從節能降耗角度談佛山建陶產業升級進展

黃曉琳 蔡嘉莉 鄒海媚 周林

摘 要：本文從原料、工藝、設備、廢料再利用幾個方面，從節能降耗的角度綜合論述了佛山陶瓷產業升級情況，并提出了佛山建筑陶瓷產業形成低投入、低消耗、低排放和高效率的經濟發展方式的展望。

關健詞：陶瓷；節能降耗；產業升級

1 前言

佛山是全國最大的陶瓷裝備制造業基地、陶瓷化工色釉料生產基地、全球最大的陶瓷專業市場群落，有中國建筑衛生陶瓷特色產業基地、中國建筑衛生陶瓷出口基地、中國陶瓷名都之稱。然而，陶瓷行業是一個高能耗、高排放、產能比嚴重失衡的資源消耗型行業。建筑陶瓷的生產工藝一般為：坯體配料→粉料制備→壓制成型→半成品烘干→施釉、燒成→后處理。在生產過程中，噴霧干燥制粉（濕法制粉）、半成品烘干和輥道窯燒成（包括素燒和釉燒）等環節，占生產總能耗的70 ～ 80%。由于生產過程中使用的燃料主要為人工煤氣、重油、柴油，因生產工藝的限制而產生大量的廢氣和粉塵。此外，在注漿成形時會產生固體小顆粒的粉塵；在施釉過程中產生大量廢氣、粉塵等污染物；在窯爐燒成過程中產生大量的SOX、NOX、CO、Pb 及粉塵[1， 2]。另一方面，在某些產品生產過程中，還會產生大量陶瓷廢渣。如拋光廢渣，綜合評估每生產1 m2拋光磚生成超過2.0 kg左右的拋光磚廢渣，若以年產50萬 m2拋光磚的生產線為例，將會產生1000 t左右的拋光磚廢渣[3]。自2008年起，在“騰籠換鳥”政策引導下，佛山陶瓷產業轉型升級，多數高能耗、高污染的陶瓷企業遷到外地或者關閉，陶瓷廠從2000年五百余家縮減成現在只有六十余家。隨著時代發展，我國對陶瓷行業清潔生產提出越來越高的要求。2016年6月，廣東省經信委和環保廳聯合發布了《廣東省關于全面推進綠色清潔生產工作的意見》，提出在“十三五”期間， 實現開展清潔生產審核企業超過1萬家次的目標和許多新的清潔生產工作方式， 推動廣東省清潔生產在“十三五”期間將再上一個新臺階。最近，習近平同志在十九大報告中指出，加快生態文明體制改革，建設美麗中國。深化供給側結構性改革，產業中高端化、綠色化、智能化成為陶瓷產業的必然發展趨勢。為了更好地生存發展，達到環保要求，陶瓷行業一直在發展，不斷探索清潔生產的改進工藝。

下面筆者將通過原料、工藝、設備、廢料再利用幾個方面，從節能降耗的角度綜述佛山陶瓷產業升級情況。

2 原料

2.1 坯體配方

陶瓷生產一般需要長時間高溫燒結，如玻化磚一般采用輥道窯一次快速燒成技術，燒成溫度在1200℃左右，燒成周期為40 ～ 100 min。如果降低燒成溫度或燒成周期，就可以節約大量燃料，同時減少因燃料燃燒產生的廢氣、粉塵。在燒成過程中，熔劑原料富含堿金屬氧化物，在較低溫度下能轉變為液相，進而溶解其他原料，促進莫來石晶體的形成、長大，同時填充坯體顆粒間隙，粘結顆粒，提高致密度和機械性能[4] 。

佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司廖花妹等人研究發現了以珠海泥16%、江西水洗砂27%、羅定石粉37%、膨潤土1.3%、硼鈣石1.4%硅灰石11.1%、透輝石2%、燒滑石2%改性CMC4.2%為低溫快燒瓷質玻化磚坯體配方，通過控制坯體配方中的K、Na含量可以以降低陶瓷玻化磚的燒成溫度，縮短燒成周期[5]。

佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司周子松等人通過比較分別在坯體中引入“K2O - Na2O”二元復合熔劑、“K2O - Na2O - Li2O”三元復合熔劑、“K2O - Na2O - Li2O - B2O3 - CaO - MgO”六元復合熔劑對產品低溫燒成性能的影響，提出采用多元復合熔劑可以解決超低溫建筑陶瓷磚燒成溫度范圍窄，產品容易變形等問題[6]。

2.2 陶瓷添加劑

陶瓷添加劑為在陶瓷生產中，為了滿足環保清潔生產工藝要求及其性能需要而添加的化學試劑的總稱，如坯體增強劑、陶瓷減水劑、潤滑劑等。

黏土為陶瓷生產中的主要原料，近年來優質塑性粘土（如廣東黑泥和白泥）資源日漸枯竭，節能減排，適度減薄或者使用瘠性料粘土是陶瓷發展的必經之路，如此造成其生坯強度和成瓷強度均顯著下降，在輸送和使用過程中，損壞或開裂的幾率大幅增加。選擇高效的坯體增強劑是提高坯體強度的一種重要手段。目前市場上出現的一些增強劑使用起來不同程度影響陶瓷泥漿性能，多數適用于壓制成型的建筑陶瓷產品的生產，對于泥漿性能要求比較高的衛生陶瓷則不適用。廣東東鵬陶瓷股份有限公司朱彥秋等人通過將不同比例的PVA加入坯體中，發現PVA的加入可改善陶瓷干燥強度，同時對磚坯的抗折強度、吸水率、燒后尺寸及變形沒有太大影響[7]。合眾（佛山）化工有限公司謝義鵬等人以醋酸乙烯酯和丙烯酸為原料，通過自由基聚合并經過堿水解制備了一種改性聚乙烯醇共聚物交聯型陶瓷坯體增強劑，以其羥基通過氫鍵結合坯體顆粒，形成網狀結構，從而增加陶瓷坯體強度[8]。同時還發明了一種平均分子質量1000 ～ 50000的新型高效陶瓷坯體增強劑，以環糊精、堿、酯化劑加熱催化反應制得，加入相當于坯料干基質量的0.2 ～ 0.6%即可使坯體抗折強度增加30 ～ 80%[9]。

陶瓷減水劑又稱解膠劑、分散劑。陶瓷漿料制備時需要保證一定的含水量以獲得理想的的流動性和觸變性，以便球磨和輸送，成型后送到干燥塔噴霧干燥制粉。通常，對于對流干燥設備，每生產1 t建筑陶瓷生坯，電能消耗為3 ～ 11 kW·h，熱能消耗為85 ～ 220 kW·h[4]。陶瓷減水劑的加入可破壞陶瓷料漿粒子的絮凝結構，使料漿在水分含量較低的情況下依然具有較好的分散性和較低的粘度，保持適合生產需要的較好流動性，從而在干燥流程可以節省燃料和干燥時間。目前， 我國陶瓷行業主要使用的陶瓷減水劑可分為四類：無機陶瓷減水劑、有機小分子陶瓷減水劑、復合陶瓷減水劑和高分子陶瓷減水劑[10]。高分子陶瓷減水劑在粘土-水體系中是空間位阻效應和靜電效應同時發揮作用的，使得具有更穩定的分散體系，并具有分子結構的靈活設計性與可控性。因此，高分子陶瓷減水劑將成為陶瓷減水劑的發展趨勢，其合成及應用也將逐漸成為研究的熱點。佛山市功能高分子材料與精細化學品專業中心張磊等人以丙烯酸、烯丙基磺酸鈉為原料，采用過硫酸銨-次亞磷酸鈉催化，合成了丙烯酸-烯丙基磺酸鈉的共聚物，使陶土料漿的黏度從1988 mPa·s降低至695 mPa·s，陶土坯體的彎曲強度增加了38%，同時陶土料漿的分散性得到了提升[11]。合眾（佛山）化工有限公司謝義鵬等人發明了一種具有增強作用的N-羥甲基丙烯酰胺共聚物陶瓷減水劑，利用錨固鏈段N-羥甲基酰胺共聚物與坯體顆粒之間的毛細管力和氫鍵作用力，達到增強料漿分散性和坯體抗折強度[12]。

3 工藝

陶瓷磚生產中，大多陶瓷企業采用噴霧干燥制粉工藝（即濕法制粉），濕法制粉工藝流程為配原料→濕法球磨→漿料過篩、除鐵→漿池攪拌→噴霧干燥→粉料過篩→陳腐→粉料成品，此工藝會造成能耗大、污染大，會產生大量粉塵、SOX、NOX等污染物。通常濕法制粉工段每生產1 t粉料成品，熱能消耗約為450 kW·h，電能消耗約為60 kW·h[4]。可以通過改進球磨工藝或者甚至棄用濕法制粉而改用干法制粉的途徑達到節能降耗的效果。

球磨是濕法制粉工藝的步驟之一，在球磨機中，通過球石的沖擊、擠壓和研磨作用，把大顆粒漿料研磨成適于生產的粒度。據統計，其用電量約占整個生產用電量的16%。佛山歐神諾陶瓷股份有限公司趙光巖等人研究發現采用二次球磨工藝，即首先采用15%Φ30、20%Φ40、30%Φ50、35%Φ60的球石以46 Hz的球磨機頻率粗磨8h，再用65%Φ20、20%Φ30、15%Φ40的球石以42 Hz的球磨機頻率，可使電耗比傳統一次球磨減少18.8%[13]。

2015年11月，佛山市東鵬陶瓷有限公司山東生產基地實施了亞洲首個干法制粉項目，出磚成品合格率96%，比濕法制粉工藝節能47%以上，而成本則為濕法工藝的1/2[14]。干法制粉工藝為原料→粗、中碎→細碎→配料→細磨→過篩→增濕造粒→干燥→篩分→陳腐→干壓成形[15]。曾德朝等人對比干法制粉與噴霧干燥制粉的粉料性能（粒度分布、顆粒級配和所壓制磚坯在燒成過程中的收縮、變形）發現，干法制粉的粉料的平均粒徑較濕法制粉的大，且干法制粉的粉料都是實心顆粒，濕法制粉的粉料為空心顆粒，在燒成過程中，干法粉料堆積密實，收縮的空間較小，因此，該法壓制磚坯的燒成收縮、變形小于濕法工藝壓制的磚坯[16]。

4 設備

4.1 窯爐改造

通常，每生產1 t建筑陶瓷坯體，輥道窯的電能消耗為6 ～ 45 KWh，熱能消耗500 ～ 1300 KWh[4]，因此，在實際生產中可通過改造窯爐以調節風量、過剩空氣系數、余熱回收再利用、配套清潔能源燃燒設備等手段從而達到降低污染、降低能耗，提高熱利用率的效果。

廣東東鵬陶瓷股份有限公司通過在保證產品質量前提下減小總的排煙風機變頻和助燃風機變頻，適當降低燒成區助燃風量，延長燃料在窯爐中的停留時間，促進燃料充分燃燒，同時減少熱量散失提高熱利用率[17] 。

蒙娜麗莎集團股份有限公司對所有燃氣噴槍更換為預混式二次燃燒器，通過減少燃燒過程中鼓入的O2降低爐膛過剩空氣系數，該系數從1.75降低至1.10，窯爐節能可達9.79%[18]。

盧愛玲發明了一種陶瓷窯爐上可對余熱進行回收利用的節能裝置通過大型風管和抽風系統，抽取燒成窯冷卻帶的熱風送入干燥窯的后段，抽取的煙氣送入干燥窯前段，利用燒成窯的高溫煙氣、熱風的余熱進行陶瓷生坯干燥；將原有的柴油輥道窯的整個柴油供應與燃燒系統更換為天然氣減壓輸送和溫度自動控制燃燒系統[19]。

4.2 漿池攪拌機改造

為在經過濕法球磨和過篩除鐵工藝后需將原料進一步混合均勻，避免料漿處于靜止狀態，因觸變性而導致流動性降低，一般使用擺線針輪減速機作為漿池攪拌機。然而，該設備存在功率高、能耗大、過載能力較弱等問題。蒙娜麗莎集團股份有限公司則采用多級齒輪減速機替代原配的擺線針輪減速機，降低故障率，且比使用擺線針輪減速機的攪拌池節省24%的用電[20]。

5 廢料再利用

對于陶瓷生產來說，水是過程性消耗品，主要用于濕法球磨、打磨拋光、地面和設備沖洗、尾氣凈化、設備降溫等。

除了廢水，陶瓷生產中還會伴隨大量的固體廢料的排放。固體廢料包括粉塵和廢渣。制粉、壓坯、修坯會產生大量粉塵，如果不加以收集，任其排放，會污染環境，被吸入還會影響人體健康。而廢渣主要為廢品、拋磨產物、廢水凈化污泥，若就此排放會對環境造成巨大壓力。將固體廢料回收再利用不僅可以減少環境污染，還可以變廢為寶，提高原料利用率。

除了陶瓷生產中產生的廢水、廢渣再利用，我們還可以利用其它工業生產中的廢料與陶瓷原料的相近特性而使用到陶瓷生產中，一方面降低原料成本，另一方面緩解環境壓力。可用來作為原料使用的其它行業廢渣如氧化鋁冶煉廢渣、粉煤灰、疏浚泥沙等。

5.1 固體廢料回收利用

為了實現布袋除塵粉料的再利用，佛山歐神諾陶瓷股份有限公司通過對漿料進行分類噴粉，分類回收布袋除塵器的回收粉料，對布袋除塵器回收粉料化漿和對漿料進行專門的調整，實現粉料化學成分的穩定性和可控性，解決了因再生料化學成分波動造成的產品變形問題[21]。

拋光廢渣中含有大量SiC、氯氧鎂水泥凝膠材料、坯體中的CaCO3、MgCO3，其中SiC和氯氧鎂水泥凝膠材料會造成拋光廢渣在高溫時發泡。佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司、廣東蒙娜麗莎新型材料集團有限公司、廣東新明珠陶瓷集團有限公司等多家陶瓷企業都會將拋光廢渣回收利用以生產輕質陶瓷磚[22-23]。

佛山市東鵬陶瓷有限公司以拋光磚污泥、臨朐砂、秦莊長石、沂水長石、章丘土、黑泥為原料制備廣場磚坯體，抗折強度41 MPa，莫氏硬度不低于6級，其他性能均能滿足生產要求[24]。

佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司還利用坯體廢料、燒成廢料、拋光廢渣、從化黑泥、廣西鉀鈉砂為原料制成仿古磚坯體，燒成產品抗折強度達37 MPa，吸水率0.08%，收縮率8.5%，產品外觀、尺寸都達標[25]。

5.2 冷卻水利用

而為設備降溫的冷卻水有高溫、無污染的優點，可以不經過二次處理直接利用，達到環保節約的目的。佛山歐神諾陶瓷股份有限公司提出將42℃的冷卻水作為球磨介質，比使用常溫水的球磨電耗降低0.78 kW·h/t[26]。

5.3 其他行業廢渣利用到本行業

由于氧化鋁冶煉廢渣有較高含量的硅和鋁，氧化鋁冶煉廢渣應用到輕質磚的生產中，可以改善孔壁力學性能，提高斷裂模數和材料硬度，以鋁廢渣15%、拋光廢渣34%、長石13%、頁巖11%、玻璃粉13.6%、石英12.75%為坯體原料制成19.42 MPa強度的輕質磚[27， 28]。

在煤粉爐中經過高溫燃燒后由收塵器收集起來的粉煤灰的有較高含量的鉀、鈉、鐵，添加到陶瓷坯體中可以起到熔劑作用，從而提高泥漿顆粒流動性，使燒成溫度降低，促進了陶瓷產品的燒結致密化，提高了陶瓷材料的斷裂模數[29]。

佛山歐神諾陶瓷股份有限公司還提出了利用疏浚泥沙膠結性強、含水率高、鐵含量高的特點，代替天然粘土，制備仿古磚產品[30]。

6 結語

我國的陶瓷產業巨大，佛山作為我國重要的陶瓷生產基地，更應該首當其沖大力推進節能降耗、清潔生產。研究開發環保型新產品、新技術、新工藝、新設備，有效利用包括工業廢渣在內的各類陶瓷資源，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的經濟發展方式。

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