从节能降耗角度谈佛山建陶产业升级进展

黄晓琳 蔡嘉莉 邹海媚 周林

摘 要：本文从原料、工艺、设备、废料再利用几个方面，从节能降耗的角度综合论述了佛山陶瓷产业升级情况，并提出了佛山建筑陶瓷产业形成低投入、低消耗、低排放和高效率的经济发展方式的展望。

关健词：陶瓷；节能降耗；产业升级

1 前言

佛山是全国最大的陶瓷装备制造业基地、陶瓷化工色釉料生产基地、全球最大的陶瓷专业市场群落，有中国建筑卫生陶瓷特色产业基地、中国建筑卫生陶瓷出口基地、中国陶瓷名都之称。然而，陶瓷行业是一个高能耗、高排放、产能比严重失衡的资源消耗型行业。建筑陶瓷的生产工艺一般为：坯体配料→粉料制备→压制成型→半成品烘干→施釉、烧成→后处理。在生产过程中，喷雾干燥制粉（湿法制粉）、半成品烘干和辊道窑烧成（包括素烧和釉烧）等环节，占生产总能耗的70 ～ 80%。由于生产过程中使用的燃料主要为人工煤气、重油、柴油，因生产工艺的限制而产生大量的废气和粉尘。此外，在注浆成形时会产生固体小颗粒的粉尘；在施釉过程中产生大量废气、粉尘等污染物；在窑炉烧成过程中产生大量的SOX、NOX、CO、Pb 及粉尘[1， 2]。另一方面，在某些产品生产过程中，还会产生大量陶瓷废渣。如抛光废渣，综合评估每生产1 m2抛光砖生成超过2.0 kg左右的抛光砖废渣，若以年产50万 m2抛光砖的生产线为例，将会产生1000 t左右的抛光砖废渣[3]。自2008年起，在“腾笼换鸟”政策引导下，佛山陶瓷产业转型升级，多数高能耗、高污染的陶瓷企业迁到外地或者关闭，陶瓷厂从2000年五百余家缩减成现在只有六十余家。随着时代发展，我国对陶瓷行业清洁生产提出越来越高的要求。2016年6月，广东省经信委和环保厅联合发布了《广东省关于全面推进绿色清洁生产工作的意见》，提出在“十三五”期间， 实现开展清洁生产审核企业超过1万家次的目标和许多新的清洁生产工作方式， 推动广东省清洁生产在“十三五”期间将再上一个新台阶。最近，习近平同志在十九大报告中指出，加快生态文明体制改革，建设美丽中国。深化供给侧结构性改革，产业中高端化、绿色化、智能化成为陶瓷产业的必然发展趋势。为了更好地生存发展，达到环保要求，陶瓷行业一直在发展，不断探索清洁生产的改进工艺。

下面笔者将通过原料、工艺、设备、废料再利用几个方面，从节能降耗的角度综述佛山陶瓷产业升级情况。

2 原料

2.1 坯体配方

陶瓷生产一般需要长时间高温烧结，如玻化砖一般采用辊道窑一次快速烧成技术，烧成温度在1200℃左右，烧成周期为40 ～ 100 min。如果降低烧成温度或烧成周期，就可以节约大量燃料，同时减少因燃料燃烧产生的废气、粉尘。在烧成过程中，熔剂原料富含碱金属氧化物，在较低温度下能转变为液相，进而溶解其他原料，促进莫来石晶体的形成、长大，同时填充坯体颗粒间隙，粘结颗粒，提高致密度和机械性能[4] 。

佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司廖花妹等人研究发现了以珠海泥16%、江西水洗砂27%、罗定石粉37%、膨润土1.3%、硼钙石1.4%硅灰石11.1%、透辉石2%、烧滑石2%改性CMC4.2%为低温快烧瓷质玻化砖坯体配方，通过控制坯体配方中的K、Na含量可以以降低陶瓷玻化砖的烧成温度，缩短烧成周期[5]。

佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司周子松等人通过比较分别在坯体中引入“K2O - Na2O”二元复合熔剂、“K2O - Na2O - Li2O”三元复合熔剂、“K2O - Na2O - Li2O - B2O3 - CaO - MgO”六元复合熔剂对产品低温烧成性能的影响，提出采用多元复合熔剂可以解决超低温建筑陶瓷砖烧成温度范围窄，产品容易变形等问题[6]。

2.2 陶瓷添加剂

陶瓷添加剂为在陶瓷生产中，为了满足环保清洁生产工艺要求及其性能需要而添加的化学试剂的总称，如坯体增强剂、陶瓷减水剂、润滑剂等。

黏土为陶瓷生产中的主要原料，近年来优质塑性粘土（如广东黑泥和白泥）资源日渐枯竭，节能减排，适度减薄或者使用瘠性料粘土是陶瓷发展的必经之路，如此造成其生坯强度和成瓷强度均显著下降，在输送和使用过程中，损坏或开裂的几率大幅增加。选择高效的坯体增强剂是提高坯体强度的一种重要手段。目前市场上出现的一些增强剂使用起来不同程度影响陶瓷泥浆性能，多数适用于压制成型的建筑陶瓷产品的生产，对于泥浆性能要求比较高的卫生陶瓷则不适用。广东东鹏陶瓷股份有限公司朱彦秋等人通过将不同比例的PVA加入坯体中，发现PVA的加入可改善陶瓷干燥强度，同时对砖坯的抗折强度、吸水率、烧后尺寸及变形没有太大影响[7]。合众（佛山）化工有限公司谢义鹏等人以醋酸乙烯酯和丙烯酸为原料，通过自由基聚合并经过碱水解制备了一种改性聚乙烯醇共聚物交联型陶瓷坯体增强剂，以其羟基通过氢键结合坯体颗粒，形成网状结构，从而增加陶瓷坯体强度[8]。同时还发明了一种平均分子质量1000 ～ 50000的新型高效陶瓷坯体增强剂，以环糊精、碱、酯化剂加热催化反应制得，加入相当于坯料干基质量的0.2 ～ 0.6%即可使坯体抗折强度增加30 ～ 80%[9]。

陶瓷减水剂又称解胶剂、分散剂。陶瓷浆料制备时需要保证一定的含水量以获得理想的的流动性和触变性，以便球磨和输送，成型后送到干燥塔喷雾干燥制粉。通常，对于对流干燥设备，每生产1 t建筑陶瓷生坯，电能消耗为3 ～ 11 kW·h，热能消耗为85 ～ 220 kW·h[4]。陶瓷减水剂的加入可破坏陶瓷料浆粒子的絮凝结构，使料浆在水分含量较低的情况下依然具有较好的分散性和较低的粘度，保持適合生产需要的较好流动性，从而在干燥流程可以节省燃料和干燥时间。目前， 我国陶瓷行业主要使用的陶瓷减水剂可分为四类：无机陶瓷减水剂、有机小分子陶瓷减水剂、复合陶瓷减水剂和高分子陶瓷减水剂[10]。高分子陶瓷减水剂在粘土-水体系中是空间位阻效应和静电效应同时发挥作用的，使得具有更稳定的分散体系，并具有分子结构的灵活设计性与可控性。因此，高分子陶瓷减水剂将成为陶瓷减水剂的发展趋势，其合成及应用也将逐渐成为研究的热点。佛山市功能高分子材料与精细化学品专业中心张磊等人以丙烯酸、烯丙基磺酸钠为原料，采用过硫酸铵-次亚磷酸钠催化，合成了丙烯酸-烯丙基磺酸钠的共聚物，使陶土料浆的黏度从1988 mPa·s降低至695 mPa·s，陶土坯体的弯曲强度增加了38%，同时陶土料浆的分散性得到了提升[11]。合众（佛山）化工有限公司谢义鹏等人发明了一种具有增强作用的N-羟甲基丙烯酰胺共聚物陶瓷减水剂，利用锚固链段N-羟甲基酰胺共聚物与坯体颗粒之间的毛细管力和氢键作用力，达到增强料浆分散性和坯体抗折强度[12]。

3 工艺

陶瓷砖生产中，大多陶瓷企业采用喷雾干燥制粉工艺（即湿法制粉），湿法制粉工艺流程为配原料→湿法球磨→浆料过筛、除铁→浆池搅拌→喷雾干燥→粉料過筛→陈腐→粉料成品，此工艺会造成能耗大、污染大，会产生大量粉尘、SOX、NOX等污染物。通常湿法制粉工段每生产1 t粉料成品，热能消耗约为450 kW·h，电能消耗约为60 kW·h[4]。可以通过改进球磨工艺或者甚至弃用湿法制粉而改用干法制粉的途径达到节能降耗的效果。

球磨是湿法制粉工艺的步骤之一，在球磨机中，通过球石的冲击、挤压和研磨作用，把大颗粒浆料研磨成适于生产的粒度。据统计，其用电量约占整个生产用电量的16%。佛山欧神诺陶瓷股份有限公司赵光岩等人研究发现采用二次球磨工艺，即首先采用15%Φ30、20%Φ40、30%Φ50、35%Φ60的球石以46 Hz的球磨机频率粗磨8h，再用65%Φ20、20%Φ30、15%Φ40的球石以42 Hz的球磨机频率，可使电耗比传统一次球磨减少18.8%[13]。

2015年11月，佛山市东鹏陶瓷有限公司山东生产基地实施了亚洲首个干法制粉项目，出砖成品合格率96%，比湿法制粉工艺节能47%以上，而成本则为湿法工艺的1/2[14]。干法制粉工艺为原料→粗、中碎→细碎→配料→细磨→过筛→增湿造粒→干燥→筛分→陈腐→干压成形[15]。曾德朝等人对比干法制粉与喷雾干燥制粉的粉料性能（粒度分布、颗粒级配和所压制砖坯在烧成过程中的收缩、变形）发现，干法制粉的粉料的平均粒径较湿法制粉的大，且干法制粉的粉料都是实心颗粒，湿法制粉的粉料为空心颗粒，在烧成过程中，干法粉料堆积密实，收缩的空间较小，因此，该法压制砖坯的烧成收缩、变形小于湿法工艺压制的砖坯[16]。

4 设备

4.1 窑炉改造

通常，每生产1 t建筑陶瓷坯体，辊道窑的电能消耗为6 ～ 45 KWh，热能消耗500 ～ 1300 KWh[4]，因此，在实际生产中可通过改造窑炉以调节风量、过剩空气系数、余热回收再利用、配套清洁能源燃烧设备等手段从而达到降低污染、降低能耗，提高热利用率的效果。

广东东鹏陶瓷股份有限公司通过在保证产品质量前提下减小总的排烟风机变频和助燃风机变频，适当降低烧成区助燃风量，延长燃料在窑炉中的停留时间，促进燃料充分燃烧，同时减少热量散失提高热利用率[17] 。

蒙娜丽莎集团股份有限公司对所有燃气喷枪更换为预混式二次燃烧器，通过减少燃烧过程中鼓入的O2降低炉膛过剩空气系数，该系数从1.75降低至1.10，窑炉节能可达9.79%[18]。

卢爱玲发明了一种陶瓷窑炉上可对余热进行回收利用的节能装置通过大型风管和抽风系统，抽取烧成窑冷却带的热风送入干燥窑的后段，抽取的烟气送入干燥窑前段，利用烧成窑的高温烟气、热风的余热进行陶瓷生坯干燥；将原有的柴油辊道窑的整个柴油供应与燃烧系统更换为天然气减压输送和温度自动控制燃烧系统[19]。

4.2 浆池搅拌机改造

为在经过湿法球磨和过筛除铁工艺后需将原料进一步混合均匀，避免料浆处于静止状态，因触变性而导致流动性降低，一般使用摆线针轮减速机作为浆池搅拌机。然而，该设备存在功率高、能耗大、过载能力较弱等问题。蒙娜丽莎集团股份有限公司则采用多级齿轮减速机替代原配的摆线针轮减速机，降低故障率，且比使用摆线针轮减速机的搅拌池节省24%的用电[20]。

5 废料再利用

对于陶瓷生产来说，水是过程性消耗品，主要用于湿法球磨、打磨抛光、地面和设备冲洗、尾气净化、设备降温等。

除了废水，陶瓷生产中还会伴随大量的固体废料的排放。固体废料包括粉尘和废渣。制粉、压坯、修坯会产生大量粉尘，如果不加以收集，任其排放，会污染环境，被吸入还会影响人体健康。而废渣主要为废品、抛磨产物、废水净化污泥，若就此排放会对环境造成巨大压力。将固体废料回收再利用不仅可以减少环境污染，还可以变废为宝，提高原料利用率。

除了陶瓷生产中产生的废水、废渣再利用，我们还可以利用其它工业生产中的废料与陶瓷原料的相近特性而使用到陶瓷生产中，一方面降低原料成本，另一方面缓解环境压力。可用来作为原料使用的其它行业废渣如氧化铝冶炼废渣、粉煤灰、疏浚泥沙等。

5.1 固体废料回收利用

为了实现布袋除尘粉料的再利用，佛山欧神诺陶瓷股份有限公司通过对浆料进行分类喷粉，分类回收布袋除尘器的回收粉料，对布袋除尘器回收粉料化浆和对浆料进行专门的调整，实现粉料化学成分的稳定性和可控性，解决了因再生料化学成分波动造成的产品变形问题[21]。

抛光废渣中含有大量SiC、氯氧镁水泥凝胶材料、坯体中的CaCO3、MgCO3，其中SiC和氯氧镁水泥凝胶材料会造成抛光废渣在高温时发泡。佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司、广东蒙娜丽莎新型材料集团有限公司、广东新明珠陶瓷集团有限公司等多家陶瓷企业都会将抛光废渣回收利用以生产轻质陶瓷砖[22-23]。

佛山市东鹏陶瓷有限公司以抛光砖污泥、临朐砂、秦庄长石、沂水长石、章丘土、黑泥为原料制备广场砖坯体，抗折强度41 MPa，莫氏硬度不低于6级，其他性能均能满足生产要求[24]。

佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司还利用坯体废料、烧成废料、抛光废渣、从化黑泥、广西钾钠砂为原料制成仿古砖坯体，烧成产品抗折强度达37 MPa，吸水率0.08%，收缩率8.5%，产品外观、尺寸都达标[25]。

5.2 冷却水利用

而为设备降温的冷却水有高温、无污染的优点，可以不经过二次处理直接利用，达到环保节约的目的。佛山欧神诺陶瓷股份有限公司提出将42℃的冷却水作为球磨介质，比使用常温水的球磨电耗降低0.78 kW·h/t[26]。

5.3 其他行业废渣利用到本行业

由于氧化铝冶炼废渣有较高含量的硅和铝，氧化铝冶炼废渣应用到轻质砖的生产中，可以改善孔壁力学性能，提高断裂模数和材料硬度，以铝废渣15%、抛光废渣34%、长石13%、页岩11%、玻璃粉13.6%、石英12.75%为坯体原料制成19.42 MPa强度的轻质砖[27， 28]。

在煤粉炉中经过高温燃烧后由收尘器收集起来的粉煤灰的有较高含量的钾、钠、铁，添加到陶瓷坯体中可以起到熔剂作用，从而提高泥浆颗粒流动性，使烧成温度降低，促进了陶瓷产品的烧结致密化，提高了陶瓷材料的断裂模数[29]。

佛山欧神诺陶瓷股份有限公司还提出了利用疏浚泥沙胶结性强、含水率高、铁含量高的特点，代替天然粘土，制备仿古砖产品[30]。

6 结语

我国的陶瓷产业巨大，佛山作为我国重要的陶瓷生产基地，更应该首当其冲大力推进节能降耗、清洁生产。研究开发环保型新产品、新技术、新工艺、新设备，有效利用包括工业废渣在内的各类陶瓷资源，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的经济发展方式。

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