩大，国内现有的单膛气烧竖窑的生产工艺和生产能力也已经难以适应企业生产发展的需要，更多的用户希望用大型单膛竖窑取代中小型竖窑，以节约用地，减少投资，降低消耗、减少排放和提高产品品质。
四、编者后语
“双碳背景”下，什么是新技术？什么是好项目？我想，它必须要能够符合国家政策、满足社会需求、解决社会问题、创造社会价值、分配社会财富，缺一不可。唐山金泉公司“TRM型清洁能源联产石灰技术（天然气+生物质+煤炭）”系列技术的推出，很好的诠释了上述特征。该项技术的核心价值在于让传统石灰窑找到能够持续发展的新路径，即解决了目前石灰行业“减碳、降污”的难题，也实现了“节能、降耗、提质、增效”的目的。
通过对剖析这项技术中的关键点我们也不难看出：这项工艺通过实施天然气与生物质燃料联产活性石灰的各项工艺方法及装置，可以解决现有单膛竖炉技术存在的生产石灰时不能使用高热值燃气和低热值燃气混合燃烧、不能喷吹固体粉料燃料问题。通过在单膛竖炉炉体内部设置的炉内中心燃烧装置与炉体外部设置的炉外燃烧装置组合应用，实现了使用天然气燃料和生物质气燃料及生物质粉燃料三种清洁燃料在同一炉膛内燃烧生产活性石灰的目的。不但结构简单实用、紧凑，煅烧时间短、生产效率高，产量高、产品品质好、经济性好，生产成本低；而且实现了清洁能源替代矿物质燃料和对生物质燃料深层次利用的目的。同时还大幅度降低了污染物和二氧化碳的排放，在减污降碳、改善生态环境、保障国家能源安全等方面具有重要意义。
2022年是推进“十四五”发展、实施“双碳”规划、构建新发展格局的关键之年。唐山金泉公司技术团队能够立足新发展阶段，坚持新发展理念，构建新发展格局，以推动行业高质量发展为主题，强化科技创新为支撑，在创新之路行稳致远。“凤凰涅槃，只为重生。其羽更丰，其音更清。其神更髓，其业更精”。唐山金泉公司品牌始创至今已经34年，自1992年率先研发成功国内首座低热值煤气燃料气烧石灰竖窑开始，一直走在行业创新的前沿，它们的每一次创新，都是对自身的突破和超越，都是对理想初心的坚持和追求。此次石灰行业系列产品的鉴定将会为新时代背景下的新技术推广开启应用元年，也为石灰产业的持续、健康发展贡献力量。
目前，该项技术的“第五代新型绿色复合能源石灰竖炉（TSM-400）”（天然气+生物质+煤炭）省级示范项目已经在多省市展开，其中陕西、山西、黑龙江、甘肃、广西、安徽等地的项目已经开始实施。
鉴于涉及相关专利技术核心，本文不做更详细的技术分析，如果投资者和读者需要了解更详尽的技术方案和实施方案，可联系唐山金泉公司索取：刘经理15512593479（微信同号）。
文稿编辑：
中国石灰产业学会
孙菲
2022年4月15日
附2022年度各省省级示范项目现场施工图片：
“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）
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