浮法玻璃大功率電熔化工藝可行性分析

0引言近期國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南（2022年版）》，其中《平板玻璃行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)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(jìn)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(qiáng)。浮法玻璃復(fù)合熔化技術(shù)在國(guó)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(jì)及設(shè)備系統(tǒng)源頭大多來(lái)自于國(guó)外。本文對(duì)浮法玻璃熔窯大功率復(fù)合熔化工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(shí)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(guò)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(guó)外早在21世紀(jì)初已完全成熟，但國(guó)內(nèi)已知的電熔能力僅占總?cè)刍芰Φ?0%左右。（1）浮法玻璃大功率電熔應(yīng)用存在的問(wèn)題國(guó)外某著名浮法玻璃集團(tuán)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?cè)刍芰Φ?5%，這可能是已見(jiàn)資料中浮法玻璃熔窯復(fù)合熔化技術(shù)的最大電熔功率。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(gè)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(jìn)，若采用頂插式，電極會(huì)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(duì)流主要受溫度梯度和投料推力影響以及鼓泡、擋壩、臺(tái)階池底等輔助控制措施。電助熔系統(tǒng)電極作用會(huì)產(chǎn)生微循環(huán)強(qiáng)制對(duì)流，有的區(qū)域安裝電助熔，對(duì)熔窯內(nèi)溫差形成的對(duì)流有減弱影響。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(duì)流控制。在熔窯熔化部池底大密度排布電極，實(shí)現(xiàn)大功率電熔的技術(shù)可能性是值得研究論證的。（2）浮法玻璃大功率電熔應(yīng)用路徑分析將電極垂直布置在窯爐底部，大體在窯爐熱點(diǎn)區(qū)域，集中釋放在各單獨(dú)電極周圍的能量就可以產(chǎn)生一個(gè)真正有效的熱屏障，可以顯著提高熔化能力和質(zhì)量。熱點(diǎn)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(diǎn)相配合，共同發(fā)揮以增強(qiáng)熱屏障提高熔化能力的作用。在現(xiàn)有熔窯結(jié)構(gòu)條件下加大投料前區(qū)和熱點(diǎn)電助熔功率，可以產(chǎn)生220～240t/d的熔化能力，相當(dāng)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(zhì)量和窯爐壽命等方面來(lái)考慮，有關(guān)電熔窯爐設(shè)計(jì)的所有方面都會(huì)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(huì)直接影響窯爐內(nèi)的溫度分布和溫度曲線所帶來(lái)的對(duì)流狀況，玻璃對(duì)流的變化直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗。通過(guò)對(duì)電熔系統(tǒng)、窯爐結(jié)構(gòu)和玻璃性能的優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)大功率電熔化的目標(biāo)。熔化量500～600t/d浮法玻璃熔窯通常設(shè)置六對(duì)小爐，熔窯內(nèi)前三對(duì)小爐對(duì)應(yīng)的位置一般為毯料區(qū)，燃料合計(jì)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(shí)現(xiàn)大功率電熔的目標(biāo)。新型窯爐與全電熔窯爐相比，在熔化澄清區(qū)會(huì)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(wèn)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。2經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)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(dá)到國(guó)家玻璃能耗先進(jìn)值（2019），主要影響因素為：（1）當(dāng)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(huì)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(guò)專門(mén)機(jī)構(gòu)審核，計(jì)算方法不一致，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)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800t/d以上或者以下浮法玻璃熔窯采用兩個(gè)能耗標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致日熔化量較低的浮法玻璃熔窯很難達(dá)到能耗要求。（5）理論上使用電助熔來(lái)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(shí)際上使用的電能要超過(guò)這個(gè)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(duì)采用電熔化（電加熱）與天然氣燃料熔化進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。通過(guò)對(duì)黑龍江、河北、河南、四川幾家玻璃企業(yè)調(diào)查，平均電價(jià)在0.62元/kWh（含稅價(jià)），云南某企業(yè)電價(jià)0.45元/kWh（含稅價(jià)）；天然氣價(jià)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(jià)格不同，現(xiàn)參照玻璃企業(yè)天然氣使用實(shí)際價(jià)格擬定2元/m3、2.5元/m3、3元/m3、3.5元/m3等進(jìn)行測(cè)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(chǎn)60t/d，設(shè)計(jì)電熔功率1900kW）、35kW測(cè)算；天然氣平均熱值3.5×104kJ/m3）。不同單價(jià)天然氣燃料熔化單位成本見(jiàn)表1，電熔化單位成本見(jiàn)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(jié)構(gòu)，受限于窯爐結(jié)構(gòu)和玻璃對(duì)流控制，實(shí)現(xiàn)大功率熔化節(jié)能減排目的可能性有限。設(shè)計(jì)開(kāi)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(dá)到50%以上，實(shí)現(xiàn)大功率電熔化是有可能的。進(jìn)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(lái)驗(yàn)證這一技術(shù)設(shè)想，其投資風(fēng)險(xiǎn)超億元，這對(duì)于浮法玻璃制造商來(lái)講極具挑戰(zhàn)性。過(guò)去限制電熔窯發(fā)展的因素包括電費(fèi)較貴、耐火材料壽命短和電力設(shè)備制作難等。隨著天然氣燃料的普及和其價(jià)格不斷攀升，目前國(guó)內(nèi)大多地區(qū)的電價(jià)已足以支撐電熔技術(shù)的應(yīng)用，甚至在電價(jià)較低的地區(qū)和天然氣價(jià)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(shì)的。國(guó)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(guò)關(guān)。因此，在經(jīng)濟(jì)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(yǔ)浮法玻璃熔化應(yīng)用大功率電熔工藝技術(shù)是國(guó)家能源減碳政策大力支持的