发泡陶瓷窑炉节能技术探讨

摘 要：随着“十三五”的结束和“十四五”的实施，国家对高能耗产业的改革势在必行。陶瓷产业正是高能耗的行业，必然是改革的重点领域，节能减排也必将是陶瓷产业的大势所趋。目前在建筑领域广泛使用有机外墙外保温材料，普遍存在着易燃的致命缺陷。发泡陶瓷材料起到了建筑节能的高效果，且本身的高强度及防火保温性能也彻底解决了保温材料易燃的问题；发泡陶瓷板作为国家支持的产业，符合国家转型升级要求，将作为一种新型陶瓷产品，会有很大的发展潜力。

关键词：发泡陶瓷；固废处理；双碳双控；能耗；节能措施

1 引言

2020年4月29日，十三届全国人大常委会第十七次会议表决通过《固体废物污染环境防治法》，于2020年9月1日起施行。自1995年通过以来，固废法已先后经历5次修改。新修订的固废法明确固体废物污染环境防治强化政府及其有关部门监督管理责任，完善了工业固体废物、生活垃圾、危险废物、建筑垃圾、农业固体废物等污染环境防治制度，健全了保障机制，严格了法律责任。此次全面修改固废法是依法推动打好污染防治攻坚战的迫切需要，是健全最严格最严密生态环境保护法律制度和强化公共卫生法治保障的重要举措。新《固废法》对法律责任专章进行了扩充完善，加大了对固废管理不合规的处罚力度，增加了企业的违法成本。

中央环保督察组把能源督察纳入到了督察范围，最近生态环境部正在几个省份开展督察，里面明确了包括碳督察，搞督察有利于转型，有利于升级。

《关于推进城乡建设绿色发展的意见》中指出，充分发挥各城市比较优势，促进资源有效配置。特别是讲到碳减排扎实推进，城市整体性、系统性、生长性增强，“城市病”问题得到缓解。企业协同开展污染防治，发展循环经济，开展大宗固废综合利用，减少生态破坏和碳排放。按照国家的安排2030年碳达峰之前要加强大宗固废综合利用，陶瓷行业有很多做法，推进产业园区循环化发展，大力推进生活垃圾减量化、资源化等等。

国家“十四五”计划中明确提出了“十四五”节能专项规划，要求调整产业结构、能源结构，遏制高能耗高污染行业过快增长，大力推进节能工作，而陶瓷产业正是高能耗、高污染的行业，尤其是对资源的消耗和环境的污染都比较严重，属于政府和大众“紧盯”的行业之一。发泡陶瓷作为新型建筑隔墙板材料以及外墙保温材料频繁出现在各类报刊、杂志和展会上，正是由于发泡陶瓷符合国家的产业政策，变废为宝，积极响应国家的政策要求，越来越受到重视。

发泡陶瓷是一种无机非金属材料，是以抛光废渣、红泥、页岩、粉煤灰、煤矸石、煤渣、陶瓷原矿、大理石尾矿、炉渣、玻璃碎片等无机材料作为主要原料，掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等经混合、制粉、填料工艺，再经高温焙烧而成的高气孔率的陶瓷材料。发泡陶瓷采用的是低值低质的页岩、工业废渣，对环境的保护和降低能耗有更大的优势。在同等导热系数值时，发泡陶瓷的抗压强度和抗折强度要大于发泡玻璃，使用更安全。

发泡陶瓷是一种全新的绿色节能环保产品，具有防火、保温、防水、防冻、无毒、不老化、防静电、机械强度高、绝热性能好、使用寿命长等特点。当前，我国发泡陶瓷年产量严重不足，绝大多数产品用于化工绝热领域，用于建筑保温的就更少，这就为发泡陶瓷用于建筑领域提供了发展先机。发泡陶瓷与同类建材产品相比，有无可比拟的优势，具有很强的市场竞争力。

目前发泡陶瓷实际生产采用工业废料———湿法球磨———喷雾干燥造粒———机械布料———隧道窑或辊道窑烧成———机械卸板———切割机切割定尺的工艺流程，并且已经是成熟的工艺。发泡陶瓷保温板与隔墙板基本采用此种工艺。发泡陶瓷隔墙板发泡的孔径直径≤1 mm 的大约占60%～80%，直径1～2 mm 占20%～40%，且孔壁较薄。这种工艺的优点是产量大、原料加工均匀、稳定性好。缺点是排水、排气污染较难控制。

发泡砖的烧成过程是，在1000℃以前，粉料仍是粉料状态，在1050℃左右，粉料开始熔融，到1100℃时，粉料的厚度要收缩约50%，在1120℃左右开始发泡，厚度增大到原来粉料的（100-300）%。

2 发泡陶瓷窑炉节能技术

根据目前运行的窑炉情况来看，燃料成本约占产品成本的50%，有的甚至达到60%；如何做到节能降耗，提高产量，成为提高产品竞争力以及发泡陶瓷大力推广的关键因素。所以发泡陶瓷能耗的解决成为重中之重，本文从以下方面来分析节能措施：

2.1 原料的选择和配方结构是决定烧成周期的关键因素

在发泡陶瓷板生产中，烧成温度越高，能耗就越高。改进材料配方，采用低温快烧技术，降低烧成温度，缩短烧成周期，明显可以降低能耗。据热平衡计算，若烧成温度降低 100℃，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。根据现有窑炉烧成情况来看，采用珍珠岩为主要原料生产外墙保温装饰一体板的，烧成周期可以小于10h；目前发泡陶瓷烧成温度为1180～1200℃，如果温度降到1150℃可以更加节能减排，提升产量和降低成本。

2.2 最大限度的实现窑车、窑具的轻型化，降低蓄热损失

窑炉的能耗有一部分是被窑车直接带走，此部分热量将白白浪费，改变传统的窑车制作方式，采用堇青石-莫来石中空围边砖结构，较传统的砌砖重量减轻50%，同时还将窑车底座宽度减少，窑车内部采用保温效果更好的陶瓷棉，使整个窑车的重量大大减少，从而窑车的蓄热量大幅度减少，节省燃气。改变传统的窑具布置方式，取消用堇青石-莫来石作为立柱，尽量采用低重量，低蓄热量的材质，将匣瓷比降到最低。

2.3 采用多层发泡陶瓷隧道窑

这两年陆续上线了用辊道窑来烧制发泡陶瓷，总体来说产量上不去，烧成周期降不下来，效果不怎么理想，399米的辊道窑，一天的产量才100 m3左右，如果采用三层发泡陶瓷板隧道窑，一天的产量有300 m3，是同等长度辊道窑产量的3倍，虽然隧道窑投入的成本会比辊道窑多1.1倍左右，显然用三层发泡陶瓷隧道窑投入与产出比更划算。

2.4先进燃烧技术的应用

随着能源需求增加和环保意识提升的背景下，节能减排成为了社会可持续发展的重要途径。而在陶瓷烧制过程中，燃烧系统的优劣直接影响到能源消耗。因此，为了提高能源效率和降低生产成本，新型燃烧技术应运而生。

（1）比例燃烧自动控制系统；

（2）电子空燃比燃烧控制系统；

（3）空气过剩系数管理系统。

采用适用于多层发泡陶瓷隧道窑烧成的燃烧系统，可以明显的降低能耗。

2.5 新型高速等温烧嘴以及与其碳化硅烧嘴套出口大小的合适配合

在烧嘴使用时，温度控制容易出现偏差。 由于几何压头的作用，高温火焰流热气体由下向上流动，形成窑道内温度上高下低，使热电偶检测到的温度数据偏高， 故造成热电偶仪表上显示的温度与窑内烧成品实际温度出现很大的偏差。采用我公司研制的新型高速等温烧嘴除具有燃烧效率高外，更具有火焰喷射速度快，在窑内形成强烈搅拌，减少窑内的上下温差，可以使窑内温度变得均匀，使得发泡陶瓷产品发泡均匀，表面平整；不但能缩短烧成周期，降低能耗，而且可以提高制品的烧成效果。 特别对于宽断面的隧道窑，宜采用高速烧嘴；对于烧发生炉煤气的辊道窑，采用预混式烧嘴，不但可以减少窑断面上的温差，而且可以节约能源近15%～20%。如果烧嘴选好了，与其相应配套的碳化硅烧嘴套出口大小不配合好的话，依然达不到理想效果，这也是很多专业人士没有得到足够重视的地方。我们在实际应用中，都有严格的计算，选择最合适的碳化硅烧嘴套出口尺寸。

2.6窑炉结构的改进

由于是烧多层发泡陶瓷板隧道窑，窑内高度会升高，随着窑内高度的增加， 单位制品热耗和窑墙散热量也在增加，窑内结构以及窑墙保温效果也要做相应的改动。采用纳米保温板，该材料是近年来保温材料的发展趋势，能起到很好的保温效果，并减少窑墙的蓄热量，使窑炉能安全的快速升温和降温，减少窑墙散热。在一定范围内， 窑越宽越好；窑越宽，节能率越高，故只要能很好地解决断面温差的问题，宽体发泡陶瓷板隧道窑是未来发展的方向。

2.7窑炉三带比例的合理分段

由于发泡陶瓷不同于墙地砖，分段比例有它的特殊性，要根据发泡陶瓷烧成工艺曲线，合理设置各温度段分段比例，可以提高产品优等率，缩短烧成周期，降低单位产品能耗。

2.8建议没有环保压力的地区优先考虑用发生炉煤气

目前以发生炉煤气为燃料的企业，主要有山东蒙阴商海科技、广西碳歌、山东蒙阴商海科技生产外墙保温板，每天用煤约30吨，折合每立方产品约消耗天然气50m3。究其原因，一是原料的选用，烧成温度低；二是宽体窑加发泡厚度大，约厚280mm；三是4.5min左右的推进速度快，最终才有产量大能耗低的结果。广西碳歌公司生产室内隔墙保温板，同样烧发生炉煤气，折合每立方产品约消耗天然气70-80m3。，究其原因，一是发泡厚度，成品为80、100、120mm；二是三层装载小截面窑；三是推进速度5-8分钟/车，最终的能耗比蒙阴高，但比用天然气的企业能耗要低。

发生炉煤气（煤转气）的应用是窑炉的燃料费用降低及能源消耗大幅度下降的有效途径。发生炉煤气是一种较为洁净的气体燃料，对环境污染小，同时又降低了窑炉燃料费用，减轻了工人劳动强度，是提高经济效益和社会效益非常有效的替代燃料。但随着国家对环保压力的加大，许多产区不准上煤转气，所以企业要从多方面的考虑，只是建议没有环保压力的地区优先考虑用发生炉煤气。

2.9 窑炉余热的合理利用

积极采用先进的烟气余热回收技术， 降低排烟热损失是实现隧道窑节能的主要途径。

（1）从冷却带抽取的热风作为烧嘴的助燃风用，温度可加热到150-200℃左右一般认为：空气预热温度每提高100℃，即可节约燃料5%；

（2）排烟风机抽出的热风打到干燥窑或喷雾干燥塔用，可以对余热有效的加以利用；

（3）冬季将余热送到切割车间供暖。

2.10 排烟的烟气提供给喷雾干燥塔用

（1）排烟风机出风口的温度约350℃，烟气从窑炉输送到喷塔的温度降低了约40℃，则到塔的烟气温度为310℃，而塔排出烟气的温度约为90℃。在整个换热过程中，窑炉烟气的平均温度为200℃，对于日产量300m3/天的发泡陶瓷，烟气质量约16，325kg/h。

查表可得平均温度200℃烟气的比热容为：0.262kcal/kg.℃；

按公式Q=Cp mΔT计算每小时烟气带入量：

式中：Q-310℃烟气用于塔的热量，kcal/h；

Cp-200℃烟气比热容，kcal/kg.℃；

m-窑炉烟气质量，kg/h；

ΔT-烟气温度-塔排出温度，℃。

Q=0.262水分×16325水分×（310-90）=942，799kcal/h

天然气热值约为8，300 Kcal/m3

相当于天然气量： 942799÷8300=113 m3/h

（2）每年利用烟气可以节省的费用

天然气价格按3.5元/立方米，喷雾塔运行时间按每天22小时，每年正常生产日按330天，则每年利用烟气可节省的费用为：

3.5水分×113水分×22水分×330=2，871，330元/年

通过以上计算可以清楚的看到，利用排烟的余热用于喷雾塔的干燥一年节省的费用是比较可观的。

2.11纯氧燃烧节能技术

在普通的空气助燃窑炉中，近80%的不助燃氮气形成废气排出窑外 ，带走大量热量，造成热量的无谓消耗。同时在高温下生成氮氧化物， 污染大气。富氧燃烧是指在燃烧过程中，把氧气的体积分数大于空气中的21％氧气含量的气体作为助燃气体的一种高效燃烧技术，当助燃气体直接采用 99％以上的工业纯氧时，又叫做纯氧燃烧。纯氧燃烧技术可以增加燃烧火焰 温度、减少一次风抽送量，同时节约了燃料消耗、减少了尾气排放。

纯氧燃烧技术为陶瓷行业的烧成提供了一种新的可能性，它利用纯氧代替空气作为助燃剂，通过调整燃料与氧气的比例来控制火焰温度和气氛，从而实现高效、节能、环保的烧成过程。纯氧燃烧技术具体有以下优点：

（1）提高烧成效率，纯氧燃烧具有极高的火焰温度和热量传递效率，可以迅速将陶瓷烧至所需温度，缩短烧成周期，提高生产效率；

（2）节能降耗，纯氧燃烧技术能够最大限度地利用燃料能量，在高温时其辐射传热能力强，增强火焰的传热能力，减少热损失，降低能耗。与传统空气燃烧相比，纯氧燃烧能够节省大量燃料，降低生产成本；

（3）提高产品质量，纯氧燃烧产生的火焰气氛稳定，可以避免产品烧成过程中出现的变形、开裂等问题，提高产品合格率。同时，纯氧燃烧还能够减少产品表面的色差和瑕疵，提高产品美观度；

（4）环保减排，纯氧燃烧技术不产生氮氧化物等有害气体，减少了对环境的污染。此外，纯氧燃烧产生的热量能够充分利用，减少了废气排放和能源消耗，有利于实现绿色生产；

（5）可实现二氧化碳高效捕集，以天然气纯氧燃烧为例，由于燃烧产物中只有水蒸气和二氧化碳，所以在将烟气中的水蒸气冷凝后便得到了高浓度的二氧化碳，大大方便了二氧化碳的捕集。

2.12 高温空气燃烧技术

高温空气燃烧技术（high Temperature Air Combustion，简称HTAC）是90年代兴起的集节能、环保等多重优点的高新技术。该技术主要包括两项基本技术手段：一是燃烧用空气最大限度回收（或称极限回收）废气的显热；二是采用燃料在低氧气氛下燃烧的技术来降低NOx的生成量。高温空气燃烧技术最具标志的特点是高温，预热空气温度可达到800～1100℃。利用HTAC技术等高新技术开发新型陶瓷工业窑炉设备，是我国乃至国际上陶瓷工业窑炉的研究方向。

3结语

目前发泡陶瓷隧道窑二层、三层装载方式已经应用到生产中，产品优等品率更是达到100%，产品能耗也得到了进一步降低，处于行业领先地位；四层发泡陶瓷装载方式也在研发当中，在产能和能耗方面对发泡陶瓷的生产进行升产降耗，使窑炉能耗大幅度降低，降低了产品成本，提高了产品竞争力，响应了国家节能降耗的号召。

在窑炉节能和技术创新方面，我们将不断研发推出新技术，新产品与之配套的新装备，坚持自主创新，并积极强化与陶瓷产区的学习、交流与合作，加快自身的技术升级， 促使发泡陶瓷产业更快，更好的发展。

参考文献

[1] 曾令可，刘涛等.陶瓷窑炉的节能技术[J]佛山陶瓷，2008，（3）20-24.

[2]韩东来，胡乃友.发泡陶瓷窑炉结构的选择[J]佛山陶瓷，2019，（11）41-43.