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《石灰产业大讲堂》008期|“零碳”生产石灰的“能源革命”
2023-08-25 11:28:33 来源：石灰窑生态圈
《石灰产业大讲堂》008期|“零碳”生产石灰的“能源革命”
一、 前 言
能源是人类社会生存与发展的物质基础，随着经济社会的发展，对能源的需求不断增长。而受传统能源供给资源匮乏，资源不可再生性等多种因素的限制，已经难以适应绿色、双碳及可持续发展的要求。
而且，世界各国在高速发展经济的同时对环保的要求也越来越高。全世界都在从保护人类自然资源和生态环境出发寻求一种新的清洁、安全、可靠的可持续发展能源体系 。
那么，又该如何破局呢？“新能源”一定是破解危机的重要手段。人类一直有一个能源自由的梦想。当前*热的能新源技术就是可控核聚变，有人把它的重要性比作人类发现了火种。但可控核聚变何时能够商用，科学界的判断永远是“还需要50年”。
其实，在我们已经拥有的各类能源中，有很多能源的潜力并没有被好好挖掘。在目前可以应用的新能源中，*廉价、获取成本*低、取之不尽的能源首推“太阳能”，但是，获取太阳能量的装置投资也是巨大的，而且也只能转化为电能一种能源。那么，有没有不用投资太阳能的接受装置而且可以获得太阳的能量的方法？
有一种能源，只要太阳还在，只要地球上的绿色植物还在，它就永远不会枯竭。这就是继煤炭、石油、天然气之后人类的第四大能源——生物质能，而且可以直接获取。
生物质是指一切有生命的可以生长的有机物质，包括所有植物、微生物、以植物和微生物为食的动物及其废弃物。而由生物质直接或者间接通过光合作用产生的能量，便是生物质能。所以，本质上，生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的一种能量形式。
于是，在能源领域，掀起了一场以生物质资源研究与开发的“新旋风”，有望打破以化石燃料为基础的传统资源为限制的发展模式。
二、“新能源”的前生与今世
“新能源”，又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。今天我们就来先说一说，能改变人类未来发展的重要新能源－“生物质能”，而且重点介绍一项能够自给自足获取优质廉价生物质能源的新途径、新方法。
什么是生物质能？
生物质（biomass），根据国际能源机构（IEA）的定义，是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物，与化石能源不同，他们是来自于新近生存过的生物。
生物质能的本质是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，它一直是人类赖以生存的重要能源之一，是仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源，在整个能源系统中占有重要的地位。
通俗的说，就是太阳能以化学能形式，贮存在生物质中的能量形式。生物质能是以“生物质”为载体的能量。生物质又大多源于绿色植物的光合作用。我们也可以理解为生物质能是太阳能主要的吸收器和储存器。生物能源通过光合作用，把太阳能聚集在一起，而这些能量就是人类发展不可获缺的新能源。
与太阳能、风能一样，生物质能也属于可再生能源，它可以转化为电力与热能，并将在未来的能源供应中发挥巨大作用。与风能和太阳能不同的是，生物质能极易储存，人们可以存储诸如稻草、木材或液态肥料之类的原材料，并在必要时再将其转化为其他能源。比如:生物质可转化为常规的固态、液态及气态燃料.
所以，生物质能源的蕴藏量极其丰富，生物质能就成了取之不尽、用之不竭的一种可再生能源，也是唯一一种可再生的碳源。我们可以总结为，绿色环保、无污染的可再生资源。
而且，生物质能也是*有产业化和规模化前景的可再生能源，在各国的能源结构中占有重要地位。科学家和各国政府对生物质能源给予了极.大关注，采取各种举措促进生物质能源新技术的开发研究 。
生物质能有哪些特点？
零碳排放、稳定供给、储量巨大，这是生物质能的三大特点。同时，生物质能还具有以下特征：
（1）、贮量丰富和可再生性，保证能源的永续利用；
（2）、环保性，在生物质能源利用过程中显著降低了CO2排放，对减少温室效应有积极意义，在利用转化过程中还可以减少硫化物、氮化物和粉尘等的排放
（3）、生物质能源具有普遍性、易取性，生产过程较为简单；
（4）、在可再生能源中，生物质是唯一可以储存与运输的能源；
（5）、生物质具有分布分散、能量密度小、热值低和成分复杂等缺点。
生物质能的来源有那些？
从古代人类使用木材生火烹饪，到如今人们使用现代技术利用生物质能进行发电和生产燃料，人类利用生物质能的历史已有数千年之久。
所以，生物质是一个巨大的能源，它的来源主要有“薪柴、木质废弃物、农业秸秆、牲畜的粪便、制糖作物废料以及城市垃圾和污水、水生植物等”。
目前生物质能，作为国际公认的零碳可再生资源，已经通过发电、供热、供气等方式，应用于工业、农业、交通生活等多个领域了，并且是其他可再生能源无法替代的。
由此可见，相比于煤、石油、天然气等不可再生能源的形成时间和来源。生物质的来源要更广泛一些。
生物质能有哪些开发和利用途径？
生物质能源的开发与利用是把各种生物质原料通过不同途径转化为高附加值的生物质能源、生物材料、石油产品替代品及副产品等环境友好产品的全过程。
生物质能源转化利用途径包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理化学法等，可转化为二次能源，分别为热力或电力、固体燃料 （木炭或成型燃料）、液体燃料（生物柴油 、甲醇、乙醇和植物油等）和气体燃料（氢气生物质燃气和沼气等）。
三、我国生物质能源的应用现状与趋势
欧洲国家早已经把生物质能作为低碳能源的重要内容，我国相对不足。为缓解能源压力，我国有关生物能源和生物材料产业研究已有多年历史，已经把生物质能利用作为建设我国低碳能源的重要内容。我国的生物质能主要来源于农业废弃物及农林加工废弃物、薪柴、城市生活垃圾等。我国生物质能潜在资源量非常巨大，利用现代生物质技术，开发生物质能源意义重大，前景十分广阔。积极发展生物质能源，加快实施石油替代战略，改变我国传统的能源生产和消费模式，不仅有利于缓解能源危机和保障能源安全，其特殊意义还在于有助于解决“三农问题”，还可以有效缓解环境压力，实现能源战略、农业增收和环境保护的“多赢”。
从*初国家发改委就我国生物燃料产业发展作出的统筹安排可以看到: 计划“十一五”实现技术产业化，“十二五”实现产业规模化，2015 年以后大发展。
从国家中长期发展规划目标中也可以看到：
2020年，可开发生物质能量至少达到15亿吨标准煤，其中30 % 来自传统生物质，70 %由能源农林业提供，届时我国生物质能源消费量将占到整个石油消费量的 20 % 以上，生物燃料产业也将更具国际竞争力。
从近期的相关产业发展政策也更能够看到前景：
不久前，由中国产业发展促进会生物质能产业分会编制的国内首份《中国生物质能产业发展年鉴》(以下简称《年鉴》)正式发布。《年鉴》显示，我国生物质能未来发展市场前景广阔。
其中，重点提到："到2030年，生物质能整个行业处理有机废弃物大概能超过7.6亿吨，替代标煤量超过1.3亿吨。拉动整个产业上下游投资6000多亿元，带动就业人数在42万人左右”
另外，非电领域包括清洁供热、生物天然气、液体燃料、成型燃料等。《年鉴》显示我国规模化生物天然气产量不断扩大，目前，年产约3亿立方米，生物质清洁供热规模显著提高，供暖面积超过3亿平方米，生物质成型燃料年利用量约2000万吨，生物液体燃料也在快速增长，2021年生物液体燃料产量440万吨，预计2022年产量将超过520万吨
目前，从政策来看，在“双碳”“1+N”政策体系的加持下，拥有零碳排基因的生物质能未来发展极具想象空间。从长期来看，可以预见，随着我国生物质能技术持续发展、产业体系不断完善、装备制造能力不断提升，未来，我国通过发展生物质能，即可将数以亿吨计的“问题废弃物”变成宝贵的原料，彻底解决其无处安放的难题。
放眼全球，欧美发达国家也正在加快对生物质能的发展：
《年鉴》显示，以欧盟为例，2019年，在成员国的总能源供应中，可再生能源的占比为15.1%，其中约63%的可再生能源来自生物质能。美国的生物质能在可再生能源中的占比超过45%，德国的占比超过了60%。
可以看出，不管是与风电、光电、水电相比，还是与欧美相比，我国生物质能行业的发展都还有很大进步空间。
四、如何实现“零碳”能源在石灰行业的应用
为什么生物质被称为“零碳”能源？
虽然我们现在习惯把生物质能划入新能源之列，但其实它是人类*早使用的能源。不管是燧人氏钻木取火，卖炭翁伐薪烧炭，还是今天我们吃淄博烧烤，用的都是生物质能。
生物质之所以被认为具有零碳属性，是由于植物生长过程中会吸收CO2，将其固定在体内，如果在植物死后这些碳全部还是以CO2的形式释放出来，则又会被新一轮的植物生长所吸收，因此从物质守恒的角度，可以认为生物质具有“零碳”和 “碳中和”属性。
或者说，所谓“零碳”，不是没有二氧化碳排放，而是生物质能处于地表生态系统的碳循环中，在整个能源应用过程中，CO2排放量几乎等于其生长过程中的CO2吸收量，没有增加地表的CO2总量。因此，生物质能是一种真正零排放的可再生能源。
所以说，“生物质能源是唯一的零碳燃料，将在未来低碳能源结构中发挥重大作用。
适用于石灰生产的生物质储量有多少？
从生物质能量转换角度来讲，适用于石灰行业生产应用的生物质燃料来源主要来自于林业剩余物。
根据国家林草局发布的《中国林业和草原统计年鉴》数据，目前我国林业面积约为 17988.85万公顷，森林覆盖率达到 22.96%，年采伐木材 10045.85 万立方米，由此测算出林业废弃物资源量约为 3.5 亿吨，预计未来我国林业面积将会保持稳定增长。
根据近20年《中国林业和草原统计年鉴》数据分析，林业采伐总资源量保持2%的增长，预计未来林业剩余物资源量也将随之持续增加。预计2030年林业剩余物总量将达到 4.27亿吨，到2060年，林业剩余物总量将达到 7.73 亿吨。
从上述数据我们可以粗略的计算出石灰行业的生物质供需趋势：按照我国石灰产能*高3.2吨计算，每年仅需要3000万吨以下的生物质燃料供应，不足目前我国林业废弃物资源量约为3.5亿吨的10%，如果按照2030年林业剩余物总量将达到4.27亿吨计算不足7%，按照到2060年林业剩余物总量将达到7.73亿吨计算不足4%。而且这是按照全部石灰产能计算，实际应用的需求远远低于此数据。
可见，我国石灰行业的生物质燃料用量与实际产出量相比占比极低，可以说是来源广泛且无断供风险。
种出来的能源可全面替代煤炭？
能源可以“种”出来？而且这种能源还可以全面替代煤炭石油天然气？听起来似乎有些匪夷所思，但是，通过深度了解你就会发现，种植能源不仅已经在我国实现商用，未来还可能创造一个属于他们的时代。
什么是种植能源？它究竟包含了哪些内涵？工业文明以来，所有使用能源主要是要碳、氢和氧进行化学反应，进而产生我们需要的各种能源商品。碳在空气中，氧和氢都在水里面。通过阳光则可以让它们三种元素作用起来。
所以，在生物质能源利用上，我们必须走出误区，即只看到农林废弃物是生物质资源，而忽视或不了解我国有面积接近耕地的边际土地，能够大量种植能源灌木、草类原料，生物质原料需要在生产方面来一场革命。
根据中国农业大学生物质工程中心2021年的研究，我国边际土地有13类，其中灌木林、疏林地和低覆盖度草地3类土地是能够种植能源植物的，面积有17亿亩。
在今年4月17日举办的第四届全球生物质能源创新发展论坛上，中国工程院院士倪维斗建议要通过技术创新，大力发展超级能源生物质燃料。而超级芦竹就是近年来超级能源生物质燃料的一项重大突破。
倪维斗称，武汉一公司培育出了新一代超级芦竹。这种植物每年亩产可以达到10吨干生物质燃料（水稻秸秆是1吨左右），热值达到4000-4500大卡/公斤，比褐煤还要好，接近动力煤的5000大卡/公斤。
“按每亩5吨干的生物质能源计算，如果有6亿亩边际土地种植，就可以把我们所有燃煤电厂的燃煤都顶替掉；有2亿亩种植，就可以顶替现在全国3000亿立方米天然气用量。”
而且，这种超级芦竹在年降雨量500毫米以上地区的边际土地、荒坡、滩涂、盐碱地都可以种植，一年能长6、7米高，可以年年收割，旺产期达20年。
“超级芦竹”种苗繁育
近期，中国石灰产业学会对这一技术进行了深度了解，在这里和大家重点讲述一下。
其中，根据2023年08月03日《中国经济时报》报道：
超级芦竹的优势为干生物量大；可直接替代煤炭；成本低效益高；抗逆性强，可大面积普及；用途广泛，市场大。如果在全球推广种植50亿亩超级芦竹，可吸收二氧化碳400亿吨以上，完全满足全球实现碳中和的需求。
原国家林业局总工程师、中国林业产业联合会常务副会长封加平在该报道中详细介绍到：
作为能源植物，超级芦竹有如下优势和特点：
一是干生物量大。在我国南北方种植，每亩每年干基生物量可达3—10吨。而芦苇每亩每年的干生物量只有0.5吨、4年生桉树每亩湿生物量才4吨。在南方种植超级芦竹干生物量可达桉树的9倍以上，在北方种植超级芦竹可达桉树干生物量的3倍以上，完全可以解决我国能源、原料的绿色、廉价、安全稳定供应问题。如在广西供应一座用煤100万吨的火电厂，种植12万亩超级芦竹就可实现能源的稳定供应。
二是可直接替代煤炭。超级芦竹的热值为4200—4600大卡，可直接替代火电厂的动力煤，去年动力煤的价格曾达到1600元/吨，目前也约在1000元/吨，超级芦竹捆料350元/吨、颗粒800元/吨，既降低了火电厂的燃料成本、又减少了因烧煤产生的二氧化碳排放。掺烧10%以内超级芦竹，火电厂技术改造费用不到新建机组的5%；如果用芦竹100%替代煤炭，火电机组的改造费用仅为新机组总投资的15%—20%。从度电投资强度来看，燃煤发电厂全部改烧超级芦竹每年度电投资强度约为0.1元；目前风力发电每年度电投资强度约为2.5元，光伏发电每年度电投资强度约为2元，是超级芦竹火力发电投资强度的20—25倍，对比用超级芦竹火力发电，太阳能、风能每发一度电，国家要多投20—25倍的钱；保持和稳定我国火力发电的电力负荷，既可为我国太阳能、风能发电的快速增长提供深度的调峰支撑，又可帮助国家减少在储电、储氢领域的投入。如果超级芦竹替代我国30%的火电用煤，就相当于我国每年二氧化碳排放减少12亿吨；替代100%的火电用煤，就基本实现了火力发电近零排放，相当于我国每年可减少二氧化碳排放40亿吨。
三是成本低效益高。超级芦竹生长周期约140天，当年种植当年即有收获，南方种植可收获2次，中部和北方种植可收获1次。一次种植可连续高产收获15—20年。田间管理成本低，适合机械化作业。
四是抗逆性强，可大面积普及。超级芦竹耐洪涝，水淹时间可达2—3个月；耐盐碱，在含盐15‰、PH9以下的盐碱性土壤也有很高的存活率；耐旱，年降水量500毫米以上的地区，不用灌溉浇水；耐寒，在-20°C以上的低温、北纬42°以南的盐碱地、滩涂地、沼泽地、沙荒地、贫瘠土地及废矿区均可种植。
五是用途广泛，市场大。超级芦竹除了可直接替代动力煤外，还有很多用途。可生产氢气，成本仅为电解水制氢的三分之一，1吨干基芦竹可生产氢气1100立方米；可生产天然气、甲醇、乙醇、液氨、汽柴油、乙二醇、烯烃、芳烃、航空煤油等高端能源及高端化学品；可生产人造板、造纸纸浆、纺织浆粕，保护天然林；可生产青储饲料，新鲜芦竹的粗蛋白和纤维素含量可达15%—19%和33%，为优质畜牧饲料。
我国有林地43亿亩、草地40亿亩、盐碱地15亿亩、湿地8亿亩、园地3亿亩，大力发展超级芦竹对我国具有重要的战略意义。而且还可以实现保障国家能源安低成本实现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难题，超级芦竹土壤修复功能很强，主要有两大显著作用：一是在种植、生长过程中富集、移出污染物。超级芦竹在重金属污染、有机物污染、石油污染等土地上均可生长，利用工农业废水、生活污水、养殖业废水灌溉也不会破坏芦竹生长，其生长过程就在修复改良土壤。二是超级芦竹通过热化学转化加工生产高端能源、高端化学品的副产品生物炭，也是国际公认的修复改良土壤、替代化肥的原料。这两种办法是目前治理土地面源污染成本既低、又有经济效益的现实路径。
发展超级芦竹不仅将改变我国乃至世界的能源格局，是实现能源绿色发展、安全发展、永续发展的关键路径，是我国实现碳中和的秘密武器，是维护国家经济安全的重要保障；而且对构建新发展格局、推动高质量发展、全面推进乡村振兴、促进区域协调发展、发展现代化产业体系、建设中国式现代化、实现中华民族伟大复兴，具有全局性战略意义。
五、生物质在石灰产业的应用前景展望
目前，国内的木材下脚料及林木下脚料等高热值生物质燃料价格与本文所述的超级芦竹价格基本相同，热值也比较接近。我们可以按照超级芦竹的热值为4200—4600大卡计算，价格按照超级芦竹捆料350元/吨、颗粒800元/吨计算，生产一吨石灰需要200kg左右，使用捆料时燃料直接成本仅为70元，使用颗粒料时为160元，所以，无论采用木材下脚料或者超级芦竹与其它能源相比，都极具成本优势。
而且从唐山金泉冶化科技产业有限公司推出的“生物质燃料联产石灰”系列技术生产工艺来看，主要是采用生物质气汽化生产和生物质粉喷吹生产石灰，燃料均采用原生态生物质原料破碎后使用，不使用压缩生产的颗粒料。从这一点来看，刨除生物质捆料采集或收购时可能含有20—30%左右水分等因素，干基燃料吨灰成本也可以控制在100元左右。与目前采用无烟煤块状燃料价格约1200元左右、吨灰燃料成本180—200元相比，燃料成本可降低近50%。
目前，随着唐山金泉冶化科技产业集团旗下“唐山金泉冶化科技产业有限公司”、“唐山金泉成套设备有限公司”等单位推出的“中心烧嘴式单膛石灰竖窑”、“ZGS外支撑式混喷双燃双膛石灰窑”等技术的不断完善和提升，已经具备了生物质气化燃烧生产石灰、生物质粉喷吹生产石灰、生物质粉与煤粉气煤双燃生产石灰、生物质与天然气联产石灰等关键技术的生产应用，随着目前在国内及国外的示范项目的推进和实施，石灰产业的一场“能源革命”已经来临。
特别是目前“控煤”的特殊背景下，超级芦竹产业的推出，非常有利于石灰产业应用生物质燃料生产的应用，即解决了选择传统生物质能源燃料时的运费及货源品种不稳定的关键性问题也解决了碳排放问题，而且可以实现燃料自给自足。比如：按照超级芦竹每亩每年干基生物量*高可达10吨计算。年产10万吨的石灰窑只需种植超级芦竹2000亩就可以满足生产需要。而且，重要的是，前述中的超级芦竹价格是按照市场价格测算的，如果自己种植成本还要更低。超级芦竹种植还可以采取委托种植、合作社联合种植等
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行业快讯
唐山金泉公司单月石灰窑订单16座，创行业**。
2014年3月中旬，北方炉窑协会、石灰产业协会等单位走访了国内的*石灰生产单位及石灰窑工程设计建造单位，初步了解了部分石灰产业情况及石灰窑新建工程的在建情况，走访中将进一步对今年该行业的发展情况进行总结交流。
据悉，截至2014年3月1日，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司石灰窑工程订单单月订单达数量达到了16座，创造了国内*新记录，而且全部订单都在2014年2月10日至3月1日签约，也就是说在我国的传统节日2014年春节期间的正月中的半个月完成的订单，订单石灰窑数量平均一天一座窑。
据协会不完全统计，截至2014年3月底，国内石灰窑签约项目约25座，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司一家就签约16座，使其在国内的市场占有率超过了60%，这一业绩使唐山金泉公司2014年全年石灰窑业绩有望突破30座，可继续保持国内业绩*高记录。
据合同资料显示，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司已经签约并开始设计建造的主要用户有：
1、唐山凯业炉料有限公司 4x588m³石灰竖炉（燃煤，冶金灰、建筑灰）
2、甘肃古浪鑫淼精细化工有限公司4x358m³石灰竖炉（燃煤，电石灰、氰胺用灰）
3、广东德庆东航钙业有限公司4x258m³石灰竖炉（燃煤，冶金灰）
4、张家口宏宇化工材料有限公司2x158m³石灰竖炉（燃煤，化工重钙灰）
5、贵州德众钙业有限公司1x358m³石灰竖炉（燃煤，轻钙用灰）
6、印尼马斯特钢铁公司
