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科技探源1|生产石灰的燃料可以让汽车跑？
2024-11-18 09:39:54 来源：石灰窑生态圈
编者前述
2024年9月9日，生态环境部印发《全国碳排放权交易市场覆盖水泥、钢铁、电解铝行业工作方案（征求意见稿）》，三个行业将被纳入全国碳排放权交易市场，2024年是首个管控年度，2025年底前完成首次履约工作。在此背景下，石灰产业将成为碳排放交易市场中的一员，特别是“碳税”已经达到每吨75-100元范围，如果实际征收，无论是企业内部石灰车间，还是独立石灰企业，均面临着严峻的降碳压力和生产成本的挑战。同时，石灰产业也将迎来发展机遇，“双碳”目标将驱动石灰产业构建更高水平的供需平衡，实现能源结构优化，降低煤炭等一次能源消耗占比，提高能源利用效率；推动技术革命，二氧化碳捕集提纯回收和应用技术将取得突破等，从而为产业注入新动能，激发新活力，增强产业竞争力与影响力。
据此，《石灰产业》编辑部随中国石灰产业学会专家组部分成员对目前“零碳排生产石灰技术”进行了为期一个月的调研，特别针对目前原始技术创新的过程、应用及渊源重点介绍，从历史到现在至未来全方位的进行了总结，以期为行业带来一些启发。
一、本期编者导语
石灰产业是冶金、钢铁、化工、环保和建材行业的重要支撑产业，同时也是碳排放大户。石灰生产过程的碳排放既包括能源消耗产生的碳排放，又有原料煅烧分解产生的碳排放。根据唐山金泉冶化科技产业集团旗下“碳能新动力研究院”研究测算，平均每生产1t石灰排放1.4tCO2，全国石灰产能按照*高3.2亿吨计算，排放可达4.5亿tCO2，冶金石灰产业每年碳排放量约1.7亿t。
技术创新是产业发展壮大、提升竞争优势的重要来源，也是实现低碳高质量发展的重要抓手。面对低碳发展课题，作为碳排放大户，石灰产业必须积极行动，提早谋划，在实践中实现低碳转型。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”（以下简称：唐山金泉公司）的“竖窑CO2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置”等一系列国内首创的专利、专有技术的推出，将改变传统的石灰生产方式。特别是近期研发成功的“以碳赋能实现负碳排放联产石灰”的系列专利、专有技术，将石灰生产中的“CO2回收+废碳转C1燃料”，在不增加外部能源热能的前提下，利用石灰生产中高温CO废气作为热源，一步法与生物质废碳或其它含碳燃料（煤炭、焦炭）进行脱碳转化为C1（CO、一氧化碳、煤气）新能源生产石灰。同时利用新型电转化技术把CO2与CO燃气循环利用，达到CO2废气的全部转化再利用，达到取代化石燃料以及增值化和零碳化、负碳化的目的。
生物质能，是指植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在植物内的一种能源形式，因其零碳排放、可再生性强等特点，引发全球的广泛关注。从发现火种到历次能源革命，生物质能源为人类“燃烧”了千万年，如今，将再次为我们应对气候变化、拯救大气环境、发展绿色低碳经济而承载新的使命。
降碳与增效并不是矛盾的，唐山金泉公司通过对生物质能在石灰产业项目的开发与运营，通过生物质能源的利用，实现传统石化燃料替代，通过齐肩并进、双管齐下的措施，实现“节能降碳”和“减排增效”的双向奔赴。
然而，在应用“生物质”燃料过程中，不少读者纷纷咨询，对生物质燃料应用中的发展历史、技术原理、应用方式、可行性、成本、产业政策、发展前景等期待更深的了解，《石灰产业》编辑部将从“历史”开始讲起，从“零”起步，为大家陆续讲解大家关注的核心和焦点。
本期文章内容我们先从身边开始，首先走进了“北京汽车博物馆”，了解一下，生物质能在我国的应用历史和在特殊时期做出的巨大贡献，也会了解生物质能在我们的工业实际应用中的经典案例，这也是“碳能”如何在我们石灰生产中应用的“启蒙”思路。
二、原文再现
在北京汽车博物馆藏品库房里，一辆“仲明国产木炭汽车”模型，无声却鲜活地记录着二十世纪三四十年代木炭车盛行的那段历史。该藏品是以20世纪30年代爱国工程师汤仲明发明的“仲明国产燃炭汽车”为原型制作的，于2017年由汤仲明之子汤晓明捐赠。它的背后记录了什么故事？
图片一：仲明国产燃炭汽车模型
1、资源匮乏 研究代用燃料20世纪初，汽车开始进入中国。各方有识之士萌生制造汽车、建立民族汽车工业的愿望。1920年孙中山先生在《建国方略》中提出使用汽车、建造公路、建立汽车工厂和供给廉价燃料的全面设想。
汤仲明发明的“仲明国产燃炭汽车”是我国设计、试制的第.一辆煤气汽车。后来人们亲切地称这种车为“木炭车”。所谓“木炭车”，也叫煤气车，就是在普通汽车上加装各种设备，其中*主要的设备是煤气发生炉，使木炭产生煤气，以代替汽油参与燃烧推动发动机运转。
图片二：20世纪30年代的汤仲明
2、国人首创 研制煤气发生炉
在进步思潮影响下，汤仲明怀着“科学救国”的壮志，1919年赴法勤工俭学。到法国后他曾在南特汽车修理厂、雷诺汽车制造厂勤工俭学，进入法国南特工业学校、法国国立昂诺高等工艺学校学习，获机械工程师学位。毕业后他回到雷诺汽车制造厂担任实习工程师，积累了丰富的实践经验。
1926年，为实现报国理想，他毅然归国，到陇海铁路徐州铜山机车厂工作。面对我国当时完全依赖进口“洋油”的局面，汤仲明暗下决心攻克难题。从1928年起，他在工作之余自费开展研究，租了一间民房做实验室，买了一台旧汽车发动机，开始了研制代燃炉(木炭代油炉)的试验。
经过无数次试验，1931年汤仲明试制成功一台“木炭代油炉”。并于当年3月将一辆改装的煤气发生炉汽车开到郑州西郊碧沙岗进行试车，这次公开试验引发轰动。
1931年9月，汤仲明将发明的木炭代油炉上报实业部，1932年实业部派人详细检查，核实后认为这一发明具有重大意义，远胜于国外的木炭汽车，具有实用价值，且造价低廉、易于制造。这辆木炭汽车无需汽油媒介即可发动；炉体重量更轻，不到100斤；安装方便灵活；续航里程更长，加一次木炭可行驶100多公里。1934年获得实业部发生炉部分设计专利5年。为了加快推广，他将木炭代油炉的制作技术及图纸，毫无保留地公诸于世，供社会各界无偿使用。
3、第.一辆国产燃炭汽车
1935年汤仲明到上海，与范争波、汤允青等人合伙创立“仲明机器股份有限公司”。公司主要生产煤气发生炉及煤气机，兼营长途汽车改装煤气发生炉等业务，并推广到江浙和广西、江西等地。
图片三、30年代，在云南推广的木炭汽车行驶在昆明街头
汤仲明等人于1936年试制出一辆煤气汽车，这是中国设计、试制的第.一辆煤气汽车，定名为“仲明国产燃炭汽车”。仲明国产汽车总质量4910公斤，装载2273公斤；底盘全长5436毫米，轴距3912毫米；搭载水冷立式直列4缸4冲程煤气机，*大功率45千瓦，*高车速约52公里/小时，使用1937年仲明式代油炉。该车用大中华橡胶厂双钱牌轮胎，后轴半浮式，变速器有4前进挡和1倒档。
图片四：仲明木炭代油炉汽车
4、战火打破造车梦
1937年汤仲明等人又制成第二辆煤气汽车，从上海开到南京，路途计程380公里，耗时7小时18分。上海的沪太、锡沪两家长途汽车公司也将部分车辆进行改装使用，锡沪公司近一年中先后装配28辆煤气车投入使用。1937年上海仲明汽车公司生产的两辆载重3.5吨木炭汽车开往南京展览，途中被日本飞机炸毁。不久，“八·一三”事变爆发，仲明公司毁于战火，生产汽车之举亦告中止。
图片五、中国成立初期广州的公共汽车
在汽油匮乏、交通困难的年代，木炭汽车缓解了运输需求与能源匮乏的矛盾，发挥了重要的作用。在抗日战争时期承担了繁重的运输任务，20世纪60年代以后中国摘掉了“贫油”的帽子，木炭汽车逐渐淡出人们的视野。木炭汽车记录了早期汽车行业艰辛创业的历史，展现了中国人不畏困难、勇于创新的精神，也承载了那个特殊年代人们的记忆。
本节上述资料来源：北京汽车博物馆
编者根据史料还进一步了解到：
汤仲明的研究是从煤气发生炉开始的，原理很简单，就是将木炭燃烧变成煤气去代替汽油发动机器驱动汽车，但技术非常复杂，国外搞了多年也没达到理想的结果，他害怕重蹈复辙，陷入迷途，就决心走自己的路，不用外国现成的图纸，而自己重新设计，亲自动手制造。有一天晚上，他从一个做饭的煤炉中，见到封火后，从出气孔中呼呼窜出一股绿火苗，有一尺多高，非常有劲，汤仲明受到很大启发，心里高兴地说，这不就是很好的瓦斯吗？由此，他想过用煤制造瓦斯来代替汽油，因为中国并不缺煤。他因此用煤作燃料来提取瓦斯，但实践告诉他，煤的燃点高，很不容易点着，将来点火是个困难，他毅然放弃了这一试验，而木炭一根火柴加一张废纸或者一把干草就能引着，中国又不缺少木炭，特别是在广大的山区有丰富的木炭资源，所以，他还是以木炭为燃料制造瓦斯代替汽油，中间搞了一段以煤炭为燃料，不行很快就回头。
他从煤炉喷出的瓦斯得到启示后，先用灶炉作试验，因泥炉太笨重，不易搬动，后改成铁炉，又试验了一段时间，他发现铁炉里边火旺时，铁皮被烧红了易燃着外边的东西，于是他又想了一个办法，由单层铁炉改成双层，中间留有几公分距离，这就解决了炉内火旺烧红铁炉烧毁外边东西的问题。经过无数次的试验，他还从家乡请来邢敏德做他的帮手。制造瓦斯终于成功了，但瓦斯中所含杂质较多，如不解决，那会损坏发动机，使机器出故障的。为此，他又暝思若想，设计出一套滤清设备。瓦斯从煤气温发生炉出来后，先通过装有清水的散热器，再通过装有机油网绒的滤清器进入发动机，这一试验基本上是成功的。煤气进入发动机后，可以发动机器，这一成功来之不易，开始能转几圈，十几圈，由几十圈，到几百圈，几千几万圈，经历了三个寒暑，上千个日日夜夜，无数次的失败，都没有使他气馁，到一九三一年春，方大体成功。郑州铁路局那位姓钱的局长知道此情况后，让他暂时脱离工作岗位，专事试验，并调给他一辆汽车，让他走出试验室，将煤气发生炉装上汽车实地试验，并下令调离开封行车厂，任郑州铁路局机务处工程师，就是这位好心的局长精心安排的，好让他有个领薪水的地方，能将试验进行下去，因机务处并不缺少工程师，汤仲明也因此而深为感动，更加发奋努力。他也将家属和试验室一起搬到了郑州，此时的郭秀英已是四个孩子的妈妈了，一九二九年生了第三个女儿，汤凌(小名汴生)，一九三 O 年六月一日生下儿子晓明，两个学生，两个还不懂事的孩子，叫郭秀英日夜忙的顾不着照顾汤仲明了。
煤气发生炉装上汽车后，能发动机器，驱动汽车，就是跑不快，一个小时十几二十里，速度达不到汽油的效果，又经过好长时间的研究也没能使汽车的速度加快多少，有一次在野外试验，汤仲明发现气门开小是这个速度，气门开大也还是这个速度。这是什么原因呢？这时他手虽然握着方向盘，脚踏着油门，但思想却想着什么原因？什么原因？汽车却一头撞到了路边的一快大石头上，幸好车速不高，撞的不很严重，车倒出后往前一窜，速度突然快了，汤仲明感到惊奇也惊喜，立即停车检查原因，查了半天也没查出任何毛病，他又上车往前开，车跑得很快了，他又高兴又惊讶，也觉得奇怪，心想这是鬼使神差还是别的什么缘故？他又停下车来再仔仔细细检查一遍，终于发现煤气管碰裂了一条缝，他恍然大悟，煤气也还需要空气助燃，光有煤气没有足够空气配合助燃也是不行的，这是一个偶然，但也是必然的。只不过是这个侥幸的偶然使必然提前来到了，使这项研究前进了一大步，可以说跨入了光辉的顶点。汤仲明回来后立即研究煤气与空气的配合比，增添一个混合器，让空气充分助燃煤气，使车速达到与汽油车相当的效果。
三、编者后语
曾经总有人询问，“木材”也可以烧石灰？当看完上述介绍就会得知：是的！“木材”不仅可以烧石灰而且还可以让汽车跑起来。
而且，我们更应该了解到，上述文章中的技术“难点”还是“木炭”气化以后的具体应用问题，实际上技术前段的煤气发生炉，原理很简单，就是将木炭燃烧变成煤气（CO），特别是我们石灰产业在生产中，转化后的煤气是直接进入炉内煅烧石灰的，气体所有成分都会进入炉内燃烧，气体即不需要净化也不会冒黑烟，整个工艺非常简单实用。
作为新能源的生物质能源被称为“第四大能源”，而且在工业生产的新能源应用中，生物质气化因其经济性和碳中性被认为是生物质能利用的重要途径之一，也是生产石灰的重要绿色清洁能源之一。生物质气化过程中的一系列热化学反应可以将生物质原料转化为气态燃料用于生产，也可以进一步转化为高附加值的可再生液体燃料或化学品。在生物质气化及生产应用中的CO2重整还原合成气具有*核心的优势就是碳减排和碳回收，通过采用回收石灰窑及其它工业炉窑燃烧后产生的CO2气体与生物质固体燃料进行水气的变换+催化转换为可燃气体进行工业生产。
从目前唐山金泉公司开发的“以碳赋能实现负碳排放联产石灰”的系列专利、专有技术中，我们还了解到，其采用生物质燃料并不是“*终目的”，其核心意义是利用生物质气化后的“废碳资源”与石灰生产中的富含二氧化碳成分的废气进行转换，达到负碳排放和新能源利用的目的，即解决了“碳排放”问题，也达到了降低石灰生产中的燃料成本问题，特别是，该项技术中，并非必须使用和全部使用生物质燃料，还可以使用煤炭（煤粉及水煤浆）、焦炭等都可以实现上述目的。尤其是生物质与煤复合串行气化的技术应用更是其创新关键点，为我们石灰产业找到了新能源与传统石灰能源的结合点，使传统石灰生产技术得到有效提升，这才是我们需要和希望看到的。
所以，碳达峰和碳中和战略目标对全球经济与社会发展意义非凡，碳达峰和碳中和的深层次问题实为能源问题，而日趋成熟的碳捕集、封存和利用技术也因高成本、高能耗面临产业界的强大阻力。虽然二氧化碳在大量排放时对生态环境造成不良影响，但它又是自然界中重要的资源之一，因此合理利用CO2才是有效解决问题的关键。其中，唐山金泉公司开发的二氧化碳化工利用技术是*具典型的负碳技术，它以化学转化过程为特性特征，以CO2为碳氧资源将其转化为其他产物，并具备一定减排效益的工业技术。其不仅能够直接消耗CO2，还能够实现对传统高碳原料的替代，兼具直接减排和间接减排效应，我们期待这一项技术能够得到应用，为我国石灰行业的长久发展作出贡献。
后续文章我们将陆续发布生物质气化及碳回收应用技术在工业应用中的历史和技术原理以及唐山金泉公司开发的各项延伸、扩展、创新技术。
资料编辑：
《石灰产业》编辑部
2024年11月01日（万圣节）
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