磚瓦工業(yè)碳達峰碳減排實施建議

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摘要：碳達峰、碳減排和碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(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。如何實施磚瓦工業(yè)碳達峰和碳減排，最終達到碳中和。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施碳減排提出幾點建議，供行業(yè)同仁一起分析探討。

關(guān)鍵詞：磚瓦；碳達峰；碳減排

主席早在2015年12月1日“氣候變化巴黎大會”上講道：“中國把應(yīng)對氣候變化融入國家經(jīng)濟社會發(fā)展中長期規(guī)劃，堅持減緩和適應(yīng)氣候變化并重，通過法律、行政、技術(shù)、市場等多種手段，全力推進各項工作?！ㄟ^科技創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新，實施優(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)出莊嚴承諾：提出2030年使二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年實現(xiàn)碳中和。中國磚瓦工業(yè)協(xié)會在宜賓會長會上了“磚瓦行業(yè)碳達峰行動方案”，中國磚瓦協(xié)會提出2025年行業(yè)碳達峰，2030年至2035年基本穩(wěn)定小幅波動下降，并提出了行業(yè)碳減排實施路徑、保障措施與政策建議，給行業(yè)碳達峰、碳堿排和碳中和目標的實現(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施碳減排提出幾點建議，愿與大家一起分析討論，共同努力，早日實現(xiàn)磚瓦行業(yè)碳達峰。

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，我國磚瓦企業(yè)由20世紀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)計算預(yù)測[1]，黏土實心磚產(chǎn)量2000億塊左右，空心制品2800多億塊(折標磚)，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：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；熱量過剩時燒成溫度過高，磚嚴重變形(見圖1)，形成大量廢品，嚴重影響產(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噴射補充，不需要外投煤，窯面更清潔，環(huán)境更環(huán)保。三是有利于實現(xiàn)焙燒窯自動化智能控制。完全內(nèi)燃燒磚，由于摻配不準確，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)燃為主而補充天然氣燒成，可以設(shè)計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溫度、濕度和壓力通過計算機軟件系統(tǒng)進行計算處理。當隧道窯溫度達不到時，可以自動啟動天然氣噴射系統(tǒng)，燒成溫度按設(shè)定要求，實現(xiàn)智能自動控制。四是有利于實現(xiàn)產(chǎn)品自動化包裝。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，給成品磚自動打包帶來困難，嚴重時無法打包。雖然機械廠家采取了各種形式有所改善，但會增加磚產(chǎn)品包裝過程操作程序，而且會增加自動打包機成本。如果采取內(nèi)燃為主而補充天然氣燒成，磚垛上的磚上下疊壓不粘連，自動打包機不但工序簡單、故障少，而且設(shè)備造價低，易實現(xiàn)智能自動化操作。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，而且黑心會影響產(chǎn)品的抗凍性能。如果內(nèi)燃為主而補充天然氣燒成的產(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當量，總計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，但要進一步達到碳達峰、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)碳達峰碳減排的主要技術(shù)途徑

2.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)碳達峰碳減排的目標，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，限制和減少實心磚的生產(chǎn)。同體積墻體燒結(jié)制品，實心磚體積密度大，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2000億塊以上的實心磚，如果有1000億塊實心磚調(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，折標煤300萬t。按照建筑材料工業(yè)二氧化碳排放計算方法，主要指燃料燃燒過程和生產(chǎn)過程二氧化碳排放量，實現(xiàn)實心磚轉(zhuǎn)化為多孔磚，實際減少的熱值和減少的碳排放相當可觀，不再詳細計算。其二，擴大非承重空心制品，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，也是碳達峰的需要。其三，鼓勵生產(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。根據(jù)原法國磚瓦技術(shù)中心的研究[5]，有四個設(shè)計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當量，約占總量的31.64%，工藝裝備碳減排碳達峰也顯得尤為重要。從設(shè)備角度講，首先要重視動力的優(yōu)化設(shè)計。例如70/60雙級硬塑真空擠出機，雙鴨山引進線為250＋90＝340(kW)，而許多制造廠動力配制為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%動力值得商榷。眾所周知，原料塑性與擠出成型時擠出機壓力有關(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，擠出壓力就要低一些，配用動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，造成動力配置過高，而實際使用空載大，利用系數(shù)低，既浪費動力消耗，又影響企業(yè)生產(chǎn)成本和實際經(jīng)濟效益。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]，動力消耗會更低。

2.3熱工設(shè)備

熱工設(shè)備主要指干燥和焙燒窯，是實現(xiàn)碳減排和碳達峰的關(guān)鍵所在。干燥和焙燒窯爐設(shè)計施工應(yīng)注意以下幾點：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、窯頂和窯車達到設(shè)計要求，再就是窯車與窯兩側(cè)墻的密封，盡可能在進出兩端設(shè)雙道門，防止熱量外露或窯外冷空氣進入，影響大氣污染物排放氧含量及碳排放；其次是風機的合理選擇也十分重要，個別不專業(yè)的窯爐公司，為了提高火行速度，不經(jīng)設(shè)計計算，盲目加大風機型號，造成風量、風壓過大，勢必消耗不必要的動力。在送風和排風管道設(shè)計時，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，從而達到風量和風壓的順暢輸送。也就是說風量和風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，但內(nèi)燃過大，會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，增加成品磚全自動打包的難度和設(shè)備造價。如果內(nèi)燃過低，又得外投煤來補充。近幾年，西安墻體材料研究設(shè)計院等單位采用內(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)磚瓦實現(xiàn)資源綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟模式，實現(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心磚產(chǎn)品，特別是黏土實心磚，原料處理設(shè)備應(yīng)簡潔，擠出機設(shè)備不宜追求高壓力和高真空，從而達到降低動力和電耗的目的。配電設(shè)計應(yīng)考慮電動機功率在55kW以上采用變頻啟動，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)備自動起動控制盡量采用節(jié)能設(shè)備和耗電少的電器元件。無功補償由變電所集中自動補償，補償后的功率因數(shù)不小于0.92。在電氣設(shè)計中遵循《節(jié)約能源管理暫行條例》電力工業(yè)實施細則的有關(guān)規(guī)定。成型車間采用可編程序控制器(PLC)，實現(xiàn)設(shè)備自動起動、聯(lián)鎖、聯(lián)動，實現(xiàn)自動切條、自動切坯、自動碼坯等工序。減少設(shè)備空載運行，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)效率。

2.6技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新推動碳達峰、碳減排，最終實現(xiàn)碳中和，對于行業(yè)來說十分重要，沒有技術(shù)上的突破，就不可能實現(xiàn)碳排放的目標。當前行業(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，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，可推廣雙鴨山引進線余熱利用的技術(shù)經(jīng)驗。近年的煙熱回燒、寶深集團鏈板干燥器的強制熱循環(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.加強碳達峰、碳減排、碳中和重大意義的宣傳，增強行業(yè)共同應(yīng)對氣候變化的認識，自覺投入到碳達峰、碳減排、碳中和的行動中。b.按照《中國建筑材料聯(lián)合會.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)促進煤矸石的利用無疑會起到積極的作用，建議將這一規(guī)定上升為國家標準和國家政策。c.發(fā)展高強度多孔承重空心磚、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，是實現(xiàn)碳達峰、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。進一步加大限制黏土實心磚的力度，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，噴氣補充為輔的燒成制度，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，利于機械化包裝，又能達到碳減排的目的。e.加強節(jié)能設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計優(yōu)化，加強節(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。我國莊嚴承諾2030年碳達到峰值，碳達峰后逐步降低，最終達到碳中和的目標。實現(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，為早日實現(xiàn)碳達峰和碳中和做出應(yīng)有的貢獻。

參考文獻：

[1]中國磚瓦工業(yè)協(xié)會.磚瓦行業(yè)碳達峰行動方案(討論稿)[R]，2021，4.

[2]中國建筑材料聯(lián)合會.建筑建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法[R]，2021.

[3]中國建筑材料聯(lián)合會.建筑建筑材料工業(yè)碳排放報告(2020年度)[R]，2021.

[5]西北建筑設(shè)計院編譯.國外燒結(jié)建筑制品進展[M].中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[6]梁嘉琪等.赴歐學(xué)習軟泥制磚技術(shù)考察報告[J].磚瓦，2017.

[7]任強、蔣正武.生物質(zhì)燃料燒制河道淤泥燒結(jié)多孔磚的綠色生產(chǎn)技術(shù)[J].磚瓦，2015.

作者：吳勇 閆開放 單位：西安墻體材料研究設(shè)計院有限公司