玻璃电熔和冷却系统在节能环保上的应用

Richard A Stormont, Managing Director

Electroglass Ltd, England

这次会议是以玻璃生产中的节能、降耗和环保为主题，我们对节能、环保和降耗的研究已有30多年了，全电熔炉、全电熔料道、电助熔技术和鼓泡系统也在不断发展和完善。

本文通过使用玻璃电熔和调节系统来达到节能环保上之目的。

    玻璃熔化就是能源密集的过程，熔化玻璃的净能量必须把配合料转变为全熔融状态和已澄清好的玻璃液，每公斤玻璃液的能耗为520千卡；如果采用电熔技术，每公斤玻璃液的能耗为0.6kw/h，假设在配合料中加入20%的碎玻璃或回收的玻璃，该能耗随着玻璃品种不同和配合料中熟料比例的变化而有所改变。

    玻璃熔炉的热效率与窑炉设计和玻璃品种有关，但是火焰炉的热效率最高也只有45%，而且很多窑炉的热效率都要明显低于45%。图1中以热效率为40%的火焰炉为例，大部分的能量都通过各种热损失而释放到周围的环境中，而真正用来熔化配合料的能量明显低于损耗的能量。

在熔化玻璃时达到节能的目的，我们必须想办法降低这些热损耗。

    造成热效率低的主要原因在于火焰炉和全氧燃烧自身，熔化部底部和侧墙的热损失是不可避免的，尽管这些热损失可以通过包裹高质量绝热材料降至最低。可是整个过程是通过油或天然气的燃烧来达到较高的火焰温度和熔化空间温度，这些温度必须高于玻璃液的温度，且通过辐射和传导作用把热能传递给玻璃液。从燃料到玻璃液，这种间接传递能量的方式导致窑炉的熔化空间和排出的废气都产生大量的热损失，即使使用热回收系统比如交流换热器或回收器。

    怎样才能使能量能够直接有效地熔化玻璃？到目前为止，最有效的办法就是在电助熔或全电熔中使用浸没式电极。

    浸没在玻璃液中的电极与电压器相连接，并配置适当的功率，从而在玻璃液中产生电流，直接释放电能直接对玻璃液自身进行加热，而且在熔化过程中没用明显的热损失。

    当然，我们必须确保电极释放的能量不能反过来影响窑炉的其它性能，例如在不合适的地方对玻璃液进行强制对流或造成短路，这样会降低窑炉的有效运行时间。因此电助熔的设计者必须选择电极的最佳数目、位置、间距、尺寸和连接布置。

    从电能方面来讲，以掺加20%碎玻璃为准，采用助熔系统熔化的玻璃，生产1Kg的理论净能耗为0.6kW·h。然而，利用最好的助熔技术，我们可以清楚看出：生产1Kg玻璃，助熔系统的能耗为0.48 kW·h；或者说是：每增加1吨玻璃需要20kW连续的输入功率，如图2所示。

    从大卡方面来讲，如图3所示。这种明显的“超效率”完全是由于这样一个事实，即精心设计的增压系统可以提高燃烧热传递的运作效率，并能增加效率或最低停留时间，以及增加熔化能源这一过程。

    因此，电助熔可以说是减少能源消耗的有效方法。再谈回图1，在这个例子中，1Kg玻璃的能源消耗量为1300大卡。我们再与电助熔炉比较，此炉中75%的玻璃采用的是燃料燃烧熔化，25%采用的是现代对流电流控制的助熔系统。由于效率的提高，我们发现1Kg玻璃的能量消耗可能降为1080大卡，节能17%，如图4所示。

    当然，在这个例子中，熔化能耗成本的比较取决于燃料的相对成本（天然气和油）和增压系统的电流。从成本方面讲，建造一座日产150吨无助熔熔炉并配置50吨助熔系统的熔炉要比日产200吨的无助熔熔炉投入要少的多。

    配备电助熔系统的较小熔炉会减少燃烧气体的排放，直接有助于减少环境污染，特别是当电熔的电力来源是水、风或潮汐能的时候。

    电助熔历来被认为是增加特定熔炉产量的主要方法。大多数助熔系统都是用于这一目的。然而，这些年来我们设计和提供的助熔系统，相当一部分可以达到提高玻璃质量的目的。随着最近世界石油和天然气价格的提高，以及对环境保护关注的日益增加，我们越来越认为在玻璃的生产过程中，增加电助熔是一种减少能源消耗和环境污染的好方法。

I在大多数电助熔中，高达30%的产量是由电能提供的。但是，已经有案例表明：助熔系统能占到总产另的50%。

扩大电能的进一步使用，当然我们必须考虑到全电熔。在全电熔炉中，全部的熔化能通过插入的电极来产生，只是在前期烤窑时采用燃气；或者作为紧急停电时的备用能源。绝大部分这种窑炉为冷顶操作（如图5），随着配合料被均匀的散布在玻璃窑炉的表面，形成了一层隔热的料毯。熔化和澄清在垂直方向连续进行，通过熔化池底部的流液洞结构，玻璃液流出进入下一个环节。

这样就很容易理解为什么电熔窑炉其其它任何燃料窑炉的热效率都高的原因。然而还是在窑炉侧墙和底部存在一些热损失，而在窑炉顶部的几乎没有热损失。在成功设计的全电熔中，由于配合料的隔热性能，上部炉顶温度一般都不超过100℃。

一般像日产10吨玻璃的小型电熔炉的热效率超过70%，而大型的电熔炉热效率高达85%。

电熔炉和火焰炉的热效率的不同，在小型窑炉中更加显著。从图6可以看出，随着窑炉尺寸的降低，电熔炉的热效率仍然很高，而火焰炉的热效率随着窑炉规模的减少迅速降低，有的小型火焰窑炉低于20%。

因此，采用全电熔炉技术，我们热效率高达85%，没有环境污染，运行噪音低。

玻璃电熔炉已经被广泛应用到特种玻璃中，特别是含有易挥发成份，诸如氟乳白玻璃，硼硅酸盐玻璃，铅晶质玻璃等。然而，全球能源相对成本随着油气的涨价，对电能发展非常有利。目前传统玻璃诸如器皿玻璃等也对大型全电熔炉产生了浓厚的兴趣。图7是目前世界最大，日产250吨的全电熔炉，用于熔制无色器皿玻璃，其能耗为吨玻璃液710KWH，相对于85%的热效率。

最后，我们不应该忽视窑炉料道部分的能源消耗和燃烧废气的排放。显然，当绝大部分的玻璃生产商意识到他们的熔炉使用了多少能源，但很少人关心料道中能源的使用情况。

当使用电熔炉，好的全电熔炉有良好的热效率。在典型的器皿玻璃采用常规操作条件，而现代化的电熔料道中，可能仅仅需要总功率15~25KW的功率输入，就能保证日产90吨玻璃的料道温度控制。去年韩国的一家玻璃器皿生产商安装了两条全电熔料道，如图9，宽度900mm和1200mm的料道，直接替代了火焰加热的料道，降低了料道的热损失达70%以上。电加热料道在运行时无噪音，当然也不会排出任何废气。

因此，玻璃熔化和冷却过程中能量密集，为了使在能耗和环保两个方面起作用，我们必须更好的运用火焰炉电助熔、全电熔和料道电加热。中国和世界的能源供应，和我们的生存环境一样，都将受益于这些玻璃制造的方式。