新型的空中玻璃熔化技术

陈国平， 冯敏鸽， 李启甲， 殷海荣

(陕西科技大学材料科学与工程学院, 陕西 西安 710021)

0 引 言

目前绝大部分玻璃采用熔融法生产，即将玻璃配合料在玻璃熔窑中加热至高温后熔化澄清，形成无气泡且成分均匀的玻璃液，然后经吹制、压制等方法定形，继而缓慢退火冷却至室温成为各类玻璃制品.玻璃液在熔窑中高温状态下的时间(即窑内平均停留时间)因制品不同而异，瓶罐及器皿约需1.5天，汽车用板玻璃约5天，液晶显示器用玻璃则长达7天[1].玻璃在制造过程中所消耗的能量大部分集中于熔化阶段，因此，玻璃生产的节能与玻璃配合料的熔化过程直接相关.本文首先概述了现行的蓄热式玻璃窑炉节能开发的方向，然后介绍了世界各国目前在玻璃熔化节能方面新的研究动态，并重点介绍了新型的空中玻璃熔化技术.

1 节能型玻璃熔化技术

1.1 节能开发方向

玻璃生产中降低玻璃熔化中的能耗，不仅能降低玻璃的生产成本，而且对环境的改善十分有利.目前国内外有关节能方面的研究方向主要有：(1)可在较低温度下熔化的实用玻璃组成；(2)充分利用回收余热；(3)提高火焰向配合料及玻璃液的传热效率；(4)通过改进玻璃窑炉用耐火保温材料，提高保温效果，减少窑体散热.其中(1)为组成设计问题，与玻璃熔化技术无直接关系，可采用新的配料与反应途径以及加入活性原料等节能措施[2]，也可通过计算机模拟对组成进行优化.(2)、(3)、(4)与熔化技术直接相关，对此现行使用的蓄热式池炉已基本上达到极限.

现行使用的蓄热式熔窑的技术可对应各种产品和规模，拥有多种形式的熔窑类型，采用火焰辐射加热玻璃原料，所产生的烟气余热由蓄热室装置回收.蓄热室将回收的热量蓄积至格子砖内，换向后再对空气进行预热，从而提高热效率.经过几十年的改造这些技术已相当成熟，蓄热式熔窑的热效率已达到30%以上，接近于极限程度.

美国玻璃行业组织工业协会(GMIC)在2002年的调查报告中指出不同炉型进一步节能的期望值，蓄热式熔窑最高为20%，未采用蓄热进行热回收的全氧燃烧玻璃熔窑可达40%.美国的电价相对低廉，氧气制造成本低，中等规模的熔窑已普遍采用全氧燃烧直接加热.中国在制氧成本上相对较高，全氧燃烧玻璃熔窑仅在一些附加值较高的玻璃产品生产中使用，尚未达到普及的程度.另外采用高档次的耐火材料及较精确的热工自动控制，加强熔窑操作管理，也可进一步节能，但节能幅度不会太大.综上所述今后节能的方向应摆脱蓄热式熔窑的思路，另辟新径采用新的具有更高热效率的非蓄热式玻璃熔化技术.

1.2 非蓄热式熔窑熔化技术

(1)以快速熔化和澄清为方向的熔窑.这种熔窑是由各个单一功能反应处理池连接的单元型窑，以快速熔化与澄清为方向,由Owens Illinos公司于1972年开发，其后经多次改造,包括原料加料装置、带搅拌的初步熔化的大型混合型熔化器、均化用的小型混合型熔化器、澄清池，用离心分离器除去玻璃中气泡，日产量达12 t，采用直接通电加热方式.玻璃液在反应处理池的停留时间长达40 min，但远小于蓄热式池炉的30 h时间.因增加窑炉产量较为困难，这项技术尚未达到实用化的程度.

(2)用等离子体加热的熔窑.Plasmelt Glass Tech公司的实验是利用直流电弧等离子体作为热源加热玻璃[1].在熔窑上部用直流电弧等离子体产生的高温熔化玻璃配合料，玻璃采用无碱E玻璃组成.存在的问题是等离子体高温下加热时玻璃成分容易挥发，配合料中各成分挥发为Na2O 50%，K2O25%, F 50%, B2O320%,而且熔化时为保护电极需采用还原气氛，使玻璃中二价铁的含量增加了两倍，冷却的玻璃块状物中呈现较浓的蓝绿色.用等离子体加热的熔窑在电价较高时生产成本较高，经济上不合理,这项技术仍在研究开发中.

(3)采用全氧燃烧火焰中加热玻璃的熔窑.这是1988年由Avco Reseach Laboratory Inc.和 Gas Reseach Institure等发表的实验方法(AGM：Gas-Fired Advanced Glass Melter),方法是将玻璃配合料投入到燃气全氧燃烧火焰中熔化.原料粒径为10～150 μm，配合料与火焰直接接触使得热传递效率提高.但火焰喷射到炉内金属制的锥形帽上，使锥形帽很快烧损，因此未能实用化.据估计玻璃熔化时间为50 ms.实际上原料在火焰中的熔化是在炉内锥形帽处完成的，这也导致金属锥形帽过早的损坏，但向火焰中投入配合料的方法却是一项创新,这种方法在熔化较大原料量时还需开发出更大型的火焰喷枪.

2 新型的空中熔化技术(in-flight melting)

这项技术以日本的NEDO技术开发机构为中心进行研发，充分吸取了上述介绍的欧美各国的经验，以尽可能减少玻璃熔化的能耗为目的开发的新型熔化方法.该方法采用等离子体与全氧燃烧火焰的复合形式作为热源，直接将玻璃原料粒子投入到加热源进行加热熔化，传热效率很好.熔化时间为原料粒子在空中的飞翔时间(1 s以内)，这样可大幅度减少熔化池的体积.另外本方法的创新点为由微粒原料粒化成为颗粒状原料粒子，可促进熔化均匀，每个粒子熔化后均为最终玻璃组成的玻璃，不需要在大的熔化池内长时间地维持高温，因而大大降低了能耗[2].图1为蓄热式熔窑技术与新的空中玻璃熔化技术的比较.图中左侧的玻璃熔化模式为蓄热式熔窑采用火焰辐射加热使玻璃原料熔化的过程,而新型的空中玻璃熔化模式则采用复合加热方式，传热效率高，设备空间小，工艺过程简单，玻璃制造发生了飞跃的变化[3].这项技术还可大幅度减少熔化池体积，不需长时间维持高温，大幅度地减少能耗.现行的蓄热式熔窑玻璃在窑内平均停留时间短的1.5天，长的约7天.而新的空中熔化玻璃既可保证玻璃质量，也可缩短停留时间，钠钙硅玻璃熔化可在几小时内达到玻璃成形要求.

图1 蓄热式熔窑技术与新的空中玻璃熔化技术的比较

这项技术在等离子体加热方面与Plasmelt Glass Tech公司的方式相似，但原料投入到等离子体中的位置不同.在等离子体高温中将原料投入并有效地吸收热量有利于原料熔化,在高温中投入原料一些成分的挥发可能增加，因此需采取相应的措施[4].已研究用高频(RF)等离子体和多相等离子体两种方式加热玻璃原料，图2、图3为其结构简图.图2是利用RF等离子体装置的熔化实验图，是由载流气将已粒化为平均粒径低于100 μm的原料粒子由上部投入，飞进有高频诱导的等离子体形成区，原料粒子由数 μm左右的纯碱、石灰石、石英砂组成.各个粒子均含有钠钙硅玻璃的组分，被加热熔化后即成为单独的玻璃液滴.粒子在RF等离子体中的飞翔时间虽仅有数μs的极短时间，但仍可达到充分进行玻璃化反应的高温状态[5].等离子体向粒子的传热效率受载流气流量及原料投料速度、RF电力负荷大小的影响.多相等离子体熔化装置如图3所示，是由两层12个电极组成，在电极间通入交流电依次组合放出电弧，电极间形成热等离子体.这是一种新的等离子体形成法，与RF等离子体相比，由电能转换为热等离子体的效率高，等离子体流速低，粒子在其中飞翔时加热效率高，可实现最高输出功率，适于玻璃原料的熔化[6].

空中熔化时热等离子体与良好的燃烧火焰组合时与只用热等离子体相比能进一步降低能源消耗.因为全氧燃烧火焰的温度为3 000 K时，在飞翔时间内将原料粒子完全熔化较为困难，但全氧燃烧火焰与温度达10 000 K以上的热等离子体组合后，可在有限的飞翔时间内充分地熔化玻璃原料[7].

图2 RF等离子体熔化装置简图 图3 多相等离子体熔化装置简图

空中熔化时采用全氧燃烧火焰加热与SCM的方法相同，不同点只是不在玻璃液中燃烧，而是将原料投入到火焰高温中.这种方法使传热效率得到改善，窑炉构造简单，控制也较容易，可得到良好的效果.将原料投入到火焰中缩短玻璃熔化时间的方法与上述的AGM很相近.但AGM的熔化不在空中而且在落下的玻璃液中会产生滞留，与空中熔化技术不同,此外更大的不同是空中熔化技术在原料处理上做了许多改进,不是采用现行的配料方式，而是采用适于火焰中熔化的颗粒状原料粒子.原料的前处理有多种方案，如利用废热对原料进行预处理以减少能耗，通过球粒化的原料使反应均一化以促进原料的熔化等.原料粒化处理后，原料粒子通过空中的高温区时可在极短时间内完全熔化直至玻璃化反应结束,这是以前没有的技术，是一种创新技术.

有文献对钠钙硅玻璃原料粒子的熔化性能进行了研究.结果表明，采用喷雾干燥法造粒的原料粒子与未采用造粒的原料相比熔化温度可降低约200 ℃，而且熔化玻璃的均匀性有明显的提高.原料粒子在空中的高频等离子体加热下，熔化时玻璃化反应在极短时间内充分完成，而且成分挥发较少[8].图4为原料粒子的反应过程模式图.粒子内形成很强的温度分布，反应中CO2气体通过粒子间隙排出，分解反应结束后开始粘性流动，而粒子开始致密化并形成玻璃小液滴.粒子在飞翔时间非常短的情况下很快完成玻璃化反应[9],这些玻璃小液滴在玻璃溶液表面时可抑制分解气体放出的大量气体，使后续工序的玻璃澄清和均化所需时间缩短，节省能源.

图4 空中熔化时原料粒子飞翔过程中反应模式图

图5 蓄热式玻璃池窑与新的空中熔化玻璃池窑的模式比较

图5所示为规模每日800 t玻璃的蓄热式玻璃池窑与空中玻熔化玻璃池窑的模式比较图.由图可知，空中熔化的熔化池体积大幅度减少，可使能耗降低50%以上，若利用余热使原料粒化，能耗指标将更低.

3 结束语

各种非蓄热式熔窑的玻璃熔化技术可对应不同技术要求和类型的玻璃生产.新型的空中玻璃熔化不仅技术上是可行的，而且节能效果十分显著，同时玻璃熔窑实现小型化可压缩筑炉费用，是一项具有前途的高新技术，希望在克服技术上难点问题后推广应用于玻璃行业.

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