李 萍 曾令可 吳細(xì)桂 閻常峰 程小蘇 王 慧 李彥斌
(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣東廣州 510640;2.華南理工大學(xué),廣東廣州 510640;3.廣東新明珠陶瓷集團(tuán),廣東佛山 528318)
目前,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源相對(duì)缺乏的情況下降低能耗提高經(jīng)濟(jì)效益已成為任何企業(yè)的首要任務(wù),特別是能源消耗大戶——陶瓷企業(yè)更是如此。我國(guó)建筑陶瓷產(chǎn)量在世界上遙遙領(lǐng)先,但總體上存在產(chǎn)品檔次低、能耗高、資源消耗大、綜合利用率低、生產(chǎn)效率低等問題。
廣東地區(qū)建筑陶瓷企業(yè)能源消耗主要以原煤、電力、柴油等為主。其中原煤是通過煤氣發(fā)生爐加工轉(zhuǎn)換為煤轉(zhuǎn)氣,作為窯爐燃料,小部分原煤加工為水煤漿,用于噴霧塔噴霧造粒;電力主要消耗在球磨、球釉、成型、磨邊、拋光等生產(chǎn)環(huán)節(jié);柴油主要消耗在發(fā)電機(jī)與運(yùn)輸裝置等。能源結(jié)構(gòu)見表1。
建筑陶瓷企業(yè)的主要用能設(shè)備包括:球磨機(jī)、噴霧干燥塔、壓機(jī)、窯爐、風(fēng)機(jī)、磨邊機(jī)、拋光機(jī)等。其中窯爐是最關(guān)鍵的熱工設(shè)備,也是耗能最大的設(shè)備,占總能耗的60%以上。而電力的消耗主要以球磨機(jī)、壓機(jī)、窯爐、風(fēng)機(jī)、磨邊機(jī)、拋光機(jī)等設(shè)備為主,另外還包括辦公及生活用電。單位產(chǎn)品能耗情況見表2。
(1)能源管理制度尚不健全,相關(guān)配套機(jī)制也有待進(jìn)一步完善,專門人員尚未配備,由相關(guān)部門或人員代管的現(xiàn)象較為普遍。
(2)在能源計(jì)量系統(tǒng)管理方面,能源計(jì)量器具尚不到位,對(duì)各工序及主要?jiǎng)恿υO(shè)備的計(jì)量器具配置及校驗(yàn)相對(duì)較弱,存在一定的缺陷。油、氣、電的三級(jí)計(jì)量?jī)x表配置不完善,尚未建立齊全的計(jì)量器具檔案。
(3)能源管理方面落實(shí)不到位,工作細(xì)致化程度不夠,節(jié)能監(jiān)測(cè)工作力度不夠,員工節(jié)能意識(shí)不足。一些企業(yè)節(jié)能監(jiān)測(cè)工作開展不夠及時(shí),不能及時(shí)掌握主要耗能設(shè)備的能源消耗和能源利用率,對(duì)生產(chǎn)工藝的用能狀況以及整個(gè)企業(yè)能源利用效率的狀況不明。在車間能源管理上比較薄弱,在落實(shí)節(jié)能降耗措施上方法顯得有點(diǎn)單一,執(zhí)行力度不強(qiáng),節(jié)能措施實(shí)施效果并不明顯。
表1 能源結(jié)構(gòu)Tab.1 Energy structure
表2 單位產(chǎn)品能耗Tab.2 The energy consumption per unit products
不少企業(yè)部分設(shè)備比較陳舊,更新周期較長(zhǎng),多數(shù)舊設(shè)備能耗比較高。設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)、潤(rùn)滑不到位,致使設(shè)備的有效利用率較低。建筑陶瓷企業(yè)的風(fēng)機(jī)、壓機(jī)、球磨機(jī)等都是大功率設(shè)備,啟動(dòng)負(fù)載功率大,電流大,輕載、重載變化頻率高,耗電較大。而多數(shù)企業(yè)并未對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行一些相應(yīng)的節(jié)能技改措施以減少耗電量。另外,一些功耗大,效率低設(shè)備的輔助節(jié)能設(shè)備也需要進(jìn)一步加強(qiáng)配備。
(1)噴霧造粒中料漿含水率偏高。很多企業(yè)料漿含水率在34~35%,水份含量較高,使得料漿水份汽化用熱比較高,造成噴霧塔能耗較高。
(2)多數(shù)企業(yè)的窯爐熱效率不高,窯體散熱大,使得窯爐用能中有相當(dāng)部分能源以窯爐冷卻風(fēng)余熱、窯爐尾氣余熱、窯爐墻體散熱等形式浪費(fèi)掉,同時(shí)造成了環(huán)境的熱污染。因此,窯爐的余熱、余能的綜合利用還有待加強(qiáng)。
(3)煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的爐渣及原煤中的粉煤沒有充分利用。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的爐渣含煤量在14~20%,熱值達(dá)600~800kcal/kg。同時(shí),原煤夾雜及破碎過程中產(chǎn)生的大約10%粉煤不能用于煤氣發(fā)生爐,部分企業(yè)用于制備水煤漿,大部分企業(yè)未利用,浪費(fèi)比較大。企業(yè)基本未對(duì)這些能源尤其是爐渣進(jìn)行有效利用,造成較大的浪費(fèi)。
建筑陶瓷典型的工藝流程如下:選擇原料→坯體配料→球磨→噴霧干燥制粉→壓制成型→半成品烘干→一次燒成(素?zé)鷩娝艿子浴苊嬗浴』ā螣桑ㄓ詿鷿穹ミ叀稍铩旨?jí)→包裝。
在建筑陶瓷生產(chǎn)工藝流程中,能源主要消耗在噴霧干燥制粉、半成品烘干和輥道窯燒成(包括素?zé)陀詿┑拳h(huán)節(jié),占總能耗的70~80%,因此提高這三個(gè)環(huán)節(jié)的能源利用效率是建筑陶瓷生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能的主要途徑,其中以輥道窯燒成環(huán)節(jié)的節(jié)能最為關(guān)鍵。下面從工序談?wù)劷ㄖ沾傻墓?jié)能技術(shù)。
(1)選擇原料
原材料是建筑陶瓷生產(chǎn)的重要基礎(chǔ),對(duì)于規(guī)?;墓I(yè)生產(chǎn),要求原料性能滿足生產(chǎn)需要,質(zhì)量穩(wěn)定,價(jià)格適宜。因而,對(duì)原料來源、開采加工提出了新的技術(shù)要求。
研究開發(fā)新原料和低溫快燒新技術(shù),擴(kuò)大原料來源,降低運(yùn)輸成本,實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
采用專業(yè)化生產(chǎn)、商品化供應(yīng),同時(shí)發(fā)展淘洗、分選、預(yù)均化處理、高效破碎、變速球磨、高效除鐵等技術(shù)裝備。
實(shí)行原料的標(biāo)準(zhǔn)化,把原料的物理化學(xué)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定在一個(gè)比較小的范圍內(nèi),穩(wěn)定供應(yīng),提高成品率。
(2)球磨
球磨機(jī)采用壽命長(zhǎng),球磨機(jī)負(fù)荷小,有效容積大,裝料多的內(nèi)襯。
選用高效減水劑,提高球磨效率。泥漿水分降低使原料的比例和球磨機(jī)內(nèi)的有效空間增大,提高球磨效率,同時(shí)噴霧干燥塔的產(chǎn)量也得到大幅度提高。
制定合理的料、球、水比例和球石的級(jí)配。
采用變頻技術(shù),起動(dòng)電流可比原先小3~5 倍,實(shí)現(xiàn)真正的軟起動(dòng),消除起動(dòng)時(shí)的沖擊,延長(zhǎng)機(jī)軸、齒輪、皮帶等機(jī)械零件的使用壽命,減少維修費(fèi)用,同時(shí)可方便地設(shè)定研磨時(shí)間,加磨時(shí)間和自動(dòng)停機(jī)功能,使操作更加智能化,人性化。
采用連續(xù)球磨機(jī),球磨時(shí)給排料完全自動(dòng)化,不需要停機(jī),易制濃漿,使后面的噴霧干燥過程節(jié)約能量,可節(jié)省能耗10~35%。
(3)噴霧干燥制粉
降低泥漿水分,在優(yōu)化工藝配方的同時(shí),優(yōu)化減水劑的種類與比例。
合理利用回收的微細(xì)粉,將旋風(fēng)收塵器收集下來的微細(xì)粉與噴霧干燥塔制得粉料用皮帶輸送到料倉,達(dá)到混合均勻的目的,而不是將微細(xì)粉丟棄或重新制漿。
采用干法造粒,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球磨和噴霧干燥制粉兩道工序,可節(jié)約燃料70~80%,節(jié)水70~75%,節(jié)電30~50%。但由于干粉中含鐵較高,干粉流動(dòng)性能較差,制備出的產(chǎn)品性能不如傳統(tǒng)工藝的,因此,還需要改進(jìn)工藝。
(4)壓制成型
采用大噸位、節(jié)能型壓機(jī)。大噸位壓機(jī)壓力高,壓制的磚坯質(zhì)量好、合格率高,在同等產(chǎn)量的條件下,耗電少,節(jié)能效果明顯。
在布料系統(tǒng)中采用變頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù),便于操作管理人員更好了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)、縮短故障檢測(cè)排除時(shí)間、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)勞動(dòng)效率的效果。不僅可以節(jié)電,同時(shí)減少廢料的產(chǎn)生。
(5)半成品烘干
采用多層干燥技術(shù),可提高熱利用率,并減少占地面積,提高生產(chǎn)規(guī)模。
采用強(qiáng)制對(duì)流快速干燥技術(shù),將熱風(fēng)通過吹風(fēng)管對(duì)磚坯上、下表面垂直噴射,實(shí)現(xiàn)磚坯的強(qiáng)制對(duì)流干燥,同時(shí)保證磚坯的均勻受熱,均勻干燥,溫度均勻。
采用余熱循環(huán)利用技術(shù),使熱風(fēng)在設(shè)備內(nèi)反復(fù)循環(huán),保持恒溫、恒濕、定量小排放,充分利用能源,減少排放,實(shí)現(xiàn)磚坯快速干燥。
(6)燒成工藝
采用一次燒成工藝,與二次燒成相比,一次燒成的能耗要小得多,但由于一次燒成對(duì)坯體的成分和釉的要求都很高,該工藝采用低溫快燒工藝,不但可以增加產(chǎn)量,節(jié)約能耗,,而且還可以降低成本。
采用預(yù)燒結(jié)技術(shù),當(dāng)壓制成形后,坯體不經(jīng)過干燥工序,而直接快速干燥與預(yù)燒結(jié),其最高溫度在900℃左右,這一階段瓷坯沒有燒結(jié)完全,但已有足夠的硬度和強(qiáng)度來完成施釉等工序,最終坯、釉的燒結(jié)一起完成,僅需10~15min。這一工藝可用相對(duì)低廉的原材料,可總體節(jié)約制造過程中40%的能。
(7)施釉
選擇先進(jìn)設(shè)備,減少釉料損失。在施釉的整個(gè)過程中,一般有15~20%的損失,大多數(shù)難以回收,應(yīng)采取措施加以回收利用。
表3 典型陶瓷輥道窯的熱平衡表Tab.3 Heat balance of a typical ceramic roller hearth kiln
采用噴墨打印技術(shù),該技術(shù)能逼真地表現(xiàn)所選素材的肌理與顏色,呈現(xiàn)瓷磚立體造面的設(shè)計(jì)效果,并能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到消費(fèi)者個(gè)性化的審美需求,大大縮短生產(chǎn)周期。
(8)濕法磨邊
采用半干磨免干燥技術(shù),通過對(duì)磨邊線水噴頭及磨頭隔水改造,使磚坯在削磨過程中大大減少水的吸入量,直接包裝進(jìn)倉,無須進(jìn)行后面的干燥處理。
(9)其它節(jié)能技術(shù)
加強(qiáng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高自主創(chuàng)新能力,增加產(chǎn)品附加值。
通過優(yōu)化設(shè)計(jì),縮短配電線路,選擇合適截面的導(dǎo)線以及配置合理的配電設(shè)備等以降低配電損耗。安裝電力電容器,提高功率因數(shù)。
積極推動(dòng)綠色照明工程的實(shí)施,積極推廣采用高壓鈉燈、熒光燈等新型節(jié)能燈具。優(yōu)化廠房的采光設(shè)計(jì),充分利用自然光達(dá)到照明節(jié)能。
加強(qiáng)企業(yè)節(jié)能管理工作,制定節(jié)能獎(jiǎng)懲制度。
建立能源管理中心。
自上世紀(jì)80 年代初輥道窯投入我國(guó)陶瓷工業(yè)使用以來,由于輥道窯截面小、窯內(nèi)溫度均勻、快速燒成、產(chǎn)量大、能耗低、機(jī)械化自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),各個(gè)陶瓷企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都有了大幅度的提高并顯著降低了能耗。特別是近年來寬斷面輥道窯的使用、發(fā)展,使得陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量又進(jìn)一步大大提高。
表3 為筆者開發(fā)的陶瓷輥道窯熱平衡計(jì)算分析系統(tǒng)生成的一個(gè)典型陶瓷輥道窯的熱平衡表。
輥道窯的節(jié)能就是在保證產(chǎn)量和質(zhì)量前提下減少燃料燃燒熱。下面就從熱平衡表談?wù)勌沾奢伒栏G的節(jié)能技術(shù)和途徑。
(1)提高燃料的燃燒效率
采用清潔燃料,即有利于提高燃燒效率,又有利于減少有害氣體排放。
根據(jù)不同的燃料種類,采用先進(jìn)高效的燃燒裝置。
合理設(shè)計(jì)窯爐墻磚的結(jié)構(gòu)。
(2)提高燃燒熱的傳熱效率
優(yōu)化設(shè)計(jì)窯爐的結(jié)構(gòu),特別是窯爐的窯頂結(jié)構(gòu)。
采用多功能涂層材料,將其涂在窯壁耐火材料上,提高材料的輻射率,在增加窯爐內(nèi)傳熱效率的同時(shí),還可提高陶瓷纖維抗粉化能力。
入窯物料包括燃料、助燃風(fēng)、生坯、急冷風(fēng)、緩冷風(fēng)、冷卻風(fēng)。它們帶入的顯熱所占比例很小。要增加這部分熱收入,有以下途徑:
(1)提高助燃風(fēng)的溫度。以回收的煙氣帶出顯熱和抽熱風(fēng)帶出顯熱作為熱源。
(2)提高燃料的溫度。以回收的煙氣帶出顯熱和抽熱風(fēng)帶出顯熱作為熱源。
(3)提高生坯的入窯溫度。生坯在入窯前要進(jìn)行干燥,應(yīng)當(dāng)盡可能減少從干燥窯到燒成窯途中的熱量散失。
(4)急冷風(fēng)、緩冷風(fēng)、冷卻風(fēng)目的都是冷卻,沒有必要提高它們的溫度來增加它們帶入的顯熱。
產(chǎn)品從冷卻帶出來后,溫度都比環(huán)境溫度高,帶出的這部分顯熱將散熱到環(huán)境中,所以,應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品出窯溫度來減少產(chǎn)品帶出的顯熱。
該項(xiàng)熱支出是由入窯生坯的含水量和入窯溫度決定的。
(1)降低生坯的含水量。
(2)提高生坯的入窯溫度。
這項(xiàng)熱支出是由坯體的原料、配方及工藝條件來決定的,在工藝配方確定的情況下,這項(xiàng)熱支出是不變的。
(1)采用超低溫配方燒成,實(shí)現(xiàn)低溫快燒。據(jù)文獻(xiàn),若燒成溫度降低100℃,則單位產(chǎn)品熱耗可降低10%以上,燒成時(shí)間縮短10%,產(chǎn)量增加10%,節(jié)約生產(chǎn)成本。
(2)采用瓷磚薄型化技術(shù),可大大降低產(chǎn)品單位面積熱耗,同時(shí)節(jié)省大量的礦物原料。
抽濕煙氣主要是燃料和助燃風(fēng)在窯爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)后被排除的濕煙氣,比較臟,是廢氣處理的主要對(duì)象。主要從兩個(gè)方面考慮:
(1)減少抽濕煙氣帶出顯熱
選擇單位熱值產(chǎn)生煙氣量較少的燃料。
設(shè)計(jì)高效燃燒裝置,利用智能控制系統(tǒng),合理控制空氣系數(shù),使燃料完全燃燒。對(duì)于不同的燃料和不同的陶瓷產(chǎn)品燒成,其空氣系數(shù)有所不同。如果空氣系數(shù)大了,過多的空氣不但增加了煙氣量,還降低了窯內(nèi)煙氣溫度,不利于燒成;空氣系數(shù)小了又造成燃料不完全燃燒,降低燃燒溫度,生成的炭粒和CO 污染制品。
可以部分或全部利用濕煙氣于輥道式干燥窯,濕煙氣即可降低干燥窯頭坯體干燥速度,減少開裂炸磚等缺陷,又可充分利用濕煙氣中的余熱,節(jié)能降耗。
采用富氧燃燒技術(shù),減少助燃風(fēng)中的無用氣體。一般,空氣中含有的約79%體積的非燃燒反應(yīng)氣體N2,將煙氣中的一大部分被排出。
(2)回收抽濕煙氣帶出顯熱
采用熱交換器,將抽濕煙氣大部分顯熱交換出來給空氣,作為窯爐的助燃風(fēng)或用于干燥坯體等。因?yàn)槌闈駸煔夂趿坎桓撸兴趾鸵恍┯袡C(jī)雜質(zhì),所以,通過熱交換器來換熱。
采用熱交換器,將顯熱交換出來給其它安全工質(zhì),作為其它能源之用。
通過保溫管道送到噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐,用于補(bǔ)充熱量以滿足噴霧干燥塔所需溫度,制備坯體粉料。
采用余熱發(fā)電技術(shù)回收利用??砂淹囬g或附近的幾條窯的廢煙氣匯合后用于余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行余熱發(fā)電。
抽熱風(fēng)主要是急冷風(fēng)和冷卻風(fēng)吸收熱后被排除的風(fēng),比較干凈,是很好的余熱利用資源。也從兩個(gè)方面考慮:
(1)減少抽熱風(fēng)帶出顯熱
在燒成制度不變的情況下,產(chǎn)品由燒成區(qū)出來后,產(chǎn)品帶出的顯熱是不變的,這部分顯熱將轉(zhuǎn)換為抽熱風(fēng)帶出顯熱、冷卻帶的窯體表面散熱和產(chǎn)品帶出顯熱,如果冷卻帶的窯體保溫性能不變,則抽熱風(fēng)帶出顯熱和產(chǎn)品帶出顯熱的總和是不變的。所以,在這種情況下,要同時(shí)減少抽熱風(fēng)帶出顯熱和產(chǎn)品帶出顯熱是不可能。因此,最好的方法是盡可能減少產(chǎn)品帶出顯熱,適當(dāng)增加抽熱風(fēng)帶出顯熱,然后回收利用抽熱風(fēng)帶出顯熱。
(2)回收抽熱風(fēng)帶出顯熱
直接利用作為窯爐的助燃風(fēng)或用于干燥窯干燥坯體等。因?yàn)槌闊犸L(fēng)含氧量很高,比較干凈。
在窯爐的助燃風(fēng)和干燥坯體都用不完這部分顯熱的情況下,可以考慮將剩余的抽熱風(fēng)與抽濕煙氣混合送入噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐,用于制備坯體粉料。
采用余熱發(fā)電技術(shù)回收利用。
由于陶瓷的燒成制度比較嚴(yán)格,在回收利用抽濕煙氣帶出顯熱和抽熱風(fēng)顯熱的時(shí)候,不能影響窯爐的燒成制度和壓力制度,從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,要采用智能控制系統(tǒng)來回收利用這部分顯熱。
(1)采用清潔燃料,即有利于提高燃燒效率,又有利于減少有害氣體排放。
(2)根據(jù)不同的燃料種類,采用先進(jìn)高效的燃燒裝置。如采用二次預(yù)混合燒嘴,節(jié)能可達(dá)10%左右
(3)合理設(shè)計(jì)窯爐槍磚的結(jié)構(gòu)。
(1)優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu),減少窯壁散熱。
(2)合理地選用低蓄熱、容重小、強(qiáng)度高、隔熱性能好的耐火材料作為窯體的砌筑材料。
(3)在窯內(nèi)壁噴涂新型紅外熱輻射涂料。
(4)當(dāng)窯體表面溫度較高時(shí),可以采用熱電材料或低溫余熱發(fā)電技術(shù)將這部分散熱回收利用。
建筑陶瓷是我國(guó)建材工業(yè)的重要組成部分,隨著我國(guó)居民收入水平的提高和人均居住面積的增加,對(duì)建筑陶瓷的需求十分旺盛。我國(guó)建陶行業(yè)發(fā)展應(yīng)圍繞綠色制造、節(jié)能減排的重大需求,開展原料標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)裝備技術(shù)更新、新產(chǎn)品研究與開發(fā)方等技術(shù)攻關(guān),大力開發(fā)節(jié)能型、環(huán)境友好型產(chǎn)品、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),從而推動(dòng)我國(guó)建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。在建筑陶瓷生產(chǎn)過程中,應(yīng)大力推進(jìn)建筑陶瓷行業(yè)節(jié)能減排工作,調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加大技術(shù)創(chuàng)新力度,形成低投入、低消耗、低排放和高效率的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式。在建筑陶瓷消費(fèi)過程中,應(yīng)鼓勵(lì)消費(fèi)者選擇低能耗、環(huán)保型的產(chǎn)品,倡導(dǎo)低碳生活方式。
1 曾令可,李萍,劉艷春.陶瓷窯爐實(shí)用技術(shù).北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2010.4
2 曾令可,鄧偉強(qiáng).廣東省陶瓷行業(yè)的能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施.佛山陶瓷,2006(2):1~4
3 李萍,閻常峰,曾令可等.燃?xì)馊紵?jì)算分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì).工業(yè)爐,2012,34(2):37~40
4 李萍,曾令可,閻常峰等.陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法的若干問題探討.陶瓷,2012(1):31~33
5 李萍,曾令可,程小蘇等.預(yù)混式二次燃燒系統(tǒng)的節(jié)能減排效果.中國(guó)陶瓷工業(yè),2010,17(4):42~46