石灰生产绿能燃料应用新途径
—生物炭替代煤粉生产石灰碳减排技术研究进展
一、编者导语
2024年5月9日-11日在京举办的主题为“新征程.新利用.新价值”的“2024（第五届）全球生物质能创新发展高峰论坛”和与高峰论坛同期举办的“有机固废资源（能源）化利用科技装备展”中，唐山金泉冶化科技产业集团董事长刘玉泉、唐山金泉冶化科技产业有限公司总经理刘久盛及团队人员受邀参会并带去了多项生物质燃料在石灰行业及其它行业中的应用技术，受到了上下游用户广泛关注。
其中，唐山金泉公司具有自主知识产权及国内首创的“生物质能源气炭联产石灰技术”和“石灰窑回收二氧化碳与生物质耦合转化一氧化碳燃料联产石灰技术”及“煤炭与生物质复合串行气化裂解工业固废联产石灰技术”和“生物炭替代煤粉煅烧石灰减排技术”等多项新成果崭露头角，受到用户和合作单位青睐并达成多项合作意向。
会后，编者在发布了“唐山金泉受邀进京参加高峰论坛”即时通讯文章对上述技术进行了简要介绍（点击进入:唐山金泉受邀进京参加高峰论坛）。文章发布后收到了众多读者留言和电话咨询，编者根据读者咨询的事项与专利技术持有者唐山金泉冶化科技产业有限公司研发团队人员进行了走访和调研并形成文稿，以期能够为大家进一步深度了解相关技术的研发和应用进程，本期文章首先对“生物炭替代煤粉煅烧石灰减排技术”进行报道，上述其它技术也将陆续跟踪报道。
二、技术应用背景
生物质作为一种可再生的清洁碳资源，具有产量大、分布广、价格低廉等特点，与传统的煤炭等化石燃料相比，生物质能源具有的经济、环保和社会优势十分明显，而且生物质是太阳能以化学能形式存储的一种能量载体，通过光合作用固定大气中的CO2，因此具有零碳属性。目前我国生物质资源年产量约35亿吨，开发利用前景广阔，将生物质资源能源化不仅能避免资源浪费，创造增量价值，还有助于建设宜居宜业的美丽乡村。
石灰行业是能源消耗和碳排放大户，在其快速发展的同时，也带来了大量的环境污染。特别是随着碳交易的逐渐落实，石灰企业的CO2减排任务十分迫切，因此在碳中和背景下寻求可替代传统煤的零碳原料是石灰行业重点发展的碳减排技术，而降低CO2 排放的关键在于减少或替代煤炭能源的使用。
通过采用生命周期分析方法对不同技术的吨灰CO2排放量进行比较，其中采用生物质燃料所排放的CO2量最低，这说明生物质在减少化石燃料和石灰生产中CO2排放方面具有巨大的潜力。
生物质是一种清洁、环保可再生的含碳能源，而生物炭是生物质经热化学转化制得，与煤炭、焦炭等化石原料有相似的组成成分及理化特性，具备成为替代碳源的潜力。生物炭具有碳中性特征，碳含量和热值与煤接近，是煤粉和焦炭理想的替代原料，具备石灰煅烧时所需的理化特性，将其热解产物生物质半焦用来替代煤粉进行石灰窑喷吹燃烧，既可以减少石灰窑对煤炭资源的消耗，也可以降低煤炭资源的开采量，从而降低CO2排放。
三、应用技术途径和方法
1、钢铁行业应用技术借鉴：
许多研究已经对生物炭部分替代煤粉应用于高炉进行工业实践和理论计算，证实其具有安全性和较好的碳减排效果。早在2022年3月份，首钢股份就在1号高炉成功完成600kg的小型喷吹试验，验证了生物质富氢微粉可以实现高炉喷吹。
2024年年初，在首钢股份炼铁作业部1号高炉，技术人员利用自行设计开发的生物质炭并罐喷吹装置成功完成生物质富氢微粉百吨级连续喷吹工业试验，实现我国生物质能用于钢铁冶金的首次突破。
此次工业试验的成功，跑出了钢铁企业减碳“加速度”，标志着生物质冶金成功走出实验室，开启了生物质炭在钢铁工业应用的新纪元，开创了钢铁行业低碳转型的“新引擎”，在我国生物质冶金发展史上具有里程碑意义。
2、石灰行业应用技术途径：
2.1、生物质焦炭特性与选用原则：
不同种类生物炭理化性质差异较大，经不同炭化方法所制备的生物炭也存在较大差异。为进一步评估生物炭作石灰生产燃料的可行性，有必要对不同类型的生物炭进行比较。生物炭的基本性质可以通过工业分析、元素分析和热值来衡量。
表2-1归纳了部分文献中生物炭及煤的相关数据，经对比发现生物炭的组成成分及热值与煤接近，具备应用于石灰生产的基础条件。石灰生产应用生物炭除了需达到基本的工业分析、元素组成、热值上的要求以外，还需符合其他技术要求，如原料的碱金属含量、强度、粒度等。
表2-1
在石灰生产中，煤炭和焦炭的主要成分均为固定碳、挥发物，灰分较少，通常规定煤炭/焦炭含硫量≤1%，热值则越高越好。煤碳粒度对燃烧性有很大影响，粒度越小燃烧速度越快。在混料式石灰生产中，对于煤炭，粒度则要求在25mm以上，抗碎强度大于74%。
生物炭要作石灰煅烧的替代原料，一方面需具有与煤炭或焦炭相似的化学成分和燃烧特性；另一方面生物炭替代块状煤炭则需具备足够强度。用于煤粉喷吹时，生物炭替代煤粉必须粉碎并筛分到适合喷吹的粒度。石灰窑竖窑喷吹用生物炭粉粒度一般要求小于7.4×10-5m的比例在60-70%范围，但燃烧性好的生物碳粉可磨得粗一些，即小于7.4×10-5m占比相对较少时也可以达到良好的燃烧效果。
热值也是生物炭应用的重要指标，相比热解炭化，水热炭化提升热值的效果更显著，经工业实验和应用得知：热解炭化的棉花秸秆炭、无花果炭、杨木炭、桦木炭、核桃壳炭和花生壳炭热值都可以达到标准煤29.3MJ/kg的水平，其中棉花秸秆炭、无花果炭、杨木炭和桦木炭热值甚至高于无烟煤。因此，对于特定的生物炭类型而言，热解炭化是更理想的方法。
2.2、生物质焦炭在石灰生产中的应用方法：
采用固体（块状）时：
由于生物炭强度相对煤炭强度较差，直接用于混料式生产时容易粉碎，影响窑况。一般可以采用生物质在气化及生产生物质半焦时与煤粉按照适当比例混合后制造以增加生物质碳强度。
采用粉料喷吹时
通过与高炉对比生产实践数据显示：由于高炉的冶炼温度和强度及工艺所限（只能在风口冶炼区域喷吹），在高炉炼铁喷吹生物质半焦时，由于半焦的特性只能喷吹部分半焦粉，一般是与煤粉混合喷吹，而且半焦粉的使用比例最高只能在20%左右。
不同的是，在生产石灰时由于原料单一、燃烧条件简单、煅烧温度低等原因，石灰煅烧可以全部100%喷吹生物质半焦粉，这也是与高炉等冶炼使用生物质半焦粉的主要区别和优势。而且，与煤粉相比，生物质半焦及木炭能使着火点降低，这主要是因生物质炭中含有较高的挥发分，挥发分含量高则着火点低，这使得在石灰生产中更加符合喷吹粉料时的喷枪间断点火的特性。
特别指出的是，唐山金泉冶化科技产业有限公司技术研发中心在研究和实践中通过对生物质半焦和煤粉的物化特性进行对比发现，半焦的燃烧反应性优于煤粉，主要是因为半焦具有比煤粉发达的孔结构，灰分中具有催化作用的碱性物质含量大于煤粉，而且生物质半焦碳结构的有序度和石墨化程度小于煤粉，特别适合石灰生产的各项燃烧指标，尤其是对生产高活性石灰有着重要意义。而且实验结果显示，生物质炭在石灰竖窑喷吹中能够稳定燃烧，可以显著提高石灰窑的燃烧效率，降低煤耗和二氧化碳排放量。
2.3、主要应用工艺方式：
根据唐山金泉冶化科技产业有限公司技术中心提供的工艺路线显示，采用生物质碳及生物质半焦生产石灰时主要采用以下工艺路线：
（一）、生物质气碳联产
目前，生物质利用技术主要有：生物天然气、生物质成型燃料、生物质直燃、生物质气化、生物质气炭联产等技术路线，上述技术路线各有优缺点，气炭联产是目前最为有效的、附加值最大化的技术路线之一。
生物质气炭联产技术是在生物质气化技术的基础上发展而来，单纯气化技术的产气比较气炭联产高，但气炭联产在得到生物燃气的同时，获得具有较高经济价值的生物炭，从而在提高单位生物质附加值，提高经济性上有较强的适应性。
生物炭就是在生物质气化后所得到的剩余物，根据工艺不同可以得到8-40%范围的生物炭，生物炭的主要成分是固定碳和灰分，根据原材料材质不同，得到的生物炭质量不同，生物炭固定碳含量不低于40%的生物炭，都可以直接应用石灰生产。
唐山金泉公司的气炭联产技术路线是生物质原料在裂解气化时的生物质燃气与生产后的生物炭破碎后采用气固双燃技术进行石灰窑炉内喷吹，实现生物质燃料全部应用，目前该项技术已经开始推广应用。
（二）、独立喷吹生物炭
唐山金泉冶化科技产业有限公司新推出的《第八代混喷双燃式双膛石灰窑项目》暨《ZGS混料与喷吹两用的窑外通道支撑式双膛石灰窑》专利技术可以实现独立全生物质半焦碳粉喷吹生产石灰，其研制的石灰窑烟气烘干物料系统、两用喷枪，炉外烟气循环通道、碳粉研磨机、喷粉机、均压气力输送等措施可以很好地应用生物质粉喷吹生产石灰，目前该项技术已经开始推广应用。
（三）混合喷吹生物炭
生物质炭和煤粉是一种常见的燃料组合，其混合物在石灰窑混合喷吹系统中可以得到广泛应用。生物质炭具有多孔和旋转形状，其表面积大、孔隙分布均匀，这使得生物质炭具有较高的吸附能力和吸附速率。而煤粉是由煤炭经过磨碎等处理得到的细粉末，具有较高的燃烧性能。
生物质炭在混合物中起到了多方面作用。首先，生物质炭能够提供较高的活性炭比表面积，从而增加了混合物的吸附性能。其次，生物质炭还能够提高混合物的稳定性和可磨性，从而提高了燃料的利用效率。此外，生物质炭还能够减少燃料的补给量和煅烧时间，从而提高了石灰窑的生产效率。
目前，唐山金泉冶化科技产业有限公司新推出的《第八代混喷双燃式双膛石灰窑项目》暨《ZGS混料与喷吹两用的窑外通道支撑式双膛石灰窑》技术可以实现生物质半焦碳粉与煤粉混合喷吹生产石灰。
四、结语
总之，生物质炭具有较好的物理化学性质，不但能够提高石灰窑的生产效率和燃料利用率，而且还可以实现碳减排的目的。同时，从目前生物质燃料价格来看，也极具成本优势，可以大幅度降低燃料成本。因此，研究和应用生物质气碳联产石灰以及生物炭直接应用和炭煤粉混合应用等措施，无论从经济性和环境效益方面来看都极具发展潜力，而且对于石灰生产工艺的优化和节能降碳具有重要意义。
资料编辑：
《石灰产业》编辑部
2024年5月17日
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