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科技探源1|生產石灰的燃料可以讓汽車跑？
2024-11-18 09:39:54 來源：石灰窯生態圈
編者前述
2024年9月9日，生態環境部印發《全國碳排放權交易市場覆蓋水泥、鋼鐵、電解鋁行業工作方案（征求意見稿）》，三個行業將被納入全國碳排放權交易市場，2024年是首個管控年度，2025年底前完成首次履約工作。在此背景下，石灰產業將成為碳排放交易市場中的一員，特別是“碳稅”已經達到每噸75-100元范圍，如果實際征收，無論是企業內部石灰車間，還是獨立石灰企業，均面臨著嚴峻的降碳壓力和生產成本的挑戰。同時，石灰產業也將迎來發展機遇，“雙碳”目標將驅動石灰產業構建更高水平的供需平衡，實現能源結構優化，降低煤炭等一次能源消耗占比，提高能源利用效率；推動技術革命，二氧化碳捕集提純回收和應用技術將取得突破等，從而為產業注入新動能，激發新活力，增強產業競爭力與影響力。
據此，《石灰產業》編輯部隨中國石灰產業學會專家組部分成員對目前“零碳排生產石灰技術”進行了為期一個月的調研，特別針對目前原始技術創新的過程、應用及淵源重點介紹，從歷史到現在至未來全方位的進行了總結，以期為行業帶來一些啟發。
一、本期編者導語
石灰產業是冶金、鋼鐵、化工、環保和建材行業的重要支撐產業，同時也是碳排放大戶。石灰生產過程的碳排放既包括能源消耗產生的碳排放，又有原料煅燒分解產生的碳排放。根據唐山金泉冶化科技產業集團旗下“碳能新動力研究院”研究測算，平均每生產1t石灰排放1.4tCO2，全國石灰產能按照*高3.2億噸計算，排放可達4.5億tCO2，冶金石灰產業每年碳排放量約1.7億t。
技術創新是產業發展壯大、提升競爭優勢的重要來源，也是實現低碳高質量發展的重要抓手。面對低碳發展課題，作為碳排放大戶，石灰產業必須積極行動，提早謀劃，在實踐中實現低碳轉型。隨著“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山金泉冶化科技產業有限公司”（以下簡稱：唐山金泉公司）的“豎窯CO2轉新能源聯產石灰與礦化零碳排的裝置”等一系列國內首創的專利、專有技術的推出，將改變傳統的石灰生產方式。特別是近期研發成功的“以碳賦能實現負碳排放聯產石灰”的系列專利、專有技術，將石灰生產中的“CO2回收+廢碳轉C1燃料”，在不增加外部能源熱能的前提下，利用石灰生產中高溫CO廢氣作為熱源，一步法與生物質廢碳或其它含碳燃料（煤炭、焦炭）進行脫碳轉化為C1（CO、一氧化碳、煤氣）新能源生產石灰。同時利用新型電轉化技術把CO2與CO燃氣循環利用，達到CO2廢氣的全部轉化再利用，達到取代化石燃料以及增值化和零碳化、負碳化的目的。
生物質能，是指植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而儲存在植物內的一種能源形式，因其零碳排放、可再生性強等特點，引發全球的廣泛關注。從發現火種到歷次能源革命，生物質能源為人類“燃燒”了千萬年，如今，將再次為我們應對氣候變化、拯救大氣環境、發展綠色低碳經濟而承載新的使命。
降碳與增效并不是矛盾的，唐山金泉公司通過對生物質能在石灰產業項目的開發與運營，通過生物質能源的利用，實現傳統石化燃料替代，通過齊肩并進、雙管齊下的措施，實現“節能降碳”和“減排增效”的雙向奔赴。
然而，在應用“生物質”燃料過程中，不少讀者紛紛咨詢，對生物質燃料應用中的發展歷史、技術原理、應用方式、可行性、成本、產業政策、發展前景等期待更深的了解，《石灰產業》編輯部將從“歷史”開始講起，從“零”起步，為大家陸續講解大家關注的核心和焦點。
本期文章內容我們先從身邊開始，首先走進了“北京汽車博物館”，了解一下，生物質能在我國的應用歷史和在特殊時期做出的巨大貢獻，也會了解生物質能在我們的工業實際應用中的經典案例，這也是“碳能”如何在我們石灰生產中應用的“啟蒙”思路。
二、原文再現
在北京汽車博物館藏品庫房里，一輛“仲明國產木炭汽車”模型，無聲卻鮮活地記錄著二十世紀三四十年代木炭車盛行的那段歷史。該藏品是以20世紀30年代愛國工程師湯仲明發明的“仲明國產燃炭汽車”為原型制作的，于2017年由湯仲明之子湯曉明捐贈。它的背后記錄了什么故事？
圖片一：仲明國產燃炭汽車模型
1、資源匱乏 研究代用燃料20世紀初，汽車開始進入中國。各方有識之士萌生制造汽車、建立民族汽車工業的愿望。1920年孫中山先生在《建國方略》中提出使用汽車、建造公路、建立汽車工廠和供給廉價燃料的全面設想。
湯仲明發明的“仲明國產燃炭汽車”是我國設計、試制的第.一輛煤氣汽車。后來人們親切地稱這種車為“木炭車”。所謂“木炭車”，也叫煤氣車，就是在普通汽車上加裝各種設備，其中*主要的設備是煤氣發生爐，使木炭產生煤氣，以代替汽油參與燃燒推動發動機運轉。
圖片二：20世紀30年代的湯仲明
2、國人首創 研制煤氣發生爐
在進步思潮影響下，湯仲明懷著“科學救國”的壯志，1919年赴法勤工儉學。到法國后他曾在南特汽車修理廠、雷諾汽車制造廠勤工儉學，進入法國南特工業學校、法國國立昂諾高等工藝學校學習，獲機械工程師學位。畢業后他回到雷諾汽車制造廠擔任實習工程師，積累了豐富的實踐經驗。
1926年，為實現報國理想，他毅然歸國，到隴海鐵路徐州銅山機車廠工作。面對我國當時完全依賴進口“洋油”的局面，湯仲明暗下決心攻克難題。從1928年起，他在工作之余自費開展研究，租了一間民房做實驗室，買了一臺舊汽車發動機，開始了研制代燃爐(木炭代油爐)的試驗。
經過無數次試驗，1931年湯仲明試制成功一臺“木炭代油爐”。并于當年3月將一輛改裝的煤氣發生爐汽車開到鄭州西郊碧沙崗進行試車，這次公開試驗引發轟動。
1931年9月，湯仲明將發明的木炭代油爐上報實業部，1932年實業部派人詳細檢查，核實后認為這一發明具有重大意義，遠勝于國外的木炭汽車，具有實用價值，且造價低廉、易于制造。這輛木炭汽車無需汽油媒介即可發動；爐體重量更輕，不到100斤；安裝方便靈活；續航里程更長，加一次木炭可行駛100多公里。1934年獲得實業部發生爐部分設計專利5年。為了加快推廣，他將木炭代油爐的制作技術及圖紙，毫無保留地公諸于世，供社會各界無償使用。
3、第.一輛國產燃炭汽車
1935年湯仲明到上海，與范爭波、湯允青等人合伙創立“仲明機器股份有限公司”。公司主要生產煤氣發生爐及煤氣機，兼營長途汽車改裝煤氣發生爐等業務，并推廣到江浙和廣西、江西等地。
圖片三、30年代，在云南推廣的木炭汽車行駛在昆明街頭
湯仲明等人于1936年試制出一輛煤氣汽車，這是中國設計、試制的第.一輛煤氣汽車，定名為“仲明國產燃炭汽車”。仲明國產汽車總質量4910公斤，裝載2273公斤；底盤全長5436毫米，軸距3912毫米；搭載水冷立式直列4缸4沖程煤氣機，*大功率45千瓦，*高車速約52公里/小時，使用1937年仲明式代油爐。該車用大中華橡膠廠雙錢牌輪胎，后軸半浮式，變速器有4前進擋和1倒檔。
圖片四：仲明木炭代油爐汽車
4、戰火打破造車夢
1937年湯仲明等人又制成第二輛煤氣汽車，從上海開到南京，路途計程380公里，耗時7小時18分。上海的滬太、錫滬兩家長途汽車公司也將部分車輛進行改裝使用，錫滬公司近一年中先后裝配28輛煤氣車投入使用。1937年上海仲明汽車公司生產的兩輛載重3.5噸木炭汽車開往南京展覽，途中被日本飛機炸毀。不久，“八·一三”事變爆發，仲明公司毀于戰火，生產汽車之舉亦告中止。
圖片五、中國成立初期廣州的公共汽車
在汽油匱乏、交通困難的年代，木炭汽車緩解了運輸需求與能源匱乏的矛盾，發揮了重要的作用。在抗日戰爭時期承擔了繁重的運輸任務，20世紀60年代以后中國摘掉了“貧油”的帽子，木炭汽車逐漸淡出人們的視野。木炭汽車記錄了早期汽車行業艱辛創業的歷史，展現了中國人不畏困難、勇于創新的精神，也承載了那個特殊年代人們的記憶。
本節上述資料來源：北京汽車博物館
編者根據史料還進一步了解到：
湯仲明的研究是從煤氣發生爐開始的，原理很簡單，就是將木炭燃燒變成煤氣去代替汽油發動機器驅動汽車，但技術非常復雜，國外搞了多年也沒達到理想的結果，他害怕重蹈復轍，陷入迷途，就決心走自己的路，不用外國現成的圖紙，而自己重新設計，親自動手制造。有一天晚上，他從一個做飯的煤爐中，見到封火后，從出氣孔中呼呼竄出一股綠火苗，有一尺多高，非常有勁，湯仲明受到很大啟發，心里高興地說，這不就是很好的瓦斯嗎？由此，他想過用煤制造瓦斯來代替汽油，因為中國并不缺煤。他因此用煤作燃料來提取瓦斯，但實踐告訴他，煤的燃點高，很不容易點著，將來點火是個困難，他毅然放棄了這一試驗，而木炭一根火柴加一張廢紙或者一把干草就能引著，中國又不缺少木炭，特別是在廣大的山區有豐富的木炭資源，所以，他還是以木炭為燃料制造瓦斯代替汽油，中間搞了一段以煤炭為燃料，不行很快就回頭。
他從煤爐噴出的瓦斯得到啟示后，先用灶爐作試驗，因泥爐太笨重，不易搬動，后改成鐵爐，又試驗了一段時間，他發現鐵爐里邊火旺時，鐵皮被燒紅了易燃著外邊的東西，于是他又想了一個辦法，由單層鐵爐改成雙層，中間留有幾公分距離，這就解決了爐內火旺燒紅鐵爐燒毀外邊東西的問題。經過無數次的試驗，他還從家鄉請來邢敏德做他的幫手。制造瓦斯終于成功了，但瓦斯中所含雜質較多，如不解決，那會損壞發動機，使機器出故障的。為此，他又暝思若想，設計出一套濾清設備。瓦斯從煤氣溫發生爐出來后，先通過裝有清水的散熱器，再通過裝有機油網絨的濾清器進入發動機，這一試驗基本上是成功的。煤氣進入發動機后，可以發動機器，這一成功來之不易，開始能轉幾圈，十幾圈，由幾十圈，到幾百圈，幾千幾萬圈，經歷了三個寒暑，上千個日日夜夜，無數次的失敗，都沒有使他氣餒，到一九三一年春，方大體成功。鄭州鐵路局那位姓錢的局長知道此情況后，讓他暫時脫離工作崗位，專事試驗，并調給他一輛汽車，讓他走出試驗室，將煤氣發生爐裝上汽車實地試驗，并下令調離開封行車廠，任鄭州鐵路局機務處工程師，就是這位好心的局長精心安排的，好讓他有個領薪水的地方，能將試驗進行下去，因機務處并不缺少工程師，湯仲明也因此而深為感動，更加發奮努力。他也將家屬和試驗室一起搬到了鄭州，此時的郭秀英已是四個孩子的媽媽了，一九二九年生了第三個女兒，湯凌(小名汴生)，一九三 O 年六月一日生下兒子曉明，兩個學生，兩個還不懂事的孩子，叫郭秀英日夜忙的顧不著照顧湯仲明了。
煤氣發生爐裝上汽車后，能發動機器，驅動汽車，就是跑不快，一個小時十幾二十里，速度達不到汽油的效果，又經過好長時間的研究也沒能使汽車的速度加快多少，有一次在野外試驗，湯仲明發現氣門開小是這個速度，氣門開大也還是這個速度。這是什么原因呢？這時他手雖然握著方向盤，腳踏著油門，但思想卻想著什么原因？什么原因？汽車卻一頭撞到了路邊的一快大石頭上，幸好車速不高，撞的不很嚴重，車倒出后往前一竄，速度突然快了，湯仲明感到驚奇也驚喜，立即停車檢查原因，查了半天也沒查出任何毛病，他又上車往前開，車跑得很快了，他又高興又驚訝，也覺得奇怪，心想這是鬼使神差還是別的什么緣故？他又停下車來再仔仔細細檢查一遍，終于發現煤氣管碰裂了一條縫，他恍然大悟，煤氣也還需要空氣助燃，光有煤氣沒有足夠空氣配合助燃也是不行的，這是一個偶然，但也是必然的。只不過是這個僥幸的偶然使必然提前來到了，使這項研究前進了一大步，可以說跨入了光輝的頂點。湯仲明回來后立即研究煤氣與空氣的配合比，增添一個混合器，讓空氣充分助燃煤氣，使車速達到與汽油車相當的效果。
三、編者后語
曾經總有人詢問，“木材”也可以燒石灰？當看完上述介紹就會得知：是的！“木材”不僅可以燒石灰而且還可以讓汽車跑起來。
而且，我們更應該了解到，上述文章中的技術“難點”還是“木炭”氣化以后的具體應用問題，實際上技術前段的煤氣發生爐，原理很簡單，就是將木炭燃燒變成煤氣（CO），特別是我們石灰產業在生產中，轉化后的煤氣是直接進入爐內煅燒石灰的，氣體所有成分都會進入爐內燃燒，氣體即不需要凈化也不會冒黑煙，整個工藝非常簡單實用。
作為新能源的生物質能源被稱為“第四大能源”，而且在工業生產的新能源應用中，生物質氣化因其經濟性和碳中性被認為是生物質能利用的重要途徑之一，也是生產石灰的重要綠色清潔能源之一。生物質氣化過程中的一系列熱化學反應可以將生物質原料轉化為氣態燃料用于生產，也可以進一步轉化為高附加值的可再生液體燃料或化學品。在生物質氣化及生產應用中的CO2重整還原合成氣具有*核心的優勢就是碳減排和碳回收，通過采用回收石灰窯及其它工業爐窯燃燒后產生的CO2氣體與生物質固體燃料進行水氣的變換+催化轉換為可燃氣體進行工業生產。
從目前唐山金泉公司開發的“以碳賦能實現負碳排放聯產石灰”的系列專利、專有技術中，我們還了解到，其采用生物質燃料并不是“*終目的”，其核心意義是利用生物質氣化后的“廢碳資源”與石灰生產中的富含二氧化碳成分的廢氣進行轉換，達到負碳排放和新能源利用的目的，即解決了“碳排放”問題，也達到了降低石灰生產中的燃料成本問題，特別是，該項技術中，并非必須使用和全部使用生物質燃料，還可以使用煤炭（煤粉及水煤漿）、焦炭等都可以實現上述目的。尤其是生物質與煤復合串行氣化的技術應用更是其創新關鍵點，為我們石灰產業找到了新能源與傳統石灰能源的結合點，使傳統石灰生產技術得到有效提升，這才是我們需要和希望看到的。
所以，碳達峰和碳中和戰略目標對全球經濟與社會發展意義非凡，碳達峰和碳中和的深層次問題實為能源問題，而日趨成熟的碳捕集、封存和利用技術也因高成本、高能耗面臨產業界的強大阻力。雖然二氧化碳在大量排放時對生態環境造成不良影響，但它又是自然界中重要的資源之一，因此合理利用CO2才是有效解決問題的關鍵。其中，唐山金泉公司開發的二氧化碳化工利用技術是*具典型的負碳技術，它以化學轉化過程為特性特征，以CO2為碳氧資源將其轉化為其他產物，并具備一定減排效益的工業技術。其不僅能夠直接消耗CO2，還能夠實現對傳統高碳原料的替代，兼具直接減排和間接減排效應，我們期待這一項技術能夠得到應用，為我國石灰行業的長久發展作出貢獻。
后續文章我們將陸續發布生物質氣化及碳回收應用技術在工業應用中的歷史和技術原理以及唐山金泉公司開發的各項延伸、擴展、創新技術。
資料編輯：
《石灰產業》編輯部
2024年11月01日（萬圣節）
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