電熔窯爐節能技術優化及應用

徐正本 王宏彥 張超

摘 要：本文詳細探討了電熔窯爐節能技術原理，并從熔化池設計及耐火材料的選用、流液洞設計及蓋板磚侵蝕、電極和功率分布等角度對電熔窯爐節能技術優化及應用要點進行論述，結果表明，與傳統的燃油、燃氣火焰爐相比，電熔窯爐節能技術具有顯著的經濟效益、社會效益和生態效益，應用前景十分廣泛。

關鍵詞：電熔窯爐;電極;節能技術

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

燃油、燃氣火焰爐主要以天然氣、煤氣、石油、化石等稀缺的不可再生能源為燃料，由于我國近年來稀缺資源供需矛盾日益突出，同時受到國際價格波動的大幅度影響，所以企業生產成本不斷上漲，傳統火焰爐一次性投入較高，產品生產過程中僅能源耗用成本就高達總成本的40%以上，而且火焰爐結構特殊，對產品質量存在一定的影響和制約。而電熔窯爐以電力為主要能源，價格穩定，成本可控，在用電低谷時使用還能有效節約成本，便于加強企業管理和核算，電熔窯爐因其一次性投資少、運行成本低廉、操作簡便、污染小等優勢，在當前資源緊張的情況下應用越來越廣泛。

1 電熔窯爐節能原理

電熔窯爐以電能為唯一能源，其在高溫下將玻璃熔化成玻璃液體并直接作為焦耳熱效應的電導體，隨后憑借玻璃液自身的導電性繼續熔化。此時再向窯爐電極通電，玻璃液體便自動發揮導體作用借助自身熱量實現窯爐加熱。玻璃液面覆蓋著一層生料，其以上空間內溫度為80～150℃，所以玻璃液體導電過程中所生成的熱量能被100%吸收，僅加熱過程中由熱氣帶走少量的熱能，故而熱效率和熔化率都十分高。據統計，電熔窯爐在生產中僅有20%左右的熱量無謂散失，比燃油、燃氣火焰爐節能率能提高至少25%。

電熔窯爐的推廣使用符合國家環保產業政策及能源利用政策，燃油、燃氣火焰爐在燃燒過程中必將排放大量的CO2、SO2和氨氮化合物等有害氣體，污染環境，同時還會消耗大量的水，最終成為廢水，如果不加處理直接排放，還將造成環境的再度污染。但電熔窯爐由于全過程只是用電能而基本不產生有害氣體，每天所耗用的水量也在10t以內。

2 電熔窯爐節能技術優化及應用要點

2.1 熔化池設計及耐火材料的選用

電熔窯爐在熔制過程中，玻璃自上而下垂直分布，最頂層由配合料覆蓋所形成的冷爐頂主要通過玻璃液中加熱電極，各層溫度梯度變化，而且能進行分層控制，所以要求電熔窯爐熔化池深度必須達標，高硼硅玻璃生產窯爐熔化池深度必須>2m。熔化池由上部的熔化部和下部的澄清部構成，熔化部主要有配合料覆蓋層、硅酸鹽層、玻璃層等，澄清部主要是均化區、冷卻區和澄清區。電熔窯爐的生產過程是一系列快速、短時而激烈的物化反應過程，所以熔化部所需空間較小，而玻璃釋放出氣泡后必須經過生料層才能溢出，這需要時間和空間，所以澄清部區間相對較大。

與燃油、燃氣火焰爐不同的是，電熔窯爐對耐火材料的選用更加注重材料的耐高溫、耐侵蝕及導電性能。導電率越高的耐火材料由于運行中可能發生打火、熔融和漏料而安全隱患較大，所以耐火材料的選用也是電熔窯爐節能技術優化的重要課題之一。

2.2 流液洞設計

流液洞是澄清結束玻璃液冷卻后上升的必然通道，也是電熔窯爐中的薄弱環節，很容易受到侵蝕，所以在電熔窯爐設計中必須引起重視，重點關注玻璃液回流及流液洞蓋板磚侵蝕等問題。

玻璃液從熔化池流出，經過流液洞后到達上升通道，如果其流出量超出出料量，則富余的部分將反向流回熔化池，隨后的二次加熱必將增加窯爐能耗，但是這一過程又能對回流玻璃液進行二次均化，避免質量缺陷，所以在實踐中必須尋求能耗與玻璃液質量之間的均衡。具體而言，在設計過程中應保證流液洞截面大小的合理性，對于出料量30t的電熔窯爐，截面應保持在900cm2;控制流液洞高度，為降低蓋板磚的侵蝕，流液洞高度應控制在20～30cm;加大流液洞長度，當前電熔窯爐流液洞長度應保持在2～3m。

為控制和減輕流液洞蓋板磚的侵蝕，實踐中可以考慮采用AZS41型電熔鋯剛玉磚，并配合以沉降式流液洞設計，在確保流液洞位置遠低于池底的情況下，溫度有所降低的玻璃液對蓋板磚的侵蝕也會降低。為保證蓋板磚性能并延長其使用壽命，在電熔窯爐使用的中后期應當采取有效措施進行蓋板磚的冷卻。

2.3 電極和功率分布

當前電熔窯爐普遍使用鉬電極，存在底插、橫插和頂插三種電極插入方式，生產企業普遍改進了底插方式并采用側插的做法，這種技術能有效保證電場分布及玻璃液的均勻性，雖然要在池底開孔，但是只要電流密度選擇恰當，并在電極磨損時及時頂進，這種側插方式發生漏料的可能性很小，同時由于池底存在高粘度保護層，能有效保護池底材料和電極孔免于侵蝕，安全性還是有所保障的。

電極與功率則應均勻分布，并實行多對電極和多臺變壓器均勻布置，電極直徑和單臺變壓器容量都不應過大，電極均勻分布才能杜絕偏電流現象的發生，確保電力線和熱能的均勻分布以及熔融工藝的穩定。

此外，在電熔窯爐運行之初經常會遇到電壓低、電流過大但功率反而不高的現象，為了增大功率首先應提高電流，但是要注意電流過高可能擊穿熔融電極磚并燒毀電控機械設備，進而影響材料熔化質量。為防止上述現象的發生，必須保持玻璃爐內玻璃溶液熔化均勻、不同點電阻相等，尤其是電阻小的區域發生偏流的可能性更大，偏流必將引起偏相，從而導致整個電熔窯爐電功率失衡，熔融不均。

3 結論

冷頂式電熔窯爐徹底改變了傳統的火焰加熱窯爐能耗模式，能有效彌補傳統窯爐技術工藝方面的不足，當前，我國電熔窯爐技術有了很大進展，電熔窯爐配套性耐火材料和電極材料紛紛已達設計要求，全電熔窯爐設計日趨成熟。通過對電熔窯爐項目投運后的生產過程進行跟蹤調查發現，電熔窯爐不僅能提升企業產品品質，降低生產經營成本，帶來良好的經濟效益，還能落實和響應國家的產業政策，體現社會經濟發展對節能環保的要求，社會效益和生態環境效益顯著。

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作者簡介：徐正本（1989-），男，山東濟寧人，本科，助理工程師，研究方向：高硼硅玻璃的成型和配方。