玻璃电熔化技术发展现状及趋势.pdf

研究与综述玻璃电熔化技术发展现状及趋势武丽华（河北建材职业技术学院秦皇岛0 6 6 0 0 4）摘要作为碳达峰行动的重点工业领域，玻璃行业的节能减碳是近几年迫切需要解决的问题，也是玻璃企业技术改造升级的主要方向。先进的熔化技术是玻璃生产中节能减碳的主要途径和有效手段，电熔化技术也再一次受到广泛关注。基于玻璃电熔化的原理，对比了熔化及电极种类，总结了电熔化技术的发展历程，并对国家相关鼓励政策和标准进行了梳理，以期对电熔化技术在玻璃行业的应用起到推广作用。关键词玻璃；电熔化；电熔窑；电极中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：10 0 3-19 8 7（2 0 2 3）0 6-0 0 0 10 6Development Status and Trend of Glass Electromelting TechnologyWU Lihua(Hebei Construction Material Vocational and Technical College,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:As the key industrial field of carbon peak action,the energy saving and carbon reduction in theglass industry have become an urgent problem to be solved in recent years,and it is also the main directionfor technological transformation and upgrading of glass enterprises.Advanced melting technology is the mainway and effective means to save energy and reduce carbon in glass production.Based on the principle ofelectromelting of glass,compares the types of melting and electrodes,summarizes the development historyof electromelting technology,and sorts out the relevant policies and standards of national encouragement,hoping to play a role in the application and promotion of electromelting technology in glass industry.Key Words:glass,electromelting,electromelting kiln,electrode玻璃行业是国民经济的主要基础产业，是改1玻璃电熔化原理善人居条件、治理生态环境和发展循环经济的主要支撑。我国是世界最大的玻璃生产国和消费国，平板玻璃等主要产品产量长期居于世界首位。由于产业规模大、窑炉工艺特点等原因，玻璃行业也是工业能源消耗和碳排放的重点领域，是我国碳减排任务主要行业之一。玻璃行业实现碳达峰对工业乃至全社会如期实现碳达峰目标至关重要。通过燃料替换、高效用能、原料替代、碎玻璃回收等方式释放巨大的节能、减排潜力。目前，电熔化技术逐渐成为行业的发展方向。玻璃的电熔化是基于其在8 0 0 90 0 成为电导体的特性，电导率随温度升高而增加。因此，玻璃通过焦耳效应加热，熔融玻璃构成电阻，电流由嵌人液态玻璃中的电极产生。即熔融玻璃液含有碱金属钠离子、钾离子，它具有导电性能。当电流通过时，会产生焦耳热，若热量足够大，则可以用来熔化玻璃。当用电熔化玻璃时，熔融的玻璃液充当电阻器，在不改变功率的情况下，调整电极间距会影响焦耳热释放到玻璃中的电阻。基金项目：2 0 2 2 年大中学生科技创新能力培育专项项目，项目编号：2 2 E50362D作者简介：武丽华（198 3-），女，副教授，硕士，研究方向：建筑材料工程技术、高职教育。1全国性建材科技期刊一一玻璃玻璃电熔窑就是利用玻璃高温能导电的特性，通过玻璃液产生的焦耳热来实现玻璃熔化的设施。在单位时间内，窑内所产生电热效应的焦耳热符合焦耳-楞次定律，与通过玻璃液内的电流二次方成正比，与玻璃液的电阻成反比。其数学表达式为：q=irt式中：q电流通过导体所产生的热量，J;i一一通过导体的电流，A；导体的电阻，2;t一一电流所通过的时间，s。在全电熔化过程中，配合料熔化的化学反应热、物理热、窑墙的热损失、电极冷却水所带走的热量，以及其它热散失都由电热效应所产生的焦耳热来完成。全电熔玻璃熔窑热输入和热输出的热平衡关系见表1。表1全电熔玻璃熔窑的热平衡关系热量输入热量输出玻璃熔化耗热Q熔窑散热Q电热效应所产生的热量Q电极冷却水带走热Q：其他热损失Q4热平衡公式：Q=Q+Q,+Q+Q42王玻璃电熔化及熔化电极种类2.1王玻璃电熔化及种类玻璃电熔化，是用电能熔融玻璃液或辅助熔融玻璃液或加热玻璃液的熔化方式。根据电能熔融玻璃液的方式，可分为全电熔化、“燃料+电”混合熔化和电辅助加热熔化。2.1.1全电熔化全电熔化是在高温玻璃液中由电极输入交流电，通过玻璃液中的离子导电所产生的焦耳热直接将配合料熔制玻璃的熔化方式。全电熔化根据电熔窑顶部的温度可以分为热顶电熔化、半冷顶22023年第6 期总第38 1期电熔化和冷顶电熔化。目前，广泛使用的是冷顶电熔化。（1）全电熔化优点与高效的化石燃料火焰窑相比，全电熔窑在设计方面比较简捷，不需要高大的烟卤，也不需要烟道和蓄热室。在熔化过程中，不会释放与燃烧相关的CO2、NO x 或SO,排放物。在熔制氟玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃以及类似的含有高挥发性成分的玻璃时，挥发性和昂贵原材料的蒸发量少，使废气净化更加容易；与火焰熔窑的水平熔化相比，电熔窑的熔化方式是垂直熔化，全部玻璃液都经历了相同的热周期，熔制均匀度好，有益于提高产品质量；电熔化是由电极在玻璃液中进行内部加热，单位面积玻璃熔化率高，电能热效得到了充分利用，节约了能源。（2）全电熔化缺点为了启动电熔化过程，需要与日用玻璃和浮法玻璃火焰熔窑一样进行烤窑升温至玻璃液中的离子呈活跃状态；全电熔化还需要稳定、可靠的电网；为了降低碳足迹，电力应使用绿电（再生能源电力）而不是化石燃料发电厂的灰电，至少要使用蓝电。需要精心维护电极，以防磨损导致更高的电阻。有资料表明，电熔化不太适宜生产棕色玻璃，因为电熔窑中的高浓度氧气改变了原子水平的化学反应，产生蓝色而不是棕色玻璃。2.1.2电辅助加热熔化电辅助加热熔化是通过浸渍电极增加额外的电加热来改善火焰熔窑熔化能力和玻璃液品质的一种辅助熔化方式。一般电极安装在熔窑的池壁或池底上，其电极位置对玻璃液的均化质量至关重要。电辅助加热现已在玻璃工业尤其是瓶罐玻璃熔窑中广泛使用。（1）电辅助加热熔化优点在熔化正常时，采用电辅助加热技术既可增加玻璃熔窑的出料量，也可在玻璃熔窑后期蓄热室格子体被堵塞或熔窑内的燃烧系统恶化时，仍研究与综述能保持熔窑初期的出料量以及增加出料量；采用够的机械强度，至少在8 0 0 时不会被空气氧化；电辅助加热可使熔窑所熔化出的玻璃液均匀度提具有与金属相当的电导率，与玻璃液接触高，在熔制深色玻璃时可以减少结石的产生；可电阻率低；以降低熔窑上部的温度，使熔窑的寿命延长以及具有足够的耐急冷急热性，膨胀系数低；减少配合料中原料的挥发损失；可以减少化石燃与玻璃液润湿性能好，不污染玻璃液，不料的使用量，使空气的污染减少。不需要电助熔与耐火材料起反应；时，可以随时停止供电，不再消耗任何电能。价格成本合理。（2）电辅助加热熔化缺点熔化电极的材质、分区、数量、尺寸、位与火焰窑熔化相比，电辅助加热熔化可能会置、浸没和电连接布置是关键。就全球而言，主增加成本；不需要电助熔时没有及时停止供电，要的熔化电极材料中最早使用的是石墨（19 2 0可能会造成能源浪费，甚至影响玻璃质量。年），然后是纯铁（192 5年）、钼（1932 年），2.1.3火电混合电熔化最后是氧化锡（196 4年）。火电混合电熔化是燃料火焰熔化和电熔化相其中石墨电极在池窑内使用时间较长，损坏结合的一种熔化方式。即在配合料上部空间采用时浮于液面，化学稳定性好，而且成本低，在很长燃料加热，在配合料层下面玻璃液中采用电极通一段时间内在欧洲各国多有采用，不过因为污染玻电加热。火电混合电熔化技术与电辅助熔化的区璃液，现在基本上已被淘汰；纯铁电极比较粗大，别在于：火电混合电熔化技术是以电熔化为主，且在损坏时沉人池底，难以取出，没有得以发展。火焰熔化为辅；而电辅助熔化则相反。目前，使用最广泛的就是钼电极和氧化锡电极。据报道，欧洲玻璃容器联合会的“未来的熔2.2.2钼电极窑”项目，由2 0 家欧洲玻璃包装制造商联合打造目前，许多全电玻璃熔窑和火焰辅助电玻璃首个使用8 0%绿色电力运行的大容量混合电熔熔窑均采用纯钼材料制成的电极，钼电极是熔化窑，旨在将容器玻璃生产相关的二氧化碳排放量钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃的常用电极。它具有更减少50%。高的工作温度（高达2 0 0 0）和表面电流强度。我国也将“大型玻璃熔窑大功率火-电”钼电极具有热膨胀系数低、导电导热性能复合熔化技术”列人高耗能行业重点领域节能好、熔点高（2 6 2 0）、纯度高、不影响玻璃制降碳改造升级实施指南（2 0 2 2 年版）等政府部品的颜色或透明度、抗氧化和抗蠕变、对熔融玻门文件中。璃的耐蚀性等一系列优良性能。2.2班玻璃熔化电极及种类2.2.1玻璃熔化对电极的要求玻璃电熔技术的发展相当大的程度取决于电极材料的选择。玻璃熔化电极作为电阻加热元件，浸没在熔融玻璃液中并使材料保持在适当的加工温度，实现玻璃液熔化、均化和成形。电熔化对电极材料的一般要求：在不考虑氧气分压和电流负载的情况下，能承受的温度为17 0 0，并在17 0 0 以下具有足钼电极的质量对成品玻璃的质量至关重要。钼电极表面光滑致密，呈灰色金属光泽，密度大于10.15g/cm，M o 含量大于99.995%，表面电流密度适中（1.0 0.7 A/cm）。不允许电极腐蚀产物给成品玻璃带来染色、石子、条纹等缺陷。在电极和熔融玻璃液的接触过程中，不允许有气泡。2.2.3二氧化锡电极二氧化锡电极是一种烧结陶瓷材料，属N型半导体，高温导电性能良好，利用熔融玻璃液具3全国性建材科技期刊一一玻璃有一定电阻的特性，通过氧化锡电极对熔融玻璃液通电，使其产生焦耳热来达到不断熔化玻璃液的目的。二氧化锡电极体积密度6.38 6.58g/cm；抗弯强度室温1155kg/cm、10 0 0 6 41kg/cm、12 0 0 16 6 k g/c m、140 0 95 k g/c m;热膨胀率（12 0 0）0.6 9%；应用温度范围可达1650，具有高导电性和高耐腐蚀性，一般为直径50 150 mm，长度10 0 50 0 mm的棒材。大约在196 4年，棒状氧化锡电极投入工业应用，它既能熔制冕类及含铅量低于30%的玻璃，又能熔制高含铅量的玻璃及其它材料。能使同座熔窑在一个窑期内生产不同类型的产品，以提高窑炉的利用效率。尤其适合于火石类玻璃（含铅玻璃）、钡火石、钡冕以及重冕玻璃的熔化，另外还用于变色眼镜片、超薄眼镜片（折射率为1.7）的生产，对玻璃不产生污染。3玻璃电熔化发展过程3.1世界玻璃电熔化发展过程早在18 8 2 年，就有人提出利用电能来熔制玻璃。190 2 年，沃尔克（Voelker）以其利用电流通过配合料产生的热来熔化未熔化的玻璃而获准一个基本专利。190 5年，法国的索维吉昂（Sauvegeon）试验石墨电极熔化窗玻璃，并在19 0 7 年获得专利。期间190 5年，俄国索瓦仁也提出了利用玻璃液自身的电阻来进行电热熔制玻璃；190 9一192 0年，俄国列杰尔斯在研究了11年以后建造了1座实验性的熔窑，装机容量为6 9kVA，产量10 0 kg/d。1925年，他又组建了一个工厂，规模为510 t/d。1920年，挪威雷德（Raeder）成功实现了石墨电极熔化瓶罐玻璃。192 5年，瑞典科尼利季斯（C o r me l j u s）父子曾用纯铁作为电极熔制琥珀色玻璃和绿色玻璃；同年，挪威奥斯陆大学首座实用电熔窑问世。1932 一1940 年，弗格森（Fergvson）采用“T”型熔窑从事电熔玻璃的研究，试用水冷钼电极。1942 年，美国康宁（Corning）公司开始42023年第6 期总第38 1期推广钼电极才使电熔技术发展到一个新阶段；二次世界大战期间为解决燃料的短缺，瑞士的波兰耳（Borel）对电熔技术做了大量的研究终于获得成功，并由法国圣戈班（StGobain）公司加以推广。二次大战后，由佩恩伯瑟（Penberthy）设计的钼电极系统，于1952 年开始广泛采用。1956 年，英国的格耳（Gell）和汉恩又推出使用板式钼电极。由此，全电熔窑和电助熔窑因其技术上的成熟而在欧美国家获迅速推广。196 9年，德国索尔格（So r g）公司和美国Corning（康宁）公司同时研制成功VSM垂直熔化全电熔窑。上世纪7 0 年代和8 0 年代欧美地区全电熔窑发展迅猛。自196 9年起，每隔3年在捷克召开一次国际玻璃电熔会议。3.2我国玻璃电熔化发展过程我国在上世纪7 0 年代末开始进人玻璃电熔技术的研究（据文献，轻工业部玻璃塘瓷工业科学研究所在7 0 年代就开始试验不到1t/d的全电熔保温瓶玻璃，直到198 2 年正式立项研究，198 5年电熔技术通过研究鉴定）。据不完全统计，上世纪80年代，我国先后引进了12 条全电熔生产线，除昆明平板玻璃厂于19 8 8 年从英国KTG公司引进的120t/d全电熔彩色浮法玻璃生产线外，其它均为钙玻璃器皿、玻璃瓶罐等日用玻璃生产线，如上海玻璃器皿一厂从德国SORG公司引进的6 t/d铅玻璃电熔生产线、大连玻璃器皿厂和北碚玻璃器皿厂从英国KTC公司引进的铅玻璃全电熔生产线。就规模而言，除昆明浮法玻璃生产熔窑12 0 t/d外，其他窑炉规模为3 30 t/d。我国也组织国内科研技术力量自行研究建设了一批国产化的玻璃电熔生产线，其中规模较大的首推贵州玻璃厂与国家建材部南京玻璃纤维研究所联合设计建造的贵州玻璃厂30 t/d乳白玻璃电熔生产线，该项目1992 年8 月正式建成投产，荣获国家科技进步二等奖。目前，我国拥有一批电熔窑研发、生产、制造的科研机构和企业。中国日用玻璃协会、上海硅酸盐学会、东华研究与综述大学在2 0 0 2 年、2 0 0 4年成功举办了全国玻璃电熔4我国玻璃电熔化的鼓励政策及标准技术研讨会，为我国玻璃电熔技术的发展起到了积极的促进作用。2 0 0 6 年举办了国际玻璃电熔技术专题研讨会。值得提及的是，昆明平板玻璃厂于198 8 年从英国KTG公司引进了全电熔彩色浮法玻璃生产线（1992 年8 月点火投产），由于电熔窑本身结构的原因，融化的玻璃液均匀性差，澄清均化不充分，直接影响质量，2 0 0 5年昆明玻璃股份有限公司决定将其改造为燃油生产线，2 0 10 年8 月竣工环保验收。影响我国玻璃电熔化技术发展及普及缓慢的一个重要因素是电力紧缺。发文日期指导目录名称2011年3月2 7 日产业结构调整指导国家发展改革委25、节能环保型玻璃窑炉（含全电熔、电助熔、全氧燃烧技术）的设计、应用；废目录（2 0 11年本）第9号令2013年2 月16 日国家发展改革委目录（2 0 11年本）第2 1号令修正版2019年10 月30 日产业结构调整指导国家发展改革委21、节能环保型玻璃窑炉（含全电熔、电助熔、全氧燃烧技术、NO产生浓度12 0 0目录（2 0 19年本）第2 9号令鉴于我国“双碳”工作深入展开，近期国家出台了一系列的指导和鼓励政策措施，其中玻璃电熔技术被列人其中。2022年1月2 9 日，国家发展改革委、国家能源局印发“十四五”现代能源体系规划（发改能源【2 0 2 2】2 10 号）提升终端用能低碳化电气化水平。全面深人拓展电能替代，推动工业生产领域扩大电锅炉、电窑炉、电动力等应用，加强与落后产能置换的衔接。2022年2 月3日，国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、国家能源局关于发布高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南4.1手我国玻璃电熔化的鼓励政策我国一直鼓励玻璃电熔化技术发展，“玻璃电熔技术”被国家科委列入“九五”期间国家重点成果推广项目。2 0 0 3年4月，东华大学被国家科技部认定为国家科技成果重点推广项目“玻璃电熔技术及其成套装备”技术依托单位。从2 0 11年发布的产业结构调整指导目录（2 0 11年本）起，“节能环保型玻璃窑炉（含全电熔、电助熔、全氧燃烧技术）的设计、应用”一直被列入产业结构调整指导目录鼓励类，文件及相关内容见表2。表2 玻璃电熔窑列入产业结构调整指导目录鼓励类玻璃电熔窑相关内容十九、轻工（碎）玻璃回收再利用产业结构调整指导十九、轻工25、节能环保型玻璃窑炉（含全电熔、电助熔、全氧燃烧技术）的设计、应用；废（碎）玻璃回收再利用十九、轻工mg/m的低氮燃烧技术）的设计、应用；玻璃熔窑DCS节能自动控制技术（2 0 2 2 年版）的通知（发改产业【2 0 2 2 200号）中“二、工作方向（一）加强先进技术攻关，培育标杆示范企业。研究玻璃行业节能降碳技术发展方向，加快研发大型玻璃熔窑大功率火-电复合熔化技术.”2022年7 月7 日，工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部关于印发工业领域碳达峰实施方案的通知（工信部联节【2 0 2 2】8 8 号），在工业领域碳达峰实施方案中“二、重点任务（五）深人推进节能降碳推动工业用能电气化。综合考虑电力供需形势，拓宽电能替代领域，在铸造、玻璃、陶瓷等重点行业推广电锅炉、电窑炉、电加热5全国性建材科技期刊一一玻璃等技术”；“三、重大行动（十）重点行业达峰行动。2.建材。严格执行水泥、平板玻璃产能置换政策，依法依规淘汰落后产能。加快全氧、富氧、电熔等工业窑炉节能降耗技术应用”。2022年9月2 日，中国建筑材料联合会关于印发 的通知建材工业“十四五”发展实施意见中“三、重点任务（三）提升创新发展水平，推动产业基础高级化1、攻克关键核心技术：玻璃研发推广玻璃熔窑全氧燃烧技术、电熔窑技术、熔窑电助熔技术”。2022年11月2 日，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、生态环境部、住房和城乡建设部关于印发建材行业碳达峰实施方案的通知（工信部联原【2 0 2 2】149号）中“二、重点任务研发大型玻璃熔窑大功率火-电复合熔化，以及全氧、富氧、电熔等工业窑炉节能降耗技术。”2022年11月2 0 日，中国建筑材料联合会行业工作部发布平板玻璃行业碳减排技术指南中“五、平板玻璃行业节能降碳技术路径及预期效果：采用电助熔技术，利用高效率的电能代替部分火焰加热，同时可减少烟气生成量，减少烟气带走热量。六、不同能耗水平玻璃企业技术改造提升建议：设置池底电助熔系统，对于6 0 0 t/d熔窑，若安装电助熔功率30 0 0 kW，使用绿电可代替约2 0%燃料，节能约5%。七、未来平板玻璃企业碳减排技术展望：（一）加快研发玻璃熔窑利用氢能成套技术及装备、浮法玻璃工艺流程再造技术、玻璃熔窑窑外预热工艺及成套技术与装备、大型玻璃熔窑大功率火-电复合熔化技术。”4.2我国玻璃电熔化标准情况我国现行的玻璃熔化用钼电极标准为行业标准YS/T13122019钼电极。2 0 19年8 月2 日发布，2 0 2 0 年1月1日实施。我国现行的全电熔玻璃窑炉的标准为行业标准QB/T5640一2 0 2 1全电熔玻璃窑炉通用要62023年第6 期总第38 1期求，该标准适用于日产玻璃液不大于10 0 t全电熔玻璃窑炉的设计和制造，就全电熔玻璃窑炉的术语和定义、分类和命名、要求、试验方法等提供相关标准，于2 0 2 1年12 月2 日发布，2 0 2 2 年4月1日起实施。2023年5月1日实施的HJ1281一2 0 2 3玻璃工业废气治理工程技术规范中要求玻璃工业废气治理应源头控制，“宜使用含硫量低的优质清洁燃料，在满足生产工艺要求的情况下优先选用电或天然气”。5结语目前，就全球而言，10 0 t/d及以下的全电熔窑及熔化技术已非常成熟；2 0 0 2 50 t/d的全电熔玻璃熔窑已有经过验证的技术和运营经验，极少数设计单位还拥有30 0 350 t/d全电熔窑的概念设计。最关键的，全电熔窑并不像火焰窑那样可以将中小型熔窑的成功设计进行较为简单地放大，不建议盲目冒进。全电熔窑在实际运行过程中，如果日出料量过大，易出现“冰芯”现象，也就是熔窑的中心区域会出现能量分配不足的“能量缺口”现象，并且熔窑越大此现象越明显，从而对玻璃液的滞留时间、石英砂的熔解质量、玻璃液的混合均匀度及气泡排出等产生负面影响，最终影响玻璃的熔化品质。鉴于以上因素，国家鼓励“研发大型玻璃熔窑大功率火-电复合熔化”技术是玻璃电熔化的主要攻关方向，节能减碳效果将会非常显著。参考文献1马玉聪.浮法玻璃大功率电熔化工艺可行性分析 .玻璃，2022,49(06):21-24.【2 张守和，陈兴孝，石景作，等.国内日用玻璃窑炉炉型及应用概述 J.玻璃塘瓷与眼镜，2 0 2 2,50（0 4）：39-41.3】姜传德.玻璃电熔技术 J.玻璃与糖瓷，198 5（0 3）：44-53.【4黄利光，陈金方，玻璃电熔窑炉的分类和现状 .玻璃，2012,39（12）:37-39.【5陈金方，编著.玻璃的电熔化与电加热 M.上海：华东理工大学出版社，2 0 0 2.