建筑陶瓷生产过程的节能技术

李 萍 曾令可 吴细桂 阎常峰 程小苏 王 慧 李彦斌

（1.中国科学院广州能源研究所，广东广州 510640；2.华南理工大学，广东广州 510640；3.广东新明珠陶瓷集团，广东佛山 528318）

0 建筑陶瓷的能耗现状

目前，在我国经济快速发展，能源相对缺乏的情况下降低能耗提高经济效益已成为任何企业的首要任务，特别是能源消耗大户——陶瓷企业更是如此。我国建筑陶瓷产量在世界上遥遥领先，但总体上存在产品档次低、能耗高、资源消耗大、综合利用率低、生产效率低等问题。

广东地区建筑陶瓷企业能源消耗主要以原煤、电力、柴油等为主。其中原煤是通过煤气发生炉加工转换为煤转气，作为窑炉燃料，小部分原煤加工为水煤浆，用于喷雾塔喷雾造粒；电力主要消耗在球磨、球釉、成型、磨边、抛光等生产环节；柴油主要消耗在发电机与运输装置等。能源结构见表1。

建筑陶瓷企业的主要用能设备包括：球磨机、喷雾干燥塔、压机、窑炉、风机、磨边机、抛光机等。其中窑炉是最关键的热工设备，也是耗能最大的设备，占总能耗的60%以上。而电力的消耗主要以球磨机、压机、窑炉、风机、磨边机、抛光机等设备为主，另外还包括办公及生活用电。单位产品能耗情况见表2。

1 企业用能存在的问题

1.1 管理上的问题

（1）能源管理制度尚不健全，相关配套机制也有待进一步完善，专门人员尚未配备，由相关部门或人员代管的现象较为普遍。

（2）在能源计量系统管理方面，能源计量器具尚不到位，对各工序及主要动力设备的计量器具配置及校验相对较弱，存在一定的缺陷。油、气、电的三级计量仪表配置不完善，尚未建立齐全的计量器具档案。

（3）能源管理方面落实不到位，工作细致化程度不够，节能监测工作力度不够，员工节能意识不足。一些企业节能监测工作开展不够及时，不能及时掌握主要耗能设备的能源消耗和能源利用率，对生产工艺的用能状况以及整个企业能源利用效率的状况不明。在车间能源管理上比较薄弱，在落实节能降耗措施上方法显得有点单一，执行力度不强，节能措施实施效果并不明显。

表1 能源结构Tab.1 Energy structure

表2 单位产品能耗Tab.2 The energy consumption per unit products

1.2 设备上的问题

不少企业部分设备比较陈旧，更新周期较长，多数旧设备能耗比较高。设备的保养、维护、润滑不到位，致使设备的有效利用率较低。建筑陶瓷企业的风机、压机、球磨机等都是大功率设备，启动负载功率大，电流大，轻载、重载变化频率高，耗电较大。而多数企业并未对这些设备进行一些相应的节能技改措施以减少耗电量。另外，一些功耗大，效率低设备的辅助节能设备也需要进一步加强配备。

1.3 工艺技术上的问题

（1）喷雾造粒中料浆含水率偏高。很多企业料浆含水率在34～35%，水份含量较高，使得料浆水份汽化用热比较高，造成喷雾塔能耗较高。

（2）多数企业的窑炉热效率不高，窑体散热大，使得窑炉用能中有相当部分能源以窑炉冷却风余热、窑炉尾气余热、窑炉墙体散热等形式浪费掉，同时造成了环境的热污染。因此，窑炉的余热、余能的综合利用还有待加强。

（3）煤气发生炉产生的炉渣及原煤中的粉煤没有充分利用。煤气发生炉产生的炉渣含煤量在14～20%，热值达600～800kcal/kg。同时，原煤夹杂及破碎过程中产生的大约10%粉煤不能用于煤气发生炉，部分企业用于制备水煤浆，大部分企业未利用，浪费比较大。企业基本未对这些能源尤其是炉渣进行有效利用，造成较大的浪费。

2 从工序谈建筑陶瓷的节能技术

建筑陶瓷典型的工艺流程如下：选择原料→坯体配料→球磨→喷雾干燥制粉→压制成型→半成品烘干→一次烧成（素烧）→喷水→淋底釉→淋面釉→印花→二次烧成（釉烧）→湿法磨边→干燥→分级→包装。

在建筑陶瓷生产工艺流程中，能源主要消耗在喷雾干燥制粉、半成品烘干和辊道窑烧成（包括素烧和釉烧）等环节，占总能耗的70～80%，因此提高这三个环节的能源利用效率是建筑陶瓷生产企业节能的主要途径，其中以辊道窑烧成环节的节能最为关键。下面从工序谈谈建筑陶瓷的节能技术。

（1）选择原料

原材料是建筑陶瓷生产的重要基础，对于规模化的工业生产，要求原料性能满足生产需要，质量稳定，价格适宜。因而，对原料来源、开采加工提出了新的技术要求。

研究开发新原料和低温快烧新技术，扩大原料来源，降低运输成本，实现节能。

采用专业化生产、商品化供应，同时发展淘洗、分选、预均化处理、高效破碎、变速球磨、高效除铁等技术装备。

实行原料的标准化，把原料的物理化学性能长期稳定在一个比较小的范围内，稳定供应，提高成品率。

（2）球磨

球磨机采用寿命长，球磨机负荷小，有效容积大，装料多的内衬。

选用高效减水剂，提高球磨效率。泥浆水分降低使原料的比例和球磨机内的有效空间增大，提高球磨效率，同时喷雾干燥塔的产量也得到大幅度提高。

制定合理的料、球、水比例和球石的级配。

采用变频技术，起动电流可比原先小3～5 倍，实现真正的软起动，消除起动时的冲击，延长机轴、齿轮、皮带等机械零件的使用寿命，减少维修费用，同时可方便地设定研磨时间，加磨时间和自动停机功能，使操作更加智能化，人性化。

采用连续球磨机，球磨时给排料完全自动化，不需要停机，易制浓浆，使后面的喷雾干燥过程节约能量，可节省能耗10～35%。

（3）喷雾干燥制粉

降低泥浆水分，在优化工艺配方的同时，优化减水剂的种类与比例。

合理利用回收的微细粉，将旋风收尘器收集下来的微细粉与喷雾干燥塔制得粉料用皮带输送到料仓，达到混合均匀的目的，而不是将微细粉丢弃或重新制浆。

采用干法造粒，代替传统的球磨和喷雾干燥制粉两道工序，可节约燃料70～80%，节水70～75%，节电30～50%。但由于干粉中含铁较高，干粉流动性能较差，制备出的产品性能不如传统工艺的，因此，还需要改进工艺。

（4）压制成型

采用大吨位、节能型压机。大吨位压机压力高，压制的砖坯质量好、合格率高，在同等产量的条件下，耗电少，节能效果明显。

在布料系统中采用变频网络技术，便于操作管理人员更好了解生产现场和自控设备的运行状态，达到优化生产工艺参数、缩短故障检测排除时间、减少劳动强度、提高生产劳动效率的效果。不仅可以节电，同时减少废料的产生。

（5）半成品烘干

采用多层干燥技术，可提高热利用率，并减少占地面积，提高生产规模。

采用强制对流快速干燥技术，将热风通过吹风管对砖坯上、下表面垂直喷射，实现砖坯的强制对流干燥，同时保证砖坯的均匀受热，均匀干燥，温度均匀。

采用余热循环利用技术，使热风在设备内反复循环，保持恒温、恒湿、定量小排放，充分利用能源，减少排放，实现砖坯快速干燥。

（6）烧成工艺

采用一次烧成工艺，与二次烧成相比，一次烧成的能耗要小得多，但由于一次烧成对坯体的成分和釉的要求都很高，该工艺采用低温快烧工艺，不但可以增加产量，节约能耗,，而且还可以降低成本。

采用预烧结技术，当压制成形后，坯体不经过干燥工序，而直接快速干燥与预烧结，其最高温度在900℃左右，这一阶段瓷坯没有烧结完全，但已有足够的硬度和强度来完成施釉等工序，最终坯、釉的烧结一起完成，仅需10～15min。这一工艺可用相对低廉的原材料，可总体节约制造过程中40%的能。

（7）施釉

选择先进设备，减少釉料损失。在施釉的整个过程中，一般有15～20%的损失，大多数难以回收，应采取措施加以回收利用。

表3 典型陶瓷辊道窑的热平衡表Tab.3 Heat balance of a typical ceramic roller hearth kiln

采用喷墨打印技术，该技术能逼真地表现所选素材的肌理与颜色，呈现瓷砖立体造面的设计效果，并能在较短时间内达到消费者个性化的审美需求，大大缩短生产周期。

（8）湿法磨边

采用半干磨免干燥技术，通过对磨边线水喷头及磨头隔水改造，使砖坯在削磨过程中大大减少水的吸入量，直接包装进仓，无须进行后面的干燥处理。

（9）其它节能技术

加强产品结构调整，提高自主创新能力，增加产品附加值。

通过优化设计，缩短配电线路，选择合适截面的导线以及配置合理的配电设备等以降低配电损耗。安装电力电容器，提高功率因数。

积极推动绿色照明工程的实施，积极推广采用高压钠灯、荧光灯等新型节能灯具。优化厂房的采光设计，充分利用自然光达到照明节能。

加强企业节能管理工作，制定节能奖惩制度。

建立能源管理中心。

3 从热平衡看陶瓷辊道窑的节能技术和途径

自上世纪80 年代初辊道窑投入我国陶瓷工业使用以来，由于辊道窑截面小、窑内温度均匀、快速烧成、产量大、能耗低、机械化自动化程度高等优点，各个陶瓷企业的产品质量和产量都有了大幅度的提高并显著降低了能耗。特别是近年来宽断面辊道窑的使用、发展，使得陶瓷产品的质量与产量又进一步大大提高。

表3 为笔者开发的陶瓷辊道窑热平衡计算分析系统生成的一个典型陶瓷辊道窑的热平衡表。

辊道窑的节能就是在保证产量和质量前提下减少燃料燃烧热。下面就从热平衡表谈谈陶瓷辊道窑的节能技术和途径。

3.1 燃料燃烧热

（1）提高燃料的燃烧效率

采用清洁燃料，即有利于提高燃烧效率，又有利于减少有害气体排放。

根据不同的燃料种类，采用先进高效的燃烧装置。

合理设计窑炉墙砖的结构。

（2）提高燃烧热的传热效率

优化设计窑炉的结构，特别是窑炉的窑顶结构。

采用多功能涂层材料，将其涂在窑壁耐火材料上，提高材料的辐射率，在增加窑炉内传热效率的同时，还可提高陶瓷纤维抗粉化能力。

3.2 入窑物料带入显热

入窑物料包括燃料、助燃风、生坯、急冷风、缓冷风、冷却风。它们带入的显热所占比例很小。要增加这部分热收入，有以下途径：

（1）提高助燃风的温度。以回收的烟气带出显热和抽热风带出显热作为热源。

（2）提高燃料的温度。以回收的烟气带出显热和抽热风带出显热作为热源。

（3）提高生坯的入窑温度。生坯在入窑前要进行干燥，应当尽可能减少从干燥窑到烧成窑途中的热量散失。

（4）急冷风、缓冷风、冷却风目的都是冷却，没有必要提高它们的温度来增加它们带入的显热。

3.3 产品带出显热

产品从冷却带出来后，温度都比环境温度高，带出的这部分显热将散热到环境中，所以，应尽可能降低产品出窑温度来减少产品带出的显热。

3.4 坯体水分蒸发和加热水蒸气耗热

该项热支出是由入窑生坯的含水量和入窑温度决定的。

（1）降低生坯的含水量。

（2）提高生坯的入窑温度。

3.5 坯体烧成过程分解黏土耗热

这项热支出是由坯体的原料、配方及工艺条件来决定的，在工艺配方确定的情况下，这项热支出是不变的。

（1）采用超低温配方烧成，实现低温快烧。据文献，若烧成温度降低100℃，则单位产品热耗可降低10%以上，烧成时间缩短10%，产量增加10%，节约生产成本。

（2）采用瓷砖薄型化技术，可大大降低产品单位面积热耗，同时节省大量的矿物原料。

3.6 抽湿烟气带出显热

抽湿烟气主要是燃料和助燃风在窑炉内发生燃烧反应后被排除的湿烟气，比较脏，是废气处理的主要对象。主要从两个方面考虑：

（1）减少抽湿烟气带出显热

选择单位热值产生烟气量较少的燃料。

设计高效燃烧装置，利用智能控制系统，合理控制空气系数，使燃料完全燃烧。对于不同的燃料和不同的陶瓷产品烧成，其空气系数有所不同。如果空气系数大了，过多的空气不但增加了烟气量，还降低了窑内烟气温度，不利于烧成；空气系数小了又造成燃料不完全燃烧，降低燃烧温度，生成的炭粒和CO 污染制品。

可以部分或全部利用湿烟气于辊道式干燥窑，湿烟气即可降低干燥窑头坯体干燥速度，减少开裂炸砖等缺陷，又可充分利用湿烟气中的余热，节能降耗。

采用富氧燃烧技术，减少助燃风中的无用气体。一般，空气中含有的约79%体积的非燃烧反应气体N2，将烟气中的一大部分被排出。

（2）回收抽湿烟气带出显热

采用热交换器，将抽湿烟气大部分显热交换出来给空气，作为窑炉的助燃风或用于干燥坯体等。因为抽湿烟气含氧量不高，含有水分和一些有机杂质，所以，通过热交换器来换热。

采用热交换器，将显热交换出来给其它安全工质，作为其它能源之用。

通过保温管道送到喷雾干燥塔的热风炉，用于补充热量以满足喷雾干燥塔所需温度，制备坯体粉料。

采用余热发电技术回收利用。可把同车间或附近的几条窑的废烟气汇合后用于余热发电系统进行余热发电。

3.7 抽热风带出显热

抽热风主要是急冷风和冷却风吸收热后被排除的风，比较干净，是很好的余热利用资源。也从两个方面考虑：

（1）减少抽热风带出显热

在烧成制度不变的情况下，产品由烧成区出来后，产品带出的显热是不变的，这部分显热将转换为抽热风带出显热、冷却带的窑体表面散热和产品带出显热，如果冷却带的窑体保温性能不变，则抽热风带出显热和产品带出显热的总和是不变的。所以，在这种情况下，要同时减少抽热风带出显热和产品带出显热是不可能。因此，最好的方法是尽可能减少产品带出显热，适当增加抽热风带出显热，然后回收利用抽热风带出显热。

（2）回收抽热风带出显热

直接利用作为窑炉的助燃风或用于干燥窑干燥坯体等。因为抽热风含氧量很高，比较干净。

在窑炉的助燃风和干燥坯体都用不完这部分显热的情况下，可以考虑将剩余的抽热风与抽湿烟气混合送入喷雾干燥塔的热风炉，用于制备坯体粉料。

采用余热发电技术回收利用。

由于陶瓷的烧成制度比较严格，在回收利用抽湿烟气带出显热和抽热风显热的时候，不能影响窑炉的烧成制度和压力制度，从而影响产品的质量和产量。因此，要采用智能控制系统来回收利用这部分显热。

3.8 化学不完全燃烧热损失

（1）采用清洁燃料，即有利于提高燃烧效率，又有利于减少有害气体排放。

（2）根据不同的燃料种类，采用先进高效的燃烧装置。如采用二次预混合烧嘴，节能可达10%左右

（3）合理设计窑炉枪砖的结构。

3.9 窑体表面散热

（1）优化窑炉结构，减少窑壁散热。

（2）合理地选用低蓄热、容重小、强度高、隔热性能好的耐火材料作为窑体的砌筑材料。

（3）在窑内壁喷涂新型红外热辐射涂料。

（4）当窑体表面温度较高时，可以采用热电材料或低温余热发电技术将这部分散热回收利用。

4 结束语

建筑陶瓷是我国建材工业的重要组成部分，随着我国居民收入水平的提高和人均居住面积的增加，对建筑陶瓷的需求十分旺盛。我国建陶行业发展应围绕绿色制造、节能减排的重大需求，开展原料标准化、生产装备技术更新、新产品研究与开发方等技术攻关，大力开发节能型、环境友好型产品、加快产业结构调整，大力发展循环经济，从而推动我国建筑陶瓷产业持续快速发展。在建筑陶瓷生产过程中，应大力推进建筑陶瓷行业节能减排工作，调整优化产业结构，加大技术创新力度，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的经济发展方式。在建筑陶瓷消费过程中，应鼓励消费者选择低能耗、环保型的产品，倡导低碳生活方式。

1 曾令可,李萍,刘艳春.陶瓷窑炉实用技术.北京:中国建材工业出版社,2010.4

2 曾令可,邓伟强.广东省陶瓷行业的能耗现状及节能措施.佛山陶瓷,2006(2):1～4

3 李萍,阎常峰,曾令可等.燃气燃烧计算分析系统的设计.工业炉,2012,34(2):37～40

4 李萍,曾令可,阎常峰等.陶瓷辊道窑热平衡测定与计算方法的若干问题探讨.陶瓷,2012(1):31～33

5 李萍,曾令可,程小苏等.预混式二次燃烧系统的节能减排效果.中国陶瓷工业,2010,17(4):42～46