2005 年国际陶瓷 I业发展论文集陶瓷窑炉的污染及可持续发展 曾令可 方海鑫 王 慧 税安泽 刘平安 (华南理工大学材料学院 广州 510640)摘要 中国是陶瓷大国，也是窑炉生产大国。从 20世纪 80年代起，佛山引进第一条辊道 窑至今 20多年的时间，我国的陶瓷窑炉从大量的引进、消化到吸收、仿制、创造，从无到有从弱 到强。目前，我国各种类型的陶瓷窑炉技术指标不仅接近达到，甚至某些方面已超过国际先进水 平，早已替代进口并已大量出口，创； 12效益显著。然而，我国陶瓷窑炉的整体水平与国际比较还 存在不少差距，主要表现在能耗和污染方面。本文就陶瓷窑炉结构及燃料等不同所造成的各种 污染及其对环境污染的影响进行较全面的分析，同时对如何抑制或减少陶瓷窑炉的污染提出一 些看法，以探讨陶瓷窑炉可持续发展的前景。关键词 陶瓷窑炉 结构 燃烧方式废气污染 节能技术微波辅助烧成可持续发展我国是陶瓷生产大国，日用瓷和建筑卫生瓷的产量均居世界第一。据有关资料报道， 2003年建筑陶 瓷产量达 30亿平方米，占全世界总产量的 40；卫生陶瓷 6 000 6 500万件，全国有陶瓷厂上万家，拥有 大小窑炉几万条，消耗能源 4 ooo 一 5 000万吨标准燥。然而，我国是一个能源资源相对贫乏的国家，人均 能源可采储量 2000年石油为 2 6t、天然气为 1 074 m3、煤炭为90t，分别为世界平均值的111、43和55 4，这远远低于世界的平均水平。而陶瓷行业是一个高能耗的行业，能耗占陶瓷生产成本的 3040，陶瓷的高能耗必然带来高污染，故全国迅猛发展的陶瓷业对我国的环境造成很大的环境污染，特别 是陶瓷发展迅速的瓷区及周边地区更为严重。 “陶瓷厂令黄皮树 (广东的一种果树 )秃顶，年收成 7万斤的 无核黄皮水果场因陶瓷厂烟囱废气污染而颗粒无收，这到底是天灾还是人祸 ?”“干亩农田欲哭无泪 三 水自泥镇 (广东佛山 )受陶瓷污染，秧苗一天天枯萎，蔬菜无法生长 ”。广东省内除佛山地区外，其他地区， 如深圳、东莞、清远、潮州等地以及全国各主要瓷区已出现不少有关陶瓷厂烟囱废气污染而造成附近农民 果树及农作物枯死失收等纠纷。另外，窑炉废气易造成酸雨，广东每年因酸雨损失多达 40亿元，全国因酸 雨危害达 100多平方公里，占国土面积的 28。因此，节能降耗和减少陶瓷窑炉污染是陶瓷生产的大势所 趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要条件。一、窑炉结构不合理造成热污染据报道，我国共有建筑卫生陶瓷厂 3 000多家，有大小窑炉上万座，年耗标准煤近 500万吨。而能源的 利用率仅是美国的半，即 28一 30。这些窑炉中，很大部分仍是砖砌式窑墙结构，窑墙厚。早期的隧 道窑，窑墙厚达 12 m，由于大都是重质耐火砖，导热系数大，故窑墙外表面温度高，有的高达 300400 ，不但造成了热损失，降低了窑炉的热效率，对环境造成严重热污染。如车问窑炉旁温度高达几十摄 氏度，造成车间环境恶劣，严重影响窑炉操作工人的身体健康。现在很多辊道窑，辊棒日夜辊动，使填塞的 保温棉辊成孔洞漏热，特别是正压操作，火焰从孔洞两边喷出，辊棒附近温度高达 300400 。对周围环 境造成严重热污染。还有便是大多数的梭式窑，由于结构及烟气的排出没有经过余热回收，大多数的梭式t基金项目：国家自然科学基金赍助顼目，编号： 5观 76017；广东省自然科学基金赍助项目，编号： oo阻 752l鱼 一塑燮燮 窑尾气在 600860，不但大量的热从不锈钢板所弯制的烟囱排出，而且由于烟囱外壁的辐射对流把大量的热散失在车间周围引发热污染。由于热耗增加，故要多消耗大量的燃料，燃料在燃烧过程中会产生更多 的废气污染环境。二、保温材料和保温方式不合理造成污染不同的窑墙结构，其保温效果完全不同，窑墙外表面的温度也不同，采用不同的保温材料亦然。利用 轻质保温材料或陶瓷纤维，可大大地增强保温性能，使窑外壁的散热量大大减少，原因是纤维的导热系数 一般只有传统耐火砖的 1 6，容重在 100600 kg m3，是传统耐火砖的 1 25，而蓄热量仅为砖砌式炉衬的1 30 i 10，如实用温度在 1 3001 500的新型 sx系列电阻炉，使用莫来石纤维，不但可以减少炉壁厚 度，大大减轻窑炉重量，加快窑炉升温速度，空炉升温至1 500，升温时间比传统电炉减少 18倍之多，即少于 20 min即可。大大减少窑外壁的散热量，节能率可达 30左右。在连续式窑炉高温部位粘贴莫来石 纤维，节油率达 28 7。全纤维 5一梭式窑每窑次耗气量为 170 ks左右，比原砖混结构窑炉，每次可节气60 kg左右。故现代的轻质窑墙或全纤维质窑墙保温性能都很好，窑外壁温度降到 30 60 ，大大提高了 窑炉的热效率，减少窑墙的热污染。同时，由于保温性能好，减少热损失，从而减少燃料的损耗，实际上是 减少了废气污染。三、不同燃料及不同燃烧方式造成污染(一 )以煤为燃料 我国是世界上第 3个煤炭储量大国，同时也是世界上最大的煤炭消费国，耗煤量占世界总耗煤量的1 4， 2000年煤产量达 14 5亿吨，这么多煤炭，大部分都作为燃料烧掉，故煤炭作为燃料直接燃烧是我国大 气污染的主要根源。目前我国大气中 90的 s02、 85的 c02、 80的 ROx(粉尘 )和 50的 NO。均来自煤 的燃烧，其中煤炭燃烧后排放出的温室气体 c02占我国全部矿物燃料燃烧排放出的 c02的 85，而我国 每年的 coz的排放量已排名世界第二位 (13 6 )。陶瓷窑炉使用燃料多种多样，而煤占燃料总消耗量的2 3，由于燃煤窑炉建造费用和燃料成本低，煤炭资源丰富，分布广泛，可就地取材，所以对于大、中、小陶瓷 企业，特别是乡镇企业，仍有很大的吸引力。据资料统计，目前仅在日用陶瓷、建筑卫生陶瓷生产企业中就 有3 000余座燃煤窑炉，达到窑炉总数的 70。据计算，烧天然气的 c02排放量比烧煤炭少 45左右，烧 石油比烧煤炭少 15左右，燃烧产生的大量的 c02促使地球大气层产生温室效应，造成地球表面温度逐 年升高，使人类生态环境受到重大的威胁，人类文明进程中所产生的温室气体的负面作用正威胁着人类本 身的生存和发展，国际上已提出 “大气污染防治重点在亚洲，而亚洲的关键在中国 ”。各国为了减轻温室效 应给人们带来的严重后果，采取各种积极措施，如丹麦、荷兰、瑞典、芬兰四国已开始向企业征收 c02排放 税，多数国家征收煤炭税，即用税收政策来控制 c02的排放量。s02虽不是温室气体，但却是很有害的气体，其与空气中的水蒸汽结合生成的亚硫酸和硫酸对森林植 被、农作物、建筑物、文物古迹、牲畜等一切生物及人类本身都有很大的危害。据统计，世界历史上最典型 的 10次公害中，有 8次是由于大气受 s02等有害气体物污染而引起的。目前我国每年由于环境污染造成 的损失高达 380亿元，占国民生产总值的 6 75；大气污染造成的损失高达 120亿元，占国民生产总值的1 67。例如，某村就有多家陶瓷厂，据佛山环保部门的统计仅三家陶瓷厂的 s02排放量就达 100 9 t。佛山城南大气自动检测结果显示， s02的浓度为 0 254-rL 、 NO，浓度为 0 03rL ，总悬浮颗粒浓度为0104 me L，可吸入颗粒浓度为 0 031 II珥 L，可见陶瓷厂废气污染的严重性。 (二 )燃烧重油造成污染 重 (渣 )油是用原油经常压或减压蒸馏提取馏分后的残渣油，重油作为经济、安全、热值高的燃料，早期222005 年国际陶瓷 I业发展论文集在陶瓷窑炉上使用较多，但由于所使用重油的质量越来越差，粘度高、雾化困难、燃烧性能不好、含杂质高、 污染产品等，影响了它在陶瓷窑炉中的应用。重油在陶瓷窑炉中燃烧也会产生烟气污染，高标号重油硫含 量较高，燃烧时除生成 c02外，同样产生 SOz、 NO,、 CO等有害气体及黑色烟尘，烟尘的主要污染物为碳黑，它是燃料不完全燃烧的产物，原因是重油雾化后温度急剧升高到 650。 C以上时，重油发生不对称裂化，形成易燃的轻碳氢化合物和难燃的重碳氢化合物及游离碳粒，另外重油油滴蒸发成油气后，高温下缺氧发生 热解，产生少量 H2的油烟碳粒，这些难燃的重碳氢化合物、游离碳粒、油烟碳粒随烟气排出而形成黑烟，其 林格曼黑度一般为 4级左右，既不符合国家标准，也造成对环境的污染。(三 )燃烧轻柴油或燃气造成污染 轻柴油是动力燃料，由于陶瓷烧成对燃料洁净的要求愈来愈高，故被用作陶瓷窑炉燃料越来越多，只要燃烧完全，排放出的烟尘不多，黑烟、粉尘污染远低于燃煤窑炉。一般也不会对制品产生影响。气体燃料是一种洁净燃料，最适合用于烧制离瓷，其一般含杂质少，特别是一般不含硫。但这两种燃料的燃烧一样 会产生 c02温室气体，特别是会产生 NO，主要是燃料在燃烧过程中和空气中的氧或来自燃料中的氧在高 温中氧化生成 NO。， No；的生成速度与燃烧过程中的温度及氧、氮浓度有关，与气体在高温区停留的时间 密切相关，停留的时间越长，烟气中的 NO。浓度越大。四、减少陶瓷窑炉烟气中有害废气的方法(一 )还原法 还原法脱除烟气中 NO，的方法有很多，目前主要有选择性非催化还原技术 (SNCR)和选择性催化还原技术 (SCR)以及碳氢化合物选择性催化还原 (HcSCR)、非选择性催化还原 (NSCR) 等方法。其基本原理 都是通过向烟气中加入还原剂 (如氨、尿素等 )，在有催化剂存在或是一定的温度下将 NO。还原成 N2以达 到脱除 NO,的目的。1选择性催化还原 (ScR)SCR工艺中，还原剂在催化剂的作用下将 NO,还原为氮气和水，催化剂用于促进还原剂与 NO。之间的 化学反应，还原剂主要是用氨。反应方程式如下：4NO+4NH3+024N2+61420 (1)6N02+8NH37N2+121t20 (2)在不同的催化剂作用下 SCR可以使 NO。和氨的化学反应在 160600。 C下进行，可获得大于 90的 N0。还原率。然而在 SCR工艺中存在着几个问题：首先是未反应的氨造成氨气的泄漏以及氨在高温下被 氧化造成 N20排放形成二次污染。另外，高 S02含量烟气会产生较多的硫酸氨，它可沉积在汽化器的表面以及空气加热器和其他下游设备的表面造成设备的腐蚀、损坏。同时，由于催化剂的表面被烟尘沉积覆盖或者催化剂被重金属 (As)及碱土金属氧化物 (MsO， CaO， Na20， K20)中毒而造成催化剂失活。更重要的是 SCR工艺的基本设备投资以及操作费用较高，尽管过去十几年来有所降低，但对于发展中国家来说仍然难 于承受，故该技术在发达国家 (如日本 )使用较多。2选择性非催化还原 (SNCR)一般来说，含氮的化合物，例如尿素或氨注入热的烟气中，在适当高的温度下 (875 1 150。 C)，含氮化 合物分解并与 NOx发生化学反应，而将 NOx还原成分子态的 N2和水。4NO+4NH3+oz一 4N2+6H20 (316NOz+8NH37N2+12H20(4)232005 年国际陶瓷 I业发展论文集H2NCONH2+2NO+1 2022N2+C02+2H20 (5) 反应的推动力是热烟气的高温，不需要催化剂的存在。一般情况下可达到 30一 70的 NO。还原 率。与 SCR工艺相比， SNCR的 NoI脱除率较低，也存在氨泄漏和 N： O生成 (在用尿素做还原剂的情况下 N20生成量比用氨时大得多 )，造成二次污染以及硫酸铵、硫酸氢铵生成腐蚀设备的问题。但是 SNCR工艺可以方便地在现有装置上改装，因为它不需要催化荆床层，仅仅是还原剂的储存设备和喷射系统需要加 以安装，因而初始投资相对 SCR工艺来说要