馬玉聰

（中國耀華玻璃集團有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

近期國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022年版）》，其中《平板玻璃行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》指出，研究玻璃行業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)發(fā)展方向，加快研發(fā)大型玻璃熔窯大功率復(fù)合熔化技術(shù)，進一步提升玻璃行業(yè)能源使用效率，到2025年玻璃行業(yè)節(jié)能效果顯著，綠色低碳發(fā)展能力大幅增強。

目前浮法玻璃復(fù)合熔化技術(shù)在國內(nèi)浮法玻璃生產(chǎn)線尚未普及，僅有少數(shù)浮法玻璃生產(chǎn)線使用，其中大多生產(chǎn)顏色玻璃，且使用電功率不大，其工藝設(shè)計及設(shè)備系統(tǒng)源頭大多來自于國外［1］。本文對浮法玻璃熔窯大功率復(fù)合熔化工藝的技術(shù)和經(jīng)濟可行性予以分析討論。

1 技術(shù)可行性分析

大型浮法玻璃熔窯大功率復(fù)合熔化技術(shù)攻關(guān)實質(zhì)是充分利用電能轉(zhuǎn)化為熱能熔化玻璃的高效率，其技術(shù)關(guān)鍵之一是電熔能力在總?cè)刍芰χ兴急壤?，若其所占比例等于或超過50%，可以稱為電主熔技術(shù)；若其所占比低于50%，可以稱為電助熔技術(shù)。雖然浮法玻璃復(fù)合熔化技術(shù)國外早在21世紀初已完全成熟，但國內(nèi)已知的電熔能力僅占總?cè)刍芰Φ?0%左右。

1.1 浮法玻璃大功率電熔應(yīng)用存在的問題

國外某著名浮法玻璃集團曾在熔化量700 t/d熔窯安裝功率6750 kW電助熔系統(tǒng)，電助熔最大能力約占總?cè)刍芰Φ?5%，這可能是已見資料中浮法玻璃熔窯復(fù)合熔化技術(shù)的最大電熔功率。

目前玻璃纖維行業(yè)池窯采用復(fù)合熔化技術(shù)熔化能力達到400 t/d，其電熔能力國外技術(shù)可占總?cè)刍芰Φ?5%、國內(nèi)技術(shù)約占25%。分析其原因，可能有兩點：一是大多纖維玻璃相比浮法玻璃其導(dǎo)電率低，電熔輸入功率高，相對電熔能力強；二是玻璃纖維行業(yè)應(yīng)用普及電熔技術(shù)比較早，現(xiàn)在電熔工藝設(shè)計及操作日趨成熟。

制約浮法玻璃大功率電熔應(yīng)用因素在技術(shù)上有以下幾個方面：一是現(xiàn)有浮法玻璃成分中鈉鉀含量多，導(dǎo)致玻璃本體導(dǎo)電率高，而且熔化溫度越高玻璃電阻越低，電熔功率有效使用能力受限；二是現(xiàn)有大型浮法玻璃熔窯采用橫火焰池窯結(jié)構(gòu)，電極多采用底插式，其分布排列和數(shù)量受到池底鋼結(jié)構(gòu)限制；三是現(xiàn)有大型浮法玻璃熔窯采用等寬投料池前端投料，料層受推力前進，若采用頂插式，電極會因物料沖擊磨損移位；四是現(xiàn)有大型浮法玻璃熔窯玻璃液對流主要受溫度梯度和投料推力影響以及鼓泡、擋壩、臺階池底等輔助控制措施。電助熔系統(tǒng)電極作用會產(chǎn)生微循環(huán)強制對流，有的區(qū)域安裝電助熔，對熔窯內(nèi)溫差形成的對流有減弱影響［2］。因此，浮法玻璃熔窯池底設(shè)置底插式電極，在區(qū)域分布上受限于熔窯內(nèi)穩(wěn)定的工藝對流控制。在熔窯熔化部池底大密度排布電極，實現(xiàn)大功率電熔的技術(shù)可能性是值得研究論證的。

1.2 浮法玻璃大功率電熔應(yīng)用路徑分析

1.2.1 在現(xiàn)有熔窯結(jié)構(gòu)條件下加大投料前區(qū)和熱點電助熔功率

投料區(qū)電助熔以往設(shè)計功率不大，電極棒直徑多為50 mm，一般兩排8只?？梢栽黾与姌O數(shù)量和直徑，若按兩排12只直徑75 mm電極棒布置，電熔有效功率可達到3000 kW以上，約增加熔化能力100 t/d。

投料區(qū)底部玻璃液溫度升高有利于配合料熔化，但是熱點與投料前區(qū)底部溫差減少，熱點至投料口玻璃液對流減弱會影響熔化，因此在熱點處增設(shè)鼓泡裝置或擋壩以增強熔化對流是必要的。

如果以消耗過多能量來增加窯爐熔化量，那增加產(chǎn)量就失去了意義。國外某公司宣稱其典型的熱點電助熔系統(tǒng)每天每增加1噸熔化量的耗電量都低于25千瓦［3］。

將電極垂直布置在窯爐底部，大體在窯爐熱點區(qū)域，集中釋放在各單獨電極周圍的能量就可以產(chǎn)生一個真正有效的熱屏障，可以顯著提高熔化能力和質(zhì)量。

目前熱點區(qū)電助熔多為兩排12只直徑50 mm電極棒布置，可將電極棒直徑增大至75 mm，電熔有效功率可達到3600 kW，增加熔化能力120～140 t/d。

熱點電助熔應(yīng)設(shè)在鼓泡裝置或擋壩前，盡可能縮小兩者的距離，并與窯爐空間熱點相配合，共同發(fā)揮以增強熱屏障提高熔化能力的作用。

鑒于以上制約因素分析，在投料區(qū)和熱點區(qū)已設(shè)電助熔后，若生產(chǎn)普通透明浮法玻璃兩區(qū)間應(yīng)不設(shè)電助熔，生產(chǎn)熱傳導(dǎo)差導(dǎo)致窯爐玻璃底部溫度低的浮法玻璃應(yīng)適當設(shè)置少量電助熔。

在現(xiàn)有熔窯結(jié)構(gòu)條件下加大投料前區(qū)和熱點電助熔功率，可以產(chǎn)生220～240 t/d的熔化能力，相當于浮法玻璃500～600 t/d熔化能力的40%，800～1000 t/d熔化能力的20%～30%。

1.2.2 開發(fā)新型熔窯結(jié)構(gòu)

從能耗、玻璃質(zhì)量和窯爐壽命等方面來考慮，有關(guān)電熔窯爐設(shè)計的所有方面都會影響到窯爐的性能，其中最主要的是電極的數(shù)量、位置排布和使用的控制方案，都會直接影響窯爐內(nèi)的溫度分布和溫度曲線所帶來的對流狀況，玻璃對流的變化直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗。通過對電熔系統(tǒng)、窯爐結(jié)構(gòu)和玻璃性能的優(yōu)化，才能實現(xiàn)大功率電熔化的目標。

全冷頂電熔窯的電能高效率但氣泡問題難解決，可以考慮將現(xiàn)有浮法玻璃熔窯熔化部結(jié)構(gòu)分隔成兩個獨立功能區(qū)。如果在浮法玻璃配合料初熔階段，采用上部布料，電極布置采用頂插式垂直熔化，將玻璃熔化溫度控制在較低的范圍，此區(qū)域的功能是基本完成玻璃的熔融，相當于現(xiàn)有浮法玻璃熔窯的毯料區(qū)作用，通過類似流液洞結(jié)構(gòu)的通路流動到熔化澄清池。在熔化澄清池設(shè)置鼓泡和高擋壩，上部有燃料加熱，池窯底部設(shè)置電助熔，此區(qū)域的功能是基本完成玻璃的澄清和均化。

熔化量500～600 t/d浮法玻璃熔窯通常設(shè)置六對小爐，熔窯內(nèi)前三對小爐對應(yīng)的位置一般為毯料區(qū)，燃料合計占比55%～60%。因此，新型窯爐的全電熔區(qū)替代傳統(tǒng)窯爐的毯料區(qū)就可以實現(xiàn)大功率電熔的目標。

新型窯爐與全電熔窯爐相比，在熔化澄清區(qū)會增加能源消耗，以目前電熔技術(shù)水平還不能肯定解決氣泡問題。因此，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)置熔化澄清區(qū)是十分必要的。

需要注意的是要嚴格控制第一階段全電熔化溫度，電極棒周圍的玻璃溫度不要超過澄清劑的分解溫度（對于浮法玻璃一般澄清劑都采用芒硝）。只有這樣才能保證在第二階段高溫澄清過程中，玻璃含有足夠的澄清劑來排除氣泡。

2 經(jīng)濟可行性分析

除一些小噸位工業(yè)技術(shù)浮法玻璃熔窯外，國內(nèi)目前浮法玻璃熔窯熔化量都在500 t/d以上，大多數(shù)浮法玻璃熔窯能耗水平不能達到國家玻璃能耗先進值（2019），主要影響因素為：

（1）當前尤其是新建生產(chǎn)線節(jié)能技術(shù)幾乎都已應(yīng)用，而且能源結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向以天然氣為主。因節(jié)能屬于降低成本提高效益的有效途徑，玻璃企業(yè)會積極應(yīng)用新技術(shù)，但現(xiàn)有技術(shù)節(jié)能潛力不大。

（2）現(xiàn)有玻璃企業(yè)提供的能耗數(shù)據(jù)，有的未經(jīng)過專門機構(gòu)審核，計算方法不一致，導(dǎo)致統(tǒng)計數(shù)據(jù)有偏差。

（3）因氣候因素導(dǎo)致不同區(qū)域的同水平的浮法玻璃熔窯能耗存在差別。

（4）熔化量800 t/d以上或者以下浮法玻璃熔窯采用兩個能耗標準，導(dǎo)致日熔化量較低的浮法玻璃熔窯很難達到能耗要求。

（5）理論上使用電助熔來熔化1噸的玻璃大約需要功率25 kW，大多數(shù)浮法玻璃熔窯的電助熔系統(tǒng)，實際上使用的電能要超過這個理論數(shù)值，每增加1噸的熔化量一般為30～35 kW。

以熔化量600 t/d為例，對采用電熔化（電加熱）與天然氣燃料熔化進行經(jīng)濟性對比。通過對黑龍江、河北、河南、四川幾家玻璃企業(yè)調(diào)查，平均電價在0.62元/kWh（含稅價），云南某企業(yè)電價0.45元/kWh（含稅價）；天然氣價格地區(qū)間差異很大，即使同一省份也因渠道、供應(yīng)方式等因素導(dǎo)致價格不同，現(xiàn)參照玻璃企業(yè)天然氣使用實際價格擬定2元/m3、2.5元/m3、3元/m3、3.5元/m3等進行測算；燃天然氣熔窯熱耗按6071 kJ/kg玻璃液；電熔能耗按每噸玻璃25 kW、30 kW、32 kW（某熔化量600 t/d熔窯，增產(chǎn)60 t/d，設(shè)計電熔功率1900 kW）、35 kW測算；天然氣平均熱值3.5×104kJ/m3）。不同單價天然氣燃料熔化單位成本見表1，電熔化單位成本見表2。

表1 天然氣燃料熔化單位成本

表2 電熔化單位成本

以云南某600 t/d浮法玻璃企業(yè)為例，按熔窯熱耗6071 kJ/kg玻璃液、電價0.45元/ kWh、熔化1噸料需要32 kW、天然氣使用實際價格2.5元/m3計算，則天然氣燃料熔化噸玻璃液成本434.13元，電熔化成本噸玻璃液345.6元。即使天然氣價格降到2元/m3，其天然氣燃料熔化噸玻璃液成本將至347.3元，電熔化成本仍低于天然氣燃料熔化成本。

3 討論

大型浮法玻璃熔窯目前采用橫火焰池窯結(jié)構(gòu)，受限于窯爐結(jié)構(gòu)和玻璃對流控制，實現(xiàn)大功率熔化節(jié)能減排目的可能性有限。設(shè)計開發(fā)新型浮法玻璃熔窯，采用兩段熔化技術(shù)和類流液洞結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，電熔系統(tǒng)熔化能力達到50%以上，實現(xiàn)大功率電熔化是有可能的。進行數(shù)學(xué)和物理模擬研究新型熔窯結(jié)構(gòu)是十分必要的，但更重要的是必須建成一座新型熔窯來驗證這一技術(shù)設(shè)想，其投資風險超億元，這對于浮法玻璃制造商來講極具挑戰(zhàn)性。

過去限制電熔窯發(fā)展的因素包括電費較貴、耐火材料壽命短和電力設(shè)備制作難等［4］。隨著天然氣燃料的普及和其價格不斷攀升，目前國內(nèi)大多地區(qū)的電價已足以支撐電熔技術(shù)的應(yīng)用，甚至在電價較低的地區(qū)和天然氣價格較高的地區(qū)（河北某地3.85元/m3以上），電熔成本是存在優(yōu)勢的。國內(nèi)熔窯耐火材料性能已能滿足電熔技術(shù)需要，電力設(shè)備制造質(zhì)量基本過關(guān)。因此，在經(jīng)濟條件上浮法玻璃熔窯大功率應(yīng)用電熔工藝是可行的。

4 結(jié)語

浮法玻璃熔化應(yīng)用大功率電熔工藝技術(shù)是國家能源減碳政策大力支持的。目前在天然氣供應(yīng)日趨緊張和價格不斷上漲的形勢下，電熔成本逾顯優(yōu)勢，普及使用大功率電熔技術(shù)具有經(jīng)濟可行性。大型浮法玻璃熔窯大功率應(yīng)用電熔技術(shù)需要創(chuàng)新開發(fā)新型熔窯結(jié)構(gòu)，借鑒吸收其他玻璃行業(yè)先進技術(shù)，在電熔設(shè)備、耐火材料、控制系統(tǒng)等方面集成創(chuàng)新，在國家支持下通過全行業(yè)攻關(guān)是可以實現(xiàn)的。