王昭

(咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司，咸陽(yáng) 712000)

1 固體廢棄物的概況

在工業(yè)生產(chǎn)和其他活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物，喪失了原有的利用價(jià)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(chēng)為固體廢棄物。固體廢物按其來(lái)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(xiǎn)固體廢物、放射性廢物和非常規(guī)來(lái)源固體廢物。

大宗的固體廢棄物通常分為三類(lèi)：工業(yè)固體廢物、城市生活垃圾和危險(xiǎn)廢物。工業(yè)固體廢物是指來(lái)自各工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的生產(chǎn)和加工過(guò)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(chēng)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(wù)的活動(dòng)中所產(chǎn)生的固體廢棄物；危險(xiǎn)廢棄物是指列入國(guó)家危險(xiǎn)廢棄物名錄，或者根據(jù)國(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)廢棄物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法所認(rèn)定的具有危險(xiǎn)特性的廢棄物。簡(jiǎn)而言之，就是含有高度持久性元素、化學(xué)品或化合物的廢物，且該廢物對(duì)人體健康和環(huán)境具有及時(shí)的和潛在的不良作用和危害。

很多固體廢棄物往往來(lái)自工業(yè)化生產(chǎn)活動(dòng)，此類(lèi)固體廢棄物是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(guó)固體廢棄物中占有比重大且最具有潛在利用價(jià)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(guó)累計(jì)堆存的工業(yè)固體廢物超過(guò)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(guó)固廢年增量的約80%。目前我國(guó)礦山保有量近10 萬(wàn)座，其中金屬礦約6.9 萬(wàn)座、各類(lèi)尾礦庫(kù)1.45 萬(wàn)座、煤礦7700 座，煤矸石山超1700 座、各類(lèi)石油化工企業(yè)近2.6 萬(wàn)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(lèi)大型產(chǎn)廢企業(yè)約13 萬(wàn)家。固體廢棄物的存量觸目驚心，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。目前，我國(guó)工業(yè)固廢綜合利用率僅為60%，而我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)固體廢棄物綜合利用率高達(dá)80%。我國(guó)尾礦綜合利用率為20%，而發(fā)達(dá)國(guó)家尾礦綜合利用率平均水平高達(dá)60%，因此消化固廢，變廢為寶，提升固廢的綜合利用率是我國(guó)當(dāng)前生態(tài)環(huán)保治理工作的首要任務(wù)。固體廢棄物的循環(huán)利用受到社會(huì)各界的高度關(guān)注。

2 固體廢棄物處理現(xiàn)狀以及存在的主要問(wèn)題

固體廢棄物存在的主要問(wèn)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(fù)重建滯后；投入不足，國(guó)家扶持力度不夠；資源保護(hù)意識(shí)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)、粗放式增長(zhǎng)方式是產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)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(gè)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(fèi)。我國(guó)尾礦固體廢棄物在工業(yè)上的應(yīng)用大多數(shù)停留在對(duì)尾礦中有價(jià)元素的回收上，高附加值的尾礦產(chǎn)品越來(lái)越少。廢礦較多，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建滯后，導(dǎo)致森林和林地退化。尾礦綜合利用項(xiàng)目、礦山環(huán)境修復(fù)治理項(xiàng)目和政府資金得不到保證，治理資金投入嚴(yán)重不足。生態(tài)環(huán)境脆弱是我國(guó)的基本國(guó)情，建立在粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，使資源消耗非常嚴(yán)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(jiàn)的固廢有陶瓷廠的拋光渣、原料車(chē)間淤泥、煉鋼廠鋼渣、水渣、鐵渣、鉬尾礦、金尾礦、鐵尾礦、頁(yè)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(xué)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(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)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(guó)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(guò)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(guò)濾器，多孔陶瓷產(chǎn)品已形成一個(gè)新產(chǎn)業(yè)門(mén)類(lèi)。此前，多孔陶瓷的研究大多集中在開(kāi)口氣孔的蜂窩陶瓷或泡沫陶瓷上，而對(duì)應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域的閉孔發(fā)泡陶瓷的研究很少，大規(guī)模應(yīng)用研究的案例更難覓實(shí)物。國(guó)外有關(guān)報(bào)道將閉孔發(fā)泡陶瓷用于保溫絕熱，認(rèn)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(chēng)為“超級(jí)絕熱材料”。其應(yīng)用大都在高端領(lǐng)域，如高級(jí)保溫、保冷集裝箱、頂級(jí)產(chǎn)品可用于航天飛機(jī)的外殼隔熱。

國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)80 年代初才開(kāi)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(guó)外還存在一定的差距。蜂窩陶瓷屬于開(kāi)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(xué)腐蝕及良好的機(jī)械強(qiáng)度和過(guò)濾吸附性能，被大批量應(yīng)用于熱交換材料、汽車(chē)尾氣裝置、凈化冶金工業(yè)過(guò)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(xué)催化劑載體、電解隔膜及分離分散元件等行業(yè)。

我國(guó)真正應(yīng)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(qiáng)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(duì)比，巨大的成本差價(jià)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(shè)備選型，以及貫穿于整個(gè)生產(chǎn)的管理與過(guò)程控制。

目前發(fā)泡陶瓷分為兩個(gè)類(lèi)別五種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。兩個(gè)類(lèi)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(guó)標(biāo)GB/T33500-2017)、尾砂微晶發(fā)泡板材及砌塊(行標(biāo)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(zhǎng)石、頁(yè)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(jìn)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(xì)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(chǎng)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(gè)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(lái)的。而從國(guó)內(nèi)純發(fā)泡陶瓷發(fā)展的歷程來(lái)看，最初從低容重外墻外保溫發(fā)泡陶瓷開(kāi)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(diǎn)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(diǎn)是產(chǎn)量大、原料加工均勻、穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)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(guò)“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(guò)干法工藝實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室也能做出與濕法工藝大體相當(dāng)?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(yīng)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(wèn)題是:其一、發(fā)泡陶瓷實(shí)驗(yàn)室小樣試制時(shí)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(dǎo)致發(fā)泡過(guò)程和效果難以控制;其三、干法制粉設(shè)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(gè)技術(shù)難點(diǎn):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(shè)計(jì)用隧道窯燒成發(fā)泡陶瓷，燒成周期超過(guò)20 小時(shí)，窯爐前段的溫度已足于干燥坯體，實(shí)際應(yīng)用中不再使用干燥設(shè)備。

合理使用發(fā)泡劑使坯體均勻發(fā)泡達(dá)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生分解，產(chǎn)生大量的CO 或CO2氣體，持續(xù)反應(yīng)生成的氣體逐漸增多，這些氣體不能迅速擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)少量的氧化鈣加入，大大促進(jìn)了含有SiC 的陶瓷燒結(jié)體的發(fā)泡效率，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)CaO 加入量過(guò)高時(shí)，坯體中產(chǎn)生的鈣長(zhǎng)石會(huì)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(rèn)知是:“溫度沒(méi)有達(dá)到1050℃，基本上是不會(huì)發(fā)泡的”。即，SiC 超過(guò)1050℃才會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，1250℃開(kāi)始劇烈反應(yīng)。

隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，不斷引入一些新原料(催化劑)，可以降低SiC 的反應(yīng)溫度，約900℃開(kāi)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(lái)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(dòng)布料機(jī)；采用雙層自動(dòng)布料系統(tǒng);研發(fā)采用三層自動(dòng)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(dòng)裝卸圍邊。迄今為止，鋪貼陶瓷紙還是人工，自動(dòng)鋪貼系統(tǒng)雖有多家企業(yè)在設(shè)計(jì)研究，但尚未得到應(yīng)用。

(3)燒成品卸車(chē)。

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

5.3 智能化使用情況

早期，對(duì)發(fā)泡陶瓷的工藝流程還不是很熟悉，無(wú)論是設(shè)備供應(yīng)商還是生產(chǎn)企業(yè)都是摸著石頭過(guò)河，原料車(chē)間、窯爐車(chē)間、冷加工車(chē)間三大部分完全是分段運(yùn)作，以人工作業(yè)方式搬運(yùn)連接。原料車(chē)間生產(chǎn)的粉料需袋裝或者桶裝，人工搬運(yùn)到窯爐旁，再人工一瓢一瓢往窯車(chē)上布料，最后靠人工手動(dòng)刮平粉料。窯爐出來(lái)的半成品也是靠人工卸板，再用人工搬運(yùn)到切割線，最后人工包裝。經(jīng)過(guò)逐步摸索、改進(jìn)和提升，目前的生產(chǎn)工藝流程發(fā)展到可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化作業(yè)。原料通過(guò)輸送線進(jìn)入自動(dòng)布料系統(tǒng)，原來(lái)需要布料的人工工位，現(xiàn)在鋪陶瓷紙、整理圍板和清理殘?jiān)娜藬?shù)大大減少。窯尾出半成品板，通過(guò)自動(dòng)卸板系統(tǒng)，自動(dòng)輸送到切割線，減少人工搬運(yùn)過(guò)程。

6 結(jié)語(yǔ)

智能制造是中國(guó)制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的必由之路。目前國(guó)內(nèi)發(fā)泡陶瓷保溫材料生產(chǎn)的的隧道窯自動(dòng)圍板裝置正在改進(jìn)，行業(yè)裝備龍頭企業(yè)科達(dá)潔能的輥道窯自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪貼陶瓷紙，或者通過(guò)工藝技術(shù)改進(jìn)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(jìn)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(jìn)，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。