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石灰窯自產人工煤？答案來了！
2025-02-11 08:49:59 來源：石灰窯生態圈
一、編者導語
在石灰生產中，無論從降低能耗（成本）角度還是從環保角度及碳減排角度來講，燃料無疑是關鍵，也是唯一可以變革和應用的途徑。特別是直接采用煤炭生產石灰的工藝已經進入嚴控和禁止的時代。如何破局，實現石灰生產健康和長久的發展，如何應用替代燃料已是迫在眉睫。
從燃料應用的歷史來看，人類能源主要經歷了生物質（釋放能量：1.2×10^7 J/kg）、煤炭（無煙煤釋放能量：3.4×10^7 J/kg）、石油（汽油釋放能量：4.6×10^7 J/kg）的三個階段，能源轉換的核心驅動力都是能量密度的提高。當今能源進入碳中和時代，主要方向是從化石能源向可再生能源轉型。而目前推崇的光電、風電、蓄電池、氫能（釋放能量：1.4×10^7 J/kg）等均為低能量密度能源。生物質早期之所以應用緩慢，根本原因在于其能量密度低，本征缺陷終將使其重蹈覆轍。尋找可持續高能量密度的可再生能成為全球競相追逐的熱點。太陽能是*廉價的可再生能源，已成為人類使用能源的重要組成方式，而生物質是*為理想的太陽能熱儲能載體，同時也是國際公認的零碳能源。它在固定吸收太陽能時依靠的是植物的光合作用，而且能量收支平衡，在能源返還時間（Energy payback time，EPT）方面，生物質僅為5～75天，光伏發電長達2～3年。所以，將生物質改質為高能量密度能源是必經之路。
生物質與煤炭、石油等化石資源*大的區別在于氧含量極高（45%以上）、能量密度低、粉末氣力輸送性極差等，傳統的能源利用方式為直燃、成型顆粒、碳化、液化等，均沒有競爭力，無法商業化運營。
然而，近期脫穎而出的“人工合成煤”技術徹底改變了人們對生物質能的認知，該項技術打通了生物質引入高能量密度可再生能的通道，其能量密度超過現有的光電、風電、蓄電池、氫能等，成為目前唯一的高能量密度可再生能，使得農林剩余物成為可再生能源的重要支柱。
二、“人工合成煤”在國內外的應用和技術原理
“人工合成煤”也稱為“生物煤”，是一種由有機廢棄物制成的碳中和商品，它可用作能源來源、工業原材料，甚至作為一種碳儲存方式，而非將碳排放到大氣中。目前該項技術已經在歐洲開始應用，特別是在西班牙、英國和比利時的三座生物“煤”工廠已經開發應用。
制造這種煤炭替代品的一種方法是水熱碳化（HTC）工藝，它利用加壓的過熱水在幾個小時內就能生產出生物“煤”。而化石煤在地質作用下通常需要數百萬年才能形成。該項技術工藝的生產過程是一個非常簡單且穩定的過程，因為它就像是煤炭自然形成過程的加速版。
在國內，對該項技術的研發應用也取得突破性進展，已經開發應用了“現代生物煉制技術體系和商業化運營模式”，特別是“脫氧半焦微粉化工藝”系列技術，可將農林剩余物變為生物半焦噴吹粉，將生物質中的氧含量脫除15%以上，使得C、H、O比例適中，表面官能團全部脫除，比表面積大、燃點高、儲存穩定性好，不但提升了能量密度，而且具有復吸水性和優良的氣力輸送性�？朔嗣禾康娜毕�，發揚了煤炭的優勢，可替代噴吹煤。
從技術角度看，僅用幾分鐘就將生物質變為組成和性能更優的“人工合成煤”，不僅可以用生物質解決基礎能源-煤炭問題，也開啟了現代生物煉制產業先河，人類的經濟社會結構也會逐漸轉變到生物質上來，實現商業化運營。
對于“人工合成煤”的生產方式和技術原理，我們咨詢了被石灰產業學會譽為“新時代賣炭翁”的“唐山金泉冶化科技產業有限公司”，根據該公司研發中心提供的資料顯示：“人工合成煤”的技術原理如下：
該項技術生產原理主要是采用了熱驅動的水熱轉化技術和變壓閃蒸工藝等技術，是典型的熱化學反應工程技術。該系列技術可在治理有機廢物的同時回收有價資源，是實現雙碳目標的重要途經。
水熱研究*早是在地質學領域開展的。在自然界中，一個典型的水熱條件就是溫度高于100 ℃和壓力大于１個大氣壓的地熱水環境，自然界中眾多的礦物就是在這種環境中形成的。19世紀中期英國的地質學家Murchison首次使用“水熱”一詞來描述高溫高壓條件下的水溶液對地球內部變化的影響。與此同時，人們相繼開展了水熱法的基礎研究，如物理化學（相平衡、溶解度測定、礦化劑作用、反應動力學、物理缺陷等），地球化學，礦物學與巖石學（高溫高壓下礦物的相平衡、實驗巖石學、熱液活動、成巖成礦模擬、地熱利用等）。
水熱法是在高壓反應釜里的高溫、高壓反應環境中，采用水作為反應介質，使得通常難溶或不溶的物質溶解并發生反應來制備材料的方法。
水熱法工藝比較簡單，水熱條件能加速離子反應和促進水解反應，常常能夠實現一些在常溫常壓條件下無法實現的反應，可直接得到分散且結晶良好的粉體，不需作高溫灼燒處理，避免了可能形成的粉體硬團聚，省去了研磨及由此帶來的雜質。
水熱技術可分為資源回收模式和污染物降解模式。主要有水熱炭化（HTC）技術、水熱液化（HTL）技術、水熱氣化（HTG）技術。
目前，應用于冶金及石灰行業的主要是水熱炭化（HTC）技術。水熱炭化指的是將物料轉化為清潔型固相產品（即水熱炭）的過程。
三、“人工合成煤”在鋼鐵行業的應用
目前除巴西有高爐使用木炭作為燃料外，國內外尚無工業應用案例，多聚焦于實驗室的基礎研究。在國內，首鋼率先研究應用了高爐噴吹生物質技術。
該項工藝采用變壓閃蒸技術，即汽爆（Steam Explosion），是應用蒸汽彈射原理實現的爆炸過程對生物質進行預處理的一種技術。其技術本質為：將滲進植物組織內部的蒸汽分子瞬時釋放完畢，使蒸汽內能轉化為機械能并作用于生物質組織細胞層間，從而用較少的能量將原料按目的分解。由于其既避免了化學處理的二次污染問題，又解決了生物處理效率低的問題，是生物質轉化領域較有前景的預處理技術。
經過變壓閃蒸后的生物質水分含量較低，基本都在12%以下，水分含量*低可降低為0.11%，相比于反應環境為液體的水熱炭化技術，變壓閃蒸技術對于生物質預處理的完成度更高，所需后端處理的步驟和能耗較少。與水熱炭化相似的是，經過深度炭化處理的產品揮發份和固定碳會得到不同程度的降低和提高，使所得生物質微粉的品級向煙煤不斷靠近，固定碳可達40%以上，揮發分為50%左右，高位發熱值為22 MJ/KG左右。
四、石灰窯聯產“人工合成煤”技術應用
水熱炭化是將廢棄生物質在150℃ — 350℃ 密閉的水溶液中停留1h以上，是一種脫水脫羧的加速煤化過程，具有節省費用、效率高、能耗低等特點，其產物生物質炭是一種便于運輸存儲、熱轉化率高、污染小的優質材料，具有廣泛的用途。
“唐山金泉冶化科技產業有限公司”研發應用的“石灰窯低溫煙氣余熱水熱碳化法生產微粉聯產石灰技術”顯示：
通過把石灰窯生產中產生的窯頂煙氣引入反應器中，與反應器中的生物質物料在溫度為180°C至250°C，在設定的壓力條件下進行處理，轉化過程中水是處于過熱水狀態，而非轉化為蒸汽，水熱炭化時間為20-40min。
該項技術中的生物質水熱無需對生物質進行干燥處理，對生物質原料適應性強，可以起到節能效果，同時可獲得較高的生物質轉化率。生產過程是通過對生物質進行水熱炭化處理制備生物質水熱炭；通過生物質提質技術，降低生物質中的水分、揮發分含量，提高其能量密度，同時改善生物質的破碎性能，使其能夠利用石灰窯煤粉制備系統現有磨煤機進行破碎，無需專門購置生物質破碎機，節約投資成本。生物質水熱炭的收到基水分低于8％，HGI大于70，HHV大于26000kJ/kg，干燥基堿金屬含量低于0.2％。
生產中，可實現對生物質水熱炭與煤的混合物進行破碎制粉，并將兩者均勻混合；生物質水熱炭與煤混合物中，相對于生物質水熱炭與煤的總量，生物質水熱炭的在混合物中所占質量百分比例為0.1％～70％。混合后的燃料經石灰窯噴吹煤粉輸送和分配系統，由噴槍直吹均勻噴入石灰窯煅燒帶煅燒石灰；
“唐山金泉冶化科技產業有限公司”研發應用的“石灰窯高溫煙氣變壓閃蒸生產半焦微粉化聯產石灰技術”顯示：
通過引用石灰窯生產中的富含CO2的高溫廢氣（850-1000°）與生物質閃速脫氧提質，促使生物質和礦物質中的礦物離子發生鍵合，得到高密度生物質富氫微粉直接用于石灰窯噴吹。
該項工藝可以彌補生物質體積密度低帶來的體積發熱值低的問題，而且原位固相提質，能夠簡化工序、降低能耗和制備時間，且水分含量控制簡單。提質過程在非液相水環境中進行，通過氣相變壓閃蒸實現。
“唐山金泉冶化科技產業有限公司”研發應用的“石灰窯生物質聯產合成氣煅燒石灰技術”顯示：
生物質合成氣以生物質合成煤為原料，經高溫氣化工藝制得。組成和性能與煤基合成氣相同，成分主要為生物氫、生物CO，為零碳合成氣，替代煤基合成氣使用�，F有以噴吹煤為原料的加壓氣流床煤基合成氣裝備無需改造，用生物質合成煤進行原料直接替換，調整工藝參數后，便可生產生物質合成氣。生物質合成氣是國際公認的先進生物能源與物質平臺產品，性價比遠優于煤基合成氣，在石灰生產中使得燃料成本更低、更具競爭優勢。
與常規技術相比，唐山金泉上述三項技術顯著特征是充分利用了石灰生產中的余熱熱能為生物質水熱反應提供熱量，無需外部增加能源（能耗）就能實現石灰生產與生物質燃料提質聯產，達到簡化工序、降低能耗和制備時間，以及降低設備投資等目的。
特別指出的是，該項技術的關鍵點是創新的應用了石灰窯廢氣中的二氧化碳（CO2）分子生成二氧化碳水溶液，與水溶液中的氫離子發生反應，產生金屬陽離子，對水熱焦炭進行活化，促進水熱焦炭進一步開孔、擴孔，形成高比表面積的活性微粉噴吹燃料。五、總結
1、成本優勢突出：
目前，常規的“人工合成煤”（包括碳化、半水焦生產等）生產中，無論“水熱”還是“閃蒸”方式都需要外部熱能加熱產生水熱和蒸汽，其噸能耗至少增加百元以上，而且生產中產生的一氧化碳（CO）需要儲存及外銷或者進一步深加工，無形中增加了投資和運營成本和銷售壓力。也就是說，雖然該項技術已經趨于成熟，而且也正在進入商業運營階段，但是產品如何降低成本、如何進入二級市場和能源主戰場還要繼續完善。
然而，唐山金泉公司的技術應用確“優勢凸顯”，從其多項技術原理可以看出，其核心優勢就是成本優勢和原位應用優勢，通過收集利用石灰生產中的窯頂廢氣熱能及窯底出灰的石灰余熱熱能，不用增加任何外部熱能就可以實現聯產“人工煤”并全部用于石灰生產。而且，生產“人工煤”產生的一氧化碳（CO）燃料回收全部用于石灰生產，實現“石灰—氣—碳”三級聯產，全部原位應用，無外部銷售產品。
目前，參照本文“第三節”內容中首鋼遷鋼微粉噴吹使用生物質資源每噸的成本約為877.4元/噸。則石灰聯產生物質資源有望降低至750元左右，其成本低于噴吹煙煤成本。而且，關鍵是解決了“碳排放問題”，無需考慮“碳稅”，其隱形降低的綜合運營成本更加可觀。
2、產品適用范圍廣：
煤炭是千百萬年來植物的枝葉和根莖，在地面上堆積而成的一層極厚的黑色的腐植質，由于地殼的變動不斷地埋入地下，長期與空氣隔絕，并在高溫高壓下，經過一系列復雜的物理化學變化等因素，形成的黑色可燃沉積巖。一般以塊狀形式存在，使用前磨成噴吹粉，通過氣力輸送來應用，如燃煤熱電聯供、煤氣化、高爐煉鐵、石灰生產等，塊煤已無法直接使用。生物質與煤炭*大的區別在于其高水分難利用、氧含量極高（45%以上）、密度小熱值低、粉末無法氣力輸送、儲存運輸難等，所以同為固體燃料，但卻代替不了煤。以生物質為原料，采用顛覆性生物技術將高水分生物質變為C、H、O比例適中的半焦狀棕褐色微粉，其比表面積大具有復吸水性，飽和含水率7～10%，燃點高、熱穩定性好，干凈、無灰塵，不風化、不自燃、耐水不怕潮，具有著火快、燃燒充分、熱值高等獨特的燃燒特性。其密度、熱值、氣力輸送性與煤相當，儲藏穩定性優于煤炭，使用性能全面超越噴吹煤�？朔松镔|的缺陷，實現生物質在數分鐘內人工合成了“煤”。
所以，生物質合成煤既可作為基礎能源，替代噴吹煤的所有應用場合，如直接用于煤電、石灰生產、高爐煉鐵，代替氣化煤生產生物質合成氣代替煤基合成氣承接煤化工全產業鏈，形成新興生物質化工全產業鏈；也可作為基礎物質資源，如直接生產生物粉末冶金材料（代替纖維板）、生物泡沫材料（代替泡沫塑料）、生物合成通用肥（代替化肥）等，也可代替噴吹煤生產生物質合成氣，延伸生產精細化工產品。
資料編輯整理：
《石灰產業》編輯部
2025年02月07日
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