一、前言
改革開放以來,我國建筑衛(wèi)生陶瓷產量一直高居世界首位,1998年陶瓷磚產量占世界總產量的34.5%,衛(wèi)生瓷占世界總產量的23.4%。2004年我國日用瓷、建筑瓷和衛(wèi)生瓷產量均位居世界第一,其中日用瓷產量高達130億件,約占世界總產量的60%;建筑瓷磚年產量約為30億m2,產量約占世界總產量的50%,按20~24kg/m2計算,則每年消耗泥料和石料6000~7000萬噸;按每平方米消耗燃油1.4—1.5L計算每年消耗燃油高達4.2—4.5億升。最近幾年面對能源價格居高不下,就陶瓷生產而言,節(jié)能降耗將是陶瓷生產的大勢所趨,也是陶瓷工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件。
二、陶瓷工業(yè)能耗的現(xiàn)狀
目前,我國陶瓷工業(yè)的能源利用率與國外相比,差距較大,發(fā)達國家的能源利用率一般高達50%以上,美國達57%,而我國僅達到28%一30%。雖然我國陶瓷產量在世界上遙遙領先,但總體上存在產品檔次低、能耗高、資源消耗大、綜合利用率低、生產效率低等問題。在陶瓷工業(yè)的一般工藝流程中,能耗主要體現(xiàn)在原料的加工、成型、干燥與燒成這四部分。其中干燥和燒成工序,兩者的能耗約占80%。據有關報道,陶瓷工業(yè)能耗中約60%用于燒成工序,約20%用于干燥工序。在建筑衛(wèi)生陶瓷方面,國內外能耗存在著一定的差距表1。
日用陶瓷在國內燒成能耗狀況:燃煤隧道窯為41816~54361kJ/Kg瓷;折合1.42—1.85kg標準煤八g瓷;燃油隧道窯為33453~45998kJ/kg瓷;折合1.14~1.57kg標準煤/kg瓷;燃氣隧道窯為29271~39725kJ/kg瓷;折合1.00~1.35kg標準煤/Kg瓷。而國外窯爐以氣體燃料為主,燒成能耗為12545~25090kJ/kg瓷,折合0.43—0.86kg標準煤/kg瓷;燒成能耗只有我國的一半左右1。
三、陶瓷工業(yè)的節(jié)能技術
。薄⑻沾稍霞庸み^程中的節(jié)能
據資料記載,原料加工部分的能耗在整個陶瓷生產過程中占很大的比例,料耗用量占49%,裝機容量占72%,因此節(jié)能潛力較大。
。保犔沾稍系姆鬯榧庸て渲腥
原始陶瓷原料主要是由硬質原料和軟質原料組成。對陶瓷原料的粉碎加工主要體現(xiàn)在對于硬質原料的加工。首先應逐步減少噪音大、能耗高、難以除塵的粗中碎加工,如:粗顎式破碎機、細顎式破碎機、旋磨機等,改用質量穩(wěn)定且能夠及時供應的原料粉料進廠。其次,積極推進陶瓷原料的標準化、商品化和系列化生產,供給符合陶瓷工業(yè)需求的粉料,保證生產的穩(wěn)定性和不可再生資源的合理利用;提高粉碎設備利用率,減少對原料車間的重復建設,有利于減少工廠原料的儲備,節(jié)約場地的投資和減少城市粉塵、噪音污染。
2陶瓷原料的細加工
工業(yè)上廣泛使用間歇式球磨機作為細磨設備,其內襯主要有燧石襯,氧化鋁襯和橡膠襯。如果球磨機的內襯采用橡膠襯,既可以減小球磨機的負荷,又增加了球磨機的有效容積,產量可以提高30~50%,單位產品電耗降低10~30%。如果采用氧化鋁襯則可提高球磨效率、縮短球磨周期。為了提高球磨機的效率,根據工藝配方不同向泥漿中加入高效減水劑,助磨劑并制定合理的料、球、水比例。在磨球的選擇上應有合理的大中小級配成不同形狀的磨球級配。在球磨時,采用氧化鋁球,既可縮短球磨時間,又可節(jié)電35%左右2。
與國內間歇式球磨機相比,國外普遍采用連續(xù)式、大噸位球磨機進行細磨,產量可提高10倍以上,電耗為原來的20%。由于可以連續(xù)入料和出料,不需要停機,比間歇式球磨機節(jié)省能耗15%~30%;并易制濃漿,使后面的噴霧干燥過程節(jié)約能量,節(jié)省能耗20%一30%。與小噸位球磨機相比,大噸位球磨機可以節(jié)省能耗10%一30%。另外,國內外不少球磨機采用變頻器改變電流頻率宋調速,有可能縮短球磨周期15%~25%,從而減少電耗。
3陶瓷原料的其他節(jié)能
噴霧干燥制粉時,降低泥漿的含水量,提高熱風的溫度,加大進塔泥漿量,降低廢氣溫度,產量可提高近1倍,能耗下降30%。另外,料漿池采用間歇式攪拌,一天可節(jié)電135kw·h,年節(jié)電4.5萬kw·h。
。病⑻沾沙尚瓦^程中的節(jié)能
陶瓷成型種類繁多,不同的陶瓷成型有不同的成型方法,和日用陶瓷節(jié)能方面做一簡要分析。
。保牬髧嵨粔捍u機
對于建筑陶瓷,在選擇壓磚機上,應選用大噸位、寬間距的壓機,實現(xiàn)一機一窯,因為大噸位壓磚機壓力大,產量大,壓制的磚坯質量好,合格率高。在同等條件下,電耗可減少30%以上。目前,國產液壓壓磚機的最大噸位已經達到7800t,各種噸位的大型壓機也已廣泛應用于國內陶瓷企業(yè),節(jié)能效果顯著。
2高中壓注漿成型
對于衛(wèi)生陶瓷可采用高中壓注漿成型技術,將傳統(tǒng)石膏模依靠毛細管力吸水成型機理變?yōu)槎嗫姿芰夏簽V排水機理,使衛(wèi)生瓷成型次數(shù)由l天/次提高到lO-30min/次,模具壽命達2萬次以上,可節(jié)省模具干燥和加熱工作環(huán)境所需的熱能。
。常牭褥o壓成型
當前日用陶瓷成型工藝有滾壓成型、注漿成型、塑壓成型、等靜壓成型、高壓注漿、微波注漿成型和激光快速成型,其中后半部分具有較大的發(fā)展和應用前景。從效率、節(jié)能和成熟程度宋考慮,應該采用等靜壓成型,其具有瓷質結構均勻致密、質量高、工序簡單、無雜質、抗彎強度高、可成型復雜型、尺寸精確、生產周期短、耗能低等優(yōu)點。等靜壓成型的最大特點是:產量大、質量好、坯體規(guī)整度好、品質規(guī)格一致、取消了石膏模和干燥工序、能適應于多種產品的生產等。
3、陶瓷干燥過程中的節(jié)能
據報道,選用英國CDS公司推出的空氣快速干燥器,用于日用陶瓷,干燥周期可縮短46%~83%,平均節(jié)能50%。至于臥式快速輥道干燥、超熱間斷熱空氣干燥、衛(wèi)生陶瓷干燥、高頻干燥、微波于燥、紅外線干燥和快速干燥等節(jié)能技術,在實際生產應用中干燥效果也較為顯著。其中微波干燥技術備受關注。微波干燥中微波可以穿透至物料內部,使內外同時受熱,蒸發(fā)時間比常規(guī)加熱大大縮短,可以最大限度的加快干燥速度,極大地提高生產效率。由此而節(jié)約了大量的能源消耗,且微波能源利用率高,對設備及環(huán)境不加熱,僅對物料本身加熱,運行成本比傳統(tǒng)干燥低。通過表2
傳統(tǒng)干燥與微波干燥在時間與能耗方面的對比,從中可以看出微波干燥的優(yōu)越性。
在相同的功率下,傳統(tǒng)干燥時間是微波干燥的30~32倍,能耗為2.5倍,而生產能力則約為一半4~7。
窯爐是陶瓷企業(yè)最關鍵的熱工設備,也是耗能最大的設備,占60%左右。但是窯爐設備能耗的水平,主要取決于窯爐的結構與燒成技術,其中窯爐的結構是根本,燒成技術是保證;兩者相互依存,缺一不可;只有使兩者合理的搭配才能既保證窯爐燒成質量的提高,又減少能源消耗。
。保牊杉夹g
。保牪捎玫蜏乜鞜夹g8
在陶瓷生產中,燒成溫度越高,能耗就越高。據熱平衡計算,若燒成溫度降低1000C,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(yè)中,應用低溫快燒技術,不但可以增加產量,節(jié)約能耗,而且還可以降低成本。因而在我國正進一步研究采用新原料,如珍珠巖、絹云母、石英片巖等配制燒結溫度低的坯料,;瘻囟鹊偷挠粤,改進現(xiàn)有生產工藝技術,建造新型窯爐,以實現(xiàn)低溫快燒技術,降低能耗。
2采用裸裝明焰燒成技術
目前,我國陶瓷窯爐燒成方式主要有:缽裝明焰、裸裝隔焰和裸裝明焰。其燒成方式的特點如
下表3
3采用潔凈液體和氣體燃料
采用潔凈的液體、氣體燃料,不僅是裸裝明焰快速燒成的保證,而且可以提高陶瓷的質量,大大節(jié)約能源,更重要的是可以減少對環(huán)境的污染。采用潔凈氣體作為燃料,節(jié)能降耗明顯表4
。矗牪捎每商娲牡蛢r燃料
究竟采用哪種氣體燃料使用最經濟,更符合我國國情,其又最適用于裸裝明焰燒成方式。據報道,我國是世界上煤炭儲量非常豐富的國家,已探明的儲量預計可使用500年以上。在能源日益趨于緊張的今天,采用低價燃料顯得尤為重要。在單位產品燃料費用中,燒煤高達1.197元兒g·產品:重油0.138元從g·產品;發(fā)生爐冷煤氣0.0997元/kg·產品8。因此,應大力發(fā)展發(fā)生爐冷煤氣。(未完待續(xù))
其不僅價格低廉,而且燃燒效率高,燃料消耗低。
二甲醚DME是以煤為原料生產的一種新型潔凈能源,其特點主要體現(xiàn)在燃燒性能好,熱效率高,燃燒過程中無殘液,無黑煙,成本低,節(jié)能顯著等優(yōu)勢以及具備比液化石油氣LPG更多的優(yōu)點,取代液化石油氣作為民用及工業(yè)用燃料已成可能。
。担牪捎孟冗M的燃燒設備
采用高速燒嘴提高氣體流速,是強化氣體與制品之間傳熱的有效措施,一般可比傳統(tǒng)燒嘴節(jié)約燃料25%-30%。目前高速燒嘴朝著高效節(jié)能低污染發(fā)展,如高效節(jié)能環(huán)保型蓄熱式燒嘴,此燒嘴優(yōu)勢在于當其中一個燒嘴工作時,另一個為排煙道,并蓄熱,以待其工作時,預熱空氣,其可以節(jié)約燃料20%-40%,減少廢氣的排放溫度,達到節(jié)能高效低污染效果。反之,亦然。
對于燒重油的窯爐,則可采用重油乳化燃燒技術,使重油燃燒更加完全,通過乳化器的作用后,把水和重油充分乳化混合,成油包水的微小霧滴,噴入窯內產生“微爆效應”,起到二次霧化的作用,增大了油和水的接觸面積,使混合更加均勻,且燃燒需要的空氣量減少,基本消除了化學不完全燃燒,有利于提高燃燒溫度及火焰輻射強度,摻油率13%-15%,節(jié)油率可達8%-10%。
。叮牪捎靡淮螣
近年來,我國不少陶瓷企業(yè)在釉面磚、玉石磚、水晶磚、滲花磚、大顆粒和微粉磚的陶瓷工藝和燒成技術上取得重大突破,實現(xiàn)了一次燒成新工藝,減少了素燒工序,燒成的綜合能耗和電耗下降30%以上,大大節(jié)約了廠房和設備投資,而且大幅度提高了產品質量。
。玻牳G爐結構
1窯型向輥道化發(fā)展
在陶瓷工業(yè)中,使用較多的主要窯爐有:隧道窯、輥道窯和梭式窯三大類。其中,輥道窯具有產量大、質量好、能耗低、自動化程度高、操作方便、勞動強低、占地面積小等優(yōu)點,是當今陶瓷窯爐的發(fā)展方向。
。ǎ玻┎捎酶咝、輕質保溫耐火材料及新型涂料
常見的保溫材料有重質耐火磚、輕質保溫磚、莫來石輕質磚,高鋁輕質磚和輕質陶瓷纖維等。合理的選擇保溫材料對節(jié)能降耗產生了很大的影響。如輕質陶瓷纖維與重質耐火磚相比:質量輕、導熱系數(shù)小、重量只有輕質材料的l/6、容重為傳統(tǒng)耐火磚的1/25、蓄熱量僅為磚砌式爐襯的l/30—1/10、窯外壁溫度降到30℃~60℃。纖維節(jié)能方面,從總能耗的20.6%下降到9.02%,節(jié)能達到16.67%。
另外,為了提高陶瓷纖維抗粉化能力,又增加窯爐內傳熱效率,節(jié)能降耗?墒褂枚喙δ芡繉硬牧悉煟保挨牐鐭彷椛渫苛希煟龋桑耍粒停桑遥粒模桑粒裕桑希危茫希粒裕桑危牵牶喎QHRC。在高溫階段,將其涂在窯壁耐火材料上,材料的輻射率由0.7升為0.96,可節(jié)能138.3MJ/m2·h;而在低溫階段涂上HRC后,窯壁輻射率從0.7升為0.97,可節(jié)能4547kcal/m2·h。
。常牳纳聘G體結構
隨著窯內高的增加,單位制品熱耗和窯墻散熱量也增加。如當輥道窯窯高由0.2m升高至1.2m時,熱耗增加4.43%,窯墻散熱升高33.2%,故從節(jié)能的角度講,窯內高度越低越好;隨著窯內寬度增大,單位制品熱耗和窯墻散熱減少。如當輥道窯窯內寬從l.2m增大到2.4m,單位制品熱耗減少2.9%,窯墻散熱降低25%,故在一定范圍內,窯越寬越好;當窯內寬和窯內高一定的情況下,隨著窯長的增加,單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。如當輥道窯的窯長由50m增加到l00m時,單位制品熱耗降低1%,窯頭煙氣帶走熱量減少13.9%
11
。矗牳G車窯具材料輕型化
采用輕質耐火材料制作窯車和窯具對節(jié)能具有重大的意義。產品與窯具的重量比越小,其熱耗越低。窯車應使用低蓄熱、容重小、強度高、隔熱性能好的材料來制備。至于窯車車襯材質的選取,據報道,輕質磚、輕質磚與硅酸鋁耐火纖維和全硅酸鋁耐火纖維做車襯時,產品熱耗是傳統(tǒng)重質耐火磚做車襯時的91%、79.5~85.8%和59.1~66.3%。
。担犦佔拥纳
輥子是輥道窯的一個重要組成部分,分布在沿窯長的不同溫度區(qū)間。受溫度的影響,輥棒分別采用鋼輥和瓷輥。輥棒向外散熱主要是通過其兩端各伸出窯墻約0.1米的輥端。由于輥道窯中使用的輥棒數(shù)量之多通?蛇_1000多根,以至于其能耗增加。通過對輥道窯長80米,輥棒兩端各伸出窯墻0.11米,共有1327根輥子進行數(shù)值計算,其中T>800℃高溫區(qū)采用瓷輥,其余采用鋼輥。
隨著溫度的升高,瓷輥的散熱損失變化比較平緩,而鋼輥的熱量散失則幾乎呈線性增加。計算表明,輥子兩端通過導熱過程所散失的熱量約占窯爐總供給熱量的2%12,因此,其具備節(jié)能潛力。
6窯爐余熱的利用
衡量一座窯爐是否先進的一個重要標準就是有沒有較好的利用余熱。據窯爐熱平衡測定數(shù)據顯示,僅煙氣帶走的熱量和抽熱風帶出的熱量占總能耗的60%一75%。若能利用蓄熱式燃燒技術將明焰隧道窯的余熱預熱空氣供助燃,不但可改善燃料燃燒,提高燃燒溫度,而且可降低燃耗7%。
余熱利用在國外受到重視,視其為陶瓷工業(yè)節(jié)能的主要環(huán)節(jié)。國外對煙氣帶走的熱量和冷卻物料消耗的熱量約占總窯爐耗能的50%~60%這一部分數(shù)量可觀的余熱利用較好。目前,國外將余熱主要用于干燥和加熱燃燒空氣,F(xiàn)在歐洲陶瓷企業(yè)普遍采用在窯爐上安裝附加余熱利用裝置,進行余熱的再回收利用。對于排煙廢熱的余熱利用,亦采用換熱器進行能量收集與輸送到所需場所。其綜合節(jié)能的效果使熱效利用達到80%~90%。
。罚牸訌姼G體密封性和窯內壓力制度
加強窯體密封,窯體與窯車之間、窯車之間的嚴密性,降低窯頭負壓、保證燒成帶處于微正壓,減少冷空氣的進入窯內,從而減少排煙量,降低熱耗。經計算,煙道匯總出的空氣過剩系數(shù)由5減少到3時,當其他條件不變的情況下,煙氣帶走熱量從30%降為18%,節(jié)能12%。
8采用自控技術
采用自控技術是目前國外普遍采用的有效節(jié)能方法,它主要用在窯爐的自動控制13。因而使窯爐的調節(jié)控制更加精確,對節(jié)省能源、穩(wěn)定工藝操作和提高燒成質量十分有利,同時還為窯爐燒成的最優(yōu)化,提供了可靠的數(shù)據。計算表明,在排出煙氣中每增加可燃成分1%,則燃料損失要增加3%,如果能夠采用微機自動控制或儀表一微機控制系統(tǒng),則可節(jié)能5—10%。當今先進的自控可以通過高級專家系統(tǒng)來實現(xiàn),可以通過在線的外部參數(shù)溫度、濕度、壓力、氣氛等測量宋引導操作向最大的節(jié)能方向進行,降低能耗5%以上。在國外,如日本礙子公司的窯爐均設置有先進的自動點火、熄火測知、窯內壓力監(jiān)測、地震監(jiān)測、窯內氧濃度監(jiān)測、氣體泄漏監(jiān)測、瓷輥損折監(jiān)測及噴嘴用電偶記錄儀等一系列監(jiān)測儀器。從而保證了窯爐的省力、節(jié)能、快速燒成,其可節(jié)能10%~30%。在國內尚未達到。
。常犉渌(jié)能技術
。保犘滦碗p層雙溫窯爐14
雙層雙溫窯爐是一種新型節(jié)能窯爐,其結構特點是窯爐從單層單溫發(fā)展為雙層雙溫。其上下兩層溫度均采用PID單獨控制,兩層之間采用結晶碳化硅作橫梁并用高保溫性能的耐火材料做隔熱層。特殊的設計能有效防止上下兩層串溫,同時又能使有效的熱量共享。與單層窯爐能耗相比,雙層雙溫窯爐低于其150—250大卡/kg瓷,即最少可以節(jié)省能耗30%。
。玻犖⒉ㄝo助燒結技術
微波輔助燒結技術是通過電磁場直接對物體內部加熱,而不像傳統(tǒng)方法熱能是通過物體表面間接傳入物體內部,故熱效率很高一般從微波能轉換成熱能的效率可達80~90%,燒結時間短,因此可以大大降低能耗達到節(jié)能效果。例如A1203的燒結,傳統(tǒng)方法只需加熱幾個小時而微波法僅需3~4分鐘。
據報道,英國某公司有一種新型的陶瓷窯爐生產與制造技術,該窯爐最大的特點在于:它不僅采用了當今世界上微波燒結陶瓷的最新技術,而且采用了傳統(tǒng)的氣體燒成技術。它在傳統(tǒng)窯爐中把微波能和氣體燃燒輻射熱有機結合起來,這樣既解決微波燒成不容易控制的問題,又解決了傳統(tǒng)窯爐燒成周期長,能耗大等問題。據介紹這種窯爐適用于高技術陶瓷及其他各種陶瓷的燒成,達到快速燒成,減少能耗,降低成本的目的。
四、展望
“十一五”節(jié)能專項規(guī)劃將對我國陶瓷工業(yè)產生深遠的影響。根據建筑衛(wèi)生陶瓷和日用陶瓷專業(yè)特點和工藝需要,圍繞大型化、高效化、智能化趨勢,嫁接現(xiàn)代機電技術、信息技術、自動化技術,研制開發(fā)推廣新設備,提高設備技術水平和穩(wěn)定可靠性,促進產業(yè)結構調整和優(yōu)化升級。
先進的窯爐技術往往凝聚了燃燒技術、材料技術、節(jié)能技術、信息處理技術、自動控制技術等多領域研究成果。因此,我們應重視熱工基礎理論學科的研究,大膽吸收各國最新的科研成果,將其應用到新型窯爐的研制中。特別應重視技術創(chuàng)新,不斷以高新技術來推動窯爐產品的創(chuàng)新。
積極推廣高紅外、遠紅外、等離子、感應加熱等高效加熱新技術,以及推廣微波能高溫技術,如微波燒結、微波高溫合成工藝及相關設備。為保持陶瓷工業(yè)穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展,積極開發(fā)與利用新能源,并呈現(xiàn)出多元化與廣譜化的局面。如太陽能、潮汐能、風能和水能等的開發(fā)利用。
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