电熔窑炉节能技术优化及应用

徐正本 王宏彦 张超

摘 要：本文详细探讨了电熔窑炉节能技术原理，并从熔化池设计及耐火材料的选用、流液洞设计及盖板砖侵蚀、电极和功率分布等角度对电熔窑炉节能技术优化及应用要点进行论述，结果表明，与传统的燃油、燃气火焰炉相比，电熔窑炉节能技术具有显著的经济效益、社会效益和生态效益，应用前景十分广泛。

关键词：电熔窑炉;电极;节能技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.068

燃油、燃气火焰炉主要以天然气、煤气、石油、化石等稀缺的不可再生能源为燃料，由于我国近年来稀缺资源供需矛盾日益突出，同时受到国际价格波动的大幅度影响，所以企业生产成本不断上涨，传统火焰炉一次性投入较高，产品生产过程中仅能源耗用成本就高达总成本的40%以上，而且火焰炉结构特殊，对产品质量存在一定的影响和制约。而电熔窑炉以电力为主要能源，价格稳定，成本可控，在用电低谷时使用还能有效节约成本，便于加强企业管理和核算，电熔窑炉因其一次性投资少、运行成本低廉、操作简便、污染小等优势，在当前资源紧张的情况下应用越来越广泛。

1 电熔窑炉节能原理

电熔窑炉以电能为唯一能源，其在高温下将玻璃熔化成玻璃液体并直接作为焦耳热效应的电导体，随后凭借玻璃液自身的导电性继续熔化。此时再向窑炉电极通电，玻璃液体便自动发挥导体作用借助自身热量实现窑炉加热。玻璃液面覆盖着一层生料，其以上空间内温度为80～150℃，所以玻璃液体导电过程中所生成的热量能被100%吸收，仅加热过程中由热气带走少量的热能，故而热效率和熔化率都十分高。据统计，电熔窑炉在生产中仅有20%左右的热量无谓散失，比燃油、燃气火焰炉节能率能提高至少25%。

电熔窑炉的推广使用符合国家环保产业政策及能源利用政策，燃油、燃气火焰炉在燃烧过程中必将排放大量的CO2、SO2和氨氮化合物等有害气体，污染环境，同时还会消耗大量的水，最终成为废水，如果不加处理直接排放，还将造成环境的再度污染。但电熔窑炉由于全过程只是用电能而基本不产生有害气体，每天所耗用的水量也在10t以内。

2 电熔窑炉节能技术优化及应用要点

2.1 熔化池设计及耐火材料的选用

电熔窑炉在熔制过程中，玻璃自上而下垂直分布，最顶层由配合料覆盖所形成的冷炉顶主要通过玻璃液中加热电极，各层温度梯度变化，而且能进行分层控制，所以要求电熔窑炉熔化池深度必须达标，高硼硅玻璃生产窑炉熔化池深度必须>2m。熔化池由上部的熔化部和下部的澄清部构成，熔化部主要有配合料覆盖层、硅酸盐层、玻璃层等，澄清部主要是均化区、冷却区和澄清区。电熔窑炉的生产过程是一系列快速、短时而激烈的物化反应过程，所以熔化部所需空间较小，而玻璃释放出气泡后必须经过生料层才能溢出，这需要时间和空间，所以澄清部区间相对较大。

与燃油、燃气火焰炉不同的是，电熔窑炉对耐火材料的选用更加注重材料的耐高温、耐侵蚀及导电性能。导电率越高的耐火材料由于运行中可能发生打火、熔融和漏料而安全隐患较大，所以耐火材料的选用也是电熔窑炉节能技术优化的重要课题之一。

2.2 流液洞设计

流液洞是澄清结束玻璃液冷却后上升的必然通道，也是电熔窑炉中的薄弱环节，很容易受到侵蚀，所以在电熔窑炉设计中必须引起重视，重点关注玻璃液回流及流液洞盖板砖侵蚀等问题。

玻璃液从熔化池流出，经过流液洞后到达上升通道，如果其流出量超出出料量，则富余的部分将反向流回熔化池，随后的二次加热必将增加窑炉能耗，但是这一过程又能对回流玻璃液进行二次均化，避免质量缺陷，所以在实践中必须寻求能耗与玻璃液质量之间的均衡。具体而言，在设计过程中应保证流液洞截面大小的合理性，对于出料量30t的电熔窑炉，截面应保持在900cm2;控制流液洞高度，为降低盖板砖的侵蚀，流液洞高度应控制在20～30cm;加大流液洞长度，当前电熔窑炉流液洞长度应保持在2～3m。

为控制和减轻流液洞盖板砖的侵蚀，实践中可以考虑采用AZS41型电熔锆刚玉砖，并配合以沉降式流液洞设计，在确保流液洞位置远低于池底的情况下，温度有所降低的玻璃液对盖板砖的侵蚀也会降低。为保证盖板砖性能并延长其使用寿命，在电熔窑炉使用的中后期应当采取有效措施进行盖板砖的冷却。

2.3 电极和功率分布

当前电熔窑炉普遍使用钼电极，存在底插、横插和顶插三种电极插入方式，生产企业普遍改进了底插方式并采用侧插的做法，这种技术能有效保证电场分布及玻璃液的均匀性，虽然要在池底开孔，但是只要电流密度选择恰当，并在电极磨损时及时顶进，这种侧插方式发生漏料的可能性很小，同时由于池底存在高粘度保护层，能有效保护池底材料和电极孔免于侵蚀，安全性还是有所保障的。

电极与功率则应均匀分布，并实行多对电极和多台变压器均匀布置，电极直径和单台变压器容量都不应过大，电极均匀分布才能杜绝偏电流现象的发生，确保电力线和热能的均匀分布以及熔融工艺的稳定。

此外，在电熔窑炉运行之初经常会遇到电压低、电流过大但功率反而不高的现象，为了增大功率首先应提高电流，但是要注意电流过高可能击穿熔融电极砖并烧毁电控机械设备，进而影响材料熔化质量。为防止上述现象的发生，必须保持玻璃炉内玻璃溶液熔化均匀、不同点电阻相等，尤其是电阻小的区域发生偏流的可能性更大，偏流必将引起偏相，从而导致整个电熔窑炉电功率失衡，熔融不均。

3 结论

冷顶式电熔窑炉彻底改变了传统的火焰加热窑炉能耗模式，能有效弥补传统窑炉技术工艺方面的不足，当前，我国电熔窑炉技术有了很大进展，电熔窑炉配套性耐火材料和电极材料纷纷已达设计要求，全电熔窑炉設计日趋成熟。通过对电熔窑炉项目投运后的生产过程进行跟踪调查发现，电熔窑炉不仅能提升企业产品品质，降低生产经营成本，带来良好的经济效益，还能落实和响应国家的产业政策，体现社会经济发展对节能环保的要求，社会效益和生态环境效益显著。

参考文献：

[1]刘志平，隋井跃.电熔窑炉对降低钢化玻璃制品自爆初探[J].玻璃，2017，44（12）：48-50.

[2]林挺，崔凯继，韩广雷.高硼硅玻璃电熔窑炉节能改造项目可行性分析[J].科技创新与应用，2015（21）：119.

[3]唐伟，朱永昌.数学模拟在电熔玻璃窑炉中的应用[J].中国建材科技，2013，22（04）：47-48.

作者简介：徐正本（1989-），男，山东济宁人，本科，助理工程师，研究方向：高硼硅玻璃的成型和配方。