浮法玻璃大功率电熔化工艺可行性分析

马玉聪

（中国耀华玻璃集团有限公司 秦皇岛 066000）

0 引言

近期国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部和国家能源局联合发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，其中《平板玻璃行业节能降碳改造升级实施指南》指出，研究玻璃行业节能降碳技术发展方向，加快研发大型玻璃熔窑大功率复合熔化技术，进一步提升玻璃行业能源使用效率，到2025年玻璃行业节能效果显著，绿色低碳发展能力大幅增强。

目前浮法玻璃复合熔化技术在国内浮法玻璃生产线尚未普及，仅有少数浮法玻璃生产线使用，其中大多生产颜色玻璃，且使用电功率不大，其工艺设计及设备系统源头大多来自于国外［1］。本文对浮法玻璃熔窑大功率复合熔化工艺的技术和经济可行性予以分析讨论。

1 技术可行性分析

大型浮法玻璃熔窑大功率复合熔化技术攻关实质是充分利用电能转化为热能熔化玻璃的高效率，其技术关键之一是电熔能力在总熔化能力中所占比例，若其所占比例等于或超过50%，可以称为电主熔技术；若其所占比低于50%，可以称为电助熔技术。虽然浮法玻璃复合熔化技术国外早在21世纪初已完全成熟，但国内已知的电熔能力仅占总熔化能力的10%左右。

1.1 浮法玻璃大功率电熔应用存在的问题

国外某著名浮法玻璃集团曾在熔化量700 t/d熔窑安装功率6750 kW电助熔系统，电助熔最大能力约占总熔化能力的25%，这可能是已见资料中浮法玻璃熔窑复合熔化技术的最大电熔功率。

目前玻璃纤维行业池窑采用复合熔化技术熔化能力达到400 t/d，其电熔能力国外技术可占总熔化能力的45%、国内技术约占25%。分析其原因，可能有两点：一是大多纤维玻璃相比浮法玻璃其导电率低，电熔输入功率高，相对电熔能力强；二是玻璃纤维行业应用普及电熔技术比较早，现在电熔工艺设计及操作日趋成熟。

制约浮法玻璃大功率电熔应用因素在技术上有以下几个方面：一是现有浮法玻璃成分中钠钾含量多，导致玻璃本体导电率高，而且熔化温度越高玻璃电阻越低，电熔功率有效使用能力受限；二是现有大型浮法玻璃熔窑采用横火焰池窑结构，电极多采用底插式，其分布排列和数量受到池底钢结构限制；三是现有大型浮法玻璃熔窑采用等宽投料池前端投料，料层受推力前进，若采用顶插式，电极会因物料冲击磨损移位；四是现有大型浮法玻璃熔窑玻璃液对流主要受温度梯度和投料推力影响以及鼓泡、挡坝、台阶池底等辅助控制措施。电助熔系统电极作用会产生微循环强制对流，有的区域安装电助熔，对熔窑内温差形成的对流有减弱影响［2］。因此，浮法玻璃熔窑池底设置底插式电极，在区域分布上受限于熔窑内稳定的工艺对流控制。在熔窑熔化部池底大密度排布电极，实现大功率电熔的技术可能性是值得研究论证的。

1.2 浮法玻璃大功率电熔应用路径分析

1.2.1 在现有熔窑结构条件下加大投料前区和热点电助熔功率

投料区电助熔以往设计功率不大，电极棒直径多为50 mm，一般两排8只。可以增加电极数量和直径，若按两排12只直径75 mm电极棒布置，电熔有效功率可达到3000 kW以上，约增加熔化能力100 t/d。

投料区底部玻璃液温度升高有利于配合料熔化，但是热点与投料前区底部温差减少，热点至投料口玻璃液对流减弱会影响熔化，因此在热点处增设鼓泡装置或挡坝以增强熔化对流是必要的。

如果以消耗过多能量来增加窑炉熔化量，那增加产量就失去了意义。国外某公司宣称其典型的热点电助熔系统每天每增加1吨熔化量的耗电量都低于25千瓦［3］。

将电极垂直布置在窑炉底部，大体在窑炉热点区域，集中释放在各单独电极周围的能量就可以产生一个真正有效的热屏障，可以显著提高熔化能力和质量。

目前热点区电助熔多为两排12只直径50 mm电极棒布置，可将电极棒直径增大至75 mm，电熔有效功率可达到3600 kW，增加熔化能力120～140 t/d。

热点电助熔应设在鼓泡装置或挡坝前，尽可能缩小两者的距离，并与窑炉空间热点相配合，共同发挥以增强热屏障提高熔化能力的作用。

鉴于以上制约因素分析，在投料区和热点区已设电助熔后，若生产普通透明浮法玻璃两区间应不设电助熔，生产热传导差导致窑炉玻璃底部温度低的浮法玻璃应适当设置少量电助熔。

在现有熔窑结构条件下加大投料前区和热点电助熔功率，可以产生220～240 t/d的熔化能力，相当于浮法玻璃500～600 t/d熔化能力的40%，800～1000 t/d熔化能力的20%～30%。

1.2.2 开发新型熔窑结构

从能耗、玻璃质量和窑炉寿命等方面来考虑，有关电熔窑炉设计的所有方面都会影响到窑炉的性能，其中最主要的是电极的数量、位置排布和使用的控制方案，都会直接影响窑炉内的温度分布和温度曲线所带来的对流状况，玻璃对流的变化直接影响到产品的质量和能耗。通过对电熔系统、窑炉结构和玻璃性能的优化，才能实现大功率电熔化的目标。

全冷顶电熔窑的电能高效率但气泡问题难解决，可以考虑将现有浮法玻璃熔窑熔化部结构分隔成两个独立功能区。如果在浮法玻璃配合料初熔阶段，采用上部布料，电极布置采用顶插式垂直熔化，将玻璃熔化温度控制在较低的范围，此区域的功能是基本完成玻璃的熔融，相当于现有浮法玻璃熔窑的毯料区作用，通过类似流液洞结构的通路流动到熔化澄清池。在熔化澄清池设置鼓泡和高挡坝，上部有燃料加热，池窑底部设置电助熔，此区域的功能是基本完成玻璃的澄清和均化。

熔化量500～600 t/d浮法玻璃熔窑通常设置六对小炉，熔窑内前三对小炉对应的位置一般为毯料区，燃料合计占比55%～60%。因此，新型窑炉的全电熔区替代传统窑炉的毯料区就可以实现大功率电熔的目标。

新型窑炉与全电熔窑炉相比，在熔化澄清区会增加能源消耗，以目前电熔技术水平还不能肯定解决气泡问题。因此，为了确保产品质量，设置熔化澄清区是十分必要的。

需要注意的是要严格控制第一阶段全电熔化温度，电极棒周围的玻璃温度不要超过澄清剂的分解温度（对于浮法玻璃一般澄清剂都采用芒硝）。只有这样才能保证在第二阶段高温澄清过程中，玻璃含有足够的澄清剂来排除气泡。

2 经济可行性分析

除一些小吨位工业技术浮法玻璃熔窑外，国内目前浮法玻璃熔窑熔化量都在500 t/d以上，大多数浮法玻璃熔窑能耗水平不能达到国家玻璃能耗先进值（2019），主要影响因素为：

（1）当前尤其是新建生产线节能技术几乎都已应用，而且能源结构逐渐转向以天然气为主。因节能属于降低成本提高效益的有效途径，玻璃企业会积极应用新技术，但现有技术节能潜力不大。

（2）现有玻璃企业提供的能耗数据，有的未经过专门机构审核，计算方法不一致，导致统计数据有偏差。

（3）因气候因素导致不同区域的同水平的浮法玻璃熔窑能耗存在差别。

（4）熔化量800 t/d以上或者以下浮法玻璃熔窑采用两个能耗标准，导致日熔化量较低的浮法玻璃熔窑很难达到能耗要求。

（5）理论上使用电助熔来熔化1吨的玻璃大约需要功率25 kW，大多数浮法玻璃熔窑的电助熔系统，实际上使用的电能要超过这个理论数值，每增加1吨的熔化量一般为30～35 kW。

以熔化量600 t/d为例，对采用电熔化（电加热）与天然气燃料熔化进行经济性对比。通过对黑龙江、河北、河南、四川几家玻璃企业调查，平均电价在0.62元/kWh（含税价），云南某企业电价0.45元/kWh（含税价）；天然气价格地区间差异很大，即使同一省份也因渠道、供应方式等因素导致价格不同，现参照玻璃企业天然气使用实际价格拟定2元/m3、2.5元/m3、3元/m3、3.5元/m3等进行测算；燃天然气熔窑热耗按6071 kJ/kg玻璃液；电熔能耗按每吨玻璃25 kW、30 kW、32 kW（某熔化量600 t/d熔窑，增产60 t/d，设计电熔功率1900 kW）、35 kW测算；天然气平均热值3.5×104kJ/m3）。不同单价天然气燃料熔化单位成本见表1，电熔化单位成本见表2。

表1 天然气燃料熔化单位成本

表2 电熔化单位成本

以云南某600 t/d浮法玻璃企业为例，按熔窑热耗6071 kJ/kg玻璃液、电价0.45元/ kWh、熔化1吨料需要32 kW、天然气使用实际价格2.5元/m3计算，则天然气燃料熔化吨玻璃液成本434.13元，电熔化成本吨玻璃液345.6元。即使天然气价格降到2元/m3，其天然气燃料熔化吨玻璃液成本将至347.3元，电熔化成本仍低于天然气燃料熔化成本。

3 讨论

大型浮法玻璃熔窑目前采用横火焰池窑结构，受限于窑炉结构和玻璃对流控制，实现大功率熔化节能减排目的可能性有限。设计开发新型浮法玻璃熔窑，采用两段熔化技术和类流液洞结构连接技术，电熔系统熔化能力达到50%以上，实现大功率电熔化是有可能的。进行数学和物理模拟研究新型熔窑结构是十分必要的，但更重要的是必须建成一座新型熔窑来验证这一技术设想，其投资风险超亿元，这对于浮法玻璃制造商来讲极具挑战性。

过去限制电熔窑发展的因素包括电费较贵、耐火材料寿命短和电力设备制作难等［4］。随着天然气燃料的普及和其价格不断攀升，目前国内大多地区的电价已足以支撑电熔技术的应用，甚至在电价较低的地区和天然气价格较高的地区（河北某地3.85元/m3以上），电熔成本是存在优势的。国内熔窑耐火材料性能已能满足电熔技术需要，电力设备制造质量基本过关。因此，在经济条件上浮法玻璃熔窑大功率应用电熔工艺是可行的。

4 结语

浮法玻璃熔化应用大功率电熔工艺技术是国家能源减碳政策大力支持的。目前在天然气供应日趋紧张和价格不断上涨的形势下，电熔成本逾显优势，普及使用大功率电熔技术具有经济可行性。大型浮法玻璃熔窑大功率应用电熔技术需要创新开发新型熔窑结构，借鉴吸收其他玻璃行业先进技术，在电熔设备、耐火材料、控制系统等方面集成创新，在国家支持下通过全行业攻关是可以实现的。