陶瓷生態工業園的陶瓷生產過程能量集成分析

宮小龍 梁華銀 馮 青 陸 琳 嚴景華

（景德鎮陶瓷學院材料工程學院，景德鎮：333403）

1 前言

國家稅務局于2007年6月19日頒發了《關于調低部分商品出口退稅的通知》，該通知主要是針對“兩高一資”--高能耗、高污染、資源型產品，陶瓷行業正屬于該范疇。陶瓷大部分商品的出口退稅率降至5%，這不僅意味著陶瓷行業的利潤減少了，而且意味著陶瓷行業成為國家嚴格控制的對象。加上原材料、燃料價格的上漲，生產成本的增加，這對陶瓷行業無疑是一個重大的挑戰。

陶瓷行業是礦產資源消耗量大、能耗高、污染比較大的行業，在帶來巨大經濟效益的同時，也帶來了嚴重的環境問題[1-2]。循環經濟發展模式可引導我國工業由“高資源消耗、高污染排放、低經濟效益”的“兩高一低”發展模式向“低資源消耗、低環境污染、高經濟效益”的“兩低一高”模式轉變。走陶瓷生態工業園區之路是循環經濟的發展形式，通過園區內企業間物質流通和能量傳遞實現工業園區內物質集成和能量集成，是提高工業園區內能源效率和減少污染物排放的有效途徑，對于我國陶瓷工業的可持續發展、構建資源節約型和環境友好型和諧社會具有十分重要的意義。

2 陶瓷生態工業園能量集成

2.1 生態工業園物流與能流的共生耦合資源化模式

生態工業園是依據循環經濟理念和工業生態學原理而規劃建設的新型工業園[3]。它通過物流和能流傳遞等方式將不同生產單元連接起來形成共享資源,即互換物質和能量的產業共生耦合，使一個生產單元的廢棄物或副產品成為另一個生產單元的原料或能源，模擬自然生態系統，在產業系統中建立“生產者-消費者-分解者”的循環途徑，尋求物質閉環循環、能量多級利用和廢物產生最小化的資源化模式。生態工業園層面的能量集成是基于對整個園區內能量供求關系進行分析，從全局觀點出發，進行能量的有效匹配，合理利用能量，并對環境影響最小。實質上是實現對工業園區內能量的有效利用，不僅是企業提高清潔生產技術水平，有效利用每個生產單元的能量，更要著眼能源的總體優化利用，即一個生產單元多余的能量作為另一單元的熱源而加以利用。研究表明，根據能量品位逐級利用的原則提高能源利用效率，通過能量集成，園區總能耗甚至可能減少50%以上[4]。

2.2 陶瓷生態工業園余熱利用模式

生態工業園內各生產單元在生產過程中由各種熱能轉換設備、用能設備組成，余熱資源很大。例如園區窯爐余熱占窯爐燃料消耗的比例在70%左右,不同窯型該值有所不同，如燃燒水煤氣的輥道窯，除了窯爐散熱、產品的水分蒸發和燒結等必須消耗以外，大約有70%的能量是通過排煙和產品出窯時帶走的。以一條每小時耗標煤1400kg的氣燒輥道窯為例，進入窯爐的總能量約為41×106kg/h，產生的余熱則有28.7×106kg/h，可見其余熱量之大，因此余熱利用具有非常大的經濟與社會效益。因此在分析園區內各生產單元余熱潛力的基礎上，進一步實施余熱回收，根據不同產品、工藝的用能質量需求，規劃和設計余熱能源梯級利用流程，可使能源在產業鏈中得到充分利用，減少園區污染物的排放，提高余熱能源利用率。由熱力學原理可知，余熱利用分為余熱焓的利用、余熱熵的利用和余熱的全利用。余熱產蒸汽是余熱焓的利用；余熱發電是余熱熵的利用-回收余熱的可用能，使其轉化為電能[5]。生態工業園能量集成應綜合考慮余熱資源的量和能級梯度情況，余熱利用應盡可能提高有效利用程度，利用余熱產蒸汽和余熱發電以及余熱的全利用方式來實現園區內能源利用的最大化。

3 陶瓷生態工業園內余熱利用潛力分析示例及資源化途徑

生態工業園是工業生產單元聚集體，生態工業園余熱利用是在園區內生產單元層面上探討余熱資源利用。陶瓷工業生產單元的余熱資源主要是燒成工藝過程（有的包括干燥工藝過程）中的反應熱，陶瓷工業是我國的主要耗能產業，而目前我國陶瓷工業的能源利用率與先進國家相比，還存在很大的差距，發達國家的能源利用率一般高達50%以上，美國達到57%，而我國僅為30%左右[6-7]，因此在節能降耗方面具有非常大的潛力。

陶瓷生產過程中產生的大量余熱可回收利用，現以幾個余熱利用項目為例，分析其余熱利用潛力及資源化途徑。

3.1 天津某衛生潔具公司隧道窯余熱利用

改造前的衛生潔具隧道窯結構為（見圖1及其中細綠實線）：冷卻帶急冷后為16-24區共9個區，16-23區窯墻上下部設有攪拌冷風，下部設有抽熱風口，24區為鐘罩式排熱區，16-23區抽出的熱風送入釉面干燥間作干燥介質，24區熱風由鐘罩式自然抽出口排出屋外，窯頭排氣風機余熱被利用到3＃熱風爐，提高熱風爐能量利用效率，供熱風給成型車間。

根據熱力學原理，依據能量守恒對該窯爐進行整體熱平衡計算。平衡分析得出：該隧道窯雖然考慮了部分余熱利用，但抽出余熱風量較少，且抽出熱風含有未完全燃燒有害的剌鼻性氣體,說明余熱利用效率不高，余熱利用結構形式上存在不平衡、不合理問題。

結構按理論計算分析與工廠熱平衡實際情況，進行了余熱利用改造。改造后結構為（見圖1及其中粗粉色實線）：16-19區窯墻上改為間壁冷卻，該區域的交換干凈熱風由新增一臺抽熱風機輸送到成型車間作干燥介質。20-23區窯墻上下部同樣設有攪拌冷風，窯墻上下部設有抽熱風口，該區域的抽出熱風一部分繼續送到釉面干燥間作干燥介質，一部分送到成型車間作干燥介質，24區的鐘罩排熱區的熱風由軸流風機送入辦公區域作冬天供暖使用。

通過對該窯爐整體熱平衡分析計算并結合工廠實際改造，余熱利用效果顯著：①增加了成型車間的干燥介質，在冬季不是很冷的天氣可使成型車間右上處的1＃熱風爐全閉，即使很冷的天氣，也使其開的很小，在完全不改變成型車間工藝條件的情況下，節節能效果相當顯著；②經過間壁熱交換后，優化了余熱利用結構，改造后再次檢測無未完全燃燒的有害剌鼻氣體；③解決了辦公區域的冬天取暖問題。

3.2 佛山某建筑陶瓷公司輥道窯余熱利用于清潔生產

輥道窯除了窯爐散熱、產品水分蒸發和燒結等必須消耗以外，大約有70%的能量是通過排煙和產品出窯時帶走的，可見其余熱資源很大。余熱利用宗旨就是把輥道窯爐煙氣和產品冷卻的熱風收集起來，用于噴霧塔干燥粉料。為了使窯爐余熱得到回收循環利用，實現陶瓷企業生產環保且低能耗的平衡，使用了國家日用及建筑陶瓷工程技術研究中心熱能工程研究室自主開發的管屏式余熱節能裝置 (專利號：20072000785.x)--窯爐供余熱至噴霧塔干燥粉料裝置，解決了以往該處余熱利用出現的壓力、溫度穩定性以及可控性的問題。將窯爐急冷帶和緩冷帶的余熱抽送到噴霧塔干燥粉料（注：通過管屏管道式換熱裝置來實現，見圖2）有效地降低了陶瓷企業的能耗成本、使企業的生產效率得到大幅度提高。

圖1 改造前后示意圖Fig.1 The layout before and after the renovation

由以上兩個典型余熱利用例子可見，陶瓷生態工業園余熱利用方式并不是一成不變的，資源化的有效途徑是盡最大努力通過理論與實踐做好余熱利用潛力分析。從陶瓷生態工業園規劃一開始就從節能環保整體出發進行園區節能系統化、統一化的規劃。衡量一座窯爐是否先進，其重要的指標之一是單位產品的能耗指標。衡量陶瓷工業園區是否能完全、合理地利用能源，則要從整個園區進行考慮。所以，陶瓷生態工業園規劃時，要進行整個園區的熱平衡設計、核算。例如：燒成工序要建多少條窯，窯爐余熱供給干燥后是否足夠或剩余，多余的熱量用于何處，干燥坯體后排出的廢氣余熱是否能利用等，都要認真的考慮，要有一整套的全區熱平衡數據。單從陶瓷生產線看，如果我們能夠從噴霧塔干燥、窯爐燒成供入的燃料所產生的熱能開始，從窯爐-坯體干燥-粉料干燥-廠區暖通或制冷-發電等，逐級利用熱能，就能做到高效的利用能源。

4 結語

陶瓷生態工業園按照物流與能流的共生耦合資源化模式實施余熱回收利用，避免能量在數量和質量上的損耗，實行按質梯級用能，提高能源利用效率，對園區節能減排工作具有極大的推動作用。陶瓷生態工業園余熱利用既保護了生態環境，具有良好的社會效益,同時又可產生一定的經濟效益，其綜合利用前景可觀。因此在生態工業園的建設中，要注重園區內企業節能潛力分析，加強節能技術和節能工藝創新，積極推進余熱利用工程的實施。

1王繼杰,李旭.中國陶瓷產業與環境保護的協調性發展.中國陶瓷,2006,42(10):3～6

2譚紹祥,譚漢杰.廣東陶瓷行業節能和發展循環經濟的現狀問題與對策.陶瓷,2007,(4):7～13

3羅宏,孟偉,冉圣宏.生態工業園-理論與實證.北京:化學工業出版社,2004

4李素芹,蒼大強,李宏.工業生態學.北京:冶金工業出版社, 2007

5劉興家.節能與環境保護.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2001

6曾令可,鄧偉強等.陶瓷工業能耗的現狀及節能技術措施.陶瓷學報,2006,27(3):109～115

7劉志國.世界能源形勢與建筑陶瓷工業的發展.佛山陶瓷, 2004,(9):30～31