陶瓷生態(tài)工業(yè)園的陶瓷生產(chǎn)過程能量集成分析

宮小龍 梁華銀 馮 青 陸 琳 嚴景華

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料工程學院，景德鎮(zhèn)：333403）

1 前言

國家稅務(wù)局于2007年6月19日頒發(fā)了《關(guān)于調(diào)低部分商品出口退稅的通知》，該通知主要是針對“兩高一資”--高能耗、高污染、資源型產(chǎn)品，陶瓷行業(yè)正屬于該范疇。陶瓷大部分商品的出口退稅率降至5%，這不僅意味著陶瓷行業(yè)的利潤減少了，而且意味著陶瓷行業(yè)成為國家嚴格控制的對象。加上原材料、燃料價格的上漲，生產(chǎn)成本的增加，這對陶瓷行業(yè)無疑是一個重大的挑戰(zhàn)。

陶瓷行業(yè)是礦產(chǎn)資源消耗量大、能耗高、污染比較大的行業(yè)，在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境問題[1-2]。循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式可引導我國工業(yè)由“高資源消耗、高污染排放、低經(jīng)濟效益”的“兩高一低”發(fā)展模式向“低資源消耗、低環(huán)境污染、高經(jīng)濟效益”的“兩低一高”模式轉(zhuǎn)變。走陶瓷生態(tài)工業(yè)園區(qū)之路是循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展形式，通過園區(qū)內(nèi)企業(yè)間物質(zhì)流通和能量傳遞實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)內(nèi)物質(zhì)集成和能量集成，是提高工業(yè)園區(qū)內(nèi)能源效率和減少污染物排放的有效途徑，對于我國陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型和諧社會具有十分重要的意義。

2 陶瓷生態(tài)工業(yè)園能量集成

2.1 生態(tài)工業(yè)園物流與能流的共生耦合資源化模式

生態(tài)工業(yè)園是依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟理念和工業(yè)生態(tài)學原理而規(guī)劃建設(shè)的新型工業(yè)園[3]。它通過物流和能流傳遞等方式將不同生產(chǎn)單元連接起來形成共享資源,即互換物質(zhì)和能量的產(chǎn)業(yè)共生耦合，使一個生產(chǎn)單元的廢棄物或副產(chǎn)品成為另一個生產(chǎn)單元的原料或能源，模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，在產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中建立“生產(chǎn)者-消費者-分解者”的循環(huán)途徑，尋求物質(zhì)閉環(huán)循環(huán)、能量多級利用和廢物產(chǎn)生最小化的資源化模式。生態(tài)工業(yè)園層面的能量集成是基于對整個園區(qū)內(nèi)能量供求關(guān)系進行分析，從全局觀點出發(fā)，進行能量的有效匹配，合理利用能量，并對環(huán)境影響最小。實質(zhì)上是實現(xiàn)對工業(yè)園區(qū)內(nèi)能量的有效利用，不僅是企業(yè)提高清潔生產(chǎn)技術(shù)水平，有效利用每個生產(chǎn)單元的能量，更要著眼能源的總體優(yōu)化利用，即一個生產(chǎn)單元多余的能量作為另一單元的熱源而加以利用。研究表明，根據(jù)能量品位逐級利用的原則提高能源利用效率，通過能量集成，園區(qū)總能耗甚至可能減少50%以上[4]。

2.2 陶瓷生態(tài)工業(yè)園余熱利用模式

生態(tài)工業(yè)園內(nèi)各生產(chǎn)單元在生產(chǎn)過程中由各種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備、用能設(shè)備組成，余熱資源很大。例如園區(qū)窯爐余熱占窯爐燃料消耗的比例在70%左右,不同窯型該值有所不同，如燃燒水煤氣的輥道窯，除了窯爐散熱、產(chǎn)品的水分蒸發(fā)和燒結(jié)等必須消耗以外，大約有70%的能量是通過排煙和產(chǎn)品出窯時帶走的。以一條每小時耗標煤1400kg的氣燒輥道窯為例，進入窯爐的總能量約為41×106kg/h，產(chǎn)生的余熱則有28.7×106kg/h，可見其余熱量之大，因此余熱利用具有非常大的經(jīng)濟與社會效益。因此在分析園區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)單元余熱潛力的基礎(chǔ)上，進一步實施余熱回收，根據(jù)不同產(chǎn)品、工藝的用能質(zhì)量需求，規(guī)劃和設(shè)計余熱能源梯級利用流程，可使能源在產(chǎn)業(yè)鏈中得到充分利用，減少園區(qū)污染物的排放，提高余熱能源利用率。由熱力學原理可知，余熱利用分為余熱焓的利用、余熱熵的利用和余熱的全利用。余熱產(chǎn)蒸汽是余熱焓的利用；余熱發(fā)電是余熱熵的利用-回收余熱的可用能，使其轉(zhuǎn)化為電能[5]。生態(tài)工業(yè)園能量集成應(yīng)綜合考慮余熱資源的量和能級梯度情況，余熱利用應(yīng)盡可能提高有效利用程度，利用余熱產(chǎn)蒸汽和余熱發(fā)電以及余熱的全利用方式來實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)能源利用的最大化。

3 陶瓷生態(tài)工業(yè)園內(nèi)余熱利用潛力分析示例及資源化途徑

生態(tài)工業(yè)園是工業(yè)生產(chǎn)單元聚集體，生態(tài)工業(yè)園余熱利用是在園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)單元層面上探討余熱資源利用。陶瓷工業(yè)生產(chǎn)單元的余熱資源主要是燒成工藝過程（有的包括干燥工藝過程）中的反應(yīng)熱，陶瓷工業(yè)是我國的主要耗能產(chǎn)業(yè)，而目前我國陶瓷工業(yè)的能源利用率與先進國家相比，還存在很大的差距，發(fā)達國家的能源利用率一般高達50%以上，美國達到57%，而我國僅為30%左右[6-7]，因此在節(jié)能降耗方面具有非常大的潛力。

陶瓷生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量余熱可回收利用，現(xiàn)以幾個余熱利用項目為例，分析其余熱利用潛力及資源化途徑。

3.1 天津某衛(wèi)生潔具公司隧道窯余熱利用

改造前的衛(wèi)生潔具隧道窯結(jié)構(gòu)為（見圖1及其中細綠實線）：冷卻帶急冷后為16-24區(qū)共9個區(qū)，16-23區(qū)窯墻上下部設(shè)有攪拌冷風，下部設(shè)有抽熱風口，24區(qū)為鐘罩式排熱區(qū)，16-23區(qū)抽出的熱風送入釉面干燥間作干燥介質(zhì)，24區(qū)熱風由鐘罩式自然抽出口排出屋外，窯頭排氣風機余熱被利用到3＃熱風爐，提高熱風爐能量利用效率，供熱風給成型車間。

根據(jù)熱力學原理，依據(jù)能量守恒對該窯爐進行整體熱平衡計算。平衡分析得出：該隧道窯雖然考慮了部分余熱利用，但抽出余熱風量較少，且抽出熱風含有未完全燃燒有害的剌鼻性氣體,說明余熱利用效率不高，余熱利用結(jié)構(gòu)形式上存在不平衡、不合理問題。

結(jié)構(gòu)按理論計算分析與工廠熱平衡實際情況，進行了余熱利用改造。改造后結(jié)構(gòu)為（見圖1及其中粗粉色實線）：16-19區(qū)窯墻上改為間壁冷卻，該區(qū)域的交換干凈熱風由新增一臺抽熱風機輸送到成型車間作干燥介質(zhì)。20-23區(qū)窯墻上下部同樣設(shè)有攪拌冷風，窯墻上下部設(shè)有抽熱風口，該區(qū)域的抽出熱風一部分繼續(xù)送到釉面干燥間作干燥介質(zhì)，一部分送到成型車間作干燥介質(zhì)，24區(qū)的鐘罩排熱區(qū)的熱風由軸流風機送入辦公區(qū)域作冬天供暖使用。

通過對該窯爐整體熱平衡分析計算并結(jié)合工廠實際改造，余熱利用效果顯著：①增加了成型車間的干燥介質(zhì)，在冬季不是很冷的天氣可使成型車間右上處的1＃熱風爐全閉，即使很冷的天氣，也使其開的很小，在完全不改變成型車間工藝條件的情況下，節(jié)節(jié)能效果相當顯著；②經(jīng)過間壁熱交換后，優(yōu)化了余熱利用結(jié)構(gòu)，改造后再次檢測無未完全燃燒的有害剌鼻氣體；③解決了辦公區(qū)域的冬天取暖問題。

3.2 佛山某建筑陶瓷公司輥道窯余熱利用于清潔生產(chǎn)

輥道窯除了窯爐散熱、產(chǎn)品水分蒸發(fā)和燒結(jié)等必須消耗以外，大約有70%的能量是通過排煙和產(chǎn)品出窯時帶走的，可見其余熱資源很大。余熱利用宗旨就是把輥道窯爐煙氣和產(chǎn)品冷卻的熱風收集起來，用于噴霧塔干燥粉料。為了使窯爐余熱得到回收循環(huán)利用，實現(xiàn)陶瓷企業(yè)生產(chǎn)環(huán)保且低能耗的平衡，使用了國家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心熱能工程研究室自主開發(fā)的管屏式余熱節(jié)能裝置 (專利號：20072000785.x)--窯爐供余熱至噴霧塔干燥粉料裝置，解決了以往該處余熱利用出現(xiàn)的壓力、溫度穩(wěn)定性以及可控性的問題。將窯爐急冷帶和緩冷帶的余熱抽送到噴霧塔干燥粉料（注：通過管屏管道式換熱裝置來實現(xiàn)，見圖2）有效地降低了陶瓷企業(yè)的能耗成本、使企業(yè)的生產(chǎn)效率得到大幅度提高。

圖1 改造前后示意圖Fig.1 The layout before and after the renovation

由以上兩個典型余熱利用例子可見，陶瓷生態(tài)工業(yè)園余熱利用方式并不是一成不變的，資源化的有效途徑是盡最大努力通過理論與實踐做好余熱利用潛力分析。從陶瓷生態(tài)工業(yè)園規(guī)劃一開始就從節(jié)能環(huán)保整體出發(fā)進行園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)化、統(tǒng)一化的規(guī)劃。衡量一座窯爐是否先進，其重要的指標之一是單位產(chǎn)品的能耗指標。衡量陶瓷工業(yè)園區(qū)是否能完全、合理地利用能源，則要從整個園區(qū)進行考慮。所以，陶瓷生態(tài)工業(yè)園規(guī)劃時，要進行整個園區(qū)的熱平衡設(shè)計、核算。例如：燒成工序要建多少條窯，窯爐余熱供給干燥后是否足夠或剩余，多余的熱量用于何處，干燥坯體后排出的廢氣余熱是否能利用等，都要認真的考慮，要有一整套的全區(qū)熱平衡數(shù)據(jù)。單從陶瓷生產(chǎn)線看，如果我們能夠從噴霧塔干燥、窯爐燒成供入的燃料所產(chǎn)生的熱能開始，從窯爐-坯體干燥-粉料干燥-廠區(qū)暖通或制冷-發(fā)電等，逐級利用熱能，就能做到高效的利用能源。

4 結(jié)語

陶瓷生態(tài)工業(yè)園按照物流與能流的共生耦合資源化模式實施余熱回收利用，避免能量在數(shù)量和質(zhì)量上的損耗，實行按質(zhì)梯級用能，提高能源利用效率，對園區(qū)節(jié)能減排工作具有極大的推動作用。陶瓷生態(tài)工業(yè)園余熱利用既保護了生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會效益,同時又可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，其綜合利用前景可觀。因此在生態(tài)工業(yè)園的建設(shè)中，要注重園區(qū)內(nèi)企業(yè)節(jié)能潛力分析，加強節(jié)能技術(shù)和節(jié)能工藝創(chuàng)新，積極推進余熱利用工程的實施。

1王繼杰,李旭.中國陶瓷產(chǎn)業(yè)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)性發(fā)展.中國陶瓷,2006,42(10):3～6

2譚紹祥,譚漢杰.廣東陶瓷行業(yè)節(jié)能和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的現(xiàn)狀問題與對策.陶瓷,2007,(4):7～13

3羅宏,孟偉,冉圣宏.生態(tài)工業(yè)園-理論與實證.北京:化學工業(yè)出版社,2004

4李素芹,蒼大強,李宏.工業(yè)生態(tài)學.北京:冶金工業(yè)出版社, 2007

5劉興家.節(jié)能與環(huán)境保護.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2001

6曾令可,鄧偉強等.陶瓷工業(yè)能耗的現(xiàn)狀及節(jié)能技術(shù)措施.陶瓷學報,2006,27(3):109～115

7劉志國.世界能源形勢與建筑陶瓷工業(yè)的發(fā)展.佛山陶瓷, 2004,(9):30～31