宽体辊道窑的节能与碳减排核算

    谭映山+曾令可+陈凯+李萍+张集发

    摘 ?要：随着陶瓷窑炉的不断发展和烧成技术的进步，宽体节能辊道窑越来越多，技术愈来愈成熟，节能效果越来越明显。本文介绍了广东中窑窑业股份有限公司宽体辊道窑的结构特点、节能与碳减排的核算。宽体辊道窑改造完成后年节能量达5200.45 t标煤，每年可以减少化石燃料燃烧产生的碳排放量14041.69 t CO2，减少生产用电蕴含的碳排放量1016.30 t CO2。

    关键词：宽体窑;节能;碳减排;核算

    1 ? 前言

    在能源危机日益严峻的今天，国家对工业能源消耗及污染的控制不断加强，广东省已出台并实施了部分企业的碳交易。陶瓷行业面临越来越大的节能减排压力，如何有效的减少能源消耗，降低有害废气的产生及排放，特别是陶瓷窑炉等热能消耗设备的优化改造，已成为各陶瓷企业的当务之急。宽体辊道窑作为一种新型窑炉在陶瓷工业中的地位日益突出，它与传统辊道窑相比较，具有单位能耗低、生产效率高、土地利用率高等特点。尤其节能环保优势明显，有效地觧决了当前我国建筑陶瓷产量大、单位能耗高、废气污染严重等一系列的难题，所以说宽体辊道窑的发展势在必行。

    2 ? 宽体辊道窑的结构特点

    2.1 ?采用合适烧嘴觧决窑内宽度上断面温差

    为了最大限度的减小宽断面窑内断面温差，可采用新型、高效、节能烧嘴，使烧嘴出口速度快，火焰喷射距离更远，燃气和助燃风混合更均匀，燃烧更完全，实现窑内断面温差的精确控制。在设计中采用仿“汉索夫型”高速等温烧嘴，成功地应用于宽体辊道窑的烧成，在燃烧控制方面，采用长、短火焰烧嘴科学合理撘配，有效的解决宽体窑的断面温差。

    2.2 ?闸板和挡火墙的合理设置

    通过大量的实践，大家都清楚认识到闸板和挡火墙在陶瓷辊道窑炉内的作用，合理的设置闸板和挡火墙在窑长方向上布置位置及闸板、挡火墙的结构形式，对窑炉温度的分段控制，强制窑内热气流的流向和热气流的搅拌，减少窑炉内上、下温差及断面温差都具有非常大的作用。

    2.3 ?优质保温材料减少窑墙散热

    采用高效、轻质保温耐火材料及新型涂料，能够有效地减少窑墙的散热，实现窑炉的节能减排目的。窑炉的表面散热约占总热量的8～20%，设计中采用节能模块、比利时（Promat）质量轻、导热系数小的纳米轻质陶瓷纤维板，不仅能够减薄窑墙厚度，而且窑墙蓄热量也大大降低，节能16%左右。窑墙外壁温度不超过60 ℃，图1为用红外热像仪检测的辊道窑墙外表面的温度分布示意图。

    2.4 ?充分利用余热提高助燃风温度

    为实现节能目标，公司采用高效率助燃风加热技术，将冷却带的余热输送给助燃风，将助燃风加热至150～200 ℃;改进余热回收系统结构，充分利用急冷、缓冷和窑头预热带等区域的余热，将余热引到干燥器或喷雾干燥塔等设备作为热源，降低窑炉的烟气排放温度，不仅可以提高窑炉的余热利用率，而且环保，可有效的节约能源。

    2.5 ?辊道窑烧成带的拱顶结构

    早期辊道窑的窑顶都是平顶结构，其有利于吊顶，施工方便。采用拱顶结构，其特点主要有：拱顶部位燃烧空间增大，可以增加截面中间部位辐射层厚度，增加传热能力;拱顶弧面有利于界面中部获得更多辐射传热;可更有效地克服平窑顶存在的界面热气流死角，大大改善截面的温度均匀性。另外，辊道窑烧成带中传热方式以辐射为主，占总传热的80%，辐射传热的关键是和温度的四次方成正比和辐射层厚度成正比，拱顶结构不但可以大大地提高辐射传热效率，而且可增加辐射层厚度及温度均匀性。如果在高温带采用拱顶，而预热带和冷却带采用平顶结构，这样更有利于窑内热气流的搅拌，有利于减少温差。

    2.6 ?采用大规格高强度辊棒

    南海金刚新材料公司等辊棒企业，通过配方，工艺过程及设备的改进制备了大规格，超高温陶瓷辊棒及异型辊棒，这为宽体辊道窑的设计和运行提供保障，除了减少在高温区断棒外，异型辊棒可以矫正砖坯的走向，使走砖平直，大大保证烧成中的产品质量。

    3 ? 宽体辊道窑节能改造项目节能核算

    2012年2月公司完成了某企业辊道窑的节能改造，以一条250 m长、3.1 m内宽的节能型辊道窑来代替项目实施前的两条140 m长、2.4 m内宽的辊道窑，改变烧成带、预热带和冷却带三带的比例、窑内采用拱顶结构和平顶结构相结合，挡火板和挡火墙结构和高度相结合，使辊道窑的横截面积的热容值增大，有效的解决窑炉的温差问题，由于窑炉内的温度均匀性好，使单位时间内的进砖量增大，缩短烧成时间，大幅的提高陶瓷的产量。

    3.1 ?改造前后的原煤消耗情况对比

    改造前后的产品能耗分析如表1、表2所示。

    从表1、表2可以发现，改造前单位产品能耗为169.23 kgce/t，改造后单位产品能耗为132.36 kgce/t，改造后辊道窑共生产产品为135789 t，则2012年该项目节能量：

    年节能量=（改造前单位产品的综合能耗 - 改造后单位产品的综合能耗）× 年产量=（169.23 - 132.36）× 135789 ÷ 1000 = 5006.54（t标煤）。

    3.2 ?改造前后的电耗情况对比

    辊道窑年节电量为159.42万kW·h，折标系数为1.229，折算标煤量为193.91 t。

    从表1、表2及表3可以计算，该节能项目改造完成后年节能量为：

    5006.54 + 193.91 = 5200.45（t标煤）。

    4 ? 碳减排核算

    参照《中国陶瓷生产企业温室气体排放核算方法报告指南（试行）》，陶瓷生产企业CO2排放总量按公式（1）式计算：

    E总= E燃烧+ E工业+ E电力（1）

    式中：

    E总—核算期内陶瓷企业CO2排放总量，单位：tCO2;

    E燃烧—核算期内陶瓷企业化石燃料燃烧活动产生的CO2 排放，单位：tCO2;

    E工业—核算期内陶瓷企业工业生产过程产生的CO2 排放量，单位：tCO2;

    E电力—核算期内陶瓷企业净购入生产用电蕴含的CO2 排放量，单位：tCO2。

    故陶瓷企业通过优化窑炉结构改造后节能、节电而减少陶瓷企业CO2排放总量计算可参照（1）式，如式（2）所示。

    E总= E燃烧+ E工业+ E电力（2）

    式中：

    E总—核算期内陶瓷企业因节能而减少CO2排放总量，单位：tCO2;

    E燃烧—核算期内陶瓷企业减少化石燃料燃烧活动产生的CO2 减排放量，单位：tCO2

    E工业—核算期内陶瓷企业工业生产过程产生的CO2 减排放量，单位：tCO2;

    E电力—核算期内陶瓷企业减少净购入生产用电蕴含的CO2 减排放量，单位：tCO2。

    4.1 ?减少化石燃料燃烧产生的碳排放量

    4.1.1排放计算公式

    陶瓷生产中无论是化石燃料燃烧产生的CO2排放，还是用于生产的机动车辆使用化石燃料产生的CO2排放量均可根据公式（3）计算：

    E燃烧=Σ（AD i × EF i）（3）

    式中：

    E燃烧—核算期内陶瓷企业因减少化石燃料燃烧活动产生的CO2减排放量，单位：tCO2;

    AD i—核算期内陶瓷企业化石燃料品种i的活动水平数据，单位：GJ;

    AD i= FC i × NCV i（3-1）

    FC i—核算期内陶瓷企业减少消耗化石燃料品种i的质量，固体或液体化石燃料单位：t;气体化石燃料单位：Nm3;

    NCV i—核算期内陶瓷企业化石燃料品种i的低位发热值，固体和液体化石燃料单位： GJ/t;气体化石燃料单位：GJ /Nm 3;。

    EF i—核算期内陶瓷企业化石燃料品种i的CO2排放因子，单位：tCO2 /GJ;

    EFi = CCi × αi × ρi（3-2）

    CCi—核算期内陶瓷企业化石燃料品种i的单位热值含碳量，单位：tC/GJ;

    αi—核算期内陶瓷企业化石燃料品种i的碳氧化率，单位：%wt;

    ρi—CO2与C的分子量之比。

    4.1.2排放因子获取

    对于购进的化石燃料品种i的单位热值含碳量及其碳氧化率i可参考表4。

    4.1.3减少化石燃料燃烧产生的碳排放量

    项目减少的石化燃料为原煤，2012年原煤平均折标系数为0.8322 tce/t，即24.36 GJ/t。故选择低位发热量最接近的无烟煤的相应参数作为计算值，即单位热值含碳量为CCi = 27.8 tC/TJ，碳氧化率为94%。

    E燃烧 = 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 ?减少生产用电蕴含的碳排放量

    4.2.1 ?排放计算公式

    陶瓷生产企业生产用电蕴含的CO2排放量按如下公式（4）计算：

    E电力 = Σ （ EA电力 × EF电网 ）（4）

    式中：

    E电力—核算期内生产用电蕴含的CO2排放量，单位：tCO2;

    EA电力—核算期内生产用电量，单位：MWh。

    EF电网—核算期内生产用电的区域电网CO2排放因子，单位：tCO2/MWh。

    4.2.2减少生产用电蕴含的碳排放量

    项目2012年减少生产用电159.42万kWh，2012年区域电网CO2排放因子取6.375 tCO2/万kWh，故减少生产用电蕴含的碳排放量：

    E电力 = Σ （ EA电力 × EF电网 ）

    = 159.42万kWh × 6.375 tCO2/万kWh

    = 1016.30 tCO2;

    4.3 ?工业生产过程排放

    4.3.1排放计算公式

    陶瓷工业生产过程中产生的CO2排放主要来自陶瓷烧成工序。在陶瓷烧成工序中，原料中所含的碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）在高温下分解产生CO2，其排放量可按公式（5）计算，

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

    式中：

    E工业—核算期内陶瓷企业工业生产过程中CO2排放量，单位：tCO2;

    F原料—核算期内陶瓷企业原料消耗量，单位：t;

    η原料—核算期内陶瓷企业原料的利用率，%wt;

    C caco—核算期内陶瓷企业使用原料中CaCO3的质量分数;%wt;

    C mgco—核算期内陶瓷企业使用原料中MgCO3的质量分数，%wt;

    ρ2—CO2与CaCO3之间的分子量换算系数■;

    ρ3—CO2与MgCO3之间的分子量换算系数■。

    4.3.2活动水平数据获取

    工业生产过程排放的活动水平数据包括：陶瓷生产企业年度原料消耗量、原料利用率，以及原料中CaCO3、MgCO3的质量含量。原料消耗量根据核算期内原料购入量、外销量以及库存量的变化来确定。原料购入量和外销量采用采购单或销售单等结算凭证上的数据，原料库存变化数据采用企业的定期库存记录或其他符合要求的方法来确定。原料消耗量采用公式（6）计算：

    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—核算期内陶瓷企业原料消耗量，单位：t;

    Q原料，1—核算期内陶瓷企业原料购入量，单位：t;

    Q原料， 2—核算期内陶瓷企业原料初期库存量，单位：t;

    Q原料，3—核算期内陶瓷企业原料末期库存量，单位：t;

    Q原料，4—核算期内陶瓷企业原料外销量，单位：t;

    原料利用率η原料由陶瓷生产企业根据实际生产情况确定。

    原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料应检测一次，然后统计核算期内原料中CaCO3和MgCO3的加权平均含量用于计算。检测原料中CaCO3和MgCO3含量应遵循以下标准：《GB/T4743陶瓷材料及制品化学分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化学成分光度分析法》等。

    由于前期没有精确测试原料中CaCO3和MgCO3含量，也没有精确统计陶瓷企业原料购入量、原料初期库存量、原料末期库存量、原料利用率η原料 数据，故没办法精确计算核算期内陶瓷企业原料消耗量，因此也没办法精确计算工艺过程引起碳排放量。

    经过该改造项目，企业减少了原煤的消耗和电力的消耗，原料及产品基本保持与改造前一致。因此，改造项目对工业生产过程的碳排放没有影响。

    5 ? 小结与展望

    从上面分析计算结果可知，通过窑炉结构的改造并采用相应的节能措施，不但一条窑可以取代两条窑，节能显著，年节能量达5200.45 tce，而且每年可以减少化石燃料燃烧产生的碳排放量14041.69 tCO2，减少生产用电蕴含的碳排放量1016.30 tCO2。与传统的窑炉对比而言，由于宽体窑具有占地面积小、能耗少、效率高及产量大等优点，正逐渐打破了传统窑炉原有的格局。在国家“十二五”中推行节能减排政策的大环境下，宽体窑有着非常广阔的前景。当然，宽体窑也有不足之处，如窑内温度不均匀、有些窑炉存在严重的温差、变形、色差等。但是，这些缺点也正在一一得以改善。

    参考文献

    [1] 曾令可， 李萍， 刘艳春. 陶瓷窑炉实用技术[M]. 北京：中国建材

     工业出版社出版， 2010，4.

    [2] 国家发展改革委组织编制.中国陶瓷生产企业温室气体排放核

     算方法报告指南（试行）[M].2013，11.

    [3] 杨洪儒. 陶瓷产业实现低碳排放的途径[R]. 陶瓷窑炉热工专业

     委员会2012年换届大会报告，2012.

    [4] 柳丹， 谭映山， 张桂华. 适用于内墙砖烧成的宽体辊道窑的设计

     [J]. 全国窑炉（陶瓷砖）能耗调查及节能减排技术汇编白皮书，

     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—核算期内陶瓷企业原料消耗量，单位：t;

    Q原料，1—核算期内陶瓷企业原料购入量，单位：t;

    Q原料， 2—核算期内陶瓷企业原料初期库存量，单位：t;

    Q原料，3—核算期内陶瓷企业原料末期库存量，单位：t;

    Q原料，4—核算期内陶瓷企业原料外销量，单位：t;

    原料利用率η原料由陶瓷生产企业根据实际生产情况确定。

    原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料应检测一次，然后统计核算期内原料中CaCO3和MgCO3的加权平均含量用于计算。检测原料中CaCO3和MgCO3含量应遵循以下标准：《GB/T4743陶瓷材料及制品化学分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化学成分光度分析法》等。

    由于前期没有精确测试原料中CaCO3和MgCO3含量，也没有精确统计陶瓷企业原料购入量、原料初期库存量、原料末期库存量、原料利用率η原料 数据，故没办法精确计算核算期内陶瓷企业原料消耗量，因此也没办法精确计算工艺过程引起碳排放量。

    经过该改造项目，企业减少了原煤的消耗和电力的消耗，原料及产品基本保持与改造前一致。因此，改造项目对工业生产过程的碳排放没有影响。

    5 ? 小结与展望

    从上面分析计算结果可知，通过窑炉结构的改造并采用相应的节能措施，不但一条窑可以取代两条窑，节能显著，年节能量达5200.45 tce，而且每年可以减少化石燃料燃烧产生的碳排放量14041.69 tCO2，减少生产用电蕴含的碳排放量1016.30 tCO2。与传统的窑炉对比而言，由于宽体窑具有占地面积小、能耗少、效率高及产量大等优点，正逐渐打破了传统窑炉原有的格局。在国家“十二五”中推行节能减排政策的大环境下，宽体窑有着非常广阔的前景。当然，宽体窑也有不足之处，如窑内温度不均匀、有些窑炉存在严重的温差、变形、色差等。但是，这些缺点也正在一一得以改善。

    参考文献

    [1] 曾令可， 李萍， 刘艳春. 陶瓷窑炉实用技术[M]. 北京：中国建材

     工业出版社出版， 2010，4.

    [2] 国家发展改革委组织编制.中国陶瓷生产企业温室气体排放核

     算方法报告指南（试行）[M].2013，11.

    [3] 杨洪儒. 陶瓷产业实现低碳排放的途径[R]. 陶瓷窑炉热工专业

     委员会2012年换届大会报告，2012.

    [4] 柳丹， 谭映山， 张桂华. 适用于内墙砖烧成的宽体辊道窑的设计

     [J]. 全国窑炉（陶瓷砖）能耗调查及节能减排技术汇编白皮书，

     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—核算期内陶瓷企业原料消耗量，单位：t;

    Q原料，1—核算期内陶瓷企业原料购入量，单位：t;

    Q原料， 2—核算期内陶瓷企业原料初期库存量，单位：t;

    Q原料，3—核算期内陶瓷企业原料末期库存量，单位：t;

    Q原料，4—核算期内陶瓷企业原料外销量，单位：t;

    原料利用率η原料由陶瓷生产企业根据实际生产情况确定。

    原料中CaCO3和MgCO3含量每批次原料应检测一次，然后统计核算期内原料中CaCO3和MgCO3的加权平均含量用于计算。检测原料中CaCO3和MgCO3含量应遵循以下标准：《GB/T4743陶瓷材料及制品化学分析方法》、《QB/T2578-2002陶瓷原料化学成分光度分析法》等。

    由于前期没有精确测试原料中CaCO3和MgCO3含量，也没有精确统计陶瓷企业原料购入量、原料初期库存量、原料末期库存量、原料利用率η原料 数据，故没办法精确计算核算期内陶瓷企业原料消耗量，因此也没办法精确计算工艺过程引起碳排放量。

    经过该改造项目，企业减少了原煤的消耗和电力的消耗，原料及产品基本保持与改造前一致。因此，改造项目对工业生产过程的碳排放没有影响。

    5 ? 小结与展望

    从上面分析计算结果可知，通过窑炉结构的改造并采用相应的节能措施，不但一条窑可以取代两条窑，节能显著，年节能量达5200.45 tce，而且每年可以减少化石燃料燃烧产生的碳排放量14041.69 tCO2，减少生产用电蕴含的碳排放量1016.30 tCO2。与传统的窑炉对比而言，由于宽体窑具有占地面积小、能耗少、效率高及产量大等优点，正逐渐打破了传统窑炉原有的格局。在国家“十二五”中推行节能减排政策的大环境下，宽体窑有着非常广阔的前景。当然，宽体窑也有不足之处，如窑内温度不均匀、有些窑炉存在严重的温差、变形、色差等。但是，这些缺点也正在一一得以改善。

    参考文献

    [1] 曾令可， 李萍， 刘艳春. 陶瓷窑炉实用技术[M]. 北京：中国建材

     工业出版社出版， 2010，4.

    [2] 国家发展改革委组织编制.中国陶瓷生产企业温室气体排放核

     算方法报告指南（试行）[M].2013，11.

    [3] 杨洪儒. 陶瓷产业实现低碳排放的途径[R]. 陶瓷窑炉热工专业

     委员会2012年换届大会报告，2012.

    [4] 柳丹， 谭映山， 张桂华. 适用于内墙砖烧成的宽体辊道窑的设计

     [J]. 全国窑炉（陶瓷砖）能耗调查及节能减排技术汇编白皮书，

     2013，1：141-143.