碳中和背景下玻璃行业绿色生产研究——电熔化技术

邢艳

（秦皇岛市生态环境局北戴河区分局 秦皇岛 066100）

0 引言

我国平板玻璃产量已经连续多年保持世界第一，玻璃产品在建筑、汽车、航空航天、精密加工、军事、通信等领域有着广泛应用［1-5］。玻璃行业具有高能耗、高污染的特点［6］，在国家碳中和背景下，加快实施减排措施，发展低碳排放技术事关玻璃加工企业长久发展。玻璃生产中主要耗能设备为玻璃熔窑，约占玻璃生产能耗总量75%，提高熔窑效率、减少燃料使用、降低碳排放是玻璃生产中节能减排的重点环节。

传统耐火材料制备的玻璃熔窑普遍采用煤气、重油和空气为燃料，存在玻璃熔化过程温度高、流程周期长、窑体保温性差、耗费燃料多、窑炉损耗高等缺点，且生产过程同时产生氮氧化物、硫氧化物和烟尘等有毒有害气体［7］，严重污染环境。自上世纪80年代，我国从国外引进并研制新型玻璃电熔化技术，经过多年技术积累目前已经达到国际先进水平，能量利用率可达80%以上，在实现低能耗生产的同时，不仅延长了企业玻璃熔窑使用寿命，而且显著降低了有害烟气排放。

1 玻璃电熔化技术发展历程和政策背景

1.1 玻璃电熔化窑炉发展历史

玻璃在高温下可由绝缘体变为导体，熔融玻璃液内部有钠、钾等导电的碱性金属离子。1902年，德国人沃尔克（Voelker）最先采用电流通过玻璃配合料，利用产生的热量熔化玻璃。1920年，挪威人雷德（Raeder）利用石墨电极实现了全电玻璃熔化。1925年，瑞典人科尼利矶斯（Corneljus）使用纯铁为电极烧制了琥珀色和绿色玻璃。该电熔玻璃窑在烧制玻璃时，令配合料在熔化的玻璃液顶层漂浮。当玻璃液高大于铁块电极位置时撤去炉盖。由于铁电极可以使玻璃着色，因此这种熔窑能用于熔化有色玻璃。在第二次世界大战时，严重的燃料短缺问题限制了玻璃产量，瑞士人博雷尔（Borel）进一步发展了玻璃电熔化技术并成功在法国应用推广。二战结束后，佩恩伯瑟（Penberthy）和英国的格尔（Gell）分别设计了用于玻璃电助熔及全电熔的钼棒及板状钼电极。目前全球已经有超过百余座全电熔窑，产量也从4 t/d发展至120 t/d。在小型化方面，近二十年来技术人员开发出了全新的微型电熔窑用于生产优质玻璃，熔化量可到达10 kg/h。

1.2 我国玻璃电熔化窑炉发展过程

自上世纪70年代，我国已经开始了玻璃电熔化技术的研究［8］，原轻工业部下属的玻璃搪瓷研究所于1985年完成了全电熔玻璃窑试制工作。在上世纪80年代，昆明平板玻璃厂从英国KTG公司引入了全电熔浮法玻璃生产线，年产有色玻璃62万箱，并于1991年通过省级玻璃品质验收。上海玻璃器皿一厂引入了德国SORG公司铅玻璃电熔生产线。大连玻璃器皿厂和北碚玻璃器皿厂同样引入了产值3～30 t/d的KTG公司全电熔玻璃生产线［9］。2008年，阜新与秦皇岛凯维科技有限公司合作，成功投产500 t/d电助熔浮法生产线，一级玻璃品率提升至88%，2011年，河北承德华富玻璃公司调试出30 t/d的乳白玻璃全电熔生产线。此外，我国南京电气集团的玻璃绝缘子窑炉和石家庄宝石电子集团的显像管玻璃尾管窑炉都采用了电助熔系统。2018年，泰山玻纤厂采用电助熔技术将玻璃能耗成本降低了30%以上，大幅改善了成品质量［10］。

1.3 我国玻璃电熔化技术政策背景

我国一直鼓励发展玻璃电熔化技术，2003年4月，国家科技部认定东华大学主导的“玻璃电熔技术及其成套装备”项目为国家科技成果重点推广项目，连续数年被国家科技部评定为科技成果重点推广项目。2011年3月，国家发展改革委发布《产业结构调整指导目录（2011年本）》中十九节第25条明确提出，支持节能环保型玻璃窑炉的设计与应用。2022年1月，国家发展改革委和国家能源局在《“十四五”现代能源体系规划》（发改能源〔2022〕210号）中指出，要大力推广工业领域中电动力、电锅炉和电窑炉的应用，及时推陈出新，加强与落后产能置换的衔接。此外，工业和信息化部分别联合国家发展改革委、生态环境部和住房和城乡建设部在《工业领域碳达峰实施方案》及《关于印发建材行业碳达峰实施方案的通知》中明确指出，在铸造、玻璃等行业中积极推广电熔窑、电加热和“火-电”复合熔化技术，进一步推动玻璃行业节能减排。中国建筑材料联合会行业工作部在根据《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021年版）》《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》制定平板玻璃行业碳减排技术指南：要求企业加快推进平板玻璃行业节能降碳步伐，充分考虑生产企业自然环境和地理位置特点，优先使用风电、光电技术、风光储技术，加快突破大型玻璃熔窑大功率“火-电”复合熔化技术，提升企业能源“自给”能力，减少对化石能源及外部电力依赖，及时淘汰未能按期改造完毕的项目。

2 玻璃电熔化技术

玻璃电熔化技术是指将电能转换为热能实现熔融玻璃液的方式，目前电熔化技术主要有全电熔化和电助熔两种方式。

2.1 全电熔化

全电熔化是在高温玻璃液中输入交流电，因玻璃液中通常含有钠、钾离子等碱性金属离子，通过离子导电产生的焦耳热直接熔融玻璃液的方式。

全电熔化技术的优点：其窑炉结构简单，常用的窑炉结构有矩形、多边形、圆形等，窑深通常为1～3 m。全电熔化技术显著降低了传统玻璃窑中氮氧化物、硫氧化物和粉尘的排放。在制备如含铅玻璃、硼硅酸盐玻璃等含高挥发性成分的产品时，排放烟气的清洁处理系统也明显简化。全电熔化技术的缺点：玻璃溶液中钠钾离子浓度较高容易导致玻璃电导率偏高，当熔化温度升高时，玻璃电阻变低从而限制了大功率电熔技术的能力。全电熔化技术还面临温度检测困难的问题，由于电熔窑内玻璃液体积较大，通常为数吨至数十吨，因此整窑玻璃液温度变化时间较长，温度检测偏差较高，易造成澄清不良，且澄清剂的引入会导致电极腐蚀。

2.2 电助熔

电助熔是通过选择恰当的材料做电极，将电能通入玻璃液从而熔化的方法。将电熔化和燃料两种方式结合，利用部分电能对玻璃液加热可以兼具低烟气排放和低成本两项优点。电极一般安装在熔窑的池壁或者池底上，其安装位置对玻璃液的均化澄清意义重大。使用电助熔技术可以增加玻璃窑炉的出料量，提高玻璃液的均匀度，减少结石的产生，延长窑炉的寿命，但是与传统火焰窑相比，电助熔可能会增加成本。

3 玻璃电熔化技术中电极的选取

玻璃电熔技术中电极的选取、布置和负载意义重大，需充分考虑电极材料的适用性和可靠性，在加热时浸入熔融玻璃液中需要具备耐高温、电导率高、与玻璃液接触电阻率低、膨胀系数低、与玻璃液润湿性能好、不与耐火材料起反应等特点、并且造价合理。

在电熔化技术发展初期，石墨电极由于其化学稳定性好、加工简单、造价低、损耗小等被广泛应用，但由于石墨电极会污染玻璃液而被逐渐淘汰，目前电熔化技术广泛采用的电极通常为钼材料和二氧化锡材料制成。钼属于高熔点金属一族，其原子结合能极高，具有高熔点、低蒸汽压、高弹性模量和高温稳定性良好等特点。钼电极的质量对玻璃产品的质量影响较大，钼电极表面平滑致密、导电性良好、通体呈灰黑色，要求Mo含量大于99.995%，在电熔窑中的工作温度高达2000 ℃，在高温玻璃液中的化学稳定性良好，是熔化钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃的常用电极。二氧化锡是四方晶系的正方形晶体，属于N型半导体烧结陶瓷电极。纯二氧化锡材料电阻率受温度影响较小，不宜做导电陶瓷，且烧结过程易发生收缩变形导致其制备难度大，近数十年来研究人员通过掺杂氧化锌和锑等金属离子并结合等静压成型等技术显著改善了其导电性能和烧结性能，极大地推广了二氧化锡电极的应用。在1000 ℃以上时，二氧化锡电极导电能力强，接近金属，锡元素的电位较高不易被玻璃液中的金属离子置换，且不会污染玻璃液，不易对玻璃液产生着色，依据种种优点，二氧化锡电极已经发展成为玻璃电熔化技术中电极材料的主流选择。

4 结语

玻璃电熔化窑炉相比传统燃料窑炉在成品质量、经济成本、绿色发展等多方面具有独特优势，是玻璃行业碳达峰目标下未来的重点发展方向。随着行业交流的不断深入和技术储备的长期积累，大型电熔玻璃窑炉的耐火材料、电力设备及高精度温控系统技术的突破将有望实现电熔化玻璃技术效率和品控的进一步发展。