碳中和背景下玻璃行業(yè)綠色生產(chǎn)研究
——電熔化技術(shù)

邢艷

（秦皇島市生態(tài)環(huán)境局北戴河區(qū)分局 秦皇島 066100）

0 引言

我國平板玻璃產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年保持世界第一，玻璃產(chǎn)品在建筑、汽車、航空航天、精密加工、軍事、通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［1-5］。玻璃行業(yè)具有高能耗、高污染的特點［6］，在國家碳中和背景下，加快實施減排措施，發(fā)展低碳排放技術(shù)事關(guān)玻璃加工企業(yè)長久發(fā)展。玻璃生產(chǎn)中主要耗能設(shè)備為玻璃熔窯，約占玻璃生產(chǎn)能耗總量75%，提高熔窯效率、減少燃料使用、降低碳排放是玻璃生產(chǎn)中節(jié)能減排的重點環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)耐火材料制備的玻璃熔窯普遍采用煤氣、重油和空氣為燃料，存在玻璃熔化過程溫度高、流程周期長、窯體保溫性差、耗費燃料多、窯爐損耗高等缺點，且生產(chǎn)過程同時產(chǎn)生氮氧化物、硫氧化物和煙塵等有毒有害氣體［7］，嚴重污染環(huán)境。自上世紀80年代，我國從國外引進并研制新型玻璃電熔化技術(shù)，經(jīng)過多年技術(shù)積累目前已經(jīng)達到國際先進水平，能量利用率可達80%以上，在實現(xiàn)低能耗生產(chǎn)的同時，不僅延長了企業(yè)玻璃熔窯使用壽命，而且顯著降低了有害煙氣排放。

1 玻璃電熔化技術(shù)發(fā)展歷程和政策背景

1.1 玻璃電熔化窯爐發(fā)展歷史

玻璃在高溫下可由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，熔融玻璃液內(nèi)部有鈉、鉀等導(dǎo)電的堿性金屬離子。1902年，德國人沃爾克（Voelker）最先采用電流通過玻璃配合料，利用產(chǎn)生的熱量熔化玻璃。1920年，挪威人雷德（Raeder）利用石墨電極實現(xiàn)了全電玻璃熔化。1925年，瑞典人科尼利磯斯（Corneljus）使用純鐵為電極燒制了琥珀色和綠色玻璃。該電熔玻璃窯在燒制玻璃時，令配合料在熔化的玻璃液頂層漂浮。當玻璃液高大于鐵塊電極位置時撤去爐蓋。由于鐵電極可以使玻璃著色，因此這種熔窯能用于熔化有色玻璃。在第二次世界大戰(zhàn)時，嚴重的燃料短缺問題限制了玻璃產(chǎn)量，瑞士人博雷爾（Borel）進一步發(fā)展了玻璃電熔化技術(shù)并成功在法國應(yīng)用推廣。二戰(zhàn)結(jié)束后，佩恩伯瑟（Penberthy）和英國的格爾（Gell）分別設(shè)計了用于玻璃電助熔及全電熔的鉬棒及板狀鉬電極。目前全球已經(jīng)有超過百余座全電熔窯，產(chǎn)量也從4 t/d發(fā)展至120 t/d。在小型化方面，近二十年來技術(shù)人員開發(fā)出了全新的微型電熔窯用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃，熔化量可到達10 kg/h。

1.2 我國玻璃電熔化窯爐發(fā)展過程

自上世紀70年代，我國已經(jīng)開始了玻璃電熔化技術(shù)的研究［8］，原輕工業(yè)部下屬的玻璃搪瓷研究所于1985年完成了全電熔玻璃窯試制工作。在上世紀80年代，昆明平板玻璃廠從英國KTG公司引入了全電熔浮法玻璃生產(chǎn)線，年產(chǎn)有色玻璃62萬箱，并于1991年通過省級玻璃品質(zhì)驗收。上海玻璃器皿一廠引入了德國SORG公司鉛玻璃電熔生產(chǎn)線。大連玻璃器皿廠和北碚玻璃器皿廠同樣引入了產(chǎn)值3～30 t/d的KTG公司全電熔玻璃生產(chǎn)線［9］。2008年，阜新與秦皇島凱維科技有限公司合作，成功投產(chǎn)500 t/d電助熔浮法生產(chǎn)線，一級玻璃品率提升至88%，2011年，河北承德華富玻璃公司調(diào)試出30 t/d的乳白玻璃全電熔生產(chǎn)線。此外，我國南京電氣集團的玻璃絕緣子窯爐和石家莊寶石電子集團的顯像管玻璃尾管窯爐都采用了電助熔系統(tǒng)。2018年，泰山玻纖廠采用電助熔技術(shù)將玻璃能耗成本降低了30%以上，大幅改善了成品質(zhì)量［10］。

1.3 我國玻璃電熔化技術(shù)政策背景

我國一直鼓勵發(fā)展玻璃電熔化技術(shù)，2003年4月，國家科技部認定東華大學(xué)主導(dǎo)的“玻璃電熔技術(shù)及其成套裝備”項目為國家科技成果重點推廣項目，連續(xù)數(shù)年被國家科技部評定為科技成果重點推廣項目。2011年3月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》中十九節(jié)第25條明確提出，支持節(jié)能環(huán)保型玻璃窯爐的設(shè)計與應(yīng)用。2022年1月，國家發(fā)展改革委和國家能源局在《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（發(fā)改能源〔2022〕210號）中指出，要大力推廣工業(yè)領(lǐng)域中電動力、電鍋爐和電窯爐的應(yīng)用，及時推陳出新，加強與落后產(chǎn)能置換的銜接。此外，工業(yè)和信息化部分別聯(lián)合國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》及《關(guān)于印發(fā)建材行業(yè)碳達峰實施方案的通知》中明確指出，在鑄造、玻璃等行業(yè)中積極推廣電熔窯、電加熱和“火-電”復(fù)合熔化技術(shù)，進一步推動玻璃行業(yè)節(jié)能減排。中國建筑材料聯(lián)合會行業(yè)工作部在根據(jù)《關(guān)于嚴格能效約束推動重點領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域能效標桿水平和基準水平（2021年版）》《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022年版）》制定平板玻璃行業(yè)碳減排技術(shù)指南：要求企業(yè)加快推進平板玻璃行業(yè)節(jié)能降碳步伐，充分考慮生產(chǎn)企業(yè)自然環(huán)境和地理位置特點，優(yōu)先使用風電、光電技術(shù)、風光儲技術(shù)，加快突破大型玻璃熔窯大功率“火-電”復(fù)合熔化技術(shù)，提升企業(yè)能源“自給”能力，減少對化石能源及外部電力依賴，及時淘汰未能按期改造完畢的項目。

2 玻璃電熔化技術(shù)

玻璃電熔化技術(shù)是指將電能轉(zhuǎn)換為熱能實現(xiàn)熔融玻璃液的方式，目前電熔化技術(shù)主要有全電熔化和電助熔兩種方式。

2.1 全電熔化

全電熔化是在高溫玻璃液中輸入交流電，因玻璃液中通常含有鈉、鉀離子等堿性金屬離子，通過離子導(dǎo)電產(chǎn)生的焦耳熱直接熔融玻璃液的方式。

全電熔化技術(shù)的優(yōu)點：其窯爐結(jié)構(gòu)簡單，常用的窯爐結(jié)構(gòu)有矩形、多邊形、圓形等，窯深通常為1～3 m。全電熔化技術(shù)顯著降低了傳統(tǒng)玻璃窯中氮氧化物、硫氧化物和粉塵的排放。在制備如含鉛玻璃、硼硅酸鹽玻璃等含高揮發(fā)性成分的產(chǎn)品時，排放煙氣的清潔處理系統(tǒng)也明顯簡化。全電熔化技術(shù)的缺點：玻璃溶液中鈉鉀離子濃度較高容易導(dǎo)致玻璃電導(dǎo)率偏高，當熔化溫度升高時，玻璃電阻變低從而限制了大功率電熔技術(shù)的能力。全電熔化技術(shù)還面臨溫度檢測困難的問題，由于電熔窯內(nèi)玻璃液體積較大，通常為數(shù)噸至數(shù)十噸，因此整窯玻璃液溫度變化時間較長，溫度檢測偏差較高，易造成澄清不良，且澄清劑的引入會導(dǎo)致電極腐蝕。

2.2 電助熔

電助熔是通過選擇恰當?shù)牟牧献鲭姌O，將電能通入玻璃液從而熔化的方法。將電熔化和燃料兩種方式結(jié)合，利用部分電能對玻璃液加熱可以兼具低煙氣排放和低成本兩項優(yōu)點。電極一般安裝在熔窯的池壁或者池底上，其安裝位置對玻璃液的均化澄清意義重大。使用電助熔技術(shù)可以增加玻璃窯爐的出料量，提高玻璃液的均勻度，減少結(jié)石的產(chǎn)生，延長窯爐的壽命，但是與傳統(tǒng)火焰窯相比，電助熔可能會增加成本。

3 玻璃電熔化技術(shù)中電極的選取

玻璃電熔技術(shù)中電極的選取、布置和負載意義重大，需充分考慮電極材料的適用性和可靠性，在加熱時浸入熔融玻璃液中需要具備耐高溫、電導(dǎo)率高、與玻璃液接觸電阻率低、膨脹系數(shù)低、與玻璃液潤濕性能好、不與耐火材料起反應(yīng)等特點、并且造價合理。

在電熔化技術(shù)發(fā)展初期，石墨電極由于其化學(xué)穩(wěn)定性好、加工簡單、造價低、損耗小等被廣泛應(yīng)用，但由于石墨電極會污染玻璃液而被逐漸淘汰，目前電熔化技術(shù)廣泛采用的電極通常為鉬材料和二氧化錫材料制成。鉬屬于高熔點金屬一族，其原子結(jié)合能極高，具有高熔點、低蒸汽壓、高彈性模量和高溫穩(wěn)定性良好等特點。鉬電極的質(zhì)量對玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，鉬電極表面平滑致密、導(dǎo)電性良好、通體呈灰黑色，要求Mo含量大于99.995%，在電熔窯中的工作溫度高達2000 ℃，在高溫玻璃液中的化學(xué)穩(wěn)定性良好，是熔化鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃的常用電極。二氧化錫是四方晶系的正方形晶體，屬于N型半導(dǎo)體燒結(jié)陶瓷電極。純二氧化錫材料電阻率受溫度影響較小，不宜做導(dǎo)電陶瓷，且燒結(jié)過程易發(fā)生收縮變形導(dǎo)致其制備難度大，近數(shù)十年來研究人員通過摻雜氧化鋅和銻等金屬離子并結(jié)合等靜壓成型等技術(shù)顯著改善了其導(dǎo)電性能和燒結(jié)性能，極大地推廣了二氧化錫電極的應(yīng)用。在1000 ℃以上時，二氧化錫電極導(dǎo)電能力強，接近金屬，錫元素的電位較高不易被玻璃液中的金屬離子置換，且不會污染玻璃液，不易對玻璃液產(chǎn)生著色，依據(jù)種種優(yōu)點，二氧化錫電極已經(jīng)發(fā)展成為玻璃電熔化技術(shù)中電極材料的主流選擇。

4 結(jié)語

玻璃電熔化窯爐相比傳統(tǒng)燃料窯爐在成品質(zhì)量、經(jīng)濟成本、綠色發(fā)展等多方面具有獨特優(yōu)勢，是玻璃行業(yè)碳達峰目標下未來的重點發(fā)展方向。隨著行業(yè)交流的不斷深入和技術(shù)儲備的長期積累，大型電熔玻璃窯爐的耐火材料、電力設(shè)備及高精度溫控系統(tǒng)技術(shù)的突破將有望實現(xiàn)電熔化玻璃技術(shù)效率和品控的進一步發(fā)展。