浮法玻璃大功率電熔化工藝可行性分析

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)能降碳技術發(fā)展方向，加快研發(fā)大型玻璃熔窯大功率復合熔化技術，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。浮法玻璃復合熔化技術在國內浮法玻璃生產線尚未普及，僅有少數(shù)浮法玻璃生產線使用，其中大多生產顏色玻璃，且使用電功率不大，其工藝設計及設備系統(tǒng)源頭大多來自于國外。本文對浮法玻璃熔窯大功率復合熔化工藝的技術和經濟可行性予以分析討論。1技術可行性分析大型浮法玻璃熔窯大功率復合熔化技術攻關實質是充分利用電能轉化為熱能熔化玻璃的高效率，其技術關鍵之一是電熔能力在總熔化能力中所占比例，若其所占比例等于或超過50%，可以稱為電主熔技術；若其所占比低于50%，可以稱為電助熔技術。雖然浮法玻璃復合熔化技術國外早在21世紀初已完全成熟，但國內已知的電熔能力僅占總熔化能力的10%左右。（1）浮法玻璃大功率電熔應用存在的問題國外某著名浮法玻璃集團曾在熔化量700t/d熔窯安裝功率6750kW電助熔系統(tǒng)，電助熔最大能力約占總熔化能力的25%，這可能是已見資料中浮法玻璃熔窯復合熔化技術的最大電熔功率。制約浮法玻璃大功率電熔應用因素在技術上有以下幾個方面：一是現(xiàn)有浮法玻璃成分中鈉鉀含量多，導致玻璃本體導電率高，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構，電極多采用底插式，其分布排列和數(shù)量受到池底鋼結構限制；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)電極作用會產生微循環(huán)強制對流，有的區(qū)域安裝電助熔，對熔窯內溫差形成的對流有減弱影響。因此，浮法玻璃熔窯池底設置底插式電極，在區(qū)域分布上受限于熔窯內穩(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)大功率電熔的技術可能性是值得研究論證的。（2）浮法玻璃大功率電熔應用路徑分析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生一個真正有效的熱屏障，可以顯著提高熔化能力和質量。熱點電助熔應設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。在現(xiàn)有熔窯結構條件下加大投料前區(qū)和熱點電助熔功率，可以產生220～240t/d的熔化能力，相當于浮法玻璃500～600t/d熔化能力的40%，800～1000t/d熔化能力的20%～30%。從能耗、玻璃質量和窯爐壽命等方面來考慮，有關電熔窯爐設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品的質量和能耗。通過對電熔系統(tǒng)、窯爐結構和玻璃性能的優(yōu)化，才能實現(xiàn)大功率電熔化的目標。熔化量500～600t/d浮法玻璃熔窯通常設置六對小爐，熔窯內前三對小爐對應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，以目前電熔技術水平還不能肯定解決氣泡問題。因此，為了確保產品質量，設置熔化澄清區(qū)是十分必要的。2經濟可行性分析除一些小噸位工業(yè)技術浮法玻璃熔窯外，國內目前浮法玻璃熔窯熔化量都在500t/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線節(jié)能技術幾乎都已應用，而且能源結構逐漸轉向以天然氣為主。因節(jié)能屬于降低成本提高效益的有效途徑，玻璃企業(yè)會積極應用新技術，但現(xiàn)有技術節(jié)能潛力不大。（2）現(xiàn)有玻璃企業(yè)提供的能耗數(shù)據，有的未經過專門機構審核，計算方法不一致，導致統(tǒng)計數(shù)據有偏差。（3）因氣候因素導致不同區(qū)域的同水平的浮法玻璃熔窯能耗存在差別。（4）熔化量800t/d以上或者以下浮法玻璃熔窯采用兩個能耗標準，導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25kW，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30～35kW。以熔化量600t/d為例，對采用電熔化（電加熱）與天然氣燃料熔化進行經濟性對比。通過對黑龍江、河北、河南、四川幾家玻璃企業(yè)調查，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、供應方式等因素導致價格不同，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6071kJ/kg玻璃液；電熔能耗按每噸玻璃25kW、30kW、32kW（某熔化量600t/d熔窯，增產60t/d，設計電熔功率1900kW）、35kW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3討論大型浮法玻璃熔窯目前采用橫火焰池窯結構，受限于窯爐結構和玻璃對流控制，實現(xiàn)大功率熔化節(jié)能減排目的可能性有限。設計開發(fā)新型浮法玻璃熔窯，采用兩段熔化技術和類流液洞結構連接技術，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)學和物理模擬研究新型熔窯結構是十分必要的，但更重要的是必須建成一座新型熔窯來驗證這一技術設想，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備制作難等。隨著天然氣燃料的普及和其價格不斷攀升，目前國內大多地區(qū)的電價已足以支撐電熔技術的應用，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。國內熔窯耐火材料性能已能滿足電熔技術需要，電力設備制造質量基本過關。因此，在經濟條件上浮法玻璃熔窯大功率應用電熔工藝是可行的。4結語浮法玻璃熔化應用大功率電熔工藝技術是國家能源減碳政策大力支持的