碳中和新途径|传统石灰生产方式将终结

                碳中和新途径|传统石灰生产方式将终结

   气候变化是 21 世纪人类面临的严峻挑战，是深刻影响各国经济社会发展和生态环境的重大全球性问题，积极应对气候变化已成为全球普遍共识和大势所趋。
   近日，相关部门联合印发《建材行业稳增长工作方案》，从建材行业实际情况出发，聚焦行业发展转型方向、把握供需市场变化趋势、优化培育产业发展生态，提出促进行业稳增长系列举措。《方案》的出台将有效促进建材行业稳增长、调结构、增效益，推动建材行业绿色低碳安全高质量发展，助力工业稳增长和产业链供应链稳定。
   更为关键的是，碳有价时代已经来临，从国内形势看，碳排放交易价格每吨从40元区间攀升至60元区间。从国际形势看，2022年12月，欧洲议会和欧洲理事会达成一项临时协议，确定欧盟碳边境调节机制将于2023年10月开始试运行，过渡期至2025年底，2026年正式起征，并在2034年之前全面实施。至此，欧盟将成为世界上第.一个征收“碳关税”的经济体。欧盟碳边境调节机制是指某些商品在生产时会释放二氧化碳等温室气体，这些商品进入欧盟关境时，需要向欧盟额外支付一笔款项，其数额与商品制造时释放的温室气体数量相关。
   目前，碳关税的征收范围覆盖了“钢铁、铝业、电力、水泥、化肥、氢”六大行业，基本涵盖了目前的所有基础重工业品类，在后来修正案中又增加了有机化学品和塑料，因此在未来极有可能随着下一阶段扩大征收范围而被纳入。
另外，据世界银行研究报告称，如果“碳关税”全面实施，在国际市场上，中国制造可能将面临平均26%的关税，出口量可能因此下滑21%。据测算，我国的钢铁产品出口增加的“碳关税”将达到1000元/吨。
  综上所述，我们应该看到，生存和增长是企业发展的基础，面对庞大而宏伟的“双碳”目标，相关企业如何加速碳中和，制定和选择合适的减排路径来实现低碳发展，把它细化成一个个具体的动作，有规划地推动节能减排事业的发展，是在生存之上更高的要求，也体现了一个企业的成熟度和发展潜力。
   二、传统石灰生产方式的变革来临
   实现碳中和，对我们固然是一个非常严峻的挑战，但我们也应看到，这中间也蕴含着巨大的机遇，背后孕育着一次百年级别的能源革命，其中必然伴随着大量的技术进步和创新，传统工业的生产方式也将因此发生深刻变化。生产端将形成“生产低碳化+能源清洁化+排放零碳化”的特征，即生产过程中尽量不产生二氧化碳，逐渐实现零碳化，生产尽可能以电、清洁能源、可再生能源作为能源来替代传统化石能源。目前，CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新兴技术，将受到更加广泛的关注，特别是工业废气中CO的直接转化利用备受人们期待，开发相关清洁转化技术迫在眉睫。
   从能源替代方面，我国高度重视生物质能技术研发布局，自首个生物质能相关的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“生物质转化为高品位燃料的基础问题研究”部署以来，依托各类项目支撑，在生物质气化发电、热化学转化、生化转化以及催化转化等领域形成了具有自主知识产权的技术体系，我国在生物质能技术领域有了长足的发展，部分技术已经达到国际先进水平。
   “这个理念有创新”、“这个思路有启发”、“这个创意很独特”、“这个环节有突破”、“这个产业有潜力”。。。。。。。这些话语是不同行业的专家们在对石灰行业两项新技术持续研发六年的过程中，在不同时期、不同阶段对这两项技术的评价和鼓励与支持！
   目前，在石灰生产领域，以能源和工艺结构颠覆性技术变革推进低碳石灰发展实现了重大突破。在2023年10月18日至21日召开的“2023石灰产业新技术、新装备、新产品评审会（第三季）”和“第二届石灰产业绿色发展关键技术与装备专家鉴定会”上，由“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”独家自主研发、具有自主知识产权的“混料与喷吹两用的窑外通道支撑式双膛石灰窑”系列技术和“竖窑CO2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置”系列技术通过了评审和鉴定。
       鉴定委员会一致认为：该项系列技术为国内首.创，国外也无案例，总体处于国际先进水平，具有良好的社会效益、经济效益和推广应用前景。尤其在改进和提升传统石灰的生产方式和碳减排、碳应用技术方面取得创新成果，对支撑此类项目的建设及运行有重要作用，对促进石灰产业脱碳增值化应用和绿氢产业链应用的技术进步有重要意义。
该项目自2017年开始，通过六年的持续研发，目前已经取得多项专利技术成果，唐山金泉冶化科技产业有限公司研发团队已处于该领域的全球第.一梯队，上述两项代表性成果的多个国内及国外示范项目已经开始实施。
   由此可见，有先进并廉价的技术可供所用，是实现碳中和的前提条件，也就是说，“技术为王”将在碳中和过程中得以充分体现，上述技术被评价命名为“中国式双膛石灰窑”，已经授权申请专用商标“ZGS”，项目推广名称为“ZGS外支撑式混喷双燃双膛石灰窑”。
   下面，我们来对这两个体系的技术分别作介绍，进一步了解这两项技术成果的相关概念、技术特征、技术原理和实施路径，以及由此带动产生的转型升级需求和潜在的商业机会。
   三、混料与喷吹两用的窑外通道支撑式双膛石灰窑的技术创新
      1、技术发明与创新点：
   该项发明通过对传统单膛及双膛石灰竖窑生产工艺的改进和提升，创新采用了窑外通道支撑式结构，实现了混料与喷吹两用的生产工艺。
  窑体采用扩延式炉体结构，窑体上设置外置循环烟道、外置烟道式斜向支撑结构、可拆解式喷枪、烟道清灰气力输送装置、窑顶废气余热烘干筛分及旋压悬浮预热器，以及恒温煅烧反应釜、电磁感应加热调温装置等，其能够实现单膛竖窑与双膛竖窑生产功能转换，不仅能独立使用块状固体燃料进行混料式生产，还能实现双膛蓄热并喷吹煤炭、生物质等粉状燃料和气体燃料，同时实现废气余热悬浮煅烧粉料石灰，还解决了传统双膛窑在炉内设置牛腿式支撑及悬挂缸结构带来的结构缺陷、生产缺陷及安全隐患等问题；该项技术提出的方案是对传统石灰窑结构及石灰生产方式的一次重大革新和技术提升。
   该发明技术结构简单实用、紧凑，生产效率高，产量高、经济性好。尤其是对传统单膛混料式石灰竖窑改造、提升以及粉料悬浮式煅烧等工艺的应用，对提高整体石灰生产工艺水平、降低生产成本、提高产品品质，以及在减污降碳、改善生态环境等方面具有重要意义。
       2、发明特征
（一）、采用的关键工艺措施：
（1）、采用新型的窑外余热烟气循环通道，使窑体结构更加合理、更加安全。
（2）、采用新型的窑外烟道斜向式支撑，使窑内燃烧及烟气循环均匀分布、无死角。
（3）、采用便捷式可拆卸喷枪，方便采用不同燃料结构时的工艺调整。
（4）、窑体采用扩延式炉体结构，使余热烟气气流走向更加合理、物料冷却时间更充分、石灰活性度更高。
（5）、通过在烟道内部设置新型烟道控制阀，实现混料式生产时的单膛窑独立生产功能和采用双膛蓄热式生产的两个窑体烟气互通的蓄热功能。
（6）、通过在窑体外部的烟气循环通道下部设置数个积灰清除装置，采用气力输送方式实现积灰窑外直接输送转运，解决了传统双膛窑需要空.气.炮高压清灰及定期停机人工清灰的弊病。
（7）、采用多点旋转称量式出灰系统等措施，实现了多点卸料及物料称量，实现了对不同生产工艺中不同出灰量的调整、称量。
（8）、设置窑顶筛分与烟气均压烘干工艺，实现石料在窑顶自动进行二次筛分，与烟气循环通道的部分废气进行烘干与预热，不但达到了烟气均压的目的，而且使筛分效果更加明显。
（9）、通过在炉顶设置石料粉料细粉破碎及研磨装置，把窑顶二次筛分后的石料粉料进行破碎和研磨后，与烟气废气进行悬浮热交换煅烧，使大部分粉料直接转化为石灰粉（氧化钙粉），达到节能和余热利用目的。
（二）、积极效果和经济效益
a、相对于混料式生产方面：
（1）、改变了传统单膛混料式石灰竖窑只能使用单一的块状无烟煤或焦炭等固体燃料的生产方式，可以实现喷吹价格低廉的粉状烟煤和生物质粉燃料，实现效益提升。
（2）、可以实现单膛竖窑喷吹工业尾气（如：高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等）、生物质气等气体燃料，实现环境治理和减碳效益。
（3）、由于在炉内设置喷枪、喷枪采用截面布置，使燃烧效果更充分、更均匀，石灰产品生过烧率可降至2-5%范围，实现产品提质增效的目的。
（4）、传统单膛混料式石灰竖窑可以直接改造为双膛式石灰竖窑（技术前提是必须有两座相同窑容积竖窑并且两座窑距离适宜时）。
（5）、不改变传统燃煤石灰竖窑及燃气石灰竖炉主要工艺结构特征，使大部分石灰竖窑都可以应用本发明的工艺方法和装置，利于工业化推广。
（6）、由于双膛式石灰竖窑是国家支持鼓励项目，传统单膛混料式石灰竖窑改造为双膛式石灰竖窑符合国家环保、节能等政策，避免了传统单膛混料式石灰竖窑被淘汰的命运。
b、相对于传统双膛竖窑方面：
（1）、改变了传统双膛竖窑的窑体煅烧带采用炉内牛腿式支撑及悬挂缸的结构方式，使生产工艺更加简单实用，而且解决了炉内支撑及悬挂坍塌的可能造成重大生产事故的关键性问题；
（2）、改变了传统双膛竖窑的烟气循环通道设置在炉内的弊病，不但施工及维护困难而且通道容易积灰和阻碍烟气在通道内的正常流通，需要空.气.炮长期喷吹及停机定期人工清理；该发明实现了在炉外设置烟气循环通道，采用炉内废气压力气力自动清灰、输灰，即环保又安全，无需人工清理，而且施工及维护检修非常便捷。
（3）、改变了传统双膛竖窑窑体结构，冷却带窑壳与煅烧带窑壳直接联结，使窑体更加符合力学结构特征，不但降低了施工难度和维护难度而且使窑内气流分布更加合理。
（4）、改变了传统双膛窑固定式卸灰装置无法旋转出灰致使无法排出窑内大块结瘤物料而且需要人工清理的弊病，采用旋转出灰方式，可以调整窑内料面倾斜及自动排出窑内结瘤物料，而且可以实现卸料称量、自动称重出灰。
（5）、系统结构简单紧凑，便于操作。
（6）、由于改变了窑体结构，降低了窑内的耐材使用等级，不但耐材型号选择更加广泛而且施工更加简单。同时，也使耐材的投资成本也大幅下降。
（7）、投资低，延续了传统石灰竖窑投资回报率和投资性价比高的特征。与传统单膛混料式燃煤石灰竖窑投资相比，除去增加的动力系统、窑内喷吹燃烧系统及需要增加的煤粉制粉系统等，整个生产系统的投资没有增加。与传统双膛石灰窑投资相比，同等产量下投资有大幅的下降空间。
3、知识产权权益：
（1）、一项实用新型专利已经在2023年11月17日获得授权。
（2）、一项发明专利已经在2023年08月29日公布。

    四、竖窑CO₂转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置的技术创新
     1、技术发明与创新点：
  该项技术以化学链燃烧技术原理为中心点，以回收利用生产中废弃的碳一(C1)资源为“转化源点”，开发了高效的CO₂规模化利用技术。通过对石灰生产中CO₂回收、催化、还原制备清洁绿色能源产品生产石灰，尤其是利用生物质燃料氢分子及碳分子的特殊性能与石灰窑烟气中的CO₂进行化学及热工反应，揭示了CO₂转化的反应机制和化学键转化规律以及利用转化的能源生产高档工业石灰的生产方法。
    该项发明通过化学链燃烧方式提高生物质合成气的H₂和CO的含量、热值以及把焦油转化为高热值气体燃料，通过“再生资源+二氧化碳”的方式，在不借助外部热源及能耗的条件下，利用石灰窑尾气中低浓度CO₂与生物质燃料以“气化+废碳再生”方式直接转化生成清洁的高热值可燃气体并与石灰窑联产活性石灰，而且通过CO₂的高浓度回收与矿化，实现二氧化碳资源化循环利用以及循环内的零排放，构建了“绿色零碳”石灰生产新体系，具有超低节能及环保、利废、负碳的优势，为传统石灰生产方式转型和可持续发展提供了一个全新的解决方案。
    2、发明特征：
（一）采用的关键工艺机理及措施：
（1）采用新型生物质燃料气化反应与还原反应双循环生产工艺；
（2）、生物质焦炭及半焦炭与CO₂反应生成CO用于石灰生产；
（3）、生物质与 CO₂反应生成CO用于石灰生产；
（4）、淘汰传统的采用空气气化剂生产方式，采用水蒸气和CO₂为气化剂；
（5）、采用石灰窑自产的CaO及菱镁系CaO作为催化剂裂解焦油转化为燃气；
（6）、采用生物质发生炉自产的木炭作为催化剂裂解焦油转化为燃气用于石灰生产；
（7）、采用高温煤气化转化CO₂为CO燃料用于石灰生产；
（8）、采用热碳酸法富集及回收CO₂气体用于外销或循环再利用；
（9、）实现自循环内的CO₂碳化矿化回收。
（二）采用的关键装备和措施：
（1）、生物质合成气发生装置；
（2）、CO₂气化还原装置；
（3）、CO₂富集回收装置；
（4）、段式CO₂碳化装置；
（5）、矿化反应生成氢气装置；
   3、积极效果和经济效益
（1）、采用具有“零碳”属性的生物质原料气化为清洁燃气生产石灰，改变了传统石灰竖窑使用煤炭或焦炭等石化能源的生产方式，实现传统能源向绿色能源应用的转变。
（2）、实现单膛及双膛石灰竖窑直接喷吹燃烧生物质气等可再生清洁绿色能源燃料，实现环境治理和减碳效益。
（3）、实现石灰窑生产的CO₂气体全部回收用于生产，特别是采用回收的CO₂气体作为生物质气化剂与生物质焦炭重整生成CO高热值气体燃料，可以使生物质合成气热值有效提升，可以使生物质原料原始热值增加至少20-30%以上或更多，或者也可以理解成石灰生产的燃料成本可以直接降低20-30%或更高，这是该发明的原始创新核心之一。
（4）、实现了能源替代，在CO₂气体生成CO高热值气体燃料过程中，参于反应的每 1NmCO₂(纯)可替代焦炭(纯炭)0.54kg，折标煤为0.64kg。若以生产1000Nm³的CO(纯)为基准，则有200Nm3的CO₂(纯)参于反应，它可替代标煤128kg；替代氧气(纯)200Nm3(折合标煤40kg 以上)，分别占焦炭和氧气消耗量的25%和 67%换句话说，每Nm3CO2(纯)共可替代标煤0.84kg。可见，其经济价值是非常可观的。
（5）、淘汰传统生物质气化采用空气作为气化剂的方式，与传统的生物质气化炉相比，由于蒸汽H₂O与催化剂的重整作用，使生物质焦油95%以上都气化为H₂等高热值可燃气体，燃气热值可提高15%以上，生物质燃气热值从原来的≥1200 Kcal/Nm³提升至≥1800 Kcal/Nm³，或者也可以理解成石灰生产的燃料成本可以直接降低15%或更高，这也是该发明的原始创新核心之一。
（6）、传统石灰生产的CO₂气体浓度非常低（回转窑:15-25%，竖窑27-35%），而CO₂气体浓度是石灰深加工如：氢氧化钙、轻质碳酸钙、纳米钙以及矿化过程中重要瓶颈，尤其是碳化过程是生产轻质碳酸钙的关键步骤，碳化过程的条件直接影响到产品的质量和生产成本，因此提高CO₂气体浓度以及优化碳化过程和方法具有重要的作用。
该发明通过石灰窑回收二氧化碳气体与生物质气及CO重整装置的多次循环利用，使CO₂气体浓度大幅的提升，可以达到需要的理想浓度状态65%及以上，实现CO₂全部矿化应用，实现真正意义的“零碳排放”。
（7）、采用新型钠基法热平衡式吸收塔和解吸塔工艺进行CO₂气体高浓度回收，CO₂气体浓度可以达到98-99%范围，可以达到外部销售及工业化应用，其产生的效益有效的提高了石灰生产总体效益。
（8）、与传统的采用煤炭煅烧石灰相比，不需要布袋除尘器、脱硫、脱硝的环境治理设备投资，可以有效的降低环境治理设备的投资。
（9）、由于实现了清洁燃气生产石灰，使生产的石灰品质更高，而且产品含硫量极低，达到了一级和特级冶金石灰的质量标准。
（10）、由于采用了物料全密闭生产，全部烟气实现全系统内循环应用，整个生产无烟气外排，实现“无烟囱”式生产。
（11）、投资低，延续了传统石灰竖窑投资回报率和投资性价比高的特征。
4、知识产权权益：
（1）、一项实用新型专利已经在2023年11月06日申报受理完毕。
（2）、一项发明专利已经在2023年11月06日申报受理完毕。

五、专家评审及鉴定会议评委点评精选

                      六、评审与鉴定会议掠影
“2023石灰产业新技术、新装备、新产品评审会（第三季）”掠影（摄于2023.10.18）与“第二届石灰产业绿色发展关键技术与装备专家鉴定会”掠影（摄于2023.10.21）

       据悉，上述技术成果首批示范项目在2022-2023年度已经启动和开始实施的地区有（含可研、初步设计、施工设计、装备制造、工程建设）：
国内：陕西省、黑龙江省、甘肃省、广西、广东省、新疆、福建等地。
国外：蒙古、俄罗斯、印尼、越南等地。

 

        八、结语

   在当前的新形势下，中国企业应该从原来的增长模式走向新的发展领域，与时代同行，和世界紧紧拥抱在一起。尤其是行业头部企业的这种引领和带头作用其实是非常强的，它们在这个行业里面已经是“把应变力转化为战斗力”，以创新取胜，在它们的技术和产品里边都会有详细的体现，它们是解决方案的提供商，已经不是一个单纯的技术或产品，或者是一个单独的服务，而是在这样的一个大链条当中先行取胜，已经下好了“先手棋”，早已经突破了单一行业的局限。
   在未来，作为一个企业家一定要认识到，一个新的时代到来，在新的时代下，我们的打法必须换，要善于静下心来加快脚步，对我们这种百年未遇的大变化，要让大家理解怎么样提质增效、变废为宝、绿色生产、零碳运行，这是我们一个新的理念，未来要顺势取胜，跟着国家的大战略走，你会在他们身上看到传统的土壤绽放出的“创新之花”，也许会在传统的“老三样”中创造出更高的附加值。
   所以，一家优秀的企业，不仅能在经济上行时有出色的表现，更重要的是，在经济下行时能够生存。好的船长、好的水手不应只会开顺风船，也要学会开逆风船。活著，这个目标看上去不够高大上，但它是企业的*低纲领，也是企业的*高纲领！
   “唐山金泉冶化科技产业集团”旗下公司在长期持续深耕石灰产业发展过程中，走出了一条特立独行的道路，就是“研发先行、求稳致远、不走寻常路”。自1989年创立之初，在1992年就研发成功了国内首座“低热值工业尾气气烧石灰竖窑”，开启了国内气烧石灰的先河，陆续升级研发了“国产化对烧式套筒石灰窑”、“气煤两用石灰窑”、“生物质与天然气联产石灰技术”、“中心烧嘴式石灰窑”等多项专有和专利技术。在2018年研发成功了“石灰窑回收二氧化碳电烧石灰系列技术”发明专利系列成果以及“电烧高温空气法生产石灰技术”和“并流逆流同步煅烧双膛石灰窑”系列的“煤电一体化石灰窑”、“气电一体化石灰窑”等专利技术。截止目前，石灰窑设计、建造业绩超过了340座。
  而今，时隔30年，唐山金泉公司再次问鼎石灰产业的“珠峰”，为传统石灰产业脱碳增值化利用技术领域提供了革命性技术路线，助力了“双碳”目标实现！也探索了一条新的零排放石灰生产技术路线，更重要的是它引领了石灰产业的发展的风向，也必将推动整个石灰产业的升级。