天然气在陶瓷墙地砖生产中的应用*

2015-03-03王银川,姚远

陶瓷 2015年2期

天然气在陶瓷墙地砖生产中的应用*

王银川1姚远2

(1 廊坊市永清县驰野陶瓷有限公司河北廊坊065600)(2 咸阳陶瓷研究设计院陕西咸阳712000)

摘要天然气作为一种清洁能源，在节能减排日益严格的政策下，将成为未来工业生产的主要能源。笔者对我国天然气的储量、分布现状和消费现状作了简要说明。研究了天然气在陶瓷墙地砖生产设备辊道窑、喷雾干燥塔、热风炉中的应用，使用天然气的节能、环保效果显著。并对天然气在陶瓷墙地砖生产中的应用进行了成本效益分析，天然气的使用对提高陶瓷企业的竞争力具有较大优势。

关键词天然气陶瓷墙地砖生产应用

随着工业科技的进步与发展，近年来建筑陶瓷行业发展迅猛，市场竞争愈来愈激烈。煤炭作为低成本能源是陶瓷墙地砖生产的主要燃料，但煤炭在燃烧过程中属于高污染能源。不仅在存放过程中对场地的污染严重，而且在燃烧时产生的二氧化硫对大气污染严重。目前，严重雾霾与煤炭大量在工业中的应用有着紧密的关系，煤气发生炉所产生的酚水对土地、水源污染严重。近几年山东淄博、河北高邑陶瓷产区所存在的酚水对地域的污染尤其严重，有些地区由于酚水的乱排放已造成严重污染。甚至将酚水作为介质直接加入原料进行球磨，混入浆料、粉料中制成陶瓷产品，严重损害了消费者的利益。

随着环保政策的日益严格，天然气作为清洁能源在今后陶瓷工业生产中将逐步成为主体能源。

1我国天然气的储量及现状

1.1　我国天然气资源量

根据我国第二次油气资源评价，全国常规天然气资源量为38.04万亿m3，其中陆上为29.9万亿m3、海上为8.14万亿m2。据分析，在全国常规天然气资源量中，最终可采储量为14万亿m3，其中东部占30.3%，西部占28.2%，海上占21.4%。

据统计，全国共发现69个含天然气盆地，其中天然气资源量比较丰富的有塔里木、四川、陕甘宁、东海、渤海湾、琼东南、珠江口、准噶尔、柴达木盆地，其总资源量为32.26万亿m3，占全国天然气总资源量的84.8%。我国将在10～15年内建成全国天然气工业体系，实现天然气工业的快速发展。

1.2　天然气消费现状

我国天然气工业发展和市场开发比较晚，天然气消费在一次能源消费结构中的比例也低于亚洲的部分国家(见图1)。从天然气的消费结构看，发电用气占12.7%，化工用气占42.7%，工业燃料用气占11.1%，城市燃气占14.6%，油田生产用气占18.9%。

目前，我国长途输送天然气还不很发达，除陕甘宁天然气外，其余基本上是本地使用。其中川渝地区的天然气消费量较大，占全国消费量的45%左右。

我国天然气市场潜力非常大，但由于天然气市场发展的制约因素较多，生产、运输和消费等各个环节存在问题，致使天然气消费和生产都处于抑制状态。

国家天然气产业“十二五”规划指出，2015年天然气在一次能源中的消费所占比例将达到8%，旺季气荒现象日趋严重。2013年“气荒”新增缺口超过2012年一成，日需求量为1 800万m3左右，是估值的10倍。目前，天然气的消费结构也有很大的变化，除天然气化工外，其他领域的用气占比也迅速上升，天然气发电、天然气运输、民用燃气是2005年至今增速最快的3个领域。

图1　1995～2015年我国天然气消费量(亿m3)

天然气发电用气的基数低，但增长快。2005～2011年的年复合增速达50%排名第一;天然气运输增速排名第二;复合增速为24%。第三为民用燃气，复合增速为22%。工业燃料的增长与天然气消费增长同步，2005～2011的年复合增速为18%，同期由于天然气化工占比下降，工业燃料在天然气消费结构中的占比也由2000年的7%上升至2011年的15%。天然气在化工消费结构中的下降最为明显，从2000年的70%下降至2011年的33%，2005～2011的年复合增速仅为10%。目前天然气消费量仍在不断加速，2015年预计将达2 600亿m3。

我国自2007年开始变为天然气净进口国，此后进口依存度不断上升，2012年进口依存度为29%，2013年5月份我国天然气对外依存度已达到33%。

图2　2000～2011年天然气消费结构变化趋势图

图3　1996～2013年天然气自给率和对外依存度的比例

据预测，我国规划的常规天然气产量2015年可达1 270亿m3，远无法满足需求的增长，对进口气的依存度将继续提升。据能源局预测，2015年天然气进口量将达到935亿m3，对外依存度将超过35%。我国天然气到2025年将变化为进口和非常规为主的供应格局，天然气对外依存度接近30%，未来仍将持续上升。

图4　2005～2025年天然气供应格局

天然气产区“十二五”期间新建产能(亿m3/年)2015年产量(亿m3/年)鄂尔多斯盆地261390四川盆地195410塔里木盆地147320南海海域100150总计7031270

目前，天然气的定价机制以成本加成法为主，没有反映出资源稀缺性、供需关系以及与替代燃料的关系，这是导致供需严重不平衡的主要限制因素。从整个产业链条看，我国天然气现行定价机制可以概括为国家调控下的成本加成法，其中出厂价和管输价由国家发改委制定，城市配送服务费用由地方政府制定。

图5　天然气定价机制(成本加成法)

天然气占比约为10%的增量气部分已经实现市场净值法；占比约为90%的存量气部分降至2015年前逐步实现调整到位。2013年6月，发改委发布了《关于调整天然气价格的通知》，使天然气的增量气部分已经实现了市场净回值，未来存量气将逐步实现调整。2013年调价涉及的存量气数量为1 120亿m2，增量气数量预计为110亿m3，二者的比例分别为91%和9%。国家只对天然气门站价格进行管理，放开页岩气、煤层气、煤制气等非常规天然气出厂价格，实行市场调节。将中心门站价格与可替代燃料联动，可反映资源稀缺性、供求关系和与可替代燃料的关系。目前选择上海为中心门站的价格为基础，考虑天然气市场资源主体流向和管输费用，确定各省(区、市)天然气门站价格。天然气门站价格实行动态调整机制，根据可替代燃料价格变化情况每年调整一次，并逐步过渡到每半年或者每季度调整一次。选择燃料油、液化石油气为可替代燃料，权重分别为60%和40%，使天然气价格与之保持合理的比价水平。

增量气实现市场净回值法后，天然气的门站价格从平均2.09元/m3上涨至2.95元/m3，平均涨幅为41%。此前我国进口LNG价格一直高于国内天然气出厂价，影响了上游企业进口LNG的积极性，经调整门站价格与进口LNG的价格差距将明显缩小。

2天然气在辊道窑中的应用

近年来雾霾已严重影响了老百姓的健康和生活，作为被外界认为是高耗能、高污染、高消耗的陶瓷行业因此也面临着巨大的环保压力。而上游的装备升级，推动了下游的技术升级及行业发展，带动了生产进步。

窑炉是陶瓷生产的心脏，会直接影响产品质量，同时也是耗能大户。在近年大力提倡节能环保、提高原材料及能源的利用率的浪潮中，窑炉企业如何能在保证质量和产量稳定的前提下，做到节能，降低燃料成本，成为窑炉设备企业、陶瓷企业和行业专家共同关注的问题。实现窑炉节能，不仅要加强窑炉设计和辅助材料的创新等硬件条件，窑炉操作人员素质的提高也是重要因素。

2.1　燃气节能喷枪

燃气节能喷枪(XLC-7)为陶瓷行业窑炉的节能作出了杰出的贡献。该节能喷枪与目前使用的窑炉喷枪相比，具有以下优点：

1)结构不同。燃气节能喷枪为缝隙式高效节能喷枪，由喷头、雾化器芯、涡流器、内套管、外套管、拉杆、后座、螺塞等构成。喷头内设有锥形导流孔、柱状混合喷孔和锥形喷管，雾化器芯由多级旋流室组成。喷头内的孔管通道及雾化器芯末端的横截面形状均为长度比宽度大的狭长式缝隙孔口。该喷枪可获得扁平型特殊火焰，且燃烧充分、速度快，高效节能，安全可靠，工况负荷调节比大，不积炭结焦，使用维护方便。

2)可根本解决助燃风的加热问题。由于燃气节能喷枪有2个助燃风入口，使用加热后的助燃风可以保证燃气完全燃烧，改善氧化气氛，直接产生节能效果。

3)节能喷枪燃烧反应速度快、混合充分、燃烧完全、火焰射流速度快，有助于提升产能，同时减少落脏。

4)喷射有力。可根据窑炉性能参数的需要获得更大射程，可有效减小横向温差。特别适用于宽体辊道窑及加长辊道窑。

5)节省助燃风耗风量、节约风机电耗。一般节煤量为8%～15%，风机省电量为20%～25%。

6)减少排烟量，降低瓷砖耗气率。CO已接近零排放，可减少对环境的污染。

7)由于系统改造后所用的助燃风流量减小，可以显著地减小窑炉正压，有利于保护窑炉炉体，延长窑炉使用寿命，起到节能的作用。

燃气节能喷枪相比普通的节能喷枪，不仅节能效果突出，还可彻底地解决了普通节能喷枪升温难、氧化差、窑炉温差大及操作困难等问题，使用节能喷枪既节约成本，又确保生产安全。

经大量窑炉节能改造测试，安装节能喷枪后，窑炉的综合节煤率高达10%左右，节电率可达20%～25%。在无需停窑的情况下，经2～4 d的改造后，窑炉助燃风量减少约25%～30%，截面温差控制在1～3 ℃。陶瓷企业只需1～2个月即可收回投资成本。

2.2　辊道窑燃气燃烧器

辊道窑所用的燃气燃烧器为“后混”燃烧设计，即燃气和助燃风同时进入燃烧室。一方面，空气和燃气的混合程度不够充分，造成燃气不能完全燃烧；另一方面，助燃风在对燃气进行供氧助燃的同时，对未及时燃烧的燃气起推移作用，多年的现场操作实践经验证实，被推移进窑膛的燃气因缺氧无法二次燃烧，以一氧化碳等有害气体形态随烟气排放到大气中，浪费资源和污染空气，改“后混”燃烧为“旋转预混”燃烧。首先在燃烧室前加装预混室，让燃气和助燃风进入燃烧室之前，先以旋转的方式进入预混室进行燃烧前的预混合，让燃气和助燃风尽可能混合充分；然后在预混室和燃烧室之间安装非金属蜂窝状燃烧板，燃烧板在燃烧室的一侧保持500 ℃以上的高温状态，混合气体经过燃烧板进入燃烧室时，在进行再混合的同时，被加温预燃和完全氧化反应，让燃气尽可能彻底燃烧，提高热效率，降低燃气的消耗量，即达到节能的效果，又减少有害气体排放。因各厂家窑炉设计的不同，陶瓷产品配方不同对烧成温度曲线要求也不同。因此要根据不同厂家的窑炉情况，对喷枪的技术参数进行细致调整，对窑炉的不同烧成带配置不同参数的喷枪，对助燃风系统和煤气压力的调节进行数字化改良。这样则可使陶瓷企业达到产能和效益的最大化，为厂家提高收益，为陶瓷行业窑炉设备的转型升级，为陶瓷工业节能减排做出新的贡献。

3天然气在喷雾干燥塔热风炉中的应用

近年来我国陶瓷工业发展迅速，2006年我国日用陶瓷、建筑卫生陶瓷的产量均位居世界第一。其中日用陶瓷产量高达170亿件,约占世界总产量的65%;建筑陶瓷砖年产量约为35亿m3,约占世界总产量的55%。但同时我国也是能源消耗大国,建筑卫生陶瓷行业是油耗和电耗大户。目前,我国陶瓷工业的能源利用率仅为28%～30%,与发达国家50%～57%的能源利用率差距较大。

喷雾干燥制粉是陶瓷工业高能耗的生产工序之一。据陶瓷厂能源审计数据显示,喷雾干燥制粉的能耗占陶瓷厂总能耗的10%～20%。随着能源危机及市场竞争的激烈,降低喷雾干燥制粉的能耗,对降低生产成本、提高企业竞争力及促进陶瓷行业可持续发展具有深远而重要的意义。

3.1　喷雾干燥塔节能降耗的主要措施

喷雾干燥过程中的能耗直接影响着企业的经济效益及发展前景,喷雾干燥过程节能降耗的主要措施有:①对喷雾干燥塔本身性能结构等方面进行调整;②对干燥物质本身的性质进行控制,避免燃料问题,干燥介质性质等方面的因素。

3.1.1干燥介质的控制

3.1.1.1提高热风的进塔温度

在出塔温度恒定的条件下,热风的进塔温度(又称进风温度)越高,带入的总热量就越高,单位质量的热风传递给泥浆雾滴的热量就越多,单位热风所蒸发的水分也越多。在生产能力恒定不变的情况下,所需热风的风量减少(即减少了热风离塔时所带走的热量),降低了喷雾干燥制粉的热量消耗,提高了热风的利用率及热效率。但进塔热风温度不可过高(不超过600 ℃),若温度太高,就会烧坏塔顶分风器。

3.1.1.2降低热风的出塔温度

在进塔热风温度一定的情况下,热风出塔温度越低,进出塔温差就越大,热风传递给泥浆用于干燥的热能就越大,因此热风利用率就越高。但排风温度也不可过低,低于75 ℃时会因粉料太湿,影响正常干燥。

3.1.1.3出塔热风(废气) 的循环利用

陶瓷泥浆经喷雾干燥制粉后,出塔热风若被直接排入大气,这部分热量损失将十分可观(约为制粉工序能耗的10%～20%)。所以应该将此部分余热充分地利用起来,如可将出塔热风循环利用到预热干燥工序。出塔热风除了直接循环利用外,还可以利用热交换器对这部分余热储存或交换后再利用。

3.1.2喷雾干燥塔自身因素

3.1.2.1选择适合规格的设备

陶瓷行业大部分厂家采用4000型喷雾干燥塔,有些陶瓷厂采用5000型和6000型,最大的有SACMI公司研制的12000型,喷嘴多达48个。喷雾干燥塔的型号越大生产能力越高,生产每吨粉所用的能源相对就少,厂家可根据具体情况进行型号选择。

3.1.2.2整体密闭型控制

由于该系统采用负压操作,若漏风就会增加能耗,所以设备各部位及连接法兰处,热风炉、热风管道、排风管道的热电偶插孔,塔体上的负压测量孔,以及塔体下锥翻板下料器出料口,旋风除尘下料口等部位必须密封严密,防止漏风。

3.1.2.3热风炉的控制

热风炉是喷雾塔干燥的热风源,其燃料消耗直接影响干燥成本的高低,所以是喷雾干燥塔节能的关键部分。热风炉效率主要取决于燃油雾化喷嘴,当燃油雾化均匀且燃烧充分时,热效率最高,为此应严格控制雾化空气压力和流量以及燃油压力和流量。另外雾化喷嘴的雾化角、喷射高度、喷枪角度都应控制在合适的范围内。一般雾化喷嘴的雾化角(α)为90°～120°,喷射高度为4.0～4.5 m ,喷枪角度为110°～120°,以保证喷雾料与热风可以进行充分的热交换。

3.1.2.4线形燃烧器的使用

传统的喷雾干燥塔热风装置一般采用燃油(燃气)热风炉、锅炉蒸汽换热器、导热油换热器或电加热供热系统等。以上传统的供热系统都采用换热器,换热器的效率决定着传统供热系统的热能利用效率;而且换热器使用寿命有限,维护成本也较高。以线形燃烧器为核心的直燃式热风装置，体积比较小,可直接安装在风道内,干燥介质可直接与之接触并快速升高到所需温度。以线形燃烧器为核心的直燃式热风装置兼具节能和环保两大特点。首先线形燃烧器燃烧机制合理,燃烧区保持有一定量的过剩空气,既能保证燃烧完全,还可抑制氮氧化物的生成。这种直燃式热风装置无需换热器可直接与空气接触,保证了燃烧热量对空气的有效传递,热效率较高。另外,使用方便是线形燃烧器的另一优点,可通过调节燃气调节阀来改变热风温度。

3.1.3泥浆的质量控制

1)降低陶瓷泥浆的含水率,干燥所需热量就会减少,但是含水率低的泥浆流动性较差，又会导致雾化效果差。为解决这一矛盾,生产中通常加入合适的稀释剂(减水剂)或电解质(如水玻璃、纯碱、腐植酸钠等) 来调节泥浆的流动性,同时降低泥浆的含水率。采用复合减水剂,泥浆含水率可由39.5%减至36% ,球磨时间缩短了5 h ,每吨粉料可节约电费16.5元,产量增加18.8% ,年节约成本达150多万元。

2)提高陶瓷泥浆温度可有效降低泥浆粘度,改善泥浆雾化性能,防止因泥浆结晶而堵塞雾化喷嘴。所以可以利用出塔热风回收的余热来预热泥浆,这是能源循环利用的有效途径。

3.2　天然气热风炉的节能措施

天然气是一种高效、清洁的优质能源，燃烧过程基本不排放SO2和粉尘，而且与煤炭和石油相比，可减排约60%的CO和50%的NOx。然而，在我国一次性能源结构中，煤炭所占比例高达60%以上，而天然气所占比例仅为4%左右，远低于世界23.5%的平均水平。因此，提高天然气在能源构成中的比例，是我国经济与环境可持续发展的重要途径之一。国家能源局指出，为推进“十二五”期间的能源优化工作，需要大力发展天然气，到“十二五”末期，天然气利用规模将达到2 600亿m3，在能源消费结构中的比例从目前的3.9%提高到83%左右。未来几年对天然气的消费量将以每年25%的速度递增。随着我国“西气东输”、“海气登陆”、“液化天然气上岸”和“俄罗斯天然气南输”等重大开发项目的实施，天然气必将起到推动我国能源结构优化、减少污染物排放的重要作用。在干燥行业，采用天然气燃料替代传统的煤炭，具有干燥介质温度高、热效率高、系统简单可靠、污染物排放低等特点，节能和环保优势非常明显。

天然气直燃热风炉干燥系统运行稳定可靠，热风炉采用旋流扩散式结构。助燃空气经过轴向叶片，形成旋流，天然气从中心管小孔中高速射出，边混合边燃烧。由于二次风是旋转的，扰动强烈，可加强天然气与空气的混合，强化燃烧。旋转射流在中心形成回流区，回卷高温烟气，起到稳燃作用。燃烧区域采用绝热的多孔成形耐火砖，提高燃烧温度，进一步促进稳燃和燃尽；采用PID控制，通过调节燃气流量，控制混合风温度，燃烧充分，利用合理，最大程度上提高节能效果。