佛山市陶瓷废渣高附加值资源化路径的探讨
李保庆+郭艳平+区雪连
（1.广东环境保护工程职业学院重金属污染控制与资源综合利用重点实验室， 佛山 528216；2.广东省环境保护矿冶行业重金属污染防治与职业教育重点实验室， 广州 510006）
摘 要：根据煤气燃烧实验和典型陶瓷辊道窑炉的测试数据，分析过剩空气系数对于窑炉能耗影响和目前陶瓷辊道窑炉运行当中不同燃烧区域过剩空气系数的情况，最后提出辊道窑炉空气过剩系数的分段控制和窑炉燃烧系统设计的建议。
关健词：过剩空气系数；辊道窑炉
1 引言
陶瓷属于佛山第二大产业并且是我国规模最大、最重要的陶瓷生产基地，素有“南国陶都”的美誉。据测算，佛山陶瓷行业总产值400亿元左右，产品占全国陶瓷生产总量的50%，陶瓷行业成为佛山地区经济发展的重要产业，极大的促进了佛山和广东经济的发展。但在陶瓷行业带来高效益的同时，陶瓷废渣的任意填埋和堆积，不仅占用大量土地，而且对水、空气、土壤等环境造成了严重污染。陶瓷废料的综合利用已成为陶瓷企业和环保部门实现节能环保生产所面临的最紧迫的课题。
陶瓷废渣含较大成分的SiO2、Al2O3、CaO，还含有一定量的MgO、K2O、Na2O等，具备了生产建材乃至高档建材的基本条件。目前，陶瓷废料的资源化利用技术主要集中在生产建筑材料，如陶瓷砖、陶瓷釉面砖、外墙砖、内墙砖、轻质保温砖、透水砖等[1-3]，产生了一定的经济效益，也合理处置了一部分陶瓷废料，但这些工艺主要是借鉴建材行业已有的成熟工艺，原始创新性不足，产品附加值低、销售范围小，难以显示出生产成本、运输成本和产品质量的总合优势，从而无法大范围推广适用。近年来，社会上提出的固体废弃物高附加值综合利用技术的研究反而使陶瓷废渣的有效处理显示出一定的优势。
2 高附加值产品现状
2.1微晶玻璃高附加值产品
微晶玻璃，亦称结晶化玻璃，是一种采用全天然无机材料，运用受控晶化高新技术制得的新型建筑装饰材料。微晶玻璃是将玻璃在适当的热处理制度下晶化处理而成的多晶固体，它综合了玻璃和陶瓷的优越性能，其色泽美观，外表华丽，高硬度、高强度，无色差、永不褪色、永不被腐蚀、无放射性、不吸水，绝对安全环保卫生，另因其可用矿石、冶金炉渣、萤石矿渣等工业尾矿或废弃物作为主要原材料，且在生产过程中无污染，产品本身也无任何天然石材所含有的危害人身健康的放射性元素，故被称为二十一世纪国际流行的绿色建筑装饰材料。用陶瓷废渣制备高附加值微晶玉石等高档建材，在国内外同领域技术范畴内，表现出一定的技术先进性。
据调查，陶瓷废渣价格10 ～ 20元/吨，用陶瓷废渣生产微晶玻璃，国内市场报价为500 ～ 900元/ m2，不仅低于进口高档石材价格，而且大多数企业生产成本在200元/ m2左右。可见，陶瓷废渣生产微晶玻璃利润十分可观。
目前，生产微晶材料的工艺基本采用两种工艺方法：压延法和烧结法。
压延法生产为连续生产，工艺流程为：配料—混合—熔制—压延—热切割—晶化—磨抛—检验—成品—入库。这种方法一次性投资较大，产品品质难于多样化，生产的产品无玉质感。
烧结法生产步骤为在原料成分测试的基础上，将陶瓷废渣与其他化工原料等按配方混合均匀加入高温炉，在高温炉内熔制成玻璃液，熔制温度约在1200 ～ 1500℃左右。经过充分熔化、均化、澄清成质量稳定的玻璃液，立即经冷水激能，水淬成一定粒度或块状的玻璃料。
玻璃料干燥、筛分处理为粒度在2 ～ 30 mm之间的玻璃粒料或块料。玻璃粒料装模后，放入高温炉，按温控程序晶化，晶化温度约900 ～ 1200℃左右。晶化成型后的板材经进一步切割、研磨、抛光，制得微晶材料成品。
陶瓷废渣制备微晶玻璃的关键技术在于重点解决结晶控制、着色控制关键技术问题，还包括原料的预处理技术、粉体粒度配比、化学成份的控制、玻璃的熔制工艺、玻璃的微晶化技术。
两阶段微晶玻璃工艺流程见图1和图2。
佛山市风行新型材料有限公司、佛山瑭虹釉料科技有限公司等通过多年研究和生产实践，用化学原料生产出品种繁多的通体微晶板材，远销国内外，在微晶玻璃市场占有一席之地，也为佛山陶瓷工业的发展作出了巨大贡献。近来，该公司与广东环境保护工程职业学院合作利用陶瓷废渣为主要原材料生产微晶玻璃，这样使微晶玻璃生产充分利用了固废资源，节约了能源，用最廉价的原料制成了新型高档材料，既发挥了当地丰富的资源优势，又减少了环境污染。
2.2发泡陶瓷高附加值产品
发泡陶瓷作为一种新型外墙外保温材料，具有热传导率低、不燃、防火、耐久性好、与建筑同寿命、与水泥砂浆、混凝土等相容性好、吸水率低、耐候性好、质量通病少等优异的综合性能，并且能够消化利用大量固体废弃物，是真正的绿色节能新材料。
陶瓷废渣等原料生产发泡陶瓷的优势在于本身含有碳化硅等发泡剂，可以不外加发泡剂。各种原料经粉碎球磨后，过100目方孔筛，再加入水、发泡剂和其它助剂，高温灼烧，制备得到发泡陶瓷。该产品在北方用于建材，具有保温效果；在南方也可以用作阻燃材料，同时也有隔热隔音效果。
发泡陶瓷制备工艺流程如图3所示。
目前，越来越多以固体废弃物为原料生产发泡陶瓷的成功案例。池跃章[4]等以抛光砖废渣和珍珠岩尾矿为基料，在成型压力75 ～ 150 kg/cm2，烧成温度1165 ～ 1175 ℃的条件下，制备性能优良的闭孔发泡陶瓷。王国梅[5]等利用地方瓷砂原料和废碎玻璃试制了具有防水、保温功能的高温发泡陶瓷。马龙[6]等在试验室利用赤泥、水泥、粉煤灰、粘结剂等为原材料，经配比混合、成型发泡、烧结等工艺制备发泡陶瓷保温材料；试验的最佳烧结温度为 1120 ℃，试样抗折强度为 0.41 MPa、抗壓强度 1.15 MPa，密度达到 479 kg/m3。这些前期的成功案例，为陶瓷废渣制备发泡陶瓷的研究奠定了基础。
2.3陶瓷微粉高附加值产品
从表1中可以看到，陶瓷废渣颗粒大部分是细粉，粒径400到2000目（7.79 ～ 34.41μm）的百分比占40%，是所有粒径分布中最多的。另外，2000到5000目（3.17 ～ 7.79 μm）的占25%，5000目以上的占25%，目数越大越难分离出来，这个特点使陶瓷废渣筛分出陶瓷微粉产品成为可能。
陶瓷微粉，是最近才被开发并得到应用的新型多功能无机填料，富含二氧化硅，具有相当的水化活性，是颗粒粒经达到微米级别（平均粒径6 μm）的超细辅助胶凝材料。同传统的天然矿物填充材料相比，具有更稳定的物理化学性能、更高的硬度、更好的耐磨、耐高温、耐久、耐酸碱性，可以广泛应用于化工、橡胶、塑料、涂料、高级油漆、油墨、3D打印、铸造、过滤、建筑、冶金、高性能混凝土等生产领域做填充材料，可以提高填充产品的性能及降低成本，具有巨大的市场潜力及使用空间。目前，陶瓷微粉在混凝土建材行业应用的研究成果表明陶瓷微粉可以显著提高混凝土的内部密实性及表面光滑度，大大改善混凝土的粘聚性、保水性、包裹性、和易性、泵送的流动性、耐磨性和耐久性等性能[7-11]，是生产高性能混凝土的超细活性矿物掺合材料。
广州翔龙环保科技有限公司拥有的陶瓷废渣立式烘干分级系统（现场设备和工艺流程图如下）采用国内先进的悬浮烘干分选技术[12-13]，分选陶瓷废渣已成为现实。陶瓷微粉产品按细度划分为粗粉和细粉两个等级，粗粉应用于水泥的混合材料使用，细粉则应用于混凝土搅拌站，产品包括500目、1000目、2000目。目前该公司正在积极进行市场推广和拓宽陶瓷微粉应用领域，比如功能性涂料行业。
2.4陶粒高附加值产品
陶粒密度低，孔隙率高、形态、成分均一，具有一定的强度和坚固性，因而具有质量轻、耐腐蚀、抗冻、抗震和保温隔绝性等多功能特点，广泛应用在建材、园艺、食品、化工、石油部门。邹正禹、林子增、陈彦文、贾兰等[14～17]分别用粉煤灰、污泥、煤矸石、玻璃粉等固体废弃物成果制备和改性了陶粒，并应用于环境废水和重金属污染治理领域，取得了一定的成效。其生产工艺图5。
佛山陶瓷研究所与华南理工大学多孔陶瓷研究团队合作，创新性在使用陶瓷工业废料废渣，探索了利用抛光废渣制备免烧夹心型陶粒，并用该陶粒作为吸声材料，并且获得国家发明专利。佛山市禅城区小西湾固废处理中心自投产后就一直致力于陶瓷废渣的资源化利用技术研究，主要将废浆经沉淀后，水、浆初步分离，工人用泵机将泥浆抽入池中，随后经压滤机处理，制造灰砖、瓷粉砖。第四期项目投入300万元，建造年产6万立方米陶粒生产线，利用陶瓷废渣生产成环保轻质陶粒，产品年消耗回用废渣总量达到5万吨以上，充分利用了佛山陶瓷废渣，提高了废渣的综合利用率，也促进了陶瓷工业的可持续发展。
2.5多孔陶瓷过滤材料高附加值产品
多孔陶瓷过滤材料因其本身含相互联通的气孔，加之自身强度较高，主要应用于过滤、分离和渗透中，还可应用于气体和液体的过滤，主要有熔融金属过滤、水净化、海水淡化和脱水等水处理，气体尾气晶化、柴油机尾气的微粒补集器、工业废气过滤、发电厂的多孔陶瓷过滤器及空气净化等气体处理。近年来，国外采用陶瓷废料为基料研发了一种多孔陶瓷板，拓宽了陶瓷废料的利用渠道。国内关于陶瓷废料制备多孔陶瓷材料的研究也取得了许多成果[18-20]。夏明辉[21]用废弃瓷砖制备滤料，废弃的瓷砖经破碎、筛分，得到粒径为0.9 ～ 1.25 mm颗粒，并用三氯化铁作为改性剂，对滤料表面改性。铬、磷的动态吸附实验表明，污染物去除率都达到98%以上。
华南理工大学特种功能材料教育部重点实验室利用陶瓷抛光废料制备了以堇青石和少量刚玉为主晶相的MgO-SiO2-Al2O3系多孔陶瓷过滤材料。宝山钢铁股份有限公司研究院以粉煤灰为主要原料制备了莫来石和石英为主晶相的多孔陶瓷过滤材料，并研究了各项影响因素对制备结果的影响规律。
3 高附加值综合利用发展趋势
3.1节能降耗，提高综合利用率
固体废弃物成分复杂，含水份或其他杂质较多，处理工艺复杂，生产过程较难控制，故固体废弃物的前期预处理成本大、耗能高等难题一直困扰着企业，也是企业难以用固体废弃物代替化学原料生产工业产品的一个原因。
在平衡经济技术成本和产品价值的基础上，如何在技术上最大化地提高微晶石产品中陶瓷废渣的综合利用率，降低能耗，是今后固废资源化利用待解决的重要问题。
3.2立足市场，开发更多新型产品
大宗工业固体废物综合利用是当前实现工业转型升级的重要举措，更是确保我国工业可持续发展的一项长远的战略方针。当前阶段，陶瓷废渣资源化主要用作混凝土骨料及掺和料、道路材料、铁路道砖、水泥、铸石、矿渣棉和轻骨料等材料，显示了一定的优越性和价值。在“十三五”规划及将来，绿色是环保行业未来，提高陶瓷固废整体水平，研发高附加值利用新技术，开发更多新型产品，促进资源合理利用，需要我们立足市场，创新思路和发展新技术，需要可靠的工艺技术、装备技术、有效质量管控，以确保固废资源化利用与社会可持续发展相互支撑、稳步推进。
4 建议
佛山陶瓷废渣是一个非常值得珍惜的资源，合理的资源化利用技术的研究将节省巨大的资源，为佛山带来巨大的经济效益。对于佛山陶瓷废渣的综合利用，现阶段主要以生产一般建材为主，为了大大提升陶瓷废渣的经济价值，发挥最大的资源优势，高附加综合利用技术的发展还需要政府、企业等大力支持和发展。从整个佛山陶瓷行业来看，陶瓷废渣的高附加值资源化利用技术的深入开发和应用仍需要政府加强政策支持和积极引导，加大对企业的补贴和扶持力度；鼓励企业开展清洁生产审核和增大自行消纳废渣的技术投入，研究并建立陶瓷企业的清洁生产标准，加强陶瓷企业的环境管理，从源头上减少陶瓷废物的产生；一定程度上企業积极拓宽技术交流领域，建设示范中心，深入校企合作，共同建设陶瓷废渣综合利用技术创新平台，加大高附加值产品宣传力度。
5 总结
本着“减量化、再利用、再循环”的3R原则，在环境压力和资源短缺的双重背景下，从较高层面上提升陶瓷废渣的综合利用水平，不仅可以从根本减少废物数量，有效排除环境安全风险；而且，也是大力发展循环经济、提高资源化利用、实现企业自我盈利的必要途径。深入地攻关陶瓷废渣高附加值综合利用先进技术，形成技术集群，为建设佛山市首个陶瓷废渣高附加值综合利用先进技术科技平台奠定基础，从这个意义来讲，陶瓷废渣高附加值资源化利用具有重大的经济效益和社会效益。
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基金项目：佛山市哲学社会科学规划项目（2016-QN18）；2016年佛山市自筹经费类科技计划项目：佛山市陶瓷废浆制备微晶玻璃高附加值产品关键技术研究；2016年佛山市科技创新项目（高校和医院科研基础平台）：佛山市典型固体废弃物污染控制与综合利用创新平台。
作者简介：李保庆（1986—），男，硕士，工程师，研究方向：固体废弃物资源化利用和环境功能材料。
