磚瓦工業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濟社會系統變革，將其納入生態文明建設整體布局是國家戰略。如何實施磚瓦工業碳達峰和碳減排，最終達到碳中和。為此從產品結構調整、工藝裝備優化、能源充分利用等方面對實施碳減排提出幾點建議，供行業同仁一起分析探討。
關鍵詞：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：“中國把應對氣候變化融入國家經濟社會發展中長期規劃，堅持減緩和適應氣候變化并重，通過法律、行政、技術、市場等多種手段，全力推進各項工作。……通過科技創新和體制機制創新，實施優化產業結構、構建低碳能源體系……”。并對世界發出莊嚴承諾：提出2030年使二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年實現碳中和。中國磚瓦工業協會在宜賓會長會上了“磚瓦行業碳達峰行動方案”，中國磚瓦協會提出2025年行業碳達峰，2030年至2035年基本穩定小幅波動下降，并提出了行業碳減排實施路徑、保障措施與政策建議，給行業碳達峰、碳堿排和碳中和目標的實現指明了方向。筆者從產品結構調整、工藝裝備優化、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，早日實現磚瓦行業碳達峰。
1磚瓦行業碳排放的概況簡述
根據有關資料統計，我國磚瓦企業由20世紀90年代的12萬家下降到現存的3.5萬家，但年生產燒結制品仍在8100多億塊，占世界總產量60%以上，無類企業數量和產量規模繼續穩居世界第一。按照現有規模以上3052家企業計算預測[1]，黏土實心磚產量2000億塊左右，空心制品2800多億塊(折標磚)，其他為各種利廢產品。從能源消耗講，磚瓦行業基本以內燃或超內燃燒結為主，而熱源主要是煤矸石等。利用固體廢渣，特別是煤矸石做內燃燒磚占主導位置，比例大約在80%以上。近幾年，一些廠家采用以內燃為主，補充天然氣來完成產品燒成，這種能源結構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：一是有利于提高產品燒成合格率。內燃燒磚，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，嚴重影響產品合格率。二是完全不用外投煤。以內燃為主，摻入固廢原料所含熱量為燒成產品需要熱量的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，環境更環保。三是有利于實現焙燒窯自動化智能控制。完全內燃燒磚，由于摻配不準確，或內燃料熱量不穩定，燒成溫度忽高忽低，難以有效控制燒成溫度曲線。如果采取內燃為主而補充天然氣燒成，可以設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據，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，燒成溫度按設定要求，實現智能自動控制。四是有利于實現產品自動化包裝。內燃燒磚，經常出現窯車成品磚垛上、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，而且設備造價低，易實現智能自動化操作。五是有利于產品結構調整，提高產品附加值和企業經濟效益。內燃燒磚，特別是采用一次碼燒超內燃燒磚，磚產品表面形成條面“壓花”，在缺氧還原狀態下磚內形成“黑心”。這樣的產品不但外觀質量不理想，而且黑心會影響產品的抗凍性能。如果內燃為主而補充天然氣燒成的產品，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，產品附加值大為提升，企業效益明顯改善。按照中國建筑材料聯合會的《建筑材料工業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和液態的生物遺體、沼氣、工業垃圾(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]的規定，2020年墻體材料行業二氧化碳排放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。墻體材料行業曾經是建材工業中僅次于水泥的第二耗能行業和碳排放源。2015年后墻體材料行業產業結構調整加快，企業數量大幅減少，產量大幅下降，節能技術革新加快，內燃燒磚產量不斷增加，免燒磚不斷發展，因而煤耗、電耗大幅降低，使該行業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、碳中和還需要繼續付出更艱苦的努力。
2磚瓦行業碳達峰碳減排的主要技術途徑
2.1產品結構
實現碳達峰碳減排的目標，首先要抓好產品結構的調整，而產品結構調整主要應抓好三方面。其一，限制和減少實心磚的生產。同體積墻體燒結制品，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%的多孔燒結磚與實心磚比，能耗降低1/4以上，而且窯爐產量也有較大的提高。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，年節約熱量21萬億kcal，折標煤300萬t。按照建筑材料工業二氧化碳排放計算方法，主要指燃料燃燒過程和生產過程二氧化碳排放量，實現實心磚轉化為多孔磚，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空心磚和保溫砌塊的生產。目前國內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。據資料介紹[4]，在1960年瑞士燒結空心磚占磚總產量的97%，聯邦德國占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展，已成為行業的共識，也是碳達峰的需要。其三，鼓勵生產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，導熱系數越低。為了減輕制品自重，除提高孔洞率外，也可通過造粒等生產低密度保溫磚或保溫砌塊。歐洲有的制磚生產線加廢塑料球或粉碎后的秸稈等，燒后形成孔內孔，既減輕了產品密度又提高了制品熱工性能(見圖3)。其四，重視制品的熱工設計。根據原法國磚瓦技術中心的研究[5]，有四個設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，大部分熱量是經過孔壁傳導的；三是減少水平連接孔的條數，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，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。從設備角度講，首先要重視動力的優化設計。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)。也可能要提高產量增加轉速，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，低塑性原料顆粒之間結合能力差，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，利用系數低，既浪費動力消耗，又影響企業生產成本和實際經濟效益。據介紹，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生產各種道路磚、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熱工設備
熱工設備主要指干燥和焙燒窯，是實現碳減排和碳達峰的關鍵所在。干燥和焙燒窯爐設計施工應注意以下幾點：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、窯頂和窯車達到設計要求，再就是窯車與窯兩側墻的密封，盡可能在進出兩端設雙道門，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，個別不專業的窯爐公司，為了提高火行速度，不經設計計算，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計時，應盡可能減少彎道，杜絕阻力系數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，窯爐產量也不受影響。
2.4能源結構
內燃燒磚是我國的一大特點，但內燃過大，會造成產品質量的下降，增加成品磚全自動打包的難度和設備造價。如果內燃過低，又得外投煤來補充。近幾年，西安墻體材料研究設計院等單位采用內燃加外噴潔凈能源方案，以內燃為主，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，為了環保和碳減排，企業在可接受范圍內。近幾年發達國家也非常重視生物質原料的利用，如法國賽力克公司運用生物質燃料方面推出許多新技術，把木屑、秸稈、稻殼等生物質加工處理后，用噴射裝置送到隧道室內直接燃燒，燒成的產品與天然氣燒成的產品質量完全相同，非常值得我們學習借鑒[5]。生物質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。傳統的磚瓦面臨資源和環境問題，提出以廢棄資源如木屑、秸稈等生物質燃料代替傳統的煤炭燃料，以河道淤泥代替黏土原料燒制河道淤泥多孔磚，為傳統磚瓦實現資源綜合利用，發展循環經濟模式，實現綠色生產提供了一種可選方案。
2.5工藝配電
工藝設計的原則是在確保產品質量的前提下，力爭工藝流程順暢簡單。在工藝設備優化選型方面，遵循配套合理，防止出現大馬拉小車或前后設備不配套，盡可能選擇節能環保設備。北方寒冷地區，工藝設備布置力求緊湊，在保證安全通道的情況下減少廠房采暖面積。對于僅生產用于承重墻體砌筑的實心磚產品，特別是黏土實心磚，原料處理設備應簡潔，擠出機設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。配電設計應考慮電動機功率在55kW以上采用變頻啟動，變壓器選用節能型變壓器，其低壓中性線電流不超過低壓繞組額定電流的25%。設備自動起動控制盡量采用節能設備和耗電少的電器元件。無功補償由變電所集中自動補償，補償后的功率因數不小于0.92。在電氣設計中遵循《節約能源管理暫行條例》電力工業實施細則的有關規定。成型車間采用可編程序控制器(PLC)，實現設備自動起動、聯鎖、聯動，實現自動切條、自動切坯、自動碼坯等工序。減少設備空載運行，提高設備運轉效率。
2.6技術創新
技術創新推動碳達峰、碳減排，最終實現碳中和，對于行業來說十分重要，沒有技術上的突破，就不可能實現碳排放的目標。當前行業比較成熱的技術應加快推廣步伐。例如煤矸石燒磚，產品本身燒成僅需260kcal/kg～300kcal/kg，但就煤矸石原料而言，發熱量一般較高，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。山西某廠用生產線余熱發電也收到了良好的效果。如果煤矸石發熱量較高時，特別是超過1000kcal/kg可推廣山西余熱發電技術；如果煤矸石發熱量較低時，可推廣雙鴨山引進線余熱利用的技術經驗。近年的煙熱回燒、寶深集團鏈板干燥器的強制熱循環系統等技術，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，增強行業共同應對氣候變化的認識，自覺投入到碳達峰、碳減排、碳中和的行動中。b.按照《中國建筑材料聯合會.建筑建筑材料工業二氧化碳排放核算方法》中的規定，“易燃的可再生能源和廢棄物包括固態和液態的生物遺體、沼氣、工業垃圾(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”。這對于磚瓦行業促進煤矸石的利用無疑會起到積極的作用，建議將這一規定上升為國家標準和國家政策。c.發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、具有低密度和低導熱系數的保溫隔熱制品，是實現碳達峰、碳減排、碳中和的重要手段，建議作為“十四五”墻材燒結制品的發展的主要產品。進一步加大限制黏土實心磚的力度，不斷提升燒結空心磚和空心砌塊的孔洞率，促進輕型化裝配式墻板的發展。d.建議隧道窯燒結制品推廣以內燃為主，噴氣補充為輔的燒成制度，既提高了產品質量，利于機械化包裝，又能達到碳減排的目的。e.加強節能設備的研發和設計優化，加強節能節電新技術的推廣應用。高熱量的煤矸石，要重視余熱發電成套技術設備研發制造，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。實現碳中和，二氧化碳“零排放”，是人類的共同期待。磚瓦行業應通過政策引導和技術手段提高能源利用率及各類節能減排等途徑，不斷減少產生的二氧化碳排放量，為早日實現碳達峰和碳中和做出應有的貢獻。
參考文獻：
[1]中國磚瓦工業協會.磚瓦行業碳達峰行動方案(討論稿)[R]，2021，4.
[2]中國建筑材料聯合會.建筑建筑材料工業二氧化碳排放核算方法[R]，2021.
[3]中國建筑材料聯合會.建筑建筑材料工業碳排放報告(2020年度)[R]，2021.
[5]西北建筑設計院編譯.國外燒結建筑制品進展[M].中國建筑工業出版社，1981.
[6]梁嘉琪等.赴歐學習軟泥制磚技術考察報告[J].磚瓦，2017.
[7]任強、蔣正武.生物質燃料燒制河道淤泥燒結多孔磚的綠色生產技術[J].磚瓦，2015.
作者：吳勇 閆開放 單位：西安墻體材料研究設計院有限公司
