玻璃粒化配合料預分解技術(shù)研究

王琰 何進 劉攀 錢奇 蔣江 劉紅剛

（1 中國南玻集團股份有限公司；2 華南理工大學材料科學與工程學院）

玻璃工業(yè)是高能耗、高污染的行業(yè)，始終面臨著節(jié)能減排的重大挑戰(zhàn)。當前，浮法玻璃工業(yè)主要通過以下途徑進行節(jié)能：玻璃窯爐保溫、提高燃料的燃燒效率、余熱利用、加入碎玻璃以及擴大玻璃單線產(chǎn)能等[1,2]。盡管這些手段取得了一定的節(jié)能減排效果，但總體來說，玻璃窯爐的熱效率仍然偏低，能源利用率不理想，CO2、NOX、SO2等廢氣污染問題仍然嚴重。如何有效節(jié)約能源并減少排放仍是目前平板玻璃熔窯面臨的重要問題。

玻璃粒化配合料窯外預分解技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效解決方案。該技術(shù)結(jié)合了配合料粒化技術(shù)與配合料預熱技術(shù)，即先將傳統(tǒng)的玻璃粉狀配合料壓制成塊或球狀，再利用窯外煙氣余熱或其他熱源對玻璃配合料進行加熱，并部分或全部完成配合料的硅酸鹽形成過程。這種方法不僅可以提高能源利用率，降低能源消耗水平，同時還能減少廢氣排放，顯著改善玻璃生產(chǎn)過程中的環(huán)保性能[3,4]。

通過應用玻璃粒化配合料窯外預分解技術(shù)，我們可以進一步優(yōu)化玻璃生產(chǎn)過程，實現(xiàn)更高效的能源利用和更少的排放。這將為玻璃工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展開辟新的道路，對推動行業(yè)進步具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的影響。

1 粒化配合料預分解技術(shù)研究現(xiàn)狀

早在1951 年，就已經(jīng)開始嘗試將玻璃原料壓塊進行預分解。Geigerich 將粉狀玻璃配合料壓制成為團塊，然后在700℃下煅燒這些團塊，再將其投入熔窯熔制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃熔化率和產(chǎn)量增加了100%[5]。

到了1977年，Muucie建立了一個小試裝置，將粉狀玻璃配合料中加入的水作粘結(jié)劑，用壓塊機壓制成料塊。加熱到816℃預分解一個半小時后，放入玻璃熔窯在1400℃熔化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓塊和經(jīng)預熱的壓塊的熔化速率和熔化質(zhì)量要遠高于粉狀配合料[6]。

在20 世紀末，一些研究者開始進一步探究玻璃配合料和碎玻璃的加熱對其熱效率的影響。Ruud Beerkens 發(fā)現(xiàn)，在高溫下實現(xiàn)玻璃配合料的碳酸鹽部分分解或完全分解，有利于提高熔窯熱效率，縮短玻璃的熔化時間。S.V.Krivenko 則認為，利用富氧燃燒來實現(xiàn)玻璃配合料的燒結(jié)是一種有效的方法。通過增加助燃空氣中的氧氣含量，提高了燃料燃燒的效率，提高了火焰溫度和黑度，能更快速地將熱量傳遞給配合料，實現(xiàn)配合料的硅酸鹽形成反應[7,8]。

1999 年，美國環(huán)境保護部門也對玻璃配合料預分解技術(shù)進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，在造粒后干燥的小顆粒必須保證有足夠大的強度才能完成后續(xù)工藝。當原料顆粒在800℃預熱時，最終的熔化溫度可降低50℃，每年可節(jié)約8.5×1015J的能量消耗[9]。

2005 年，Boerefijn 等人在流化床上進行了粒狀玻璃配合料的預分解實驗。結(jié)果顯示，粒狀配合料不易出現(xiàn)分層和粉塵，燒結(jié)后的配合料具有穩(wěn)定的化學成分。然而，燒結(jié)時溫度的控制難度較高，溫度過低會導致硅酸鹽形成反應的完成度降低，而溫度過高則容易引起液相，將粒狀配合料粘接在一起[10]。

2011 年，Pita-Szczesniewski 等人研究了SiO2-NaCO3、SiO2-Na2CO3-CaCO3、SiO2-Na2CO3-MgCO3、SiO2-CaCO3-MgCO3等玻璃體系的配合料預分解反應。研究表明在特定的溫度和保溫時間的燒結(jié)過程中，配合料幾乎完成了硅酸鹽的形成過程，且配合料中二氧化碳含量極低，不會出現(xiàn)液相[11]。

到了2013 年，武漢理工大學研究發(fā)現(xiàn)采用玻璃原料預熱技術(shù)，通過理論計算發(fā)現(xiàn)：將粉狀配合料壓制成粒狀并在窯外預分解后，熔窯產(chǎn)量可以從原來的1200t/d 提高到2159t/d，熱效率可以從40.0%提高至65.7%[12]。這一發(fā)現(xiàn)具有巨大的實際應用潛力，它提供了玻璃工業(yè)節(jié)能減排的一種新途徑。

2 粒化配合料預分解技術(shù)原理及優(yōu)點

玻璃熔制過程是一個復雜的物理化學過程，通常分為硅酸鹽形成、玻璃液形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷卻等五個階段。在這個過程中，玻璃原料中的各種成分會經(jīng)歷一系列復雜的化學反應，最終形成玻璃液。而玻璃配合料預分解技術(shù)則是將傳統(tǒng)工藝過程中的硅酸鹽形成過程部分或全部剝離出來，使配合料在窯外升溫至800～1000℃溫度范圍，通過發(fā)生一系列物理化學的反應，配合料中的氣態(tài)產(chǎn)物逸出，并形成由硅酸鹽和二氧化硅組成的不透明燒結(jié)物。將高溫狀態(tài)的不透明燒結(jié)物直接投入窯內(nèi)，此時燒結(jié)的硅酸鹽物質(zhì)導熱系數(shù)大，傳熱效率大幅提高，能快速形成低共熔物開始熔化，大大縮小了窯內(nèi)料堆區(qū)域的面積。另外，由于配合料預分解后鹽類氣體已基本排出，也在一定程度上減輕了玻璃澄清壓力。也就是說在相同熔窯面積的情況下，采用玻璃配合料預分解技術(shù)可明顯提高配合料熔化及澄清效率，提升生產(chǎn)產(chǎn)能。

國外相關實踐也證明，利用熔窯煙氣預熱玻璃配合料不僅能顯著減小能耗，提高熔化效率，延長窯爐使用壽命，還可大幅度降低廢氣排放，有利于環(huán)境保護。

3 粒化配合料預分解技術(shù)存在問題

作為一項前沿技術(shù)，玻璃粒化配合料預分解技術(shù)在研究和應用過程中會面臨各種技術(shù)難題，需要不斷地進行攻克和解決。主要問題包括：

⑴加熱實施問題：目前，空氣助燃窯蓄熱室出來的煙氣溫度一般在500～600℃，而全氧窯煙道內(nèi)煙氣溫度雖然可以達到1000℃以上，但煙氣量不足。這導致配合料加熱只能實現(xiàn)物理水脫去過程。為了將配合料升溫到750℃以上，達到硅酸鹽形成的目的，我們需要在原煙氣系統(tǒng)中引入其他輔助加熱手段，如電加熱或燃料加熱等。這將進一步加大工藝控制和操作的難度。

⑵設備高溫運行問題：粒化配合料加熱預分解主要有間接加熱和直接加熱兩種方式，無論哪種方式，加熱設備的煙氣溫度都需要在950～1100℃。這要求加熱設備具有優(yōu)良的耐高溫性能。同時，為了確保生產(chǎn)的連續(xù)性并減少加熱后粒化配合料的熱損失，我們需要合理優(yōu)化工藝流程和設備布置，解決煙道和投料口之間的距離問題，并確保高溫物料的連續(xù)運輸、轉(zhuǎn)運、存儲、投料等過程中相關設備的穩(wěn)定可靠運行。

⑶研究與產(chǎn)業(yè)化應用問題：當前，預分解的玻璃粒化配合料對實際玻璃熔制工藝、熔化澄清時間的影響尚不明確，板面氣泡、結(jié)石是否存在不利影響也尚不清楚。此外，粒化配合料預分解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用與原有工藝及生產(chǎn)線兼容方面還有諸多問題待進一步解決。這些都不同程度地制約了玻璃粒化配合料預分解技術(shù)的廣泛研究和使用。

4 結(jié)論

粒化配合料預分解技術(shù)是玻璃制造領域中的一項重要創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)通過將配合料的硅酸鹽形成過程從窯爐中分離出來，在窯外進行預分解處理，然后直接將預分解后的粒狀配合料投入熔窯。這種技術(shù)創(chuàng)新可以有效地提高熔化速率，同時降低澄清壓力，增加熔窯的單線產(chǎn)量，進一步降低了廢氣排放和能源消耗。對于實現(xiàn)玻璃行業(yè)的碳中和目標，粒化配合料預分解技術(shù)將起到積極作用，提供了一種有效途徑，該技術(shù)的應用和發(fā)展前景巨大。