陶瓷工业的节能技术

一、前言
   
    　　改革开放以来，我国建筑卫生陶瓷产量一直高居世界首位，１９９８年陶瓷砖产量占世界总产量的３４．５％，卫生瓷占世界总产量的２３．４％。２００４年我国日用瓷、建筑瓷和卫生瓷产量均位居世界第一，其中日用瓷产量高达１３０亿件，约占世界总产量的６０％；建筑瓷砖年产量约为３０亿ｍ２，产量约占世界总产量的５０％，按２０～２４ｋｇ／ｍ２计算，则每年消耗泥料和石料６０００～７０００万吨；按每平方米消耗燃油１．４―１．５Ｌ计算每年消耗燃油高达４．２―４．５亿升。最近几年面对能源价格居高不下，就陶瓷生产而言，节能降耗将是陶瓷生产的大势所趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要条件。
   
    　　二、陶瓷工业能耗的现状
   
    　　目前，我国陶瓷工业的能源利用率与国外相比，差距较大，发达国家的能源利用率一般高达５０％以上，美国达５７％，而我国仅达到２８％一３０％。虽然我国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。在陶瓷工业的一般工艺流程中，能耗主要体现在原料的加工、成型、干燥与烧成这四部分。其中干燥和烧成工序，两者的能耗约占８０％。据有关报道，陶瓷工业能耗中约６０％用于烧成工序，约２０％用于干燥工序。在建筑卫生陶瓷方面，国内外能耗存在着一定的差距表１。
   
    　　日用陶瓷在国内烧成能耗状况：燃煤隧道窑为４１８１６～５４３６１ｋＪ／Ｋｇ瓷；折合１．４２―１．８５ｋｇ标准煤八ｇ瓷；燃油隧道窑为３３４５３～４５９９８ｋＪ／ｋｇ瓷；折合１．１４～１．５７ｋｇ标准煤／ｋｇ瓷；燃气隧道窑为２９２７１～３９７２５ｋＪ／ｋｇ瓷；折合１．００～１．３５ｋｇ标准煤／Ｋｇ瓷。而国外窑炉以气体燃料为主，烧成能耗为１２５４５～２５０９０ｋＪ／ｋｇ瓷，折合０．４３―０．８６ｋｇ标准煤／ｋｇ瓷；烧成能耗只有我国的一半左右１。
   
    　　三、陶瓷工业的节能技术
    
    　　１、陶瓷原料加工过程中的节能
   
    　　据资料记载，原料加工部分的能耗在整个陶瓷生产过程中占很大的比例，料耗用量占４９％，装机容量占７２％，因此节能潜力较大。
    
    　　１陶瓷原料的粉碎加工其中燃
   
    　　原始陶瓷原料主要是由硬质原料和软质原料组成。对陶瓷原料的粉碎加工主要体现在对于硬质原料的加工。首先应逐步减少噪音大、能耗高、难以除尘的粗中碎加工，如：粗颚式破碎机、细颚式破碎机、旋磨机等，改用质量稳定且能够及时供应的原料粉料进厂。其次，积极推进陶瓷原料的标准化、商品化和系列化生产，供给符合陶瓷工业需求的粉料，保证生产的稳定性和不可再生资源的合理利用；提高粉碎设备利用率，减少对原料车间的重复建设，有利于减少工厂原料的储备，节约场地的投资和减少城市粉尘、噪音污染。
    
    　　２陶瓷原料的细加工
   
    　　工业上广泛使用间歇式球磨机作为细磨设备，其内衬主要有燧石衬，氧化铝衬和橡胶衬。如果球磨机的内衬采用橡胶衬，既可以减小球磨机的负荷，又增加了球磨机的有效容积，产量可以提高３０～５０％，单位产品电耗降低１０～３０％。如果采用氧化铝衬则可提高球磨效率、缩短球磨周期。为了提高球磨机的效率，根据工艺配方不同向泥浆中加入高效减水剂，助磨剂并制定合理的料、球、水比例。在磨球的选择上应有合理的大中小级配成不同形状的磨球级配。在球磨时，采用氧化铝球，既可缩短球磨时间，又可节电３５％左右２。
   
    　　与国内间歇式球磨机相比，国外普遍采用连续式、大吨位球磨机进行细磨，产量可提高１０倍以上，电耗为原来的２０％。由于可以连续入料和出料，不需要停机，比间歇式球磨机节省能耗１５％～３０％；并易制浓浆，使后面的喷雾干燥过程节约能量，节省能耗２０％一３０％。与小吨位球磨机相比，大吨位球磨机可以节省能耗１０％一３０％。另外，国内外不少球磨机采用变频器改变电流频率宋调速，有可能缩短球磨周期１５％～２５％，从而减少电耗。
   
    　　３陶瓷原料的其他节能
   
    　　喷雾干燥制粉时，降低泥浆的含水量，提高热风的温度，加大进塔泥浆量，降低废气温度，产量可提高近１倍，能耗下降３０％。另外，料浆池采用间歇式搅拌，一天可节电１３５ｋｗ・ｈ，年节电４．５万ｋｗ・ｈ。
    
    　　２、陶瓷成型过程中的节能
   
    　　陶瓷成型种类繁多，不同的陶瓷成型有不同的成型方法，和日用陶瓷节能方面做一简要分析。
    
    　　１大吨位压砖机
   
    　　对于建筑陶瓷，在选择压砖机上，应选用大吨位、宽间距的压机，实现一机一窑，因为大吨位压砖机压力大，产量大，压制的砖坯质量好，合格率高。在同等条件下，电耗可减少３０％以上。目前，国产液压压砖机的最大吨位已经达到７８００ｔ，各种吨位的大型压机也已广泛应用于国内陶瓷企业，节能效果显著。
   
    　　２高中压注浆成型
   
    　　对于卫生陶瓷可采用高中压注浆成型技术，将传统石膏模依靠毛细管力吸水成型机理变为多孔塑料模压滤排水机理，使卫生瓷成型次数由ｌ天／次提高到ｌＯ－３０ｍｉｎ／次，模具寿命达２万次以上，可节省模具干燥和加热工作环境所需的热能。
    
    　　３等静压成型
   
    　　当前日用陶瓷成型工艺有滚压成型、注浆成型、塑压成型、等静压成型、高压注浆、微波注浆成型和激光快速成型，其中后半部分具有较大的发展和应用前景。从效率、节能和成熟程度宋考虑，应该采用等静压成型，其具有瓷质结构均匀致密、质量高、工序简单、无杂质、抗弯强度高、可成型复杂型、尺寸精确、生产周期短、耗能低等优点。等静压成型的最大特点是：产量大、质量好、坯体规整度好、品质规格一致、取消了石膏模和干燥工序、能适应于多种产品的生产等。
    
    　　３、陶瓷干燥过程中的节能
   
    　　据报道，选用英国ＣＤＳ公司推出的空气快速干燥器，用于日用陶瓷，干燥周期可缩短４６％～８３％，平均节能５０％。至于卧式快速辊道干燥、超热间断热空气干燥、卫生陶瓷干燥、高频干燥、微波于燥、红外线干燥和快速干燥等节能技术，在实际生产应用中干燥效果也较为显著。其中微波干燥技术备受关注。微波干燥中微波可以穿透至物料内部，使内外同时受热，蒸发时间比常规加热大大缩短，可以最大限度的加快干燥速度，极大地提高生产效率。由此而节约了大量的能源消耗，且微波能源利用率高，对设备及环境不加热，仅对物料本身加热，运行成本比传统干燥低。通过表２
   
    　　传统干燥与微波干燥在时间与能耗方面的对比，从中可以看出微波干燥的优越性。
   
    　　在相同的功率下，传统干燥时间是微波干燥的３０～３２倍，能耗为２．５倍，而生产能力则约为一半４～７。
   
    　　窑炉是陶瓷企业最关键的热工设备，也是耗能最大的设备，占６０％左右。但是窑炉设备能耗的水平，主要取决于窑炉的结构与烧成技术，其中窑炉的结构是根本，烧成技术是保证；两者相互依存，缺一不可；只有使两者合理的搭配才能既保证窑炉烧成质量的提高，又减少能源消耗。
   
    　　１烧成技术
   
    　　１采用低温快烧技术８
   
    　　在陶瓷生产中，烧成温度越高，能耗就越高。据热平衡计算，若烧成温度降低１０００Ｃ，则单位产品热耗可降低１０％以上，且烧成时间缩短１０％，产量增加１０％，热耗降低４％。因此，在陶瓷行业中，应用低温快烧技术，不但可以增加产量，节约能耗，而且还可以降低成本。因而在我国正进一步研究采用新原料，如珍珠岩、绢云母、石英片岩等配制烧结温度低的坯料，玻化温度低的釉料，改进现有生产工艺技术，建造新型窑炉，以实现低温快烧技术，降低能耗。
   
    　　２采用裸装明焰烧成技术
   
    　　目前，我国陶瓷窑炉烧成方式主要有：钵装明焰、裸装隔焰和裸装明焰。其烧成方式的特点如
    
    　　下表３
   
    　　３采用洁净液体和气体燃料
   
    　　采用洁净的液体、气体燃料，不仅是裸装明焰快速烧成的保证，而且可以提高陶瓷的质量，大大节约能源，更重要的是可以减少对环境的污染。采用洁净气体作为燃料，节能降耗明显表４
    
    　　４采用可替代的低价燃料
   
    　　究竟采用哪种气体燃料使用最经济，更符合我国国情，其又最适用于裸装明焰烧成方式。据报道，我国是世界上煤炭储量非常丰富的国家，已探明的储量预计可使用５００年以上。在能源日益趋于紧张的今天，采用低价燃料显得尤为重要。在单位产品燃料费用中，烧煤高达１．１９７元儿ｇ・产品：重油０．１３８元从ｇ・产品；发生炉冷煤气０．０９９７元／ｋｇ・产品８。因此，应大力发展发生炉冷煤气。（未完待续）
   
    　　其不仅价格低廉，而且燃烧效率高，燃料消耗低。
   
    　　二甲醚ＤＭＥ是以煤为原料生产的一种新型洁净能源，其特点主要体现在燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残液，无黑烟，成本低，节能显著等优势以及具备比液化石油气ＬＰＧ更多的优点，取代液化石油气作为民用及工业用燃料已成可能。 

   
    　　５采用先进的燃烧设备
   
    　　采用高速烧嘴提高气体流速，是强化气体与制品之间传热的有效措施，一般可比传统烧嘴节约燃料２５％－３０％。目前高速烧嘴朝着高效节能低污染发展，如高效节能环保型蓄热式烧嘴，此烧嘴优势在于当其中一个烧嘴工作时，另一个为排烟道，并蓄热，以待其工作时，预热空气，其可以节约燃料２０％－４０％，减少废气的排放温度，达到节能高效低污染效果。反之，亦然。
    对于烧重油的窑炉，则可采用重油乳化燃烧技术，使重油燃烧更加完全，通过乳化器的作用后，把水和重油充分乳化混合，成油包水的微小雾滴，喷入窑内产生“微爆效应”，起到二次雾化的作用，增大了油和水的接触面积，使混合更加均匀，且燃烧需要的空气量减少，基本消除了化学不完全燃烧，有利于提高燃烧温度及火焰辐射强度，掺油率１３％－１５％，节油率可达８％－１０％。
    
    　　６采用一次烧成
   
    　　近年来，我国不少陶瓷企业在釉面砖、玉石砖、水晶砖、渗花砖、大颗粒和微粉砖的陶瓷工艺和烧成技术上取得重大突破，实现了一次烧成新工艺，减少了素烧工序，烧成的综合能耗和电耗下降３０％以上，大大节约了厂房和设备投资，而且大幅度提高了产品质量。

２窑炉结构
    
    　　１窑型向辊道化发展
   
    　　在陶瓷工业中，使用较多的主要窑炉有：隧道窑、辊道窑和梭式窑三大类。其中，辊道窑具有产量大、质量好、能耗低、自动化程度高、操作方便、劳动强低、占地面积小等优点，是当今陶瓷窑炉的发展方向。
   
    　　（２）采用高效、轻质保温耐火材料及新型涂料
   
    　　常见的保温材料有重质耐火砖、轻质保温砖、莫来石轻质砖，高铝轻质砖和轻质陶瓷纤维等。合理的选择保温材料对节能降耗产生了很大的影响。如轻质陶瓷纤维与重质耐火砖相比：质量轻、导热系数小、重量只有轻质材料的ｌ／６、容重为传统耐火砖的１／２５、蓄热量仅为砖砌式炉衬的ｌ／３０―１／１０、窑外壁温度降到３０℃～６０℃。纤维节能方面，从总能耗的２０．６％下降到９．０２％，节能达到１６．６７％。
    
    　　另外，为了提高陶瓷纤维抗粉化能力，又增加窑炉内传热效率，节能降耗。可使用多功能涂层材料１０，如热辐射涂料ＨＩＫＡＭＩＲＡＤＩＡＴＩＯＮＣＯＡＴＩＮＧ简称ＨＲＣ。在高温阶段，将其涂在窑壁耐火材料上，材料的辐射率由０．７升为０．９６，可节能１３８．３ＭＪ／ｍ２・ｈ；而在低温阶段涂上ＨＲＣ后，窑壁辐射率从０．７升为０．９７，可节能４５４７ｋｃａｌ／ｍ２・ｈ。
    
    　　３改善窑体结构
   
    　　随着窑内高的增加，单位制品热耗和窑墙散热量也增加。如当辊道窑窑高由０．２ｍ升高至１．２ｍ时，热耗增加４．４３％，窑墙散热升高３３．２％，故从节能的角度讲，窑内高度越低越好；随着窑内宽度增大，单位制品热耗和窑墙散热减少。如当辊道窑窑内宽从ｌ．２ｍ增大到２．４ｍ，单位制品热耗减少２．９％，窑墙散热降低２５％，故在一定范围内，窑越宽越好；当窑内宽和窑内高一定的情况下，随着窑长的增加，单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量均有所减少。如当辊道窑的窑长由５０ｍ增加到ｌ００ｍ时，单位制品热耗降低１％，窑头烟气带走热量减少１３．９％
    　　１１
    
    　　４窑车窑具材料轻型化
   
    　　采用轻质耐火材料制作窑车和窑具对节能具有重大的意义。产品与窑具的重量比越小，其热耗越低。窑车应使用低蓄热、容重小、强度高、隔热性能好的材料来制备。至于窑车车衬材质的选取，据报道，轻质砖、轻质砖与硅酸铝耐火纤维和全硅酸铝耐火纤维做车衬时，产品热耗是传统重质耐火砖做车衬时的９１％、７９．５～８５．８％和５９．１～６６．３％。
    
    　　５辊子的散热
   
    　　辊子是辊道窑的一个重要组成部分，分布在沿窑长的不同温度区间。受温度的影响，辊棒分别采用钢辊和瓷辊。辊棒向外散热主要是通过其两端各伸出窑墙约０．１米的辊端。由于辊道窑中使用的辊棒数量之多通常可达１０００多根，以至于其能耗增加。通过对辊道窑长８０米，辊棒两端各伸出窑墙０．１１米，共有１３２７根辊子进行数值计算，其中Ｔ＞８００℃高温区采用瓷辊，其余采用钢辊。
   
    　　随着温度的升高，瓷辊的散热损失变化比较平缓，而钢辊的热量散失则几乎呈线性增加。计算表明，辊子两端通过导热过程所散失的热量约占窑炉总供给热量的２％１２，因此，其具备节能潜力。
    
    　　６窑炉余热的利用
   
    　　衡量一座窑炉是否先进的一个重要标准就是有没有较好的利用余热。据窑炉热平衡测定数据显示，仅烟气带走的热量和抽热风带出的热量占总能耗的６０％一７５％。若能利用蓄热式燃烧技术将明焰隧道窑的余热预热空气供助燃，不但可改善燃料燃烧，提高燃烧温度，而且可降低燃耗７％。
    余热利用在国外受到重视，视其为陶瓷工业节能的主要环节。国外对烟气带走的热量和冷却物料消耗的热量约占总窑炉耗能的５０％～６０％这一部分数量可观的余热利用较好。目前，国外将余热主要用于干燥和加热燃烧空气。现在欧洲陶瓷企业普遍采用在窑炉上安装附加余热利用装置，进行余热的再回收利用。对于排烟废热的余热利用，亦采用换热器进行能量收集与输送到所需场所。其综合节能的效果使热效利用达到８０％～９０％。
    
    　　７加强窑体密封性和窑内压力制度
   
    　　加强窑体密封，窑体与窑车之间、窑车之间的严密性，降低窑头负压、保证烧成带处于微正压，减少冷空气的进入窑内，从而减少排烟量，降低热耗。经计算，烟道汇总出的空气过剩系数由５减少到３时，当其他条件不变的情况下，烟气带走热量从３０％降为１８％，节能１２％。
    
    　　８采用自控技术
   
    　　采用自控技术是目前国外普遍采用的有效节能方法，它主要用在窑炉的自动控制１３。因而使窑炉的调节控制更加精确，对节省能源、稳定工艺操作和提高烧成质量十分有利，同时还为窑炉烧成的最优化，提供了可靠的数据。计算表明，在排出烟气中每增加可燃成分１％，则燃料损失要增加３％，如果能够采用微机自动控制或仪表一微机控制系统，则可节能５―１０％。当今先进的自控可以通过高级专家系统来实现，可以通过在线的外部参数温度、湿度、压力、气氛等测量宋引导操作向最大的节能方向进行，降低能耗５％以上。在国外，如日本碍子公司的窑炉均设置有先进的自动点火、熄火测知、窑内压力监测、地震监测、窑内氧浓度监测、气体泄漏监测、瓷辊损折监测及喷嘴用电偶记录仪等一系列监测仪器。从而保证了窑炉的省力、节能、快速烧成，其可节能１０％～３０％。在国内尚未达到。
    
    　　３其他节能技术
    
    　　１新型双层双温窑炉１４
   
    　　双层双温窑炉是一种新型节能窑炉，其结构特点是窑炉从单层单温发展为双层双温。其上下两层温度均采用ＰＩＤ单独控制，两层之间采用结晶碳化硅作横梁并用高保温性能的耐火材料做隔热层。特殊的设计能有效防止上下两层串温，同时又能使有效的热量共享。与单层窑炉能耗相比，双层双温窑炉低于其１５０―２５０大卡／ｋｇ瓷，即最少可以节省能耗３０％。
    
    　　２微波辅助烧结技术
   
    　　微波辅助烧结技术是通过电磁场直接对物体内部加热，而不像传统方法热能是通过物体表面间接传入物体内部，故热效率很高一般从微波能转换成热能的效率可达８０～９０％，烧结时间短，因此可以大大降低能耗达到节能效果。例如Ａ１２０３的烧结，传统方法只需加热几个小时而微波法仅需３～４分钟。
   
    　　据报道，英国某公司有一种新型的陶瓷窑炉生产与制造技术，该窑炉最大的特点在于：它不仅采用了当今世界上微波烧结陶瓷的最新技术，而且采用了传统的气体烧成技术。它在传统窑炉中把微波能和气体燃烧辐射热有机结合起来，这样既解决微波烧成不容易控制的问题，又解决了传统窑炉烧成周期长，能耗大等问题。据介绍这种窑炉适用于高技术陶瓷及其他各种陶瓷的烧成，达到快速烧成，减少能耗，降低成本的目的。
   
    　　四、展望
   
    　　“十一五”节能专项规划将对我国陶瓷工业产生深远的影响。根据建筑卫生陶瓷和日用陶瓷专业特点和工艺需要，围绕大型化、高效化、智能化趋势，嫁接现代机电技术、信息技术、自动化技术，研制开发推广新设备，提高设备技术水平和稳定可靠性，促进产业结构调整和优化升级。
   
    　　先进的窑炉技术往往凝聚了燃烧技术、材料技术、节能技术、信息处理技术、自动控制技术等多领域研究成果。因此，我们应重视热工基础理论学科的研究，大胆吸收各国最新的科研成果，将其应用到新型窑炉的研制中。特别应重视技术创新，不断以高新技术来推动窑炉产品的创新。
   
    　　积极推广高红外、远红外、等离子、感应加热等高效加热新技术，以及推广微波能高温技术，如微波烧结、微波高温合成工艺及相关设备。为保持陶瓷工业稳定与可持续发展，积极开发与利用新能源，并呈现出多元化与广谱化的局面。如太阳能、潮汐能、风能和水能等的开发利用。
   
    　　曾令可
   
    　　１陈立骏，张儒岭．日用陶瓷工业能耗观状与分析及节能枝木途径Ｊ．中国陶瓷工业，１９９６，３： ９～１２
   
    　　２贾玉宝，张建国．浅谈建筑陶瓷企业的节能措施Ｊ．陶瓷２００４，１６８２：３４～４０。
   
    　　３彭金辉，何蔼平．德国在微波处理材料方面的应用研究Ｊ．昆明理工大学学报，１９９６，２１６： ３９―４１
   
    　　４曾令可等．微波加热技术应用于陶瓷行业需要解决的几个问题Ｊ．陶瓷学报，２００１，２２４： ２６９～２７５
   
    　　５曾令可等．微波于燥陶瓷产品产生变形开裂的原因和解决办法及其与传统干燥的比较ｒＪ．陶瓷学报，２００１，２２４：２５４～２５８
   
    　　６曾令可等．陶瓷工业干燥技术和设备Ｊ．山东陶瓷，２００３１：１４―１８
   
    　　７曾令可等．微波加热技术在陶瓷坯体干燥上的应用Ｊ．干燥技术与设备２００４４２：６～１０
   
    　　８李湘洲．陶瓷窑炉的燃料与节能技术Ｊ．节能技术，１９９９，３：３２～３６
   
    　　９谭绍祥．中国陶瓷窑炉技术的新发展Ｊ．山东陶瓷２０００２３３：１３―１４
   
    　　１０曾令可等．陶瓷纤维的粉化及抗粉化研究Ｊ．工业炉，２００１，２３１：４３～４５
   
    　　１１１曾令可等．辊道窑的传热及影响热耗因素的分析闭．佛山陶瓷，１９９８４：４―８
   
    　　１２胡志敏，吴建青，曾令可．陶瓷辊道窑辊棒两端散热过程的数值模拟Ｊ。硅酸盐通报， ６：８～１２
   
    　　１１３曾令可等．陶瓷窑炉控制技术现状与展望Ｊ．工程陶瓷增刊，１９９９．１～５
   
    　　１４杨毅．新型双层双温窑炉．陶瓷报，２００６年４月１４日