發(fā)泡陶瓷窯爐節(jié)能技術(shù)探討

摘 要：隨著“十三五”的結(jié)束和“十四五”的實施，國家對高能耗產(chǎn)業(yè)的改革勢在必行。陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗的行業(yè)，必然是改革的重點領(lǐng)域，節(jié)能減排也必將是陶瓷產(chǎn)業(yè)的大勢所趨。目前在建筑領(lǐng)域廣泛使用有機外墻外保溫材料，普遍存在著易燃的致命缺陷。發(fā)泡陶瓷材料起到了建筑節(jié)能的高效果，且本身的高強度及防火保溫性能也徹底解決了保溫材料易燃的問題；發(fā)泡陶瓷板作為國家支持的產(chǎn)業(yè)，符合國家轉(zhuǎn)型升級要求，將作為一種新型陶瓷產(chǎn)品，會有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：發(fā)泡陶瓷；固廢處理；雙碳雙控；能耗；節(jié)能措施

1 引言

2020年4月29日，十三屆全國人大常委會第十七次會議表決通過《固體廢物污染環(huán)境防治法》，于2020年9月1日起施行。自1995年通過以來，固廢法已先后經(jīng)歷5次修改。新修訂的固廢法明確固體廢物污染環(huán)境防治強化政府及其有關(guān)部門監(jiān)督管理責(zé)任，完善了工業(yè)固體廢物、生活垃圾、危險廢物、建筑垃圾、農(nóng)業(yè)固體廢物等污染環(huán)境防治制度，健全了保障機制，嚴(yán)格了法律責(zé)任。此次全面修改固廢法是依法推動打好污染防治攻堅戰(zhàn)的迫切需要，是健全最嚴(yán)格最嚴(yán)密生態(tài)環(huán)境保護法律制度和強化公共衛(wèi)生法治保障的重要舉措。新《固廢法》對法律責(zé)任專章進行了擴充完善，加大了對固廢管理不合規(guī)的處罰力度，增加了企業(yè)的違法成本。

中央環(huán)保督察組把能源督察納入到了督察范圍，最近生態(tài)環(huán)境部正在幾個省份開展督察，里面明確了包括碳督察，搞督察有利于轉(zhuǎn)型，有利于升級。

《關(guān)于推進城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》中指出，充分發(fā)揮各城市比較優(yōu)勢，促進資源有效配置。特別是講到碳減排扎實推進，城市整體性、系統(tǒng)性、生長性增強，“城市病”問題得到緩解。企業(yè)協(xié)同開展污染防治，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，開展大宗固廢綜合利用，減少生態(tài)破壞和碳排放。按照國家的安排2030年碳達峰之前要加強大宗固廢綜合利用，陶瓷行業(yè)有很多做法，推進產(chǎn)業(yè)園區(qū)循環(huán)化發(fā)展，大力推進生活垃圾減量化、資源化等等。

國家“十四五”計劃中明確提出了“十四五”節(jié)能專項規(guī)劃，要求調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，遏制高能耗高污染行業(yè)過快增長，大力推進節(jié)能工作，而陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗、高污染的行業(yè)，尤其是對資源的消耗和環(huán)境的污染都比較嚴(yán)重，屬于政府和大眾“緊盯”的行業(yè)之一。發(fā)泡陶瓷作為新型建筑隔墻板材料以及外墻保溫材料頻繁出現(xiàn)在各類報刊、雜志和展會上，正是由于發(fā)泡陶瓷符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，變廢為寶，積極響應(yīng)國家的政策要求，越來越受到重視。

發(fā)泡陶瓷是一種無機非金屬材料，是以拋光廢渣、紅泥、頁巖、粉煤灰、煤矸石、煤渣、陶瓷原礦、大理石尾礦、爐渣、玻璃碎片等無機材料作為主要原料，摻加一定比例的發(fā)泡劑、助溶劑等經(jīng)混合、制粉、填料工藝，再經(jīng)高溫焙燒而成的高氣孔率的陶瓷材料。發(fā)泡陶瓷采用的是低值低質(zhì)的頁巖、工業(yè)廢渣，對環(huán)境的保護和降低能耗有更大的優(yōu)勢。在同等導(dǎo)熱系數(shù)值時，發(fā)泡陶瓷的抗壓強度和抗折強度要大于發(fā)泡玻璃，使用更安全。

發(fā)泡陶瓷是一種全新的綠色節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，具有防火、保溫、防水、防凍、無毒、不老化、防靜電、機械強度高、絕熱性能好、使用壽命長等特點。當(dāng)前，我國發(fā)泡陶瓷年產(chǎn)量嚴(yán)重不足，絕大多數(shù)產(chǎn)品用于化工絕熱領(lǐng)域，用于建筑保溫的就更少，這就為發(fā)泡陶瓷用于建筑領(lǐng)域提供了發(fā)展先機。發(fā)泡陶瓷與同類建材產(chǎn)品相比，有無可比擬的優(yōu)勢，具有很強的市場競爭力。

目前發(fā)泡陶瓷實際生產(chǎn)采用工業(yè)廢料———濕法球磨———噴霧干燥造?！獧C械布料———隧道窯或輥道窯燒成———機械卸板———切割機切割定尺的工藝流程，并且已經(jīng)是成熟的工藝。發(fā)泡陶瓷保溫板與隔墻板基本采用此種工藝。發(fā)泡陶瓷隔墻板發(fā)泡的孔徑直徑≤1 mm 的大約占60%～80%，直徑1～2 mm 占20%～40%，且孔壁較薄。這種工藝的優(yōu)點是產(chǎn)量大、原料加工均勻、穩(wěn)定性好。缺點是排水、排氣污染較難控制。

發(fā)泡磚的燒成過程是，在1000℃以前，粉料仍是粉料狀態(tài)，在1050℃左右，粉料開始熔融，到1100℃時，粉料的厚度要收縮約50%，在1120℃左右開始發(fā)泡，厚度增大到原來粉料的（100-300）%。

2 發(fā)泡陶瓷窯爐節(jié)能技術(shù)

根據(jù)目前運行的窯爐情況來看，燃料成本約占產(chǎn)品成本的50%，有的甚至達到60%；如何做到節(jié)能降耗，提高產(chǎn)量，成為提高產(chǎn)品競爭力以及發(fā)泡陶瓷大力推廣的關(guān)鍵因素。所以發(fā)泡陶瓷能耗的解決成為重中之重，本文從以下方面來分析節(jié)能措施：

2.1 原料的選擇和配方結(jié)構(gòu)是決定燒成周期的關(guān)鍵因素

在發(fā)泡陶瓷板生產(chǎn)中，燒成溫度越高，能耗就越高。改進材料配方，采用低溫快燒技術(shù)，降低燒成溫度，縮短燒成周期，明顯可以降低能耗。據(jù)熱平衡計算，若燒成溫度降低 100℃，則單位產(chǎn)品熱耗可降低10%以上，且燒成時間縮短10%，產(chǎn)量增加10%，熱耗降低4%。因此，在陶瓷行業(yè)中，應(yīng)用低溫快燒技術(shù)，不但可以增加產(chǎn)量，節(jié)約能耗，而且還可以降低成本。根據(jù)現(xiàn)有窯爐燒成情況來看，采用珍珠巖為主要原料生產(chǎn)外墻保溫裝飾一體板的，燒成周期可以小于10h；目前發(fā)泡陶瓷燒成溫度為1180～1200℃，如果溫度降到1150℃可以更加節(jié)能減排，提升產(chǎn)量和降低成本。

2.2 最大限度的實現(xiàn)窯車、窯具的輕型化，降低蓄熱損失

窯爐的能耗有一部分是被窯車直接帶走，此部分熱量將白白浪費，改變傳統(tǒng)的窯車制作方式，采用堇青石-莫來石中空圍邊磚結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)的砌磚重量減輕50%，同時還將窯車底座寬度減少，窯車內(nèi)部采用保溫效果更好的陶瓷棉，使整個窯車的重量大大減少，從而窯車的蓄熱量大幅度減少，節(jié)省燃氣。改變傳統(tǒng)的窯具布置方式，取消用堇青石-莫來石作為立柱，盡量采用低重量，低蓄熱量的材質(zhì)，將匣瓷比降到最低。

2.3 采用多層發(fā)泡陶瓷隧道窯

這兩年陸續(xù)上線了用輥道窯來燒制發(fā)泡陶瓷，總體來說產(chǎn)量上不去，燒成周期降不下來，效果不怎么理想，399米的輥道窯，一天的產(chǎn)量才100 m3左右，如果采用三層發(fā)泡陶瓷板隧道窯，一天的產(chǎn)量有300 m3，是同等長度輥道窯產(chǎn)量的3倍，雖然隧道窯投入的成本會比輥道窯多1.1倍左右，顯然用三層發(fā)泡陶瓷隧道窯投入與產(chǎn)出比更劃算。

2.4先進燃燒技術(shù)的應(yīng)用

隨著能源需求增加和環(huán)保意識提升的背景下，節(jié)能減排成為了社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。而在陶瓷燒制過程中，燃燒系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到能源消耗。因此，為了提高能源效率和降低生產(chǎn)成本，新型燃燒技術(shù)應(yīng)運而生。

（1）比例燃燒自動控制系統(tǒng)；

（2）電子空燃比燃燒控制系統(tǒng)；

（3）空氣過剩系數(shù)管理系統(tǒng)。

采用適用于多層發(fā)泡陶瓷隧道窯燒成的燃燒系統(tǒng)，可以明顯的降低能耗。

2.5 新型高速等溫?zé)煲约芭c其碳化硅燒嘴套出口大小的合適配合

在燒嘴使用時，溫度控制容易出現(xiàn)偏差。 由于幾何壓頭的作用，高溫火焰流熱氣體由下向上流動，形成窯道內(nèi)溫度上高下低，使熱電偶檢測到的溫度數(shù)據(jù)偏高， 故造成熱電偶儀表上顯示的溫度與窯內(nèi)燒成品實際溫度出現(xiàn)很大的偏差。采用我公司研制的新型高速等溫?zé)斐哂腥紵矢咄?，更具有火焰噴射速度快，在窯內(nèi)形成強烈攪拌，減少窯內(nèi)的上下溫差，可以使窯內(nèi)溫度變得均勻，使得發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品發(fā)泡均勻，表面平整；不但能縮短燒成周期，降低能耗，而且可以提高制品的燒成效果。 特別對于寬斷面的隧道窯，宜采用高速燒嘴；對于燒發(fā)生爐煤氣的輥道窯，采用預(yù)混式燒嘴，不但可以減少窯斷面上的溫差，而且可以節(jié)約能源近15%～20%。如果燒嘴選好了，與其相應(yīng)配套的碳化硅燒嘴套出口大小不配合好的話，依然達不到理想效果，這也是很多專業(yè)人士沒有得到足夠重視的地方。我們在實際應(yīng)用中，都有嚴(yán)格的計算，選擇最合適的碳化硅燒嘴套出口尺寸。

2.6窯爐結(jié)構(gòu)的改進

由于是燒多層發(fā)泡陶瓷板隧道窯，窯內(nèi)高度會升高，隨著窯內(nèi)高度的增加， 單位制品熱耗和窯墻散熱量也在增加，窯內(nèi)結(jié)構(gòu)以及窯墻保溫效果也要做相應(yīng)的改動。采用納米保溫板，該材料是近年來保溫材料的發(fā)展趨勢，能起到很好的保溫效果，并減少窯墻的蓄熱量，使窯爐能安全的快速升溫和降溫，減少窯墻散熱。在一定范圍內(nèi)， 窯越寬越好；窯越寬，節(jié)能率越高，故只要能很好地解決斷面溫差的問題，寬體發(fā)泡陶瓷板隧道窯是未來發(fā)展的方向。

2.7窯爐三帶比例的合理分段

由于發(fā)泡陶瓷不同于墻地磚，分段比例有它的特殊性，要根據(jù)發(fā)泡陶瓷燒成工藝曲線，合理設(shè)置各溫度段分段比例，可以提高產(chǎn)品優(yōu)等率，縮短燒成周期，降低單位產(chǎn)品能耗。

2.8建議沒有環(huán)保壓力的地區(qū)優(yōu)先考慮用發(fā)生爐煤氣

目前以發(fā)生爐煤氣為燃料的企業(yè)，主要有山東蒙陰商海科技、廣西碳歌、山東蒙陰商?？萍忌a(chǎn)外墻保溫板，每天用煤約30噸，折合每立方產(chǎn)品約消耗天然氣50m3。究其原因，一是原料的選用，燒成溫度低；二是寬體窯加發(fā)泡厚度大，約厚280mm；三是4.5min左右的推進速度快，最終才有產(chǎn)量大能耗低的結(jié)果。廣西碳歌公司生產(chǎn)室內(nèi)隔墻保溫板，同樣燒發(fā)生爐煤氣，折合每立方產(chǎn)品約消耗天然氣70-80m3。，究其原因，一是發(fā)泡厚度，成品為80、100、120mm；二是三層裝載小截面窯；三是推進速度5-8分鐘/車，最終的能耗比蒙陰高，但比用天然氣的企業(yè)能耗要低。

發(fā)生爐煤氣（煤轉(zhuǎn)氣）的應(yīng)用是窯爐的燃料費用降低及能源消耗大幅度下降的有效途徑。發(fā)生爐煤氣是一種較為潔凈的氣體燃料，對環(huán)境污染小，同時又降低了窯爐燃料費用，減輕了工人勞動強度，是提高經(jīng)濟效益和社會效益非常有效的替代燃料。但隨著國家對環(huán)保壓力的加大，許多產(chǎn)區(qū)不準(zhǔn)上煤轉(zhuǎn)氣，所以企業(yè)要從多方面的考慮，只是建議沒有環(huán)保壓力的地區(qū)優(yōu)先考慮用發(fā)生爐煤氣。

2.9 窯爐余熱的合理利用

積極采用先進的煙氣余熱回收技術(shù)， 降低排煙熱損失是實現(xiàn)隧道窯節(jié)能的主要途徑。

（1）從冷卻帶抽取的熱風(fēng)作為燒嘴的助燃風(fēng)用，溫度可加熱到150-200℃左右一般認為：空氣預(yù)熱溫度每提高100℃，即可節(jié)約燃料5%；

（2）排煙風(fēng)機抽出的熱風(fēng)打到干燥窯或噴霧干燥塔用，可以對余熱有效的加以利用；

（3）冬季將余熱送到切割車間供暖。

2.10 排煙的煙氣提供給噴霧干燥塔用

（1）排煙風(fēng)機出風(fēng)口的溫度約350℃，煙氣從窯爐輸送到噴塔的溫度降低了約40℃，則到塔的煙氣溫度為310℃，而塔排出煙氣的溫度約為90℃。在整個換熱過程中，窯爐煙氣的平均溫度為200℃，對于日產(chǎn)量300m3/天的發(fā)泡陶瓷，煙氣質(zhì)量約16，325kg/h。

查表可得平均溫度200℃煙氣的比熱容為：0.262kcal/kg.℃；

按公式Q=Cp mΔT計算每小時煙氣帶入量：

式中：Q-310℃煙氣用于塔的熱量，kcal/h；

Cp-200℃煙氣比熱容，kcal/kg.℃；

m-窯爐煙氣質(zhì)量，kg/h；

ΔT-煙氣溫度-塔排出溫度，℃。

Q=0.262水分×16325水分×（310-90）=942，799kcal/h

天然氣熱值約為8，300 Kcal/m3

相當(dāng)于天然氣量： 942799÷8300=113 m3/h

（2）每年利用煙氣可以節(jié)省的費用

天然氣價格按3.5元/立方米，噴霧塔運行時間按每天22小時，每年正常生產(chǎn)日按330天，則每年利用煙氣可節(jié)省的費用為：

3.5水分×113水分×22水分×330=2，871，330元/年

通過以上計算可以清楚的看到，利用排煙的余熱用于噴霧塔的干燥一年節(jié)省的費用是比較可觀的。

2.11純氧燃燒節(jié)能技術(shù)

在普通的空氣助燃窯爐中，近80%的不助燃氮氣形成廢氣排出窯外 ，帶走大量熱量，造成熱量的無謂消耗。同時在高溫下生成氮氧化物， 污染大氣。富氧燃燒是指在燃燒過程中，把氧氣的體積分數(shù)大于空氣中的21％氧氣含量的氣體作為助燃氣體的一種高效燃燒技術(shù)，當(dāng)助燃氣體直接采用 99％以上的工業(yè)純氧時，又叫做純氧燃燒。純氧燃燒技術(shù)可以增加燃燒火焰 溫度、減少一次風(fēng)抽送量，同時節(jié)約了燃料消耗、減少了尾氣排放。

純氧燃燒技術(shù)為陶瓷行業(yè)的燒成提供了一種新的可能性，它利用純氧代替空氣作為助燃劑，通過調(diào)整燃料與氧氣的比例來控制火焰溫度和氣氛，從而實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保的燒成過程。純氧燃燒技術(shù)具體有以下優(yōu)點：

（1）提高燒成效率，純氧燃燒具有極高的火焰溫度和熱量傳遞效率，可以迅速將陶瓷燒至所需溫度，縮短燒成周期，提高生產(chǎn)效率；

（2）節(jié)能降耗，純氧燃燒技術(shù)能夠最大限度地利用燃料能量，在高溫時其輻射傳熱能力強，增強火焰的傳熱能力，減少熱損失，降低能耗。與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，純氧燃燒能夠節(jié)省大量燃料，降低生產(chǎn)成本；

（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量，純氧燃燒產(chǎn)生的火焰氣氛穩(wěn)定，可以避免產(chǎn)品燒成過程中出現(xiàn)的變形、開裂等問題，提高產(chǎn)品合格率。同時，純氧燃燒還能夠減少產(chǎn)品表面的色差和瑕疵，提高產(chǎn)品美觀度；

（4）環(huán)保減排，純氧燃燒技術(shù)不產(chǎn)生氮氧化物等有害氣體，減少了對環(huán)境的污染。此外，純氧燃燒產(chǎn)生的熱量能夠充分利用，減少了廢氣排放和能源消耗，有利于實現(xiàn)綠色生產(chǎn)；

（5）可實現(xiàn)二氧化碳高效捕集，以天然氣純氧燃燒為例，由于燃燒產(chǎn)物中只有水蒸氣和二氧化碳，所以在將煙氣中的水蒸氣冷凝后便得到了高濃度的二氧化碳，大大方便了二氧化碳的捕集。

2.12 高溫空氣燃燒技術(shù)

高溫空氣燃燒技術(shù)（high Temperature Air Combustion，簡稱HTAC）是90年代興起的集節(jié)能、環(huán)保等多重優(yōu)點的高新技術(shù)。該技術(shù)主要包括兩項基本技術(shù)手段：一是燃燒用空氣最大限度回收（或稱極限回收）廢氣的顯熱；二是采用燃料在低氧氣氛下燃燒的技術(shù)來降低NOx的生成量。高溫空氣燃燒技術(shù)最具標(biāo)志的特點是高溫，預(yù)熱空氣溫度可達到800～1100℃。利用HTAC技術(shù)等高新技術(shù)開發(fā)新型陶瓷工業(yè)窯爐設(shè)備，是我國乃至國際上陶瓷工業(yè)窯爐的研究方向。

3結(jié)語

目前發(fā)泡陶瓷隧道窯二層、三層裝載方式已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中，產(chǎn)品優(yōu)等品率更是達到100%，產(chǎn)品能耗也得到了進一步降低，處于行業(yè)領(lǐng)先地位；四層發(fā)泡陶瓷裝載方式也在研發(fā)當(dāng)中，在產(chǎn)能和能耗方面對發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)進行升產(chǎn)降耗，使窯爐能耗大幅度降低，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品競爭力，響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號召。

在窯爐節(jié)能和技術(shù)創(chuàng)新方面，我們將不斷研發(fā)推出新技術(shù)，新產(chǎn)品與之配套的新裝備，堅持自主創(chuàng)新，并積極強化與陶瓷產(chǎn)區(qū)的學(xué)習(xí)、交流與合作，加快自身的技術(shù)升級， 促使發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)更快，更好的發(fā)展。

參考文獻

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