陶瓷墙地砖热耗及若干低碳生产技术的分析与探讨

摘 要：本文分析了陶瓷砖生产各个环节需要的能耗，提出了相应的策略来提高能源的利用率，降低碳排放，推进陶瓷低碳清洁生产。

关键词：陶瓷砖；低碳技术；能源利用率

1 引言

建筑陶瓷制造过程的碳排放大致占我国总碳排放量的1%左右[1]。2022年底，我国建筑陶瓷行业能效优于标杆水平的产能占比小于10%，预计到2025年，建筑陶瓷行业目标能效标杆水平以上产能比例将达到30%以上，能效基准水平以下产能基本清零，行业节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅增加。到2030年，随着节能与低碳技术的发展，能效基准水平和标杆水平会进一步提高，行业整体能效水平和碳排放强度达到国际先进水平，为如期实现碳达峰目标提供有力支撑[2]。建筑陶瓷作为落实建材碳达峰的重点行业，节能减碳的压力较大，但可以通过先进的科学技术和设备来解决或缓解节能减排低碳的压力[3]。

本文以陶瓷墙地砖中产量最大的瓷质砖为例计算了主要生产工序的热耗，同时还提出了相应的策略来提高能源利用率，这对于实现陶瓷行业碳中和和碳达峰目标具有一定的参考价值。

2瓷质砖生产能耗分析

图1为瓷质砖的主要生产工序，包括球磨、喷雾干燥、干压成型、高温烧成、冷加工（抛光磨边）等。

根据我们的调查结果，喷雾干燥和烧成这两部分的能耗按照当量值计算约占据瓷质砖生产能耗的80%～90%，由于大多数企业将水煤浆用于喷雾干燥，因为水煤浆含有50%左右的水，根据统计，喷雾干燥热耗大致相当于烧成热耗的65%-75%，在此文中我们取为70%，企业电能的消耗按照当量值计算约占综合能耗的15%。对大多数企业而言，烧成每平方米瓷质砖要天然气1.5-2.0 m3。如果按照烧成的天然气耗量为1.6m3/m2产品计算，取天然气热值为8300kcal/m3，则每m2产品制造能耗约为3.8kgce，非常接近能耗标杆值4 kgce（吸水率≦0.5%产品）。如果烧成天然气耗量达到1.7 m3/m2产品，则按以上方法计算的制造能耗已经超过了能耗标杆值，必须通过严格控制其它工序的能耗才能符合标杆值的要求。

2.1瓷质陶瓷砖烧成热耗的分布

（1）坯体升温至烧成温度的蓄热

1 kg产品蓄热（烧成温度1220 ℃，室温为20 ℃，温升为1200 ℃；热容：选择粘土砖热容计算公式：

热容=0.84+（平均温度取610℃）

蓄热能量=1200（0.84+）=1198kJ/kg

类似计算，当烧成温度为1180 ℃，则蓄热约为：1158 kJ/kg。

（2）坯体烧成过程中物理和化学反应热

1）自由水蒸发

汽化热按照20 ℃与100 ℃的平均值取为2352 kJ/kg水，假设入窑水分为1%，则汽化热近似为23.5 kJ/kg坯体，假设生产1 kg产品需要1.2 kg坯体，则自由水蒸发热为：28.2 kJ/kg产品。

2）其它反应热

结构水脱水、矿物分解（碳酸盐、硫酸盐等）、玻璃相生成、晶体生成、晶体相变等会产生热效应，按产品含氧化铝量估算，假设氧化铝含量为20%，则1 kg产品的热耗为420 kJ。与自由水蒸发一起，烧成物理和化学反应耗热近似为448.2 kJ/kg产品。

（3）热利用率

按照GB/T 23459-2009《陶瓷工业窑炉热平衡、热效率测定与计算方法》：

热利用率＝（加热到最高烧成温度时产品蓄热＋物理与化学反应耗热）/总热耗

计算得到1 kg产品蓄热：烧成温度为1220 ℃时为1198（kJ/kg产品）；烧成温度为1180 ℃时为1158（kJ/kg产品）。假定烧成热耗为2500 kJ/kg产品（相当于烧9 mm厚瓷砖能耗为1.56 m3天然气/m2产品），则烧成温度为1220 ℃时热利用率为65.8%，烧成温度为1180 ℃时为64.2%。其中，高温坯体所带的热量可以在冷却带部分回收。

（4）烧成热耗的分布

理论上，烧成热耗=坯体物化反应热+窑炉散热+离窑烟气和热空气热量+产品出窑显热-（坯体、燃料、空气等带入窑的显热），表1是根据我们的调研结果，列出的各部分热耗的比例。

由表1可知，烟气和热空气带走的热量超过了其它各项的总和，降低烟气和热空气带走的热量，或者提高这部分热量的回收率，可以显著提高热能利用效率。

2.2 干燥的能耗

（1）坯体干燥

陶瓷工厂目前通用的做法是将热烟气和热空气供坯体干燥，部分送去烧成带助燃。1 kg坯体（含水率为5%-7％）假定需要干燥6％的水（达到平衡水分），并且坯体需要加热到150 ℃，经过计算干燥1 kg坯体需要热量大约为280kJ，按1 kg产品需要1.2 kg坯体计算，则1 kg产品需要的理论干燥热量为336 kJ。如果按照排出气体带走的热量为烧成热耗的60%，如前所述，假设烧成热耗为2500 kJ/kg产品，则排出气体带的热量约为1500 kJ/kg产品。如果按照废气的排放温度为110 ℃（高于露点），烟气的出窑温度为262 ℃，在不考虑烟气热容变化的情况下，烟气热量利用率约为58%。也就是如果烟气和热空气用于坯体干燥，可用的热量为870 kJ/kg产品。显然，经过合理安排，坯体干燥是用不完这些热量的。

（2）喷雾干燥

按陶瓷坯料泥浆含水率为33％，喷雾造粒粉体含水率为6％计算，生产1 kg产品需要1.2 kg含水率为6％的坯体，蒸发的水分约0.48 kg，理论上需要的潜热约为1204 kJ/kg产品，此外还要将粉料和废气升温到超过100 ℃，如果是110-120 ℃，理论上需要的热量约为1500 kJ/kg产品，如果热风炉和喷雾塔的热效率为85%，则每kg产品需要热量1765kJ。与烧成热耗相比，喷雾干燥的热耗大致相当于烧成热耗的70%，所以要非常重视喷雾干燥的能耗。

3提高能源利用率的途径

从前面的分析可知，最大的热损失来自烟气和冷却空气带走的热量，因此如何减少这部分热损失和充分利用这些气体余热是提高能源利用率的关键。

3.1热空气或者烟气助燃

热空气助燃已经是比较成熟的技术，通过将冷却带获得的热空气送到烧嘴助燃，提高进入窑炉空气的显热，达到减少燃料消耗的目的。

利用热的烟气助燃的高温贫氧燃烧技术因为燃烧效率高、烟气余热回收能力强以及污染物排放量低，在其它热工设备上得到了广泛应用。污染物排放低的原因是贫氧燃烧时，助燃烟气氧含量显著小于空气，助燃能力较差，避免局部高温生成NOx，减少烟气脱硝的压力，同时还能够提高火焰温度的均匀性。因此，在适当的时候应当开展贫氧燃烧在陶瓷窑炉中的应用研究。

3.2窑炉结构

要根据产品尺寸、质量、产量的要求设计窑炉，以产品质量高、能耗低作为指导思想设计窑炉，过长的窑炉可能会导致产品质量下降和能耗升高。窑炉的结构、密封、隔热、余热利用、智能化控制等要统筹考虑。比如，应当合理选择和安排余热风管、烧嘴，使不同温区的每组烧嘴燃烧状态基本一致，气氛、温度更均匀，从而提高烧成速度、也更省燃料。再比如，采用高温强度高、抗热震性能好的较小直径辊棒来防止产品变形、采用纳米气凝胶耐火保温材料，降低了窑体外表温度，减少散热损失等等。

3.3余热利用

如前所述，烧成温度为1180 ℃时，热能利用率达到64.2%，考虑到窑炉散热，所以预热带和烧成带排出的烟气热量占比肯定少于35.8%。另一个数据是烧成温度为1180 ℃时，蓄热约为1158 kJ/kg产品，如果产品出窑温度120 ℃，经过计算冷却气体带的热量大致为1058 kJ/kg产品，占总的烧成热耗的42%左右，因此冷却风的热量高于烟气的热量，是余热利用的重点。

余热除了用于坯体干燥、窑炉助燃外，还可以用于喷雾塔热风炉助燃。实际上，为了满足喷雾干燥的需要，热风炉的烟气必须用风调到600 ℃左右才进入喷雾塔。如果加入100 ℃的低能级热风，相对于加入室温的空气（30 ℃）提高了70 ℃。经过估算大致节能7%左右。我们在生产线上的实验结果为加入11.2万立方米125℃的烟气配风，每吨粉体的水煤浆用量比用自然风配风时节约了13.41%。由于部分烟气经过喷雾干燥，相当于每小时减少处理11.2万立方米烟气量，显著降低了环保成本[3]。

余热也可用于加热坯料泥浆，降低喷雾塔能耗。假定喷雾塔干燥时得到的粉体温度120 ℃，蒸发的水蒸气温度为150 ℃，泥浆池中的泥浆温度30 ℃，如果通过余热利用，将泥浆温度提高到60 ℃，那么每公斤泥浆可以节省60 kJ热量，而1 kg泥浆喷雾干燥的理论耗热为902 kJ，因此节能率为6.6%左右，如果升温到80 ℃，则可以节能11%左右。值得注意的是泥浆中含有浓度较高的Ca2+和Mg2+，在加热状态下可能会形成沉淀物附着在管道内壁，影响传热效率。同时要考虑加温会降低泥浆黏度，影响泥浆的稳定性。

4结语

1）陶瓷墙地砖热工过程的节能减排是一个系统工程，必须要根据实际情况，以产品质量高、能耗低作为指导思想，对整个热工系统进行精心设计，合理利用不同能级的余热。

2）如果陶瓷墙地砖企业用水煤浆作为燃料进行喷雾干燥，其热耗大致相当于烧成能耗的70%左右，因此必须重视喷雾干燥环节的节能减排。通过将低温烟气用于喷雾塔热风炉调温以及泥浆加热，可以明显降低喷雾干燥的能耗。

3）烧成最大的热支出是烟气和冷却形成的热空气带走的热量，大致占总热耗的55%-70%，其中，热空气的热量超过了总热耗的40%，大于烟气出窑带走的热量。

参考文献

[1] 中国建筑卫生陶瓷协会编，中国建筑陶瓷卫生洁具年鉴（2022）

[2] Liu Z， Guan D， Moore S， et al. Climate policy： Steps to China's carbon peak[J]. Nature， 2015， 522（7556）：279-281.

[3] 简润桐，邓伟国， 胡发伟，吴建青，陶瓷喷雾塔热风炉引入低温窑炉烟气做配风的试验研究[J]，佛山陶瓷，2024（7）：3-4

Analysis and Discussion on Heat Consumption of Ceramic Tiles and Some Low Carbon Production Technologies

ZHANG Wen-min 1，2，SU Hua-zhi1，WU" Jian-qing 1，2

（1. Newperal Group Co.， Ltd.， Foshan 528061， China;

2. School of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China）

Abstract： This paper analyzes the energy consumption required in each link of ceramic tile production， and puts forward corresponding strategies to improve energy utilization， reduce carbon emissions， and promote low-carbon and clean production of ceramics.

Keywords： Ceramic tiles; Low-carbon preparation; Energy utilization rate