麥榮堅 黃玲艷 王賢超

(1 蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528211)

(2 廣東省大尺寸陶瓷薄板企業(yè)重點實驗室 廣東 佛山 528211)

隨著全球氣候變化和環(huán)境污染日益加重,碳達峰、碳中和已成為世界各國的共同目標。2020年,我國向世界作出“將力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和”的雙碳目標承諾,其中陶瓷行業(yè)企業(yè)在其中扮演著至關(guān)重要的角色,因為它們具有能源、資源消耗高的特點,相關(guān)數(shù)據(jù)報告,2021年我國建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)二氧化碳排放量1.4億～2億t,占全國總排放量的1.5%～2%。因此,如何實現(xiàn)陶瓷行業(yè)企業(yè)的“碳達峰、碳中和”已經(jīng)成為一個緊迫的問題。筆者將從技術(shù)、政策和管理等3個方面出發(fā),淺析陶瓷行業(yè)企業(yè)在“碳達峰、碳中和”背景下的應(yīng)對策略。

1 陶瓷行業(yè)典型碳排放源及核算方法

1.1 陶瓷行業(yè)典型碳排放源

陶瓷行業(yè)是一個傳統(tǒng)而重要的工業(yè)領(lǐng)域,但整個產(chǎn)品的生命周期中存在著大量的碳排放。接下來將從陶瓷原料、能源采集運輸階段、陶瓷生產(chǎn)制造階段以及陶瓷產(chǎn)品利用和廢棄階段這3大主要碳排放源對陶瓷行業(yè)的典型碳排放源進行綜合分析(見圖1)。

圖1 陶瓷產(chǎn)品碳足跡邊界圖

1.1.1 陶瓷原料、能源生產(chǎn)和運輸階段

陶瓷原料采集運輸階段的典型碳排放源主要包含以下3個方面:

(1)陶瓷原料和能源生產(chǎn):礦石、能源的開采需要使用重型機械和爆破等設(shè)備,這些設(shè)備的使用消耗大量能源,導(dǎo)致碳排放。

(2)運輸與物流:運輸和物流過程中,通常使用柴油或汽油驅(qū)動的運輸工具,這些運輸工具的燃燒產(chǎn)生大量的碳排放。

(3)原材料處理:原材料在加工過程中需要進行破碎、研磨、篩分等處理,這些過程中使用的機械設(shè)備耗能較高,也會產(chǎn)生碳排放。陶瓷原料采集運輸階段的碳排放產(chǎn)生源如圖2所示。

圖2 陶瓷原料采集運輸階段碳排放示意圖

1.1.2 陶瓷生產(chǎn)制造階段

在陶瓷制品的生產(chǎn)制造過程中,會產(chǎn)生大量的碳排放,在整個碳足跡階段對碳排放貢獻最大,占比81.23%[1]。生產(chǎn)過程中主要的是能源消耗,燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳是主要的碳排放物。最典型的是陶瓷生產(chǎn)過程中工業(yè)爐窯和噴霧干燥塔的燃料燃燒碳排放。其中陶瓷行業(yè)中輥道窯、隧道窯是常用的連續(xù)式燒成設(shè)備,它們在燒結(jié)和干燥陶瓷制品的過程中產(chǎn)生大量的碳排放,是主要的碳排放設(shè)備。窯爐燃燒過程中的燃料選擇和燃燒效率對碳排放量有著重要影響。因此,目前部分大型陶瓷生產(chǎn)企業(yè)逐步開展窯爐技術(shù)的升級改造工作,通過提高余熱利用、改變?nèi)剂鲜褂玫念愋汀⒚焊碾姷榷囗椗e措來進一步減少工業(yè)窯爐的碳排放。

此外,陶瓷生產(chǎn)過程中常用的釉料和坯料,其在生產(chǎn)、調(diào)配也會消耗能源,以及燒制過程中因含有碳酸鹽成分,在高溫下發(fā)生分解,進而形成碳排放。陶瓷在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生廢棄物,如廢氣、廢水和固體廢棄物等,這些廢棄物的處置處理過程中同樣也會產(chǎn)生一定的碳排放。陶瓷生產(chǎn)制造階段的碳排放產(chǎn)生源,如圖3所示。

圖3 陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段主要碳排放示意圖

陶瓷產(chǎn)品使用和廢棄階段陶瓷制品廣泛用于修飾墻面、地面等,是人民生活常用的裝飾裝修材料,在整個使用鋪貼過程產(chǎn)生的碳排放可以忽略;隨著時間推移,建筑物的陶瓷制品在拆除和更新?lián)Q代過程中產(chǎn)生的陶瓷廢棄物作為建筑廢料常規(guī)是簡單地填埋和拋棄,這樣對生態(tài)環(huán)境帶來很大影響,處置過程中也產(chǎn)生一定的碳排放。

1.2 陶瓷行業(yè)碳排放量核算方法

陶瓷行業(yè)的碳排放量核算方法主要依據(jù)《中國陶瓷生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》(試行)進行核算[2]。

陶瓷生產(chǎn)企業(yè)碳排放總量按公式(1)計算:

式中:E總——核算期內(nèi)陶瓷企業(yè)CO2排放總量,t CO2;

E燃燒——核算期內(nèi)陶瓷企業(yè)化石燃料燃燒活動產(chǎn)生的CO2排放量;

E工業(yè)——核算期內(nèi)陶瓷企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2排放量,t CO2;

E電力——核算期內(nèi)陶瓷企業(yè)凈購入生產(chǎn)用電蘊含的CO2排放量,t CO2。

目前陶瓷企業(yè)碳排放計算的來源主要為化石燃料燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過程排放和凈購入使用電力排放。不同企業(yè)碳排水水平可按照式(2)直接計算其所對應(yīng)的碳排水水平。

式中:e——單位產(chǎn)品碳排放量,kg CO2/m2;

E——企業(yè)年碳排放量,kg CO2;

Q——企業(yè)年產(chǎn)量,m2。

2 陶瓷行業(yè)碳減排路徑

作為典型的“兩高”行業(yè),陶瓷行業(yè)碳減排技術(shù)主要集中從陶瓷生產(chǎn)制造階段的技術(shù)升級改造以及能源種類改變和能效提高等方面來開展陶瓷行業(yè)的碳減排工作,從而推進陶瓷行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型,持續(xù)提高行業(yè)能效水平。結(jié)合筆者多年在陶瓷行業(yè)的經(jīng)驗,從能源調(diào)整、窯爐技術(shù)、低能耗快燒技術(shù)、余熱回用、陶瓷薄型化技術(shù)、數(shù)智化管理這6個主要方面,對陶瓷行業(yè)碳減排技術(shù)進行綜合分析。

2.1 能源調(diào)整

目前陶瓷生產(chǎn)過程中需要的能源主要是煤、天然氣、電力等,面對雙碳目標的壓力,能源消費結(jié)構(gòu)要逐步轉(zhuǎn)向使用天然氣等清潔能源。根據(jù)溫室氣體排放核算中表2.1化石燃料品種相關(guān)參數(shù)缺省值單位熱值含碳量比較,煤炭的單位熱值含碳量(以煙煤計25.6 tc/TJ)高于天然氣(15.3 tc/TJ)[5],采用天然氣代替煤炭,理論可減排二氧化碳接近40%,因此企業(yè)應(yīng)以高碳能源為主向低碳能源類型轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)碳減排。同時,要不斷加大綠色能源的使用比例,減少對化石能源的依賴。采用零碳燃料替換原有的化石燃料是最有效的、最直接、最根本的碳減排方式,目前有工業(yè)應(yīng)用潛力的零碳燃料有氫和氨。

據(jù)報道,第39屆(博洛尼亞)國際陶瓷衛(wèi)浴展中,展示了最新的氫能窯爐技術(shù)、氫和天然氣混燒技術(shù)等,還有氨氣-天然氣混燃的低碳甚至零碳窯爐。《中國建材報》報道2022年11月,由仙湖實驗室主導(dǎo)的世界首塊零碳氨燃料燒制的建筑陶瓷磚問世,取得零碳燃料燒制建筑瓷磚“零的突破”。

2.2 窯爐技術(shù)

窯爐是陶瓷燒制過程中用到的最大能耗設(shè)備,通過改進窯爐能夠有效降低能源的消耗,從而實現(xiàn)碳減排。窯爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和產(chǎn)品規(guī)格匹配組合共同影響著窯爐的熱效率[3],就是要在窯爐的長、寬、高上做到合理,實現(xiàn)溫度場和速度場的均勻分布,同時和燃燒技術(shù)相結(jié)合,霧化類燃料還可以提高燃燒的效率和整體性能,更好地節(jié)約資源,燃料的高效充分燃燒能夠減少碳排放[4]。

此外,窯爐使用的保溫材料能直接關(guān)乎到能源的實際消耗,性能優(yōu)良的保溫材料可以減少能耗,從而更好地控制能源的消耗。新型保溫材料具有散熱消耗小、蓄熱好的特征,保證燃料能夠高效地燃燒,還能更好的讓窯爐內(nèi)的溫度保持穩(wěn)定,從而提升生產(chǎn)運行的效率,因此新型隔熱材料的開發(fā)與運用同樣對節(jié)能減排有促進作用。多層干燥燒成窯技術(shù)由于其截面小,能在輥道上下同時加熱,且窯內(nèi)溫度分布均勻,其散熱面積相對單層燒成窯小,使其升溫速度快,能夠有效降低碳排放[5]。

2.3 低能耗快燒體系

從體系原料配方工序、成形工序以及燒成工序調(diào)整,如采取中高鋁球石、分段式球磨、降低漿料比重、高效排氣模具,還有采用復(fù)合低溫熔劑原料、助熔劑等進一步優(yōu)化陶瓷原料配方,實現(xiàn)降低燒成溫度、減少燒成周期,達到節(jié)能減排目標。

2.4 余熱回用

陶瓷生產(chǎn)過程中,煙囪排出的煙氣溫度較高,其中有大部分是熱損耗。余溫回收利用的價值很大,因為余溫在能源的消耗總量中比重較大,尤其是工業(yè)窯爐在煙氣排放的過程排煙溫度一般約200℃左右,會排放出很多余熱資源,可以把排煙管中的煙氣加以利用,加熱空氣用于干燥產(chǎn)品坯體,也可以用來預(yù)熱空氣提高助燃效率,充分發(fā)揮燃料高效利用,也可以用來促進鼓風機的運轉(zhuǎn),減少一些動力裝置中的用電消耗,回收利用余溫的方式來達到預(yù)熱機器設(shè)備的方法[6]。

2.5 陶瓷薄型化技術(shù)

在保證陶瓷產(chǎn)品使用性能的基礎(chǔ)上,減少厚度,包含生坯增強劑制備技術(shù)和成品增強增韌技術(shù)。以10 mm 厚度為例,建筑陶瓷厚度每降低1 mm 即10%,每平方米可節(jié)約原料2 kg左右,這樣制造環(huán)節(jié)如原料制備和燒成工序中廢物、廢氣、廢水排放會明顯下降,綜合減少了碳排放量。

2.6 計算機數(shù)字化調(diào)控管理

數(shù)字化管理是企業(yè)碳減排的最基礎(chǔ)的工作,通過對陶瓷生產(chǎn)每個工序的狀況以及產(chǎn)質(zhì)量、能耗、電耗等數(shù)據(jù)動態(tài)可視化監(jiān)管,可為制造管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐,提升設(shè)備利用率,降低生產(chǎn)過程的能源消耗,從而減少碳排放。目前越來越多工廠在陶瓷生產(chǎn)中使用計算機的運行和控制技術(shù),對陶瓷生產(chǎn)全過程進行智能控制,精準控制燃燒工藝技術(shù),能有效地對燒成溫度、空燃比進行管理調(diào)控,實現(xiàn)整體燃燒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級,提高熱能的利用率[7～8]。同時,精準化智能調(diào)控能夠減少生產(chǎn)管理成本,提高陶瓷生產(chǎn)效率,降低陶瓷次品率,進而提高生產(chǎn)陶瓷的綜合效能。

3 展望

隨著國家對“雙碳”政策管理力度不斷加強,陶瓷行業(yè)的碳減排壓力也將不斷上升,陶瓷生產(chǎn)企業(yè)需通過采用先進技術(shù)和工藝設(shè)備挖掘碳減排潛力,降低行業(yè)碳排放量,以實現(xiàn)行業(yè)綠色環(huán)保、節(jié)能減排的“雙碳”目標。