二代浮法新型節能技術在玻璃熔窯中的應用

陳 卓,王貴祥,査海勝

(中建材玻璃新材料研究院集團有限公司，蚌埠 233010)

我國是玻璃生產大國，截至2022年5月，我國浮法玻璃熔窯共計297座，在產261座，日熔化量17.22萬t；超白壓延玻璃熔窯在產106座，日產量平均約36 780 t。玻璃企業是能耗大戶，燃料成本占玻璃生產總成本的40%。在2060碳達峰、碳中和“雙碳戰略”以及“十四五”能耗總量控制、能耗強度控制“雙控目標”國家政策的高壓態勢下，玻璃行業迫切需要節能新材料和節能新技術，來進一步降低燃料消耗并減少污染排放，同時降低運行成本、提高玻璃企業的產品競爭力。

中建材玻璃新材料研究院集團有限公司 (簡稱“中研院”)在熔窯節能領域做了大量研發工作，并取得了卓有成效的創新成果。其中，玻璃熔窯用紅外高輻射節能涂料(簡稱“紅外節能涂料”)與梯度復合保溫節能技術，作為玻璃熔窯節能新材料和節能新技術，被評為“二代浮法玻璃技術與裝備優秀創新成果”，成為二代浮法玻璃熔窯標志性節能創新成果和設計標配。

1 節能原理

1.1 紅外高輻射節能涂料的節能原理

在高溫環境下，爐膛內部的熱量傳遞以輻射為主，輻射傳熱所傳遞的能量占總能量的80%以上。而一般耐火材料如優質硅磚，高溫下的輻射率僅約為0.4[1]。無噴涂的玻璃熔窯內部傳熱如圖1所示。因此，提高爐膛內表面的輻射率，就可以提高熔窯的熱吸收效率。

中研院研發的玻璃熔窯用紅外高輻射節能涂料，是一種高輻射率的功能性涂料。將其涂覆在玻璃熔窯內硅質耐火材料表面，可以將高溫下(1 500～1 600 ℃)熔窯內表面的輻射率從0.4提高到0.9以上，即可將窯爐內表面輻射傳熱效率提高一倍以上。在同樣的加熱條件下，極大地提高了加熱能力，增強熱能利用效率，從而達到節能目的。噴涂紅外高輻射節能涂料的玻璃熔窯內部傳熱如圖2所示。

根據電磁波輻射的基本定律可知，不同溫度下爐窯輻射的電磁波有其對應的光譜分布特征，即有與其對應的波長分布范圍和峰值輻射波長[2]。由維恩位移定律可知，涂覆了紅外高輻射節能涂料的高溫窯爐，在高溫狀態下爐膛內表面輻射波長范圍為0.94～2.37 μm，輻射峰值波長約為1.5 μm；而鈉鈣硅玻璃配合料的吸收波峰所對應的波長恰好也在1.5 μm處，與紅外節能涂料的輻射光譜相匹配[3]。因此，玻璃配合料能夠有效吸收紅外節能涂料發射的輻射熱，從而提高配合料的熱吸收效率，起到節能作用。

1.2 梯度復合保溫節能技術的節能原理

傳統復合硅酸鹽保溫涂料存在的問題為開裂，主要為保溫涂料因干燥收縮產生的表面龜裂，以及涂料整體收縮引起的與墻面起拱剝離。保溫涂層的龜裂紋會導致熱量積聚，而產生熱橋效應，使得保溫層的燒損加劇。而保溫涂層的整體起拱剝離，會在墻面與保溫層之間形成空腔，空腔中的流動空氣會加劇熱量散失，降低保溫效果。同時，復合硅酸鹽保溫涂料的耐溫也較低。

針對傳統保溫技術的弊端，中研院開發了二代新型復合梯度保溫節能技術，是以陶瓷纖維及纖維制品為主材、以不同耐火等級的材料梯度降溫為手段、以纖維噴涂一體化施工工藝為特征的新型玻璃熔窯保溫技術，具有高溫性能穩定、收縮率低、粘結牢固、衰減率低、保溫效果優異、節能效率顯著等特點。梯度復合保溫節能技術具有以下特征：

1)梯度降溫技術：根據窯體由內向外溫度依次降低的散熱特點，通過熱工模擬與計算，將保溫層劃分為不同的溫度段(如高、中、低)。每個溫度段，選用在該溫度段下導熱系數小、線收縮率低、長期耐溫性能好的保溫材料做保溫層，依次進行階梯降溫。

2)纖維噴涂技術：與復合硅酸鹽保溫涂料容易收縮、龜裂不同，纖維噴涂工藝是將陶瓷纖維短切、打散，與高溫結合劑混合，采用特制噴涂設備，在保溫制品外側一次性噴涂成型。由于纖維是無序搭接，且短切纖維本身具有彈性，所以在溫度升高發生變形時，纖維之間可以發生有限位移，不會發生涂層龜裂，確保保溫層不開裂、不脫落。

3)復合遮蔽技術：紅外遮蔽劑是一種能夠吸收紅外波長的物質，它可以遮蔽其吸收波長范圍內的紅外光，從而達到阻隔紅外輻射傳熱的目的。適合作為紅外遮蔽劑的材料有很多種，如TiO2、SiC、六鈦酸鉀晶須、鋯英石等。每種材料根據材料特性和顆粒大小不同，可以吸收特定紅外波長的紅外光線。由于紅外光的波長范圍很廣，分為近紅外、中紅外和遠紅外，波長范圍從0.75～300 μm[4]。因此單一遮蔽劑無法完成全紅外波段的遮蔽任務。二代新型保溫節能技術，采用復合熱輻射遮蔽填料，最大限度的將紅外光線進行屏蔽，從而阻隔紅外輻射傳熱，降低隔熱材料的導熱系數，因此達到良好的節能效果與隔熱保溫效果。

4)防熱橋施工工藝：保溫層在裂縫處會產生熱橋效應，從而燒穿或擊穿保溫層，對保溫層造成破壞。為了防止裂紋引起熱橋，復合梯度保溫技術將每一溫度段的保溫材料錯縫砌筑，最大限度地減少直通縫的產生，確保保溫涂層具有良好的保溫性能。

2 應用案例

華東地區某玻璃公司在同一生產車間有兩條相同熔化噸位(800 t/d)玻璃熔窯：A線和B線。其中，A線于2020年放水冷修，同年11月點火投產；B線于2021年放水冷修，同年7月點火投產。A線和B線窯型結構相同、生產玻璃品種一致、耐材配置和工藝操作基本一致。

A線采用了中研院的二代新型梯度復合保溫節能技術；而B線不僅采用了二代新型梯度復合保溫節能技術，還在熔窯內表面噴涂了玻璃熔窯用紅外高輻射節能涂料。

2.1 梯度復合保溫節能技術與紅外節能涂料的應用

A線在熔窯大碹、熔窯胸墻、熔窯后山墻、小爐、蓄熱室碹、蓄熱室直墻、室內水平主煙道碹及側墻、室內水平支煙道碹及側墻等部位應用了梯度復合保溫節能技術。

B線點火烤窯前，在熔窯內部的大碹、澄清部胸墻、澄清部后山墻及L型吊墻直墻段的硅磚表面，噴涂施工了玻璃熔窯用紅外節能涂料。B線烤窯完成后，在熔窯大碹、熔窯胸墻、熔窯后山墻、小爐、蓄熱室碹、蓄熱室直墻、室內水平主煙道碹及側墻、室內水平支煙道碹及側墻等部位應用了梯度復合保溫節能技術。

2.2 應用節能效果

A線與B線的設計能耗均為1 370 kcal/kg玻璃液(設計保溫為傳統硅酸鹽保溫涂料)。在A線與B線點火投產后，選取生產穩定且生產普通浮法玻璃時的相同時間段內的生產能耗數據，取平均值，如表1所示。

表1 A線與B線的生產能耗

由表1可知，與設計能耗1 370 kcal/kg玻璃液比較，A線的單耗降低61 kcal/kg玻璃液，節能率為4.45%；B線的單耗降低135 kcal/kg玻璃液，節能率為9.85%。A線的成品率為94%、一等品率為92%，B線的成品率為95%、一等品率為93%。

B線與A線相比較，僅在熔窯內部增加使用了玻璃熔窯用紅外節能涂料，節能率由4.45%提高至9.85%，其產生的節能效果顯著；同時，成品率和一等品率均提高一個百分點。

與設計方案相比，A線與B線應用二代浮法新型節能技術后，兩條玻璃生產線一年可節約燃料費用2 137萬元；其中，A線年節約668萬元，B線年節約1 469萬元。具體節能效益分析見表2。

表2 A線與B線的節能效益

3 結 語

中研院研發的玻璃熔窯用紅外高輻射節能涂料與梯度復合保溫技術，作為第二代中國浮法玻璃技術的節能新材料技術，可產生良好的節能效果，具有顯著的經濟與社會效益。在應用梯度復合保溫技術的基礎上，再使用紅外節能涂料，不僅能明顯降低玻璃生產能耗，同時對玻璃產品質量具有提升作用。二代浮法新型節能技術，將為玻璃行業節能減排及實現“碳達峰、碳中和”目標作出積極貢獻。