固廢循環(huán)利用制備發(fā)泡陶瓷工藝淺析

王昭

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司，咸陽 712000)

1 固體廢棄物的概況

在工業(yè)生產(chǎn)和其他活動中產(chǎn)生的廢棄物，喪失了原有的利用價值被拋棄，或者被丟棄的固態(tài)、半固態(tài)的物品、物質(zhì)以及法律、行政法規(guī)規(guī)定納入固體廢物管理的物品被統(tǒng)稱為固體廢棄物。固體廢物按其來源大致分為工業(yè)固體廢物、礦業(yè)固體廢物、農(nóng)業(yè)固體廢物、城市生活垃圾、危險固體廢物、放射性廢物和非常規(guī)來源固體廢物。

大宗的固體廢棄物通常分為三類：工業(yè)固體廢物、城市生活垃圾和危險廢物。工業(yè)固體廢物是指來自各工業(yè)生產(chǎn)部門的生產(chǎn)和加工過程及流通中所產(chǎn)生的廢渣、粉塵、污泥、廢屑等；城市生活垃圾，也被稱為城市固體廢棄物，通常指城市日常生活中或者為城市日常生活提供服務的活動中所產(chǎn)生的固體廢棄物；危險廢棄物是指列入國家危險廢棄物名錄，或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢棄物鑒別標準和鑒別方法所認定的具有危險特性的廢棄物。簡而言之，就是含有高度持久性元素、化學品或化合物的廢物，且該廢物對人體健康和環(huán)境具有及時的和潛在的不良作用和危害。

很多固體廢棄物往往來自工業(yè)化生產(chǎn)活動，此類固體廢棄物是工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種廢渣、粉塵及其他廢物，可分為一般工業(yè)廢物和工業(yè)有害固體廢物。其中一般工業(yè)廢物是我國固體廢棄物中占有比重大且最具有潛在利用價值的廢棄物，主要包括尾礦、粉煤灰、煤矸石、冶煉廢渣、爐渣、赤泥、污泥等，占固體廢棄物總量的80%。

目前，全國累計堆存的工業(yè)固體廢物超過300 億噸(不包括廢石)，其中大宗工業(yè)固廢產(chǎn)生量約36 億噸，尾礦、煤矸石、粉煤灰占全國固廢年增量的約80%。目前我國礦山保有量近10 萬座，其中金屬礦約6.9 萬座、各類尾礦庫1.45 萬座、煤礦7700 座，煤矸石山超1700 座、各類石油化工企業(yè)近2.6 萬家，鋼鐵冶煉企業(yè)560 家、氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)1000 家，火電企業(yè)1150 余家，各類大型產(chǎn)廢企業(yè)約13 萬家。固體廢棄物的存量觸目驚心，對環(huán)境產(chǎn)生了嚴重危害。目前，我國工業(yè)固廢綜合利用率僅為60%，而我國臺灣地區(qū)固體廢棄物綜合利用率高達80%。我國尾礦綜合利用率為20%，而發(fā)達國家尾礦綜合利用率平均水平高達60%，因此消化固廢，變廢為寶，提升固廢的綜合利用率是我國當前生態(tài)環(huán)保治理工作的首要任務。固體廢棄物的循環(huán)利用受到社會各界的高度關注。

2 固體廢棄物處理現(xiàn)狀以及存在的主要問題

固體廢棄物存在的主要問題有：綜合利用率低；高附加值尾礦少；廢礦較多，礦區(qū)生態(tài)恢復重建滯后；投入不足，國家扶持力度不夠；資源保護意識、環(huán)境保護意識不強、粗放式增長方式是產(chǎn)生環(huán)境問題、尾礦資源利用率低的根本原因。

固體廢棄物綜合利用率低的主要原因是一些個體采礦回采率不到10%，大部分礦產(chǎn)資源的綜合回采率均在30%～50%左右，造成資源浪費。我國尾礦固體廢棄物在工業(yè)上的應用大多數(shù)停留在對尾礦中有價元素的回收上，高附加值的尾礦產(chǎn)品越來越少。廢礦較多，礦區(qū)生態(tài)恢復重建滯后，導致森林和林地退化。尾礦綜合利用項目、礦山環(huán)境修復治理項目和政府資金得不到保證，治理資金投入嚴重不足。生態(tài)環(huán)境脆弱是我國的基本國情，建立在粗放型經(jīng)濟增長模式基礎上的經(jīng)濟快速增長，使資源消耗非常嚴重，環(huán)境遭到不同程度的破壞。

3 可用于生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的固體廢棄物

目前發(fā)泡陶瓷普遍采用工業(yè)固廢或礦山尾礦等作為主要原料。常見的固廢有陶瓷廠的拋光渣、原料車間淤泥、煉鋼廠鋼渣、水渣、鐵渣、鉬尾礦、金尾礦、鐵尾礦、頁巖渣、煤矸石、粉煤灰、鎢礦尾砂、石墨尾礦、稀土尾砂、花崗巖尾礦等。根據(jù)不同的原料化學成分和燒結(jié)性能，摻入量為70%～90%不等，發(fā)泡陶瓷容重從110～990kg/m3，可根據(jù)用戶需要調(diào)整，燒成溫度一般為1150～1200℃。全國600～700 億噸的固廢量，完全可以支撐發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。

根據(jù)目前研究成果和技術(shù)，能夠用于生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的固廢如表1。

表1 用于生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的固廢匯總表

4 發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國外研究出利用氧化鋁和高嶺土等為作為原料制取多孔陶瓷材料，用于鋁合金鑄造的過濾工序，隨著工業(yè)的發(fā)展，多孔陶瓷的生產(chǎn)工藝日趨完備，研制出Al2O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等多種材質(zhì)，適合于不同用途的多孔陶瓷過濾器，多孔陶瓷產(chǎn)品已形成一個新產(chǎn)業(yè)門類。此前，多孔陶瓷的研究大多集中在開口氣孔的蜂窩陶瓷或泡沫陶瓷上，而對應用于建筑材料領域的閉孔發(fā)泡陶瓷的研究很少，大規(guī)模應用研究的案例更難覓實物。國外有關報道將閉孔發(fā)泡陶瓷用于保溫絕熱，認為“真空閉孔發(fā)泡陶瓷”是世界上最好的絕熱材料，其傳熱系數(shù)僅是硬質(zhì)聚甲酸乙酯泡沫材料千分之幾，被稱為“超級絕熱材料”。其應用大都在高端領域，如高級保溫、保冷集裝箱、頂級產(chǎn)品可用于航天飛機的外殼隔熱。

國內(nèi)科研機構(gòu)80 年代初才開始涉及多孔陶瓷研究和制備工作，多孔陶瓷整體技術(shù)水平和國外還存在一定的差距。蜂窩陶瓷屬于開口型多孔陶瓷體，具有高氣孔率的三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，造型非常像鋼化的泡沫塑料或瓷化的海綿體。它的特性是：氣孔率高、比表面積大、抗熱震、耐高溫、耐化學腐蝕及良好的機械強度和過濾吸附性能，被大批量應用于熱交換材料、汽車尾氣裝置、凈化冶金工業(yè)過濾熔融態(tài)金屬、熱能回收、輕工噴涂行業(yè)、工業(yè)污水處理、吸音材料、化學催化劑載體、電解隔膜及分離分散元件等行業(yè)。

我國真正應用于建筑材料的閉孔發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)化，借鑒了發(fā)泡玻璃的發(fā)泡原理，生產(chǎn)出強度可靠的發(fā)泡陶瓷保溫板，最初用于建筑物外墻保溫，但由于成本偏高，和其他保溫材料對比，巨大的成本差價制約了外保溫發(fā)泡陶瓷的發(fā)展。

5 發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)工藝及主要裝備

5.1 發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)工藝

發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)工藝不僅是限于“配方”的概念，涵蓋產(chǎn)品定位、原料甄選和配方、工藝流程、技術(shù)路線、設備選型，以及貫穿于整個生產(chǎn)的管理與過程控制。

目前發(fā)泡陶瓷分為兩個類別五種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。兩個類別是指:純發(fā)泡坯體和裝飾保溫一體化發(fā)泡陶瓷;五種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是指外墻外保溫泡沫陶瓷 ( 國標GB/T33500-2017)、尾砂微晶發(fā)泡板材及砌塊(行標JG/T 506-2016)、工業(yè)防腐磚、釉面裝飾保溫板和發(fā)泡陶瓷隔墻板(T/CBCSA12-2019)。

目前已經(jīng)投產(chǎn)的釉面裝飾保溫板大多采用以長石、頁巖、珍珠巖等為主要配方原料，成型方式采用干壓成形、噴墨打印和輥道窯裸板燒成，出窯后再進行磨邊加工的工藝技術(shù)路線，生產(chǎn)出的發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量較輕、發(fā)泡細膩均勻、平整度良好、裝飾面多彩豐富，作為外墻保溫裝飾一體化產(chǎn)品，市場接受程度較高。

尾砂微晶發(fā)泡板材及砌塊，采用的是熔制工藝。外墻外保溫泡沫陶瓷、發(fā)泡陶瓷隔墻板均屬于純發(fā)泡坯體，純發(fā)泡陶瓷坯體將成為這個行業(yè)的主流產(chǎn)品。

作為純發(fā)泡坯體，工業(yè)防腐磚比較少提及，大多是從板材裁剪下來的。而從國內(nèi)純發(fā)泡陶瓷發(fā)展的歷程來看，最初從低容重外墻外保溫發(fā)泡陶瓷開始，發(fā)展到高容重的工業(yè)防腐磚，再到中等容重的室內(nèi)隔墻板。在此，重點介紹外墻外保溫發(fā)泡陶瓷、發(fā)泡陶瓷隔墻板的生產(chǎn)工藝。

（1）純以發(fā)泡陶瓷坯體規(guī)?；a(chǎn)多采用“濕法制粉”工藝，如圖所示:

圖1“濕法制粉”工藝

濕法制粉發(fā)泡的孔徑分布范圍: 直徑≤1mm 的孔徑占60%～80%，直徑1～2mm 的孔徑占20%～40%，并且孔壁較薄。這種生產(chǎn)工藝的優(yōu)點是產(chǎn)量大、原料加工均勻、穩(wěn)定性好。缺點是排水、排氣污染較難控制、制粉干燥能耗較高。

陶瓷業(yè)內(nèi)也有人提出過“干法制粉+造粒”的生產(chǎn)工藝路線，一些工程技術(shù)人員通過干法工藝實驗，在實驗室也能做出與濕法工藝大體相當?shù)拈]孔發(fā)泡陶瓷。從產(chǎn)品工藝和節(jié)能環(huán)保方面考慮，應用干法制粉工藝技術(shù)是下一步的發(fā)展方向，目前需要解決的問題是:其一、發(fā)泡陶瓷實驗室小樣試制時每次試制的發(fā)泡孔徑大小略有不同，孔壁厚薄的均勻性很難把握;其二、小型化中試，由于發(fā)泡劑配比較少，出現(xiàn)混合不均勻等，導致發(fā)泡過程和效果難以控制;其三、干法制粉設備投資比傳統(tǒng)的濕法制粉大。干法制粉工藝還需要解決的幾個技術(shù)難點:提升產(chǎn)量、穩(wěn)定性能、保證質(zhì)量。

(2)燒成工藝

早期投產(chǎn)的發(fā)泡陶瓷企業(yè)，都采用窯前干燥工藝，因粉料6%～10%的含水率，按常規(guī)坯體需要經(jīng)干燥才能燒成，但初期設計用隧道窯燒成發(fā)泡陶瓷，燒成周期超過20 小時，窯爐前段的溫度已足于干燥坯體，實際應用中不再使用干燥設備。

合理使用發(fā)泡劑使坯體均勻發(fā)泡達到產(chǎn)品輕質(zhì)化的效果，目前常用的發(fā)泡劑是碳化硅。碳化硅在高溫下與坯體粉料中堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應產(chǎn)生分解，產(chǎn)生大量的CO 或CO2氣體，持續(xù)反應生成的氣體逐漸增多，這些氣體不能迅速擴散出去，從而被封閉在燒結(jié)體中，隨著溫度的升高，燒結(jié)體中形成大量均勻分布的微孔結(jié)構(gòu)，隨著冷卻逐漸生成陶瓷發(fā)泡體。大量的研究和實驗結(jié)果表明:SiC 的粒徑、添加量可顯著影響發(fā)泡陶瓷的發(fā)泡效果;SiC 的粒徑越小、添加量越多發(fā)泡效果越顯著;氧化鎂能使含有SiC 的陶瓷坯體在燒成中劇烈反應產(chǎn)生發(fā)泡，氯氧鎂水泥或氧化鎂(也是拋光磨頭的一種)含量越多發(fā)泡越顯著;同時少量的氧化鈣加入，大大促進了含有SiC 的陶瓷燒結(jié)體的發(fā)泡效率，實驗表明當CaO 加入量過高時，坯體中產(chǎn)生的鈣長石會提高陶瓷的燒成溫度影響發(fā)泡效果。

需要指出的是，如果企業(yè)在生產(chǎn)中使用SiC 做發(fā)泡劑，基本認知是:“溫度沒有達到1050℃，基本上是不會發(fā)泡的”。即，SiC 超過1050℃才會發(fā)生氧化反應，1250℃開始劇烈反應。

隨著工藝技術(shù)的不斷進步，不斷引入一些新原料(催化劑)，可以降低SiC 的反應溫度，約900℃開始出現(xiàn)液相并發(fā)泡，1050℃發(fā)泡基本完成。

5.2 發(fā)泡陶瓷的主要生產(chǎn)裝備

(1)布料工藝

按照成型工藝發(fā)展的歷程來看，發(fā)泡陶瓷布料工藝發(fā)展階段主要為：采用手工布料制作外墻外保溫板；采用單層自動布料機；采用雙層自動布料系統(tǒng);研發(fā)采用三層自動布料系統(tǒng)。

(2)裝卸圍邊及鋪貼陶瓷紙

行業(yè)發(fā)展前期裝卸圍邊和鋪貼陶瓷紙都采用人工的方式，2017 年企業(yè)首次使用自動裝卸圍邊。迄今為止，鋪貼陶瓷紙還是人工，自動鋪貼系統(tǒng)雖有多家企業(yè)在設計研究，但尚未得到應用。

(3)燒成品卸車。

10 年前，生產(chǎn)外墻外保溫板靠人工使用夾具卸板，后來使用單層自動卸板機，后期雙層自動卸板系統(tǒng)得到普及和應用。

5.3 智能化使用情況

早期，對發(fā)泡陶瓷的工藝流程還不是很熟悉，無論是設備供應商還是生產(chǎn)企業(yè)都是摸著石頭過河，原料車間、窯爐車間、冷加工車間三大部分完全是分段運作，以人工作業(yè)方式搬運連接。原料車間生產(chǎn)的粉料需袋裝或者桶裝，人工搬運到窯爐旁，再人工一瓢一瓢往窯車上布料，最后靠人工手動刮平粉料。窯爐出來的半成品也是靠人工卸板，再用人工搬運到切割線，最后人工包裝。經(jīng)過逐步摸索、改進和提升，目前的生產(chǎn)工藝流程發(fā)展到可實現(xiàn)半自動化作業(yè)。原料通過輸送線進入自動布料系統(tǒng)，原來需要布料的人工工位，現(xiàn)在鋪陶瓷紙、整理圍板和清理殘渣的人數(shù)大大減少。窯尾出半成品板，通過自動卸板系統(tǒng)，自動輸送到切割線，減少人工搬運過程。

6 結(jié)語

智能制造是中國制造業(yè)未來發(fā)展的必由之路。目前國內(nèi)發(fā)泡陶瓷保溫材料生產(chǎn)的的隧道窯自動圍板裝置正在改進，行業(yè)裝備龍頭企業(yè)科達潔能的輥道窯自動圍板系統(tǒng)也日趨完善，一些裝備制造企業(yè)正在研究如何實現(xiàn)自動鋪貼陶瓷紙，或者通過工藝技術(shù)改進棄用陶瓷紙，改用噴涂防粘涂料。也有企業(yè)提出玻璃熔制工藝，完全不要墊板和圍板，既可以減少人工又能節(jié)能降耗，該種生產(chǎn)工藝已經(jīng)在量產(chǎn); 近期，行業(yè)又出現(xiàn)了四層隧道窯，進步一提高生產(chǎn)效率。而生產(chǎn)釉面裝飾一體板采用干壓成形裸燒方式的企業(yè)在智能化裝備方面也做了改進，大大減少了用工量。智能化將是發(fā)泡陶瓷行業(yè)的重中之重。