- 技術(shù)文章
綠能燃料在石灰生產(chǎn)中的應(yīng)用新途徑
2024-05-20 08:38:43 來(lái)源：石灰窯生態(tài)圈
—生物炭替代煤粉生產(chǎn)石灰碳減排技術(shù)研究進(jìn)展
一、編者導(dǎo)語(yǔ)
2024年5月9日-11日在京舉辦的主題為“新征程.新利用.新價(jià)值”的“2024（第五屆）全球生物質(zhì)能創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”和與高峰論壇同期舉辦的“有機(jī)固廢資源（能源）化利用科技裝備展”中，唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)董事長(zhǎng)劉玉泉、唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司總經(jīng)理劉久盛及團(tuán)隊(duì)人員受邀參會(huì)并帶去了多項(xiàng)生物質(zhì)燃料在石灰行業(yè)及其它行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)，受到了上下游用戶廣泛關(guān)注。
其中，唐山金泉公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“生物質(zhì)能源氣炭聯(lián)產(chǎn)石灰技術(shù)”和“石灰窯回收二氧化碳與生物質(zhì)耦合轉(zhuǎn)化一氧化碳燃料聯(lián)產(chǎn)石灰技術(shù)”及“煤炭與生物質(zhì)復(fù)合串行氣化裂解工業(yè)固廢聯(lián)產(chǎn)石灰技術(shù)”和“生物炭替代煤粉煅燒石灰減排技術(shù)”等多項(xiàng)新成果嶄露頭角，受到用戶和合作單位青睞并達(dá)成多項(xiàng)合作意向。
會(huì)后，編者在發(fā)布了“唐山金泉受邀進(jìn)京參加高峰論壇”即時(shí)通訊文章對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹（點(diǎn)擊進(jìn)入:唐山金泉受邀進(jìn)京參加高峰論壇 ）。文章發(fā)布后收到了眾多讀者留言和電話咨詢，編者根據(jù)讀者咨詢的事項(xiàng)與專利技術(shù)持有者唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)人員進(jìn)行了走訪和調(diào)研并形成文稿，以期能夠?yàn)榇蠹疫M(jìn)一步深度了解相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程，本期文章首先對(duì)“生物炭替代煤粉煅燒石灰減排技術(shù)”進(jìn)行報(bào)道，上述其它技術(shù)也將陸續(xù)跟蹤報(bào)道。
二、技術(shù)應(yīng)用背景
生物質(zhì)作為一種可再生的清潔碳資源，具有產(chǎn)量大、分布廣、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的煤炭等化石燃料相比，生物質(zhì)能源具有的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)優(yōu)勢(shì)十分明顯，而且生物質(zhì)是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式存儲(chǔ)的一種能量載體，通過(guò)光合作用固定大氣中的CO2，因此具有零碳屬性。目前我國(guó)生物質(zhì)資源年產(chǎn)量約35億噸，開發(fā)利用前景廣闊，將生物質(zhì)資源能源化不僅能避免資源浪費(fèi)，創(chuàng)造增量?jī)r(jià)值，還有助于建設(shè)宜居宜業(yè)的美麗鄉(xiāng)村。
石灰行業(yè)是能源消耗和碳排放大戶，在其快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了大量的環(huán)境污染。特別是隨著碳交易的逐漸落實(shí)，石灰企業(yè)的CO2減排任務(wù)十分迫切，因此在碳中和背景下尋求可替代傳統(tǒng)煤的零碳原料是石灰行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的碳減排技術(shù)，而降低CO2 排放的關(guān)鍵在于減少或替代煤炭能源的使用。
通過(guò)采用生命周期分析方法對(duì)不同技術(shù)的噸灰CO2排放量進(jìn)行比較，其中采用生物質(zhì)燃料所排放的CO2量*低，這說(shuō)明生物質(zhì)在減少化石燃料和石灰生產(chǎn)中CO2排放方面具有巨大的潛力。
生物質(zhì)是一種清潔、環(huán)�？稍偕暮寄茉�，而生物炭是生物質(zhì)經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制得，與煤炭、焦炭等化石原料有相似的組成成分及理化特性，具備成為替代碳源的潛力。生物炭具有碳中性特征，碳含量和熱值與煤接近，是煤粉和焦炭理想的替代原料，具備石灰煅燒時(shí)所需的理化特性，將其熱解產(chǎn)物生物質(zhì)半焦用來(lái)替代煤粉進(jìn)行石灰窯噴吹燃燒，既可以減少石灰窯對(duì)煤炭資源的消耗，也可以降低煤炭資源的開采量，從而降低CO2排放。
三、應(yīng)用技術(shù)途徑和方法
1、鋼鐵行業(yè)應(yīng)用技術(shù)借鑒：
許多研究已經(jīng)對(duì)生物炭部分替代煤粉應(yīng)用于高爐進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐和理論計(jì)算，證實(shí)其具有安全性和較好的碳減排效果。早在2022年3月份，首鋼股份就在1號(hào)高爐成功完成600kg的小型噴吹試驗(yàn)，驗(yàn)證了生物質(zhì)富氫微粉可以實(shí)現(xiàn)高爐噴吹。
2024年年初，在首鋼股份煉鐵作業(yè)部1號(hào)高爐，技術(shù)人員利用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的生物質(zhì)炭并罐噴吹裝置成功完成生物質(zhì)富氫微粉百噸級(jí)連續(xù)噴吹工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)生物質(zhì)能用于鋼鐵冶金的首次突破。
此次工業(yè)試驗(yàn)的成功，跑出了鋼鐵企業(yè)減碳“加速度”，標(biāo)志著生物質(zhì)冶金成功走出實(shí)驗(yàn)室，開啟了生物質(zhì)炭在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的新紀(jì)元，開創(chuàng)了鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的“新引擎”，在我國(guó)生物質(zhì)冶金發(fā)展史上具有里程碑意義。
2、石灰行業(yè)應(yīng)用技術(shù)途徑：
2.1、生物質(zhì)焦炭特性與選用原則：
不同種類生物炭理化性質(zhì)差異較大，經(jīng)不同炭化方法所制備的生物炭也存在較大差異。為進(jìn)一步評(píng)估生物炭作石灰生產(chǎn)燃料的可行性，有必要對(duì)不同類型的生物炭進(jìn)行比較。生物炭的基本性質(zhì)可以通過(guò)工業(yè)分析、元素分析和熱值來(lái)衡量。
表2-1歸納了部分文獻(xiàn)中生物炭及煤的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)生物炭的組成成分及熱值與煤接近，具備應(yīng)用于石灰生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。石灰生產(chǎn)應(yīng)用生物炭除了需達(dá)到基本的工業(yè)分析、元素組成、熱值上的要求以外，還需符合其他技術(shù)要求，如原料的堿金屬含量、強(qiáng)度、粒度等。
表2-1在石灰生產(chǎn)中，煤炭和焦炭的主要成分均為固定碳、揮發(fā)物，灰分較少，通常規(guī)定煤炭/焦炭含硫量≤1%，熱值則越高越好。煤碳粒度對(duì)燃燒性有很大影響，粒度越小燃燒速度越快。在混料式石灰生產(chǎn)中，對(duì)于煤炭，粒度則要求在25mm以上，抗碎強(qiáng)度大于74%。
生物炭要作石灰煅燒的替代原料，一方面需具有與煤炭或焦炭相似的化學(xué)成分和燃燒特性；另一方面生物炭替代塊狀煤炭則需具備足夠強(qiáng)度。用于煤粉噴吹時(shí)，生物炭替代煤粉必須粉碎并篩分到適合噴吹的粒度。石灰窯豎窯噴吹用生物炭粉粒度一般要求小于7.4×10-5m的比例在60-70%范圍，但燃燒性好的生物碳粉可磨得粗一些，即小于7.4×10-5m占比相對(duì)較少時(shí)也可以達(dá)到良好的燃燒效果。
熱值也是生物炭應(yīng)用的重要指標(biāo)，相比熱解炭化，水熱炭化提升熱值的效果更顯著，經(jīng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用得知：熱解炭化的棉花秸稈炭、無(wú)花果炭、楊木炭、樺木炭、核桃殼炭和花生殼炭熱值都可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)煤29.3MJ/kg的水平，其中棉花秸稈炭、無(wú)花果炭、楊木炭和樺木炭熱值甚.至.高于無(wú)煙煤。因此，對(duì)于特定的生物炭類型而言，熱解炭化是更理想的方法。
2.2、生物質(zhì)焦炭在石灰生產(chǎn)中的應(yīng)用方法：
采用固體（塊狀）時(shí)：
由于生物炭強(qiáng)度相對(duì)煤炭強(qiáng)度較差，直接用于混料式生產(chǎn)時(shí)容易粉碎，影響窯況。一般可以采用生物質(zhì)在氣化及生產(chǎn)生物質(zhì)半焦時(shí)與煤粉按照適當(dāng)比例混合后制造以增加生物質(zhì)碳強(qiáng)度。
采用粉料噴吹時(shí)
通過(guò)與高爐對(duì)比生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示：由于高爐的冶煉溫度和強(qiáng)度及工藝所限（只能在風(fēng)口冶煉區(qū)域噴吹），在高爐煉鐵噴吹生物質(zhì)半焦時(shí)，由于半焦的特性只能噴吹部分半焦粉，一般是與煤粉混合噴吹，而且半焦粉的使用比例*高只能在20%左右。
不同的是，在生產(chǎn)石灰時(shí)由于原料單一、燃燒條件簡(jiǎn)單、煅燒溫度低等原因，石灰煅燒可以全部100%噴吹生物質(zhì)半焦粉，這也是與高爐等冶煉使用生物質(zhì)半焦粉的主要區(qū)別和優(yōu)勢(shì)。而且，與煤粉相比，生物質(zhì)半焦及木炭能使著火點(diǎn)降低，這主要是因生物質(zhì)炭中含有較高的揮發(fā)分，揮發(fā)分含量高則著火點(diǎn)低，這使得在石灰生產(chǎn)中更加符合噴吹粉料時(shí)的噴槍間斷點(diǎn)火的特性。
特別指出的是，唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心在研究和實(shí)踐中通過(guò)對(duì)生物質(zhì)半焦和煤粉的物化特性進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，半焦的燃燒反應(yīng)性優(yōu)于煤粉，主要是因?yàn)榘虢咕哂斜让悍郯l(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，灰分中具有催化作用的堿性物質(zhì)含量大于煤粉，而且生物質(zhì)半焦碳結(jié)構(gòu)的有序度和石墨化程度小于煤粉，特別適合石灰生產(chǎn)的各項(xiàng)燃燒指標(biāo)，尤其是對(duì)生產(chǎn)高活性石灰有著重要意義。而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭在石灰豎窯噴吹中能夠穩(wěn)定燃燒，可以顯著提高石灰窯的燃燒效率，降低煤耗和二氧化碳排放量。
2.3、主要應(yīng)用工藝方式：
根據(jù)唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司技術(shù)中心提供的工藝路線顯示，采用生物質(zhì)碳及生物質(zhì)半焦生產(chǎn)石灰時(shí)主要采用以下工藝路線：
（一）、生物質(zhì)氣碳聯(lián)產(chǎn)
目前，生物質(zhì)利用技術(shù)主要有：生物天然氣、生物質(zhì)成型燃料、 生物質(zhì)直燃、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)氣炭聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)路線，上述技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，氣炭聯(lián)產(chǎn)是目前*為有效的、附加值*大化的技術(shù)路線之一。
生物質(zhì)氣炭聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是在生物質(zhì)氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)， 單純氣化技術(shù)的產(chǎn)氣比較氣炭聯(lián)產(chǎn)高，但氣炭聯(lián)產(chǎn)在得到生物燃?xì)獾耐瑫r(shí)，獲得具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的生物炭，從而在提高單位生物質(zhì)附加值，提高經(jīng)濟(jì)性上有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
生物炭就是在生物質(zhì)氣化后所得到的剩余物，根據(jù)工藝不同可以得到8-40%范圍的生物炭，生物炭的主要成分是固定碳和灰分，根據(jù)原材料材質(zhì)不同，得到的生物炭質(zhì)量不同，生物炭固定碳含量不低于40%的生物炭，都可以直接應(yīng)用石灰生產(chǎn)。
唐山金泉公司的氣炭聯(lián)產(chǎn)技術(shù)路線是生物質(zhì)原料在裂解氣化時(shí)的生物質(zhì)燃?xì)馀c生產(chǎn)后的生物炭破碎后采用氣固雙燃技術(shù)進(jìn)行石灰窯爐內(nèi)噴吹，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料全部應(yīng)用，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。
（二）、獨(dú)立噴吹生物炭
唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司新推出的《第八代混噴雙燃式雙膛石灰窯項(xiàng)目》暨《ZGS混料與噴吹兩用的窯外通道支撐式雙膛石灰窯》專利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立全生物質(zhì)半焦碳粉噴吹生產(chǎn)石灰，其研制的石灰窯煙氣烘干物料系統(tǒng)、兩用噴槍，爐外煙氣循環(huán)通道、碳粉研磨機(jī)、噴粉機(jī)、均壓氣力輸送等措施可以很好地應(yīng)用生物質(zhì)粉噴吹生產(chǎn)石灰，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。
（三）混合噴吹生物炭
生物質(zhì)炭和煤粉是一種常見(jiàn)的燃料組合，其混合物在石灰窯混合噴吹系統(tǒng)中可以得到廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)炭具有多孔和旋轉(zhuǎn)形狀，其表面積大、孔隙分布均勻，這使得生物質(zhì)炭具有較高的吸附能力和吸附速率。而煤粉是由煤炭經(jīng)過(guò)磨碎等處理得到的細(xì)粉末，具有較高的 燃燒性能。
生物質(zhì)炭在混合物中起到了多方面作用。首先，生物質(zhì)炭能夠提供較高的活性炭比表面積，從而增加了混合物的吸附性能。其次，生物質(zhì)炭還能夠提高混合物的穩(wěn)定性和可磨性，從而提高了燃料的利用效率。此外，生物質(zhì)炭還能夠減少燃料的補(bǔ)給量和煅燒時(shí)間，從而提高了石灰窯的生產(chǎn)效率。
目前，唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司新推出的《第八代混噴雙燃式雙膛石灰窯項(xiàng)目》暨《ZGS混料與噴吹兩用的窯外通道支撐式雙膛石灰窯》技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)半焦碳粉與煤粉混合噴吹生產(chǎn)石灰。
四、結(jié)語(yǔ)
總之，生物質(zhì)炭具有較好的物理化學(xué)性質(zhì)，不但能夠提高石灰窯的生產(chǎn)效率和燃料利用率，而且還可以實(shí)現(xiàn)碳減排的目的。同時(shí)，從目前生物質(zhì)燃料價(jià)格來(lái)看，也極具成本優(yōu)勢(shì)，可以大幅度降低燃料成本。因此，研究和應(yīng)用生物質(zhì)氣碳聯(lián)產(chǎn)石灰以及生物炭直接應(yīng)用和炭煤粉混合應(yīng)用等措施，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益方面來(lái)看都極具發(fā)展?jié)摿�，而且�?duì)于石灰生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和節(jié)能降碳具有重要意義。
資料編輯：
《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部
2024年5月17日
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