玻璃窯爐節(jié)能減排技術(shù)途徑研究與應用

歐陽自強 郝鵬 劉沐陽,2 孟祥德

（1.福州新福興玻璃科技有限公司 福清 350309；2.福建新福興玻璃工業(yè)集團 福清 350314）

0 引言

隨著玻璃窯爐技術(shù)的進步與創(chuàng)新，玻璃窯爐越造越大，產(chǎn)能越來越高，隨之而來的節(jié)能與減排的壓力也越來越大。黨中央、國務院部署以及工信部、科技部等五部門2021年1月1日起聯(lián)合推行實施“能效標準”的文件要求，節(jié)能與減排成了玻璃科技工作者近期的主要使命。本文從另一視角，結(jié)合某玻璃集團2條1000 t/d大型熔窯節(jié)能減碳的技術(shù)實踐，對節(jié)能和減排技術(shù)途徑作論述和總結(jié)。

1 技術(shù)途徑

截止至2021年12月，全國現(xiàn)有浮法玻璃生產(chǎn)線307條，在產(chǎn)266條，日熔化量175225 t；全國現(xiàn)有光伏壓延玻璃熔窯84座，計243條光伏壓延玻璃生產(chǎn)線。在產(chǎn)光伏壓延玻璃熔窯70座，在產(chǎn)光伏玻璃生產(chǎn)線209條，日熔化量44810 t，全國平板玻璃（浮法玻璃+光伏玻璃）熔窯合計391座，在產(chǎn)平板玻璃日熔化量220035 t，每天能源消耗巨大。開發(fā)應用節(jié)能新技術(shù)、新材料、新設備，節(jié)省能源，減少碳排放，潛力巨大，也是每一位玻璃科技工作者的使命和擔當。對于熔化量大于800 t/d的玻璃窯爐，尤其是日產(chǎn)千噸級大型玻璃窯爐，天然氣消耗更大。盡管熱效率有所提高，單位產(chǎn)品能效有所下降，但熱效率一般仍在50%左右徘徊，挖掘潛力和提升空間巨大。

一般來說，玻璃行業(yè)節(jié)能減排的“雙碳”技術(shù)路徑主要有以下四個方面：一是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推進低碳發(fā)展；二是優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，改進低碳配方；三是優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)，使用低碳燃料；四是提高能效，加強節(jié)能降碳技術(shù)改造。就目前而言，可以將節(jié)能減排技術(shù)途徑概括為三種情況。第一是比較成熟的節(jié)能減排技術(shù)途徑，基本上被普遍認可和接受，并已被大部分廠家采用；第二是易忽視的幾種節(jié)能減排技術(shù)途徑，這些途徑對節(jié)能減排起到的重要作用，如提高玻璃質(zhì)量、提高總成品率、玻璃低溫強制熔化技術(shù)、火焰氣氛殘氧監(jiān)測與精準調(diào)控技術(shù)、配方的優(yōu)化與生產(chǎn)技術(shù)等；第三是需要重點攻關和大膽嘗試的幾項節(jié)能減排技術(shù)途徑，如大型玻璃熔窯綠電電助熔技術(shù)、富/全氧分級燃燒精準調(diào)控技術(shù)、雙排鼓泡技術(shù)、退火窯余熱回收利用技術(shù)、冷卻部余熱回收利用裝置和技術(shù)、廢煙氣余熱發(fā)電回收利用深度開發(fā)等。本文從上述三個角度探討節(jié)能減排技術(shù)途徑。

1.1 比較成熟且被廣泛采用的節(jié)能減排技術(shù)途徑

1.1.1 摻加碎玻璃

玻璃配合料中摻加外購碎玻璃能固廢回收利用，提高熔化效率，是節(jié)能減排最直接、最簡單的技術(shù)途徑。隨著社會的進步，全社會環(huán)保意識普遍增強，社會對工業(yè)廢渣—碎玻璃的回收日益健全和完善。目前國內(nèi)較大的碎玻璃回收企業(yè)有上海燕龍基集團、南京柯信以及湖南巨強等企業(yè)，早已形成產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、專業(yè)化與自動化；國內(nèi)有許多中小規(guī)模的碎玻璃回收分揀企業(yè)，還有許多玻璃工廠內(nèi)部建立的碎玻璃回收和分揀系統(tǒng)。碎玻璃回收設備、工藝、技術(shù)日臻完善，效率越來越高，質(zhì)量也越來越好。有利于節(jié)約能源，降低成本，減少碳排放等。

添加外購碎玻璃已經(jīng)是玻璃行業(yè)很普遍的一種現(xiàn)象和共識。碎玻璃摻加到玻璃配合料中，不但可以提高熔化效率，提高節(jié)能效果，而且還能有效減少CO2、SO2、N OX排放，利于改善環(huán)境。目前國內(nèi)浮法玻璃行業(yè)，部分玻璃廠碎玻璃比率維持在8.50%以上，有的企業(yè)碎玻璃比率提高到22%以上，國內(nèi)浮法玻璃配合料碎玻璃比率基本上為8.5%～22.00%。也有少部分玻璃廠將碎玻璃比率提高到了25.00%左右。一般來說，浮法玻璃配合料中碎玻璃比率維持在18.00%～22.00%較為適宜。

某玻璃集團產(chǎn)線每月?lián)郊油赓徦椴Ａ?000 t，根據(jù)文獻［1］1 t外購碎玻璃可以節(jié)省30～40 Nm3天然氣的研究結(jié)論計算，預計年可節(jié)約天然氣約384萬Nm3，相當于年節(jié)約標準煤4360.17 t，年減少CO2排放10869.89 t，年節(jié)“碳”2964.91 t。該技術(shù)措施的推廣應用，將為國家節(jié)省大量天然氣能源，也為環(huán)境保護創(chuàng)造了條件。

1.1.2 玻璃窯爐超級全密封全保溫技術(shù)

玻璃窯爐全密封全保溫技術(shù)是早已應用了幾十年的節(jié)能技術(shù)，在經(jīng)歷幾十年應用的同時也得到了提高、發(fā)展與創(chuàng)新。目前，除進行正常的碹頂保溫、胸墻保溫、池底保溫、蓄熱室保溫、前臉墻實施45°L型吊墻等部位保溫之外，也開始應用卡脖吊平碹阻斷氣流的節(jié)能保溫技術(shù)、大碹內(nèi)表面噴涂高發(fā)射性節(jié)能納米航空陶瓷涂料保溫技術(shù)和應用高性能絕熱保溫材料進行保溫等。以上諸多節(jié)能保溫措施，尤其是卡脖平碹對氣流的阻斷對節(jié)能減排起到的密封節(jié)能作用不可小視，節(jié)能效果明顯。目前較為先進的內(nèi)噴涂高發(fā)射性納米航空陶瓷涂料技術(shù)的保溫效果以及對大碹的保護作用非常突出和顯著。除優(yōu)質(zhì)高效保溫節(jié)能材料的選擇之外，加強材料匹配及其保溫厚度也至關重要。某玻璃集團2×1000 t/d大型玻璃窯爐采用上述技術(shù)和措施進行超級全密封全保溫后，收到良好效果，節(jié)能效率大大提高。一般碹頂溫度可以下降30 ℃，碹頂內(nèi)表面下降約15 ℃，熔窯空間下降8 ℃左右，可以節(jié)能3%以上。

1.1.3 煙氣余熱低溫發(fā)電技術(shù)

玻璃熔窯煙氣余熱低溫發(fā)電是近二十年發(fā)展起來的低溫發(fā)電技術(shù)，已成為玻璃行業(yè)普遍采用的成熟標配技術(shù)，收到了較好的節(jié)能減排效果。一般一條1000 t/d大型玻璃熔窯，利用熔窯煙氣余熱資源建設一套裝機容量為7.5 MW的余熱電站，年可發(fā)電量約3285萬kW·h，每年可以節(jié)約4037 t標煤，年減少2.6萬t二氧化碳排放，可以有效提高能效，節(jié)能減排。將余熱發(fā)電電能再應用于電助熔，電助熔熱效率為85%～95%，可以進一步大大提高玻璃窯爐熱效率，達到更高的節(jié)能減排效果。

1.1.4 玻璃熔窯0#氧槍助燃技術(shù)

對于大型浮法玻璃熔窯，采用0#氧槍助燃，不但可以改善前區(qū)熔化狀態(tài)，調(diào)控投料口火焰氧化還原氣氛，實現(xiàn)分級燃燒，加強回流，促進配合料快速熔化等，而且還是一種最直接的節(jié)能減排的技術(shù)途徑，可以節(jié)約能源，減少氮氧化物排放。該技術(shù)除增加拉引量、提高玻璃質(zhì)量之外，還可以有效降低1#小爐熔化溫度，為后面熔化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低溫熔化奠定基礎。

1.1.5 玻璃熔窯助燃風預熱技術(shù)

玻璃熔窯三大熱工設備：熔窯、錫槽及退火窯，盡管實現(xiàn)了大型化，能效得到了大幅度的提高，但Ruediger Nebel等［2］認為，大型熔窯總表面積大，散熱更明顯，現(xiàn)代玻璃熔窯仍占總表面積10%左右的區(qū)域是未加以保溫的，這部分區(qū)域的熱損失約占總散熱量的35%。對于現(xiàn)代大型熔窯來說，熱效率依然還很低，散熱仍然較多，熱量損失也較大，值得研究并回收開發(fā)利用。如利用退火窯熱風、冷卻部散熱、熔窯大碹散熱、或者熔窯池底散熱等，通過管道收集送入助燃風系統(tǒng)，以此提高助燃風風溫，也可以達到節(jié)能減排的目的。各部位散熱溫度見表1。

表1 熔窯各部位散熱溫度 ℃

某玻璃集團成功實施了助燃風預熱的工藝技術(shù)措施，收到了較好的效果。當助燃風風溫提升35 ℃時，回收余熱70645 MJ/d，相當于年節(jié)約天然氣540665 Nm3，減少1530.461 tCO2排放，節(jié)碳417.4544 t。

1.2 易忽視的幾種節(jié)能減排技術(shù)路徑

1.2.1 玻璃的優(yōu)化切割與分選技術(shù)

分選技術(shù)國內(nèi)企業(yè)采用較少，僅有幾家外資企業(yè)和國內(nèi)部分特別優(yōu)秀的企業(yè)集團有采用。該技術(shù)可以根據(jù)用戶的技術(shù)要求，對板面進行優(yōu)化挑選。將符合特殊用戶需求的特定技術(shù)指標的板面單獨切裁、篩選出來，分開堆垛包裝、發(fā)貨，可以實現(xiàn)資源利用最大化，精準對標用戶質(zhì)量標準，使生產(chǎn)和產(chǎn)品更加精益求精。

無論是優(yōu)化切割技術(shù)還是在線分選技術(shù)，都能最大限度地提高玻璃產(chǎn)品總成品率，間接為玻璃廠帶來節(jié)能與減排效果，是一種值得推廣和借鑒的好方法、好措施和好途徑。

玻璃工廠冷端采用計算機在線缺陷檢測，配合優(yōu)化切割，是提高玻璃成品率的一項很好的重要節(jié)能減排技術(shù)措施。優(yōu)化切割可以將缺陷導致的紅板損失降至最低，橫切和豎切同時優(yōu)化抽條，對優(yōu)化產(chǎn)生的紅板，再進一步繼續(xù)改裁改切成小片，可以最大限度地提高玻璃產(chǎn)品的總成品率，并且可以將各種難熔結(jié)石及時挑揀出來，避免難熔結(jié)石在玻璃生產(chǎn)中繼續(xù)參與到碎玻璃的循環(huán)中而再次影響質(zhì)量，降低成品率。這兩項技術(shù)措施是目前最容易忽視的節(jié)能減排途徑。

1.2.2 提高玻璃質(zhì)量與玻璃總成品率技術(shù)

玻璃質(zhì)量及其成品率是玻璃生產(chǎn)的最終成果，玻璃質(zhì)量的好與壞、成品率的高與低直接關系著單位產(chǎn)品能效的高與低，是一種間接節(jié)能和減排的重要技術(shù)途徑。

從礦物原料的選礦、加工、堆場、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)著手，選難熔伴生礦少、雜質(zhì)含量低、無礦皮及夾層的優(yōu)質(zhì)礦物原料，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃、提高成品率的基礎。優(yōu)選易熔化的好礦石、礦山加工工藝，做好礦物原料加工環(huán)節(jié)管理，是生產(chǎn)出高成品率優(yōu)質(zhì)玻璃的前提，也是后道工序?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的保障。把好原料入廠關，從上料、稱量、配料、輸送等環(huán)節(jié)入手，確?！霸戏€(wěn)”；從投料、熔化、窯壓、液面、澄清、均化等工藝參數(shù)入手，確?！叭刍€(wěn)”；從卡脖、流道、閘板、槽壓、密封等成形制度入手，控制好玻璃表觀缺陷，確?！俺尚畏€(wěn)”；從出入口溫度、板上板下溫差、車間密封與氣流等環(huán)節(jié)入手，穩(wěn)定玻璃板面，減少玻璃破損和劃傷，確?！巴嘶鸱€(wěn)”。每一個環(huán)節(jié)，每一個細節(jié)，都能精益求精，確保質(zhì)量的提升和穩(wěn)定，才能確保成品率高，高的成品率也就等于為節(jié)能和減排做出了貢獻。

在現(xiàn)行的節(jié)能減排技術(shù)措施中，一些企業(yè)往往忽視玻璃質(zhì)量與玻璃的總成品率對節(jié)能和減排的貢獻。只是一味的靠節(jié)約用電、減少純堿用量、多加碎玻璃等純技術(shù)性手段，而對生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精益求精等重視不夠，忽視了管理環(huán)節(jié)帶來的節(jié)能減排效力。

1.2.3 玻璃低溫強制熔化技術(shù)

目前，多數(shù)玻璃企業(yè)熱衷于采取燒高溫的熔化策略，即二十年前就開始流行的“雙高作業(yè)”。國內(nèi)某2×1200 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線，熱點溫度最高時1610 ℃，平時熱點溫度控制在1605 ℃左右。由于1605 ℃高溫狀態(tài)下熔窯熱效率就很低，一般不到40%，能源浪費極為嚴重，1610℃時熱效率更低，浪費更嚴重。因此，要實現(xiàn)真正實質(zhì)意義上的節(jié)能與減排，需要優(yōu)化燃燒工藝參數(shù)，盡可能優(yōu)化熱點溫度控制指標，不能無限制地靠高溫作業(yè)。某玻璃集團多年來通過配方和熔化工藝技術(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，逐漸探索出了一套“玻璃低溫強制熔化技術(shù)”。熱點溫度有效控制在1565 ℃±3 ℃；1#小爐垛溫度有效控制在1410～1420 ℃。除此之外，注重如窯壓控制、鼓泡參數(shù)等輔助手段協(xié)調(diào)與配合的一致性，試驗研究開發(fā)出了一套“玻璃低溫強制熔化技術(shù)”，節(jié)能減排效果明顯，單位產(chǎn)品綜合能耗處于國內(nèi)領先水平。

1.2.4 玻璃熔窯火焰氣氛監(jiān)測與精準調(diào)控技術(shù)

隨著浮法玻璃和光伏玻璃熔窯的不斷擴大以及監(jiān)測技術(shù)的進步與創(chuàng)新，“火焰氣氛監(jiān)測與精準調(diào)控技術(shù)”越來越被重視，也使得氧化還原有序控制與分級燃燒技術(shù)更加直觀化、數(shù)字化。采用煙氣分析儀對大型玻璃熔窯火焰氣氛準確監(jiān)測、監(jiān)控，測定火焰氣氛中各種氣體化學成分，如O2、CO、CO2、 SO2、 NOX等。根 據(jù) 監(jiān) 測 結(jié) 果，優(yōu) 化 風 火 配比，精準控制火焰氣氛技術(shù)參數(shù)，有序控制氧化還原性，不失為一條節(jié)能減排的有效途徑。對各小爐廢氣進行實時準確監(jiān)測，并根據(jù)廢氣化學成分進行風火精準配比調(diào)控，優(yōu)化熔化工藝，可以使助燃風量達到最佳優(yōu)化配置，避免助燃風量過剩，產(chǎn)生多余的氮化物排放，造成大量熱量消耗和損失。1#小爐煙氣成分監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 1 #小爐廢煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.2.5 零碳粉超低芒硝玻璃新配方及生產(chǎn)技術(shù)

在玻璃熔窯日趨大型化和實施“雙碳”戰(zhàn)略的當今，開發(fā)低碳低硫節(jié)能玻璃新配方是一項非常重要且最直接的節(jié)能減排技術(shù)途徑。好的玻璃配方，不僅可以降低能耗，減少排放，降低成本，而且還可以提高質(zhì)量，提高成品率。通過優(yōu)異卓越的玻璃新配方提高玻璃質(zhì)量，提高成品率，也就起到了節(jié)能減排的效果。

針對鈉鈣硅無色浮法玻璃，鑒于節(jié)能減排的考慮，重點研發(fā)好熔化、易成形、抗霉變、強度高、不析晶等特點的玻璃新配方?；谝陨夏康?，采用REDOX控制技術(shù)，通過實驗室實驗與研究，逐步降低配料參數(shù)中的碳粉和芒硝含率，開發(fā)出了“零碳粉”、“超低芒硝”玻璃新配方，并在某玻璃集團2×1000 t/d浮法線上得到了很好的應用與推廣。零碳低硫節(jié)能減排玻璃新配方見表3。

表3 每100 kg石英砂各種原料用量及配比（質(zhì)量分數(shù)） %

表4 零碳低硫節(jié)能減排玻璃新配方產(chǎn)品性能檢測分析結(jié)果

隨機抽查調(diào)研國內(nèi)10家玻璃廠12條生產(chǎn)線，基本情況為：國內(nèi)A廠1000 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線芒硝含率為3.2%，碳粉含率4.0%。國內(nèi)B廠1200 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線芒硝含率長期維持在3.5%，碳粉含率4.5%。國內(nèi)部分玻璃企業(yè)配方配料參數(shù)對比見表5，與國內(nèi)浮法玻璃行業(yè)相對比，該玻璃新配方在全國節(jié)能減排的大形勢下，具有極高推廣應用價值。

表5 國內(nèi)部分玻璃企業(yè)玻璃配方技術(shù)參數(shù)對比

從表5可以看出，目前，仍有不少玻璃企業(yè)在玻璃配合料中不但添加了過量的碳粉，還添加了過量的芒硝。多余的碳粉燃燒會釋放大量CO2溫室氣體排放至大氣中，多余的芒硝則會分解釋放更多的SO2，危害人類賴以生存的生態(tài)自然環(huán)境。

1.3 需要重點推進的節(jié)能減排技術(shù)途徑

1.3.1 玻璃熔窯雙排鼓泡技術(shù)

針對目前的大型平板玻璃熔窯，冷態(tài)或熱態(tài)下安裝雙排鼓泡，實施玻璃的強制熔化、澄清和均化，可以有效提高熔窯熱效率，起到節(jié)約能源和減排的目的。如維持原拉引量不變，保持產(chǎn)能恒定不變，可以大大降低熱耗。雙排鼓泡預計可以降低能耗20%左右，換算后保守估計可以節(jié)能2.5%以上，相當于每年節(jié)約天然氣約2518500 Nm3，即年節(jié)約2859.66 t標煤，節(jié)碳1944.57 t“碳”，年減排7129.122 tCO2。

對于大型玻璃窯爐，在原有一排鼓泡系統(tǒng)的基礎上，再增加一組鼓泡系統(tǒng)，幾個月即可收回投資。該技術(shù)是目前節(jié)能減排比較有效的技術(shù)途徑之一。但是，在熱態(tài)下改造的技術(shù)難度和風險也是很大的，如熱態(tài)下池底打孔存在一定的風險。新的雙排鼓泡系統(tǒng)會打破原有的動態(tài)平衡，需要較高水平的技術(shù)專家及實力雄厚的技術(shù)團隊，重新探索試驗，通過摸索調(diào)整，逐步建立新的平衡，恢復、維護生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。因此，還存在較高的技術(shù)、生產(chǎn)與質(zhì)量風險。

1.3.2 玻璃熔窯綠電電助熔技術(shù)

玻璃電助熔技術(shù)是大型平板玻璃熔窯節(jié)能減排最為直接的技術(shù)方法和途徑。采用風電、光電、水電、余熱發(fā)電等綠電電能，應用于大型平板玻璃熔窯配合料熔化，提高熱效率，達到節(jié)能減排的目的。相對于玻璃窯爐，天然氣熱效率一般只有50%左右，而電極助熔的熱效率卻高達90%以上，熱效率提高近一倍。一般大型玻璃熔窯單窯電助熔投入功率3000～5500 kW，就可以達到顯著的節(jié)能減排效果。

1.3.3 玻璃退火窯余熱回收利用技術(shù)

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的要求日益緊迫，國內(nèi)對退火窯余熱回收利用的重視程度越來越高，退火窯余熱收集回收利用的應用研究也越來越多。通常將退火窯熱風收集送至助燃風，以便提高助燃風溫度，達到節(jié)能減排的目的。

1.3.4 玻璃配合料預熱技術(shù)

在國家“雙碳”戰(zhàn)略推動下，玻璃配合料壓塊?；图訜岜剡M程有望加快。通常情況下，玻璃配合料溫度一般控制在37 ℃左右甚至更低。三大熱工設備均有較多的熱量散發(fā)損失，如退火窯熱風、錫槽冷卻水、卡脖深層水包回水以及投料口散熱與風包、碹頂散熱、池底散熱等均可以回收利用加熱配合料。利用余熱提高配合料料溫，不但可以促進和加速配合料熔化，提高熔化速度和效率，而且還有利于節(jié)能和減排。將熔窯投料口及其投料池風包余熱收集，通過管路送到窯頭料倉供配合料加熱，窯頭夾層料倉熱氣和倉內(nèi)加熱錐再次對配合料加熱，可以將配合料溫度進一步的提高到45 ℃以上，是目前較為現(xiàn)實的節(jié)能減排技術(shù)途徑。

1.3.5 熔窯冷卻部余熱回收利用技術(shù)

冷卻部是玻璃熔窯控制緩慢散熱的焓熱巨大的容器，可以將其池底、胸墻以及碹頂散發(fā)的熱量通過精密、高效、可控制換熱器收集，加大加快焓熱回收利用。用于制汽、原料加熱、余熱發(fā)電、余熱制冷、超低溫發(fā)電等，是極具潛力的節(jié)能減排技術(shù)途徑，有待加快研究探索與開發(fā)利用。

除此之外，還有很多細節(jié)上的優(yōu)化、設備與控制的改善與創(chuàng)新、生產(chǎn)管理上的精益求精以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高，總成品率的增加，進而達到更好的節(jié)能減排的目的。

2 效果

某玻璃集團在2×1000 t/d熔窯上，通過節(jié)能技術(shù)途徑和措施，將單位產(chǎn)品綜合能耗降低至約9 kgce/重量箱，收到了較好的實施效果，達到了國內(nèi)領先水平，仍在進一步技術(shù)改造升級與國家能效標桿值攻堅，單位產(chǎn)品能耗將進一步降低，有望在全國玻璃行業(yè)率先達到國家標桿值8 kgce/重量箱以下，為全國玻璃行業(yè)起到引領示范帶頭作用。

3 結(jié)語

大型玻璃企業(yè)生產(chǎn)實踐證明，加強生產(chǎn)環(huán)節(jié)細節(jié)管理，做到精益求精，精細控制，提高玻璃生產(chǎn)管理過程的每個細節(jié)優(yōu)化改善，都有可能成為節(jié)能減排的有效途徑。