陶瓷行業碳排放源與碳減排路徑分析*

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重點實驗室 廣東 佛山 528211)

隨著全球氣候變化和環境污染日益加重,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年前實現碳達峰、2060年實現碳中和”的雙碳目標承諾,其中陶瓷行業企業在其中扮演著至關重要的角色,因為它們具有能源、資源消耗高的特點,相關數據報告,2021年我國建筑衛生陶瓷行業二氧化碳排放量1.4億～2億t,占全國總排放量的1.5%～2%。因此,如何實現陶瓷行業企業的“碳達峰、碳中和”已經成為一個緊迫的問題。筆者將從技術、政策和管理等3個方面出發,淺析陶瓷行業企業在“碳達峰、碳中和”背景下的應對策略。

1 陶瓷行業典型碳排放源及核算方法

1.1 陶瓷行業典型碳排放源

陶瓷行業是一個傳統而重要的工業領域,但整個產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、陶瓷生產制造階段以及陶瓷產品利用和廢棄階段這3大主要碳排放源對陶瓷行業的典型碳排放源進行綜合分析(見圖1)。

圖1 陶瓷產品碳足跡邊界圖

1.1.1 陶瓷原料、能源生產和運輸階段

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:礦石、能源的開采需要使用重型機械和爆破等設備,這些設備的使用消耗大量能源,導致碳排放。

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

(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備耗能較高,也會產生碳排放。陶瓷原料采集運輸階段的碳排放產生源如圖2所示。

圖2 陶瓷原料采集運輸階段碳排放示意圖

1.1.2 陶瓷生產制造階段

在陶瓷制品的生產制造過程中,會產生大量的碳排放,在整個碳足跡階段對碳排放貢獻最大,占比81.23%[1]。生產過程中主要的是能源消耗,燃燒化石燃料產生的二氧化碳是主要的碳排放物。最典型的是陶瓷生產過程中工業爐窯和噴霧干燥塔的燃料燃燒碳排放。其中陶瓷行業中輥道窯、隧道窯是常用的連續式燒成設備,它們在燒結和干燥陶瓷制品的過程中產生大量的碳排放,是主要的碳排放設備。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企業逐步開展窯爐技術的升級改造工作,通過提高余熱利用、改變燃料使用的類型、煤改電等多項舉措來進一步減少工業窯爐的碳排放。

此外,陶瓷生產過程中常用的釉料和坯料,其在生產、調配也會消耗能源,以及燒制過程中因含有碳酸鹽成分,在高溫下發生分解,進而形成碳排放。陶瓷在生產過程中會產生廢棄物,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生一定的碳排放。陶瓷生產制造階段的碳排放產生源,如圖3所示。

圖3 陶瓷產品生產制造階段主要碳排放示意圖

陶瓷產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換代過程中產生的陶瓷廢棄物作為建筑廢料常規是簡單地填埋和拋棄,這樣對生態環境帶來很大影響,處置過程中也產生一定的碳排放。

1.2 陶瓷行業碳排放量核算方法

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

陶瓷生產企業碳排放總量按公式(1)計算:

式中:E總——核算期內陶瓷企業CO2排放總量,t CO2;

E燃燒——核算期內陶瓷企業化石燃料燃燒活動產生的CO2排放量;

E工業——核算期內陶瓷企業工業生產過程產生的CO2排放量,t CO2;

E電力——核算期內陶瓷企業凈購入生產用電蘊含的CO2排放量,t CO2。

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

式中:e——單位產品碳排放量,kg CO2/m2;

E——企業年碳排放量,kg CO2;

Q——企業年產量,m2。

2 陶瓷行業碳減排路徑

作為典型的“兩高”行業,陶瓷行業碳減排技術主要集中從陶瓷生產制造階段的技術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的碳減排工作,從而推進陶瓷行業綠色低碳轉型,持續提高行業能效水平。結合筆者多年在陶瓷行業的經驗,從能源調整、窯爐技術、低能耗快燒技術、余熱回用、陶瓷薄型化技術、數智化管理這6個主要方面,對陶瓷行業碳減排技術進行綜合分析。

2.1 能源調整

目前陶瓷生產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,能源消費結構要逐步轉向使用天然氣等清潔能源。根據溫室氣體排放核算中表2.1化石燃料品種相關參數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%,因此企業應以高碳能源為主向低碳能源類型轉變,實現碳減排。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,目前有工業應用潛力的零碳燃料有氫和氨。

據報道,第39屆(博洛尼亞)國際陶瓷衛浴展中,展示了最新的氫能窯爐技術、氫和天然氣混燒技術等,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

窯爐是陶瓷燒制過程中用到的最大能耗設備,通過改進窯爐能夠有效降低能源的消耗,從而實現碳減排。窯爐結構優化設計和產品規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,實現溫度場和速度場的均勻分布,同時和燃燒技術相結合,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乎到能源的實際消耗,性能優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的溫度保持穩定,從而提升生產運行的效率,因此新型隔熱材料的開發與運用同樣對節能減排有促進作用。多層干燥燒成窯技術由于其截面小,能在輥道上下同時加熱,且窯內溫度分布均勻,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,還有采用復合低溫熔劑原料、助熔劑等進一步優化陶瓷原料配方,實現降低燒成溫度、減少燒成周期,達到節能減排目標。

2.4 余熱回用

陶瓷生產過程中,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品坯體,也可以用來預熱空氣提高助燃效率,充分發揮燃料高效利用,也可以用來促進鼓風機的運轉,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熱機器設備的方法[6]。

2.5 陶瓷薄型化技術

在保證陶瓷產品使用性能的基礎上,減少厚度,包含生坯增強劑制備技術和成品增強增韌技術。以10 mm 厚度為例,建筑陶瓷厚度每降低1 mm 即10%,每平方米可節約原料2 kg左右,這樣制造環節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 計算機數字化調控管理

數字化管理是企業碳減排的最基礎的工作,通過對陶瓷生產每個工序的狀況以及產質量、能耗、電耗等數據動態可視化監管,可為制造管理提供有效的數據支撐,提升設備利用率,降低生產過程的能源消耗,從而減少碳排放。目前越來越多工廠在陶瓷生產中使用計算機的運行和控制技術,對陶瓷生產全過程進行智能控制,精準控制燃燒工藝技術,能有效地對燒成溫度、空燃比進行管理調控,實現整體燃燒結構的優化升級,提高熱能的利用率[7～8]。同時,精準化智能調控能夠減少生產管理成本,提高陶瓷生產效率,降低陶瓷次品率,進而提高生產陶瓷的綜合效能。

3 展望

隨著國家對“雙碳”政策管理力度不斷加強,陶瓷行業的碳減排壓力也將不斷上升,陶瓷生產企業需通過采用先進技術和工藝設備挖掘碳減排潛力,降低行業碳排放量,以實現行業綠色環保、節能減排的“雙碳”目標。