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科技探源1|生產(chǎn)石灰的燃料可以讓汽車跑？
2024-11-18 09:39:54 來源：石灰窯生態(tài)圈
編者前述
2024年9月9日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《全國碳排放權(quán)交易市場覆蓋水泥、鋼鐵、電解鋁行業(yè)工作方案（征求意見稿）》，三個(gè)行業(yè)將被納入全國碳排放權(quán)交易市場，2024年是首個(gè)管控年度，2025年底前完成首次履約工作。在此背景下，石灰產(chǎn)業(yè)將成為碳排放交易市場中的一員，特別是“碳稅”已經(jīng)達(dá)到每噸75-100元范圍，如果實(shí)際征收，無論是企業(yè)內(nèi)部石灰車間，還是獨(dú)立石灰企業(yè)，均面臨著嚴(yán)峻的降碳壓力和生產(chǎn)成本的挑戰(zhàn)。同時(shí)，石灰產(chǎn)業(yè)也將迎來發(fā)展機(jī)遇，“雙碳”目標(biāo)將驅(qū)動(dòng)石灰產(chǎn)業(yè)構(gòu)建更高水平的供需平衡，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低煤炭等一次能源消耗占比，提高能源利用效率；推動(dòng)技術(shù)革命，二氧化碳捕集提純回收和應(yīng)用技術(shù)將取得突破等，從而為產(chǎn)業(yè)注入新動(dòng)能，激發(fā)新活力，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力與影響力。
據(jù)此，《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部隨中國石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會專家組部分成員對目前“零碳排生產(chǎn)石灰技術(shù)”進(jìn)行了為期一個(gè)月的調(diào)研，特別針對目前原始技術(shù)創(chuàng)新的過程、應(yīng)用及淵源重點(diǎn)介紹，從歷史到現(xiàn)在至未來全方位的進(jìn)行了總結(jié)，以期為行業(yè)帶來一些啟發(fā)。
一、本期編者導(dǎo)語
石灰產(chǎn)業(yè)是冶金、鋼鐵、化工、環(huán)保和建材行業(yè)的重要支撐產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是碳排放大戶。石灰生產(chǎn)過程的碳排放既包括能源消耗產(chǎn)生的碳排放，又有原料煅燒分解產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)旗下“碳能新動(dòng)力研究院”研究測算，平均每生產(chǎn)1t石灰排放1.4tCO2，全國石灰產(chǎn)能按照*高3.2億噸計(jì)算，排放可達(dá)4.5億tCO2，冶金石灰產(chǎn)業(yè)每年碳排放量約1.7億t。
技術(shù)創(chuàng)新是產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大、提升競爭優(yōu)勢的重要來源，也是實(shí)現(xiàn)低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。面對低碳發(fā)展課題，作為碳排放大戶，石灰產(chǎn)業(yè)必須積極行動(dòng)，提早謀劃，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。隨著“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)”旗下“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”（以下簡稱：唐山金泉公司）的“豎窯CO2轉(zhuǎn)新能源聯(lián)產(chǎn)石灰與礦化零碳排的裝置”等一系列國內(nèi)首創(chuàng)的專利、專有技術(shù)的推出，將改變傳統(tǒng)的石灰生產(chǎn)方式。特別是近期研發(fā)成功的“以碳賦能實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放聯(lián)產(chǎn)石灰”的系列專利、專有技術(shù)，將石灰生產(chǎn)中的“CO2回收+廢碳轉(zhuǎn)C1燃料”，在不增加外部能源熱能的前提下，利用石灰生產(chǎn)中高溫CO廢氣作為熱源，一步法與生物質(zhì)廢碳或其它含碳燃料（煤炭、焦炭）進(jìn)行脫碳轉(zhuǎn)化為C1（CO、一氧化碳、煤氣）新能源生產(chǎn)石灰。同時(shí)利用新型電轉(zhuǎn)化技術(shù)把CO2與CO燃?xì)庋h(huán)利用，達(dá)到CO2廢氣的全部轉(zhuǎn)化再利用，達(dá)到取代化石燃料以及增值化和零碳化、負(fù)碳化的目的。
生物質(zhì)能，是指植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在植物內(nèi)的一種能源形式，因其零碳排放、可再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，引發(fā)全球的廣泛關(guān)注。從發(fā)現(xiàn)火種到歷次能源革命，生物質(zhì)能源為人類“燃燒”了千萬年，如今，將再次為我們應(yīng)對氣候變化、拯救大氣環(huán)境、發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)而承載新的使命。
降碳與增效并不是矛盾的，唐山金泉公司通過對生物質(zhì)能在石灰產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的開發(fā)與運(yùn)營，通過生物質(zhì)能源的利用，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)石化燃料替代，通過齊肩并進(jìn)、雙管齊下的措施，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能降碳”和“減排增效”的雙向奔赴。
然而，在應(yīng)用“生物質(zhì)”燃料過程中，不少讀者紛紛咨詢，對生物質(zhì)燃料應(yīng)用中的發(fā)展歷史、技術(shù)原理、應(yīng)用方式、可行性、成本、產(chǎn)業(yè)政策、發(fā)展前景等期待更深的了解，《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部將從“歷史”開始講起，從“零”起步，為大家陸續(xù)講解大家關(guān)注的核心和焦點(diǎn)。
本期文章內(nèi)容我們先從身邊開始，首先走進(jìn)了“北京汽車博物館”，了解一下，生物質(zhì)能在我國的應(yīng)用歷史和在特殊時(shí)期做出的巨大貢獻(xiàn)，也會了解生物質(zhì)能在我們的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)典案例，這也是“碳能”如何在我們石灰生產(chǎn)中應(yīng)用的“啟蒙”思路。
二、原文再現(xiàn)
在北京汽車博物館藏品庫房里，一輛“仲明國產(chǎn)木炭汽車”模型，無聲卻鮮活地記錄著二十世紀(jì)三四十年代木炭車盛行的那段歷史。該藏品是以20世紀(jì)30年代愛國工程師湯仲明發(fā)明的“仲明國產(chǎn)燃炭汽車”為原型制作的，于2017年由湯仲明之子湯曉明捐贈。它的背后記錄了什么故事？
圖片一：仲明國產(chǎn)燃炭汽車模型
1、資源匱乏 研究代用燃料20世紀(jì)初，汽車開始進(jìn)入中國。各方有識之士萌生制造汽車、建立民族汽車工業(yè)的愿望。1920年孫中山先生在《建國方略》中提出使用汽車、建造公路、建立汽車工廠和供給廉價(jià)燃料的全面設(shè)想。
湯仲明發(fā)明的“仲明國產(chǎn)燃炭汽車”是我國設(shè)計(jì)、試制的第.一輛煤氣汽車。后來人們親切地稱這種車為“木炭車”。所謂“木炭車”，也叫煤氣車，就是在普通汽車上加裝各種設(shè)備，其中*主要的設(shè)備是煤氣發(fā)生爐，使木炭產(chǎn)生煤氣，以代替汽油參與燃燒推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖片二：20世紀(jì)30年代的湯仲明
2、國人首創(chuàng) 研制煤氣發(fā)生爐
在進(jìn)步思潮影響下，湯仲明懷著“科學(xué)救國”的壯志，1919年赴法勤工儉學(xué)。到法國后他曾在南特汽車修理廠、雷諾汽車制造廠勤工儉學(xué)，進(jìn)入法國南特工業(yè)學(xué)校、法國國立昂諾高等工藝學(xué)校學(xué)習(xí)，獲機(jī)械工程師學(xué)位。畢業(yè)后他回到雷諾汽車制造廠擔(dān)任實(shí)習(xí)工程師，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
1926年，為實(shí)現(xiàn)報(bào)國理想，他毅然歸國，到隴海鐵路徐州銅山機(jī)車廠工作。面對我國當(dāng)時(shí)完全依賴進(jìn)口“洋油”的局面，湯仲明暗下決心攻克難題。從1928年起，他在工作之余自費(fèi)開展研究，租了一間民房做實(shí)驗(yàn)室，買了一臺舊汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，開始了研制代燃爐(木炭代油爐)的試驗(yàn)。
經(jīng)過無數(shù)次試驗(yàn)，1931年湯仲明試制成功一臺“木炭代油爐”。并于當(dāng)年3月將一輛改裝的煤氣發(fā)生爐汽車開到鄭州西郊碧沙崗進(jìn)行試車，這次公開試驗(yàn)引發(fā)轟動(dòng)。
1931年9月，湯仲明將發(fā)明的木炭代油爐上報(bào)實(shí)業(yè)部，1932年實(shí)業(yè)部派人詳細(xì)檢查，核實(shí)后認(rèn)為這一發(fā)明具有重大意義，遠(yuǎn)勝于國外的木炭汽車，具有實(shí)用價(jià)值，且造價(jià)低廉、易于制造。這輛木炭汽車無需汽油媒介即可發(fā)動(dòng)；爐體重量更輕，不到100斤；安裝方便靈活；續(xù)航里程更長，加一次木炭可行駛100多公里。1934年獲得實(shí)業(yè)部發(fā)生爐部分設(shè)計(jì)專利5年。為了加快推廣，他將木炭代油爐的制作技術(shù)及圖紙，毫無保留地公諸于世，供社會各界無償使用。
3、第.一輛國產(chǎn)燃炭汽車
1935年湯仲明到上海，與范爭波、湯允青等人合伙創(chuàng)立“仲明機(jī)器股份有限公司”。公司主要生產(chǎn)煤氣發(fā)生爐及煤氣機(jī)，兼營長途汽車改裝煤氣發(fā)生爐等業(yè)務(wù)，并推廣到江浙和廣西、江西等地。
圖片三、30年代，在云南推廣的木炭汽車行駛在昆明街頭
湯仲明等人于1936年試制出一輛煤氣汽車，這是中國設(shè)計(jì)、試制的第.一輛煤氣汽車，定名為“仲明國產(chǎn)燃炭汽車”。仲明國產(chǎn)汽車總質(zhì)量4910公斤，裝載2273公斤；底盤全長5436毫米，軸距3912毫米；搭載水冷立式直列4缸4沖程煤氣機(jī)，*大功率45千瓦，*高車速約52公里/小時(shí)，使用1937年仲明式代油爐。該車用大中華橡膠廠雙錢牌輪胎，后軸半浮式，變速器有4前進(jìn)擋和1倒檔。
圖片四：仲明木炭代油爐汽車
4、戰(zhàn)火打破造車夢
1937年湯仲明等人又制成第二輛煤氣汽車，從上海開到南京，路途計(jì)程380公里，耗時(shí)7小時(shí)18分。上海的滬太、錫滬兩家長途汽車公司也將部分車輛進(jìn)行改裝使用，錫滬公司近一年中先后裝配28輛煤氣車投入使用。1937年上海仲明汽車公司生產(chǎn)的兩輛載重3.5噸木炭汽車開往南京展覽，途中被日本飛機(jī)炸毀。不久，“八·一三”事變爆發(fā)，仲明公司毀于戰(zhàn)火，生產(chǎn)汽車之舉亦告中止。
圖片五、中國成立初期廣州的公共汽車
在汽油匱乏、交通困難的年代，木炭汽車緩解了運(yùn)輸需求與能源匱乏的矛盾，發(fā)揮了重要的作用。在抗日戰(zhàn)爭時(shí)期承擔(dān)了繁重的運(yùn)輸任務(wù)，20世紀(jì)60年代以后中國摘掉了“貧油”的帽子，木炭汽車逐漸淡出人們的視野。木炭汽車記錄了早期汽車行業(yè)艱辛創(chuàng)業(yè)的歷史，展現(xiàn)了中國人不畏困難、勇于創(chuàng)新的精神，也承載了那個(gè)特殊年代人們的記憶。
本節(jié)上述資料來源：北京汽車博物館
編者根據(jù)史料還進(jìn)一步了解到：
湯仲明的研究是從煤氣發(fā)生爐開始的，原理很簡單，就是將木炭燃燒變成煤氣去代替汽油發(fā)動(dòng)機(jī)器驅(qū)動(dòng)汽車，但技術(shù)非常復(fù)雜，國外搞了多年也沒達(dá)到理想的結(jié)果，他害怕重蹈復(fù)轍，陷入迷途，就決心走自己的路，不用外國現(xiàn)成的圖紙，而自己重新設(shè)計(jì)，親自動(dòng)手制造。有一天晚上，他從一個(gè)做飯的煤爐中，見到封火后，從出氣孔中呼呼竄出一股綠火苗，有一尺多高，非常有勁，湯仲明受到很大啟發(fā)，心里高興地說，這不就是很好的瓦斯嗎？由此，他想過用煤制造瓦斯來代替汽油，因?yàn)橹袊⒉蝗泵�。他因此用煤作燃料來提取瓦斯，但�?shí)踐告訴他，煤的燃點(diǎn)高，很不容易點(diǎn)著，將來點(diǎn)火是個(gè)困難，他毅然放棄了這一試驗(yàn)，而木炭一根火柴加一張廢紙或者一把干草就能引著，中國又不缺少木炭，特別是在廣大的山區(qū)有豐富的木炭資源，所以，他還是以木炭為燃料制造瓦斯代替汽油，中間搞了一段以煤炭為燃料，不行很快就回頭。
他從煤爐噴出的瓦斯得到啟示后，先用灶爐作試驗(yàn)，因泥爐太笨重，不易搬動(dòng)，后改成鐵爐，又試驗(yàn)了一段時(shí)間，他發(fā)現(xiàn)鐵爐里邊火旺時(shí)，鐵皮被燒紅了易燃著外邊的東西，于是他又想了一個(gè)辦法，由單層鐵爐改成雙層，中間留有幾公分距離，這就解決了爐內(nèi)火旺燒紅鐵爐燒毀外邊東西的問題。經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)，他還從家鄉(xiāng)請來邢敏德做他的幫手。制造瓦斯終于成功了，但瓦斯中所含雜質(zhì)較多，如不解決，那會損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，使機(jī)器出故障的。為此，他又暝思若想，設(shè)計(jì)出一套濾清設(shè)備。瓦斯從煤氣溫發(fā)生爐出來后，先通過裝有清水的散熱器，再通過裝有機(jī)油網(wǎng)絨的濾清器進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，這一試驗(yàn)基本上是成功的。煤氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，可以發(fā)動(dòng)機(jī)器，這一成功來之不易，開始能轉(zhuǎn)幾圈，十幾圈，由幾十圈，到幾百圈，幾千幾萬圈，經(jīng)歷了三個(gè)寒暑，上千個(gè)日日夜夜，無數(shù)次的失敗，都沒有使他氣餒，到一九三一年春，方大體成功。鄭州鐵路局那位姓錢的局長知道此情況后，讓他暫時(shí)脫離工作崗位，專事試驗(yàn)，并調(diào)給他一輛汽車，讓他走出試驗(yàn)室，將煤氣發(fā)生爐裝上汽車實(shí)地試驗(yàn)，并下令調(diào)離開封行車廠，任鄭州鐵路局機(jī)務(wù)處工程師，就是這位好心的局長精心安排的，好讓他有個(gè)領(lǐng)薪水的地方，能將試驗(yàn)進(jìn)行下去，因機(jī)務(wù)處并不缺少工程師，湯仲明也因此而深為感動(dòng)，更加發(fā)奮努力。他也將家屬和試驗(yàn)室一起搬到了鄭州，此時(shí)的郭秀英已是四個(gè)孩子的媽媽了，一九二九年生了第三個(gè)女兒，湯凌(小名汴生)，一九三 O 年六月一日生下兒子曉明，兩個(gè)學(xué)生，兩個(gè)還不懂事的孩子，叫郭秀英日夜忙的顧不著照顧湯仲明了。
煤氣發(fā)生爐裝上汽車后，能發(fā)動(dòng)機(jī)器，驅(qū)動(dòng)汽車，就是跑不快，一個(gè)小時(shí)十幾二十里，速度達(dá)不到汽油的效果，又經(jīng)過好長時(shí)間的研究也沒能使汽車的速度加快多少，有一次在野外試驗(yàn)，湯仲明發(fā)現(xiàn)氣門開小是這個(gè)速度，氣門開大也還是這個(gè)速度。這是什么原因呢？這時(shí)他手雖然握著方向盤，腳踏著油門，但思想?yún)s想著什么原因？什么原因？汽車卻一頭撞到了路邊的一快大石頭上，幸好車速不高，撞的不很嚴(yán)重，車倒出后往前一竄，速度突然快了，湯仲明感到驚奇也驚喜，立即停車檢查原因，查了半天也沒查出任何毛病，他又上車往前開，車跑得很快了，他又高興又驚訝，也覺得奇怪，心想這是鬼使神差還是別的什么緣故？他又停下車來再仔仔細(xì)細(xì)檢查一遍，終于發(fā)現(xiàn)煤氣管碰裂了一條縫，他恍然大悟，煤氣也還需要空氣助燃，光有煤氣沒有足夠空氣配合助燃也是不行的，這是一個(gè)偶然，但也是必然的。只不過是這個(gè)僥幸的偶然使必然提前來到了，使這項(xiàng)研究前進(jìn)了一大步，可以說跨入了光輝的頂點(diǎn)。湯仲明回來后立即研究煤氣與空氣的配合比，增添一個(gè)混合器，讓空氣充分助燃煤氣，使車速達(dá)到與汽油車相當(dāng)?shù)男Ч?/span>
三、編者后語
曾經(jīng)總有人詢問，“木材”也可以燒石灰？當(dāng)看完上述介紹就會得知：是的！“木材”不僅可以燒石灰而且還可以讓汽車跑起來。
而且，我們更應(yīng)該了解到，上述文章中的技術(shù)“難點(diǎn)”還是“木炭”氣化以后的具體應(yīng)用問題，實(shí)際上技術(shù)前段的煤氣發(fā)生爐，原理很簡單，就是將木炭燃燒變成煤氣（CO），特別是我們石灰產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化后的煤氣是直接進(jìn)入爐內(nèi)煅燒石灰的，氣體所有成分都會進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，氣體即不需要凈化也不會冒黑煙，整個(gè)工藝非常簡單實(shí)用。
作為新能源的生物質(zhì)能源被稱為“第四大能源”，而且在工業(yè)生產(chǎn)的新能源應(yīng)用中，生物質(zhì)氣化因其經(jīng)濟(jì)性和碳中性被認(rèn)為是生物質(zhì)能利用的重要途徑之一，也是生產(chǎn)石灰的重要綠色清潔能源之一。生物質(zhì)氣化過程中的一系列熱化學(xué)反應(yīng)可以將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)燃料用于生產(chǎn)，也可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高附加值的可再生液體燃料或化學(xué)品。在生物質(zhì)氣化及生產(chǎn)應(yīng)用中的CO2重整還原合成氣具有*核心的優(yōu)勢就是碳減排和碳回收，通過采用回收石灰窯及其它工業(yè)爐窯燃燒后產(chǎn)生的CO2氣體與生物質(zhì)固體燃料進(jìn)行水氣的變換+催化轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。
從目前唐山金泉公司開發(fā)的“以碳賦能實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放聯(lián)產(chǎn)石灰”的系列專利、專有技術(shù)中，我們還了解到，其采用生物質(zhì)燃料并不是“*終目的”，其核心意義是利用生物質(zhì)氣化后的“廢碳資源”與石灰生產(chǎn)中的富含二氧化碳成分的廢氣進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到負(fù)碳排放和新能源利用的目的，即解決了“碳排放”問題，也達(dá)到了降低石灰生產(chǎn)中的燃料成本問題，特別是，該項(xiàng)技術(shù)中，并非必須使用和全部使用生物質(zhì)燃料，還可以使用煤炭（煤粉及水煤漿）、焦炭等都可以實(shí)現(xiàn)上述目的。尤其是生物質(zhì)與煤復(fù)合串行氣化的技術(shù)應(yīng)用更是其創(chuàng)新關(guān)鍵點(diǎn)，為我們石灰產(chǎn)業(yè)找到了新能源與傳統(tǒng)石灰能源的結(jié)合點(diǎn)，使傳統(tǒng)石灰生產(chǎn)技術(shù)得到有效提升，這才是我們需要和希望看到的。
所以，碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)對全球經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展意義非凡，碳達(dá)峰和碳中和的深層次問題實(shí)為能源問題，而日趨成熟的碳捕集、封存和利用技術(shù)也因高成本、高能耗面臨產(chǎn)業(yè)界的強(qiáng)大阻力。雖然二氧化碳在大量排放時(shí)對生態(tài)環(huán)境造成不良影響，但它又是自然界中重要的資源之一，因此合理利用CO2才是有效解決問題的關(guān)鍵。其中，唐山金泉公司開發(fā)的二氧化碳化工利用技術(shù)是*具典型的負(fù)碳技術(shù)，它以化學(xué)轉(zhuǎn)化過程為特性特征，以CO2為碳氧資源將其轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物，并具備一定減排效益的工業(yè)技術(shù)。其不僅能夠直接消耗CO2，還能夠?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)高碳原料的替代，兼具直接減排和間接減排效應(yīng)，我們期待這一項(xiàng)技術(shù)能夠得到應(yīng)用，為我國石灰行業(yè)的長久發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
后續(xù)文章我們將陸續(xù)發(fā)布生物質(zhì)氣化及碳回收應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的歷史和技術(shù)原理以及唐山金泉公司開發(fā)的各項(xiàng)延伸、擴(kuò)展、創(chuàng)新技術(shù)。
資料編輯：
《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部
2024年11月01日（萬圣節(jié)）
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