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三、“中心烧嘴式石灰窑”技术进步与创新
近年来，科技进步带来了各行业的发展，其中也包括石灰产业。石灰生产的新技术是现代科学重要的组成部分，石灰行业新一代技术装备是在目前石灰焙烧工艺技术基础上，进一步创新与拓展窑体功能，提升单体石灰窑生产能力实现大型化，优化与提升高能效烧成技术，融入现代智能技术，提高产品质量和降低能耗，使我国石灰行业技术、装备、资源能源利用效率、节能减排、自动化水平、经济技术指标都得到较大的提高和提升，达到世界领先水平。
我国带中心烧嘴的气烧石灰竖窑，在全世界属于首创，发源于河北唐山市，经过15年的不断提升与改进目前处于国际领先水平，主要体现在单窑产能大，且可以利用低热值气体燃料。自从该项技术被生态环境部在《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南》文件中确定为环保A类企业的适配工艺，以及被国家三部委（国家生态环保部会同国家发展改革委、工业和信息化部）在《国家清洁生产先进技术目录（2022）》文件中被列为推荐技术以后，越来越受到市场的认可，新的创新技术也不断涌现。
其中，唐山金泉冶化科技产业有限公司勇担绿色发展使命，在石灰行业率先发布碳达峰碳减排路线图，大力推进“双碳”工作，创建了一个可以独立于化石能源之外的绿色石灰生产体系。其中，在富氢碳循环石灰竖窑技术领域，积极探索、勇闯“无人区”。其自主研发的能够实现独立使用清洁能源和可再生燃料生产的新一代“中心烧嘴式石灰窑（专利号：202320170978.7）”获得国家专利保护，多个示范性生产线项目也相继投产，各项生产指标、经济指标再次获得提升。新工艺具有安全、稳定、顺行、高效，燃料适应能力强、建设成本低，与传统竖窑兼容性和配性好等特点。
该项系列技术主要有以下技术创新：
3.1、富氢燃烧理论创新
（1）、创新采用了生物质粉与富氢燃气耦合燃烧的技术，通过利用生物质粉中含有10-30%范围的水分特性，在燃烧过程中当水蒸汽处在1200℃以上的环境中，分解为氢气与氧气参与燃烧，从而使氢气充分燃烧释放更多的热量，实现了以部分水作为燃料燃烧生热的目的，也达到助燃及提高燃烧温度的目的，
（2）、生物质粉在炉内高温带燃烧时生成的热解气体H2含量可达14%以上，CO含量可达20%以上，CH4含量可达5%以上，这些可燃气体在燃烧过程中都转化为热能，提高了燃烧温度，达到了石灰石的分解温度。同时，生物质在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，在煅烧石灰的过程中直接参与燃烧，既提高了燃烧温度，避免了燃烧残余物对石灰的影响。
3.2、创新应用生物质热解全汽化技术：
应用国内最新生物质热解“全气化”技术，该项技术堪称生物质能利用领域的“颠覆性技术”，实现了生物质气化领域可望而不可及的高热值、高气化率、燃气纯净、超低排放等系列目标。
该项技术在“全气化”过程中产生的焦油在强化裂解过程中被裂解成了燃气，最终使气化燃气成为唯一主产品，副产品为秸秆气化后草木灰，约占原料比重3%——即每吨秸秆“全气化”后草木灰约30公斤。
第三方检测数据证实，热解“全气化”其产气量高达1500-1610立方/吨、气化率最高达到89.95%（平均气化率87.75%）、燃气热值最高2185大卡/立方（平均2033大卡/立方）。
3.3、石灰生产工艺创新
（1）、独立使用天然气生产：
通过在燃料供应系统设置天然气供气调压装置以及在炉内设置惰性气体阻燃装置达到高热值燃料适宜的燃烧反应速度。
（2）、实现独立使用生物质燃气生产：
通过设计应用新型生物质发生炉生产适合石灰窑应用的生物质燃气，在燃料供应系统设置生物质气供热装置。通过燃气发生器、燃气输送管路等达到生产中使用生物质燃气时所需要的压力、流量、热能。
（3）、实现天然气与生物质气联产石灰：
从唐山金泉冶化科技产业有限公司发明专利《一种天然气与生物质燃料联产活性石灰的工艺及装置（专利号：CN114656170A）》资料显示：该技术能够实现在竖炉炉体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。
（4）、实现独立使用生物质粉料生产：
通过采用新型的炉内中心烧嘴燃烧器与炉外周边燃烧室、蜂窝式余热燃料烘干装置、高温蓄热装置等关键装置的组合应用，解决了助燃空气与生物质粉稀相混合同步输送的功能和生物质粉自燃点火的关键性技术难题。使生物质粉在石灰竖炉内直接高温裂解为热解气体和热解炭黑燃烧煅烧石灰，实现了竖窑独立直接喷吹生物质粉生产高活性石灰的目的。
（5）、实现独立使用生物质微粉生产：
通过把生物质被破碎到微米级与预混空气混合可以实现燃料的物理带氧，粉体入炉后瞬间完成固/气转变，与预混空气近单相极速燃烧，燃烧温度高达1450℃，达到了工业高温燃料的能源品质；燃烧效率为98.8%，接近天然气的燃烧效率，实现了低热值生物质燃料高温高效燃烧的目的。这项创新性技术突破了生物质常温空气状态下燃烧温度低于900℃，以至于无法工业应用的技术瓶颈。
（6）、实现“气粉双燃”生产：
通过采用微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹燃烧的方法，在炉内不同区域分成固态微细粒生物质燃料喷吹区域和气态含氢燃气喷吹区域，并分别喷吹微细粒生物质燃料和含氢燃气，其含氢燃气来自于生物质气发生炉。该项技术还可以实现生物质与煤的复合燃烧，即生物质喷燃技术。该技术是利用粉碎后的生物质原料，利用风机稀相输送将生物质粉体原料直接喷吹入窑体内部，在竖炉煅烧带与煤形成复合燃烧。
（7）、实现气煤两用生产：
该技术通过改变窑型结构，应用多功能布料装置和出灰装置、炉内三级布风等关键措施，可以把传统单膛混料式石灰竖窑直接改造为气烧和混烧两用石灰竖窑，而且不改变传统燃煤石灰竖窑及燃气石灰竖窑主要工艺结构特征，使大部分单膛石灰竖窑（尤其是唐山金泉公司2019年开始推出的第四代燃煤石灰窑HHA窑型技术）都可以应用该工艺方法和装置。
3.4、炉体结构创新
窑型结构采用了“AHA仿形”结构，采用多椎体圆台与直线型结构组合应用，改变了窑体上下椎体收口的模式，通过新型风帽与窑体冷却带炉璧的形状组合，改变了冷却带的气流直线走向，气流向煅烧带中心区域辐射，使流向煅烧带中心的气流流量增加了30%以上，同时减少了煅烧带窑壁周边同等流量的风量。煅烧带流向预热带的气流也变为折线流向，使高温热气流逐渐向预热带中心增加流量，使预热带的中心通风效果更加强化。该项技术实现了石灰竖窑“三段富氧动态煅烧”方式。
该项技术的应用，全面的、系统的揭示了“块状料层对气流的阻力问题”和“块状物料在窑内的气体速度场问题”等关键性问题，使助燃风可以科学的分层分布到所需要的窑内炉料断面上，使窑内气流均匀、火焰燃烧强度一致，窑内热气流由中向边、由边向中流动，气流、气压分布科学合理，使窑体统一截面上气流分布趋于一致，有效解决了窑壁效应及料柱抽芯问题。
3.5、炉体焙烧方式创新：
炉体煅烧带燃烧系统采用炉外周边燃烧室设置的燃烧装置与炉内中心燃烧装置组合应用的方式。炉外周边燃烧装置采用低氮燃烧方式，燃烧稳定可靠，寿命长不回火，火焰穿透能力强。供热采用燃烧器之间的夹角和倾角多级复合组合方式，通过高速、亚高速、常压等压力和流量的控制，实现燃烧器火焰在不同区域达到长焰、短焰互补燃烧，平向火焰与斜向火焰交叉燃烧，使炉内燃烧气氛更加充分。尤其是当独立使用周边燃烧室燃烧粉状生物质燃料时的室外环形气力清灰输送装置具有独创的典型特征。
新型炉内中心燃烧装置淘汰了传统的中心烧嘴在内部设置集束管道而且需要单管操控的方式。采用新型的双层燃烧室一体化结构，燃烧室内部结构为均压、等量的放射状输送方式，实现了助燃空气与燃料预混合燃烧，而且还实现了燃料及助燃空气集中炉外操控的模式。具有操作简单、易控、安全、使用寿命长等特征。同时，该装置设置为自冷却式拱形支撑结构，主体结构设计为可拆卸分体结构，不但具备了炉内检修及更换的功能，而且解决了传统中心烧嘴平向梁式支撑容易造成中心燃烧装置膨胀、开裂、倒塌的关键性问题。
新型中心燃烧装置燃烧功率达15～28GJ/h，为焙烧带中心提供了强大的中心火焰，使炉内中心热能供应更加均衡，解决了传统周边烧嘴式燃气竖窑因窑体内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。与传统周边烧嘴石灰窑内径不能大于3m相比，中心烧嘴石灰窑内径目前已经可以超过6m，可见，中心烧嘴技术的提高是该项技术中最关键的地方，尤其是当使用天然气和生物质气等短火焰燃气时效果更加明显。
3.6、低氮无脱硝环保工艺创新：
当使用高炉煤气及生物质等低热值燃气时，在使用同等原燃料条件下，吨灰总废气量和废气含氧量大幅降低，炉顶废气含氧量仅为2%～5%，彻底避免了排放物含氧量折算的困扰。而且由于以含硫很低的工业尾气和清洁燃料为主，外排烟气含硫量都极少，不需投资建设脱硫设备，就可达到超低排放标准，也节省了脱硫的运行费用。同时，由于煅烧带极限炉温≤1250℃，高温带较短、氧气浓度低，窑顶废气多级循环余热利用，有效的消除了产生热力型硝（NOX）的热力学条件，因此不需投资建设脱硝设备，就可达到超低排放标准，也节省了脱硝的运行费用。
3.7、工艺装备创新：
（1）、布料装置：
“新一代提升式倾动旋转布料器”成套装置，能够实现炉内物料筛分、提升、旋转、倾动、布料等“五项合一”是该装置的主要创新点，可以把不同粒度的石料通过多级复合旋转筛分体和倾动布料装置在炉内进行复合分级筛分及定点布料，可以把石料按照不同粒径根据炉体圆周半径进行差别化布料。
布料器设置反向机械手撒料装置，实现了燃气燃料生产和固体燃料生产时两种不同工艺的布料要求，在使用燃气生产时，把大颗粒石料布置在窑壁周边，在使用固体燃料生产时，可以把小颗粒石料布置在窑壁周边，有效降低了窑壁效应。
实现“差热法”燃料布料是该项技术的“关键点”，也是实现“气煤两用”生产的重要革新。由于窑壁阻风造成窑壁周边通风快原因和炉墙吸热能耗高等原因造成竖窑的“窑壁效应”是传统竖窑的最大弊病且一直无法解决。新型布料器创新采用了复合筛分功能，根据窑内断面边部及中部通风程度差别和能耗的差别，分别加入不同的煤量，有效的均衡了窑内断面的热量分布。
（2）、新型粉体给料装置：
通过设置固体生物质粉料燃料多级螺旋定量给料装置、高压风机及多孔式空气分配器和输送管道的的组合应用，实现生物质燃料粉料输送时所需要的压力及气力稀相物料输送，达到助燃空气与生物质燃料同步输送燃烧的目的。
（3）、闪蒸预热装置
通过设置蜂窝式双预热装置，采用炉顶烟气余热对生物质粉进行预热、烘干，将生物质粉通过气相变压闪蒸工艺原理进行部分脱水，制成热值高、含氧高的生物质富氢微粉，同时使之达到理想的输送性能和理想的着火点。同时把预热、烘干过程中的生物质粉进行稀相输送。
（4）、炉内中心燃烧器喷吹装置：
在石灰竖炉炉体内部中心燃烧器设置喷吹装置，在炉内中心部位喷吹生物质粉燃料提供热能，达到直接燃烧生物质粉料的目的。
（5）、炉内预热器装置：
在炉体内部的中心烧嘴装置中设置助燃空气一级预热功能，对炉内中心烧嘴装置和炉外燃烧装置的助燃空气进行预热，既达到了冷却炉内燃烧器的目的，也达到节能和提高燃烧效率的目的。同时在炉内预热带上部设置多管式助燃空气二级预热装置，可提高助燃空气温度300℃以上。
（6）、复合高温蓄热装置：
当使用生物质粉体燃料时，在炉内预热带下部设置多个空气预热循环通道，与预热带炉外多个高温蓄热装置联通，利用炉体预热带的高温废气温度与二次预热的助燃空气进行三级高温蓄热，使助燃空气温度提升至450℃以上，达到生物质粉燃点，实现自燃点火燃烧。
（7）、多通道旋转出灰机成套装置：
该装置是实现“气煤两用”生产功能的关键装置，可实现多通道多点平稳下料，在炉体出灰系统设置多点旋转计量出灰装置，达到在生产时可通过以精准控制出灰量控制和调整炉况。实现分级多点卸料，快速有效解决下料不均及偏料现象，可定点、多点排料快速解决窑内的偏烧、偏料现象，而且出料时料柱阻力均匀、排料顺畅。该装置实现了炉内周边多通道同步旋转出灰，炉内周边分布的多个可调式卸料装置下料点汇集到一个旋转机构，与旋转体同步旋转下料，而且每个卸灰装置的出灰量是可调的，通过调整操控旋转体的旋转速度、下料速度来改变成品石灰下落前的堆积次序，使炉内断面各处下料均匀，出灰准确，出灰效率高、成品灰不破碎、炉内料位下降平整。
四、结语
技术进步是促进清洁能源和生物质能在石灰产业中应用的前提，只有通过各种石灰生产技术开发利用的发展突破，加大生物质能应用技术研发投入力度，特别是要着力解决一批关键核心技术，加强自主国产化生物质生产石灰成套设备的研究与产业化开发，就能实现绿色清洁生产和降低石灰生产成本，提高石灰生产企业的市场竞争力。
“十四五”时期，我国生态文明建设进入以降碳为重点战略方向的新阶段，推动减污降碳、协同增效，促进经济社会发展全面绿色转型，实现生态环境改善，成为重点工作。尤其是生物质能作为国际公认的零碳可再生能源，具有绿色、低碳、清洁等特点，即可以满足供应清洁能源、治理环境污染和应对气候变化目标，同时也可以满足石灰生产的实际需求。对于推动石灰产业绿色能源结构替换具有重要意义。
文章作者：
孙武生：中国石灰产业学会专委会副秘书长
截稿日期（2023.02.18）
附：唐山金泉公司部分典型“中心烧嘴石灰竖炉”及“煤电一体化双膛石灰窑”现场照片：
1、2022年及2023年在建项目掠影：
2、已经投产“TMS中心烧嘴石灰窑”
（一）、“第六代中心烧嘴石灰竖炉”（2021）
（二）、“第七代中心烧嘴石灰竖炉”（2022）
附：2021年已投产及在建的部分典型国产化双膛石灰窑现场照片：
“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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