寬體輥道窯的節能與碳減排核算

譚映山+曾令可+陳凱+李萍+張集發

摘 ?要：隨著陶瓷窯爐的不斷發展和燒成技術的進步，寬體節能輥道窯越來越多，技術愈來愈成熟，節能效果越來越明顯。本文介紹了廣東中窯窯業股份有限公司寬體輥道窯的結構特點、節能與碳減排的核算。寬體輥道窯改造完成后年節能量達5200.45 t標煤，每年可以減少化石燃料燃燒產生的碳排放量14041.69 t CO2，減少生產用電蘊含的碳排放量1016.30 t CO2。

關鍵詞：寬體窯;節能;碳減排;核算

1 ? 前言

在能源危機日益嚴峻的今天，國家對工業能源消耗及污染的控制不斷加強，廣東省已出臺并實施了部分企業的碳交易。陶瓷行業面臨越來越大的節能減排壓力，如何有效的減少能源消耗，降低有害廢氣的產生及排放，特別是陶瓷窯爐等熱能消耗設備的優化改造，已成為各陶瓷企業的當務之急。寬體輥道窯作為一種新型窯爐在陶瓷工業中的地位日益突出，它與傳統輥道窯相比較，具有單位能耗低、生產效率高、土地利用率高等特點。尤其節能環保優勢明顯，有效地觧決了當前我國建筑陶瓷產量大、單位能耗高、廢氣污染嚴重等一系列的難題，所以說寬體輥道窯的發展勢在必行。

2 ? 寬體輥道窯的結構特點

2.1 ?采用合適燒嘴觧決窯內寬度上斷面溫差

為了最大限度的減小寬斷面窯內斷面溫差，可采用新型、高效、節能燒嘴，使燒嘴出口速度快，火焰噴射距離更遠，燃氣和助燃風混合更均勻，燃燒更完全，實現窯內斷面溫差的精確控制。在設計中采用仿“漢索夫型”高速等溫燒嘴，成功地應用于寬體輥道窯的燒成，在燃燒控制方面，采用長、短火焰燒嘴科學合理撘配，有效的解決寬體窯的斷面溫差。

2.2 ?閘板和擋火墻的合理設置

通過大量的實踐，大家都清楚認識到閘板和擋火墻在陶瓷輥道窯爐內的作用，合理的設置閘板和擋火墻在窯長方向上布置位置及閘板、擋火墻的結構形式，對窯爐溫度的分段控制，強制窯內熱氣流的流向和熱氣流的攪拌，減少窯爐內上、下溫差及斷面溫差都具有非常大的作用。

2.3 ?優質保溫材料減少窯墻散熱

采用高效、輕質保溫耐火材料及新型涂料，能夠有效地減少窯墻的散熱，實現窯爐的節能減排目的。窯爐的表面散熱約占總熱量的8～20%，設計中采用節能模塊、比利時（Promat）質量輕、導熱系數小的納米輕質陶瓷纖維板，不僅能夠減薄窯墻厚度，而且窯墻蓄熱量也大大降低，節能16%左右。窯墻外壁溫度不超過60 ℃，圖1為用紅外熱像儀檢測的輥道窯墻外表面的溫度分布示意圖。

2.4 ?充分利用余熱提高助燃風溫度

為實現節能目標，公司采用高效率助燃風加熱技術，將冷卻帶的余熱輸送給助燃風，將助燃風加熱至150～200 ℃;改進余熱回收系統結構，充分利用急冷、緩冷和窯頭預熱帶等區域的余熱，將余熱引到干燥器或噴霧干燥塔等設備作為熱源，降低窯爐的煙氣排放溫度，不僅可以提高窯爐的余熱利用率，而且環保，可有效的節約能源。

2.5 ?輥道窯燒成帶的拱頂結構

早期輥道窯的窯頂都是平頂結構，其有利于吊頂，施工方便。采用拱頂結構，其特點主要有：拱頂部位燃燒空間增大，可以增加截面中間部位輻射層厚度，增加傳熱能力;拱頂弧面有利于界面中部獲得更多輻射傳熱;可更有效地克服平窯頂存在的界面熱氣流死角，大大改善截面的溫度均勻性。另外，輥道窯燒成帶中傳熱方式以輻射為主，占總傳熱的80%，輻射傳熱的關鍵是和溫度的四次方成正比和輻射層厚度成正比，拱頂結構不但可以大大地提高輻射傳熱效率，而且可增加輻射層厚度及溫度均勻性。如果在高溫帶采用拱頂，而預熱帶和冷卻帶采用平頂結構，這樣更有利于窯內熱氣流的攪拌，有利于減少溫差。

2.6 ?采用大規格高強度輥棒

南海金剛新材料公司等輥棒企業，通過配方，工藝過程及設備的改進制備了大規格，超高溫陶瓷輥棒及異型輥棒，這為寬體輥道窯的設計和運行提供保障，除了減少在高溫區斷棒外，異型輥棒可以矯正磚坯的走向，使走磚平直，大大保證燒成中的產品質量。

3 ? 寬體輥道窯節能改造項目節能核算

2012年2月公司完成了某企業輥道窯的節能改造，以一條250 m長、3.1 m內寬的節能型輥道窯來代替項目實施前的兩條140 m長、2.4 m內寬的輥道窯，改變燒成帶、預熱帶和冷卻帶三帶的比例、窯內采用拱頂結構和平頂結構相結合，擋火板和擋火墻結構和高度相結合，使輥道窯的橫截面積的熱容值增大，有效的解決窯爐的溫差問題，由于窯爐內的溫度均勻性好，使單位時間內的進磚量增大，縮短燒成時間，大幅的提高陶瓷的產量。

3.1 ?改造前后的原煤消耗情況對比

改造前后的產品能耗分析如表1、表2所示。

從表1、表2可以發現，改造前單位產品能耗為169.23 kgce/t，改造后單位產品能耗為132.36 kgce/t，改造后輥道窯共生產產品為135789 t，則2012年該項目節能量：

年節能量=（改造前單位產品的綜合能耗 - 改造后單位產品的綜合能耗）× 年產量=（169.23 - 132.36）× 135789 ÷ 1000 = 5006.54（t標煤）。

3.2 ?改造前后的電耗情況對比

輥道窯年節電量為159.42萬kW·h，折標系數為1.229，折算標煤量為193.91 t。

從表1、表2及表3可以計算，該節能項目改造完成后年節能量為：

5006.54 + 193.91 = 5200.45（t標煤）。

4 ? 碳減排核算

參照《中國陶瓷生產企業溫室氣體排放核算方法報告指南（試行）》，陶瓷生產企業CO2排放總量按公式（1）式計算：

E總= E燃燒+ E工業+ E電力（1）

式中：

E總—核算期內陶瓷企業CO2排放總量，單位：tCO2;

E燃燒—核算期內陶瓷企業化石燃料燃燒活動產生的CO2 排放，單位：tCO2;

E工業—核算期內陶瓷企業工業生產過程產生的CO2 排放量，單位：tCO2;

E電力—核算期內陶瓷企業凈購入生產用電蘊含的CO2 排放量，單位：tCO2。

故陶瓷企業通過優化窯爐結構改造后節能、節電而減少陶瓷企業CO2排放總量計算可參照（1）式，如式（2）所示。

E總= E燃燒+ E工業+ E電力（2）

式中：

E總—核算期內陶瓷企業因節能而減少CO2排放總量，單位：tCO2;

E燃燒—核算期內陶瓷企業減少化石燃料燃燒活動產生的CO2 減排放量，單位：tCO2

E工業—核算期內陶瓷企業工業生產過程產生的CO2 減排放量，單位：tCO2;

E電力—核算期內陶瓷企業減少凈購入生產用電蘊含的CO2 減排放量，單位：tCO2。

4.1 ?減少化石燃料燃燒產生的碳排放量

4.1.1排放計算公式

陶瓷生產中無論是化石燃料燃燒產生的CO2排放，還是用于生產的機動車輛使用化石燃料產生的CO2排放量均可根據公式（3）計算：

E燃燒=Σ（AD i × EF i）（3）

式中：

E燃燒—核算期內陶瓷企業因減少化石燃料燃燒活動產生的CO2減排放量，單位：tCO2;

AD i—核算期內陶瓷企業化石燃料品種i的活動水平數據，單位：GJ;

AD i= FC i × NCV i（3-1）

FC i—核算期內陶瓷企業減少消耗化石燃料品種i的質量，固體或液體化石燃料單位：t;氣體化石燃料單位：Nm3;

NCV i—核算期內陶瓷企業化石燃料品種i的低位發熱值，固體和液體化石燃料單位： GJ/t;氣體化石燃料單位：GJ /Nm 3;。

EF i—核算期內陶瓷企業化石燃料品種i的CO2排放因子，單位：tCO2 /GJ;

EFi = CCi × αi × ρi（3-2）

CCi—核算期內陶瓷企業化石燃料品種i的單位熱值含碳量，單位：tC/GJ;

αi—核算期內陶瓷企業化石燃料品種i的碳氧化率，單位：%wt;

ρi—CO2與C的分子量之比。

4.1.2排放因子獲取

對于購進的化石燃料品種i的單位熱值含碳量及其碳氧化率i可參考表4。

4.1.3減少化石燃料燃燒產生的碳排放量

項目減少的石化燃料為原煤，2012年原煤平均折標系數為0.8322 tce/t，即24.36 GJ/t。故選擇低位發熱量最接近的無煙煤的相應參數作為計算值，即單位熱值含碳量為CCi = 27.8 tC/TJ，碳氧化率為94%。

E燃燒 = Σ（ADi ×EFi）= Σ（FCi ×NCVi ×CCi ×αi ×ρi）

= 5006.54 tce × 29.271 × 10-3 TJ/tce ×27.8 tC/TJ × 94% ×■ tCO2/ tC

= 14041.69 tCO2;

4.2 ?減少生產用電蘊含的碳排放量

4.2.1 ?排放計算公式

陶瓷生產企業生產用電蘊含的CO2排放量按如下公式（4）計算：

E電力 = Σ （ EA電力 × EF電網 ）（4）

式中：

E電力—核算期內生產用電蘊含的CO2排放量，單位：tCO2;

EA電力—核算期內生產用電量，單位：MWh。

EF電網—核算期內生產用電的區域電網CO2排放因子，單位：tCO2/MWh。

4.2.2減少生產用電蘊含的碳排放量

項目2012年減少生產用電159.42萬kWh，2012年區域電網CO2排放因子取6.375 tCO2/萬kWh，故減少生產用電蘊含的碳排放量：

E電力 = Σ （ EA電力 × EF電網 ）

= 159.42萬kWh × 6.375 tCO2/萬kWh

= 1016.30 tCO2;

4.3 ?工業生產過程排放

4.3.1排放計算公式

陶瓷工業生產過程中產生的CO2排放主要來自陶瓷燒成工序。在陶瓷燒成工序中，原料中所含的碳酸鈣（CaCO3）和碳酸鎂（MgCO3）在高溫下分解產生CO2，其排放量可按公式（5）計算，

E工業 =[ F原料 × η原料 × （Ccaco × ρ2 + Cmgco × ρ3 ） ]（5）

式中：

E工業—核算期內陶瓷企業工業生產過程中CO2排放量，單位：tCO2;

F原料—核算期內陶瓷企業原料消耗量，單位：t;

η原料—核算期內陶瓷企業原料的利用率，%wt;

C caco—核算期內陶瓷企業使用原料中CaCO3的質量分數;%wt;

C mgco—核算期內陶瓷企業使用原料中MgCO3的質量分數，%wt;

ρ2—CO2與CaCO3之間的分子量換算系數■;

ρ3—CO2與MgCO3之間的分子量換算系數■。

4.3.2活動水平數據獲取

工業生產過程排放的活動水平數據包括：陶瓷生產企業年度原料消耗量、原料利用率，以及原料中CaCO3、MgCO3的質量含量。原料消耗量根據核算期內原料購入量、外銷量以及庫存量的變化來確定。原料購入量和外銷量采用采購單或銷售單等結算憑證上的數據，原料庫存變化數據采用企業的定期庫存記錄或其他符合要求的方法來確定。原料消耗量采用公式（6）計算：

F原料 = Q原料，1 + Q原料， 2 - Q原料， 3 - Q原料， 4（6）

式中：

F原料—核算期內陶瓷企業原料消耗量，單位：t;

Q原料，1—核算期內陶瓷企業原料購入量，單位：t;

Q原料， 2—核算期內陶瓷企業原料初期庫存量，單位：t;

Q原料，3—核算期內陶瓷企業原料末期庫存量，單位：t;

Q原料，4—核算期內陶瓷企業原料外銷量，單位：t;

原料利用率η原料由陶瓷生產企業根據實際生產情況確定。

原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料應檢測一次，然后統計核算期內原料中CaCO3和MgCO3的加權平均含量用于計算。檢測原料中CaCO3和MgCO3含量應遵循以下標準：《GB/T4743陶瓷材料及制品化學分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化學成分光度分析法》等。

由于前期沒有精確測試原料中CaCO3和MgCO3含量，也沒有精確統計陶瓷企業原料購入量、原料初期庫存量、原料末期庫存量、原料利用率η原料 數據，故沒辦法精確計算核算期內陶瓷企業原料消耗量，因此也沒辦法精確計算工藝過程引起碳排放量。

經過該改造項目，企業減少了原煤的消耗和電力的消耗，原料及產品基本保持與改造前一致。因此，改造項目對工業生產過程的碳排放沒有影響。

5 ? 小結與展望

從上面分析計算結果可知，通過窯爐結構的改造并采用相應的節能措施，不但一條窯可以取代兩條窯，節能顯著，年節能量達5200.45 tce，而且每年可以減少化石燃料燃燒產生的碳排放量14041.69 tCO2，減少生產用電蘊含的碳排放量1016.30 tCO2。與傳統的窯爐對比而言，由于寬體窯具有占地面積小、能耗少、效率高及產量大等優點，正逐漸打破了傳統窯爐原有的格局。在國家“十二五”中推行節能減排政策的大環境下，寬體窯有著非常廣闊的前景。當然，寬體窯也有不足之處，如窯內溫度不均勻、有些窯爐存在嚴重的溫差、變形、色差等。但是，這些缺點也正在一一得以改善。

參考文獻

[1] 曾令可， 李萍， 劉艷春. 陶瓷窯爐實用技術[M]. 北京：中國建材

工業出版社出版， 2010，4.

[2] 國家發展改革委組織編制.中國陶瓷生產企業溫室氣體排放核

算方法報告指南（試行）[M].2013，11.

[3] 楊洪儒. 陶瓷產業實現低碳排放的途徑[R]. 陶瓷窯爐熱工專業

委員會2012年換屆大會報告，2012.

[4] 柳丹， 譚映山， 張桂華. 適用于內墻磚燒成的寬體輥道窯的設計

[J]. 全國窯爐（陶瓷磚）能耗調查及節能減排技術匯編白皮書，

2013，1：141-143.

F原料 = Q原料，1 + Q原料， 2 - Q原料， 3 - Q原料， 4（6）

式中：

F原料—核算期內陶瓷企業原料消耗量，單位：t;

Q原料，1—核算期內陶瓷企業原料購入量，單位：t;

Q原料， 2—核算期內陶瓷企業原料初期庫存量，單位：t;

Q原料，3—核算期內陶瓷企業原料末期庫存量，單位：t;

Q原料，4—核算期內陶瓷企業原料外銷量，單位：t;

原料利用率η原料由陶瓷生產企業根據實際生產情況確定。

原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料應檢測一次，然后統計核算期內原料中CaCO3和MgCO3的加權平均含量用于計算。檢測原料中CaCO3和MgCO3含量應遵循以下標準：《GB/T4743陶瓷材料及制品化學分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化學成分光度分析法》等。

由于前期沒有精確測試原料中CaCO3和MgCO3含量，也沒有精確統計陶瓷企業原料購入量、原料初期庫存量、原料末期庫存量、原料利用率η原料 數據，故沒辦法精確計算核算期內陶瓷企業原料消耗量，因此也沒辦法精確計算工藝過程引起碳排放量。

經過該改造項目，企業減少了原煤的消耗和電力的消耗，原料及產品基本保持與改造前一致。因此，改造項目對工業生產過程的碳排放沒有影響。

5 ? 小結與展望

從上面分析計算結果可知，通過窯爐結構的改造并采用相應的節能措施，不但一條窯可以取代兩條窯，節能顯著，年節能量達5200.45 tce，而且每年可以減少化石燃料燃燒產生的碳排放量14041.69 tCO2，減少生產用電蘊含的碳排放量1016.30 tCO2。與傳統的窯爐對比而言，由于寬體窯具有占地面積小、能耗少、效率高及產量大等優點，正逐漸打破了傳統窯爐原有的格局。在國家“十二五”中推行節能減排政策的大環境下，寬體窯有著非常廣闊的前景。當然，寬體窯也有不足之處，如窯內溫度不均勻、有些窯爐存在嚴重的溫差、變形、色差等。但是，這些缺點也正在一一得以改善。

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F原料 = Q原料，1 + Q原料， 2 - Q原料， 3 - Q原料， 4（6）

式中：

F原料—核算期內陶瓷企業原料消耗量，單位：t;

Q原料，1—核算期內陶瓷企業原料購入量，單位：t;

Q原料， 2—核算期內陶瓷企業原料初期庫存量，單位：t;

Q原料，3—核算期內陶瓷企業原料末期庫存量，單位：t;

Q原料，4—核算期內陶瓷企業原料外銷量，單位：t;

原料利用率η原料由陶瓷生產企業根據實際生產情況確定。

原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料應檢測一次，然后統計核算期內原料中CaCO3和MgCO3的加權平均含量用于計算。檢測原料中CaCO3和MgCO3含量應遵循以下標準：《GB/T4743陶瓷材料及制品化學分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化學成分光度分析法》等。

由于前期沒有精確測試原料中CaCO3和MgCO3含量，也沒有精確統計陶瓷企業原料購入量、原料初期庫存量、原料末期庫存量、原料利用率η原料 數據，故沒辦法精確計算核算期內陶瓷企業原料消耗量，因此也沒辦法精確計算工藝過程引起碳排放量。

經過該改造項目，企業減少了原煤的消耗和電力的消耗，原料及產品基本保持與改造前一致。因此，改造項目對工業生產過程的碳排放沒有影響。

5 ? 小結與展望

從上面分析計算結果可知，通過窯爐結構的改造并采用相應的節能措施，不但一條窯可以取代兩條窯，節能顯著，年節能量達5200.45 tce，而且每年可以減少化石燃料燃燒產生的碳排放量14041.69 tCO2，減少生產用電蘊含的碳排放量1016.30 tCO2。與傳統的窯爐對比而言，由于寬體窯具有占地面積小、能耗少、效率高及產量大等優點，正逐漸打破了傳統窯爐原有的格局。在國家“十二五”中推行節能減排政策的大環境下，寬體窯有著非常廣闊的前景。當然，寬體窯也有不足之處，如窯內溫度不均勻、有些窯爐存在嚴重的溫差、變形、色差等。但是，這些缺點也正在一一得以改善。

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