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石灰窑自产人工煤？答案来了！
2025-02-11 08:49:59 来源：石灰窑生态圈
一、编者导语
在石灰生产中，无论从降低能耗（成本）角度还是从环保角度及碳减排角度来讲，燃料无疑是关键，也是唯一可以变革和应用的途径。特别是直接采用煤炭生产石灰的工艺已经进入严控和禁止的时代。如何破局，实现石灰生产健康和长久的发展，如何应用替代燃料已是迫在眉睫。
从燃料应用的历史来看，人类能源主要经历了生物质（释放能量：1.2×10^7 J/kg）、煤炭（无烟煤释放能量：3.4×10^7 J/kg）、石油（汽油释放能量：4.6×10^7 J/kg）的三个阶段，能源转换的核心驱动力都是能量密度的提高。当今能源进入碳中和时代，主要方向是从化石能源向可再生能源转型。而目前推崇的光电、风电、蓄电池、氢能（释放能量：1.4×10^7 J/kg）等均为低能量密度能源。生物质早期之所以应用缓慢，根本原因在于其能量密度低，本征缺陷终将使其重蹈覆辙。寻找可持续高能量密度的可再生能成为全球竞相追逐的热点。太阳能是*廉价的可再生能源，已成为人类使用能源的重要组成方式，而生物质是*为理想的太阳能热储能载体，同时也是国际公认的零碳能源。它在固定吸收太阳能时依靠的是植物的光合作用，而且能量收支平衡，在能源返还时间（Energy payback time，EPT）方面，生物质仅为5～75天，光伏发电长达2～3年。所以，将生物质改质为高能量密度能源是必经之路。
生物质与煤炭、石油等化石资源*大的区别在于氧含量极高（45%以上）、能量密度低、粉末气力输送性极差等，传统的能源利用方式为直燃、成型颗粒、碳化、液化等，均没有竞争力，无法商业化运营。
然而，近期脱颖而出的“人工合成煤”技术彻底改变了人们对生物质能的认知，该项技术打通了生物质引入高能量密度可再生能的通道，其能量密度超过现有的光电、风电、蓄电池、氢能等，成为目前唯一的高能量密度可再生能，使得农林剩余物成为可再生能源的重要支柱。
二、“人工合成煤”在国内外的应用和技术原理
“人工合成煤”也称为“生物煤”，是一种由有机废弃物制成的碳中和商品，它可用作能源来源、工业原材料，甚至作为一种碳储存方式，而非将碳排放到大气中。目前该项技术已经在欧洲开始应用，特别是在西班牙、英国和比利时的三座生物“煤”工厂已经开发应用。
制造这种煤炭替代品的一种方法是水热碳化（HTC）工艺，它利用加压的过热水在几个小时内就能生产出生物“煤”。而化石煤在地质作用下通常需要数百万年才能形成。该项技术工艺的生产过程是一个非常简单且稳定的过程，因为它就像是煤炭自然形成过程的加速版。
在国内，对该项技术的研发应用也取得突破性进展，已经开发应用了“现代生物炼制技术体系和商业化运营模式”，特别是“脱氧半焦微粉化工艺”系列技术，可将农林剩余物变为生物半焦喷吹粉，将生物质中的氧含量脱除15%以上，使得C、H、O比例适中，表面官能团全部脱除，比表面积大、燃点高、储存稳定性好，不但提升了能量密度，而且具有复吸水性和优良的气力输送性。克服了煤炭的缺陷，发扬了煤炭的优势，可替代喷吹煤。
从技术角度看，仅用几分钟就将生物质变为组成和性能更优的“人工合成煤”，不仅可以用生物质解决基础能源-煤炭问题，也开启了现代生物炼制产业先河，人类的经济社会结构也会逐渐转变到生物质上来，实现商业化运营。
对于“人工合成煤”的生产方式和技术原理，我们咨询了被石灰产业学会誉为“新时代卖炭翁”的“唐山金泉冶化科技产业有限公司”，根据该公司研发中心提供的资料显示：“人工合成煤”的技术原理如下：
该项技术生产原理主要是采用了热驱动的水热转化技术和变压闪蒸工艺等技术，是典型的热化学反应工程技术。该系列技术可在治理有机废物的同时回收有价资源，是实现双碳目标的重要途经。
水热研究*早是在地质学领域开展的。在自然界中，一个典型的水热条件就是温度高于100 ℃和压力大于１个大气压的地热水环境，自然界中众多的矿物就是在这种环境中形成的。19世纪中期英国的地质学家Murchison首次使用“水热”一词来描述高温高压条件下的水溶液对地球内部变化的影响。与此同时，人们相继开展了水热法的基础研究，如物理化学（相平衡、溶解度测定、矿化剂作用、反应动力学、物理缺陷等），地球化学，矿物学与岩石学（高温高压下矿物的相平衡、实验岩石学、热液活动、成岩成矿模拟、地热利用等）。
水热法是在高压反应釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解并发生反应来制备材料的方法。
水热法工艺比较简单，水热条件能加速离子反应和促进水解反应，常常能够实现一些在常温常压条件下无法实现的反应，可直接得到分散且结晶良好的粉体，不需作高温灼烧处理，避免了可能形成的粉体硬团聚，省去了研磨及由此带来的杂质。
水热技术可分为资源回收模式和污染物降解模式。主要有水热炭化（HTC）技术、水热液化（HTL）技术、水热气化（HTG）技术。
目前，应用于冶金及石灰行业的主要是水热炭化（HTC）技术。水热炭化指的是将物料转化为清洁型固相产品（即水热炭）的过程。
三、“人工合成煤”在钢铁行业的应用
目前除巴西有高炉使用木炭作为燃料外，国内外尚无工业应用案例，多聚焦于实验室的基础研究。在国内，首钢率先研究应用了高炉喷吹生物质技术。
该项工艺采用变压闪蒸技术，即汽爆（Steam Explosion），是应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。其技术本质为：将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解。由于其既避免了化学处理的二次污染问题，又解决了生物处理效率低的问题，是生物质转化领域较有前景的预处理技术。
经过变压闪蒸后的生物质水分含量较低，基本都在12%以下，水分含量*低可降低为0.11%，相比于反应环境为液体的水热炭化技术，变压闪蒸技术对于生物质预处理的完成度更高，所需后端处理的步骤和能耗较少。与水热炭化相似的是，经过深度炭化处理的产品挥发份和固定碳会得到不同程度的降低和提高，使所得生物质微粉的品级向烟煤不断靠近，固定碳可达40%以上，挥发分为50%左右，高位发热值为22 MJ/KG左右。
四、石灰窑联产“人工合成煤”技术应用
水热炭化是将废弃生物质在150℃ — 350℃ 密闭的水溶液中停留1h以上，是一种脱水脱羧的加速煤化过程，具有节省费用、效率高、能耗低等特点，其产物生物质炭是一种便于运输存储、热转化率高、污染小的优质材料，具有广泛的用途。
“唐山金泉冶化科技产业有限公司”研发应用的“石灰窑低温烟气余热水热碳化法生产微粉联产石灰技术”显示：
通过把石灰窑生产中产生的窑顶烟气引入反应器中，与反应器中的生物质物料在温度为180°C至250°C，在设定的压力条件下进行处理，转化过程中水是处于过热水状态，而非转化为蒸汽，水热炭化时间为20-40min。
该项技术中的生物质水热无需对生物质进行干燥处理，对生物质原料适应性强，可以起到节能效果，同时可获得较高的生物质转化率。生产过程是通过对生物质进行水热炭化处理制备生物质水热炭；通过生物质提质技术，降低生物质中的水分、挥发分含量，提高其能量密度，同时改善生物质的破碎性能，使其能够利用石灰窑煤粉制备系统现有磨煤机进行破碎，无需专门购置生物质破碎机，节约投资成本。生物质水热炭的收到基水分低于8％，HGI大于70，HHV大于26000kJ/kg，干燥基碱金属含量低于0.2％。
生产中，可实现对生物质水热炭与煤的混合物进行破碎制粉，并将两者均匀混合；生物质水热炭与煤混合物中，相对于生物质水热炭与煤的总量，生物质水热炭的在混合物中所占质量百分比例为0.1％～70％。混合后的燃料经石灰窑喷吹煤粉输送和分配系统，由喷枪直吹均匀喷入石灰窑煅烧带煅烧石灰；
“唐山金泉冶化科技产业有限公司”研发应用的“石灰窑高温烟气变压闪蒸生产半焦微粉化联产石灰技术”显示：
通过引用石灰窑生产中的富含CO2的高温废气（850-1000°）与生物质闪速脱氧提质，促使生物质和矿物质中的矿物离子发生键合，得到高密度生物质富氢微粉直接用于石灰窑喷吹。
该项工艺可以弥补生物质体积密度低带来的体积发热值低的问题，而且原位固相提质，能够简化工序、降低能耗和制备时间，且水分含量控制简单。提质过程在非液相水环境中进行，通过气相变压闪蒸实现。
“唐山金泉冶化科技产业有限公司”研发应用的“石灰窑生物质联产合成气煅烧石灰技术”显示：
生物质合成气以生物质合成煤为原料，经高温气化工艺制得。组成和性能与煤基合成气相同，成分主要为生物氢、生物CO，为零碳合成气，替代煤基合成气使用。现有以喷吹煤为原料的加压气流床煤基合成气装备无需改造，用生物质合成煤进行原料直接替换，调整工艺参数后，便可生产生物质合成气。生物质合成气是国际公认的先进生物能源与物质平台产品，性价比远优于煤基合成气，在石灰生产中使得燃料成本更低、更具竞争优势。
与常规技术相比，唐山金泉上述三项技术显著特征是充分利用了石灰生产中的余热热能为生物质水热反应提供热量，无需外部增加能源（能耗）就能实现石灰生产与生物质燃料提质联产，达到简化工序、降低能耗和制备时间，以及降低设备投资等目的。
特别指出的是，该项技术的关键点是创新的应用了石灰窑废气中的二氧化碳（CO2）分子生成二氧化碳水溶液，与水溶液中的氢离子发生反应，产生金属阳离子，对水热焦炭进行活化，促进水热焦炭进一步开孔、扩孔，形成高比表面积的活性微粉喷吹燃料。五、总结
1、成本优势突出：
目前，常规的“人工合成煤”（包括碳化、半水焦生产等）生产中，无论“水热”还是“闪蒸”方式都需要外部热能加热产生水热和蒸汽，其吨能耗至少增加百元以上，而且生产中产生的一氧化碳（CO）需要储存及外销或者进一步深加工，无形中增加了投资和运营成本和销售压力。也就是说，虽然该项技术已经趋于成熟，而且也正在进入商业运营阶段，但是产品如何降低成本、如何进入二级市场和能源主战场还要继续完善。
然而，唐山金泉公司的技术应用确“优势凸显”，从其多项技术原理可以看出，其核心优势就是成本优势和原位应用优势，通过收集利用石灰生产中的窑顶废气热能及窑底出灰的石灰余热热能，不用增加任何外部热能就可以实现联产“人工煤”并全部用于石灰生产。而且，生产“人工煤”产生的一氧化碳（CO）燃料回收全部用于石灰生产，实现“石灰—气—碳”三级联产，全部原位应用，无外部销售产品。
目前，参照本文“第三节”内容中首钢迁钢微粉喷吹使用生物质资源每吨的成本约为877.4元/吨。则石灰联产生物质资源有望降低至750元左右，其成本低于喷吹烟煤成本。而且，关键是解决了“碳排放问题”，无需考虑“碳税”，其隐形降低的综合运营成本更加可观。
2、产品适用范围广：
煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎，在地面上堆积而成的一层极厚的黑色的腐植质，由于地壳的变动不断地埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩。一般以块状形式存在，使用前磨成喷吹粉，通过气力输送来应用，如燃煤热电联供、煤气化、高炉炼铁、石灰生产等，块煤已无法直接使用。生物质与煤炭*大的区别在于其高水分难利用、氧含量极高（45%以上）、密度小热值低、粉末无法气力输送、储存运输难等，所以同为固体燃料，但却代替不了煤。以生物质为原料，采用颠覆性生物技术将高水分生物质变为C、H、O比例适中的半焦状棕褐色微粉，其比表面积大具有复吸水性，饱和含水率7～10%，燃点高、热稳定性好，干净、无灰尘，不风化、不自燃、耐水不怕潮，具有着火快、燃烧充分、热值高等独特的燃烧特性。其密度、热值、气力输送性与煤相当，储藏稳定性优于煤炭，使用性能全面超越喷吹煤。克服了生物质的缺陷，实现生物质在数分钟内人工合成了“煤”。
所以，生物质合成煤既可作为基础能源，替代喷吹煤的所有应用场合，如直接用于煤电、石灰生产、高炉炼铁，代替气化煤生产生物质合成气代替煤基合成气承接煤化工全产业链，形成新兴生物质化工全产业链；也可作为基础物质资源，如直接生产生物粉末冶金材料（代替纤维板）、生物泡沫材料（代替泡沫塑料）、生物合成通用肥（代替化肥）等，也可代替喷吹煤生产生物质合成气，延伸生产精细化工产品。
资料编辑整理：
《石灰产业》编辑部
2025年02月07日
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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
