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磚瓦工業(yè)碳達(dá)峰碳減排實(shí)施建議

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磚瓦工業(yè)碳達(dá)峰碳減排實(shí)施建議

摘要:碳達(dá)峰、碳減排和碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)變革,將其納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局是國家戰(zhàn)略。如何實(shí)施磚瓦工業(yè)碳達(dá)峰和碳減排,最終達(dá)到碳中和。為此從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝裝備優(yōu)化、能源充分利用等方面對實(shí)施碳減排提出幾點(diǎn)建議,供行業(yè)同仁一起分析探討。

關(guān)鍵詞:磚瓦;碳達(dá)峰;碳減排

主席早在2015年12月1日“氣候變化巴黎大會(huì)”上講道:“中國把應(yīng)對氣候變化融入國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中長期規(guī)劃,堅(jiān)持減緩和適應(yīng)氣候變化并重,通過法律、行政、技術(shù)、市場等多種手段,全力推進(jìn)各項(xiàng)工作。……通過科技創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新,實(shí)施優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建低碳能源體系……”。并對世界發(fā)出莊嚴(yán)承諾:提出2030年使二氧化碳排放達(dá)到峰值,努力爭取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。中國磚瓦工業(yè)協(xié)會(huì)在宜賓會(huì)長會(huì)上了“磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰行動(dòng)方案”,中國磚瓦協(xié)會(huì)提出2025年行業(yè)碳達(dá)峰,2030年至2035年基本穩(wěn)定小幅波動(dòng)下降,并提出了行業(yè)碳減排實(shí)施路徑、保障措施與政策建議,給行業(yè)碳達(dá)峰、碳?jí)A排和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)指明了方向。筆者從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝裝備優(yōu)化、能源充分利用等方面對實(shí)施碳減排提出幾點(diǎn)建議,愿與大家一起分析討論,共同努力,早日實(shí)現(xiàn)磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰。

1磚瓦行業(yè)碳排放的概況簡述

根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),我國磚瓦企業(yè)由20世紀(jì)90年代的12萬家下降到現(xiàn)存的3.5萬家,但年生產(chǎn)燒結(jié)制品仍在8100多億塊,占世界總產(chǎn)量60%以上,無類企業(yè)數(shù)量和產(chǎn)量規(guī)模繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。按照現(xiàn)有規(guī)模以上3052家企業(yè)計(jì)算預(yù)測[1],黏土實(shí)心磚產(chǎn)量2000億塊左右,空心制品2800多億塊(折標(biāo)磚),其他為各種利廢產(chǎn)品。從能源消耗講,磚瓦行業(yè)基本以內(nèi)燃或超內(nèi)燃燒結(jié)為主,而熱源主要是煤矸石等。利用固體廢渣,特別是煤矸石做內(nèi)燃燒磚占主導(dǎo)位置,比例大約在80%以上。近幾年,一些廠家采用以內(nèi)燃為主,補(bǔ)充天然氣來完成產(chǎn)品燒成,這種能源結(jié)構(gòu)形式對碳達(dá)峰和清潔能源及減少磚瓦大氣污染物排放起到積極的作用,其主要特點(diǎn):一是有利于提高產(chǎn)品燒成合格率。內(nèi)燃燒磚,熱量不足時(shí)需要通過隧道窯上方投煤孔投煤,防止燒成溫度上不去而出現(xiàn)生磚;熱量過剩時(shí)燒成溫度過高,磚嚴(yán)重變形(見圖1),形成大量廢品,嚴(yán)重影響產(chǎn)品合格率。二是完全不用外投煤。以內(nèi)燃為主,摻入固廢原料所含熱量為燒成產(chǎn)品需要熱量的80%以上,不足部分由天然氣通過噴嘴自動(dòng)噴射補(bǔ)充,不需要外投煤,窯面更清潔,環(huán)境更環(huán)保。三是有利于實(shí)現(xiàn)焙燒窯自動(dòng)化智能控制。完全內(nèi)燃燒磚,由于摻配不準(zhǔn)確,或內(nèi)燃料熱量不穩(wěn)定,燒成溫度忽高忽低,難以有效控制燒成溫度曲線。如果采取內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成,可以設(shè)計(jì)好燒成溫度曲線和燒成溫度范圍,由溫度傳感器采集各種數(shù)據(jù),并對干燥焙燒窯各測點(diǎn)溫度、濕度和壓力通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算處理。當(dāng)隧道窯溫度達(dá)不到時(shí),可以自動(dòng)啟動(dòng)天然氣噴射系統(tǒng),燒成溫度按設(shè)定要求,實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制。四是有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化包裝。內(nèi)燃燒磚,經(jīng)常出現(xiàn)窯車成品磚垛上、下磚塊疊壓部位粘連,給成品磚自動(dòng)打包帶來困難,嚴(yán)重時(shí)無法打包。雖然機(jī)械廠家采取了各種形式有所改善,但會(huì)增加磚產(chǎn)品包裝過程操作程序,而且會(huì)增加自動(dòng)打包機(jī)成本。如果采取內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成,磚垛上的磚上下疊壓不粘連,自動(dòng)打包機(jī)不但工序簡單、故障少,而且設(shè)備造價(jià)低,易實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化操作。五是有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高產(chǎn)品附加值和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。內(nèi)燃燒磚,特別是采用一次碼燒超內(nèi)燃燒磚,磚產(chǎn)品表面形成條面“壓花”,在缺氧還原狀態(tài)下磚內(nèi)形成“黑心”。這樣的產(chǎn)品不但外觀質(zhì)量不理想,而且黑心會(huì)影響產(chǎn)品的抗凍性能。如果內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成的產(chǎn)品,窯爐燒成制度控制得好,條面“壓花”和“黑心”就會(huì)消除和減輕,用于清水裝飾墻體的砌筑,產(chǎn)品附加值大為提升,企業(yè)效益明顯改善。按照中國建筑材料聯(lián)合會(huì)的《建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》,易燃的可再生能源和廢棄物包括固態(tài)和液態(tài)的生物遺體、沼氣、工業(yè)垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾,易燃的可再生能源和廢棄物碳排放視為零[2]的規(guī)定,2020年墻體材料行業(yè)二氧化碳排放1322萬t,同比上升2.5%,其中煤燃燒排放同比上升2.4%。此外,電力消耗可間接折算約為612萬t二氧化碳當(dāng)量。墻體材料行業(yè)曾經(jīng)是建材工業(yè)中僅次于水泥的第二耗能行業(yè)和碳排放源。2015年后墻體材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整加快,企業(yè)數(shù)量大幅減少,產(chǎn)量大幅下降,節(jié)能技術(shù)革新加快,內(nèi)燃燒磚產(chǎn)量不斷增加,免燒磚不斷發(fā)展,因而煤耗、電耗大幅降低,使該行業(yè)二氧化碳排放量從最高峰的15000t減少到目前的1322萬t[3]。加上電耗折算成二氧化碳排放量為612萬t當(dāng)量,總計(jì)1934萬t。雖然墻體材料行業(yè)碳排放取得了令人驕傲的成果,但要進(jìn)一步達(dá)到碳達(dá)峰、碳減排、碳中和還需要繼續(xù)付出更艱苦的努力。

2磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰碳減排的主要技術(shù)途徑

2.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳減排的目標(biāo),首先要抓好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整,而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整主要應(yīng)抓好三方面。其一,限制和減少實(shí)心磚的生產(chǎn)。同體積墻體燒結(jié)制品,實(shí)心磚體積密度大,不僅原料消耗大,而且所需的熱量也大得多。30%的多孔燒結(jié)磚與實(shí)心磚比,能耗降低1/4以上,而且窯爐產(chǎn)量也有較大的提高。我國目前有2000億塊以上的實(shí)心磚,如果有1000億塊實(shí)心磚調(diào)整為承重多孔磚,每萬塊制品能耗從840萬kcal下降到630萬kcal,年節(jié)約熱量21萬億kcal,折標(biāo)煤300萬t。按照建筑材料工業(yè)二氧化碳排放計(jì)算方法,主要指燃料燃燒過程和生產(chǎn)過程二氧化碳排放量,實(shí)現(xiàn)實(shí)心磚轉(zhuǎn)化為多孔磚,實(shí)際減少的熱值和減少的碳排放相當(dāng)可觀,不再詳細(xì)計(jì)算。其二,擴(kuò)大非承重空心制品,特別是高孔洞率的輕質(zhì)空心磚和保溫砌塊的生產(chǎn)。目前國內(nèi)空心磚或砌塊孔洞率平均在40%左右,而歐洲一些國家早已達(dá)到50%~65%(見圖2)。如果孔洞率從40%增加到50%以上,熱能耗也能減少10%以上。據(jù)資料介紹[4],在1960年瑞士燒結(jié)空心磚占磚總產(chǎn)量的97%,聯(lián)邦德國占80%以上,意大利占90%,芬蘭幾乎100%。西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院(原西安磚瓦研究所)在1965年就建成了3000多㎡的磚混辦公樓,墻體砌筑均為240mm×115mm×115mm多孔承重清水墻磚。實(shí)心磚向多品種、多孔、大塊和薄壁空心方向發(fā)展,已成為行業(yè)的共識(shí),也是碳達(dá)峰的需要。其三,鼓勵(lì)生產(chǎn)低密度的保溫磚或砌塊,提高制品熱工性能。在同等體積和同樣原材料的情況下,一般來說密度越小,導(dǎo)熱系數(shù)越低。為了減輕制品自重,除提高孔洞率外,也可通過造粒等生產(chǎn)低密度保溫磚或保溫砌塊。歐洲有的制磚生產(chǎn)線加廢塑料球或粉碎后的秸稈等,燒后形成孔內(nèi)孔,既減輕了產(chǎn)品密度又提高了制品熱工性能(見圖3)。其四,重視制品的熱工設(shè)計(jì)。根據(jù)原法國磚瓦技術(shù)中心的研究[5],有四個(gè)設(shè)計(jì)因素可以改善空心磚或空心砌塊的保溫性能。一是增加孔洞的行列,一排寬大于20mm的孔熱阻為0.14m2•K/W,如增加至6排孔洞,增加熱阻值約為0.14×6=0.84m2•K/W;二是降低磚孔壁的厚度,孔壁越薄越好,大部分熱量是經(jīng)過孔壁傳導(dǎo)的;三是減少水平連接孔的條數(shù),使孔洞盡可能加長,如果每行孔洞中減少一個(gè)6mm厚的水平連接孔壁,其熱阻值可增加0.05m2•K/W;四是加長熱傳導(dǎo)路線,把水平孔交錯(cuò)排列,這樣可以增加熱阻值10%~20%(見圖4)。通過上述途經(jīng),可以達(dá)到年減少熱耗600萬t以上,減少二氧化碳排放1560萬t。

2.2工藝裝備

燒結(jié)磚瓦工藝裝備電耗折算成燃料化石能源,每年二氧化碳排放量約為612萬t當(dāng)量,約占總量的31.64%,工藝裝備碳減排碳達(dá)峰也顯得尤為重要。從設(shè)備角度講,首先要重視動(dòng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如70/60雙級(jí)硬塑真空擠出機(jī),雙鴨山引進(jìn)線為250+90=340(kW),而許多制造廠動(dòng)力配制為315+132=447(kW)。也可能要提高產(chǎn)量增加轉(zhuǎn)速,但是否需要增加31.47%動(dòng)力值得商榷。眾所周知,原料塑性與擠出成型時(shí)擠出機(jī)壓力有關(guān),低塑性原料顆粒之間結(jié)合能力差,擠出壓力就要高一些,配用動(dòng)力自然也要大一些。相反的高塑性原料顆粒之間結(jié)合能力強(qiáng),擠出壓力就要低一些,配用動(dòng)力也自然也要小一些。問題是許多企業(yè)追求高真空、高壓力,不問原料和成型水分,造成動(dòng)力配置過高,而實(shí)際使用空載大,利用系數(shù)低,既浪費(fèi)動(dòng)力消耗,又影響企業(yè)生產(chǎn)成本和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)介紹,歐洲的荷蘭利用含砂量40%左右的河道、湖泊淤泥,并在含水率30%情況下,采用特有的脫模技術(shù)生產(chǎn)各種道路磚、裝飾磚和透水磚,室式干燥隧道窯焙燒[6],動(dòng)力消耗會(huì)更低。

2.3熱工設(shè)備

熱工設(shè)備主要指干燥和焙燒窯,是實(shí)現(xiàn)碳減排和碳達(dá)峰的關(guān)鍵所在。干燥和焙燒窯爐設(shè)計(jì)施工應(yīng)注意以下幾點(diǎn):首先干燥和焙燒窯的保溫密封,選用隔熱保溫性能好的材料,力保窯墻、窯頂和窯車達(dá)到設(shè)計(jì)要求,再就是窯車與窯兩側(cè)墻的密封,盡可能在進(jìn)出兩端設(shè)雙道門,防止熱量外露或窯外冷空氣進(jìn)入,影響大氣污染物排放氧含量及碳排放;其次是風(fēng)機(jī)的合理選擇也十分重要,個(gè)別不專業(yè)的窯爐公司,為了提高火行速度,不經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,盲目加大風(fēng)機(jī)型號(hào),造成風(fēng)量、風(fēng)壓過大,勢必消耗不必要的動(dòng)力。在送風(fēng)和排風(fēng)管道設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能減少彎道,杜絕阻力系數(shù)過大的管道傳送形式,從而達(dá)到風(fēng)量和風(fēng)壓的順暢輸送。也就是說風(fēng)量和風(fēng)壓通過輸送降低很少,窯爐產(chǎn)量也不受影響。

2.4能源結(jié)構(gòu)

內(nèi)燃燒磚是我國的一大特點(diǎn),但內(nèi)燃過大,會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降,增加成品磚全自動(dòng)打包的難度和設(shè)備造價(jià)。如果內(nèi)燃過低,又得外投煤來補(bǔ)充。近幾年,西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院等單位采用內(nèi)燃加外噴潔凈能源方案,以內(nèi)燃為主,外噴天然氣很少。盡管購置煤和天然氣價(jià)格相差甚大,雖然影響成本,為了環(huán)保和碳減排,企業(yè)在可接受范圍內(nèi)。近幾年發(fā)達(dá)國家也非常重視生物質(zhì)原料的利用,如法國賽力克公司運(yùn)用生物質(zhì)燃料方面推出許多新技術(shù),把木屑、秸稈、稻殼等生物質(zhì)加工處理后,用噴射裝置送到隧道室內(nèi)直接燃燒,燒成的產(chǎn)品與天然氣燒成的產(chǎn)品質(zhì)量完全相同,非常值得我們學(xué)習(xí)借鑒[5]。生物質(zhì)燃料固定碳含量小于煤炭,燃燒形成的二氧化碳少[7],同時(shí)熱值相對較低。傳統(tǒng)的磚瓦面臨資源和環(huán)境問題,提出以廢棄資源如木屑、秸稈等生物質(zhì)燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭燃料,以河道淤泥代替黏土原料燒制河道淤泥多孔磚,為傳統(tǒng)磚瓦實(shí)現(xiàn)資源綜合利用,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式,實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)提供了一種可選方案。

2.5工藝配電

工藝設(shè)計(jì)的原則是在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,力爭工藝流程順暢簡單。在工藝設(shè)備優(yōu)化選型方面,遵循配套合理,防止出現(xiàn)大馬拉小車或前后設(shè)備不配套,盡可能選擇節(jié)能環(huán)保設(shè)備。北方寒冷地區(qū),工藝設(shè)備布置力求緊湊,在保證安全通道的情況下減少廠房采暖面積。對于僅生產(chǎn)用于承重墻體砌筑的實(shí)心磚產(chǎn)品,特別是黏土實(shí)心磚,原料處理設(shè)備應(yīng)簡潔,擠出機(jī)設(shè)備不宜追求高壓力和高真空,從而達(dá)到降低動(dòng)力和電耗的目的。配電設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)功率在55kW以上采用變頻啟動(dòng),變壓器選用節(jié)能型變壓器,其低壓中性線電流不超過低壓繞組額定電流的25%。設(shè)備自動(dòng)起動(dòng)控制盡量采用節(jié)能設(shè)備和耗電少的電器元件。無功補(bǔ)償由變電所集中自動(dòng)補(bǔ)償,補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于0.92。在電氣設(shè)計(jì)中遵循《節(jié)約能源管理暫行條例》電力工業(yè)實(shí)施細(xì)則的有關(guān)規(guī)定。成型車間采用可編程序控制器(PLC),實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)起動(dòng)、聯(lián)鎖、聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切條、自動(dòng)切坯、自動(dòng)碼坯等工序。減少設(shè)備空載運(yùn)行,提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

2.6技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)碳達(dá)峰、碳減排,最終實(shí)現(xiàn)碳中和,對于行業(yè)來說十分重要,沒有技術(shù)上的突破,就不可能實(shí)現(xiàn)碳排放的目標(biāo)。當(dāng)前行業(yè)比較成熱的技術(shù)應(yīng)加快推廣步伐。例如煤矸石燒磚,產(chǎn)品本身燒成僅需260kcal/kg~300kcal/kg,但就煤矸石原料而言,發(fā)熱量一般較高,多余熱量大部分排空。雙鴨山煤矸石引進(jìn)線將多余熱量用于辦公樓、車間、家屬樓采暖和浴室供熱水,也可用于原料的加熱處理。山西某廠用生產(chǎn)線余熱發(fā)電也收到了良好的效果。如果煤矸石發(fā)熱量較高時(shí),特別是超過1000kcal/kg可推廣山西余熱發(fā)電技術(shù);如果煤矸石發(fā)熱量較低時(shí),可推廣雙鴨山引進(jìn)線余熱利用的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。近年的煙熱回?zé)?、寶深集團(tuán)鏈板干燥器的強(qiáng)制熱循環(huán)系統(tǒng)等技術(shù),對降低碳排放,降低大氣污染物排放,減少能耗取得了較好的效果,推廣應(yīng)用已完全成熟。

3建議

a.加強(qiáng)碳達(dá)峰、碳減排、碳中和重大意義的宣傳,增強(qiáng)行業(yè)共同應(yīng)對氣候變化的認(rèn)識(shí),自覺投入到碳達(dá)峰、碳減排、碳中和的行動(dòng)中。b.按照《中國建筑材料聯(lián)合會(huì).建筑建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》中的規(guī)定,“易燃的可再生能源和廢棄物包括固態(tài)和液態(tài)的生物遺體、沼氣、工業(yè)垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾,易燃的可再生能源和廢棄物碳排放視為零”。這對于磚瓦行業(yè)促進(jìn)煤矸石的利用無疑會(huì)起到積極的作用,建議將這一規(guī)定上升為國家標(biāo)準(zhǔn)和國家政策。c.發(fā)展高強(qiáng)度多孔承重空心磚、高孔洞率的非承重空心磚和空心砌塊、具有低密度和低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫隔熱制品,是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳減排、碳中和的重要手段,建議作為“十四五”墻材燒結(jié)制品的發(fā)展的主要產(chǎn)品。進(jìn)一步加大限制黏土實(shí)心磚的力度,不斷提升燒結(jié)空心磚和空心砌塊的孔洞率,促進(jìn)輕型化裝配式墻板的發(fā)展。d.建議隧道窯燒結(jié)制品推廣以內(nèi)燃為主,噴氣補(bǔ)充為輔的燒成制度,既提高了產(chǎn)品質(zhì)量,利于機(jī)械化包裝,又能達(dá)到碳減排的目的。e.加強(qiáng)節(jié)能設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計(jì)優(yōu)化,加強(qiáng)節(jié)能節(jié)電新技術(shù)的推廣應(yīng)用。高熱量的煤矸石,要重視余熱發(fā)電成套技術(shù)設(shè)備研發(fā)制造,提高熱利用效率。我國莊嚴(yán)承諾2030年碳達(dá)到峰值,碳達(dá)峰后逐步降低,最終達(dá)到碳中和的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)碳中和,二氧化碳“零排放”,是人類的共同期待。磚瓦行業(yè)應(yīng)通過政策引導(dǎo)和技術(shù)手段提高能源利用率及各類節(jié)能減排等途徑,不斷減少產(chǎn)生的二氧化碳排放量,為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

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作者:吳勇 閆開放 單位:西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院有限公司