二代浮法新型节能技术在玻璃熔窑中的应用

陈 卓,王贵祥,査海胜

(中建材玻璃新材料研究院集团有限公司，蚌埠 233010)

我国是玻璃生产大国，截至2022年5月，我国浮法玻璃熔窑共计297座，在产261座，日熔化量17.22万t；超白压延玻璃熔窑在产106座，日产量平均约36 780 t。玻璃企业是能耗大户，燃料成本占玻璃生产总成本的40%。在2060碳达峰、碳中和“双碳战略”以及“十四五”能耗总量控制、能耗强度控制“双控目标”国家政策的高压态势下，玻璃行业迫切需要节能新材料和节能新技术，来进一步降低燃料消耗并减少污染排放，同时降低运行成本、提高玻璃企业的产品竞争力。

中建材玻璃新材料研究院集团有限公司 (简称“中研院”)在熔窑节能领域做了大量研发工作，并取得了卓有成效的创新成果。其中，玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料(简称“红外节能涂料”)与梯度复合保温节能技术，作为玻璃熔窑节能新材料和节能新技术，被评为“二代浮法玻璃技术与装备优秀创新成果”，成为二代浮法玻璃熔窑标志性节能创新成果和设计标配。

1 节能原理

1.1 红外高辐射节能涂料的节能原理

在高温环境下，炉膛内部的热量传递以辐射为主，辐射传热所传递的能量占总能量的80%以上。而一般耐火材料如优质硅砖，高温下的辐射率仅约为0.4[1]。无喷涂的玻璃熔窑内部传热如图1所示。因此，提高炉膛内表面的辐射率，就可以提高熔窑的热吸收效率。

中研院研发的玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料，是一种高辐射率的功能性涂料。将其涂覆在玻璃熔窑内硅质耐火材料表面，可以将高温下(1 500～1 600 ℃)熔窑内表面的辐射率从0.4提高到0.9以上，即可将窑炉内表面辐射传热效率提高一倍以上。在同样的加热条件下，极大地提高了加热能力，增强热能利用效率，从而达到节能目的。喷涂红外高辐射节能涂料的玻璃熔窑内部传热如图2所示。

根据电磁波辐射的基本定律可知，不同温度下炉窑辐射的电磁波有其对应的光谱分布特征，即有与其对应的波长分布范围和峰值辐射波长[2]。由维恩位移定律可知，涂覆了红外高辐射节能涂料的高温窑炉，在高温状态下炉膛内表面辐射波长范围为0.94～2.37 μm，辐射峰值波长约为1.5 μm；而钠钙硅玻璃配合料的吸收波峰所对应的波长恰好也在1.5 μm处，与红外节能涂料的辐射光谱相匹配[3]。因此，玻璃配合料能够有效吸收红外节能涂料发射的辐射热，从而提高配合料的热吸收效率，起到节能作用。

1.2 梯度复合保温节能技术的节能原理

传统复合硅酸盐保温涂料存在的问题为开裂，主要为保温涂料因干燥收缩产生的表面龟裂，以及涂料整体收缩引起的与墙面起拱剥离。保温涂层的龟裂纹会导致热量积聚，而产生热桥效应，使得保温层的烧损加剧。而保温涂层的整体起拱剥离，会在墙面与保温层之间形成空腔，空腔中的流动空气会加剧热量散失，降低保温效果。同时，复合硅酸盐保温涂料的耐温也较低。

针对传统保温技术的弊端，中研院开发了二代新型复合梯度保温节能技术，是以陶瓷纤维及纤维制品为主材、以不同耐火等级的材料梯度降温为手段、以纤维喷涂一体化施工工艺为特征的新型玻璃熔窑保温技术，具有高温性能稳定、收缩率低、粘结牢固、衰减率低、保温效果优异、节能效率显著等特点。梯度复合保温节能技术具有以下特征：

1)梯度降温技术：根据窑体由内向外温度依次降低的散热特点，通过热工模拟与计算，将保温层划分为不同的温度段(如高、中、低)。每个温度段，选用在该温度段下导热系数小、线收缩率低、长期耐温性能好的保温材料做保温层，依次进行阶梯降温。

2)纤维喷涂技术：与复合硅酸盐保温涂料容易收缩、龟裂不同，纤维喷涂工艺是将陶瓷纤维短切、打散，与高温结合剂混合，采用特制喷涂设备，在保温制品外侧一次性喷涂成型。由于纤维是无序搭接，且短切纤维本身具有弹性，所以在温度升高发生变形时，纤维之间可以发生有限位移，不会发生涂层龟裂，确保保温层不开裂、不脱落。

3)复合遮蔽技术：红外遮蔽剂是一种能够吸收红外波长的物质，它可以遮蔽其吸收波长范围内的红外光，从而达到阻隔红外辐射传热的目的。适合作为红外遮蔽剂的材料有很多种，如TiO2、SiC、六钛酸钾晶须、锆英石等。每种材料根据材料特性和颗粒大小不同，可以吸收特定红外波长的红外光线。由于红外光的波长范围很广，分为近红外、中红外和远红外，波长范围从0.75～300 μm[4]。因此单一遮蔽剂无法完成全红外波段的遮蔽任务。二代新型保温节能技术，采用复合热辐射遮蔽填料，最大限度的将红外光线进行屏蔽，从而阻隔红外辐射传热，降低隔热材料的导热系数，因此达到良好的节能效果与隔热保温效果。

4)防热桥施工工艺：保温层在裂缝处会产生热桥效应，从而烧穿或击穿保温层，对保温层造成破坏。为了防止裂纹引起热桥，复合梯度保温技术将每一温度段的保温材料错缝砌筑，最大限度地减少直通缝的产生，确保保温涂层具有良好的保温性能。

2 应用案例

华东地区某玻璃公司在同一生产车间有两条相同熔化吨位(800 t/d)玻璃熔窑：A线和B线。其中，A线于2020年放水冷修，同年11月点火投产；B线于2021年放水冷修，同年7月点火投产。A线和B线窑型结构相同、生产玻璃品种一致、耐材配置和工艺操作基本一致。

A线采用了中研院的二代新型梯度复合保温节能技术；而B线不仅采用了二代新型梯度复合保温节能技术，还在熔窑内表面喷涂了玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料。

2.1 梯度复合保温节能技术与红外节能涂料的应用

A线在熔窑大碹、熔窑胸墙、熔窑后山墙、小炉、蓄热室碹、蓄热室直墙、室内水平主烟道碹及侧墙、室内水平支烟道碹及侧墙等部位应用了梯度复合保温节能技术。

B线点火烤窑前，在熔窑内部的大碹、澄清部胸墙、澄清部后山墙及L型吊墙直墙段的硅砖表面，喷涂施工了玻璃熔窑用红外节能涂料。B线烤窑完成后，在熔窑大碹、熔窑胸墙、熔窑后山墙、小炉、蓄热室碹、蓄热室直墙、室内水平主烟道碹及侧墙、室内水平支烟道碹及侧墙等部位应用了梯度复合保温节能技术。

2.2 应用节能效果

A线与B线的设计能耗均为1 370 kcal/kg玻璃液(设计保温为传统硅酸盐保温涂料)。在A线与B线点火投产后，选取生产稳定且生产普通浮法玻璃时的相同时间段内的生产能耗数据，取平均值，如表1所示。

表1 A线与B线的生产能耗

由表1可知，与设计能耗1 370 kcal/kg玻璃液比较，A线的单耗降低61 kcal/kg玻璃液，节能率为4.45%；B线的单耗降低135 kcal/kg玻璃液，节能率为9.85%。A线的成品率为94%、一等品率为92%，B线的成品率为95%、一等品率为93%。

B线与A线相比较，仅在熔窑内部增加使用了玻璃熔窑用红外节能涂料，节能率由4.45%提高至9.85%，其产生的节能效果显著；同时，成品率和一等品率均提高一个百分点。

与设计方案相比，A线与B线应用二代浮法新型节能技术后，两条玻璃生产线一年可节约燃料费用2 137万元；其中，A线年节约668万元，B线年节约1 469万元。具体节能效益分析见表2。

表2 A线与B线的节能效益

3 结 语

中研院研发的玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料与梯度复合保温技术，作为第二代中国浮法玻璃技术的节能新材料技术，可产生良好的节能效果，具有显著的经济与社会效益。在应用梯度复合保温技术的基础上，再使用红外节能涂料，不仅能明显降低玻璃生产能耗，同时对玻璃产品质量具有提升作用。二代浮法新型节能技术，将为玻璃行业节能减排及实现“碳达峰、碳中和”目标作出积极贡献。