浅谈陶瓷企业节能措施

摘 要:陶瓷行业是我国传统的高能耗行业,本文结合陶瓷企业能源消耗结构和流向,从陶瓷产品生产工序和主要用能设备论述了一些具体的节能措施。

关键词:陶瓷;能源消耗;节能措施

1 前言

我国是建筑卫生陶瓷生产大国,建筑卫生陶瓷的产量已连续15年位居世界第一,日用瓷和工艺美术陈设瓷的产量则连续30年位居世界第一[1]。2008年全国建筑陶瓷产量总体保持继续增长趋势,瓷砖产量达到57.55亿平方米,增长12.8%;卫生陶瓷产量达1.54亿件,增长9.35%[2]。与此同时,建筑卫生陶瓷也是传统的高能耗行业,但目前我国陶瓷工业能源利用率仅为28%~30%,与发达国家50%~57%的能源利用率差距较大,能源浪费严重[3]。

随着我国经济社会的逐步发展,我国已成为世界第二大能源消耗大国,2007年能源消费总量为26.6[4]亿吨标准煤,2008年则增长为29.1[5]亿吨标准煤,能源消费量仅次于美国。今后几年我国能源消费量将继续保持高速增长趋势,能源供需矛盾日益严重,能源供应安全已成为关系我国经济发展的重大问题。

自进入二十一世纪以来,经济全球化进一步发展,世界能源消费量高速增长,国际能源市场出现了能源供应紧张的局面,能源价格不断上涨,供需矛盾日益突出。能源成本的大幅度提升对“高能耗、高污染、资源性”的行业带来了巨大冲击,能源成本严重威胁着这些工业的生存和发展,其中就包括建筑卫生陶瓷工业。因此,节能降耗成为每个陶瓷企业经营者都必须严肃面对及思考的问题。同时,陶瓷的高耗能必然会带来高污染的情况,全国迅猛发展的陶瓷业对我国的环境也造成了很大的污染,特别是陶瓷业发展迅速的产区如广东省的佛山、潮州、清远、肇庆、河源等地区更为严重。

节能已被称为世界第五大能源,它不仅可以缓解能源供需矛盾,促进经济持续、快速、健康发展,而且是减少有害气体排放、降低大气污染的最现实、最经济的途径。开展节能减排工作、降低企业生产成本、提高企业市场竞争力是我国陶瓷企业的必由之路,也是促进建筑卫生陶瓷工业可持续发展的唯一途径。

从建筑卫生陶瓷工业来看,节能减排的途径主要有管理节能和技术节能两个大方面。管理节能主要是通过加强企业员工技能培训、提高员工节能意识、合理安排生产、减少浪费来做到节能;技术节能主要是依靠新工艺、新技术、新设备、新材料的使用,提高能源利用效率,达到节能的目的。

2 陶瓷企业主要生产工艺、设备及能源消耗流向情况简介

2.1主要生产工艺

建筑陶瓷产品主要有抛光砖和瓷片两大类,主要生产工艺流程分别如图1和图2所示。

抛光砖、瓷片生产工艺主要包括:配料、球磨、喷雾干燥、陈腐、压机成形、干燥、烧成、抛光。

(1) 配料:根据产品的工艺要求,按照一定的原材料配方,将各种泥沙按比例和需要生产的数量要求来配备;

(2) 球磨:将已配备好的原材料,装入球磨机中,按工艺要求,加入一定量的水和各种助剂,配成浆料。然后加入磨球,大颗粒的浆料在球磨机中通过与球石的碰撞与摩擦,不断地粉碎,直到达到生产所要求的细度;

(3) 喷雾干燥:浆料在喷雾干燥塔内,热烟气将浆料的水分蒸发成为干燥粉料;

(4) 陈腐:将经过喷雾干燥的粉料放入储料粉箱中存放;

(5) 压制成形:粉料通过输送设备送到压机,经自动压机压制成形;

(6) 干燥:砖坯成形后经干燥进入烧成;

(7) 烧成:干燥后的砖坯进入烧成窑中高温烧结;

(8) 抛光:利用抛光机械对陶瓷制品的表面进行加工(主要是抛光砖类产品);

(9) 磨边:对烧成后的产品,按照质量标准进行表面加工(主要是瓷片类产品)。

2.2主要用能设备

建筑陶瓷与卫生陶瓷的主要耗能设备以及能源消耗种类分别如表1所示。需要说明的是,随着能源成本的升高,陶瓷厂喷雾塔现在基本都以烧水煤浆为主,辊道窑以烧水煤气为主,部分地区辊道窑采用天然气作为原料。此外,随着技术的进步,原先干燥窑都需要通过热风炉燃烧重油、柴油或者水煤浆供热,现在大部分都取消了热风炉供热,而直接利用辊道窑的余热。

2.3建筑卫生陶瓷企业能源流向情况

表2为某陶瓷企业全年的能源消耗量及能源结构表,表3、图3则为该企业各种能源的流向情况。

从表3可以看出,原料车间及烧成车间是企业的主要耗能部门,两个部门全年耗能占到公司总能耗的96.33%,其中原料车间占35.07%,烧成车间占61.26%,因此可以看出,陶瓷企业节能空间主要在原料车间及烧成车间。

3陶瓷企业的主要技术节能措施

3.1原料加工过程的节能

从上一节我们知道,陶瓷企业原料加工过程所消耗的能源约占全公司能源消耗的35.07%,主要的耗能设备有浆池搅拌机、球磨机、喷雾塔及风机。其中喷雾塔是用热设备,其余全部为用电设备。原料制作工艺的节能措施主要分为节电措施和余热利用措施。

3.1.1 浆池搅拌机节电

原料浆池搅拌是球磨之前的一个过程,其主要目的是使得原料与水混合均匀,为后续的球磨工序提供合适的浆料。一般而言搅拌机用电量相比球磨机要小很多, 搅拌机节电主要要注意选择合适功率的搅拌机,避免“大马拉小车”的现象;另外就是采用变频技术,根据浆料的性质改变搅拌速度,节约用电。

3.1.2 球磨机节电

从表3可以看出,原料车间用电占到全厂用电的30.84%,而根据有关报道,球磨机用电要占到整体生产线用电的45%,占原料加工用电的85%,合占总成本的8%~10%[6],因此开展球磨机节能对于陶瓷企业来说意义重大。球磨机节电要做到以下几点:

(1) 严把陶瓷原料进厂关,做到原料的标准化、系列化,以保证产品质量的稳定性,减少后续球磨工序的时间;

(2) 尽量采用大吨位球磨机,并采用变频器控制,与小吨位球磨机相比,大吨位球磨机可以节省电耗10%~30%;此外,大吨位球磨机产量可提高10倍以上,可以连续性加料和出料,不需要停机,并可以制浓浆,使后续的喷雾干燥节省能耗20%~30%;

(3) 合理选用高效减水剂以及助磨剂,减水剂可以改善泥浆的特性,减少球磨时间、节约用电,此外还可以减少后续喷雾塔用能;

(4) 合理搭配球磨机球石。球石的选择既要考虑单个球石的硬度、抗折强度、抗冲击强度、重量和比重,也要考虑球石的整体参数性质,如磨耗率和孔隙率。实际生产中球石的选择既要根据“金字塔”原理和“黄金分割”原理,又要结合实际的生产情况,合理搭配球石的大、中、小球石比率,且做好跟踪处理,按照球石的消耗情况及时进行补充;

(5) 做好球磨机的日常维护管理。球磨机的安装维护保养对球磨的传动和谐性、绿色环保性、使用安全性和节能性有极大影响。俗话说“三分设计,七分保养”,设计得再好,安装维护保养不到位,结果还是功亏一篑。球磨机日常维护保养一定要做到主轴头轴承、传动轴承及波箱齿轮的注油滑定期保养,皮带机电器设备随时保养,其它机件的事故维修特别保养。

3.1.3喷雾塔节能

喷雾塔也是原料生产过程中用能较大的工序之一,主要是喷雾干燥过程用能较多。目前喷雾塔节能主要有以下几个方面:

(1) 保持喷雾塔热风进出塔的温度恒定。一般而言,喷雾塔的入风温度保持在600℃左右,出塔风温保持在75℃以上[3],一方面保证了热风的利用率及热效率;另一方面保证了粉料的含水率符合要求;

(2) 循环利用出塔热风余热,利用热交换器对出塔热风余热进行回收,用于预热泥浆,从而降低泥浆的粘度、改善泥浆的雾化性能,防止因泥浆凝结而堵塞雾化喷嘴(特别是在冬季的时候,效果更明显),从而保证生产的连贯性,减少故障发生,提高能源利用效率;

(3) 采用复合减水剂,降低泥浆含水率,从而降低喷雾工序蒸发水量,降低喷雾工序热单耗;

(4) 做好喷雾塔的密闭性控制,由于喷雾塔系统采用负压操作,若有漏风就会增加能耗,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好,不能漏风,要做好日常维护检修工作,确保该系统的密闭性。

3.2砖坯压制及烧成过程的节能

从表3可以看出,烧成车间的总能耗占到全厂能耗的61.26%,特别是烧成过程用能较大,主要的用能设备有压机、辊道窑及风机。主要的节能措施有以下几个方面:

3.2.1压机节电

砖坯压制主要是利用压机将粉料压制成砖坯形状,主要是利用电能,压制过程应尽量采用大吨位的压机。因大吨位压机压力大、产量大,压制的砖坯质量好、合格率高,在同等条件下,电耗可以减少30%以上。目前,国产液压压砖机的最大吨位已经达到7800t,各种吨位的大型压机也已经广泛应用于国内陶瓷企业,节能效果显著。如广东科达机电近期推出的宽体陶瓷压砖机,在能耗不变的情况下,产能可提高30%;佛山南海捷成工机械有限公司近期推出的3850t全自动液压压砖机,主机功率仅为90kW,比国内外同类产品的110kW小20kW,每小时可以节省电20kWh[13]。通过这些技术进步,能为陶瓷企业节能减排工作提供有力的技术支持。

3.2.2辊道窑风机节电

辊道窑风机用电量较大,风机的节能问题和节能技术必须引起陶瓷生产企业的足够重视。一要注意风机等设备的选型,要选用节能型,尽量避免“大马拉小车”现象;二要从设计、安装施工中注意风道、节流环节的合理性,以减少节流损失,尽量使风机的运行风压和流量接近于额定压力和流量,使运行工作点长时间地保持在高效率区;三是采用经济而可靠的调节方式控制风机的运行。

3.2.3辊道窑节能

辊道窑主要通过燃烧煤气(或者重油)等化石能源,产生高温,砖坯在高温下发生化学反应。但砖坯烧成后,辊道窑还有大量的热量未被利用,主要通过窑体散热、砖坯及热风带走,其中窑体散热损失大概占10%左右,而砖坯及热风带走的热量占到70%左右[7]。因此,辊道窑节能主要在提高燃烧效率、余热回收利用、发展低温快烧技术方面:

(1) 采用高效燃烧技术,减少烟气量

改进燃烧方法,采用新的燃烧方式也是陶瓷工业节能降耗的一条重要途径。燃料燃烧过程中都是采用空气进行供氧,但空气中79%的体积为非反应气体(主要为氮气),这些气体是烟气的主要组分,燃烧后这些气体含有大量的余热,因此实现烟气节能最好的方法是减少烟气量。富氧燃烧和高温低氧燃烧是当代最新的燃烧技术,近几年,富氧燃烧和贫氧燃烧技术逐步兴起并应用到玻璃、冶金等工业领域中,但在国内陶瓷砖辊道窑上的实践却很少。富氧燃烧,甚至全氧或纯氧燃烧,大大减少了化学惰性的氮的引入量,因此燃烧温度会大大提高,从而加快辐射传热,提高产品产量和质量,降低对助燃空气的预热温度的要求,还有可能扩大低热值劣质燃料的应用范围。贫氧燃烧的火焰温度分布更加均匀,燃烧充分、噪音低。最可贵的是,因为不存在常规燃烧时的局部高温富氧区,产生的氮氧化物NOx极少,因而节能与减排效果更佳。此外还有脉冲燃烧技术、高温空气燃烧技术等也都是较为成熟的技术,但目前在我国陶瓷窑炉的应用还较少,应当加快研发应用步伐,可以预见,今后这些高效燃烧技术是陶瓷窑炉节能的一个主要发展方向[9～10]。

(2) 烟气余热利用

辊道窑烟气余热利用具体内容为在辊道窑冷却区安装节能管屏式冷却系统,由辊道窑快冷段最末端抽出热风作为系统的一级取热,使产品出窑温度下降30℃以上,这样既不影响窑炉生产又不消耗系统以外能量;热风进入管屏系统进行加热,管屏系统产生的多余的高温热空气用管道送至喷雾干燥塔,作为热空气进行配风,用以干燥泥浆,实现能量的梯级利用。

(3) 减少辊道窑散热损失

窑体的砌筑材料应尽量选用轻质耐火材料,其重要特点有:密度小、蓄热低、绝热性能好、耐高温、热稳定性好。据有关资料,轻质陶瓷纤维与重质耐火砖相比:质量轻、导热系数小、重量只有重质材料的1/6、容重为传统耐火砖的1/25、蓄热量仅为砖砌式炉衬的1/30～1/10、窑外壁温度降到30～60℃[8]。在窑内衬表面喷涂新型热辐射涂料,可以提高陶瓷纤维抗粉化的能力,增加窑炉内传热效率,强化炉内辐射传热作用,达到节能降耗的效果。

(4) 大力发展低温快烧技术

在陶瓷生产中,烧成温度越高,能耗就越高。据热平衡计算,若烧成温度降低100℃,则单位产品的热耗可降低10%以上,且烧成时间缩短10%,产量增加10%,可以节约大量的能源[11]。佛山某企业和华南理工大学合作,采用超低温配方烧成,将现有的建筑陶瓷产品的烧成温度降低约200℃,达到1000℃以下,单位制品的燃耗降低25%,每公斤瓷能耗为3～5MJ,仅为普通烧成技术的75%左右,大大降低了生产成本。通过改进原料配方,降低陶瓷砖的烧成温度,实现低温快速烧成是陶瓷企业降低生产成本、提高企业竞争力的一个关键领域。

3.3砖坯抛光(磨边)过程节能

砖坯的抛光(磨边)工序是陶瓷企业用电较大的工序,从表2和表3可以看出,抛光(磨边)车间用电量达到总用电量的34.53%。由于抛光(磨边)一般要经过几次,很多企业存在转运或者转抛过程,生产不连续,抛光机空载现象时有发生,因此砖坯抛光节能应当注意做好生产调度安排,保障生产的连续性,减少空转现象发生。此外,要做好抛光线路的无功补偿,减少线路无用功损耗等。

4 其它方面的节能

4.1煤气站余热利用

随着原油价格的升高,佛山地区陶瓷厂大部分都采用将煤转换成煤气的形式用于辊道窑的烧成。一般来说,煤气站冷却时会产生大量的蒸汽水,这些蒸汽水含有大量的热能,一般的陶瓷厂都是经过简单的冷却后作为废水排放,浪费大量的能源。这些蒸汽水的余热可以用于加热原料车间的泥浆用水,提高泥浆的温度,从而提高泥浆活性、减少球磨时间。据报道,通过这些蒸汽水用于原料车间的泥浆,可以使球磨机运行时间减少1/4[12];此外,还可以通过热交换方式,用于加热员工生活热水。

4.2煤气站煤渣重新利用

原煤通过煤气站进行煤转气后,煤气站产出的煤渣还存在大量的没有被利用的残炭部分。据某企业测试,煤气站煤渣热值高达1300～1500kcal/kg,这部分煤渣可以通过加入到煤粉中,用于球磨水煤浆,供企业的喷雾塔使用,从而充分利用煤气站的煤渣,节约用能。

4.3生产管理节能

我国陶瓷企业与国外先进的陶瓷企业相比,管理方面还存在较大的差距,管理节能还存在巨大的空间。与技术节能相比,管理节能相对投入较少,但效果较好。我国陶瓷企业日常用能管理可以从以下几个方面加强:

(1) 把好原煤入厂的检测关

原煤在陶瓷企业能源结构中一般占到75%以上,且大部分通过煤气站转换成水煤气用于辊道窑,而原煤的热值高低直接关系到单位质量煤的出气量。因此入厂煤的品质好坏直接关系到煤的利用效率。企业应当设置专门的检测部门,对入厂的每一批次煤炭进行化验,不达指标的原煤坚决不入,从而保证单位质量原煤的出气量。

(2) 合理安排生产调度,减少转产次数

一般而言,原料工序生产是根据生产产品种类进行批次的生产,品种更换后,球磨机等要进行彻底的冲洗,冲洗次数越多能源消耗越大。因此,生产企业应当对生产订单进行合理科学的安排,同一类型的产品尽量安排在同一批次生产,减少喷雾塔冲洗次数,以及压机的换磨具次数,保障生产的连续性,提高能源利用效率。

(3) 加强员工节能培训,提高节能意识

通过开展清洁生产审核和能源审计工作,对企业员工进行培训;此外还可以通过车间海报、企业杂志等形式宣传节能知识,提高企业员工的节能意识,鼓励他们从身边小事做起,养成良好的用能习惯。

5 结语

改革开发以来,我国陶瓷工业取得了长足的发展,但由于陶瓷行业高能耗、高污染和资源消耗型的特性,给它带来了资源和环境方面的巨大压力,特别是随着能源成本的增加以及国外发达国家大肆利用环保手段抑制我国陶瓷产品的出口,这足以影响到我国陶瓷工业的生存与发展。

“节能降耗”可以很好地降低企业的生产成本,减少污染物的排放,从源头上扭转自身发展的被动局面。因此,我国陶瓷工业应当从国情出发,理论研究结合实际,从原料生产工序、成形工序、干燥、烧成工序以及废料的利用,全方面开展节能降耗潜力研究,使我国陶瓷工业在建设节约型社会、节能减排方面做出更显著的成绩。

参考资料

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[13]冼志勇,刘树,曾令可.陶瓷行业应对节能减排的措施[J].佛山陶瓷,2009,6:13～16.