佛山市陶瓷廢渣高附加值資源化路徑的探討

李保慶+郭艷平+區(qū)雪連

（1.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院重金屬污染控制與資源綜合利用重點實驗室， 佛山 528216；2.廣東省環(huán)境保護礦冶行業(yè)重金屬污染防治與職業(yè)教育重點實驗室， 廣州 510006）

摘 要：根據(jù)煤氣燃燒實驗和典型陶瓷輥道窯爐的測試數(shù)據(jù)，分析過剩空氣系數(shù)對于窯爐能耗影響和目前陶瓷輥道窯爐運行當中不同燃燒區(qū)域過?？諝庀禂?shù)的情況，最后提出輥道窯爐空氣過剩系數(shù)的分段控制和窯爐燃燒系統(tǒng)設計的建議。

關健詞：過剩空氣系數(shù)；輥道窯爐

1 引言

陶瓷屬于佛山第二大產(chǎn)業(yè)并且是我國規(guī)模最大、最重要的陶瓷生產(chǎn)基地，素有“南國陶都”的美譽。據(jù)測算，佛山陶瓷行業(yè)總產(chǎn)值400億元左右，產(chǎn)品占全國陶瓷生產(chǎn)總量的50%，陶瓷行業(yè)成為佛山地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，極大的促進了佛山和廣東經(jīng)濟的發(fā)展。但在陶瓷行業(yè)帶來高效益的同時，陶瓷廢渣的任意填埋和堆積，不僅占用大量土地，而且對水、空氣、土壤等環(huán)境造成了嚴重污染。陶瓷廢料的綜合利用已成為陶瓷企業(yè)和環(huán)保部門實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)所面臨的最緊迫的課題。

陶瓷廢渣含較大成分的SiO2、Al2O3、CaO，還含有一定量的MgO、K2O、Na2O等，具備了生產(chǎn)建材乃至高檔建材的基本條件。目前，陶瓷廢料的資源化利用技術主要集中在生產(chǎn)建筑材料，如陶瓷磚、陶瓷釉面磚、外墻磚、內(nèi)墻磚、輕質(zhì)保溫磚、透水磚等[1-3]，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益，也合理處置了一部分陶瓷廢料，但這些工藝主要是借鑒建材行業(yè)已有的成熟工藝，原始創(chuàng)新性不足，產(chǎn)品附加值低、銷售范圍小，難以顯示出生產(chǎn)成本、運輸成本和產(chǎn)品質(zhì)量的總合優(yōu)勢，從而無法大范圍推廣適用。近年來，社會上提出的固體廢棄物高附加值綜合利用技術的研究反而使陶瓷廢渣的有效處理顯示出一定的優(yōu)勢。

2 高附加值產(chǎn)品現(xiàn)狀

2.1微晶玻璃高附加值產(chǎn)品

微晶玻璃，亦稱結晶化玻璃，是一種采用全天然無機材料，運用受控晶化高新技術制得的新型建筑裝飾材料。微晶玻璃是將玻璃在適當?shù)臒崽幚碇贫认戮Щ幚矶傻亩嗑Ч腆w，它綜合了玻璃和陶瓷的優(yōu)越性能，其色澤美觀，外表華麗，高硬度、高強度，無色差、永不褪色、永不被腐蝕、無放射性、不吸水，絕對安全環(huán)保衛(wèi)生，另因其可用礦石、冶金爐渣、螢石礦渣等工業(yè)尾礦或廢棄物作為主要原材料，且在生產(chǎn)過程中無污染，產(chǎn)品本身也無任何天然石材所含有的危害人身健康的放射性元素，故被稱為二十一世紀國際流行的綠色建筑裝飾材料。用陶瓷廢渣制備高附加值微晶玉石等高檔建材，在國內(nèi)外同領域技術范疇內(nèi)，表現(xiàn)出一定的技術先進性。

據(jù)調(diào)查，陶瓷廢渣價格10 ～ 20元/噸，用陶瓷廢渣生產(chǎn)微晶玻璃，國內(nèi)市場報價為500 ～ 900元/ m2，不僅低于進口高檔石材價格，而且大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)成本在200元/ m2左右。可見，陶瓷廢渣生產(chǎn)微晶玻璃利潤十分可觀。

目前，生產(chǎn)微晶材料的工藝基本采用兩種工藝方法：壓延法和燒結法。

壓延法生產(chǎn)為連續(xù)生產(chǎn)，工藝流程為：配料—混合—熔制—壓延—熱切割—晶化—磨拋—檢驗—成品—入庫。這種方法一次性投資較大，產(chǎn)品品質(zhì)難于多樣化，生產(chǎn)的產(chǎn)品無玉質(zhì)感。

燒結法生產(chǎn)步驟為在原料成分測試的基礎上，將陶瓷廢渣與其他化工原料等按配方混合均勻加入高溫爐，在高溫爐內(nèi)熔制成玻璃液，熔制溫度約在1200 ～ 1500℃左右。經(jīng)過充分熔化、均化、澄清成質(zhì)量穩(wěn)定的玻璃液，立即經(jīng)冷水激能，水淬成一定粒度或塊狀的玻璃料。

玻璃料干燥、篩分處理為粒度在2 ～ 30 mm之間的玻璃粒料或塊料。玻璃粒料裝模后，放入高溫爐，按溫控程序晶化，晶化溫度約900 ～ 1200℃左右。晶化成型后的板材經(jīng)進一步切割、研磨、拋光，制得微晶材料成品。

陶瓷廢渣制備微晶玻璃的關鍵技術在于重點解決結晶控制、著色控制關鍵技術問題，還包括原料的預處理技術、粉體粒度配比、化學成份的控制、玻璃的熔制工藝、玻璃的微晶化技術。

兩階段微晶玻璃工藝流程見圖1和圖2。

佛山市風行新型材料有限公司、佛山瑭虹釉料科技有限公司等通過多年研究和生產(chǎn)實踐，用化學原料生產(chǎn)出品種繁多的通體微晶板材，遠銷國內(nèi)外，在微晶玻璃市場占有一席之地，也為佛山陶瓷工業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻。近來，該公司與廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院合作利用陶瓷廢渣為主要原材料生產(chǎn)微晶玻璃，這樣使微晶玻璃生產(chǎn)充分利用了固廢資源，節(jié)約了能源，用最廉價的原料制成了新型高檔材料，既發(fā)揮了當?shù)刎S富的資源優(yōu)勢，又減少了環(huán)境污染。

2.2發(fā)泡陶瓷高附加值產(chǎn)品

發(fā)泡陶瓷作為一種新型外墻外保溫材料，具有熱傳導率低、不燃、防火、耐久性好、與建筑同壽命、與水泥砂漿、混凝土等相容性好、吸水率低、耐候性好、質(zhì)量通病少等優(yōu)異的綜合性能，并且能夠消化利用大量固體廢棄物，是真正的綠色節(jié)能新材料。

陶瓷廢渣等原料生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的優(yōu)勢在于本身含有碳化硅等發(fā)泡劑，可以不外加發(fā)泡劑。各種原料經(jīng)粉碎球磨后，過100目方孔篩，再加入水、發(fā)泡劑和其它助劑，高溫灼燒，制備得到發(fā)泡陶瓷。該產(chǎn)品在北方用于建材，具有保溫效果；在南方也可以用作阻燃材料，同時也有隔熱隔音效果。

發(fā)泡陶瓷制備工藝流程如圖3所示。

目前，越來越多以固體廢棄物為原料生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的成功案例。池躍章[4]等以拋光磚廢渣和珍珠巖尾礦為基料，在成型壓力75 ～ 150 kg/cm2，燒成溫度1165 ～ 1175 ℃的條件下，制備性能優(yōu)良的閉孔發(fā)泡陶瓷。王國梅[5]等利用地方瓷砂原料和廢碎玻璃試制了具有防水、保溫功能的高溫發(fā)泡陶瓷。馬龍[6]等在試驗室利用赤泥、水泥、粉煤灰、粘結劑等為原材料，經(jīng)配比混合、成型發(fā)泡、燒結等工藝制備發(fā)泡陶瓷保溫材料；試驗的最佳燒結溫度為 1120 ℃，試樣抗折強度為 0.41 MPa、抗壓強度 1.15 MPa，密度達到 479 kg/m3。這些前期的成功案例，為陶瓷廢渣制備發(fā)泡陶瓷的研究奠定了基礎。

2.3陶瓷微粉高附加值產(chǎn)品

從表1中可以看到，陶瓷廢渣顆粒大部分是細粉，粒徑400到2000目（7.79 ～ 34.41μm）的百分比占40%，是所有粒徑分布中最多的。另外，2000到5000目（3.17 ～ 7.79 μm）的占25%，5000目以上的占25%，目數(shù)越大越難分離出來，這個特點使陶瓷廢渣篩分出陶瓷微粉產(chǎn)品成為可能。

陶瓷微粉，是最近才被開發(fā)并得到應用的新型多功能無機填料，富含二氧化硅，具有相當?shù)乃钚?，是顆粒粒經(jīng)達到微米級別（平均粒徑6 μm）的超細輔助膠凝材料。同傳統(tǒng)的天然礦物填充材料相比，具有更穩(wěn)定的物理化學性能、更高的硬度、更好的耐磨、耐高溫、耐久、耐酸堿性，可以廣泛應用于化工、橡膠、塑料、涂料、高級油漆、油墨、3D打印、鑄造、過濾、建筑、冶金、高性能混凝土等生產(chǎn)領域做填充材料，可以提高填充產(chǎn)品的性能及降低成本，具有巨大的市場潛力及使用空間。目前，陶瓷微粉在混凝土建材行業(yè)應用的研究成果表明陶瓷微粉可以顯著提高混凝土的內(nèi)部密實性及表面光滑度，大大改善混凝土的粘聚性、保水性、包裹性、和易性、泵送的流動性、耐磨性和耐久性等性能[7-11]，是生產(chǎn)高性能混凝土的超細活性礦物摻合材料。

廣州翔龍環(huán)?？萍加邢薰緭碛械奶沾蓮U渣立式烘干分級系統(tǒng)（現(xiàn)場設備和工藝流程圖如下）采用國內(nèi)先進的懸浮烘干分選技術[12-13]，分選陶瓷廢渣已成為現(xiàn)實。陶瓷微粉產(chǎn)品按細度劃分為粗粉和細粉兩個等級，粗粉應用于水泥的混合材料使用，細粉則應用于混凝土攪拌站，產(chǎn)品包括500目、1000目、2000目。目前該公司正在積極進行市場推廣和拓寬陶瓷微粉應用領域，比如功能性涂料行業(yè)。

2.4陶粒高附加值產(chǎn)品

陶粒密度低，孔隙率高、形態(tài)、成分均一，具有一定的強度和堅固性，因而具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗凍、抗震和保溫隔絕性等多功能特點，廣泛應用在建材、園藝、食品、化工、石油部門。鄒正禹、林子增、陳彥文、賈蘭等[14～17]分別用粉煤灰、污泥、煤矸石、玻璃粉等固體廢棄物成果制備和改性了陶粒，并應用于環(huán)境廢水和重金屬污染治理領域，取得了一定的成效。其生產(chǎn)工藝圖5。

佛山陶瓷研究所與華南理工大學多孔陶瓷研究團隊合作，創(chuàng)新性在使用陶瓷工業(yè)廢料廢渣，探索了利用拋光廢渣制備免燒夾心型陶粒，并用該陶粒作為吸聲材料，并且獲得國家發(fā)明專利。佛山市禪城區(qū)小西灣固廢處理中心自投產(chǎn)后就一直致力于陶瓷廢渣的資源化利用技術研究，主要將廢漿經(jīng)沉淀后，水、漿初步分離，工人用泵機將泥漿抽入池中，隨后經(jīng)壓濾機處理，制造灰磚、瓷粉磚。第四期項目投入300萬元，建造年產(chǎn)6萬立方米陶粒生產(chǎn)線，利用陶瓷廢渣生產(chǎn)成環(huán)保輕質(zhì)陶粒，產(chǎn)品年消耗回用廢渣總量達到5萬噸以上，充分利用了佛山陶瓷廢渣，提高了廢渣的綜合利用率，也促進了陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.5多孔陶瓷過濾材料高附加值產(chǎn)品

多孔陶瓷過濾材料因其本身含相互聯(lián)通的氣孔，加之自身強度較高，主要應用于過濾、分離和滲透中，還可應用于氣體和液體的過濾，主要有熔融金屬過濾、水凈化、海水淡化和脫水等水處理，氣體尾氣晶化、柴油機尾氣的微粒補集器、工業(yè)廢氣過濾、發(fā)電廠的多孔陶瓷過濾器及空氣凈化等氣體處理。近年來，國外采用陶瓷廢料為基料研發(fā)了一種多孔陶瓷板，拓寬了陶瓷廢料的利用渠道。國內(nèi)關于陶瓷廢料制備多孔陶瓷材料的研究也取得了許多成果[18-20]。夏明輝[21]用廢棄瓷磚制備濾料，廢棄的瓷磚經(jīng)破碎、篩分，得到粒徑為0.9 ～ 1.25 mm顆粒，并用三氯化鐵作為改性劑，對濾料表面改性。鉻、磷的動態(tài)吸附實驗表明，污染物去除率都達到98%以上。

華南理工大學特種功能材料教育部重點實驗室利用陶瓷拋光廢料制備了以堇青石和少量剛玉為主晶相的MgO-SiO2-Al2O3系多孔陶瓷過濾材料。寶山鋼鐵股份有限公司研究院以粉煤灰為主要原料制備了莫來石和石英為主晶相的多孔陶瓷過濾材料，并研究了各項影響因素對制備結果的影響規(guī)律。

3 高附加值綜合利用發(fā)展趨勢

3.1節(jié)能降耗，提高綜合利用率

固體廢棄物成分復雜，含水份或其他雜質(zhì)較多，處理工藝復雜，生產(chǎn)過程較難控制，故固體廢棄物的前期預處理成本大、耗能高等難題一直困擾著企業(yè)，也是企業(yè)難以用固體廢棄物代替化學原料生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的一個原因。

在平衡經(jīng)濟技術成本和產(chǎn)品價值的基礎上，如何在技術上最大化地提高微晶石產(chǎn)品中陶瓷廢渣的綜合利用率，降低能耗，是今后固廢資源化利用待解決的重要問題。

3.2立足市場，開發(fā)更多新型產(chǎn)品

大宗工業(yè)固體廢物綜合利用是當前實現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要舉措，更是確保我國工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項長遠的戰(zhàn)略方針。當前階段，陶瓷廢渣資源化主要用作混凝土骨料及摻和料、道路材料、鐵路道磚、水泥、鑄石、礦渣棉和輕骨料等材料，顯示了一定的優(yōu)越性和價值。在“十三五”規(guī)劃及將來，綠色是環(huán)保行業(yè)未來，提高陶瓷固廢整體水平，研發(fā)高附加值利用新技術，開發(fā)更多新型產(chǎn)品，促進資源合理利用，需要我們立足市場，創(chuàng)新思路和發(fā)展新技術，需要可靠的工藝技術、裝備技術、有效質(zhì)量管控，以確保固廢資源化利用與社會可持續(xù)發(fā)展相互支撐、穩(wěn)步推進。

4 建議

佛山陶瓷廢渣是一個非常值得珍惜的資源，合理的資源化利用技術的研究將節(jié)省巨大的資源，為佛山帶來巨大的經(jīng)濟效益。對于佛山陶瓷廢渣的綜合利用，現(xiàn)階段主要以生產(chǎn)一般建材為主，為了大大提升陶瓷廢渣的經(jīng)濟價值，發(fā)揮最大的資源優(yōu)勢，高附加綜合利用技術的發(fā)展還需要政府、企業(yè)等大力支持和發(fā)展。從整個佛山陶瓷行業(yè)來看，陶瓷廢渣的高附加值資源化利用技術的深入開發(fā)和應用仍需要政府加強政策支持和積極引導，加大對企業(yè)的補貼和扶持力度；鼓勵企業(yè)開展清潔生產(chǎn)審核和增大自行消納廢渣的技術投入，研究并建立陶瓷企業(yè)的清潔生產(chǎn)標準，加強陶瓷企業(yè)的環(huán)境管理，從源頭上減少陶瓷廢物的產(chǎn)生；一定程度上企業(yè)積極拓寬技術交流領域，建設示范中心，深入校企合作，共同建設陶瓷廢渣綜合利用技術創(chuàng)新平臺，加大高附加值產(chǎn)品宣傳力度。

5 總結

本著“減量化、再利用、再循環(huán)”的3R原則，在環(huán)境壓力和資源短缺的雙重背景下，從較高層面上提升陶瓷廢渣的綜合利用水平，不僅可以從根本減少廢物數(shù)量，有效排除環(huán)境安全風險；而且，也是大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、提高資源化利用、實現(xiàn)企業(yè)自我盈利的必要途徑。深入地攻關陶瓷廢渣高附加值綜合利用先進技術，形成技術集群，為建設佛山市首個陶瓷廢渣高附加值綜合利用先進技術科技平臺奠定基礎，從這個意義來講，陶瓷廢渣高附加值資源化利用具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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基金項目：佛山市哲學社會科學規(guī)劃項目（2016-QN18）；2016年佛山市自籌經(jīng)費類科技計劃項目：佛山市陶瓷廢漿制備微晶玻璃高附加值產(chǎn)品關鍵技術研究；2016年佛山市科技創(chuàng)新項目（高校和醫(yī)院科研基礎平臺）：佛山市典型固體廢棄物污染控制與綜合利用創(chuàng)新平臺。

作者簡介：李保慶（1986—），男，碩士，工程師，研究方向：固體廢棄物資源化利用和環(huán)境功能材料。