建筑陶瓷企业废气处理现状分析

黄玉琼，殷 茵

(1.南昌航空大学 环境与化学工程学院，江西 南昌 330063；2.江西省环境保护厅 环境工程评估中心，江西 南昌 330077)

0 引 言

中国是陶瓷生产大国，建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷产量多年居世界第一。据2017 年统计，建筑陶瓷年产量101.5 亿平方米，占世界总产量63%。江西是中国产陶最早的省份之一[1]，11%以上的建筑陶瓷企业分布在江西，而地级市中，景德镇有430 多家陶瓷生产企业，企业数量为全国之最，省内集中度也高达84.1%，享有“中国瓷都”的美名。尤其是近几年全国范围内城市基础建设的持续升温和房地产开发、工业园区建设及各类工程项目的开工，使得建筑陶瓷企业一直呈强劲发展态势，极大地满足了人们生产生活需要的同时，高能耗、高排放的陶瓷生产又使自然生态环境，特别是大气环境压力日益增大。我们既要金山银山，又要绿水青山，与大气环境问题紧密相关的陶瓷企业废气排放及处理现状备受关注。通过深入建筑陶瓷生产过程中的各个产污环节，了解目前建筑陶瓷企业废气排放处理现状，发现存在的问题，提出改进建议，对陶瓷行业的可持续发展具有重要意义。

1 陶瓷生产工艺废气产污环节分析

建筑陶瓷生产工艺大体相同，主要经原料制备（制浆、制粉）、成型、干燥、素烧、施釉、烧成等工序制成陶瓷产品，对于以煤制气或水煤浆为燃料的，还包括燃料制备工序。以陶瓷砖生产为例，其具体生产工艺过程从烧成工艺上可分为一次烧成工艺及二次烧成工艺，二次烧成工艺又分为高温素烧、低温釉烧工艺及低温素烧、高温釉烧工艺，部分产品有采用三次烧成的工艺；从制粉工艺上分为干法制粉和湿法制粉工艺。湿法制粉生产干压砖工艺流程及主要产污环节如图1所示。

图1 建筑陶瓷生产工艺流程及主要产污环节Fig.1 Building ceramic production process and main pollution link

涉及废气产排的环节贯穿陶瓷生产全程，具体包括：原料堆放、粉状原料贮存过程中产生的粉尘；块状原料通过破碎机粉碎后，各种原料、釉料按配比称量，通过可移动式皮带输送机将原料输送到球磨机进行球磨，部分企业采用干式球磨，产生粉尘量较大。

经过过筛、除铁环节后一般采用喷雾干燥塔制备粉料：水煤浆炉燃烧热气进入喷雾干燥塔顶部的热空气分配器，使热空气均匀地呈旋转状进入干燥室。泥浆经制浆过程后由高压泥浆柱塞泵抽取喷入喷雾干燥塔内，将泥浆雾化，使泥浆液滴的表面积增大，与热空气相接触，使水份迅速蒸发，在极短的时间里泥浆干燥成为具有一定颗粒级和水份的粉料，分别经振动筛、皮带输送机和斗提机送入粉料仓。在此过程中产生的喷雾干燥废气包括：喷雾干燥燃料燃烧产生颗粒物、SO2、NOx以及浆料受热挥发产生氯化物、氟化物、挥发性有机物、重金属等。在湿法制粉所使用的喷雾干燥塔热风炉是典型的高温窑炉，也是大气污染物排放的主要来源。

粉料陈腐后，经过振动筛、皮带输送机等送入压砖机料斗中，经压型、脱膜、分坯、清扫后，通过翻坯机进入输送带，送入烘干窑炉内烘干。在此过程中，干法成型和加温成型过程产生的热气中含有颗粒物、SOx、NOx、CO、Pb 和挥发性有机物，其中使用塑化剂较多的成型工艺，有机污染物特征排放明显。干燥过程中供热燃料燃烧产生颗粒物，原料受热挥发产生氯化物、氟化物以及挥发性有机物。

烧成环节中，燃料燃烧废气产生烟尘、SO2、NOx，坯料、釉料在高温环境下还可能会释放的氟化物、氯化物、重金属以及挥发性有机物。颗粒物主要来源于燃料和坯体附着粉尘及坯体在窑炉内高温释放出的铅及其化合物、镉及其化合物、镍及其化合物；铅、镉、镍及其化合物主要来源于陶瓷色、釉料添加含有重金属的原料。窑炉烟气中的SO2主要来自于含硫燃料（煤、石油等），其次来自于原料中的含硫杂质。

陶瓷原料中硫酸盐在高温下分解和氧化成SO2，坯体粉料在喷雾干燥塔中吸收热风炉中燃料燃烧时产生的硫氧化合物，含硫化合物在烧成窑炉内经过高温燃烧生成SO2气体。此外，后期的切割、磨边等加工工序会产生粉尘污染。

2 陶瓷废气治理现状

本文以尽可能选择具有完整的处理设施、处于正常生产状态、处理设施前后均具备采样条件为原则，选取了江西陶瓷生产企业主要分布集中区：景德镇、萍乡，20 个具有代表性的建筑陶瓷企业展开调研。

2.1 颗粒物治理情况

从调研企业中选取10 家较为典型的陶瓷企业，对其废气排放情况进行分析，以水煤浆为燃料的企业在治理前废气颗粒物的产生浓度最高；其次是以水煤气、焦化气为燃料的企业，以天然气为燃料的企业治理前颗粒物产生浓度最低。通过使用旋风除尘、碱水喷淋除尘、布袋除尘等技术措施后，均能达到较高的除尘效率，处理后颗粒物浓度明显降低，除尘效果显著。设施处理程度在80.4%-99%之间，平均处理程度达95.4%，处理水平领先。处理后颗粒物的排放浓度在9.4-29.0mg/m3，主要集中在15-25mg/m3之间，低于国家规定的30 mg/m3排放标准，达标排放。

2.2 二氧化硫治理情况

从调研企业中选取10 家典型的陶瓷企业，对其生产排放的二氧化硫进行分析。以天然气为燃料的企业生产排放的二氧化硫浓度明显低于以水煤气和水煤浆为燃料的企业，并且脱硫处理前部分企业二氧化硫排放浓度就低于国家排放限值；以水煤气为燃料产生的二氧化硫浓度低于以水煤浆为燃料产生的浓度；以水煤浆为燃料的企业二氧化硫处理前远高于国家排放限值。企业废气处理程度在64%-91.6%之间，平均处理程度为75.4%，说明二氧化硫处理处于中等水平。经脱硫设施处理后二氧化硫排放浓度低于40mg/m3，主要集中在35mg/m3以下，低于国家规定50mg/m3的排放限值。脱硫处理技术对降低二氧化硫的排放效果明显。

表1 陶瓷生产废气中颗粒物处理情况Tab.1 Treatment of particulate matters in waste gas from ceramic production

大多数企业在喷雾干燥塔采用旋风除尘同时增加碱水喷淋洗涤以达到除尘脱硫效果。部分大型企业安装脱硫塔，把窑炉产生的废气汇集经脱硫塔处理达标后排放。

图2 陶瓷企业二氧化硫处理情况Fig.2 Sulfur dioxide treatment at ceramic enterprises

2.3 氮氧化物治理情况

从调研企业中选取10 家较为典型的陶瓷企业，对其生产排放的氮氧化物进行分析。所选的10 家企业的氮氧化物处理后排放的浓度在18-178 mg/m3之间，主要集中在60-130mg/m3之间，低于国家最新规定氮氧化物排放浓度180mg/m3的要求。企业废气处理程度在33%-75%之间，差异较大，平均处理程度为 58.4%，处理水平较低。由于不同企业采用的处理设备不同，处理效果有所不同。此外，即使采用相同的处理设备，企业对处理技术掌握的程度不同，也会造成处理效率存在较大差异。

氮氧化物的来源有三个，对于一般的陶瓷烧成过程，燃料型NOx生成是主要原因；其次是热力型NOx，快速型NOx几乎没有[2]。一般的陶瓷窑炉烧成范围（1100-1400℃）内，热力型NOx对NO 生成的作用较小，而主要受到窑内烟气的流速以及来自燃料型NOx的影响[3]。陶瓷烧成的温度越高，产生的NOx量越多；空气过剩系数越大，氧氮的浓度越大，则NOx越容易生成；陶瓷窑炉内高温区越长，气体在高温区停留时间越长，则NOx产生得越多。NOx的生成速率随着烧成过程中升温速度增大而增大。目前，喷雾干燥塔烟气脱硝主要采用选择性非催化还原技术（SNCR），采取SNCR 技术，脱硝效率可超过50%，NOx排放浓度可控制在100mg/m3以下，也有企业采用湿法多污染物协同控制技术。

图3 陶瓷企业氮氧化物处理情况Fig.3 Nitrogen oxide treatment at ceramic enterprises

调研企业使用的燃料种类较多，在窑炉烧成中使用的燃料主要有天然气、水煤气、水煤浆，其中水煤气和水煤浆含氮量较高，窑炉烟气中氮氧化物的主要来源于此。窑炉内温度不均容易使氮氧化物浓度升高，此外，风配比增大窑炉内含氧量增加使窑炉内显现出氧化性气氛，不利于氮氧化物还原，使氮氧化物浓度升高。企业在这方面的技术把控参差不齐，需要不断改进技术，完善操作管理。

2.4 铅、镉、镍及其化合物治理情况

从调研企业中选取10 家处理设备水平相近的企业，对其排放的重金属进行分析，发现所选的9家企业经处理后废气排放中铅及其化合物浓度都达到了国家规定的0.1 mg/m3的要求。其中有1 家企业超过了国家标准的0.015 倍，镉及其化合物和镍及其化合物经处理后都分别低于国家0.1mg/m3、0.2mg/m3的要求，达标排放。

一般陶瓷原料中铅、镉、镍等重金属含量较低，所使用的燃料天然气属于清洁能源，燃料煤中金属物质比较少见，一般不会存在向大气释放问题。但在陶瓷色、釉料和花纸中常常含有浓度较高的重金属。釉料的颜色与重金属含量有一定的关系，釉料中铅含量较高以蓝色为主，镍以黑色和灰色为主，颜色越深含重金属越高[3]，释放的浓度越大。此外，色料、釉料配方中还可能加入一些有毒有害的化工原料，如氧化锌、铅丹、硫化镉及稀土元素等[4]。虽然我国已经有企业研制出无铅无镉的颜料，但由于成本、技术等原因尚未得到推广。

表2 陶瓷生产废气中铅、镉、镍及其化合物治理情况Tab.2 Treatment of lead,cadmium,nickel and their compounds in waste gas from ceramic production

3 陶瓷废气污染物治理措施建议

3.1 颗粒物治理建议

调研企业中，处理前各陶瓷企业生产过程中颗粒物的产生量差异较大。经过处理后，均能达到排放标准要求，而且处理效率均达到90%以上，说明颗粒物处理技术较为成熟，应不断推广应用。

目前，减少陶瓷生产过程中产生的颗粒物排放采取的主要措施是安装除尘设备。常用的除尘器主要有旋风除尘器、湿式除尘器、花岗岩水膜除尘器；此外，静电除尘器、机械除尘器等也有少量应用。不同的处理设备，处理效果有所差异，袋式除尘器除尘效率可达到95-99%，除尘效率高；水膜除尘器除尘效率可达90% 以上，除尘效果明显。静电除尘器对细粉尘有很高的捕集效率，可高达99%。喷雾干燥塔主要采用安装袋式除尘器控制烟气颗粒物。对于陶瓷窑烟气颗粒物控制，由于其初始浓度不高，一般通过湿法脱硫协同除尘。但湿法脱硫后，烟气夹带雾滴中会有颗粒物，建议在脱硫吸收塔增加除雾设施或水洗喷淋系统以达到脱硫除尘的目的。

3.2 二氧化硫治理建议

使用不同燃料的企业处理前二氧化硫的产生量具有显著的差异。使用清洁能源的企业处理前二氧化硫浓度明显低于燃煤企业，经脱硫处理后，均能达到国家排放标准。说明脱硫处理技术对降低二氧化硫的排放效果明显。

处理陶瓷行业烟气中二氧化硫主要从两个方面进行：一是通过采用清洁能源，如天然气，从源头降低二氧化硫的排放；二是采用脱硫技术，如湿法脱硫、干法脱硫等[5]。采用不同的脱硫处理设备，其脱硫效果有所不同。目前，大多数企业采用的是湿法脱硫技术，一方面是因为湿法脱硫效率高，其中简易湿法应用最为普遍。另一方面由于工艺简单、技术成熟、石灰石、石灰价廉易得，脱硫成本较低，仍是主要的湿法烟气脱硫技术[6]。喷雾干燥法、活性碳吸附法和双碱法等工艺也有应用。在生产末端对硫进行处理需要投入大量资金，许多企业已经在逐渐推行“煤改气”，使用清洁能源，从源头上减少二氧化硫等污染物的排放。

3.3 氮氧化物治理建议

调研的企业处理后氮氧化物的排放浓度均低于国家标准，但排放浓度值相对较高，处理效率不高。一方面的原因是脱硝技术还不够成熟，操作技术不当，使处理效率不高；另一方面的原因是处理设备老旧，保养不善，增加了氨氮逸出量。减少氮氧化物的排放需要企业对环保事业的重视，加大对处理设备设施的投入力度，引进新技术，注重对处理设施的保养维护。

3.4 铅、镉、镍及其化合物治理建议

陶瓷原料中的重金属元素含量较低，但陶瓷色、釉中常含有浓度不等的重金属。釉料中的铅、镉、镍、铜、锌等重金属元素易在高温环境下挥发扩散，进入烟气中，通常以固体颗粒物形式存在。坯料中还会加入一些工业添加剂，如：氯化钠、硅酸钠、塑化剂等来改变陶瓷坯体、釉浆的物理性能，烧成过程中将会转化为气态污染物排放。此外，陶瓷装饰的花纸、颜料中常含有铅和镉等重金属，这些重金属在烤花或烧成过程中随粉尘以及高温产生蒸汽的形式排放到大气中，而铅、镉、镍及其化合物一般可以采用袋式除尘器进行收集处理。

4 结 语

陶瓷制造业在江西部分地区已经成为支柱性产业，生产过程中排放的废气污染也给当地的大气污染防治产生巨大压力。本次调研集中选取了景德镇和萍乡的大中型生产企业作为调研对象，生产规范化程度高，设施设备也相对齐全。但一些小型企业，特别是小作坊生产，设备设施简陋，环保设施的投入不足，产生的污染不容忽视。一方面，政府部门需要加强监督监管，严格执法。推行使用天然气等清洁能源，从源头减少废气污染物的产生，引导企业进行清洁生产，将能耗最少化，废物减量化，效益最大化。另一方面，企业应不断探索革新生产技术，加大对环保设施的投入，减少生产过程产生的污染，实现绿色生产，自觉承担起企业应有的社会责任。