Раздел 7. Перспективные технологии производства керамики

Раздел 7. Перспективные технологии производства керамики

Оценка перспективных технологий, которые могут рассматриваться как потенциальные НДТ, проведена специалистами в химической технологии керамики с использованием отечественных и зарубежных источников информации, прежде всего научно-технической, основными из которых являются справочник ЕС [80] и энциклопедии по технологии производства различных видов керамики [91], [100]. Предлагаемые технологии разделены на две группы: технические решения и технологические подходы.

7.1 Системы энергетического менеджмента

С 1970-х годов в различных государствах были разработаны национальные стандарты в области систем энергетического менеджмента (СЭнМ). В 2011 году опубликован международный стандарт ISO 50001:2011 [160], а в 2012 году - ГОСТ Р ИСО 50001-2012 "Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению" [161].

СЭнМ представляет собой часть системы менеджмента организации и включает набор (совокупность) взаимосвязанных или взаимодействующих элементов, используемых для разработки и внедрения энергетической политики и энергетических целей, а также процессов и процедур для достижения этих целей [161].

СЭнМ позволяет сформулировать обоснованные цели и задачи в области повышения эффективности использования энергии на предприятии и обеспечить их достижение (решение) путем реализации программ, охватывающих все стадии производственного процесса - от планирования закупок оборудования до организации отгрузки готовой продукции. Следует отметить, что в соответствии со статьей 28.4 Федерального закона N 219-ФЗ [152] "применение ресурсо- и энергосберегающих методов" отнесено к ключевым критериям "достижения целей охраны окружающей среды для определения наилучшей доступной технологии".

Для энергоемких отраслей, к которым относится и производство керамических изделий, значимость систем энергетического менеджмента весьма высока.

С точки зрения НДТ основные численные показатели обычно представляют как удельное потребление энергии (в расчете на единицу продукции) как на отдельных стадиях (наиболее энергоемких), так и в процессе производства в целом. Именно в размерности сокращения удельных затрат энергии топлива, пара, электроэнергии и др. обычно ставятся цели и задачи повышения энергоэффективности, потенциально важные для обеспечения соответствия предприятий НДТ.

В связи с тем, что для постановки и проверки выполнения задач СЭнМ необходимо обеспечить мониторинг и измерение показателей, связанных с потреблением и использованием энергии, разработка программ энергетического менеджмента предполагает и совершенствование практики учета и контроля, включая выбор, обоснование и организацию измерений ключевых параметров.

Особенности российского климата (в том числе и региональные) определяют достаточно существенные отличия в потреблении энергии, необходимой для подготовки сырья, материалов, отопления производственных помещений, от показателей, характерных, например, для средиземноморских компаний, выпускающих керамические изделия. Но для постановки обоснованных целей и задач в области повышения энергоэффективности производства необходимо четко знать и документировать распределение потребления энергии на различные нужды.

В общем случае в состав СЭнМ входят следующие взаимосвязанные элементы:

- энергетическая политика;

- планирование (цели, задачи, мероприятия), программа СЭнМ;

- внедрение и функционирование, управление операциями;

- взаимодействие и обмен информацией;

- мотивация персонала;

- подготовка и обучение персонала;

- внутренний аудит СЭнМ;

- анализ и оценка СЭнМ руководством организации.

Действенность СЭнМ обеспечивается путем разработки, внедрения и соблюдения основных процедур, т.е. способов (в том числе документированных) осуществления действия или процесса

В связи с тем, что воздействие предприятий по производству керамических изделий в значительной степени обусловлено именно высокой энергоемкостью технологических процессов, системы энергетического менеджмента могут стать как инструментами повышения энергоэффективности, так и инструментами сокращения негативного воздействия на ОС. Такая позиция согласуется и с рекомендациями, применяемыми в этой отрасли и за рубежом.

7.2 Перспективные технологические и технические решения в производстве изделий из керамики

7.2.1 Использование цифровых технологий для проектирования и производства керамики

Под цифровыми технологиями понимают проектные и технологические операции с применением специальных компьютерных программ и оборудования.

Проектирование с использованием специальных компьютерных программ позволяет не только сократить цикл проектирования продукта, но избавиться от лишних технологических операций (например, изготовление черновых моделей для изготовления формующей оснастки), экономит ресурсы за счет оптимизации формы заготовок и сокращает количество брака.

Применение проектирования с использованием специальных компьютерных программ особенно важно там, где идет речь о широком ассортименте продукции (производство посуды), изготовлении массивных изделий (производство санитарно-технической керамики и огнеупоров) и высокотехнологичных дорогостоящих изделий (производство специальных изделий технической керамики). В целом это отвечает задаче модификации формы заготовок, упомянутой в разделах 3 и 5.

Цифровые технологии в виде программ и оборудования для быстрого прототипирования (использование фрезерных станков с ЧПУ и 3D-принтеров) позволяют изготавливать формовочную оснастку (модели, капы и формы), затрачивая меньше материалов (гипса и пластмасс) и энергии.

Использование принтеров цифровой печати вместо декорирования способом шелкографии и ротационной печати (ротоколор и флексографии) позволит унифицировать выпуск продукции точно заданного цветового оттенка (без изменения оттенка продукции от партии к партии при нанесении дизайна шелкографией или ротоколором), исключить трудозатраты на приготовление и поддержание рабочих параметров мастик (керамических красок для ротоколоров на основе полигликолей и искусственных красителей), повысить производительность участка декорирования и значительно улучшить качество (разрешение, цветовой спектр) наносимых дизайнов [162].

7.2.2 Применение трубчатых излучательных горелок

Уменьшение содержания водяного пара в топочных газах обычно приводит к снижению уровня выбросов связанного фтора, поскольку в основе его высвобождения из глинистых минералов лежит процесс пирогидролиза, протекающий при температуре выше 800°C.

По результатам лабораторных исследований установлено, что снижение содержания влаги в атмосфере в печи действительно приводит к уменьшению выбросов HF и . На практике добиться снижения содержания влаги технически сложно по причине того, что вода является продуктом сгорания ископаемого топлива при обогреве печи. Избежать ее образования можно путем непрямого обогрева печи при помощи газовых трубчатых излучательных горелок.

Применяемые при производстве керамических изделий трубчатые излучательные горелки изготавливают из карбида кремния с высокой теплопроводностью и стойкостью к термоудару в условиях резкого изменения температуры. В оборудованной такими горелками печи происходит непрямой нагрев изделий (за исключением зоны предподогрева), а факел горелки заключен в термостойкую трубку, где протекает сгорание топлива. Перенос тепла от горелки происходит преимущественно за счет излучения, соответствующая энергия теплового потока находится в интервале 70 - 120 .

Такие горелки могут найти применение при производстве керамической плитки, посуды, санитарно-технических изделий, технической керамики, однако масштабы производства кирпича и огнеупоров слишком велики для их внедрения. По результатам проектных работ подобными горелками можно оснащать роликовые печи и печи с выкатным подом, хотя для туннельных печей эта технология еще не опробована.

7.2.3 Применение горелок с низким выделением

Оксиды азота (NO, ) образуются при обжиге керамических изделий, в частности огнеупоров, при температуре выше 1300°C. Выбросы этих загрязняющих веществ можно свести к минимуму путем применения специальных горелок с пониженным выделением , которые дают возможность снизить температуру пламени и тем самым уменьшить образование оксидов азота при горении и (до некоторой степени) из топлива. Снижение выделения достигается за счет подачи воздуха для понижения температуры пламени или работы горелок в импульсном режиме. Применение таких горелок не создает дополнительную нагрузку на окружающую среду.

Возможность применения и производительность горелок с низким выделением NOx определяется рядом факторов, в частности предельной температурой обжига. Сообщается, что при температурах выше 1400°C такие горелки недостаточно эффективны. Кроме того, возможность применения таких горелок может ограничиваться требованиями к качеству готовой продукции.

7.2.4 Применение сушил с контролируемой влажностью теплоносителя

Такие сушила, как правило, периодического действия (камерные). Данный способ сушки основан на поддержании влажности воздуха в камере значительно ниже точки насыщения, благодаря чему происходит удаление влаги из заготовок без повышения температуры. Для сохранения эффекта водяной пар необходимо постоянно удалять из камеры, чего обычно достигают путем пропускания воздуха через охлаждаемый конденсатор.

Подобные устройства должны быть полностью герметичными во избежание попадания влажного воздуха извне и обычно оснащаются программируемыми устройствами контроля влажности для оптимизации процесса. Они имеют ограниченный объем, однако удобны для изделий из масс с повышенной чувствительностью к сушке, сложной формы и т.д. При использовании этого способа единственным видом эмиссий является вода в жидком состоянии. Данный способ многократно увеличивает продолжительность сушки и не может быть применен при производстве строительной керамики.

Другой способ предполагает подачу насыщенного пара в туннельные сушила. На протяжении таких паровых сушил появляются участки с различной влажностью воздуха, что обеспечивает контролируемую сушку.

7.2.5 Применение туннельных печей с движущимся подом

Эти печи также служат для скоростного обжига и действуют по тому же принципу, что и роликовые (см. подраздел 2.1.3.7.2). Основное их отличие сводится к тому, что садку размещают на огнеупорных "тележках", двигающихся по проложенным вне рабочего пространства печи рельсам. В туннельных печах с движущимся подом можно обжигать изделия различной, в том числе неправильной, формы.

7.2.6 Сушка и обжиг СВЧ-излучением

Обжиг или спекание керамических заготовок - основные этапы технологического процесса. Большая масса садки и использование крупных печных вагонеток затрудняют перенос тепла в середину садки и вглубь заготовок (например, кирпича). Температура на поверхности изделий оказывается выше, чем в центре заготовки или садки, и этот температурный градиент может привести к появлению термических напряжений и образованию брака.

Перспективы применения энергии СВЧ-колебаний для обжига были тщательно проанализированы специалистами государств - членов ЕС. В процессе такого обжига происходит непосредственный нагрев изделий, захватывающий их внутренние слои. Во избежание избыточных потерь тепла на прогрев печи энергию СВЧ-колебаний применяли совместно с традиционными способами обогрева (газом, электроэнергией).

Перед полномасштабным внедрением СВЧ-обжига в производство необходимо решить ряд технических проблем, касающихся безопасности и сравнительно высокого потребления электроэнергии. Тем не менее результаты проведенных экспериментов указывают на большое число возможных преимуществ применения этой технологии:

- понижение термических напряжений в процессе обжига;

- сокращение продолжительности обжига за счет существенного увеличения пропускной способности печи;

- уменьшение энергопотребления при обжиге, хотя при этом также снижается доля избыточного тепла, отводимого на сушку;

- уменьшение количества твердых отходов производства и величины технологических потерь;

- повышение качества продукции, в первую очередь ее механических свойств;

- более активное удаление связки (для огнеупоров);

- уменьшение выбросов за счет снижения энергопотребления и более высокого выхода годной продукции.

Энергия СВЧ-колебаний может найти применение и для сушки керамических заготовок (см. подраздел 2.1.3.5). Достоинства и недостатки данного способа, перечисленные для обжига, сохраняются и при сушке изделий в микроволновых печах. По результатам исследований, СВЧ-излучением можно сушить только тонкостенные изделия, для изделий сложной формы такая сушка неприменима.

7.2.7 Использование бессвинцовых глазурей для столового фарфора высокого качества

Традиционно для производства столового фарфора высокого качества применяют преимущественно свинцовые глазури. К числу их достоинств можно отнести высокое качество поверхности и простоту применения, в частности, благодаря характерной для таких глазурей плавкости и высокой смачивающей способности.

Производителями посуды разработаны составы бессвинцовых глазурей на основе боросиликатов щелочных металлов, по качеству и свойствам не уступающие свинцовым, что дает возможность уменьшить потребление оксида свинца. Данную технологию применяют при производстве столового фарфора высокого качества. Ее применение для производства полноцветных изделий с подглазурным рисунком пока невозможно либо требует дополнительных инвестиций.

Глазури наносят методом влажного распыления, используя суспензии со специально подобранными реологическими свойствами. Сточные воды с узла глазурования (излишки глазури, промывочные воды), а также глазурную пыль из сепаратора сухой очистки перерабатывают и подают в процесс вместе со свежей глазурью. Применение замкнутого цикла дает возможность оптимизировать подачу глазури благодаря уменьшению потерь. Последующие процессы термообработки (сушка и обжиг) также могут быть скорректированы и оптимизированы для глазурей нового типа.

При нанесении простых рисунков дополнительный обжиг не требуется, их вжигают вместе с глазурью подглазурным способом. Сложные, цветные над- и внутриглазурные рисунки вжигают отдельно.

При внедрении бессвинцовых глазурей повышается расход энергии на переработку сточных вод с участка глазурования и извлечения глазурей. Использование минимального количества вспомогательных веществ органической природы позволяет в значительной мере избежать выбросов органических веществ в процессе обжига.

7.2.8 Внедрение современных систем очистки сточных вод, включающих извлечение глазурей

Подробную информацию по этому вопросу можно найти в справочнике НДТ "Очистка сточных вод при производстве продукции (товаров), выполнении работ и оказании услуг на крупных предприятиях" [163]. В связи с тем, что составители справочника НДТ не располагали надежной информацией о числе предприятий различных подотраслей производства керамических изделий, где внедрены описанные ниже решения, основные технические и технологические решения по очистке производственных сточных вод отнесены к перспективным.

Гомогенизация (усреднение). Усреднители служат для обеспечения постоянства состава очищаемой воды и устранения, насколько возможно, проблем, связанных с его колебаниями. Применение усреднителей повышает эффективность любой последующей обработки стоков, поскольку большая однородность упрощает контроль за распределением вводимых агентов и протеканием процесса.

Аэрация - физический процесс, который часто применяют при различных видах водоподготовки, в частности для окисления частиц с целью облегчить их последующую флокуляцию, насыщения содержащихся в сточных водах органических веществ кислородом, устранения запахов и др. Аэрационные установки включают поверхностные мешалки и турбины.

Седиментация (осаждение) - процесс неполного выделения твердых частиц из жидкости под действием силы тяжести. Существуют различные типы отстойников: прямоугольные, круглые, трубчатые и пластинчатые.

Фильтрация - выделение взвешенных твердых частиц из жидкости путем пропускания суспензии через пористую среду, которая удерживала бы твердые частицы и обеспечивала свободное протекание жидкости. В производстве керамических изделий применяют погружные фильтры, фильтр-прессы, центробежные вакуумфильтры.

Адсорбция на активированном угле. Данный способ очистки сточных вод основан на способности углей прочно захватывать содержащиеся в воде молекулы органических соединений и пригоден для удаления бионеразлагаемых органических веществ.

Химическое осаждение - способ удаления растворенных в воде элементов путем их осаждения в виде нерастворимых соединений при обработке специальными реагентами (известью).

Коагуляция и флокуляция. Этот способ обработки дает возможность разрушить коллоидные суспензии и вызвать агломерацию частиц за счет введения квасцов, полиэлектролитов и (или) сочетания извести и солей металлов.

Ионный обмен и обратный осмос. Такие способы обработки позволяют выделить бор из промывочных вод, поступающих с участков глазурования и декорирования. Обратный осмос также применяют для уменьшения объема сбрасываемых сточных вод.

Применение рассматриваемых решений влечет за собой необходимость уничтожения осадков, образующихся при отстаивании (фильтрации), если их повторное использование невозможно (в частности, при обработке сточных вод реагентами).

Существуют также и современные подходы, которые позволяют интенсифицировать процесс очистки сточных вод, например, с применением ультразвуковых установок и эффекта кавитации, а также новых видов адсорбентов и (или) реагентов.

Системы очистки производственных сточных вод можно применять во всех отраслях производства керамических изделий, однако при этом следует учитывать характер решаемой задачи:

- если сточные воды предполагается возвращать в процесс массоподготовки, их очистка в принципе не требуется, однако для сохранения постоянных параметров необходим усреднитель;

- если предполагается повторное использование воды в целях промывки, уровень ее подготовки должен быть выше, поэтому требуется отстаивание (седиментация) с последующей аэрацией, а также, при необходимости, химической обработкой для устранения запахов;

- к избыточным сточным водам, переработка которых производится на стороне, обычно применяют сочетание гомогенизации, флокуляции, седиментации и фильтрации. Для уменьшения объема сточные воды также подвергают обратному осмосу.

При прочих равных условиях возврат очищенной воды дает возможность экономить на использовании свежей. Сочетание мер по рециркуляции/рекуперации сточных вод и по оптимизации производственного процесса с целью минимизации водопотребления позволяет уменьшить затраты на обращение с образующимися в процессе очистки сточных вод отходами.