建筑陶瓷企業廢氣處理現狀分析

黃玉瓊，殷 茵

(1.南昌航空大學 環境與化學工程學院，江西 南昌 330063；2.江西省環境保護廳 環境工程評估中心，江西 南昌 330077)

0 引 言

中國是陶瓷生產大國，建筑陶瓷、衛生陶瓷、日用陶瓷產量多年居世界第一。據2017 年統計，建筑陶瓷年產量101.5 億平方米，占世界總產量63%。江西是中國產陶最早的省份之一[1]，11%以上的建筑陶瓷企業分布在江西，而地級市中，景德鎮有430 多家陶瓷生產企業，企業數量為全國之最，省內集中度也高達84.1%，享有“中國瓷都”的美名。尤其是近幾年全國范圍內城市基礎建設的持續升溫和房地產開發、工業園區建設及各類工程項目的開工，使得建筑陶瓷企業一直呈強勁發展態勢，極大地滿足了人們生產生活需要的同時，高能耗、高排放的陶瓷生產又使自然生態環境，特別是大氣環境壓力日益增大。我們既要金山銀山，又要綠水青山，與大氣環境問題緊密相關的陶瓷企業廢氣排放及處理現狀備受關注。通過深入建筑陶瓷生產過程中的各個產污環節，了解目前建筑陶瓷企業廢氣排放處理現狀，發現存在的問題，提出改進建議，對陶瓷行業的可持續發展具有重要意義。

1 陶瓷生產工藝廢氣產污環節分析

建筑陶瓷生產工藝大體相同，主要經原料制備（制漿、制粉）、成型、干燥、素燒、施釉、燒成等工序制成陶瓷產品，對于以煤制氣或水煤漿為燃料的，還包括燃料制備工序。以陶瓷磚生產為例，其具體生產工藝過程從燒成工藝上可分為一次燒成工藝及二次燒成工藝，二次燒成工藝又分為高溫素燒、低溫釉燒工藝及低溫素燒、高溫釉燒工藝，部分產品有采用三次燒成的工藝；從制粉工藝上分為干法制粉和濕法制粉工藝。濕法制粉生產干壓磚工藝流程及主要產污環節如圖1所示。

圖1 建筑陶瓷生產工藝流程及主要產污環節Fig.1 Building ceramic production process and main pollution link

涉及廢氣產排的環節貫穿陶瓷生產全程，具體包括：原料堆放、粉狀原料貯存過程中產生的粉塵；塊狀原料通過破碎機粉碎后，各種原料、釉料按配比稱量，通過可移動式皮帶輸送機將原料輸送到球磨機進行球磨，部分企業采用干式球磨，產生粉塵量較大。

經過過篩、除鐵環節后一般采用噴霧干燥塔制備粉料：水煤漿爐燃燒熱氣進入噴霧干燥塔頂部的熱空氣分配器，使熱空氣均勻地呈旋轉狀進入干燥室。泥漿經制漿過程后由高壓泥漿柱塞泵抽取噴入噴霧干燥塔內，將泥漿霧化，使泥漿液滴的表面積增大，與熱空氣相接觸，使水份迅速蒸發，在極短的時間里泥漿干燥成為具有一定顆粒級和水份的粉料，分別經振動篩、皮帶輸送機和斗提機送入粉料倉。在此過程中產生的噴霧干燥廢氣包括：噴霧干燥燃料燃燒產生顆粒物、SO2、NOx以及漿料受熱揮發產生氯化物、氟化物、揮發性有機物、重金屬等。在濕法制粉所使用的噴霧干燥塔熱風爐是典型的高溫窯爐，也是大氣污染物排放的主要來源。

粉料陳腐后，經過振動篩、皮帶輸送機等送入壓磚機料斗中，經壓型、脫膜、分坯、清掃后，通過翻坯機進入輸送帶，送入烘干窯爐內烘干。在此過程中，干法成型和加溫成型過程產生的熱氣中含有顆粒物、SOx、NOx、CO、Pb 和揮發性有機物，其中使用塑化劑較多的成型工藝，有機污染物特征排放明顯。干燥過程中供熱燃料燃燒產生顆粒物，原料受熱揮發產生氯化物、氟化物以及揮發性有機物。

燒成環節中，燃料燃燒廢氣產生煙塵、SO2、NOx，坯料、釉料在高溫環境下還可能會釋放的氟化物、氯化物、重金屬以及揮發性有機物。顆粒物主要來源于燃料和坯體附著粉塵及坯體在窯爐內高溫釋放出的鉛及其化合物、鎘及其化合物、鎳及其化合物；鉛、鎘、鎳及其化合物主要來源于陶瓷色、釉料添加含有重金屬的原料。窯爐煙氣中的SO2主要來自于含硫燃料（煤、石油等），其次來自于原料中的含硫雜質。

陶瓷原料中硫酸鹽在高溫下分解和氧化成SO2，坯體粉料在噴霧干燥塔中吸收熱風爐中燃料燃燒時產生的硫氧化合物，含硫化合物在燒成窯爐內經過高溫燃燒生成SO2氣體。此外，后期的切割、磨邊等加工工序會產生粉塵污染。

2 陶瓷廢氣治理現狀

本文以盡可能選擇具有完整的處理設施、處于正常生產狀態、處理設施前后均具備采樣條件為原則，選取了江西陶瓷生產企業主要分布集中區：景德鎮、萍鄉，20 個具有代表性的建筑陶瓷企業展開調研。

2.1 顆粒物治理情況

從調研企業中選取10 家較為典型的陶瓷企業，對其廢氣排放情況進行分析，以水煤漿為燃料的企業在治理前廢氣顆粒物的產生濃度最高；其次是以水煤氣、焦化氣為燃料的企業，以天然氣為燃料的企業治理前顆粒物產生濃度最低。通過使用旋風除塵、堿水噴淋除塵、布袋除塵等技術措施后，均能達到較高的除塵效率，處理后顆粒物濃度明顯降低，除塵效果顯著。設施處理程度在80.4%-99%之間，平均處理程度達95.4%，處理水平領先。處理后顆粒物的排放濃度在9.4-29.0mg/m3，主要集中在15-25mg/m3之間，低于國家規定的30 mg/m3排放標準，達標排放。

2.2 二氧化硫治理情況

從調研企業中選取10 家典型的陶瓷企業，對其生產排放的二氧化硫進行分析。以天然氣為燃料的企業生產排放的二氧化硫濃度明顯低于以水煤氣和水煤漿為燃料的企業，并且脫硫處理前部分企業二氧化硫排放濃度就低于國家排放限值；以水煤氣為燃料產生的二氧化硫濃度低于以水煤漿為燃料產生的濃度；以水煤漿為燃料的企業二氧化硫處理前遠高于國家排放限值。企業廢氣處理程度在64%-91.6%之間，平均處理程度為75.4%，說明二氧化硫處理處于中等水平。經脫硫設施處理后二氧化硫排放濃度低于40mg/m3，主要集中在35mg/m3以下，低于國家規定50mg/m3的排放限值。脫硫處理技術對降低二氧化硫的排放效果明顯。

表1 陶瓷生產廢氣中顆粒物處理情況Tab.1 Treatment of particulate matters in waste gas from ceramic production

大多數企業在噴霧干燥塔采用旋風除塵同時增加堿水噴淋洗滌以達到除塵脫硫效果。部分大型企業安裝脫硫塔，把窯爐產生的廢氣匯集經脫硫塔處理達標后排放。

圖2 陶瓷企業二氧化硫處理情況Fig.2 Sulfur dioxide treatment at ceramic enterprises

2.3 氮氧化物治理情況

從調研企業中選取10 家較為典型的陶瓷企業，對其生產排放的氮氧化物進行分析。所選的10 家企業的氮氧化物處理后排放的濃度在18-178 mg/m3之間，主要集中在60-130mg/m3之間，低于國家最新規定氮氧化物排放濃度180mg/m3的要求。企業廢氣處理程度在33%-75%之間，差異較大，平均處理程度為 58.4%，處理水平較低。由于不同企業采用的處理設備不同，處理效果有所不同。此外，即使采用相同的處理設備，企業對處理技術掌握的程度不同，也會造成處理效率存在較大差異。

氮氧化物的來源有三個，對于一般的陶瓷燒成過程，燃料型NOx生成是主要原因；其次是熱力型NOx，快速型NOx幾乎沒有[2]。一般的陶瓷窯爐燒成范圍（1100-1400℃）內，熱力型NOx對NO 生成的作用較小，而主要受到窯內煙氣的流速以及來自燃料型NOx的影響[3]。陶瓷燒成的溫度越高，產生的NOx量越多；空氣過剩系數越大，氧氮的濃度越大，則NOx越容易生成；陶瓷窯爐內高溫區越長，氣體在高溫區停留時間越長，則NOx產生得越多。NOx的生成速率隨著燒成過程中升溫速度增大而增大。目前，噴霧干燥塔煙氣脫硝主要采用選擇性非催化還原技術（SNCR），采取SNCR 技術，脫硝效率可超過50%，NOx排放濃度可控制在100mg/m3以下，也有企業采用濕法多污染物協同控制技術。

圖3 陶瓷企業氮氧化物處理情況Fig.3 Nitrogen oxide treatment at ceramic enterprises

調研企業使用的燃料種類較多，在窯爐燒成中使用的燃料主要有天然氣、水煤氣、水煤漿，其中水煤氣和水煤漿含氮量較高，窯爐煙氣中氮氧化物的主要來源于此。窯爐內溫度不均容易使氮氧化物濃度升高，此外，風配比增大窯爐內含氧量增加使窯爐內顯現出氧化性氣氛，不利于氮氧化物還原，使氮氧化物濃度升高。企業在這方面的技術把控參差不齊，需要不斷改進技術，完善操作管理。

2.4 鉛、鎘、鎳及其化合物治理情況

從調研企業中選取10 家處理設備水平相近的企業，對其排放的重金屬進行分析，發現所選的9家企業經處理后廢氣排放中鉛及其化合物濃度都達到了國家規定的0.1 mg/m3的要求。其中有1 家企業超過了國家標準的0.015 倍，鎘及其化合物和鎳及其化合物經處理后都分別低于國家0.1mg/m3、0.2mg/m3的要求，達標排放。

一般陶瓷原料中鉛、鎘、鎳等重金屬含量較低，所使用的燃料天然氣屬于清潔能源，燃料煤中金屬物質比較少見，一般不會存在向大氣釋放問題。但在陶瓷色、釉料和花紙中常常含有濃度較高的重金屬。釉料的顏色與重金屬含量有一定的關系，釉料中鉛含量較高以藍色為主，鎳以黑色和灰色為主，顏色越深含重金屬越高[3]，釋放的濃度越大。此外，色料、釉料配方中還可能加入一些有毒有害的化工原料，如氧化鋅、鉛丹、硫化鎘及稀土元素等[4]。雖然我國已經有企業研制出無鉛無鎘的顏料，但由于成本、技術等原因尚未得到推廣。

表2 陶瓷生產廢氣中鉛、鎘、鎳及其化合物治理情況Tab.2 Treatment of lead,cadmium,nickel and their compounds in waste gas from ceramic production

3 陶瓷廢氣污染物治理措施建議

3.1 顆粒物治理建議

調研企業中，處理前各陶瓷企業生產過程中顆粒物的產生量差異較大。經過處理后，均能達到排放標準要求，而且處理效率均達到90%以上，說明顆粒物處理技術較為成熟，應不斷推廣應用。

目前，減少陶瓷生產過程中產生的顆粒物排放采取的主要措施是安裝除塵設備。常用的除塵器主要有旋風除塵器、濕式除塵器、花崗巖水膜除塵器；此外，靜電除塵器、機械除塵器等也有少量應用。不同的處理設備，處理效果有所差異，袋式除塵器除塵效率可達到95-99%，除塵效率高；水膜除塵器除塵效率可達90% 以上，除塵效果明顯。靜電除塵器對細粉塵有很高的捕集效率，可高達99%。噴霧干燥塔主要采用安裝袋式除塵器控制煙氣顆粒物。對于陶瓷窯煙氣顆粒物控制，由于其初始濃度不高，一般通過濕法脫硫協同除塵。但濕法脫硫后，煙氣夾帶霧滴中會有顆粒物，建議在脫硫吸收塔增加除霧設施或水洗噴淋系統以達到脫硫除塵的目的。

3.2 二氧化硫治理建議

使用不同燃料的企業處理前二氧化硫的產生量具有顯著的差異。使用清潔能源的企業處理前二氧化硫濃度明顯低于燃煤企業，經脫硫處理后，均能達到國家排放標準。說明脫硫處理技術對降低二氧化硫的排放效果明顯。

處理陶瓷行業煙氣中二氧化硫主要從兩個方面進行：一是通過采用清潔能源，如天然氣，從源頭降低二氧化硫的排放；二是采用脫硫技術，如濕法脫硫、干法脫硫等[5]。采用不同的脫硫處理設備，其脫硫效果有所不同。目前，大多數企業采用的是濕法脫硫技術，一方面是因為濕法脫硫效率高，其中簡易濕法應用最為普遍。另一方面由于工藝簡單、技術成熟、石灰石、石灰價廉易得，脫硫成本較低，仍是主要的濕法煙氣脫硫技術[6]。噴霧干燥法、活性碳吸附法和雙堿法等工藝也有應用。在生產末端對硫進行處理需要投入大量資金，許多企業已經在逐漸推行“煤改氣”，使用清潔能源，從源頭上減少二氧化硫等污染物的排放。

3.3 氮氧化物治理建議

調研的企業處理后氮氧化物的排放濃度均低于國家標準，但排放濃度值相對較高，處理效率不高。一方面的原因是脫硝技術還不夠成熟，操作技術不當，使處理效率不高；另一方面的原因是處理設備老舊，保養不善，增加了氨氮逸出量。減少氮氧化物的排放需要企業對環保事業的重視，加大對處理設備設施的投入力度，引進新技術，注重對處理設施的保養維護。

3.4 鉛、鎘、鎳及其化合物治理建議

陶瓷原料中的重金屬元素含量較低，但陶瓷色、釉中常含有濃度不等的重金屬。釉料中的鉛、鎘、鎳、銅、鋅等重金屬元素易在高溫環境下揮發擴散，進入煙氣中，通常以固體顆粒物形式存在。坯料中還會加入一些工業添加劑，如：氯化鈉、硅酸鈉、塑化劑等來改變陶瓷坯體、釉漿的物理性能，燒成過程中將會轉化為氣態污染物排放。此外，陶瓷裝飾的花紙、顏料中常含有鉛和鎘等重金屬，這些重金屬在烤花或燒成過程中隨粉塵以及高溫產生蒸汽的形式排放到大氣中，而鉛、鎘、鎳及其化合物一般可以采用袋式除塵器進行收集處理。

4 結 語

陶瓷制造業在江西部分地區已經成為支柱性產業，生產過程中排放的廢氣污染也給當地的大氣污染防治產生巨大壓力。本次調研集中選取了景德鎮和萍鄉的大中型生產企業作為調研對象，生產規范化程度高，設施設備也相對齊全。但一些小型企業，特別是小作坊生產，設備設施簡陋，環保設施的投入不足，產生的污染不容忽視。一方面，政府部門需要加強監督監管，嚴格執法。推行使用天然氣等清潔能源，從源頭減少廢氣污染物的產生，引導企業進行清潔生產，將能耗最少化，廢物減量化，效益最大化。另一方面，企業應不斷探索革新生產技術，加大對環保設施的投入，減少生產過程產生的污染，實現綠色生產，自覺承擔起企業應有的社會責任。