石灰窯自產(chǎn)人工煤？答案來了！
2025-02-11 08:49:59 來源：石灰窯生態(tài)圈
石灰窯自產(chǎn)人工煤？答案來了！
一、編者導語
在石灰生產(chǎn)中，無論從降低能耗（成本）角度還是從環(huán)保角度及碳減排角度來講，燃料無疑是關(guān)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(chǎn)石灰的工藝已經(jīng)進入嚴控和禁止的時代。如何破局，實現(xiàn)石灰生產(chǎn)健康和長久的發(fā)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(jīng)歷了生物質(zhì)（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(zhuǎn)換的核心驅(qū)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(zhuǎn)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(zhì)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(xù)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(zhì)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(zhì)僅為5～75天，光伏發(fā)電長達2～3年。所以，將生物質(zhì)改質(zhì)為高能量密度能源是必經(jīng)之路。
生物質(zhì)與煤炭、石油等化石資源*大的區(qū)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(tǒng)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(yè)化運營。
然而，近期脫穎而出的“人工合成煤”技術(shù)徹底改變了人們對生物質(zhì)能的認知，該項技術(shù)打通了生物質(zhì)引入高能量密度可再生能的通道，其能量密度超過現(xiàn)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(nóng)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(nèi)外的應用和技術(shù)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(yè)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(shù)已經(jīng)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(jīng)開發(fā)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(nèi)就能生產(chǎn)出生物“煤”。而化石煤在地質(zhì)作用下通常需要數(shù)百萬年才能形成。該項技術(shù)工藝的生產(chǎn)過程是一個非常簡單且穩(wěn)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(nèi)，對該項技術(shù)的研發(fā)應用也取得突破性進展，已經(jīng)開發(fā)應用了“現(xiàn)代生物煉制技術(shù)體系和商業(yè)化運營模式”，特別是“脫氧半焦微粉化工藝”系列技術(shù)，可將農(nóng)林剩余物變?yōu)樯锇虢箛姶捣�，將生物質(zhì)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(wěn)定性好，不但提升了能量密度，而且具有復吸水性和優(yōu)良的氣力輸送性�？朔嗣禾康娜毕�，發(fā)揚了煤炭的優(yōu)勢，可替代噴吹煤。
從技術(shù)角度看，僅用幾分鐘就將生物質(zhì)變?yōu)榻M成和性能更優(yōu)的“人工合成煤”，不僅可以用生物質(zhì)解決基礎(chǔ)能源-煤炭問題，也開啟了現(xiàn)代生物煉制產(chǎn)業(yè)先河，人類的經(jīng)濟社會結(jié)構(gòu)也會逐漸轉(zhuǎn)變到生物質(zhì)上來，實現(xiàn)商業(yè)化運營。
對于“人工合成煤”的生產(chǎn)方式和技術(shù)原理，我們咨詢了被石灰產(chǎn)業(yè)學會譽為“新時代賣炭翁”的“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”，根據(jù)該公司研發(fā)中心提供的資料顯示：“人工合成煤”的技術(shù)原理如下：
該項技術(shù)生產(chǎn)原理主要是采用了熱驅(qū)動的水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)和變壓閃蒸工藝等技術(shù)，是典型的熱化學反應工程技術(shù)。該系列技術(shù)可在治理有機廢物的同時回收有價資源，是實現(xiàn)雙碳目標的重要途經(jīng)。
水熱研究*早是在地質(zhì)學領(lǐng)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(huán)境，自然界中眾多的礦物就是在這種環(huán)境中形成的。19世紀中期英國的地質(zhì)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(nèi)部變化的影響。與此同時，人們相繼開展了水熱法的基礎(chǔ)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(huán)境中，采用水作為反應介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并發(fā)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?qū)崿F(xiàn)一些在常溫常壓條件下無法實現(xiàn)的反應，可直接得到分散且結(jié)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(zhì)。
水熱技術(shù)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(shù)、水熱液化（HTL）技術(shù)、水熱氣化（HTG）技術(shù)。
目前，應用于冶金及石灰行業(yè)的主要是水熱炭化（HTC）技術(shù)。水熱炭化指的是將物料轉(zhuǎn)化為清潔型固相產(chǎn)品（即水熱炭）的過程。
三、“人工合成煤”在鋼鐵行業(yè)的應用
目前除巴西有高爐使用木炭作為燃料外，國內(nèi)外尚無工業(yè)應用案例，多聚焦于實驗室的基礎(chǔ)研究。在國內(nèi)，首鋼率先研究應用了高爐噴吹生物質(zhì)技術(shù)。
該項工藝采用變壓閃蒸技術(shù)，即汽爆（Steam Explosion），是應用蒸汽彈射原理實現(xiàn)的爆炸過程對生物質(zhì)進行預處理的一種技術(shù)。其技術(shù)本質(zhì)為：將滲進植物組織內(nèi)部的蒸汽分子瞬時釋放完畢，使蒸汽內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能并作用于生物質(zhì)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(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域較有前景的預處理技術(shù)。
經(jīng)過變壓閃蒸后的生物質(zhì)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(huán)境為液體的水熱炭化技術(shù)，變壓閃蒸技術(shù)對于生物質(zhì)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(jīng)過深度炭化處理的產(chǎn)品揮發(fā)份和固定碳會得到不同程度的降低和提高，使所得生物質(zhì)微粉的品級向煙煤不斷靠近，固定碳可達40%以上，揮發(fā)分為50%左右，高位發(fā)熱值為22 MJ/KG左右。
四、石灰窯聯(lián)產(chǎn)“人工合成煤”技術(shù)應用
水熱炭化是將廢棄生物質(zhì)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(jié)省費用、效率高、能耗低等特點，其產(chǎn)物生物質(zhì)炭是一種便于運輸存儲、熱轉(zhuǎn)化率高、污染小的優(yōu)質(zhì)材料，具有廣泛的用途。
“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”研發(fā)應用的“石灰窯低溫煙氣余熱水熱碳化法生產(chǎn)微粉聯(lián)產(chǎn)石灰技術(shù)”顯示：
通過把石灰窯生產(chǎn)中產(chǎn)生的窯頂煙氣引入反應器中，與反應器中的生物質(zhì)物料在溫度為180°C至250°C，在設(shè)定的壓力條件下進行處理，轉(zhuǎn)化過程中水是處于過熱水狀態(tài)，而非轉(zhuǎn)化為蒸汽，水熱炭化時間為20-40min。
該項技術(shù)中的生物質(zhì)水熱無需對生物質(zhì)進行干燥處理，對生物質(zhì)原料適應性強，可以起到節(jié)能效果，同時可獲得較高的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率。生產(chǎn)過程是通過對生物質(zhì)進行水熱炭化處理制備生物質(zhì)水熱炭；通過生物質(zhì)提質(zhì)技術(shù)，降低生物質(zhì)中的水分、揮發(fā)分含量，提高其能量密度，同時改善生物質(zhì)的破碎性能，使其能夠利用石灰窯煤粉制備系統(tǒng)現(xiàn)有磨煤機進行破碎，無需專門購置生物質(zhì)破碎機，節(jié)約投資成本。生物質(zhì)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(chǎn)中，可實現(xiàn)對生物質(zhì)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(zhì)水熱炭與煤混合物中，相對于生物質(zhì)水熱炭與煤的總量，生物質(zhì)水熱炭的在混合物中所占質(zhì)量百分比例為0.1％～70％�；旌虾蟮娜剂辖�(jīng)石灰窯噴吹煤粉輸送和分配系統(tǒng)，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(chǎn)業(yè)有限公司”研發(fā)應用的“石灰窯高溫煙氣變壓閃蒸生產(chǎn)半焦微粉化聯(lián)產(chǎn)石灰技術(shù)”顯示：
通過引用石灰窯生產(chǎn)中的富含CO2的高溫廢氣（850-1000°）與生物質(zhì)閃速脫氧提質(zhì)，促使生物質(zhì)和礦物質(zhì)中的礦物離子發(fā)生鍵合，得到高密度生物質(zhì)富氫微粉直接用于石灰窯噴吹。
該項工藝可以彌補生物質(zhì)體積密度低帶來的體積發(fā)熱值低的問題，而且原位固相提質(zhì)，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(zhì)過程在非液相水環(huán)境中進行，通過氣相變壓閃蒸實現(xiàn)。
“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”研發(fā)應用的“石灰窯生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)合成氣煅燒石灰技術(shù)”顯示：
生物質(zhì)合成氣以生物質(zhì)合成煤為原料，經(jīng)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(xiàn)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(zhì)合成煤進行原料直接替換，調(diào)整工藝參數(shù)后，便可生產(chǎn)生物質(zhì)合成氣。生物質(zhì)合成氣是國際公認的先進生物能源與物質(zhì)平臺產(chǎn)品，性價比遠優(yōu)于煤基合成氣，在石灰生產(chǎn)中使得燃料成本更低、更具競爭優(yōu)勢。
與常規(guī)技術(shù)相比，唐山金泉上述三項技術(shù)顯著特征是充分利用了石灰生產(chǎn)中的余熱熱能為生物質(zhì)水熱反應提供熱量，無需外部增加能源（能耗）就能實現(xiàn)石灰生產(chǎn)與生物質(zhì)燃料提質(zhì)聯(lián)產(chǎn)，達到簡化工序、降低能耗和制備時間，以及降低設(shè)備投資等目的。
特別指出的是，該項技術(shù)的關(guān)鍵點是創(chuàng)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(fā)生反應，產(chǎn)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(jié)
1、成本優(yōu)勢突出：
目前，常規(guī)的“人工合成煤”（包括碳化、半水焦生產(chǎn)等）生產(chǎn)中，無論“水熱”還是“閃蒸”方式都需要外部熱能加熱產(chǎn)生水熱和蒸汽，其噸能耗至少增加百元以上，而且生產(chǎn)中產(chǎn)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(shù)已經(jīng)趨于成熟，而且也正在進入商業(yè)運營階段，但是產(chǎn)品如何降低成本、如何進入二級市場和能源主戰(zhàn)場還要繼續(xù)完善。
然而，唐山金泉公司的技術(shù)應用確“優(yōu)勢凸顯”，從其多項技術(shù)原理可以看出，其核心優(yōu)勢就是成本優(yōu)勢和原位應用優(yōu)勢，通過收集利用石灰生產(chǎn)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(xiàn)聯(lián)產(chǎn)“人工煤”并全部用于石灰生產(chǎn)。而且，生產(chǎn)“人工煤”產(chǎn)生的一氧化碳（CO）燃料回收全部用于石灰生產(chǎn)，實現(xiàn)“石灰—氣—碳”三級聯(lián)產(chǎn)，全部原位應用，無外部銷售產(chǎn)品。
目前，參照本文“第三節(jié)”內(nèi)容中首鋼遷鋼微粉噴吹使用生物質(zhì)資源每噸的成本約為877.4元/噸。則石灰聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)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(guān)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(chǎn)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(zhì)，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(jīng)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(lián)供、煤氣化、高爐煉鐵、石灰生產(chǎn)等，塊煤已無法直接使用。生物質(zhì)與煤炭*大的區(qū)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(zhì)為原料，采用顛覆性生物技術(shù)將高水分生物質(zhì)變?yōu)?/span>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(wěn)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(wěn)定性優(yōu)于煤炭，使用性能全面超越噴吹煤�？朔松镔|(zhì)的缺陷，實現(xiàn)生物質(zhì)在數(shù)分鐘內(nèi)人工合成了“煤”。
所以，生物質(zhì)合成煤既可作為基礎(chǔ)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(chǎn)、高爐煉鐵，代替氣化煤生產(chǎn)生物質(zhì)合成氣代替煤基合成氣承接煤化工全產(chǎn)業(yè)鏈，形成新興生物質(zhì)化工全產(chǎn)業(yè)鏈；也可作為基礎(chǔ)物質(zhì)資源，如直接生產(chǎn)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(chǎn)生物質(zhì)合成氣，延伸生產(chǎn)精細化工產(chǎn)品。
資料編輯整理：
《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部
2025年02月07日
