《清潔燃氣與煤粉氣化混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)》的應(yīng)用前景及技術(shù)解析

—暨《唐山金泉公司清潔燃氣與煤粉氣化混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)通過專家論證并完成工業(yè)試驗》專題調(diào)研報告
   一、導(dǎo)語

近日，由唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司送審的《清潔燃氣與煤粉氣化混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)》通過了“北方爐窯協(xié)會”及“中國石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會”專家組會審論證，專家組成員對該項新技術(shù)項目的實施方案、技術(shù)難點、科技創(chuàng)新點、績效及應(yīng)用前景等事項進行了認真、嚴謹、科學(xué)地論證，提出了科學(xué)可行的論證意見，同時對高質(zhì)量完成相關(guān)工業(yè)試驗提供了技術(shù)支撐。據(jù)此，筆者專門對該項技術(shù)進行了調(diào)研專訪。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)石灰的燃料選用形式是“冰火兩重天”，一邊是鋼鐵企業(yè)積極進行氣體燃料（高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣）改固體燃料（煤炭、焦炭）進行燃氣發(fā)電以降低鋼鐵生產(chǎn)成本，另一邊是國內(nèi)部分地區(qū)因不再審批燃煤型石灰窯而積極探索可代替燃煤的其它燃料結(jié)構(gòu)。

在2016年的“兩會”政府工作報告上，對散煤的治理思路是：“著力抓好減少燃煤排放，加強煤炭清潔高效利用，減少散煤使用，推進以電代煤、以氣代煤。

那么，在生產(chǎn)石灰過程中可能替代煤炭的能源有些什么？可實現(xiàn)的替換比例范圍？占用煤量的百分之幾？從技術(shù)上講，尋找清潔的替代能源是散煤改造最直接的方式。

然而，根據(jù)調(diào)查測算，所有的燃料替換物都有著比煤炭高得多的價格。其中電價或油價是煤價的4～5倍。天然氣的價格稍低于電力及燃油，但也是煤價的3倍左右?；W(xué)者曾提出了另一種用天然氣替換煤炭的路徑——以煤炭、焦爐煤氣為原料生產(chǎn)天然氣。這原本是一種技術(shù)相當(dāng)成熟的工藝，以此方式產(chǎn)出的天然氣成本也大大降低，但由于近年鋼鐵工業(yè)發(fā)展減速，導(dǎo)致冶金焦市場萎縮，冶金焦產(chǎn)量降低，這種方案所需的焦爐煤氣原料嚴重缺乏，無法量產(chǎn)。

“我們對生產(chǎn)石灰中潔清潔燃料應(yīng)用不是技術(shù)問題，技術(shù)已經(jīng)很成熟了，這是一個經(jīng)濟問題。”唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司總經(jīng)理劉玉泉對編者說，“關(guān)鍵是價格和承受能力。”在一個已經(jīng)步入后工業(yè)時代的社會，看起來有很多解決燃煤污染的替代技術(shù)手段，但最終都會在實體經(jīng)濟現(xiàn)狀前遭遇挫敗。無論用上述哪一種能源作為替代物，在產(chǎn)量和價格上都不可能在短期內(nèi)替換掉煤炭。煤炭這種源自春秋戰(zhàn)國時期的古老燃料，依然是未來支撐中國工業(yè)化列車滾滾向前的基礎(chǔ)能源。

在有著冶金化工領(lǐng)域從業(yè)近30年經(jīng)驗的劉玉泉看來，生產(chǎn)石灰使用燃煤或燃氣并沒有絕對的好壞之分，更重要的是看對燃料的使用方式是否正確。

目前國內(nèi)減少或禁止使用煤炭生產(chǎn)石灰的主要原因是煤炭污染的兩大“公敵”，一是燃燒不充分出現(xiàn)的少量黑煙及粉塵，一是燃燒后產(chǎn)生的微量二氧化硫，從唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司多項技術(shù)成果來看都不難處理，通過添加添加劑和氣煤混燒的方法已經(jīng)解決上述問題。

二、清潔燃氣的選擇與成本分析

 國家發(fā)改委、國家能源局近日下發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，在“煤炭清潔高效利用技術(shù)創(chuàng)新”章節(jié)中指出：要加強煤炭分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新，重點研究先進煤氣化、大型煤炭熱解、焦油和半焦利用、氣化熱解一體化、氣化燃燒一體化等技術(shù)。這個計劃的推出，給石灰行業(yè)的能源利用方式及新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用帶來了契機。

當(dāng)前可以生產(chǎn)石灰的清潔型氣體燃料除工業(yè)尾氣外主要有：天然氣、煤氣發(fā)生爐煤氣、合成天然氣(簡稱煤制氣)、生物質(zhì)氣、沼氣等氣源，其中煤氣發(fā)生爐煤氣因?qū)嶋H成本高于煤炭以及存在著污水凈化治理排放問題在不同地區(qū)應(yīng)用態(tài)度不一，部分地區(qū)政府也在逐漸限制應(yīng)用。唐山金泉公司的生物質(zhì)氣、沼氣等氣源生產(chǎn)石灰雖然已經(jīng)成熟，但是氣源一般都因不能量產(chǎn)化只能用于小產(chǎn)量生產(chǎn)使用。合成天然氣(簡稱煤制氣)在國內(nèi)發(fā)展較快，但是也存在價格較高問題，目前根據(jù)國內(nèi)典型的經(jīng)濟規(guī)模的煤制氣裝置在不考慮管輸費用時的生產(chǎn)成本約為1.0-1.5元/立方米，對外售價各地區(qū)不同區(qū)別較大。與國內(nèi)自產(chǎn)常規(guī)天然氣比較：2010年《國家發(fā)改委關(guān)于提高國產(chǎn)陸上天然氣出廠基價的通知》將西氣東輸?shù)某鞘腥細?/span>(工業(yè))出廠價定位1.19元/立方米，煤制氣在煤炭成本150元/噸時生產(chǎn)成本約1.25元，若再考慮煤制氣企業(yè)的利潤，目前的煤制氣較國產(chǎn)天然氣的經(jīng)濟優(yōu)勢并不明顯。與進口氣比較：2014年我國進口管道氣到岸均價2.44元/立方米，進口LNG到岸均價2.52元/立方米。因此，只要國內(nèi)煤價高于450元/噸以上，煤制氣與進口氣相比就沒有競爭力。

從以上分析中看，煤制氣是煤炭清潔利用的一大發(fā)展方向，但是因其需要規(guī)?；顿Y在我國各地區(qū)應(yīng)用分布還很少，應(yīng)用較為直接和便利的還是天然氣。天然氣是一種公認的清潔、高效、優(yōu)質(zhì)能源，在化工、電力、城市燃氣等工業(yè)和民用領(lǐng)域正得到廣泛的應(yīng)用。隨著西氣東輸全面實施，我國的天然氣工業(yè)將進入一個快速發(fā)展階段。

天然氣作為未來的主要能源，具有許多其他能源所不具備的優(yōu)勢：

1 ．天然氣是最清潔的燃料。天然氣燃燒后生成二氧化碳和水，與煤炭和重油比較，燃燒天然氣產(chǎn)生的有害物質(zhì)大幅度減少，如以天然氣代替燃煤，可減少氮氧化物排放量 80 — 90 ％，一氧化碳排放量可減少 52 ％，并基本杜絕二氧化硫的排放和城市酸雨的產(chǎn)生。

2 ．天然氣更經(jīng)濟實惠，比液化石油氣便宜約 50 ％左右。

3 ．天然氣熱效高，在同樣壓力下，天然氣在燃燒時較相同體積的大部分其他礦物燃料釋放出更高的熱值。

4 ．天然氣還具有安全的特點，燃燒時不會產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，不會危害人體健康，密度比空氣輕，即使泄泄露，也是往上空飄散，不易形成爆炸源。                

然而我國國內(nèi)天然氣價格民用的一般在2元/m³以上，工業(yè)用天然氣一般都在2.5-3元/m³范圍，有的地區(qū)可能更高，按照煅燒一噸成品石灰需要120m³天然氣計算，噸灰燃料成本至少300元以上，這個成本與直接燃煤成本噸灰50-80元相比高出很多，顯然不可能用來煅燒石灰。那么是否可以在應(yīng)用天然氣的基礎(chǔ)上采用其它方式來降低生產(chǎn)成本同時還要達到國家環(huán)保要求？《潔凈燃氣與煤粉氣化噴吹混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)》的成功運用可以給你帶來全新的石灰煅燒理念。

三、清潔燃氣與煤粉氣化混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)的應(yīng)用

 國家一直致力于推廣清潔型燃料的應(yīng)用，尤其是采用天然氣煅燒石灰，但是實際生產(chǎn)中國內(nèi)極少有采用天然氣煅燒石灰的，主要原因還是“成本問題”，實際上國家推廣使用天然氣主要是環(huán)保治理的原因，筆者認為只要達到了國家環(huán)保要求，在使用天然氣生產(chǎn)石灰時完全可以采用“氣煤合成氣”的方式達到目的，唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司推出的專利技術(shù)《清潔燃氣與煤粉氣化噴吹混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)》可以有效的達到既降低了天然氣使用成本同時又達到了環(huán)保治理目的。

 唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司自2009年在烏茲別克斯坦成功設(shè)計建造了該國國內(nèi)第一座天然氣石灰窯后，一直對天然氣生產(chǎn)石灰的技術(shù)不斷研發(fā)升級，適時推出了一系列的新技術(shù)及新裝備。

《清潔燃氣與煤粉氣化混燒生產(chǎn)石灰新技術(shù)》采用天然氣為助燃氣同時配加用煤粉氣化后的煤氣混合可燃氣體。該項技術(shù)從利用煤粉氣化煤氣出發(fā)，實現(xiàn)了在石灰窯豎窯中采用煤粉氣化噴吹干煤氣和天然氣的混合燃氣作為燃料的目的。

新技術(shù)采用了新型納米干煤氣發(fā)生器（專利技術(shù)）能把固態(tài)煤瞬間研磨氣化為一種接近納米炭粒的煤氣混合可燃氣體“干煤氣”，有很小的明火即可點燃，火勢兇猛，能產(chǎn)生1600~2000℃的高溫，燃燒充分，絕無黑煙排放。新型干煤氣是一種超微細納米級的碳微顆粒混合氣體，能在爐內(nèi)快速充分燃燒，是一種全新的燃燒煅燒方式。“干煤氣”在制作中把煤塊煤粉等顆粒燃料研磨成納米（幾乎單個碳分子）和氧親密接觸，一旦具備燃點，它會瞬間爆燃產(chǎn)生巨大能量（高溫?zé)崮埽?，這樣的燃燒既充分、高溫，又環(huán)保、節(jié)能。

該項技術(shù)的“核心技術(shù)”是控制燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體在爐內(nèi)滯留的時間長短與天然氣火焰混合燃燒，把熱能釋放到化，提高熱效率。研究表明，干煤氣只要達到“氣化燃燒效果”就能達到清潔環(huán)保要求，在正常的燃燒條件下排放的NOX、CO以及SO2全部符合國家排放標準，達到了真正的節(jié)能與環(huán)保目的。

干煤氣達到氣化后與天然氣容易混合調(diào)配，通過對混合燃氣中天然氣和干煤氣配比下石灰窯單位熱耗和熱效率的理論計算與分析，只要采取合理的體積配比模式就可以達到理想燃燒效果，唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司在工業(yè)試驗的石灰窯中做了多項測試研究。對氣煤混合燃氣燒制的石灰進行分析，衡量石灰質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)、活性度和灼減率三個指標都滿足要求，石灰質(zhì)量得到了保證?；旌先細鉄瞥龅氖业馁|(zhì)量與使用純天然氣時基本相當(dāng)。通過試驗對燃燒混合燃氣時石灰窯的熱效率和熱耗等也進行了計算與分析，測算了經(jīng)濟效益。石灰窯燃燒混合燃氣的實踐表明，該混燒工藝既達到了使用天然氣的要求又有利于煤粉的綜合利用，又降低了生產(chǎn)石灰的天然氣用氣成本，具有良好的經(jīng)濟效益、節(jié)能降耗效益、環(huán)保效益。

該項技術(shù)有如下特性：

①   天然氣和干煤氣可以混合使用也可以單獨使用天然氣和干煤氣燃燒。天然氣既可以作為“主燃燃料”也可以作為“助燃燃料”使用。

②   干煤氣和天然氣的混合比例可以自行調(diào)節(jié)，天然氣的用量可以根據(jù)排煙系統(tǒng)的煙氣排放指標情況及數(shù)據(jù)進行調(diào)整用量。

③   經(jīng)過凈化處理的煙氣含塵量、含硫量、氮氧化物含量等指標完全可以達到新環(huán)保法的治理要求。

④   干煤氣和天燃氣和空氣在著火前預(yù)先按化學(xué)當(dāng)量比混合均勻，爐內(nèi)設(shè)置專門的火道，使燃燒區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定的高溫。并且能在很小的過剩空氣系數(shù)下達到完全燃燒，因此燃燒溫度較高。

⑤   設(shè)計選用專用燃燒器且干煤氣與天然氣燃燒器為不同結(jié)構(gòu)燃燒結(jié)構(gòu)單獨操控，在燃燒時燃燒穩(wěn)定，不會回火，運行可靠；結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；操作簡單，容易點火；可利用低壓燃氣，燃氣壓力較低時仍能正常工作。

⑥   石灰窯單獨使用天然氣和使用混合燃氣后其燃燒器和排煙系統(tǒng)等可以保持不變。

⑦   干煤氣燃料替代天然氣時配比大小可以保持前后爐溫基本不變，以滿足原來的單獨使用天然氣的生產(chǎn)工藝要求。

⑧   干煤氣燃料替代天然氣后熱負荷可以保持不變，以滿足產(chǎn)量要求。

⑨   干煤氣可以替代天燃氣正常的燃燒工況，兩種燃料單獨或共同燃燒時對燃料混合系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等都有較強的適應(yīng)性。

⑩   該技術(shù)在氣源中斷或不需氣化時可以直接噴吹煤粉生產(chǎn)。

該項技術(shù)可以達到的節(jié)能效果與質(zhì)量指標：

  測算成本依據(jù)：天然氣按照2.5元/m³計算，煤炭（煙煤及氣煤煤粉）按照350元/噸計算。測算成本僅為燃料成本不含其它成本。

表1 不同配比混合燃氣燒制的石灰質(zhì)量及燃料成本比較

注：燃料配比中1為天然氣。

生產(chǎn)干煤氣適用的煤炭及基本要求：

1、以煙煤、氣煤為最好，也可使用無煙煤。

2、煤炭粒度：煤粉及顆粒煤。

3、燃用煤熱值:4500-6000千卡/公斤,一般5000千卡/公斤較合適揮發(fā)分V≥25%.

4、煤質(zhì):煙煤中的不結(jié)焦面煤,最好采用長焰煤或不粘煤,煤中膠質(zhì)層,Y值應(yīng)小于10mm.

5、煤中內(nèi)含水分:3-5%最適合燃燒,凡有外摻雨,雪水的燃煤應(yīng)經(jīng)晾曬后或烘干后方可使用。

可以應(yīng)用該項技術(shù)的主要窯型：

1、普通圓形或矩形石灰窯豎窯的改造應(yīng)用，適用于日產(chǎn)60-120噸產(chǎn)量。

2、唐山金泉公司開發(fā)的環(huán)形套筒石灰窯，適用于日產(chǎn)150-400噸產(chǎn)量。

3、唐山金泉公司開發(fā)的“新一代節(jié)能外置循環(huán)負壓噴煤石灰豎爐”，適用于日產(chǎn)150-500噸產(chǎn)量。

4、唐山金泉公司最新開發(fā)的新型煤粉氣化并流蓄熱石灰窯（單膛豎窯+預(yù)熱器），適用于日產(chǎn)150-500噸產(chǎn)量。

5、其它通過改造可以利用的石灰窯豎窯窯型。

6、也可應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯窯型，適用于日產(chǎn)350-600噸產(chǎn)量。

7、其它還原爐、加熱爐、烘干爐、退火爐等類似爐型。

該項技術(shù)可以與干煤氣同時使用的其它燃料：

1、工業(yè)尾氣：高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、蘭炭尾氣、礦熱爐尾氣等。

2、生物質(zhì)氣及沼氣等。

3、其它可利用的工業(yè)尾氣。

              四、專家評審論述

“中國石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會”及“北方爐窯協(xié)會”專家組成員在審核、論證、調(diào)研該項技術(shù)后指出：

我國經(jīng)濟快速增長,各項建設(shè)取得巨大成就,但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價,經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳,環(huán)境污染問題反應(yīng)強烈，節(jié)能減排勢在必行。建設(shè)節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的主體,應(yīng)從多方面著手,積極主動開展工作,全面完成各項節(jié)能減排任務(wù),促進能源與環(huán)保協(xié)調(diào)發(fā)展,走可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化道路。

 煤炭氣化噴吹與天然氣混合燃燒技術(shù)的應(yīng)用，可以使兩種燃料實現(xiàn)完全燃燒，對改善燃燒過程、提高煅燒溫度、促進完全燃燒、抑制有毒有害物質(zhì)的形成等方面具有極為重要的作用，該項技術(shù)意義之大，在未來的潔凈型燃料發(fā)展應(yīng)用中，它具有舉足輕重的地位，對節(jié)能降耗，合理利用資源和保護環(huán)境上都具有重要的推動作用。該項燃燒技術(shù)不僅可以提高了煤炭的燃燒率而且找到了煤炭在煅燒石灰產(chǎn)業(yè)中的有效利用途徑，同時也符合目前產(chǎn)業(yè)立項標準，而且也合理節(jié)約了天然氣資源，同時可以有望從根本上改善煤炭燃燒的污染物排放問題。因此，大力推進該項燃燒技術(shù)的研究工作，積極術(shù)的應(yīng)用，對社會的發(fā)展和環(huán)境的保護具有深刻積極的影響。

技術(shù)論述：唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團.唐山金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司總經(jīng)理、研究所所長  劉玉泉

文稿編輯：北方爐窯協(xié)會網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)部  童海鑫

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             2016/4/26

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