转载|全球范围内陶瓷行业能耗情况及基于全生命周期评价的节能减排技术

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发表时间:2022-05-16 21:03作者:中建陶协会来源:中建陶协会网址:https://www.lx-mabuli.com/h-nd-1784.html
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原材题全球范围内陶瓷行业能耗情况及基于全生命周期评价的节能减排技术

来源自 中国建筑卫生陶瓷协会

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陶瓷被认为是人类最早、最伟大、最成功的发明之一。然而,从原材料提取到废物处理,陶瓷在其全生命周期中会对自然和社会系统造成影响。为了减轻陶瓷产品和工艺的气候影响,保障产业的可持续发展,本文拟介绍Dylan D. Furszyfer Del Rio等作者发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊上的综述研究文章《陶瓷行业脱碳:对政策选择、发展和社会技术体系的系统性、批判性回顾》,原文对324项相关研究进行回溯,确定了陶瓷行业能源和碳排放的主要决定因素,梳理了采用相关低碳工艺可能带来的好处和需要克服的障碍,最后,作者提出,陶瓷行业相关的环境和能源挑战不仅限于制造阶段,还应该着眼产品的全生命周期(包括原材料提取、废物处理和填埋)的能源消耗和排放。

陶瓷行业作为传统的能源密集型行业,生产陶瓷所消耗的能源约占总生产成本的30%。国际能源署估计,在全球范围内,来自陶瓷行业的排放量超过 400 Mt CO2/年,主要来自于陶瓷制备过程排放和能源使用。例如,在欧盟,陶瓷制造业(耐火材料、墙砖和地砖以及砖和屋顶砖)每年排放1900万吨二氧化碳。在这些排放中,66% 来自燃料燃烧,而电力排放和工艺排放分别占总排放的 18% 和 16%。

陶瓷行业的排放取决于两个因素,即制备过程中使用的原材料化学转化和使用的化石燃料。CO2 排放也可能来自制备过程中原材料或有机混合物中存在的有机物的燃烧。电力和原材料制备阶段也有间接的CO2排放。除了CO2排放外,制备过程中还会释放氯、氟、硫和氮氧化物排放。过去几年中,陶瓷行业的排放有所减少,例如,氟的排放量减少了 80% 以上。同样,在工业化程度较高的国家,由于使用天然气和采用新技术(例如,热电联产系统、单次燃烧和辊道窑等),CO2排放量也有所减少。

总体而言,陶瓷行业是天然气密集型行业,能源结构中,天然气占85-92%,电力占8-15%。天然气的密集使用在土耳其得到了很好的说明,该行业占工业天然气总消费量的 12% 以上。另外,在巴西,2014年,陶瓷工业占全国工业部门消耗的所有能源的5.8%左右,其中大部分能源来自可再生能源和天然气。在制备过程中,主要的能源最终用途是用于干燥、烧结和冷却阶段。烧结阶段约占总能源成本的75%,占制备过程所需能源的50%以上。一项研究表明,世界上通过使用天然气烧结陶瓷的年度能源最终使用量估计为182 TWh,烧制瓷砖过程产生约265 kgCO2/t。另一项研究表明,超过80%的温室气体排放发生在烧结和干燥阶段。

另外,陶瓷制备过程中,工厂需要大量的热量来干燥和去除材料中的水分。在大多数情况下,制备商依靠化石燃料来蒸发水。该过程复杂且昂贵,需要严格控制过程变量以保证最终产品的质量。尽管干燥系统随着新技术的部署而发展,但现阶段的最终能源消耗仍然很高。

陶瓷行业的能源强度反应在其能源最终使用和碳足迹中。生产每吨陶瓷地砖需要消耗电力940千瓦时,砖块和屋顶瓦片平均每吨产品消耗380 到 1250 千瓦时。重0.417千克的陶瓷制品的碳足迹为 1.22 kg CO2e,90%的温室气体排放总量来自能源最终使用。同时,由于资源(包括能源和水)的高消耗以及与噪音和废物相关的问题,陶瓷制品在其整个生命周期中都会对环境造成负面性影响。在瓷砖制备过程中,三个阶段需要热能:干燥新形成的瓷砖主体、瓷砖烧制和陶瓷浆料制备。

另有研究进行了瓷砖的全生命周期评估。研究人员考察了从开采原材料和运输,到建筑过程中的瓷砖铺贴及废弃拆除的环境影响。研究结果表明,瓷砖制备过程产生环境影响最大,其次是产品运输和分销。对此的解释可以在热力学分析中找到,有分析表明窑炉效率很低,因为只有5-20% 的能量输入用于烧制瓷砖。其余部分通过冷却烟囱 (30–35%)、烟气烟囱 (20–25%)、窑墙和拱顶 (10–15%) 以及烧制瓷砖 (5–10%) 损失掉。这一结论在类似的研究中心也得到证实,费雷尔等人的研究表明,全世界的单层辊道窑表现出低能量性能,其中超过 61% 的窑内总能量输入通过排气烟囱损失。

陶瓷能耗与关系.png

几十年来,陶瓷行业一直在努力提高能源利用效率。自1990年以来,欧洲瓷砖行业采用了众多新技术并实施了节能行动,以减少二氧化碳排放并减少最终能源使用。陶瓷行业低碳技术的核心是通过改进窑炉设计、提高烧成效率、优化制备等方法来减少陶瓷行业的能源最终使用量。下表列出了在制备过程中可有效减少陶瓷行业排放的技术。


技术

优势

节能减排情况

真空干燥

该技术通过降低大气压来减少干燥过程所需的最终能源消耗。

暂未有明确实验结论

微波辅助干燥和烧结

通过使用微波加热,能量可以更有效地传递给干燥和燃烧产品。因此,减少干燥过程的能源最终消耗量。

该技术可显着减少最终能源消耗,可高达99%

混合电烧窑炉

采用混合电烧窑炉可以使生产企业能够选择热电联产的形式,使得电热作为主要加热方式。

该技术可节省高达65%的能源

热管热交换器

热管式换热器应用于陶瓷窑炉,利用废气预热水,能量回收率约为 15%

该技术可节省高达   65% 的能源

采用预热水以形成重粘土(heavy clay)

在成型阶段使用热水代替冷水可降低干燥加热要求。

这种技术可以减少大约 3% 的排放量。

可控的干燥空气再循环

采用该技术使入口和出口空气温度保持稳定,而干燥剂再循环系数增加。这不仅减少了新空气的份额,而且优化了气流。

该技术可节省   25% 的能源

烘干机中的热回收设施

热回收使干燥空气能够被其他制造过程中产生的更热的气体所取代。这种气体可以来自热电联产发动机或窑炉。

这项技术可以减少   57% 73% 的排放,节能 60% 80%

低温烧结

该工艺在200°C以下生产致密的陶瓷材料,因此降低了能量强度。该技术使用瞬态(通常是液相)相来实现传质,从而制造更致密的陶瓷。

暂未有明确实验结论

陶瓷用混合干燥机

该技术与常规干燥(干燥室或隧道式干燥机)的不同之处在于,两个干燥阶段应用于两个干燥室,而不是仅一个干燥室。首先,使用大量空气实施空气热干燥,然后是半蒸汽干燥,用空气、高温和高湿对产品进行干燥。

加热需求从   4 10 GJ/t 降低到大约 3 GJ/t。能源效率提高约25%

优化干燥空气的再循环

改进通风技术以控制温度、湿度和流速等主要参数可提高热风干燥机的效率。

这种技术可以节省   25% 的能源。

脉冲热风

定期中断气流允许使用更高的干燥空气温度。这种技术为水分移动到表面提供了足够的时间。与经典的滚筒烘干机相比,脉冲热风快40分钟。

通过使用脉冲点火系统,与其他传统系统相比,可以节省高达 30% 的成本。

高效燃烧器

新的高效燃烧器允许使用废气预热燃烧空气。这些燃烧器可以替代陶瓷隧道窑或辊道窑中的旧燃烧器,以减少燃料消耗。

对于热空气回收解决方案,该技术可节省15%的能源。

无空气干燥(蒸汽干燥)

这种技术的主要优点是蒸汽相对于空气提供更高的比热和热导率。

该技术可节省   20-50% 的热能并显着缩短干燥时间。

快速烧结

应用快速烧结工艺可以将烧结温度降低50℃。

该技术可将二氧化碳排放量减少 25%

惰性化

此方法适用于瓷砖生产。在压制阶段之后,没有干燥,取而代之的是快速干燥阶段——最高温度约为 900℃。根据瓷砖厚度的不同,此过程持续介于1015分钟。

应用此过程可节省40%的能源。

热风回收作为窑内的助燃空气

来自窑冷却区的热空气可用作燃烧室中的预热助燃空气。这种技术触发了一种反应,其中高温气流产生的热冲击减少了环境温度下的热空气和空气的混合物。 燃料节省范围从 15% 30%

该技术可节省   15% 30% 的燃料。

加长隧道窑

将隧道窑延长30-50%可使砖在不使用冷空气的情况下干燥,从而使隧道窑更加节能。这种方法还可以将干燥过程与烧成窑分离,从而显着节省能源。

应用这种方法可以节省30%的能源

低热质量的窑车

在窑车中使用低热质量有助于减少加热支撑耐火材料的热能需求。

该技术可节省高达   70% 的燃料。

   Ultralite™ 替代传统的热面蓝晶石耐火材料

   Ultralite™ 代替密度为1100kg/m3 的热面蓝晶石耐火材料可以减轻窑车的重量和吸热。

该措施可节省   36,865 m3 N G./年的能源,减少77 tCO2eq/年的CO2

优化燃烧效率

在燃烧空气的炉尾安装O2传感器可提供O2百分比的连续反馈。拥有这些信息可以帮助调节燃烧气流以自动保持理想的燃烧条件。

每年节能可达   19,782 m3 NG,每年可减少 41,344 二氧化碳排放。


(原文出明:本文系翻译作品,仅作为学术交流和参考,如涉及侵权请联系删除。文中内容不代表协会观点。)


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