平板玻璃熔窯電助熔設(shè)計(jì)與計(jì)算

何奎 鄧永財(cái)

（中國建材國際工程集團(tuán)有限公司 上海 200063）

0 引言

隨著國家作出實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重大戰(zhàn)略決策，為了全面貫徹新發(fā)展理念，其中特別提到堅(jiān)決遏制高耗能高排放項(xiàng)目盲目發(fā)展，提升其準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。玻璃行業(yè)作為高耗能、高污染的雙高型行業(yè)，對于節(jié)能減排面臨更高的要求。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和積累，傳統(tǒng)火焰熔窯的熔化技術(shù)已達(dá)瓶頸，進(jìn)一步節(jié)能降耗潛力有限。

玻璃液在高溫熔融狀態(tài)下是一種電導(dǎo)體。電熔化已在玻璃行業(yè)廣泛使用，電助熔熱效率高、玻璃的熱穩(wěn)定性和均勻性好，具有提高玻璃質(zhì)量和降低能耗等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)大型平板玻璃熔窯電助熔負(fù)荷未超過10%，節(jié)能效果有限，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排技術(shù)性突破，增大電助熔負(fù)荷勢在必行。

平板玻璃熔窯穩(wěn)定的玻璃液流和合理的液流位置及形態(tài)對玻璃熔窯的操作至關(guān)重要，電助熔玻璃熔窯的電功率輸入及位置設(shè)計(jì)同樣要以保證玻璃熔窯的配合料層、環(huán)流Ⅰ、環(huán)流Ⅱ以及生產(chǎn)流的穩(wěn)定為前提。電助熔功率分配和分區(qū)設(shè)計(jì)及電極布置是電助熔玻璃熔窯的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵，需結(jié)合火焰空間熱負(fù)荷保證工藝制度和溫度梯度，為保證設(shè)計(jì)合理，必要時需借助數(shù)學(xué)模擬或物理模型等輔助手段。

1 電助熔玻璃熔窯的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 電助熔加熱功率及裝機(jī)功率計(jì)算

普通平板玻璃（12%碎玻璃）理論熔化熱由以下幾部分組成：

①生成硅酸鹽耗熱：272 kJ/kg玻璃液；

②玻璃液加熱至1400 ℃所需熱量：1842 kJ/kg玻璃液；

③生成玻璃耗熱：314 kJ/kg玻璃液；

④蒸發(fā)水分耗熱：104 kJ/kg玻璃液；

理論熔化總熱耗：2533 kJ/kg玻璃液（不含玻璃液生成氣加熱耗熱），轉(zhuǎn)換為電能為0.7 kWh/kg玻璃液，考慮到電極水套及變壓器等能量損失，電助熔的熱效率可達(dá)85%～90%，那么玻璃液所需輸入功率為32～34 kW/t玻璃液（不包含窯爐散熱損失），裝機(jī)功率按40～45 kVA/t玻璃液配置。

1.2 電助熔分區(qū)設(shè)計(jì)

一般來講，在熱點(diǎn)區(qū)域增設(shè)電助熔是沒有問題的，可以強(qiáng)化熱點(diǎn)，減少或消除池底玻璃三角緩沖滯止區(qū)，對玻璃熔化及澄清均有好處；在投料口區(qū)域增設(shè)電助熔，總體上也不會對玻璃熔窯整體環(huán)流產(chǎn)生破壞性影響。當(dāng)需要大功率輸入且在熱障區(qū)及投料區(qū)所設(shè)功率仍不足以滿足所希望的電加熱功率時，熔化區(qū)會分多區(qū)布置電極。

投料口區(qū)域池底溫度低，一般理所當(dāng)然地認(rèn)為電助熔大部分功率應(yīng)增設(shè)在該區(qū)域，事實(shí)上國內(nèi)確實(shí)有廠家這樣分區(qū)布置電助熔，但效果并不理想。對此做數(shù)學(xué)模擬，方案1：前置四區(qū)均布電極，裝機(jī)功率3600 kVA；方案2：前區(qū)均布三排電極，裝機(jī)功率1500 kVA，熱障區(qū)兩排電極，裝機(jī)功率2100 kVA 。

圖1為600 t/d顏色玻璃電助熔數(shù)學(xué)模擬玻璃液流示意圖。

圖1 600 t/d顏色玻璃電助熔數(shù)學(xué)模擬玻璃液流示意圖

數(shù)學(xué)模擬對比顯示，方案1池底熱點(diǎn)前移，較大地改變了玻璃窯爐縱向液流形態(tài)，不利于玻璃的熔化和澄清。

電助熔加熱功率需多區(qū)布置時，功率分布不僅需考慮縱向液流狀態(tài)的改變情況，同時也不能使火焰空間燃料熱負(fù)荷降低導(dǎo)致配合料層溫度過低的情況出現(xiàn)。大功率電助熔平板玻璃熔窯設(shè)計(jì)必要時需借助數(shù)學(xué)模擬軟件或物理模型，模擬電能輸入對玻璃液流及工藝制度的影響，保證大功率電能有效輸入。

1.3 電極分布設(shè)計(jì)與計(jì)算

通常一個電助熔玻璃熔窯電功率及分區(qū)確定之后，下一個問題就是如何確定變壓器的二次側(cè)電壓參數(shù)。由電功率公式可知，電助熔玻璃熔窯電極間電阻計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到輸電設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.3.1 電極的選擇及插入方式

平板玻璃熔窯電助熔所用電極一般采用鉬電極。平板玻璃熔窯規(guī)模尺寸大，底部有足夠的空間滿足電極的布置需求，底插垂直電極電流分布均勻，電流密度小，一般可滿足使用一個窯期的要求。

鉬電極適合平板玻璃電助熔，但配合料中含有PbO、As2O3、 Sb2O3等氧化物時，鉬電極有被氧化的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響電極使用壽命。鉬電極的侵蝕速率很大程度上與電流密度有關(guān)，當(dāng)電流密度低于0.5 A/cm2時，腐蝕速度極低，電極長期使用，尺寸幾乎不變。當(dāng)電流密度升高到1.0 A/cm2以上時，腐蝕速度會突然升高，鉬電極侵蝕很快。鉬電極在平板玻璃電助熔中使用時建議電流密度為：0.7～1.0 A/cm2。

鉬電極在650 ℃以上氧化劇烈，保護(hù)鉬電極通常使用間接式冷卻水套。間接冷卻水套的作用是冷卻電極與電極磚之間的玻璃液，利用冷凝后的玻璃液隔離氧化物對電極進(jìn)行防氧化保護(hù)，所以電極與電極磚的間隙設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)間隙要考慮玻璃料性及水套冷卻強(qiáng)度等影響因素。

1.3.2 電極間電阻的計(jì)算

電極間玻璃液電阻可使用電阻計(jì)算公式：

式中：r——電阻率，W·cm；

l——電極插入深度，cm；

s——橫截面積，cm2。電阻率與玻璃成分及電極安裝區(qū)域玻璃液溫度有關(guān)，電阻率隨溫度變化較大，掌握安裝電極區(qū)域玻璃液溫度很關(guān)鍵。一般平板玻璃電阻率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測準(zhǔn)確度更高一點(diǎn)。

平板玻璃熔窯電助熔電極之間連接簡單，電極間電阻一般有以下兩種計(jì)算方式：

兩支垂直底插布置的平行棒狀電極之間的電阻可簡化按式（2）計(jì)算：

式中：k1——玻璃液溫度不均勻系數(shù)，1.05～1.1；

k2——與電極布置有關(guān)的修正系數(shù)，1.3～1.4；

r——電阻率，W·cm;

l——電極插入深度，cm；

b——電極間距，cm；

d——電極半徑，cm。

實(shí)際上，由于電極頂端有大量電流通過再加上電力線呈現(xiàn)紡錘狀，上兩式計(jì)算電阻可能比實(shí)際要大一些。對于復(fù)雜的電極排列情況，電極間的電阻建議用模擬實(shí)測的方法來確定會更加穩(wěn)妥。

1.3.3 二次側(cè)電壓計(jì)算

玻璃液的導(dǎo)電行為遵從歐姆定律和焦耳定律。電助熔功率及電極間電阻確定之后便可以計(jì)算二次側(cè)電壓，為變壓器選型提供設(shè)計(jì)參數(shù)。電壓計(jì)算公式：

式中：U——電壓，V；

P——功率，W；

R——電阻，W。

考慮因停電導(dǎo)致玻璃熔窯溫度變低、用電高峰電壓低、環(huán)境溫度及電助熔功率增大等因素，設(shè)置變壓器上限時應(yīng)留一定余量。同時也要考慮計(jì)算電阻比實(shí)際電阻要小等影響因素來設(shè)計(jì)變壓器二次側(cè)電壓下限。

由于高溫玻璃液是良好的導(dǎo)電體，電極間電阻很小，二次側(cè)電壓一般不會太大。一般情況下，為了保證用電設(shè)備及人身安全，在滿足工藝要求的條件下電極間距不要設(shè)計(jì)過大，保證各部分電極對地電壓降至最小范圍。

1.3.4 電流及電流密度

電極間電流計(jì)算公式：

式中：I——電流，A；

P——功率，W；

R——電阻，W。

由于高溫玻璃液之間的電阻很小，電極間的電流會很大，從對電極的保護(hù)角度考慮，對電極電流密度進(jìn)行復(fù)核非常有必要。計(jì)算電阻比實(shí)際電阻小會導(dǎo)致計(jì)算電流密度比實(shí)際電流密度小，復(fù)核電流密度時將計(jì)算電阻按0.5～0.8系數(shù)進(jìn)行修正。另外，電極之間的電力線不是均勻分布的，電極正面電流密度大于電極背面電流密度，計(jì)算電流密度為整個電極面的平均值，不合理的電極布置會導(dǎo)致電極電流密度大的部位侵蝕嚴(yán)重。

平板玻璃電助熔一般使用功率較大，設(shè)計(jì)電極布置時一般采用三相供電以保證用電平衡，但三相供電同時也有雜散電流存在的情況，這種雜散電流會影響耐火材料的使用壽命，干擾其它區(qū)域的溫度控制，設(shè)計(jì)電極布置時應(yīng)考慮各分區(qū)間距及邊部電極與池壁的距離。為防止電流密度過高對電極產(chǎn)生過快侵蝕，控制系統(tǒng)一般需設(shè)計(jì)過流保護(hù)措施及報(bào)警裝置。平板玻璃熔窯平面尺寸大，各部位溫度相對穩(wěn)定，電助熔能量輸入一般采用恒功率控制。

高溫下的玻璃液電阻小，電壓低，電流有時會超過幾千安培，所以變壓器一般選擇低壓大電流隔離變壓器，同時要求變壓器正級絕緣，初次級之間必須有屏蔽層，以免相互影響。

2 結(jié)論

（1）合理設(shè)置電助熔有利于提高熔窯的熔化能力，玻璃熔窯的設(shè)計(jì)熔化率可提高20%～30%，減少單位玻璃液散熱面積，降低能耗，如果只是簡單的將電助熔部分替代生物燃料，單位玻璃液散熱面積沒有減少，節(jié)能預(yù)期可能不會太明顯。

（2）底插式電助熔電極布置，可提升池底玻璃液溫度，增加池深有利于提高熔化能力，可適當(dāng)減少玻璃熔窯平面尺寸，同時設(shè)計(jì)深池可提高最底層玻璃液電阻，有利于對池底的保護(hù)，特別是對大功率電助熔玻璃熔窯尤為重要。

（3）電助熔功率輸入分區(qū)及電極布置，應(yīng)遵從工藝操作制度，與火焰空間熱負(fù)荷相結(jié)合，保證玻璃窯爐縱向?qū)α餍螒B(tài)不發(fā)生大的變動及玻璃液溫度梯度滿足工藝操作要求。

（4）復(fù)雜電極排布的電阻計(jì)算難度大，準(zhǔn)確度不高，因此，電熔窯用的隔離變壓器的電壓和電流往往需要較大的適應(yīng)范圍。計(jì)算相對準(zhǔn)確會減少供電設(shè)備投資。

（5）玻璃電助熔電極之間的電阻影響因素很多，目前計(jì)算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，計(jì)算公式所得出的電阻也是電極間的平均電阻，目前還沒完善的模型來計(jì)算局部電阻，這方面還需相關(guān)科研院所加大研發(fā)力度。