建筑陶瓷企業(yè)廢氣處理現(xiàn)狀分析

黃玉瓊，殷 茵

(1.南昌航空大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西省環(huán)境保護(hù)廳 環(huán)境工程評估中心，江西 南昌 330077)

0 引 言

中國是陶瓷生產(chǎn)大國，建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷產(chǎn)量多年居世界第一。據(jù)2017 年統(tǒng)計(jì)，建筑陶瓷年產(chǎn)量101.5 億平方米，占世界總產(chǎn)量63%。江西是中國產(chǎn)陶最早的省份之一[1]，11%以上的建筑陶瓷企業(yè)分布在江西，而地級市中，景德鎮(zhèn)有430 多家陶瓷生產(chǎn)企業(yè)，企業(yè)數(shù)量為全國之最，省內(nèi)集中度也高達(dá)84.1%，享有“中國瓷都”的美名。尤其是近幾年全國范圍內(nèi)城市基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)升溫和房地產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)園區(qū)建設(shè)及各類工程項(xiàng)目的開工，使得建筑陶瓷企業(yè)一直呈強(qiáng)勁發(fā)展態(tài)勢，極大地滿足了人們生產(chǎn)生活需要的同時，高能耗、高排放的陶瓷生產(chǎn)又使自然生態(tài)環(huán)境，特別是大氣環(huán)境壓力日益增大。我們既要金山銀山，又要綠水青山，與大氣環(huán)境問題緊密相關(guān)的陶瓷企業(yè)廢氣排放及處理現(xiàn)狀備受關(guān)注。通過深入建筑陶瓷生產(chǎn)過程中的各個產(chǎn)污環(huán)節(jié)，了解目前建筑陶瓷企業(yè)廢氣排放處理現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題，提出改進(jìn)建議，對陶瓷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 陶瓷生產(chǎn)工藝廢氣產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析

建筑陶瓷生產(chǎn)工藝大體相同，主要經(jīng)原料制備（制漿、制粉）、成型、干燥、素?zé)?、施釉、燒成等工序制成陶瓷產(chǎn)品，對于以煤制氣或水煤漿為燃料的，還包括燃料制備工序。以陶瓷磚生產(chǎn)為例，其具體生產(chǎn)工藝過程從燒成工藝上可分為一次燒成工藝及二次燒成工藝，二次燒成工藝又分為高溫素?zé)⒌蜏赜詿に嚰暗蜏厮責(zé)?、高溫釉燒工藝，部分產(chǎn)品有采用三次燒成的工藝；從制粉工藝上分為干法制粉和濕法制粉工藝。濕法制粉生產(chǎn)干壓磚工藝流程及主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 建筑陶瓷生產(chǎn)工藝流程及主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)Fig.1 Building ceramic production process and main pollution link

涉及廢氣產(chǎn)排的環(huán)節(jié)貫穿陶瓷生產(chǎn)全程，具體包括：原料堆放、粉狀原料貯存過程中產(chǎn)生的粉塵；塊狀原料通過破碎機(jī)粉碎后，各種原料、釉料按配比稱量，通過可移動式皮帶輸送機(jī)將原料輸送到球磨機(jī)進(jìn)行球磨，部分企業(yè)采用干式球磨，產(chǎn)生粉塵量較大。

經(jīng)過過篩、除鐵環(huán)節(jié)后一般采用噴霧干燥塔制備粉料：水煤漿爐燃燒熱氣進(jìn)入噴霧干燥塔頂部的熱空氣分配器，使熱空氣均勻地呈旋轉(zhuǎn)狀進(jìn)入干燥室。泥漿經(jīng)制漿過程后由高壓泥漿柱塞泵抽取噴入噴霧干燥塔內(nèi)，將泥漿霧化，使泥漿液滴的表面積增大，與熱空氣相接觸，使水份迅速蒸發(fā)，在極短的時間里泥漿干燥成為具有一定顆粒級和水份的粉料，分別經(jīng)振動篩、皮帶輸送機(jī)和斗提機(jī)送入粉料倉。在此過程中產(chǎn)生的噴霧干燥廢氣包括：噴霧干燥燃料燃燒產(chǎn)生顆粒物、SO2、NOx以及漿料受熱揮發(fā)產(chǎn)生氯化物、氟化物、揮發(fā)性有機(jī)物、重金屬等。在濕法制粉所使用的噴霧干燥塔熱風(fēng)爐是典型的高溫窯爐，也是大氣污染物排放的主要來源。

粉料陳腐后，經(jīng)過振動篩、皮帶輸送機(jī)等送入壓磚機(jī)料斗中，經(jīng)壓型、脫膜、分坯、清掃后，通過翻坯機(jī)進(jìn)入輸送帶，送入烘干窯爐內(nèi)烘干。在此過程中，干法成型和加溫成型過程產(chǎn)生的熱氣中含有顆粒物、SOx、NOx、CO、Pb 和揮發(fā)性有機(jī)物，其中使用塑化劑較多的成型工藝，有機(jī)污染物特征排放明顯。干燥過程中供熱燃料燃燒產(chǎn)生顆粒物，原料受熱揮發(fā)產(chǎn)生氯化物、氟化物以及揮發(fā)性有機(jī)物。

燒成環(huán)節(jié)中，燃料燃燒廢氣產(chǎn)生煙塵、SO2、NOx，坯料、釉料在高溫環(huán)境下還可能會釋放的氟化物、氯化物、重金屬以及揮發(fā)性有機(jī)物。顆粒物主要來源于燃料和坯體附著粉塵及坯體在窯爐內(nèi)高溫釋放出的鉛及其化合物、鎘及其化合物、鎳及其化合物；鉛、鎘、鎳及其化合物主要來源于陶瓷色、釉料添加含有重金屬的原料。窯爐煙氣中的SO2主要來自于含硫燃料（煤、石油等），其次來自于原料中的含硫雜質(zhì)。

陶瓷原料中硫酸鹽在高溫下分解和氧化成SO2，坯體粉料在噴霧干燥塔中吸收熱風(fēng)爐中燃料燃燒時產(chǎn)生的硫氧化合物，含硫化合物在燒成窯爐內(nèi)經(jīng)過高溫燃燒生成SO2氣體。此外，后期的切割、磨邊等加工工序會產(chǎn)生粉塵污染。

2 陶瓷廢氣治理現(xiàn)狀

本文以盡可能選擇具有完整的處理設(shè)施、處于正常生產(chǎn)狀態(tài)、處理設(shè)施前后均具備采樣條件為原則，選取了江西陶瓷生產(chǎn)企業(yè)主要分布集中區(qū)：景德鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)，20 個具有代表性的建筑陶瓷企業(yè)展開調(diào)研。

2.1 顆粒物治理情況

從調(diào)研企業(yè)中選取10 家較為典型的陶瓷企業(yè)，對其廢氣排放情況進(jìn)行分析，以水煤漿為燃料的企業(yè)在治理前廢氣顆粒物的產(chǎn)生濃度最高；其次是以水煤氣、焦化氣為燃料的企業(yè)，以天然氣為燃料的企業(yè)治理前顆粒物產(chǎn)生濃度最低。通過使用旋風(fēng)除塵、堿水噴淋除塵、布袋除塵等技術(shù)措施后，均能達(dá)到較高的除塵效率，處理后顆粒物濃度明顯降低，除塵效果顯著。設(shè)施處理程度在80.4%-99%之間，平均處理程度達(dá)95.4%，處理水平領(lǐng)先。處理后顆粒物的排放濃度在9.4-29.0mg/m3，主要集中在15-25mg/m3之間，低于國家規(guī)定的30 mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)排放。

2.2 二氧化硫治理情況

從調(diào)研企業(yè)中選取10 家典型的陶瓷企業(yè)，對其生產(chǎn)排放的二氧化硫進(jìn)行分析。以天然氣為燃料的企業(yè)生產(chǎn)排放的二氧化硫濃度明顯低于以水煤氣和水煤漿為燃料的企業(yè)，并且脫硫處理前部分企業(yè)二氧化硫排放濃度就低于國家排放限值；以水煤氣為燃料產(chǎn)生的二氧化硫濃度低于以水煤漿為燃料產(chǎn)生的濃度；以水煤漿為燃料的企業(yè)二氧化硫處理前遠(yuǎn)高于國家排放限值。企業(yè)廢氣處理程度在64%-91.6%之間，平均處理程度為75.4%，說明二氧化硫處理處于中等水平。經(jīng)脫硫設(shè)施處理后二氧化硫排放濃度低于40mg/m3，主要集中在35mg/m3以下，低于國家規(guī)定50mg/m3的排放限值。脫硫處理技術(shù)對降低二氧化硫的排放效果明顯。

表1 陶瓷生產(chǎn)廢氣中顆粒物處理情況Tab.1 Treatment of particulate matters in waste gas from ceramic production

大多數(shù)企業(yè)在噴霧干燥塔采用旋風(fēng)除塵同時增加堿水噴淋洗滌以達(dá)到除塵脫硫效果。部分大型企業(yè)安裝脫硫塔，把窯爐產(chǎn)生的廢氣匯集經(jīng)脫硫塔處理達(dá)標(biāo)后排放。

圖2 陶瓷企業(yè)二氧化硫處理情況Fig.2 Sulfur dioxide treatment at ceramic enterprises

2.3 氮氧化物治理情況

從調(diào)研企業(yè)中選取10 家較為典型的陶瓷企業(yè)，對其生產(chǎn)排放的氮氧化物進(jìn)行分析。所選的10 家企業(yè)的氮氧化物處理后排放的濃度在18-178 mg/m3之間，主要集中在60-130mg/m3之間，低于國家最新規(guī)定氮氧化物排放濃度180mg/m3的要求。企業(yè)廢氣處理程度在33%-75%之間，差異較大，平均處理程度為 58.4%，處理水平較低。由于不同企業(yè)采用的處理設(shè)備不同，處理效果有所不同。此外，即使采用相同的處理設(shè)備，企業(yè)對處理技術(shù)掌握的程度不同，也會造成處理效率存在較大差異。

氮氧化物的來源有三個，對于一般的陶瓷燒成過程，燃料型NOx生成是主要原因；其次是熱力型NOx，快速型NOx幾乎沒有[2]。一般的陶瓷窯爐燒成范圍（1100-1400℃）內(nèi)，熱力型NOx對NO 生成的作用較小，而主要受到窯內(nèi)煙氣的流速以及來自燃料型NOx的影響[3]。陶瓷燒成的溫度越高，產(chǎn)生的NOx量越多；空氣過剩系數(shù)越大，氧氮的濃度越大，則NOx越容易生成；陶瓷窯爐內(nèi)高溫區(qū)越長，氣體在高溫區(qū)停留時間越長，則NOx產(chǎn)生得越多。NOx的生成速率隨著燒成過程中升溫速度增大而增大。目前，噴霧干燥塔煙氣脫硝主要采用選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR），采取SNCR 技術(shù)，脫硝效率可超過50%，NOx排放濃度可控制在100mg/m3以下，也有企業(yè)采用濕法多污染物協(xié)同控制技術(shù)。

圖3 陶瓷企業(yè)氮氧化物處理情況Fig.3 Nitrogen oxide treatment at ceramic enterprises

調(diào)研企業(yè)使用的燃料種類較多，在窯爐燒成中使用的燃料主要有天然氣、水煤氣、水煤漿，其中水煤氣和水煤漿含氮量較高，窯爐煙氣中氮氧化物的主要來源于此。窯爐內(nèi)溫度不均容易使氮氧化物濃度升高，此外，風(fēng)配比增大窯爐內(nèi)含氧量增加使窯爐內(nèi)顯現(xiàn)出氧化性氣氛，不利于氮氧化物還原，使氮氧化物濃度升高。企業(yè)在這方面的技術(shù)把控參差不齊，需要不斷改進(jìn)技術(shù)，完善操作管理。

2.4 鉛、鎘、鎳及其化合物治理情況

從調(diào)研企業(yè)中選取10 家處理設(shè)備水平相近的企業(yè)，對其排放的重金屬進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所選的9家企業(yè)經(jīng)處理后廢氣排放中鉛及其化合物濃度都達(dá)到了國家規(guī)定的0.1 mg/m3的要求。其中有1 家企業(yè)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的0.015 倍，鎘及其化合物和鎳及其化合物經(jīng)處理后都分別低于國家0.1mg/m3、0.2mg/m3的要求，達(dá)標(biāo)排放。

一般陶瓷原料中鉛、鎘、鎳等重金屬含量較低，所使用的燃料天然氣屬于清潔能源，燃料煤中金屬物質(zhì)比較少見，一般不會存在向大氣釋放問題。但在陶瓷色、釉料和花紙中常常含有濃度較高的重金屬。釉料的顏色與重金屬含量有一定的關(guān)系，釉料中鉛含量較高以藍(lán)色為主，鎳以黑色和灰色為主，顏色越深含重金屬越高[3]，釋放的濃度越大。此外，色料、釉料配方中還可能加入一些有毒有害的化工原料，如氧化鋅、鉛丹、硫化鎘及稀土元素等[4]。雖然我國已經(jīng)有企業(yè)研制出無鉛無鎘的顏料，但由于成本、技術(shù)等原因尚未得到推廣。

表2 陶瓷生產(chǎn)廢氣中鉛、鎘、鎳及其化合物治理情況Tab.2 Treatment of lead,cadmium,nickel and their compounds in waste gas from ceramic production

3 陶瓷廢氣污染物治理措施建議

3.1 顆粒物治理建議

調(diào)研企業(yè)中，處理前各陶瓷企業(yè)生產(chǎn)過程中顆粒物的產(chǎn)生量差異較大。經(jīng)過處理后，均能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，而且處理效率均達(dá)到90%以上，說明顆粒物處理技術(shù)較為成熟，應(yīng)不斷推廣應(yīng)用。

目前，減少陶瓷生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的顆粒物排放采取的主要措施是安裝除塵設(shè)備。常用的除塵器主要有旋風(fēng)除塵器、濕式除塵器、花崗巖水膜除塵器；此外，靜電除塵器、機(jī)械除塵器等也有少量應(yīng)用。不同的處理設(shè)備，處理效果有所差異，袋式除塵器除塵效率可達(dá)到95-99%，除塵效率高；水膜除塵器除塵效率可達(dá)90% 以上，除塵效果明顯。靜電除塵器對細(xì)粉塵有很高的捕集效率，可高達(dá)99%。噴霧干燥塔主要采用安裝袋式除塵器控制煙氣顆粒物。對于陶瓷窯煙氣顆粒物控制，由于其初始濃度不高，一般通過濕法脫硫協(xié)同除塵。但濕法脫硫后，煙氣夾帶霧滴中會有顆粒物，建議在脫硫吸收塔增加除霧設(shè)施或水洗噴淋系統(tǒng)以達(dá)到脫硫除塵的目的。

3.2 二氧化硫治理建議

使用不同燃料的企業(yè)處理前二氧化硫的產(chǎn)生量具有顯著的差異。使用清潔能源的企業(yè)處理前二氧化硫濃度明顯低于燃煤企業(yè)，經(jīng)脫硫處理后，均能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。說明脫硫處理技術(shù)對降低二氧化硫的排放效果明顯。

處理陶瓷行業(yè)煙氣中二氧化硫主要從兩個方面進(jìn)行：一是通過采用清潔能源，如天然氣，從源頭降低二氧化硫的排放；二是采用脫硫技術(shù)，如濕法脫硫、干法脫硫等[5]。采用不同的脫硫處理設(shè)備，其脫硫效果有所不同。目前，大多數(shù)企業(yè)采用的是濕法脫硫技術(shù)，一方面是因?yàn)闈穹摿蛐矢?，其中簡易濕法?yīng)用最為普遍。另一方面由于工藝簡單、技術(shù)成熟、石灰石、石灰價廉易得，脫硫成本較低，仍是主要的濕法煙氣脫硫技術(shù)[6]。噴霧干燥法、活性碳吸附法和雙堿法等工藝也有應(yīng)用。在生產(chǎn)末端對硫進(jìn)行處理需要投入大量資金，許多企業(yè)已經(jīng)在逐漸推行“煤改氣”，使用清潔能源，從源頭上減少二氧化硫等污染物的排放。

3.3 氮氧化物治理建議

調(diào)研的企業(yè)處理后氮氧化物的排放濃度均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，但排放濃度值相對較高，處理效率不高。一方面的原因是脫硝技術(shù)還不夠成熟，操作技術(shù)不當(dāng)，使處理效率不高；另一方面的原因是處理設(shè)備老舊，保養(yǎng)不善，增加了氨氮逸出量。減少氮氧化物的排放需要企業(yè)對環(huán)保事業(yè)的重視，加大對處理設(shè)備設(shè)施的投入力度，引進(jìn)新技術(shù)，注重對處理設(shè)施的保養(yǎng)維護(hù)。

3.4 鉛、鎘、鎳及其化合物治理建議

陶瓷原料中的重金屬元素含量較低，但陶瓷色、釉中常含有濃度不等的重金屬。釉料中的鉛、鎘、鎳、銅、鋅等重金屬元素易在高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)擴(kuò)散，進(jìn)入煙氣中，通常以固體顆粒物形式存在。坯料中還會加入一些工業(yè)添加劑，如：氯化鈉、硅酸鈉、塑化劑等來改變陶瓷坯體、釉漿的物理性能，燒成過程中將會轉(zhuǎn)化為氣態(tài)污染物排放。此外，陶瓷裝飾的花紙、顏料中常含有鉛和鎘等重金屬，這些重金屬在烤花或燒成過程中隨粉塵以及高溫產(chǎn)生蒸汽的形式排放到大氣中，而鉛、鎘、鎳及其化合物一般可以采用袋式除塵器進(jìn)行收集處理。

4 結(jié) 語

陶瓷制造業(yè)在江西部分地區(qū)已經(jīng)成為支柱性產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中排放的廢氣污染也給當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴痉乐萎a(chǎn)生巨大壓力。本次調(diào)研集中選取了景德鎮(zhèn)和萍鄉(xiāng)的大中型生產(chǎn)企業(yè)作為調(diào)研對象，生產(chǎn)規(guī)范化程度高，設(shè)施設(shè)備也相對齊全。但一些小型企業(yè)，特別是小作坊生產(chǎn)，設(shè)備設(shè)施簡陋，環(huán)保設(shè)施的投入不足，產(chǎn)生的污染不容忽視。一方面，政府部門需要加強(qiáng)監(jiān)督監(jiān)管，嚴(yán)格執(zhí)法。推行使用天然氣等清潔能源，從源頭減少廢氣污染物的產(chǎn)生，引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行清潔生產(chǎn)，將能耗最少化，廢物減量化，效益最大化。另一方面，企業(yè)應(yīng)不斷探索革新生產(chǎn)技術(shù)，加大對環(huán)保設(shè)施的投入，減少生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，自覺承擔(dān)起企業(yè)應(yīng)有的社會責(zé)任。