新型的空中玻璃熔化技術(shù)

陳國平， 馮敏鴿， 李啟甲， 殷海榮

(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

目前絕大部分玻璃采用熔融法生產(chǎn)，即將玻璃配合料在玻璃熔窯中加熱至高溫后熔化澄清，形成無氣泡且成分均勻的玻璃液，然后經(jīng)吹制、壓制等方法定形，繼而緩慢退火冷卻至室溫成為各類玻璃制品.玻璃液在熔窯中高溫狀態(tài)下的時(shí)間(即窯內(nèi)平均停留時(shí)間)因制品不同而異，瓶罐及器皿約需1.5天，汽車用板玻璃約5天，液晶顯示器用玻璃則長達(dá)7天[1].玻璃在制造過程中所消耗的能量大部分集中于熔化階段，因此，玻璃生產(chǎn)的節(jié)能與玻璃配合料的熔化過程直接相關(guān).本文首先概述了現(xiàn)行的蓄熱式玻璃窯爐節(jié)能開發(fā)的方向，然后介紹了世界各國目前在玻璃熔化節(jié)能方面新的研究動(dòng)態(tài)，并重點(diǎn)介紹了新型的空中玻璃熔化技術(shù).

1 節(jié)能型玻璃熔化技術(shù)

1.1 節(jié)能開發(fā)方向

玻璃生產(chǎn)中降低玻璃熔化中的能耗，不僅能降低玻璃的生產(chǎn)成本，而且對環(huán)境的改善十分有利.目前國內(nèi)外有關(guān)節(jié)能方面的研究方向主要有：(1)可在較低溫度下熔化的實(shí)用玻璃組成；(2)充分利用回收余熱；(3)提高火焰向配合料及玻璃液的傳熱效率；(4)通過改進(jìn)玻璃窯爐用耐火保溫材料，提高保溫效果，減少窯體散熱.其中(1)為組成設(shè)計(jì)問題，與玻璃熔化技術(shù)無直接關(guān)系，可采用新的配料與反應(yīng)途徑以及加入活性原料等節(jié)能措施[2]，也可通過計(jì)算機(jī)模擬對組成進(jìn)行優(yōu)化.(2)、(3)、(4)與熔化技術(shù)直接相關(guān)，對此現(xiàn)行使用的蓄熱式池爐已基本上達(dá)到極限.

現(xiàn)行使用的蓄熱式熔窯的技術(shù)可對應(yīng)各種產(chǎn)品和規(guī)模，擁有多種形式的熔窯類型，采用火焰輻射加熱玻璃原料，所產(chǎn)生的煙氣余熱由蓄熱室裝置回收.蓄熱室將回收的熱量蓄積至格子磚內(nèi)，換向后再對空氣進(jìn)行預(yù)熱，從而提高熱效率.經(jīng)過幾十年的改造這些技術(shù)已相當(dāng)成熟，蓄熱式熔窯的熱效率已達(dá)到30%以上，接近于極限程度.

美國玻璃行業(yè)組織工業(yè)協(xié)會(GMIC)在2002年的調(diào)查報(bào)告中指出不同爐型進(jìn)一步節(jié)能的期望值，蓄熱式熔窯最高為20%，未采用蓄熱進(jìn)行熱回收的全氧燃燒玻璃熔窯可達(dá)40%.美國的電價(jià)相對低廉，氧氣制造成本低，中等規(guī)模的熔窯已普遍采用全氧燃燒直接加熱.中國在制氧成本上相對較高，全氧燃燒玻璃熔窯僅在一些附加值較高的玻璃產(chǎn)品生產(chǎn)中使用，尚未達(dá)到普及的程度.另外采用高檔次的耐火材料及較精確的熱工自動(dòng)控制，加強(qiáng)熔窯操作管理，也可進(jìn)一步節(jié)能，但節(jié)能幅度不會太大.綜上所述今后節(jié)能的方向應(yīng)擺脫蓄熱式熔窯的思路，另辟新徑采用新的具有更高熱效率的非蓄熱式玻璃熔化技術(shù).

1.2 非蓄熱式熔窯熔化技術(shù)

(1)以快速熔化和澄清為方向的熔窯.這種熔窯是由各個(gè)單一功能反應(yīng)處理池連接的單元型窯，以快速熔化與澄清為方向,由Owens Illinos公司于1972年開發(fā)，其后經(jīng)多次改造,包括原料加料裝置、帶攪拌的初步熔化的大型混合型熔化器、均化用的小型混合型熔化器、澄清池，用離心分離器除去玻璃中氣泡，日產(chǎn)量達(dá)12 t，采用直接通電加熱方式.玻璃液在反應(yīng)處理池的停留時(shí)間長達(dá)40 min，但遠(yuǎn)小于蓄熱式池爐的30 h時(shí)間.因增加窯爐產(chǎn)量較為困難，這項(xiàng)技術(shù)尚未達(dá)到實(shí)用化的程度.

(2)用等離子體加熱的熔窯.Plasmelt Glass Tech公司的實(shí)驗(yàn)是利用直流電弧等離子體作為熱源加熱玻璃[1].在熔窯上部用直流電弧等離子體產(chǎn)生的高溫熔化玻璃配合料，玻璃采用無堿E玻璃組成.存在的問題是等離子體高溫下加熱時(shí)玻璃成分容易揮發(fā)，配合料中各成分揮發(fā)為Na2O 50%，K2O25%, F 50%, B2O320%,而且熔化時(shí)為保護(hù)電極需采用還原氣氛，使玻璃中二價(jià)鐵的含量增加了兩倍，冷卻的玻璃塊狀物中呈現(xiàn)較濃的藍(lán)綠色.用等離子體加熱的熔窯在電價(jià)較高時(shí)生產(chǎn)成本較高，經(jīng)濟(jì)上不合理,這項(xiàng)技術(shù)仍在研究開發(fā)中.

(3)采用全氧燃燒火焰中加熱玻璃的熔窯.這是1988年由Avco Reseach Laboratory Inc.和 Gas Reseach Institure等發(fā)表的實(shí)驗(yàn)方法(AGM：Gas-Fired Advanced Glass Melter),方法是將玻璃配合料投入到燃?xì)馊跞紵鹧嬷腥刍?原料粒徑為10～150 μm，配合料與火焰直接接觸使得熱傳遞效率提高.但火焰噴射到爐內(nèi)金屬制的錐形帽上，使錐形帽很快燒損，因此未能實(shí)用化.據(jù)估計(jì)玻璃熔化時(shí)間為50 ms.實(shí)際上原料在火焰中的熔化是在爐內(nèi)錐形帽處完成的，這也導(dǎo)致金屬錐形帽過早的損壞，但向火焰中投入配合料的方法卻是一項(xiàng)創(chuàng)新,這種方法在熔化較大原料量時(shí)還需開發(fā)出更大型的火焰噴槍.

2 新型的空中熔化技術(shù)(in-flight melting)

這項(xiàng)技術(shù)以日本的NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)為中心進(jìn)行研發(fā)，充分吸取了上述介紹的歐美各國的經(jīng)驗(yàn)，以盡可能減少玻璃熔化的能耗為目的開發(fā)的新型熔化方法.該方法采用等離子體與全氧燃燒火焰的復(fù)合形式作為熱源，直接將玻璃原料粒子投入到加熱源進(jìn)行加熱熔化，傳熱效率很好.熔化時(shí)間為原料粒子在空中的飛翔時(shí)間(1 s以內(nèi))，這樣可大幅度減少熔化池的體積.另外本方法的創(chuàng)新點(diǎn)為由微粒原料粒化成為顆粒狀原料粒子，可促進(jìn)熔化均勻，每個(gè)粒子熔化后均為最終玻璃組成的玻璃，不需要在大的熔化池內(nèi)長時(shí)間地維持高溫，因而大大降低了能耗[2].圖1為蓄熱式熔窯技術(shù)與新的空中玻璃熔化技術(shù)的比較.圖中左側(cè)的玻璃熔化模式為蓄熱式熔窯采用火焰輻射加熱使玻璃原料熔化的過程,而新型的空中玻璃熔化模式則采用復(fù)合加熱方式，傳熱效率高，設(shè)備空間小，工藝過程簡單，玻璃制造發(fā)生了飛躍的變化[3].這項(xiàng)技術(shù)還可大幅度減少熔化池體積，不需長時(shí)間維持高溫，大幅度地減少能耗.現(xiàn)行的蓄熱式熔窯玻璃在窯內(nèi)平均停留時(shí)間短的1.5天，長的約7天.而新的空中熔化玻璃既可保證玻璃質(zhì)量，也可縮短停留時(shí)間，鈉鈣硅玻璃熔化可在幾小時(shí)內(nèi)達(dá)到玻璃成形要求.

圖1 蓄熱式熔窯技術(shù)與新的空中玻璃熔化技術(shù)的比較

這項(xiàng)技術(shù)在等離子體加熱方面與Plasmelt Glass Tech公司的方式相似，但原料投入到等離子體中的位置不同.在等離子體高溫中將原料投入并有效地吸收熱量有利于原料熔化,在高溫中投入原料一些成分的揮發(fā)可能增加，因此需采取相應(yīng)的措施[4].已研究用高頻(RF)等離子體和多相等離子體兩種方式加熱玻璃原料，圖2、圖3為其結(jié)構(gòu)簡圖.圖2是利用RF等離子體裝置的熔化實(shí)驗(yàn)圖，是由載流氣將已粒化為平均粒徑低于100 μm的原料粒子由上部投入，飛進(jìn)有高頻誘導(dǎo)的等離子體形成區(qū)，原料粒子由數(shù) μm左右的純堿、石灰石、石英砂組成.各個(gè)粒子均含有鈉鈣硅玻璃的組分，被加熱熔化后即成為單獨(dú)的玻璃液滴.粒子在RF等離子體中的飛翔時(shí)間雖僅有數(shù)μs的極短時(shí)間，但仍可達(dá)到充分進(jìn)行玻璃化反應(yīng)的高溫狀態(tài)[5].等離子體向粒子的傳熱效率受載流氣流量及原料投料速度、RF電力負(fù)荷大小的影響.多相等離子體熔化裝置如圖3所示，是由兩層12個(gè)電極組成，在電極間通入交流電依次組合放出電弧，電極間形成熱等離子體.這是一種新的等離子體形成法，與RF等離子體相比，由電能轉(zhuǎn)換為熱等離子體的效率高，等離子體流速低，粒子在其中飛翔時(shí)加熱效率高，可實(shí)現(xiàn)最高輸出功率，適于玻璃原料的熔化[6].

空中熔化時(shí)熱等離子體與良好的燃燒火焰組合時(shí)與只用熱等離子體相比能進(jìn)一步降低能源消耗.因?yàn)槿跞紵鹧娴臏囟葹? 000 K時(shí)，在飛翔時(shí)間內(nèi)將原料粒子完全熔化較為困難，但全氧燃燒火焰與溫度達(dá)10 000 K以上的熱等離子體組合后，可在有限的飛翔時(shí)間內(nèi)充分地熔化玻璃原料[7].

圖2 RF等離子體熔化裝置簡圖 圖3 多相等離子體熔化裝置簡圖

空中熔化時(shí)采用全氧燃燒火焰加熱與SCM的方法相同，不同點(diǎn)只是不在玻璃液中燃燒，而是將原料投入到火焰高溫中.這種方法使傳熱效率得到改善，窯爐構(gòu)造簡單，控制也較容易，可得到良好的效果.將原料投入到火焰中縮短玻璃熔化時(shí)間的方法與上述的AGM很相近.但AGM的熔化不在空中而且在落下的玻璃液中會產(chǎn)生滯留，與空中熔化技術(shù)不同,此外更大的不同是空中熔化技術(shù)在原料處理上做了許多改進(jìn),不是采用現(xiàn)行的配料方式，而是采用適于火焰中熔化的顆粒狀原料粒子.原料的前處理有多種方案，如利用廢熱對原料進(jìn)行預(yù)處理以減少能耗，通過球?；脑鲜狗磻?yīng)均一化以促進(jìn)原料的熔化等.原料?；幚砗螅狭Ｗ油ㄟ^空中的高溫區(qū)時(shí)可在極短時(shí)間內(nèi)完全熔化直至玻璃化反應(yīng)結(jié)束,這是以前沒有的技術(shù)，是一種創(chuàng)新技術(shù).

有文獻(xiàn)對鈉鈣硅玻璃原料粒子的熔化性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，采用噴霧干燥法造粒的原料粒子與未采用造粒的原料相比熔化溫度可降低約200 ℃，而且熔化玻璃的均勻性有明顯的提高.原料粒子在空中的高頻等離子體加熱下，熔化時(shí)玻璃化反應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)充分完成，而且成分揮發(fā)較少[8].圖4為原料粒子的反應(yīng)過程模式圖.粒子內(nèi)形成很強(qiáng)的溫度分布，反應(yīng)中CO2氣體通過粒子間隙排出，分解反應(yīng)結(jié)束后開始粘性流動(dòng)，而粒子開始致密化并形成玻璃小液滴.粒子在飛翔時(shí)間非常短的情況下很快完成玻璃化反應(yīng)[9],這些玻璃小液滴在玻璃溶液表面時(shí)可抑制分解氣體放出的大量氣體，使后續(xù)工序的玻璃澄清和均化所需時(shí)間縮短，節(jié)省能源.

圖4 空中熔化時(shí)原料粒子飛翔過程中反應(yīng)模式圖

圖5 蓄熱式玻璃池窯與新的空中熔化玻璃池窯的模式比較

圖5所示為規(guī)模每日800 t玻璃的蓄熱式玻璃池窯與空中玻熔化玻璃池窯的模式比較圖.由圖可知，空中熔化的熔化池體積大幅度減少，可使能耗降低50%以上，若利用余熱使原料?；?，能耗指標(biāo)將更低.

3 結(jié)束語

各種非蓄熱式熔窯的玻璃熔化技術(shù)可對應(yīng)不同技術(shù)要求和類型的玻璃生產(chǎn).新型的空中玻璃熔化不僅技術(shù)上是可行的，而且節(jié)能效果十分顯著，同時(shí)玻璃熔窯實(shí)現(xiàn)小型化可壓縮筑爐費(fèi)用，是一項(xiàng)具有前途的高新技術(shù)，希望在克服技術(shù)上難點(diǎn)問題后推廣應(yīng)用于玻璃行業(yè).

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