發泡陶瓷窯爐節能技術探討

摘 要：隨著“十三五”的結束和“十四五”的實施，國家對高能耗產業的改革勢在必行。陶瓷產業正是高能耗的行業，必然是改革的重點領域，節能減排也必將是陶瓷產業的大勢所趨。目前在建筑領域廣泛使用有機外墻外保溫材料，普遍存在著易燃的致命缺陷。發泡陶瓷材料起到了建筑節能的高效果，且本身的高強度及防火保溫性能也徹底解決了保溫材料易燃的問題；發泡陶瓷板作為國家支持的產業，符合國家轉型升級要求，將作為一種新型陶瓷產品，會有很大的發展潛力。

關鍵詞：發泡陶瓷；固廢處理；雙碳雙控；能耗；節能措施

1 引言

2020年4月29日，十三屆全國人大常委會第十七次會議表決通過《固體廢物污染環境防治法》，于2020年9月1日起施行。自1995年通過以來，固廢法已先后經歷5次修改。新修訂的固廢法明確固體廢物污染環境防治強化政府及其有關部門監督管理責任，完善了工業固體廢物、生活垃圾、危險廢物、建筑垃圾、農業固體廢物等污染環境防治制度，健全了保障機制，嚴格了法律責任。此次全面修改固廢法是依法推動打好污染防治攻堅戰的迫切需要，是健全最嚴格最嚴密生態環境保護法律制度和強化公共衛生法治保障的重要舉措。新《固廢法》對法律責任專章進行了擴充完善，加大了對固廢管理不合規的處罰力度，增加了企業的違法成本。

中央環保督察組把能源督察納入到了督察范圍，最近生態環境部正在幾個省份開展督察，里面明確了包括碳督察，搞督察有利于轉型，有利于升級。

《關于推進城鄉建設綠色發展的意見》中指出，充分發揮各城市比較優勢，促進資源有效配置。特別是講到碳減排扎實推進，城市整體性、系統性、生長性增強，“城市病”問題得到緩解。企業協同開展污染防治，發展循環經濟，開展大宗固廢綜合利用，減少生態破壞和碳排放。按照國家的安排2030年碳達峰之前要加強大宗固廢綜合利用，陶瓷行業有很多做法，推進產業園區循環化發展，大力推進生活垃圾減量化、資源化等等。

國家“十四五”計劃中明確提出了“十四五”節能專項規劃，要求調整產業結構、能源結構，遏制高能耗高污染行業過快增長，大力推進節能工作，而陶瓷產業正是高能耗、高污染的行業，尤其是對資源的消耗和環境的污染都比較嚴重，屬于政府和大眾“緊盯”的行業之一。發泡陶瓷作為新型建筑隔墻板材料以及外墻保溫材料頻繁出現在各類報刊、雜志和展會上，正是由于發泡陶瓷符合國家的產業政策，變廢為寶，積極響應國家的政策要求，越來越受到重視。

發泡陶瓷是一種無機非金屬材料，是以拋光廢渣、紅泥、頁巖、粉煤灰、煤矸石、煤渣、陶瓷原礦、大理石尾礦、爐渣、玻璃碎片等無機材料作為主要原料，摻加一定比例的發泡劑、助溶劑等經混合、制粉、填料工藝，再經高溫焙燒而成的高氣孔率的陶瓷材料。發泡陶瓷采用的是低值低質的頁巖、工業廢渣，對環境的保護和降低能耗有更大的優勢。在同等導熱系數值時，發泡陶瓷的抗壓強度和抗折強度要大于發泡玻璃，使用更安全。

發泡陶瓷是一種全新的綠色節能環保產品，具有防火、保溫、防水、防凍、無毒、不老化、防靜電、機械強度高、絕熱性能好、使用壽命長等特點。當前，我國發泡陶瓷年產量嚴重不足，絕大多數產品用于化工絕熱領域，用于建筑保溫的就更少，這就為發泡陶瓷用于建筑領域提供了發展先機。發泡陶瓷與同類建材產品相比，有無可比擬的優勢，具有很強的市場競爭力。

目前發泡陶瓷實際生產采用工業廢料———濕法球磨———噴霧干燥造粒———機械布料———隧道窯或輥道窯燒成———機械卸板———切割機切割定尺的工藝流程，并且已經是成熟的工藝。發泡陶瓷保溫板與隔墻板基本采用此種工藝。發泡陶瓷隔墻板發泡的孔徑直徑≤1 mm 的大約占60%～80%，直徑1～2 mm 占20%～40%，且孔壁較薄。這種工藝的優點是產量大、原料加工均勻、穩定性好。缺點是排水、排氣污染較難控制。

發泡磚的燒成過程是，在1000℃以前，粉料仍是粉料狀態，在1050℃左右，粉料開始熔融，到1100℃時，粉料的厚度要收縮約50%，在1120℃左右開始發泡，厚度增大到原來粉料的（100-300）%。

2 發泡陶瓷窯爐節能技術

根據目前運行的窯爐情況來看，燃料成本約占產品成本的50%，有的甚至達到60%；如何做到節能降耗，提高產量，成為提高產品競爭力以及發泡陶瓷大力推廣的關鍵因素。所以發泡陶瓷能耗的解決成為重中之重，本文從以下方面來分析節能措施：

2.1 原料的選擇和配方結構是決定燒成周期的關鍵因素

在發泡陶瓷板生產中，燒成溫度越高，能耗就越高。改進材料配方，采用低溫快燒技術，降低燒成溫度，縮短燒成周期，明顯可以降低能耗。據熱平衡計算，若燒成溫度降低 100℃，則單位產品熱耗可降低10%以上，且燒成時間縮短10%，產量增加10%，熱耗降低4%。因此，在陶瓷行業中，應用低溫快燒技術，不但可以增加產量，節約能耗，而且還可以降低成本。根據現有窯爐燒成情況來看，采用珍珠巖為主要原料生產外墻保溫裝飾一體板的，燒成周期可以小于10h；目前發泡陶瓷燒成溫度為1180～1200℃，如果溫度降到1150℃可以更加節能減排，提升產量和降低成本。

2.2 最大限度的實現窯車、窯具的輕型化，降低蓄熱損失

窯爐的能耗有一部分是被窯車直接帶走，此部分熱量將白白浪費，改變傳統的窯車制作方式，采用堇青石-莫來石中空圍邊磚結構，較傳統的砌磚重量減輕50%，同時還將窯車底座寬度減少，窯車內部采用保溫效果更好的陶瓷棉，使整個窯車的重量大大減少，從而窯車的蓄熱量大幅度減少，節省燃氣。改變傳統的窯具布置方式，取消用堇青石-莫來石作為立柱，盡量采用低重量，低蓄熱量的材質，將匣瓷比降到最低。

2.3 采用多層發泡陶瓷隧道窯

這兩年陸續上線了用輥道窯來燒制發泡陶瓷，總體來說產量上不去，燒成周期降不下來，效果不怎么理想，399米的輥道窯，一天的產量才100 m3左右，如果采用三層發泡陶瓷板隧道窯，一天的產量有300 m3，是同等長度輥道窯產量的3倍，雖然隧道窯投入的成本會比輥道窯多1.1倍左右，顯然用三層發泡陶瓷隧道窯投入與產出比更劃算。

2.4先進燃燒技術的應用

隨著能源需求增加和環保意識提升的背景下，節能減排成為了社會可持續發展的重要途徑。而在陶瓷燒制過程中，燃燒系統的優劣直接影響到能源消耗。因此，為了提高能源效率和降低生產成本，新型燃燒技術應運而生。

（1）比例燃燒自動控制系統；

（2）電子空燃比燃燒控制系統；

（3）空氣過剩系數管理系統。

采用適用于多層發泡陶瓷隧道窯燒成的燃燒系統，可以明顯的降低能耗。

2.5 新型高速等溫燒嘴以及與其碳化硅燒嘴套出口大小的合適配合

在燒嘴使用時，溫度控制容易出現偏差。 由于幾何壓頭的作用，高溫火焰流熱氣體由下向上流動，形成窯道內溫度上高下低，使熱電偶檢測到的溫度數據偏高， 故造成熱電偶儀表上顯示的溫度與窯內燒成品實際溫度出現很大的偏差。采用我公司研制的新型高速等溫燒嘴除具有燃燒效率高外，更具有火焰噴射速度快，在窯內形成強烈攪拌，減少窯內的上下溫差，可以使窯內溫度變得均勻，使得發泡陶瓷產品發泡均勻，表面平整；不但能縮短燒成周期，降低能耗，而且可以提高制品的燒成效果。 特別對于寬斷面的隧道窯，宜采用高速燒嘴；對于燒發生爐煤氣的輥道窯，采用預混式燒嘴，不但可以減少窯斷面上的溫差，而且可以節約能源近15%～20%。如果燒嘴選好了，與其相應配套的碳化硅燒嘴套出口大小不配合好的話，依然達不到理想效果，這也是很多專業人士沒有得到足夠重視的地方。我們在實際應用中，都有嚴格的計算，選擇最合適的碳化硅燒嘴套出口尺寸。

2.6窯爐結構的改進

由于是燒多層發泡陶瓷板隧道窯，窯內高度會升高，隨著窯內高度的增加， 單位制品熱耗和窯墻散熱量也在增加，窯內結構以及窯墻保溫效果也要做相應的改動。采用納米保溫板，該材料是近年來保溫材料的發展趨勢，能起到很好的保溫效果，并減少窯墻的蓄熱量，使窯爐能安全的快速升溫和降溫，減少窯墻散熱。在一定范圍內， 窯越寬越好；窯越寬，節能率越高，故只要能很好地解決斷面溫差的問題，寬體發泡陶瓷板隧道窯是未來發展的方向。

2.7窯爐三帶比例的合理分段

由于發泡陶瓷不同于墻地磚，分段比例有它的特殊性，要根據發泡陶瓷燒成工藝曲線，合理設置各溫度段分段比例，可以提高產品優等率，縮短燒成周期，降低單位產品能耗。

2.8建議沒有環保壓力的地區優先考慮用發生爐煤氣

目前以發生爐煤氣為燃料的企業，主要有山東蒙陰商海科技、廣西碳歌、山東蒙陰商海科技生產外墻保溫板，每天用煤約30噸，折合每立方產品約消耗天然氣50m3。究其原因，一是原料的選用，燒成溫度低；二是寬體窯加發泡厚度大，約厚280mm；三是4.5min左右的推進速度快，最終才有產量大能耗低的結果。廣西碳歌公司生產室內隔墻保溫板，同樣燒發生爐煤氣，折合每立方產品約消耗天然氣70-80m3。，究其原因，一是發泡厚度，成品為80、100、120mm；二是三層裝載小截面窯；三是推進速度5-8分鐘/車，最終的能耗比蒙陰高，但比用天然氣的企業能耗要低。

發生爐煤氣（煤轉氣）的應用是窯爐的燃料費用降低及能源消耗大幅度下降的有效途徑。發生爐煤氣是一種較為潔凈的氣體燃料，對環境污染小，同時又降低了窯爐燃料費用，減輕了工人勞動強度，是提高經濟效益和社會效益非常有效的替代燃料。但隨著國家對環保壓力的加大，許多產區不準上煤轉氣，所以企業要從多方面的考慮，只是建議沒有環保壓力的地區優先考慮用發生爐煤氣。

2.9 窯爐余熱的合理利用

積極采用先進的煙氣余熱回收技術， 降低排煙熱損失是實現隧道窯節能的主要途徑。

（1）從冷卻帶抽取的熱風作為燒嘴的助燃風用，溫度可加熱到150-200℃左右一般認為：空氣預熱溫度每提高100℃，即可節約燃料5%；

（2）排煙風機抽出的熱風打到干燥窯或噴霧干燥塔用，可以對余熱有效的加以利用；

（3）冬季將余熱送到切割車間供暖。

2.10 排煙的煙氣提供給噴霧干燥塔用

（1）排煙風機出風口的溫度約350℃，煙氣從窯爐輸送到噴塔的溫度降低了約40℃，則到塔的煙氣溫度為310℃，而塔排出煙氣的溫度約為90℃。在整個換熱過程中，窯爐煙氣的平均溫度為200℃，對于日產量300m3/天的發泡陶瓷，煙氣質量約16，325kg/h。

查表可得平均溫度200℃煙氣的比熱容為：0.262kcal/kg.℃；

按公式Q=Cp mΔT計算每小時煙氣帶入量：

式中：Q-310℃煙氣用于塔的熱量，kcal/h；

Cp-200℃煙氣比熱容，kcal/kg.℃；

m-窯爐煙氣質量，kg/h；

ΔT-煙氣溫度-塔排出溫度，℃。

Q=0.262水分×16325水分×（310-90）=942，799kcal/h

天然氣熱值約為8，300 Kcal/m3

相當于天然氣量： 942799÷8300=113 m3/h

（2）每年利用煙氣可以節省的費用

天然氣價格按3.5元/立方米，噴霧塔運行時間按每天22小時，每年正常生產日按330天，則每年利用煙氣可節省的費用為：

3.5水分×113水分×22水分×330=2，871，330元/年

通過以上計算可以清楚的看到，利用排煙的余熱用于噴霧塔的干燥一年節省的費用是比較可觀的。

2.11純氧燃燒節能技術

在普通的空氣助燃窯爐中，近80%的不助燃氮氣形成廢氣排出窯外 ，帶走大量熱量，造成熱量的無謂消耗。同時在高溫下生成氮氧化物， 污染大氣。富氧燃燒是指在燃燒過程中，把氧氣的體積分數大于空氣中的21％氧氣含量的氣體作為助燃氣體的一種高效燃燒技術，當助燃氣體直接采用 99％以上的工業純氧時，又叫做純氧燃燒。純氧燃燒技術可以增加燃燒火焰 溫度、減少一次風抽送量，同時節約了燃料消耗、減少了尾氣排放。

純氧燃燒技術為陶瓷行業的燒成提供了一種新的可能性，它利用純氧代替空氣作為助燃劑，通過調整燃料與氧氣的比例來控制火焰溫度和氣氛，從而實現高效、節能、環保的燒成過程。純氧燃燒技術具體有以下優點：

（1）提高燒成效率，純氧燃燒具有極高的火焰溫度和熱量傳遞效率，可以迅速將陶瓷燒至所需溫度，縮短燒成周期，提高生產效率；

（2）節能降耗，純氧燃燒技術能夠最大限度地利用燃料能量，在高溫時其輻射傳熱能力強，增強火焰的傳熱能力，減少熱損失，降低能耗。與傳統空氣燃燒相比，純氧燃燒能夠節省大量燃料，降低生產成本；

（3）提高產品質量，純氧燃燒產生的火焰氣氛穩定，可以避免產品燒成過程中出現的變形、開裂等問題，提高產品合格率。同時，純氧燃燒還能夠減少產品表面的色差和瑕疵，提高產品美觀度；

（4）環保減排，純氧燃燒技術不產生氮氧化物等有害氣體，減少了對環境的污染。此外，純氧燃燒產生的熱量能夠充分利用，減少了廢氣排放和能源消耗，有利于實現綠色生產；

（5）可實現二氧化碳高效捕集，以天然氣純氧燃燒為例，由于燃燒產物中只有水蒸氣和二氧化碳，所以在將煙氣中的水蒸氣冷凝后便得到了高濃度的二氧化碳，大大方便了二氧化碳的捕集。

2.12 高溫空氣燃燒技術

高溫空氣燃燒技術（high Temperature Air Combustion，簡稱HTAC）是90年代興起的集節能、環保等多重優點的高新技術。該技術主要包括兩項基本技術手段：一是燃燒用空氣最大限度回收（或稱極限回收）廢氣的顯熱；二是采用燃料在低氧氣氛下燃燒的技術來降低NOx的生成量。高溫空氣燃燒技術最具標志的特點是高溫，預熱空氣溫度可達到800～1100℃。利用HTAC技術等高新技術開發新型陶瓷工業窯爐設備，是我國乃至國際上陶瓷工業窯爐的研究方向。

3結語

目前發泡陶瓷隧道窯二層、三層裝載方式已經應用到生產中，產品優等品率更是達到100%，產品能耗也得到了進一步降低，處于行業領先地位；四層發泡陶瓷裝載方式也在研發當中，在產能和能耗方面對發泡陶瓷的生產進行升產降耗，使窯爐能耗大幅度降低，降低了產品成本，提高了產品競爭力，響應了國家節能降耗的號召。

在窯爐節能和技術創新方面，我們將不斷研發推出新技術，新產品與之配套的新裝備，堅持自主創新，并積極強化與陶瓷產區的學習、交流與合作，加快自身的技術升級， 促使發泡陶瓷產業更快，更好的發展。

參考文獻

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