二代浮法新型節(jié)能技術(shù)在玻璃熔窯中的應(yīng)用

陳 卓,王貴祥,査海勝

(中建材玻璃新材料研究院集團有限公司，蚌埠 233010)

我國是玻璃生產(chǎn)大國，截至2022年5月，我國浮法玻璃熔窯共計297座，在產(chǎn)261座，日熔化量17.22萬t；超白壓延玻璃熔窯在產(chǎn)106座，日產(chǎn)量平均約36 780 t。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2060碳達峰、碳中和“雙碳戰(zhàn)略”以及“十四五”能耗總量控制、能耗強度控制“雙控目標”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)，來進一步降低燃料消耗并減少污染排放，同時降低運行成本、提高玻璃企業(yè)的產(chǎn)品競爭力。

中建材玻璃新材料研究院集團有限公司 (簡稱“中研院”)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(簡稱“紅外節(jié)能涂料”)與梯度復合保溫節(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志性節(jié)能創(chuàng)新成果和設(shè)計標配。

1 節(jié)能原理

1.1 紅外高輻射節(jié)能涂料的節(jié)能原理

在高溫環(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，高溫下的輻射率僅約為0.4[1]。無噴涂的玻璃熔窯內(nèi)部傳熱如圖1所示。因此，提高爐膛內(nèi)表面的輻射率，就可以提高熔窯的熱吸收效率。

中研院研發(fā)的玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料，是一種高輻射率的功能性涂料。將其涂覆在玻璃熔窯內(nèi)硅質(zhì)耐火材料表面，可以將高溫下(1 500～1 600 ℃)熔窯內(nèi)表面的輻射率從0.4提高到0.9以上，即可將窯爐內(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，增強熱能利用效率，從而達到節(jié)能目的。噴涂紅外高輻射節(jié)能涂料的玻璃熔窯內(nèi)部傳熱如圖2所示。

根據(jù)電磁波輻射的基本定律可知，不同溫度下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[2]。由維恩位移定律可知，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0.94～2.37 μm，輻射峰值波長約為1.5 μm；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1.5 μm處，與紅外節(jié)能涂料的輻射光譜相匹配[3]。因此，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。

1.2 梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)的節(jié)能原理

傳統(tǒng)復合硅酸鹽保溫涂料存在的問題為開裂，主要為保溫涂料因干燥收縮產(chǎn)生的表面龜裂，以及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。同時，復合硅酸鹽保溫涂料的耐溫也較低。

針對傳統(tǒng)保溫技術(shù)的弊端，中研院開發(fā)了二代新型復合梯度保溫節(jié)能技術(shù)，是以陶瓷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。梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)具有以下特征：

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，通過熱工模擬與計算，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，依次進行階梯降溫。

2)纖維噴涂技術(shù)：與復合硅酸鹽保溫涂料容易收縮、龜裂不同，纖維噴涂工藝是將陶瓷纖維短切、打散，與高溫結(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，且短切纖維本身具有彈性，所以在溫度升高發(fā)生變形時，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)復合遮蔽技術(shù)：紅外遮蔽劑是一種能夠吸收紅外波長的物質(zhì)，它可以遮蔽其吸收波長范圍內(nèi)的紅外光，從而達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。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的紅外光線。由于紅外光的波長范圍很廣，分為近紅外、中紅外和遠紅外，波長范圍從0.75～300 μm[4]。因此單一遮蔽劑無法完成全紅外波段的遮蔽任務(wù)。二代新型保溫節(jié)能技術(shù)，采用復合熱輻射遮蔽填料，最大限度的將紅外光線進行屏蔽，從而阻隔紅外輻射傳熱，降低隔熱材料的導熱系數(shù)，因此達到良好的節(jié)能效果與隔熱保溫效果。

4)防熱橋施工工藝：保溫層在裂縫處會產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，從而燒穿或擊穿保溫層，對保溫層造成破壞。為了防止裂紋引起熱橋，復合梯度保溫技術(shù)將每一溫度段的保溫材料錯縫砌筑，最大限度地減少直通縫的產(chǎn)生，確保保溫涂層具有良好的保溫性能。

2 應(yīng)用案例

華東地區(qū)某玻璃公司在同一生產(chǎn)車間有兩條相同熔化噸位(800 t/d)玻璃熔窯：A線和B線。其中，A線于2020年放水冷修，同年11月點火投產(chǎn)；B線于2021年放水冷修，同年7月點火投產(chǎn)。A線和B線窯型結(jié)構(gòu)相同、生產(chǎn)玻璃品種一致、耐材配置和工藝操作基本一致。

A線采用了中研院的二代新型梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)；而B線不僅采用了二代新型梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)，還在熔窯內(nèi)表面噴涂了玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料。

2.1 梯度復合保溫節(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)用了梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)。

B線點火烤窯前，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。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)用了梯度復合保溫節(jié)能技術(shù)。

2.2 應(yīng)用節(jié)能效果

A線與B線的設(shè)計能耗均為1 370 kcal/kg玻璃液(設(shè)計保溫為傳統(tǒng)硅酸鹽保溫涂料)。在A線與B線點火投產(chǎn)后，選取生產(chǎn)穩(wěn)定且生產(chǎn)普通浮法玻璃時的相同時間段內(nèi)的生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)，取平均值，如表1所示。

表1 A線與B線的生產(chǎn)能耗

由表1可知，與設(shè)計能耗1 370 kcal/kg玻璃液比較，A線的單耗降低61 kcal/kg玻璃液，節(jié)能率為4.45%；B線的單耗降低135 kcal/kg玻璃液，節(jié)能率為9.85%。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，僅在熔窯內(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，成品率和一等品率均提高一個百分點。

與設(shè)計方案相比，A線與B線應(yīng)用二代浮法新型節(jié)能技術(shù)后，兩條玻璃生產(chǎn)線一年可節(jié)約燃料費用2 137萬元；其中，A線年節(jié)約668萬元，B線年節(jié)約1 469萬元。具體節(jié)能效益分析見表2。

表2 A線與B線的節(jié)能效益

3 結(jié) 語

中研院研發(fā)的玻璃熔窯用紅外高輻射節(jié)能涂料與梯度復合保溫技術(shù)，作為第二代中國浮法玻璃技術(shù)的節(jié)能新材料技術(shù)，可產(chǎn)生良好的節(jié)能效果，具有顯著的經(jīng)濟與社會效益。在應(yīng)用梯度復合保溫技術(shù)的基礎(chǔ)上，再使用紅外節(jié)能涂料，不僅能明顯降低玻璃生產(chǎn)能耗，同時對玻璃產(chǎn)品質(zhì)量具有提升作用。二代浮法新型節(jié)能技術(shù)，將為玻璃行業(yè)節(jié)能減排及實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標作出積極貢獻。