玻璃粒化配合料预分解技术研究

王琰 何进 刘攀 钱奇 蒋江 刘红刚

（1 中国南玻集团股份有限公司；2 华南理工大学材料科学与工程学院）

玻璃工业是高能耗、高污染的行业，始终面临着节能减排的重大挑战。当前，浮法玻璃工业主要通过以下途径进行节能：玻璃窑炉保温、提高燃料的燃烧效率、余热利用、加入碎玻璃以及扩大玻璃单线产能等[1,2]。尽管这些手段取得了一定的节能减排效果，但总体来说，玻璃窑炉的热效率仍然偏低，能源利用率不理想，CO2、NOX、SO2等废气污染问题仍然严重。如何有效节约能源并减少排放仍是目前平板玻璃熔窑面临的重要问题。

玻璃粒化配合料窑外预分解技术是实现节能减排的有效解决方案。该技术结合了配合料粒化技术与配合料预热技术，即先将传统的玻璃粉状配合料压制成块或球状，再利用窑外烟气余热或其他热源对玻璃配合料进行加热，并部分或全部完成配合料的硅酸盐形成过程。这种方法不仅可以提高能源利用率，降低能源消耗水平，同时还能减少废气排放，显著改善玻璃生产过程中的环保性能[3,4]。

通过应用玻璃粒化配合料窑外预分解技术，我们可以进一步优化玻璃生产过程，实现更高效的能源利用和更少的排放。这将为玻璃工业的可持续发展开辟新的道路，对推动行业进步具有重大的现实意义和深远的影响。

1 粒化配合料预分解技术研究现状

早在1951 年，就已经开始尝试将玻璃原料压块进行预分解。Geigerich 将粉状玻璃配合料压制成为团块，然后在700℃下煅烧这些团块，再将其投入熔窑熔制。结果发现，玻璃熔化率和产量增加了100%[5]。

到了1977年，Muucie建立了一个小试装置，将粉状玻璃配合料中加入的水作粘结剂，用压块机压制成料块。加热到816℃预分解一个半小时后，放入玻璃熔窑在1400℃熔化。结果发现，压块和经预热的压块的熔化速率和熔化质量要远高于粉状配合料[6]。

在20 世纪末，一些研究者开始进一步探究玻璃配合料和碎玻璃的加热对其热效率的影响。Ruud Beerkens 发现，在高温下实现玻璃配合料的碳酸盐部分分解或完全分解，有利于提高熔窑热效率，缩短玻璃的熔化时间。S.V.Krivenko 则认为，利用富氧燃烧来实现玻璃配合料的烧结是一种有效的方法。通过增加助燃空气中的氧气含量，提高了燃料燃烧的效率，提高了火焰温度和黑度，能更快速地将热量传递给配合料，实现配合料的硅酸盐形成反应[7,8]。

1999 年，美国环境保护部门也对玻璃配合料预分解技术进行了研究。他们发现，在造粒后干燥的小颗粒必须保证有足够大的强度才能完成后续工艺。当原料颗粒在800℃预热时，最终的熔化温度可降低50℃，每年可节约8.5×1015J的能量消耗[9]。

2005 年，Boerefijn 等人在流化床上进行了粒状玻璃配合料的预分解实验。结果显示，粒状配合料不易出现分层和粉尘，烧结后的配合料具有稳定的化学成分。然而，烧结时温度的控制难度较高，温度过低会导致硅酸盐形成反应的完成度降低，而温度过高则容易引起液相，将粒状配合料粘接在一起[10]。

2011 年，Pita-Szczesniewski 等人研究了SiO2-NaCO3、SiO2-Na2CO3-CaCO3、SiO2-Na2CO3-MgCO3、SiO2-CaCO3-MgCO3等玻璃体系的配合料预分解反应。研究表明在特定的温度和保温时间的烧结过程中，配合料几乎完成了硅酸盐的形成过程，且配合料中二氧化碳含量极低，不会出现液相[11]。

到了2013 年，武汉理工大学研究发现采用玻璃原料预热技术，通过理论计算发现：将粉状配合料压制成粒状并在窑外预分解后，熔窑产量可以从原来的1200t/d 提高到2159t/d，热效率可以从40.0%提高至65.7%[12]。这一发现具有巨大的实际应用潜力，它提供了玻璃工业节能减排的一种新途径。

2 粒化配合料预分解技术原理及优点

玻璃熔制过程是一个复杂的物理化学过程，通常分为硅酸盐形成、玻璃液形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。在这个过程中，玻璃原料中的各种成分会经历一系列复杂的化学反应，最终形成玻璃液。而玻璃配合料预分解技术则是将传统工艺过程中的硅酸盐形成过程部分或全部剥离出来，使配合料在窑外升温至800～1000℃温度范围，通过发生一系列物理化学的反应，配合料中的气态产物逸出，并形成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。将高温状态的不透明烧结物直接投入窑内，此时烧结的硅酸盐物质导热系数大，传热效率大幅提高，能快速形成低共熔物开始熔化，大大缩小了窑内料堆区域的面积。另外，由于配合料预分解后盐类气体已基本排出，也在一定程度上减轻了玻璃澄清压力。也就是说在相同熔窑面积的情况下，采用玻璃配合料预分解技术可明显提高配合料熔化及澄清效率，提升生产产能。

国外相关实践也证明，利用熔窑烟气预热玻璃配合料不仅能显著减小能耗，提高熔化效率，延长窑炉使用寿命，还可大幅度降低废气排放，有利于环境保护。

3 粒化配合料预分解技术存在问题

作为一项前沿技术，玻璃粒化配合料预分解技术在研究和应用过程中会面临各种技术难题，需要不断地进行攻克和解决。主要问题包括：

⑴加热实施问题：目前，空气助燃窑蓄热室出来的烟气温度一般在500～600℃，而全氧窑烟道内烟气温度虽然可以达到1000℃以上，但烟气量不足。这导致配合料加热只能实现物理水脱去过程。为了将配合料升温到750℃以上，达到硅酸盐形成的目的，我们需要在原烟气系统中引入其他辅助加热手段，如电加热或燃料加热等。这将进一步加大工艺控制和操作的难度。

⑵设备高温运行问题：粒化配合料加热预分解主要有间接加热和直接加热两种方式，无论哪种方式，加热设备的烟气温度都需要在950～1100℃。这要求加热设备具有优良的耐高温性能。同时，为了确保生产的连续性并减少加热后粒化配合料的热损失，我们需要合理优化工艺流程和设备布置，解决烟道和投料口之间的距离问题，并确保高温物料的连续运输、转运、存储、投料等过程中相关设备的稳定可靠运行。

⑶研究与产业化应用问题：当前，预分解的玻璃粒化配合料对实际玻璃熔制工艺、熔化澄清时间的影响尚不明确，板面气泡、结石是否存在不利影响也尚不清楚。此外，粒化配合料预分解技术产业化应用与原有工艺及生产线兼容方面还有诸多问题待进一步解决。这些都不同程度地制约了玻璃粒化配合料预分解技术的广泛研究和使用。

4 结论

粒化配合料预分解技术是玻璃制造领域中的一项重要创新技术。该技术通过将配合料的硅酸盐形成过程从窑炉中分离出来，在窑外进行预分解处理，然后直接将预分解后的粒状配合料投入熔窑。这种技术创新可以有效地提高熔化速率，同时降低澄清压力，增加熔窑的单线产量，进一步降低了废气排放和能源消耗。对于实现玻璃行业的碳中和目标，粒化配合料预分解技术将起到积极作用，提供了一种有效途径，该技术的应用和发展前景巨大。