二代浮法新型節(jié)能技術(shù)在玻璃熔窯應(yīng)用實(shí)例

我國是玻璃生產(chǎn)大國，截至2021年9月中旬，我國浮法玻璃熔窯共計(jì)305座，在產(chǎn)265座，日熔化量174925噸，占全世界浮法玻璃在產(chǎn)產(chǎn)能58%；超白壓延玻璃熔窯66座，日熔化量40210噸，占全世界超白壓延玻璃在產(chǎn)產(chǎn)能90%。而玻璃企業(yè)是能耗大戶，燃料成本占玻璃生產(chǎn)總成本的40%。在3060碳達(dá)峰、碳中和“雙碳戰(zhàn)略”以及“十四五”能耗總量控制、能耗強(qiáng)度控制“雙控目標(biāo)”國家政策的高壓態(tài)勢下，玻璃行業(yè)迫切需要節(jié)能新材料和節(jié)能新技術(shù)，來進(jìn)一步降低燃料消耗并減少污染排放，同時(shí)降低運(yùn)行成本、提高玻璃企業(yè)的產(chǎn)品競爭力。

中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院（以下簡稱“中建材蚌埠院”）在熔窯節(jié)能領(lǐng)域做了大量研發(fā)工作，并取得了卓有成效的創(chuàng)新成果。其中，玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料（以下簡稱“紅外節(jié)能涂料”）與二代新型保溫節(jié)能技術(shù)，作為玻璃熔窯節(jié)能新材料和節(jié)能新技術(shù)，被評為“二代浮法玻璃技術(shù)與裝備優(yōu)秀創(chuàng)新成果”，成為二代浮法玻璃熔窯標(biāo)志性節(jié)能創(chuàng)新成果和設(shè)計(jì)標(biāo)配。01節(jié)能原理1.1

紅外高輻射節(jié)能涂料的節(jié)能原理隨著玻璃生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和節(jié)能技術(shù)水平的提升，我國普白玻璃單耗大約在1300～1550Kcal/kg玻璃液，熔窯熱吸收效率在42%～50%，平均熱效率在46%左右。這與國外工業(yè)爐的平均熱效率均在50%以上存在一定的差距[1]。那么，如何才能提高窯爐的熱效率呢？眾所周知，高溫環(huán)境下爐膛內(nèi)部的熱量傳遞以輻射為主，輻射傳熱所傳遞的能量占總能量的80%以上。而一般耐火材料（如優(yōu)質(zhì)硅磚）高溫下的發(fā)射率只有0.4左右[2]（如圖1所示）。因此，提高爐膛內(nèi)表面的發(fā)射率，就可以提高熔窯的熱吸收效率。圖1

玻璃熔窯內(nèi)部耐火材料傳熱示意圖中建材蚌埠院研發(fā)的“玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料”，正是這樣一種高發(fā)射率的功能性涂料。將它涂覆在玻璃熔窯內(nèi)表面，可以將高溫下（1600℃）熔窯內(nèi)表面的發(fā)射率從0.4提高到0.9以上。也就是說，可以將窯爐內(nèi)表面輻射傳熱效率提高一倍以上。在同樣的加熱條件下，極大地提高了加熱能力，增強(qiáng)熱能的利用效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料，除了可以大幅度提高爐膛內(nèi)表面的發(fā)射率以外，其發(fā)射出來的紅外光譜與鈉鈣硅玻璃的吸收波峰相匹配，也是提高熱吸收效率的一個重要原因。根據(jù)電磁波輻射的基本定律可知，不同溫度的爐窯輻射的電磁波有其對應(yīng)的光譜分布特征，即有與其對應(yīng)的波長分布范圍和峰值輻射波長[3]。由維恩位移定律計(jì)算得出：涂覆了紅外高輻射節(jié)能涂料的高溫窯爐，在高溫狀態(tài)下，爐膛內(nèi)表面輻射波長范圍為0.94~2.37μm，發(fā)射峰值波長約1.5μm。而鈉鈣硅玻璃配合料的吸收波峰所對應(yīng)的波長恰好也在1.5μm處，與紅外節(jié)能涂料的輻射光譜相匹配[4]。所以玻璃配合料能夠有效吸收紅外節(jié)能涂料發(fā)射的輻射熱，從而提高配合料的熱吸收效率，起到節(jié)能作用（如圖2所示）。圖2

噴涂紅外節(jié)能涂料的玻璃熔窯內(nèi)部傳熱示意圖玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料，主要噴涂在玻璃熔窯內(nèi)部的大碹、澄清部胸墻、山墻與L型吊墻直墻段的優(yōu)質(zhì)硅磚表面，即主要涂覆在玻璃熔窯熔化部和澄清部硅質(zhì)大碹和墻體的內(nèi)表面。由于玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料主要成分為二氧化硅，與優(yōu)質(zhì)硅磚成分基本一致。因此玻璃窯爐從常溫狀態(tài)下烤窯升溫到正常生產(chǎn)溫度（1580℃），在整個升溫階段每一個溫度點(diǎn)，涂料與硅磚都能保持基本一致的體積膨脹。這一點(diǎn)非常重要！是涂層在硅磚表面不發(fā)生脫落的最根本的保證！因此，玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料具有以下幾個特點(diǎn)：（1）可以將高溫下爐膛內(nèi)表面發(fā)射率，從0.4提高到0.9以上，極大地提高了熔窯內(nèi)表面的輻射率；（2）涂層輻射波峰與鈉鈣硅玻璃配合料的吸收波峰相匹配，均為1.5μm，有利于增加玻璃配合料有效熱吸收；（3）涂料成分與優(yōu)質(zhì)硅磚基本一致，可以與優(yōu)質(zhì)硅磚保持近乎相同的熱膨脹，防止烤窯升溫過程中出現(xiàn)脫落和“兩層皮”的狀況；（4）涂料主要成分為二氧化硅，不會對玻璃液造成污染。紅外高輻射節(jié)能涂料自2017年12月通過中國建材聯(lián)合會鑒定驗(yàn)收以后，以其優(yōu)越的節(jié)能效果，迅速在玻璃行業(yè)內(nèi)推廣。先后在六十余座浮法玻璃、超白壓延玻璃、輕工玻璃和信息顯示玻璃（超薄玻璃）熔窯上使用，使用范圍涵蓋以重油、天然氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和石油焦等全燃料品種玻璃窯爐上。1.2

二代新型保溫節(jié)能技術(shù)的節(jié)能原理二代新型保溫節(jié)能技術(shù)，是相對于傳統(tǒng)保溫技術(shù)而言的。我們將以復(fù)合硅酸鹽保溫涂料為特征的傳統(tǒng)保溫技術(shù)命名為第一代保溫技術(shù)。傳統(tǒng)保溫技術(shù)存在的核心問題是“開裂”：（1）保溫涂料因干燥收縮產(chǎn)生的表面龜裂；（2）涂料整體收縮引起的與墻面起拱剝離。保溫涂層的龜裂紋會導(dǎo)致熱量積聚，而產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，使得保溫層的燒損加劇。而保溫涂層的整體起拱剝離，會在墻面與保溫層之間形成空腔，空腔中的流動空氣會加劇熱量散失，降低保溫效果。因此解決了裂縫和分層問題，保溫工程就成功了一半。針對傳統(tǒng)保溫技術(shù)的弊端，中建材蚌埠院研發(fā)了“二代新型保溫節(jié)能技術(shù)”。它是“以纖維及纖維制品為主材、以不同耐火等級的材料梯度降溫為手段、以纖維噴涂一體化施工工藝為特征”的新型玻璃熔窯保溫技術(shù)。具有高溫性能穩(wěn)定、收縮率低、粘結(jié)牢固、衰減率低、保溫效果優(yōu)異、節(jié)能效率顯著等特點(diǎn)。二代新型保溫節(jié)能技術(shù)具有以下四個特征：（1）梯度降溫技術(shù)根據(jù)窯體由內(nèi)向外溫度依次降低的散熱特點(diǎn)，將保溫層劃分為不同的溫度段（如高、中、低）。每個溫度段，選用在該溫度段下導(dǎo)熱系數(shù)小、線收縮率低、長期耐溫性能好的保溫材料做保溫層，依次進(jìn)行階梯降溫。這種保溫施工工藝稱之為“梯度降溫技術(shù)”。以普通浮法玻璃熔窯大碹為例，大碹內(nèi)表面溫度為1580℃（熱點(diǎn)溫度），如果大碹保溫層外表面溫度要降至90℃，通過熱平衡計(jì)算可知，大碹硅磚與輕質(zhì)硅磚的界面溫度在1400℃左右，而三層輕質(zhì)硅磚與外保溫（纖維制品）的界面溫度大約在1250℃左右（界面溫度為估計(jì)值，具體界面溫度與保溫材料的種類和理化指標(biāo)有關(guān)。）從1400～90℃這個溫度區(qū)間里，要劃分幾個溫度段才合理？每個溫度段選用何種耐火材料才最合適？這里面就很多的問題需要去研究。譬如：每種保溫材料在各個溫度點(diǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)和線收縮率、界面溫度計(jì)算值與實(shí)際測溫值得差異及如何矯正等。圖3

熔化部大碹梯度降溫示意圖界面溫度計(jì)算，主要依據(jù)熱平衡計(jì)算公式。但根據(jù)熱平衡計(jì)算公式的計(jì)算所得的界面溫度，往往與實(shí)際界面溫度差別很大，從而影響材料選擇的科學(xué)性。最主要原因是導(dǎo)熱系數(shù)及界面溫度都是一個動態(tài)的過程，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化而變化，反之亦然，隨著界面溫度的變化，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)也會發(fā)生改變。因此，為了精準(zhǔn)選擇各溫度段的保溫層材料品級與種類，就必須要精確計(jì)算各保溫層（預(yù)選保溫材料）的界面溫度。通過計(jì)算預(yù)選材料各界面溫度，才能研判所選保溫材料是否合適。中建材蚌埠院擁有專業(yè)的熱工測試和材料檢測中心，可以精確標(biāo)定保溫材料在0～1200℃各溫度點(diǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)。除了對每種材料在各個溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)作精準(zhǔn)的測試之外，中建材蚌埠院還做了大量的熱工模擬，用以檢驗(yàn)各保溫層實(shí)際測量的界面溫度與理論計(jì)算溫度的差異，從而總結(jié)出適當(dāng)?shù)男Ｕ禂?shù)加以校正。通過這些措施，既能夠精準(zhǔn)計(jì)算各種保溫方案中界面溫度，又能精確測定保溫材料在各溫度段的導(dǎo)熱系數(shù)。從而為科學(xué)制定梯度降溫方案和選配合適的保溫材料打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（2）纖維噴涂技術(shù)二代新型保溫節(jié)能技術(shù)另一個重要特征是“纖維噴涂施工技術(shù)”。與海泡石保溫泥料容易收縮龜裂不同，纖維噴涂工藝是將纖維短切、打散，與結(jié)合劑混合，采用特制噴涂設(shè)備，在保溫制品外側(cè)一次性噴涂成型。由于纖維是無序搭接，且纖維本身具有彈性，所以在溫度升高發(fā)生變形時(shí)，纖維與纖維之間可以發(fā)生有限位移，不會發(fā)生涂層龜裂。確保保溫層不開裂、不脫落。（3）復(fù)合遮蔽技術(shù)應(yīng)用于高溫窯爐保溫的隔熱材料，以多孔材料為主。它的熱傳導(dǎo)方式根據(jù)傳導(dǎo)介質(zhì)不同，可分為三種：氣相、固相和輻射導(dǎo)熱。高溫環(huán)境下隔熱材料中氣相導(dǎo)熱和輻射導(dǎo)熱占主要地位，其中輻射導(dǎo)熱占比大于氣相導(dǎo)熱。由于輻射導(dǎo)熱主要集中在紅外波段，因此降低紅外波段輻射，是提高高溫環(huán)境下隔熱材料隔熱性能的重要途徑。紅外遮蔽劑是一種能夠吸收紅外波長物質(zhì)，它可以遮蔽其吸收波長范圍內(nèi)的紅外光，從而達(dá)到阻隔紅外輻射傳熱的目的。適合作為紅外遮蔽劑的材料有很多種，如：TiO2、SiC、六鈦酸鉀晶須、鋯英石等等[5]。每種材料根據(jù)材料特性和顆粒大小不同，可以吸收特定紅外波長紅外光線。由于紅外光的波長范圍很廣，分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外，波長范圍從0.75～300μm。因此單一遮蔽劑無法完成全紅外波段的遮蔽任務(wù)。二代浮法新型保溫節(jié)能技術(shù)，采用復(fù)合熱輻射遮蔽填料，最大限度的將紅外光線進(jìn)行屏蔽，從而阻隔紅外輻射傳熱，降低隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此達(dá)到良好的節(jié)能效果與隔熱保溫效果。圖6

阻隔隔熱和輻射隔熱機(jī)理示意圖（4）防熱橋施工工藝保溫施工，最忌有縫。因?yàn)楸貙娱_縫處會產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，從而燒穿保溫涂層，對保溫層造成破壞。為了防止裂紋引起熱橋，我們將每一溫度段的隔熱制品材料，錯縫砌筑，最大限度的減少直通縫的產(chǎn)生，確保保溫涂層具有良好的保溫性能。保溫的最外層采用纖維噴涂工藝，將纖維短切、與粘接劑混合，并一次性噴涂成型，確保外保溫層密封完整。從而減少窯體表面散熱、改善車間環(huán)境溫度、降低玻璃單耗、減少碳排放，達(dá)到節(jié)能減排和綠色環(huán)保功效。02最新應(yīng)用案例在華東地區(qū)某著名玻璃上市公司，有兩條相同熔化噸位（800t/d）玻璃熔窯：A線和B線。其中A線于2020年放水冷修，同年11月點(diǎn)火投產(chǎn)；B線于2021年放水冷修，同年7月點(diǎn)火投產(chǎn)；A線和B線窯型結(jié)構(gòu)相同、生產(chǎn)玻璃品種一致（普白）、耐材配置和工藝操作基本一致。不同點(diǎn)在于：A線采用了中建材蚌埠院的二代新型保溫節(jié)能技術(shù)；而B線不僅采用了二代新型保溫節(jié)能技術(shù)，還在熔窯內(nèi)表面噴涂了紅外高輻射節(jié)能涂料。2.1

二代新型保溫節(jié)能技術(shù)與紅外節(jié)能涂料的應(yīng)用A線在熔窯大碹、熔窯胸墻、熔窯后山墻、小爐、蓄熱室碹、蓄熱室直墻、室內(nèi)水平主煙道碹及側(cè)墻、室內(nèi)水平支煙道碹及側(cè)墻等部位應(yīng)用了二代新型保溫節(jié)能技術(shù)，施工完成后的大碹及蓄熱室目標(biāo)墻如圖7。圖7

A線梯度復(fù)合保溫概況(左圖：熔窯大碹；右圖：蓄熱室目標(biāo)墻)B線點(diǎn)火烤窯前，在熔窯內(nèi)部的大碹、澄清部胸墻、澄清部后山墻及L型吊墻直墻段的硅磚表面，噴涂施工了玻璃熔窯用紅外節(jié)能涂料，施工完成后如圖8所示。B線烤窯完成后，在熔窯大碹、熔窯胸墻、熔窯后山墻、小爐、蓄熱室碹、蓄熱室直墻、室內(nèi)水平主煙道碹及側(cè)墻、室內(nèi)水平支煙道碹及側(cè)墻等部位應(yīng)用了梯度復(fù)合保溫，施工完成后的大碹及蓄熱室目標(biāo)墻如圖9。圖8

B線玻璃熔窯用紅外節(jié)能涂料施工完成

圖9

B線梯度復(fù)合保溫概況(左圖：熔窯大碹；右圖：蓄熱室目標(biāo)墻)2.2

應(yīng)用節(jié)能效果A線與B線生產(chǎn)穩(wěn)定且玻璃產(chǎn)品種類均為普通浮法玻璃時(shí)，選取相同時(shí)間段內(nèi)的生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)取平均值，如下表1。由表1可知，與設(shè)計(jì)能耗1370

Kcal/kg玻璃液（設(shè)計(jì)保溫為傳統(tǒng)硅酸鹽保溫涂料）比較，A線的單耗降低61Kcal/kg玻璃液，產(chǎn)生了4.45%節(jié)能率；B線的單耗降低135Kcal/kg玻璃液，產(chǎn)生了9.85%節(jié)能率。A線的成品率為94%、一等品率為92%，B線的成品率為95%、一等品率為93%。B線與A線相比較，在熔窯內(nèi)部增加使用了玻璃熔窯用紅外節(jié)能涂料，節(jié)能率由4.45%提高至9.85%，其產(chǎn)生的節(jié)能效果顯著；同時(shí)，成品率和一等品率均提高一個百分點(diǎn)。與設(shè)計(jì)方案相比，A線與B線應(yīng)用二代新型節(jié)能技術(shù)后