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《石灰產業(yè)大講堂》008期|“零碳”生產石灰的“能源革命”
2023-08-25 11:28:33 來源：石灰窯生態(tài)圈
《石灰產業(yè)大講堂》008期|“零碳”生產石灰的“能源革命”
一、 前 言
能源是人類社會生存與發(fā)展的物質基礎，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，對能源的需求不斷增長。而受傳統(tǒng)能源供給資源匱乏，資源不可再生性等多種因素的限制，已經(jīng)難以適應綠色、雙碳及可持續(xù)發(fā)展的要求。
而且，世界各國在高速發(fā)展經(jīng)濟的同時對環(huán)保的要求也越來越高。全世界都在從保護人類自然資源和生態(tài)環(huán)境出發(fā)尋求一種新的清潔、安全、可靠的可持續(xù)發(fā)展能源體系 。
那么，又該如何破局呢？“新能源”一定是破解危機的重要手段。人類一直有一個能源自由的夢想。當前*熱的能新源技術就是可控核聚變，有人把它的重要性比作人類發(fā)現(xiàn)了火種。但可控核聚變何時能夠商用，科學界的判斷永遠是“還需要50年”。
其實，在我們已經(jīng)擁有的各類能源中，有很多能源的潛力并沒有被好好挖掘。在目前可以應用的新能源中，*廉價、獲取成本*低、取之不盡的能源首推“太陽能”，但是，獲取太陽能量的裝置投資也是巨大的，而且也只能轉化為電能一種能源。那么，有沒有不用投資太陽能的接受裝置而且可以獲得太陽的能量的方法？
有一種能源，只要太陽還在，只要地球上的綠色植物還在，它就永遠不會枯竭。這就是繼煤炭、石油、天然氣之后人類的第四大能源——生物質能，而且可以直接獲取。
生物質是指一切有生命的可以生長的有機物質，包括所有植物、微生物、以植物和微生物為食的動物及其廢棄物。而由生物質直接或者間接通過光合作用產生的能量，便是生物質能。所以，本質上，生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的一種能量形式。
于是，在能源領域，掀起了一場以生物質資源研究與開發(fā)的“新旋風”，有望打破以化石燃料為基礎的傳統(tǒng)資源為限制的發(fā)展模式。
二、“新能源”的前生與今世
“新能源”，又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。今天我們就來先說一說，能改變人類未來發(fā)展的重要新能源－“生物質能”，而且重點介紹一項能夠自給自足獲取優(yōu)質廉價生物質能源的新途徑、新方法。
什么是生物質能？
生物質（biomass），根據(jù)國際能源機構（IEA）的定義，是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物，與化石能源不同，他們是來自于新近生存過的生物。
生物質能的本質是太陽能以化學能形式儲存在生物質中的能量形式，它一直是人類賴以生存的重要能源之一，是僅次于煤炭、石油、天然氣之后第四大能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要的地位。
通俗的說，就是太陽能以化學能形式，貯存在生物質中的能量形式。生物質能是以“生物質”為載體的能量。生物質又大多源于綠色植物的光合作用。我們也可以理解為生物質能是太陽能主要的吸收器和儲存器。生物能源通過光合作用，把太陽能聚集在一起，而這些能量就是人類發(fā)展不可獲缺的新能源。
與太陽能、風能一樣，生物質能也屬于可再生能源，它可以轉化為電力與熱能，并將在未來的能源供應中發(fā)揮巨大作用。與風能和太陽能不同的是，生物質能極易儲存，人們可以存儲諸如稻草、木材或液態(tài)肥料之類的原材料，并在必要時再將其轉化為其他能源。比如:生物質可轉化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)燃料.
所以，生物質能源的蘊藏量極其豐富，生物質能就成了取之不盡、用之不竭的一種可再生能源，也是唯一一種可再生的碳源。我們可以總結為，綠色環(huán)保、無污染的可再生資源。
而且，生物質能也是*有產業(yè)化和規(guī)�；熬暗目稍偕茉�，在各國的能源結構中占有重要地位�？茖W家和各國政府對生物質能源給予了極.大關注，采取各種舉措促進生物質能源新技術的開發(fā)研究 。
生物質能有哪些特點？
零碳排放、穩(wěn)定供給、儲量巨大，這是生物質能的三大特點。同時，生物質能還具有以下特征：
（1）、貯量豐富和可再生性，保證能源的永續(xù)利用；
（2）、環(huán)保性，在生物質能源利用過程中顯著降低了CO2排放，對減少溫室效應有積極意義，在利用轉化過程中還可以減少硫化物、氮化物和粉塵等的排放
（3）、生物質能源具有普遍性、易取性，生產過程較為簡單；
（4）、在可再生能源中，生物質是唯一可以儲存與運輸?shù)哪茉矗?/span>
（5）、生物質具有分布分散、能量密度小、熱值低和成分復雜等缺點。
生物質能的來源有那些？
從古代人類使用木材生火烹飪，到如今人們使用現(xiàn)代技術利用生物質能進行發(fā)電和生產燃料，人類利用生物質能的歷史已有數(shù)千年之久。
所以，生物質是一個巨大的能源，它的來源主要有“薪柴、木質廢棄物、農業(yè)秸稈、牲畜的糞便、制糖作物廢料以及城市垃圾和污水、水生植物等”。
目前生物質能，作為國際公認的零碳可再生資源，已經(jīng)通過發(fā)電、供熱、供氣等方式，應用于工業(yè)、農業(yè)、交通生活等多個領域了，并且是其他可再生能源無法替代的。
由此可見，相比于煤、石油、天然氣等不可再生能源的形成時間和來源。生物質的來源要更廣泛一些。
生物質能有哪些開發(fā)和利用途徑？
生物質能源的開發(fā)與利用是把各種生物質原料通過不同途徑轉化為高附加值的生物質能源、生物材料、石油產品替代品及副產品等環(huán)境友好產品的全過程。
生物質能源轉化利用途徑包括燃燒、熱化學法、生化法、化學法和物理化學法等，可轉化為二次能源，分別為熱力或電力、固體燃料 （木炭或成型燃料）、液體燃料（生物柴油 、甲醇、乙醇和植物油等）和氣體燃料（氫氣生物質燃氣和沼氣等）。
三、我國生物質能源的應用現(xiàn)狀與趨勢
歐洲國家早已經(jīng)把生物質能作為低碳能源的重要內容，我國相對不足。為緩解能源壓力，我國有關生物能源和生物材料產業(yè)研究已有多年歷史，已經(jīng)把生物質能利用作為建設我國低碳能源的重要內容。我國的生物質能主要來源于農業(yè)廢棄物及農林加工廢棄物、薪柴、城市生活垃圾等。我國生物質能潛在資源量非常巨大，利用現(xiàn)代生物質技術，開發(fā)生物質能源意義重大，前景十分廣闊。積極發(fā)展生物質能源，加快實施石油替代戰(zhàn)略，改變我國傳統(tǒng)的能源生產和消費模式，不僅有利于緩解能源危機和保障能源安全，其特殊意義還在于有助于解決“三農問題”，還可以有效緩解環(huán)境壓力，實現(xiàn)能源戰(zhàn)略、農業(yè)增收和環(huán)境保護的“多贏”。
從*初國家發(fā)改委就我國生物燃料產業(yè)發(fā)展作出的統(tǒng)籌安排可以看到: 計劃“十一五”實現(xiàn)技術產業(yè)化，“十二五”實現(xiàn)產業(yè)規(guī)�；�，2015 年以后大發(fā)展。
從國家中長期發(fā)展規(guī)劃目標中也可以看到：
2020年，可開發(fā)生物質能量至少達到15億噸標準煤，其中30 % 來自傳統(tǒng)生物質，70 %由能源農林業(yè)提供，屆時我國生物質能源消費量將占到整個石油消費量的 20 % 以上，生物燃料產業(yè)也將更具國際競爭力。
從近期的相關產業(yè)發(fā)展政策也更能夠看到前景：
不久前，由中國產業(yè)發(fā)展促進會生物質能產業(yè)分會編制的國內首份《中國生物質能產業(yè)發(fā)展年鑒》(以下簡稱《年鑒》)正式發(fā)布�！赌觇b》顯示，我國生物質能未來發(fā)展市場前景廣闊。
其中，重點提到："到2030年，生物質能整個行業(yè)處理有機廢棄物大概能超過7.6億噸，替代標煤量超過1.3億噸。拉動整個產業(yè)上下游投資6000多億元，帶動就業(yè)人數(shù)在42萬人左右”
另外，非電領域包括清潔供熱、生物天然氣、液體燃料、成型燃料等�！赌觇b》顯示我國規(guī)模化生物天然氣產量不斷擴大，目前，年產約3億立方米，生物質清潔供熱規(guī)模顯著提高，供暖面積超過3億平方米，生物質成型燃料年利用量約2000萬噸，生物液體燃料也在快速增長，2021年生物液體燃料產量440萬噸，預計2022年產量將超過520萬噸
目前，從政策來看，在“雙碳”“1+N”政策體系的加持下，擁有零碳排基因的生物質能未來發(fā)展極具想象空間。從長期來看，可以預見，隨著我國生物質能技術持續(xù)發(fā)展、產業(yè)體系不斷完善、裝備制造能力不斷提升，未來，我國通過發(fā)展生物質能，即可將數(shù)以億噸計的“問題廢棄物”變成寶貴的原料，徹底解決其無處安放的難題。
放眼全球，歐美發(fā)達國家也正在加快對生物質能的發(fā)展：
《年鑒》顯示，以歐盟為例，2019年，在成員國的總能源供應中，可再生能源的占比為15.1%，其中約63%的可再生能源來自生物質能。美國的生物質能在可再生能源中的占比超過45%，德國的占比超過了60%。
可以看出，不管是與風電、光電、水電相比，還是與歐美相比，我國生物質能行業(yè)的發(fā)展都還有很大進步空間。
四、如何實現(xiàn)“零碳”能源在石灰行業(yè)的應用
為什么生物質被稱為“零碳”能源？
雖然我們現(xiàn)在習慣把生物質能劃入新能源之列，但其實它是人類*早使用的能源。不管是燧人氏鉆木取火，賣炭翁伐薪燒炭，還是今天我們吃淄博燒烤，用的都是生物質能。
生物質之所以被認為具有零碳屬性，是由于植物生長過程中會吸收CO2，將其固定在體內，如果在植物死后這些碳全部還是以CO2的形式釋放出來，則又會被新一輪的植物生長所吸收，因此從物質守恒的角度，可以認為生物質具有“零碳”和 “碳中和”屬性。
或者說，所謂“零碳”，不是沒有二氧化碳排放，而是生物質能處于地表生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中，在整個能源應用過程中，CO2排放量幾乎等于其生長過程中的CO2吸收量，沒有增加地表的CO2總量。因此，生物質能是一種真正零排放的可再生能源。
所以說，“生物質能源是唯一的零碳燃料，將在未來低碳能源結構中發(fā)揮重大作用。
適用于石灰生產的生物質儲量有多少？
從生物質能量轉換角度來講，適用于石灰行業(yè)生產應用的生物質燃料來源主要來自于林業(yè)剩余物。
根據(jù)國家林草局發(fā)布的《中國林業(yè)和草原統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，目前我國林業(yè)面積約為 17988.85萬公頃，森林覆蓋率達到 22.96%，年采伐木材 10045.85 萬立方米，由此測算出林業(yè)廢棄物資源量約為 3.5 億噸，預計未來我國林業(yè)面積將會保持穩(wěn)定增長。
根據(jù)近20年《中國林業(yè)和草原統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)分析，林業(yè)采伐總資源量保持2%的增長，預計未來林業(yè)剩余物資源量也將隨之持續(xù)增加。預計2030年林業(yè)剩余物總量將達到 4.27億噸，到2060年，林業(yè)剩余物總量將達到 7.73 億噸。
從上述數(shù)據(jù)我們可以粗略的計算出石灰行業(yè)的生物質供需趨勢：按照我國石灰產能*高3.2噸計算，每年僅需要3000萬噸以下的生物質燃料供應，不足目前我國林業(yè)廢棄物資源量約為3.5億噸的10%，如果按照2030年林業(yè)剩余物總量將達到4.27億噸計算不足7%，按照到2060年林業(yè)剩余物總量將達到7.73億噸計算不足4%。而且這是按照全部石灰產能計算，實際應用的需求遠遠低于此數(shù)據(jù)。
可見，我國石灰行業(yè)的生物質燃料用量與實際產出量相比占比極低，可以說是來源廣泛且無斷供風險。
種出來的能源可全面替代煤炭？
能源可以“種”出來？而且這種能源還可以全面替代煤炭石油天然氣？聽起來似乎有些匪夷所思，但是，通過深度了解你就會發(fā)現(xiàn)，種植能源不僅已經(jīng)在我國實現(xiàn)商用，未來還可能創(chuàng)造一個屬于他們的時代。
什么是種植能源？它究竟包含了哪些內涵？工業(yè)文明以來，所有使用能源主要是要碳、氫和氧進行化學反應，進而產生我們需要的各種能源商品。碳在空氣中，氧和氫都在水里面。通過陽光則可以讓它們三種元素作用起來。
所以，在生物質能源利用上，我們必須走出誤區(qū)，即只看到農林廢棄物是生物質資源，而忽視或不了解我國有面積接近耕地的邊際土地，能夠大量種植能源灌木、草類原料，生物質原料需要在生產方面來一場革命。
根據(jù)中國農業(yè)大學生物質工程中心2021年的研究，我國邊際土地有13類，其中灌木林、疏林地和低覆蓋度草地3類土地是能夠種植能源植物的，面積有17億畝。
在今年4月17日舉辦的第四屆全球生物質能源創(chuàng)新發(fā)展論壇上，中國工程院院士倪維斗建議要通過技術創(chuàng)新，大力發(fā)展超級能源生物質燃料。而超級蘆竹就是近年來超級能源生物質燃料的一項重大突破。
倪維斗稱，武漢一公司培育出了新一代超級蘆竹。這種植物每年畝產可以達到10噸干生物質燃料（水稻秸稈是1噸左右），熱值達到4000-4500大卡/公斤，比褐煤還要好，接近動力煤的5000大卡/公斤。
“按每畝5噸干的生物質能源計算，如果有6億畝邊際土地種植，就可以把我們所有燃煤電廠的燃煤都頂替掉；有2億畝種植，就可以頂替現(xiàn)在全國3000億立方米天然氣用量。”
而且，這種超級蘆竹在年降雨量500毫米以上地區(qū)的邊際土地、荒坡、灘涂、鹽堿地都可以種植，一年能長6、7米高，可以年年收割，旺產期達20年。
“超級蘆竹”種苗繁育
近期，中國石灰產業(yè)學會對這一技術進行了深度了解，在這里和大家重點講述一下。
其中，根據(jù)2023年08月03日《中國經(jīng)濟時報》報道：
超級蘆竹的優(yōu)勢為干生物量大；可直接替代煤炭；成本低效益高；抗逆性強，可大面積普及；用途廣泛，市場大。如果在全球推廣種植50億畝超級蘆竹，可吸收二氧化碳400億噸以上，完全滿足全球實現(xiàn)碳中和的需求。
原國家林業(yè)局總工程師、中國林業(yè)產業(yè)聯(lián)合會常務副會長封加平在該報道中詳細介紹到：
作為能源植物，超級蘆竹有如下優(yōu)勢和特點：
一是干生物量大。在我國南北方種植，每畝每年干基生物量可達3—10噸。而蘆葦每畝每年的干生物量只有0.5噸、4年生桉樹每畝濕生物量才4噸。在南方種植超級蘆竹干生物量可達桉樹的9倍以上，在北方種植超級蘆竹可達桉樹干生物量的3倍以上，完全可以解決我國能源、原料的綠色、廉價、安全穩(wěn)定供應問題。如在廣西供應一座用煤100萬噸的火電廠，種植12萬畝超級蘆竹就可實現(xiàn)能源的穩(wěn)定供應。
二是可直接替代煤炭。超級蘆竹的熱值為4200—4600大卡，可直接替代火電廠的動力煤，去年動力煤的價格曾達到1600元/噸，目前也約在1000元/噸，超級蘆竹捆料350元/噸、顆粒800元/噸，既降低了火電廠的燃料成本、又減少了因燒煤產生的二氧化碳排放。摻燒10%以內超級蘆竹，火電廠技術改造費用不到新建機組的5%；如果用蘆竹100%替代煤炭，火電機組的改造費用僅為新機組總投資的15%—20%。從度電投資強度來看，燃煤發(fā)電廠全部改燒超級蘆竹每年度電投資強度約為0.1元；目前風力發(fā)電每年度電投資強度約為2.5元，光伏發(fā)電每年度電投資強度約為2元，是超級蘆竹火力發(fā)電投資強度的20—25倍，對比用超級蘆竹火力發(fā)電，太陽能、風能每發(fā)一度電，國家要多投20—25倍的錢；保持和穩(wěn)定我國火力發(fā)電的電力負荷，既可為我國太陽能、風能發(fā)電的快速增長提供深度的調峰支撐，又可幫助國家減少在儲電、儲氫領域的投入。如果超級蘆竹替代我國30%的火電用煤，就相當于我國每年二氧化碳排放減少12億噸；替代100%的火電用煤，就基本實現(xiàn)了火力發(fā)電近零排放，相當于我國每年可減少二氧化碳排放40億噸。
三是成本低效益高。超級蘆竹生長周期約140天，當年種植當年即有收獲，南方種植可收獲2次，中部和北方種植可收獲1次。一次種植可連續(xù)高產收獲15—20年。田間管理成本低，適合機械化作業(yè)。
四是抗逆性強，可大面積普及。超級蘆竹耐洪澇，水淹時間可達2—3個月；耐鹽堿，在含鹽15‰、PH9以下的鹽堿性土壤也有很高的存活率；耐旱，年降水量500毫米以上的地區(qū)，不用灌溉澆水；耐寒，在-20°C以上的低溫、北緯42°以南的鹽堿地、灘涂地、沼澤地、沙荒地、貧瘠土地及廢礦區(qū)均可種植。
五是用途廣泛，市場大。超級蘆竹除了可直接替代動力煤外，還有很多用途。可生產氫氣，成本僅為電解水制氫的三分之一，1噸干基蘆竹可生產氫氣1100立方米；可生產天然氣、甲醇、乙醇、液氨、汽柴油、乙二醇、烯烴、芳烴、航空煤油等高端能源及高端化學品；可生產人造板、造紙紙漿、紡織漿粕，保護天然林；可生產青儲飼料，新鮮蘆竹的粗蛋白和纖維素含量可達15%—19%和33%，為優(yōu)質畜牧飼料。
我國有林地43億畝、草地40億畝、鹽堿地15億畝、濕地8億畝、園地3億畝，大力發(fā)展超級蘆竹對我國具有重要的戰(zhàn)略意義。而且還可以實現(xiàn)保障國家能源安低成本實現(xiàn)碳中和以及有效治理土地污染的目的。尤其是治理土地污染是世界性難題，超級蘆竹土壤修復功能很強，主要有兩大顯著作用：一是在種植、生長過程中富集、移出污染物。超級蘆竹在重金屬污染、有機物污染、石油污染等土地上均可生長，利用工農業(yè)廢水、生活污水、養(yǎng)殖業(yè)廢水灌溉也不會破壞蘆竹生長，其生長過程就在修復改良土壤。二是超級蘆竹通過熱化學轉化加工生產高端能源、高端化學品的副產品生物炭，也是國際公認的修復改良土壤、替代化肥的原料。這兩種辦法是目前治理土地面源污染成本既低、又有經(jīng)濟效益的現(xiàn)實路徑。
發(fā)展超級蘆竹不僅將改變我國乃至世界的能源格局，是實現(xiàn)能源綠色發(fā)展、安全發(fā)展、永續(xù)發(fā)展的關鍵路徑，是我國實現(xiàn)碳中和的秘密武器，是維護國家經(jīng)濟安全的重要保障；而且對構建新發(fā)展格局、推動高質量發(fā)展、全面推進鄉(xiāng)村振興、促進區(qū)域協(xié)調發(fā)展、發(fā)展現(xiàn)代化產業(yè)體系、建設中國式現(xiàn)代化、實現(xiàn)中華民族偉大復興，具有全局性戰(zhàn)略意義。
五、生物質在石灰產業(yè)的應用前景展望
目前，國內的木材下腳料及林木下腳料等高熱值生物質燃料價格與本文所述的超級蘆竹價格基本相同，熱值也比較接近。我們可以按照超級蘆竹的熱值為4200—4600大卡計算，價格按照超級蘆竹捆料350元/噸、顆粒800元/噸計算，生產一噸石灰需要200kg左右，使用捆料時燃料直接成本僅為70元，使用顆粒料時為160元，所以，無論采用木材下腳料或者超級蘆竹與其它能源相比，都極具成本優(yōu)勢。
而且從唐山金泉冶化科技產業(yè)有限公司推出的“生物質燃料聯(lián)產石灰”系列技術生產工藝來看，主要是采用生物質氣汽化生產和生物質粉噴吹生產石灰，燃料均采用原生態(tài)生物質原料破碎后使用，不使用壓縮生產的顆粒料。從這一點來看，刨除生物質捆料采集或收購時可能含有20—30%左右水分等因素，干基燃料噸灰成本也可以控制在100元左右。與目前采用無煙煤塊狀燃料價格約1200元左右、噸灰燃料成本180—200元相比，燃料成本可降低近50%。
目前，隨著唐山金泉冶化科技產業(yè)集團旗下“唐山金泉冶化科技產業(yè)有限公司”、“唐山金泉成套設備有限公司”等單位推出的“中心燒嘴式單膛石灰豎窯”、“ZGS外支撐式混噴雙燃雙膛石灰窯”等技術的不斷完善和提升，已經(jīng)具備了生物質氣化燃燒生產石灰、生物質粉噴吹生產石灰、生物質粉與煤粉氣煤雙燃生產石灰、生物質與天然氣聯(lián)產石灰等關鍵技術的生產應用，隨著目前在國內及國外的示范項目的推進和實施，石灰產業(yè)的一場“能源革命”已經(jīng)來臨。
特別是目前“控煤”的特殊背景下，超級蘆竹產業(yè)的推出，非常有利于石灰產業(yè)應用生物質燃料生產的應用，即解決了選擇傳統(tǒng)生物質能源燃料時的運費及貨源品種不穩(wěn)定的關鍵性問題也解決了碳排放問題，而且可以實現(xiàn)燃料自給自足。比如：按照超級蘆竹每畝每年干基生物量*高可達10噸計算。年產10萬噸的石灰窯只需種植超級蘆竹2000畝就可以滿足生產需要。而且，重要的是，前述中的超級蘆竹價格是按照市場價格測算的，如果自己種植成本還要更低。超級蘆竹種植還可以采取委托種植、合作社聯(lián)合種植等
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