陶瓷墻地磚熱耗及若干低碳生產技術的分析與探討

摘 要：本文分析了陶瓷磚生產各個環節需要的能耗，提出了相應的策略來提高能源的利用率，降低碳排放，推進陶瓷低碳清潔生產。

關鍵詞：陶瓷磚；低碳技術；能源利用率

1 引言

建筑陶瓷制造過程的碳排放大致占我國總碳排放量的1%左右[1]。2022年底，我國建筑陶瓷行業能效優于標桿水平的產能占比小于10%，預計到2025年，建筑陶瓷行業目標能效標桿水平以上產能比例將達到30%以上，能效基準水平以下產能基本清零，行業節能降碳效果顯著，綠色低碳發展能力大幅增加。到2030年，隨著節能與低碳技術的發展，能效基準水平和標桿水平會進一步提高，行業整體能效水平和碳排放強度達到國際先進水平，為如期實現碳達峰目標提供有力支撐[2]。建筑陶瓷作為落實建材碳達峰的重點行業，節能減碳的壓力較大，但可以通過先進的科學技術和設備來解決或緩解節能減排低碳的壓力[3]。

本文以陶瓷墻地磚中產量最大的瓷質磚為例計算了主要生產工序的熱耗，同時還提出了相應的策略來提高能源利用率，這對于實現陶瓷行業碳中和和碳達峰目標具有一定的參考價值。

2瓷質磚生產能耗分析

圖1為瓷質磚的主要生產工序，包括球磨、噴霧干燥、干壓成型、高溫燒成、冷加工（拋光磨邊）等。

根據我們的調查結果，噴霧干燥和燒成這兩部分的能耗按照當量值計算約占據瓷質磚生產能耗的80%～90%，由于大多數企業將水煤漿用于噴霧干燥，因為水煤漿含有50%左右的水，根據統計，噴霧干燥熱耗大致相當于燒成熱耗的65%-75%，在此文中我們取為70%，企業電能的消耗按照當量值計算約占綜合能耗的15%。對大多數企業而言，燒成每平方米瓷質磚要天然氣1.5-2.0 m3。如果按照燒成的天然氣耗量為1.6m3/m2產品計算，取天然氣熱值為8300kcal/m3，則每m2產品制造能耗約為3.8kgce，非常接近能耗標桿值4 kgce（吸水率≦0.5%產品）。如果燒成天然氣耗量達到1.7 m3/m2產品，則按以上方法計算的制造能耗已經超過了能耗標桿值，必須通過嚴格控制其它工序的能耗才能符合標桿值的要求。

2.1瓷質陶瓷磚燒成熱耗的分布

（1）坯體升溫至燒成溫度的蓄熱

1 kg產品蓄熱（燒成溫度1220 ℃，室溫為20 ℃，溫升為1200 ℃；熱容：選擇粘土磚熱容計算公式：

熱容=0.84+（平均溫度取610℃）

蓄熱能量=1200（0.84+）=1198kJ/kg

類似計算，當燒成溫度為1180 ℃，則蓄熱約為：1158 kJ/kg。

（2）坯體燒成過程中物理和化學反應熱

1）自由水蒸發

汽化熱按照20 ℃與100 ℃的平均值取為2352 kJ/kg水，假設入窯水分為1%，則汽化熱近似為23.5 kJ/kg坯體，假設生產1 kg產品需要1.2 kg坯體，則自由水蒸發熱為：28.2 kJ/kg產品。

2）其它反應熱

結構水脫水、礦物分解（碳酸鹽、硫酸鹽等）、玻璃相生成、晶體生成、晶體相變等會產生熱效應，按產品含氧化鋁量估算，假設氧化鋁含量為20%，則1 kg產品的熱耗為420 kJ。與自由水蒸發一起，燒成物理和化學反應耗熱近似為448.2 kJ/kg產品。

（3）熱利用率

按照GB/T 23459-2009《陶瓷工業窯爐熱平衡、熱效率測定與計算方法》：

熱利用率＝（加熱到最高燒成溫度時產品蓄熱＋物理與化學反應耗熱）/總熱耗

計算得到1 kg產品蓄熱：燒成溫度為1220 ℃時為1198（kJ/kg產品）；燒成溫度為1180 ℃時為1158（kJ/kg產品）。假定燒成熱耗為2500 kJ/kg產品（相當于燒9 mm厚瓷磚能耗為1.56 m3天然氣/m2產品），則燒成溫度為1220 ℃時熱利用率為65.8%，燒成溫度為1180 ℃時為64.2%。其中，高溫坯體所帶的熱量可以在冷卻帶部分回收。

（4）燒成熱耗的分布

理論上，燒成熱耗=坯體物化反應熱+窯爐散熱+離窯煙氣和熱空氣熱量+產品出窯顯熱-（坯體、燃料、空氣等帶入窯的顯熱），表1是根據我們的調研結果，列出的各部分熱耗的比例。

由表1可知，煙氣和熱空氣帶走的熱量超過了其它各項的總和，降低煙氣和熱空氣帶走的熱量，或者提高這部分熱量的回收率，可以顯著提高熱能利用效率。

2.2 干燥的能耗

（1）坯體干燥

陶瓷工廠目前通用的做法是將熱煙氣和熱空氣供坯體干燥，部分送去燒成帶助燃。1 kg坯體（含水率為5%-7％）假定需要干燥6％的水（達到平衡水分），并且坯體需要加熱到150 ℃，經過計算干燥1 kg坯體需要熱量大約為280kJ，按1 kg產品需要1.2 kg坯體計算，則1 kg產品需要的理論干燥熱量為336 kJ。如果按照排出氣體帶走的熱量為燒成熱耗的60%，如前所述，假設燒成熱耗為2500 kJ/kg產品，則排出氣體帶的熱量約為1500 kJ/kg產品。如果按照廢氣的排放溫度為110 ℃（高于露點），煙氣的出窯溫度為262 ℃，在不考慮煙氣熱容變化的情況下，煙氣熱量利用率約為58%。也就是如果煙氣和熱空氣用于坯體干燥，可用的熱量為870 kJ/kg產品。顯然，經過合理安排，坯體干燥是用不完這些熱量的。

（2）噴霧干燥

按陶瓷坯料泥漿含水率為33％，噴霧造粒粉體含水率為6％計算，生產1 kg產品需要1.2 kg含水率為6％的坯體，蒸發的水分約0.48 kg，理論上需要的潛熱約為1204 kJ/kg產品，此外還要將粉料和廢氣升溫到超過100 ℃，如果是110-120 ℃，理論上需要的熱量約為1500 kJ/kg產品，如果熱風爐和噴霧塔的熱效率為85%，則每kg產品需要熱量1765kJ。與燒成熱耗相比，噴霧干燥的熱耗大致相當于燒成熱耗的70%，所以要非常重視噴霧干燥的能耗。

3提高能源利用率的途徑

從前面的分析可知，最大的熱損失來自煙氣和冷卻空氣帶走的熱量，因此如何減少這部分熱損失和充分利用這些氣體余熱是提高能源利用率的關鍵。

3.1熱空氣或者煙氣助燃

熱空氣助燃已經是比較成熟的技術，通過將冷卻帶獲得的熱空氣送到燒嘴助燃，提高進入窯爐空氣的顯熱，達到減少燃料消耗的目的。

利用熱的煙氣助燃的高溫貧氧燃燒技術因為燃燒效率高、煙氣余熱回收能力強以及污染物排放量低，在其它熱工設備上得到了廣泛應用。污染物排放低的原因是貧氧燃燒時，助燃煙氣氧含量顯著小于空氣，助燃能力較差，避免局部高溫生成NOx，減少煙氣脫硝的壓力，同時還能夠提高火焰溫度的均勻性。因此，在適當的時候應當開展貧氧燃燒在陶瓷窯爐中的應用研究。

3.2窯爐結構

要根據產品尺寸、質量、產量的要求設計窯爐，以產品質量高、能耗低作為指導思想設計窯爐，過長的窯爐可能會導致產品質量下降和能耗升高。窯爐的結構、密封、隔熱、余熱利用、智能化控制等要統籌考慮。比如，應當合理選擇和安排余熱風管、燒嘴，使不同溫區的每組燒嘴燃燒狀態基本一致，氣氛、溫度更均勻，從而提高燒成速度、也更省燃料。再比如，采用高溫強度高、抗熱震性能好的較小直徑輥棒來防止產品變形、采用納米氣凝膠耐火保溫材料，降低了窯體外表溫度，減少散熱損失等等。

3.3余熱利用

如前所述，燒成溫度為1180 ℃時，熱能利用率達到64.2%，考慮到窯爐散熱，所以預熱帶和燒成帶排出的煙氣熱量占比肯定少于35.8%。另一個數據是燒成溫度為1180 ℃時，蓄熱約為1158 kJ/kg產品，如果產品出窯溫度120 ℃，經過計算冷卻氣體帶的熱量大致為1058 kJ/kg產品，占總的燒成熱耗的42%左右，因此冷卻風的熱量高于煙氣的熱量，是余熱利用的重點。

余熱除了用于坯體干燥、窯爐助燃外，還可以用于噴霧塔熱風爐助燃。實際上，為了滿足噴霧干燥的需要，熱風爐的煙氣必須用風調到600 ℃左右才進入噴霧塔。如果加入100 ℃的低能級熱風，相對于加入室溫的空氣（30 ℃）提高了70 ℃。經過估算大致節能7%左右。我們在生產線上的實驗結果為加入11.2萬立方米125℃的煙氣配風，每噸粉體的水煤漿用量比用自然風配風時節約了13.41%。由于部分煙氣經過噴霧干燥，相當于每小時減少處理11.2萬立方米煙氣量，顯著降低了環保成本[3]。

余熱也可用于加熱坯料泥漿，降低噴霧塔能耗。假定噴霧塔干燥時得到的粉體溫度120 ℃，蒸發的水蒸氣溫度為150 ℃，泥漿池中的泥漿溫度30 ℃，如果通過余熱利用，將泥漿溫度提高到60 ℃，那么每公斤泥漿可以節省60 kJ熱量，而1 kg泥漿噴霧干燥的理論耗熱為902 kJ，因此節能率為6.6%左右，如果升溫到80 ℃，則可以節能11%左右。值得注意的是泥漿中含有濃度較高的Ca2+和Mg2+，在加熱狀態下可能會形成沉淀物附著在管道內壁，影響傳熱效率。同時要考慮加溫會降低泥漿黏度，影響泥漿的穩定性。

4結語

1）陶瓷墻地磚熱工過程的節能減排是一個系統工程，必須要根據實際情況，以產品質量高、能耗低作為指導思想，對整個熱工系統進行精心設計，合理利用不同能級的余熱。

2）如果陶瓷墻地磚企業用水煤漿作為燃料進行噴霧干燥，其熱耗大致相當于燒成能耗的70%左右，因此必須重視噴霧干燥環節的節能減排。通過將低溫煙氣用于噴霧塔熱風爐調溫以及泥漿加熱，可以明顯降低噴霧干燥的能耗。

3）燒成最大的熱支出是煙氣和冷卻形成的熱空氣帶走的熱量，大致占總熱耗的55%-70%，其中，熱空氣的熱量超過了總熱耗的40%，大于煙氣出窯帶走的熱量。

參考文獻

[1] 中國建筑衛生陶瓷協會編，中國建筑陶瓷衛生潔具年鑒（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] 簡潤桐，鄧偉國， 胡發偉，吳建青，陶瓷噴霧塔熱風爐引入低溫窯爐煙氣做配風的試驗研究[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