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砖瓦工业碳达峰碳减排实施建议

时间:2021-06-25 08:59来源:未知 作者:mac 点击:
摘要: 碳达峰、碳减排和碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统变革,将其纳入生态文明建设整体布局是国家战略。如何实施砖瓦工业碳达峰和碳减排,最终达到碳中和。为此从产品结构调整、工艺装备优化、能源充分利用等方面对实施碳减排提出几点建议,供行业同
  
  摘要:碳达峰、碳减排和碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统变革,将其纳入生态文明建设整体布局是国家战略。如何实施砖瓦工业碳达峰和碳减排,最终达到碳中和。为此从产品结构调整、工艺装备优化、能源充分利用等方面对实施碳减排提出几点建议,供行业同仁一起分析探讨。
  
  关键词:砖瓦;碳达峰;碳减排
  
  习近平主席早在2015年12月1日“气候变化巴黎大会”上讲道:“中国把应对气候变化融入国家经济社会发展中长期规划,坚持减缓和适应气候变化并重,通过法律、行政、技术、市场等多种手段,全力推进各项工作。……通过科技创新和体制机制创新,实施优化产业结构、构建低碳能源体系……”。并对世界发出庄严承诺:提出2030年使二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年实现碳中和。中国砖瓦工业协会在宜宾会长会上发布了“砖瓦行业碳达峰行动方案”,中国砖瓦协会提出2025年行业碳达峰,2030年至2035年基本稳定小幅波动下降,并提出了行业碳减排实施路径、保障措施与政策建议,给行业碳达峰、碳碱排和碳中和目标的实现指明了方向。笔者从产品结构调整、工艺装备优化、能源充分利用等方面对实施碳减排提出几点建议,愿与大家一起分析讨论,共同努力,早日实现砖瓦行业碳达峰。
  
  1砖瓦行业碳排放的概况简述
  
  根据有关资料统计,我国砖瓦企业由20世纪90年代的12万家下降到现存的3.5万家,但年生产烧结制品仍在8100多亿块,占世界总产量60%以上,无类企业数量和产量规模继续稳居世界第一。按照现有规模以上3052家企业计算预测[1],黏土实心砖产量2000亿块左右,空心制品2800多亿块(折标砖),其他为各种利废产品。从能源消耗讲,砖瓦行业基本以内燃或超内燃烧结为主,而热源主要是煤矸石等。利用固体废渣,特别是煤矸石做内燃烧砖占主导位置,比例大约在80%以上。近几年,一些厂家采用以内燃为主,补充天然气来完成产品烧成,这种能源结构形式对碳达峰和清洁能源及减少砖瓦大气污染物排放起到积极的作用,其主要特点:一是有利于提高产品烧成合格率。内燃烧砖,热量不足时需要通过隧道窑上方投煤孔投煤,防止烧成温度上不去而出现生砖;热量过剩时烧成温度过高,砖严重变形(见图1),形成大量废品,严重影响产品合格率。二是完全不用外投煤。以内燃为主,掺入固废原料所含热量为烧成产品需要热量的80%以上,不足部分由天然气通过喷嘴自动喷射补充,不需要外投煤,窑面更清洁,环境更环保。三是有利于实现焙烧窑自动化智能控制。完全内燃烧砖,由于掺配不准确,或内燃料热量不稳定,烧成温度忽高忽低,难以有效控制烧成温度曲线。如果采取内燃为主而补充天然气烧成,可以设计好烧成温度曲线和烧成温度范围,由温度传感器采集各种数据,并对干燥焙烧窑各测点温度、湿度和压力通过计算机软件系统进行计算处理。当隧道窑温度达不到时,可以自动启动天然气喷射系统,烧成温度按设定要求,实现智能自动控制。四是有利于实现产品自动化包装。内燃烧砖,经常出现窑车成品砖垛上、下砖块叠压部位粘连,给成品砖自动打包带来困难,严重时无法打包。虽然机械厂家采取了各种形式有所改善,但会增加砖产品包装过程操作程序,而且会增加自动打包机成本。如果采取内燃为主而补充天然气烧成,砖垛上的砖上下叠压不粘连,自动打包机不但工序简单、故障少,而且设备造价低,易实现智能自动化操作。五是有利于产品结构调整,提高产品附加值和企业经济效益。内燃烧砖,特别是采用一次码烧超内燃烧砖,砖产品表面形成条面“压花”,在缺氧还原状态下砖内形成“黑心”。这样的产品不但外观质量不理想,而且黑心会影响产品的抗冻性能。如果内燃为主而补充天然气烧成的产品,窑炉烧成制度控制得好,条面“压花”和“黑心”就会消除和减轻,用于清水装饰墙体的砌筑,产品附加值大为提升,企业效益明显改善。按照中国建筑材料联合会发布的《建筑材料工业二氧化碳排放核算方法》,易燃的可再生能源和废弃物包括固态和液态的生物遗体、沼气、工业垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾,易燃的可再生能源和废弃物碳排放视为零[2]的规定,2020年墙体材料行业二氧化碳排放1322万t,同比上升2.5%,其中煤燃烧排放同比上升2.4%。此外,电力消耗可间接折算约为612万t二氧化碳当量。墙体材料行业曾经是建材工业中仅次于水泥的第二耗能行业和碳排放源。2015年后墙体材料行业产业结构调整加快,企业数量大幅减少,产量大幅下降,节能技术革新加快,内燃烧砖产量不断增加,免烧砖不断发展,因而煤耗、电耗大幅降低,使该行业二氧化碳排放量从最高峰的15000t减少到目前的1322万t[3]。加上电耗折算成二氧化碳排放量为612万t当量,总计1934万t。虽然墙体材料行业碳排放取得了令人骄傲的成果,但要进一步达到碳达峰、碳减排、碳中和还需要继续付出更艰苦的努力。
  
  2砖瓦行业碳达峰碳减排的主要技术途径
  
  2.1产品结构
  
  实现碳达峰碳减排的目标,首先要抓好产品结构的调整,而产品结构调整主要应抓好三方面。其一,限制和减少实心砖的生产。同体积墙体烧结制品,实心砖体积密度大,不仅原料消耗大,而且所需的热量也大得多。30%的多孔烧结砖与实心砖比,能耗降低1/4以上,而且窑炉产量也有较大的提高。我国目前有2000亿块以上的实心砖,如果有1000亿块实心砖调整为承重多孔砖,每万块制品能耗从840万kcal下降到630万kcal,年节约热量21万亿kcal,折标煤300万t。按照建筑材料工业二氧化碳排放计算方法,主要指燃料燃烧过程和生产过程二氧化碳排放量,实现实心砖转化为多孔砖,实际减少的热值和减少的碳排放相当可观,不再详细计算。其二,扩大非承重空心制品,特别是高孔洞率的轻质空心砖和保温砌块的生产。目前国内空心砖或砌块孔洞率平均在40%左右,而欧洲一些国家早已达到50%~65%(见图2)。如果孔洞率从40%增加到50%以上,热能耗也能减少10%以上。据资料介绍[4],在1960年瑞士烧结空心砖占砖总产量的97%,联邦德国占80%以上,意大利占90%,芬兰几乎100%。西安墙体材料研究设计院(原西安砖瓦研究所)在1965年就建成了3000多㎡的砖混办公楼,墙体砌筑均为240mm×115mm×115mm多孔承重清水墙砖。实心砖向多品种、多孔、大块和薄壁空心方向发展,已成为行业的共识,也是碳达峰的需要。其三,鼓励生产低密度的保温砖或砌块,提高制品热工性能。在同等体积和同样原材料的情况下,一般来说密度越小,导热系数越低。为了减轻制品自重,除提高孔洞率外,也可通过造粒等生产低密度保温砖或保温砌块。欧洲有的制砖生产线加废塑料球或粉碎后的秸秆等,烧后形成孔内孔,既减轻了产品密度又提高了制品热工性能(见图3)。其四,重视制品的热工设计。根据原法国砖瓦技术中心的研究[5],有四个设计因素可以改善空心砖或空心砌块的保温性能。一是增加孔洞的行列,一排宽大于20mm的孔热阻为0.14m2•K/W,如增加至6排孔洞,增加热阻值约为0.14×6=0.84m2•K/W;二是降低砖孔壁的厚度,孔壁越薄越好,大部分热量是经过孔壁传导的;三是减少水平连接孔的条数,使孔洞尽可能加长,如果每行孔洞中减少一个6mm厚的水平连接孔壁,其热阻值可增加0.05m2•K/W;四是加长热传导路线,把水平孔交错排列,这样可以增加热阻值10%~20%(见图4)。通过上述途经,可以达到年减少热耗600万t以上,减少二氧化碳排放1560万t。
  
  2.2工艺装备
  
  烧结砖瓦工艺装备电耗折算成燃料化石能源,每年二氧化碳排放量约为612万t当量,约占总量的31.64%,工艺装备碳减排碳达峰也显得尤为重要。从设备角度讲,首先要重视动力的优化设计。例如70/60双级硬塑真空挤出机,双鸭山引进线为250+90=340(kW),而许多制造厂动力配制为315+132=447(kW)。也可能要提高产量增加转速,但是否需要增加31.47%动力值得商榷。众所周知,原料塑性与挤出成型时挤出机压力有关,低塑性原料颗粒之间结合能力差,挤出压力就要高一些,配用动力自然也要大一些。相反的高塑性原料颗粒之间结合能力强,挤出压力就要低一些,配用动力也自然也要小一些。问题是许多企业追求高真空、高压力,不问原料和成型水分,造成动力配置过高,而实际使用空载大,利用系数低,既浪费动力消耗,又影响企业生产成本和实际经济效益。据介绍,欧洲的荷兰利用含砂量40%左右的河道、湖泊淤泥,并在含水率30%情况下,采用特有的脱模技术生产各种道路砖、装饰砖和透水砖,室式干燥隧道窑焙烧[6],动力消耗会更低。
  
  2.3热工设备
  
  热工设备主要指干燥和焙烧窑,是实现碳减排和碳达峰的关键所在。干燥和焙烧窑炉设计施工应注意以下几点:首先干燥和焙烧窑的保温密封,选用隔热保温性能好的材料,力保窑墙、窑顶和窑车达到设计要求,再就是窑车与窑两侧墙的密封,尽可能在进出两端设双道门,防止热量外露或窑外冷空气进入,影响大气污染物排放氧含量及碳排放;其次是风机的合理选择也十分重要,个别不专业的窑炉公司,为了提高火行速度,不经设计计算,盲目加大风机型号,造成风量、风压过大,势必消耗不必要的动力。在送风和排风管道设计时,应尽可能减少弯道,杜绝阻力系数过大的管道传送形式,从而达到风量和风压的顺畅输送。也就是说风量和风压通过输送降低很少,窑炉产量也不受影响。
  
  2.4能源结构
  
  内燃烧砖是我国的一大特点,但内燃过大,会造成产品质量的下降,增加成品砖全自动打包的难度和设备造价。如果内燃过低,又得外投煤来补充。近几年,西安墙体材料研究设计院等单位采用内燃加外喷洁净能源方案,以内燃为主,外喷天然气很少。尽管购置煤和天然气价格相差甚大,虽然影响成本,为了环保和碳减排,企业在可接受范围内。近几年发达国家也非常重视生物质原料的利用,如法国赛力克公司运用生物质燃料方面推出许多新技术,把木屑、秸秆、稻壳等生物质加工处理后,用喷射装置送到隧道室内直接燃烧,烧成的产品与天然气烧成的产品质量完全相同,非常值得我们学习借鉴[5]。生物质燃料固定碳含量小于煤炭,燃烧形成的二氧化碳少[7],同时热值相对较低。传统的砖瓦面临资源和环境问题,提出以废弃资源如木屑、秸秆等生物质燃料代替传统的煤炭燃料,以河道淤泥代替黏土原料烧制河道淤泥多孔砖,为传统砖瓦实现资源综合利用,发展循环经济模式,实现绿色生产提供了一种可选方案。
  
  2.5工艺配电
  
  工艺设计的原则是在确保产品质量的前提下,力争工艺流程顺畅简单。在工艺设备优化选型方面,遵循配套合理,防止出现大马拉小车或前后设备不配套,尽可能选择节能环保设备。北方寒冷地区,工艺设备布置力求紧凑,在保证安全通道的情况下减少厂房采暖面积。对于仅生产用于承重墙体砌筑的实心砖产品,特别是黏土实心砖,原料处理设备应简洁,挤出机设备不宜追求高压力和高真空,从而达到降低动力和电耗的目的。配电设计应考虑电动机功率在55kW以上采用变频启动,变压器选用节能型变压器,其低压中性线电流不超过低压绕组额定电流的25%。设备自动起动控制尽量采用节能设备和耗电少的电器元件。无功补偿由变电所集中自动补偿,补偿后的功率因数不小于0.92。在电气设计中遵循《节约能源管理暂行条例》电力工业实施细则的有关规定。成型车间采用可编程序控制器(PLC),实现设备自动起动、联锁、联动,实现自动切条、自动切坯、自动码坯等工序。减少设备空载运行,提高设备运转效率。
  
  2.6技术创新
  
  技术创新推动碳达峰、碳减排,最终实现碳中和,对于行业来说十分重要,没有技术上的突破,就不可能实现碳排放的目标。当前行业比较成热的技术应加快推广步伐。例如煤矸石烧砖,产品本身烧成仅需260kcal/kg~300kcal/kg,但就煤矸石原料而言,发热量一般较高,多余热量大部分排空。双鸭山煤矸石引进线将多余热量用于办公楼、车间、家属楼采暖和浴室供热水,也可用于原料的加热处理。山西某厂用生产线余热发电也收到了良好的效果。如果煤矸石发热量较高时,特别是超过1000kcal/kg可推广山西余热发电技术;如果煤矸石发热量较低时,可推广双鸭山引进线余热利用的技术经验。近年的烟热回烧、宝深集团链板干燥器的强制热循环系统等技术,对降低碳排放,降低大气污染物排放,减少能耗取得了较好的效果,推广应用已完全成熟。
  
  3建议
  
  a.加强碳达峰、碳减排、碳中和重大意义的宣传,增强行业共同应对气候变化的认识,自觉投入到碳达峰、碳减排、碳中和的行动中。b.按照《中国建筑材料联合会.建筑建筑材料工业二氧化碳排放核算方法》中的规定,“易燃的可再生能源和废弃物包括固态和液态的生物遗体、沼气、工业垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾,易燃的可再生能源和废弃物碳排放视为零”。这对于砖瓦行业促进煤矸石的利用无疑会起到积极的作用,建议将这一规定上升为国家标准和国家政策。c.发展高强度多孔承重空心砖、高孔洞率的非承重空心砖和空心砌块、具有低密度和低导热系数的保温隔热制品,是实现碳达峰、碳减排、碳中和的重要手段,建议作为“十四五”墙材烧结制品的发展的主要产品。进一步加大限制黏土实心砖的力度,不断提升烧结空心砖和空心砌块的孔洞率,促进轻型化装配式墙板的发展。d.建议隧道窑烧结制品推广以内燃为主,喷气补充为辅的烧成制度,既提高了产品质量,利于机械化包装,又能达到碳减排的目的。e.加强节能设备的研发和设计优化,加强节能节电新技术的推广应用。高热量的煤矸石,要重视余热发电成套技术设备研发制造,提高热利用效率。我国庄严承诺2030年碳达到峰值,碳达峰后逐步降低,最终达到碳中和的目标。实现碳中和,二氧化碳“零排放”,是人类的共同期待。砖瓦行业应通过政策引导和技术手段提高能源利用率及各类节能减排等途径,不断减少产生的二氧化碳排放量,为早日实现碳达峰和碳中和做出应有的贡献。
  
  参考文献:
  
  [1]中国砖瓦工业协会.砖瓦行业碳达峰行动方案(讨论稿)[R],2021,4.
  
  [2]中国建筑材料联合会.建筑建筑材料工业二氧化碳排放核算方法[R],2021.
  
  [3]中国建筑材料联合会.建筑建筑材料工业碳排放报告(2020年度)[R],2021.
  
  [5]西北建筑设计院编译.国外烧结建筑制品进展[M].中国建筑工业出版社,1981.
  
  [6]梁嘉琪等.赴欧学习软泥制砖技术考察报告[J].砖瓦,2017.
  
  [7]任强、蒋正武.生物质燃料烧制河道淤泥烧结多孔砖的绿色生产技术[J].砖瓦,2015.
  
  作者:吴勇 闫开放 单位:西安墙体材料研究设计院有限公司
(责任编辑:mac)
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