李 萍 曾令可 吳細桂 閻常峰 程小蘇 王 慧 李彥斌

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2.華南理工大學，廣東廣州 510640；3.廣東新明珠陶瓷集團，廣東佛山 528318）

0 建筑陶瓷的能耗現(xiàn)狀

目前，在我國經(jīng)濟快速發(fā)展，能源相對缺乏的情況下降低能耗提高經(jīng)濟效益已成為任何企業(yè)的首要任務，特別是能源消耗大戶——陶瓷企業(yè)更是如此。我國建筑陶瓷產(chǎn)量在世界上遙遙領先，但總體上存在產(chǎn)品檔次低、能耗高、資源消耗大、綜合利用率低、生產(chǎn)效率低等問題。

廣東地區(qū)建筑陶瓷企業(yè)能源消耗主要以原煤、電力、柴油等為主。其中原煤是通過煤氣發(fā)生爐加工轉(zhuǎn)換為煤轉(zhuǎn)氣，作為窯爐燃料，小部分原煤加工為水煤漿，用于噴霧塔噴霧造粒；電力主要消耗在球磨、球釉、成型、磨邊、拋光等生產(chǎn)環(huán)節(jié)；柴油主要消耗在發(fā)電機與運輸裝置等。能源結(jié)構(gòu)見表1。

建筑陶瓷企業(yè)的主要用能設備包括：球磨機、噴霧干燥塔、壓機、窯爐、風機、磨邊機、拋光機等。其中窯爐是最關鍵的熱工設備，也是耗能最大的設備，占總能耗的60%以上。而電力的消耗主要以球磨機、壓機、窯爐、風機、磨邊機、拋光機等設備為主，另外還包括辦公及生活用電。單位產(chǎn)品能耗情況見表2。

1 企業(yè)用能存在的問題

1.1 管理上的問題

（1）能源管理制度尚不健全，相關配套機制也有待進一步完善，專門人員尚未配備，由相關部門或人員代管的現(xiàn)象較為普遍。

（2）在能源計量系統(tǒng)管理方面，能源計量器具尚不到位，對各工序及主要動力設備的計量器具配置及校驗相對較弱，存在一定的缺陷。油、氣、電的三級計量儀表配置不完善，尚未建立齊全的計量器具檔案。

（3）能源管理方面落實不到位，工作細致化程度不夠，節(jié)能監(jiān)測工作力度不夠，員工節(jié)能意識不足。一些企業(yè)節(jié)能監(jiān)測工作開展不夠及時，不能及時掌握主要耗能設備的能源消耗和能源利用率，對生產(chǎn)工藝的用能狀況以及整個企業(yè)能源利用效率的狀況不明。在車間能源管理上比較薄弱，在落實節(jié)能降耗措施上方法顯得有點單一，執(zhí)行力度不強，節(jié)能措施實施效果并不明顯。

表1 能源結(jié)構(gòu)Tab.1 Energy structure

表2 單位產(chǎn)品能耗Tab.2 The energy consumption per unit products

1.2 設備上的問題

不少企業(yè)部分設備比較陳舊，更新周期較長，多數(shù)舊設備能耗比較高。設備的保養(yǎng)、維護、潤滑不到位，致使設備的有效利用率較低。建筑陶瓷企業(yè)的風機、壓機、球磨機等都是大功率設備，啟動負載功率大，電流大，輕載、重載變化頻率高，耗電較大。而多數(shù)企業(yè)并未對這些設備進行一些相應的節(jié)能技改措施以減少耗電量。另外，一些功耗大，效率低設備的輔助節(jié)能設備也需要進一步加強配備。

1.3 工藝技術上的問題

（1）噴霧造粒中料漿含水率偏高。很多企業(yè)料漿含水率在34～35%，水份含量較高，使得料漿水份汽化用熱比較高，造成噴霧塔能耗較高。

（2）多數(shù)企業(yè)的窯爐熱效率不高，窯體散熱大，使得窯爐用能中有相當部分能源以窯爐冷卻風余熱、窯爐尾氣余熱、窯爐墻體散熱等形式浪費掉，同時造成了環(huán)境的熱污染。因此，窯爐的余熱、余能的綜合利用還有待加強。

（3）煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的爐渣及原煤中的粉煤沒有充分利用。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的爐渣含煤量在14～20%，熱值達600～800kcal/kg。同時，原煤夾雜及破碎過程中產(chǎn)生的大約10%粉煤不能用于煤氣發(fā)生爐，部分企業(yè)用于制備水煤漿，大部分企業(yè)未利用，浪費比較大。企業(yè)基本未對這些能源尤其是爐渣進行有效利用，造成較大的浪費。

2 從工序談建筑陶瓷的節(jié)能技術

建筑陶瓷典型的工藝流程如下：選擇原料→坯體配料→球磨→噴霧干燥制粉→壓制成型→半成品烘干→一次燒成（素燒）→噴水→淋底釉→淋面釉→印花→二次燒成（釉燒）→濕法磨邊→干燥→分級→包裝。

在建筑陶瓷生產(chǎn)工藝流程中，能源主要消耗在噴霧干燥制粉、半成品烘干和輥道窯燒成（包括素燒和釉燒）等環(huán)節(jié)，占總能耗的70～80%，因此提高這三個環(huán)節(jié)的能源利用效率是建筑陶瓷生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能的主要途徑，其中以輥道窯燒成環(huán)節(jié)的節(jié)能最為關鍵。下面從工序談談建筑陶瓷的節(jié)能技術。

（1）選擇原料

原材料是建筑陶瓷生產(chǎn)的重要基礎，對于規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)，要求原料性能滿足生產(chǎn)需要，質(zhì)量穩(wěn)定，價格適宜。因而，對原料來源、開采加工提出了新的技術要求。

研究開發(fā)新原料和低溫快燒新技術，擴大原料來源，降低運輸成本，實現(xiàn)節(jié)能。

采用專業(yè)化生產(chǎn)、商品化供應，同時發(fā)展淘洗、分選、預均化處理、高效破碎、變速球磨、高效除鐵等技術裝備。

實行原料的標準化，把原料的物理化學性能長期穩(wěn)定在一個比較小的范圍內(nèi)，穩(wěn)定供應，提高成品率。

（2）球磨

球磨機采用壽命長，球磨機負荷小，有效容積大，裝料多的內(nèi)襯。

選用高效減水劑，提高球磨效率。泥漿水分降低使原料的比例和球磨機內(nèi)的有效空間增大，提高球磨效率，同時噴霧干燥塔的產(chǎn)量也得到大幅度提高。

制定合理的料、球、水比例和球石的級配。

采用變頻技術，起動電流可比原先小3～5 倍，實現(xiàn)真正的軟起動，消除起動時的沖擊，延長機軸、齒輪、皮帶等機械零件的使用壽命，減少維修費用，同時可方便地設定研磨時間，加磨時間和自動停機功能，使操作更加智能化，人性化。

采用連續(xù)球磨機，球磨時給排料完全自動化，不需要停機，易制濃漿，使后面的噴霧干燥過程節(jié)約能量，可節(jié)省能耗10～35%。

（3）噴霧干燥制粉

降低泥漿水分，在優(yōu)化工藝配方的同時，優(yōu)化減水劑的種類與比例。

合理利用回收的微細粉，將旋風收塵器收集下來的微細粉與噴霧干燥塔制得粉料用皮帶輸送到料倉，達到混合均勻的目的，而不是將微細粉丟棄或重新制漿。

采用干法造粒，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球磨和噴霧干燥制粉兩道工序，可節(jié)約燃料70～80%，節(jié)水70～75%，節(jié)電30～50%。但由于干粉中含鐵較高，干粉流動性能較差，制備出的產(chǎn)品性能不如傳統(tǒng)工藝的，因此，還需要改進工藝。

（4）壓制成型

采用大噸位、節(jié)能型壓機。大噸位壓機壓力高，壓制的磚坯質(zhì)量好、合格率高，在同等產(chǎn)量的條件下，耗電少，節(jié)能效果明顯。

在布料系統(tǒng)中采用變頻網(wǎng)絡技術，便于操作管理人員更好了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設備的運行狀態(tài)，達到優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)、縮短故障檢測排除時間、減少勞動強度、提高生產(chǎn)勞動效率的效果。不僅可以節(jié)電，同時減少廢料的產(chǎn)生。

（5）半成品烘干

采用多層干燥技術，可提高熱利用率，并減少占地面積，提高生產(chǎn)規(guī)模。

采用強制對流快速干燥技術，將熱風通過吹風管對磚坯上、下表面垂直噴射，實現(xiàn)磚坯的強制對流干燥，同時保證磚坯的均勻受熱，均勻干燥，溫度均勻。

采用余熱循環(huán)利用技術，使熱風在設備內(nèi)反復循環(huán)，保持恒溫、恒濕、定量小排放，充分利用能源，減少排放，實現(xiàn)磚坯快速干燥。

（6）燒成工藝

采用一次燒成工藝，與二次燒成相比，一次燒成的能耗要小得多，但由于一次燒成對坯體的成分和釉的要求都很高，該工藝采用低溫快燒工藝，不但可以增加產(chǎn)量，節(jié)約能耗,，而且還可以降低成本。

采用預燒結(jié)技術，當壓制成形后，坯體不經(jīng)過干燥工序，而直接快速干燥與預燒結(jié)，其最高溫度在900℃左右，這一階段瓷坯沒有燒結(jié)完全，但已有足夠的硬度和強度來完成施釉等工序，最終坯、釉的燒結(jié)一起完成，僅需10～15min。這一工藝可用相對低廉的原材料，可總體節(jié)約制造過程中40%的能。

（7）施釉

選擇先進設備，減少釉料損失。在施釉的整個過程中，一般有15～20%的損失，大多數(shù)難以回收，應采取措施加以回收利用。

表3 典型陶瓷輥道窯的熱平衡表Tab.3 Heat balance of a typical ceramic roller hearth kiln

采用噴墨打印技術，該技術能逼真地表現(xiàn)所選素材的肌理與顏色，呈現(xiàn)瓷磚立體造面的設計效果，并能在較短時間內(nèi)達到消費者個性化的審美需求，大大縮短生產(chǎn)周期。

（8）濕法磨邊

采用半干磨免干燥技術，通過對磨邊線水噴頭及磨頭隔水改造，使磚坯在削磨過程中大大減少水的吸入量，直接包裝進倉，無須進行后面的干燥處理。

（9）其它節(jié)能技術

加強產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高自主創(chuàng)新能力，增加產(chǎn)品附加值。

通過優(yōu)化設計，縮短配電線路，選擇合適截面的導線以及配置合理的配電設備等以降低配電損耗。安裝電力電容器，提高功率因數(shù)。

積極推動綠色照明工程的實施，積極推廣采用高壓鈉燈、熒光燈等新型節(jié)能燈具。優(yōu)化廠房的采光設計，充分利用自然光達到照明節(jié)能。

加強企業(yè)節(jié)能管理工作，制定節(jié)能獎懲制度。

建立能源管理中心。

3 從熱平衡看陶瓷輥道窯的節(jié)能技術和途徑

自上世紀80 年代初輥道窯投入我國陶瓷工業(yè)使用以來，由于輥道窯截面小、窯內(nèi)溫度均勻、快速燒成、產(chǎn)量大、能耗低、機械化自動化程度高等優(yōu)點，各個陶瓷企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都有了大幅度的提高并顯著降低了能耗。特別是近年來寬斷面輥道窯的使用、發(fā)展，使得陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量又進一步大大提高。

表3 為筆者開發(fā)的陶瓷輥道窯熱平衡計算分析系統(tǒng)生成的一個典型陶瓷輥道窯的熱平衡表。

輥道窯的節(jié)能就是在保證產(chǎn)量和質(zhì)量前提下減少燃料燃燒熱。下面就從熱平衡表談談陶瓷輥道窯的節(jié)能技術和途徑。

3.1 燃料燃燒熱

（1）提高燃料的燃燒效率

采用清潔燃料，即有利于提高燃燒效率，又有利于減少有害氣體排放。

根據(jù)不同的燃料種類，采用先進高效的燃燒裝置。

合理設計窯爐墻磚的結(jié)構(gòu)。

（2）提高燃燒熱的傳熱效率

優(yōu)化設計窯爐的結(jié)構(gòu)，特別是窯爐的窯頂結(jié)構(gòu)。

采用多功能涂層材料，將其涂在窯壁耐火材料上，提高材料的輻射率，在增加窯爐內(nèi)傳熱效率的同時，還可提高陶瓷纖維抗粉化能力。

3.2 入窯物料帶入顯熱

入窯物料包括燃料、助燃風、生坯、急冷風、緩冷風、冷卻風。它們帶入的顯熱所占比例很小。要增加這部分熱收入，有以下途徑：

（1）提高助燃風的溫度。以回收的煙氣帶出顯熱和抽熱風帶出顯熱作為熱源。

（2）提高燃料的溫度。以回收的煙氣帶出顯熱和抽熱風帶出顯熱作為熱源。

（3）提高生坯的入窯溫度。生坯在入窯前要進行干燥，應當盡可能減少從干燥窯到燒成窯途中的熱量散失。

（4）急冷風、緩冷風、冷卻風目的都是冷卻，沒有必要提高它們的溫度來增加它們帶入的顯熱。

3.3 產(chǎn)品帶出顯熱

產(chǎn)品從冷卻帶出來后，溫度都比環(huán)境溫度高，帶出的這部分顯熱將散熱到環(huán)境中，所以，應盡可能降低產(chǎn)品出窯溫度來減少產(chǎn)品帶出的顯熱。

3.4 坯體水分蒸發(fā)和加熱水蒸氣耗熱

該項熱支出是由入窯生坯的含水量和入窯溫度決定的。

（1）降低生坯的含水量。

（2）提高生坯的入窯溫度。

3.5 坯體燒成過程分解黏土耗熱

這項熱支出是由坯體的原料、配方及工藝條件來決定的，在工藝配方確定的情況下，這項熱支出是不變的。

（1）采用超低溫配方燒成，實現(xiàn)低溫快燒。據(jù)文獻，若燒成溫度降低100℃，則單位產(chǎn)品熱耗可降低10%以上，燒成時間縮短10%，產(chǎn)量增加10%，節(jié)約生產(chǎn)成本。

（2）采用瓷磚薄型化技術，可大大降低產(chǎn)品單位面積熱耗，同時節(jié)省大量的礦物原料。

3.6 抽濕煙氣帶出顯熱

抽濕煙氣主要是燃料和助燃風在窯爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應后被排除的濕煙氣，比較臟，是廢氣處理的主要對象。主要從兩個方面考慮：

（1）減少抽濕煙氣帶出顯熱

選擇單位熱值產(chǎn)生煙氣量較少的燃料。

設計高效燃燒裝置，利用智能控制系統(tǒng)，合理控制空氣系數(shù)，使燃料完全燃燒。對于不同的燃料和不同的陶瓷產(chǎn)品燒成，其空氣系數(shù)有所不同。如果空氣系數(shù)大了，過多的空氣不但增加了煙氣量，還降低了窯內(nèi)煙氣溫度，不利于燒成；空氣系數(shù)小了又造成燃料不完全燃燒，降低燃燒溫度，生成的炭粒和CO 污染制品。

可以部分或全部利用濕煙氣于輥道式干燥窯，濕煙氣即可降低干燥窯頭坯體干燥速度，減少開裂炸磚等缺陷，又可充分利用濕煙氣中的余熱，節(jié)能降耗。

采用富氧燃燒技術，減少助燃風中的無用氣體。一般，空氣中含有的約79%體積的非燃燒反應氣體N2，將煙氣中的一大部分被排出。

（2）回收抽濕煙氣帶出顯熱

采用熱交換器，將抽濕煙氣大部分顯熱交換出來給空氣，作為窯爐的助燃風或用于干燥坯體等。因為抽濕煙氣含氧量不高，含有水分和一些有機雜質(zhì)，所以，通過熱交換器來換熱。

采用熱交換器，將顯熱交換出來給其它安全工質(zhì)，作為其它能源之用。

通過保溫管道送到噴霧干燥塔的熱風爐，用于補充熱量以滿足噴霧干燥塔所需溫度，制備坯體粉料。

采用余熱發(fā)電技術回收利用。可把同車間或附近的幾條窯的廢煙氣匯合后用于余熱發(fā)電系統(tǒng)進行余熱發(fā)電。

3.7 抽熱風帶出顯熱

抽熱風主要是急冷風和冷卻風吸收熱后被排除的風，比較干凈，是很好的余熱利用資源。也從兩個方面考慮：

（1）減少抽熱風帶出顯熱

在燒成制度不變的情況下，產(chǎn)品由燒成區(qū)出來后，產(chǎn)品帶出的顯熱是不變的，這部分顯熱將轉(zhuǎn)換為抽熱風帶出顯熱、冷卻帶的窯體表面散熱和產(chǎn)品帶出顯熱，如果冷卻帶的窯體保溫性能不變，則抽熱風帶出顯熱和產(chǎn)品帶出顯熱的總和是不變的。所以，在這種情況下，要同時減少抽熱風帶出顯熱和產(chǎn)品帶出顯熱是不可能。因此，最好的方法是盡可能減少產(chǎn)品帶出顯熱，適當增加抽熱風帶出顯熱，然后回收利用抽熱風帶出顯熱。

（2）回收抽熱風帶出顯熱

直接利用作為窯爐的助燃風或用于干燥窯干燥坯體等。因為抽熱風含氧量很高，比較干凈。

在窯爐的助燃風和干燥坯體都用不完這部分顯熱的情況下，可以考慮將剩余的抽熱風與抽濕煙氣混合送入噴霧干燥塔的熱風爐，用于制備坯體粉料。

采用余熱發(fā)電技術回收利用。

由于陶瓷的燒成制度比較嚴格，在回收利用抽濕煙氣帶出顯熱和抽熱風顯熱的時候，不能影響窯爐的燒成制度和壓力制度，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，要采用智能控制系統(tǒng)來回收利用這部分顯熱。

3.8 化學不完全燃燒熱損失

（1）采用清潔燃料，即有利于提高燃燒效率，又有利于減少有害氣體排放。

（2）根據(jù)不同的燃料種類，采用先進高效的燃燒裝置。如采用二次預混合燒嘴，節(jié)能可達10%左右

（3）合理設計窯爐槍磚的結(jié)構(gòu)。

3.9 窯體表面散熱

（1）優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)，減少窯壁散熱。

（2）合理地選用低蓄熱、容重小、強度高、隔熱性能好的耐火材料作為窯體的砌筑材料。

（3）在窯內(nèi)壁噴涂新型紅外熱輻射涂料。

（4）當窯體表面溫度較高時，可以采用熱電材料或低溫余熱發(fā)電技術將這部分散熱回收利用。

4 結(jié)束語

建筑陶瓷是我國建材工業(yè)的重要組成部分，隨著我國居民收入水平的提高和人均居住面積的增加，對建筑陶瓷的需求十分旺盛。我國建陶行業(yè)發(fā)展應圍繞綠色制造、節(jié)能減排的重大需求，開展原料標準化、生產(chǎn)裝備技術更新、新產(chǎn)品研究與開發(fā)方等技術攻關，大力開發(fā)節(jié)能型、環(huán)境友好型產(chǎn)品、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，從而推動我國建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。在建筑陶瓷生產(chǎn)過程中，應大力推進建筑陶瓷行業(yè)節(jié)能減排工作，調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大技術創(chuàng)新力度，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的經(jīng)濟發(fā)展方式。在建筑陶瓷消費過程中，應鼓勵消費者選擇低能耗、環(huán)保型的產(chǎn)品，倡導低碳生活方式。

1 曾令可,李萍,劉艷春.陶瓷窯爐實用技術.北京:中國建材工業(yè)出版社,2010.4

2 曾令可,鄧偉強.廣東省陶瓷行業(yè)的能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施.佛山陶瓷,2006(2):1～4

3 李萍,閻常峰,曾令可等.燃氣燃燒計算分析系統(tǒng)的設計.工業(yè)爐,2012,34(2):37～40

4 李萍,曾令可,閻常峰等.陶瓷輥道窯熱平衡測定與計算方法的若干問題探討.陶瓷,2012(1):31～33

5 李萍,曾令可,程小蘇等.預混式二次燃燒系統(tǒng)的節(jié)能減排效果.中國陶瓷工業(yè),2010,17(4):42～46