電熔窯爐節(jié)能技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

徐正本 王宏彥 張超

摘 要：本文詳細(xì)探討了電熔窯爐節(jié)能技術(shù)原理，并從熔化池設(shè)計(jì)及耐火材料的選用、流液洞設(shè)計(jì)及蓋板磚侵蝕、電極和功率分布等角度對(duì)電熔窯爐節(jié)能技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行論述，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的燃油、燃?xì)饣鹧鏍t相比，電熔窯爐節(jié)能技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，應(yīng)用前景十分廣泛。

關(guān)鍵詞：電熔窯爐;電極;節(jié)能技術(shù)

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

燃油、燃?xì)饣鹧鏍t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(guó)近年來(lái)稀缺資源供需矛盾日益突出，同時(shí)受到國(guó)際價(jià)格波動(dòng)的大幅度影響，所以企業(yè)生產(chǎn)成本不斷上漲，傳統(tǒng)火焰爐一次性投入較高，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中僅能源耗用成本就高達(dá)總成本的40%以上，而且火焰爐結(jié)構(gòu)特殊，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)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(jià)格穩(wěn)定，成本可控，在用電低谷時(shí)使用還能有效節(jié)約成本，便于加強(qiáng)企業(yè)管理和核算，電熔窯爐因其一次性投資少、運(yùn)行成本低廉、操作簡(jiǎn)便、污染小等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前資源緊張的情況下應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 電熔窯爐節(jié)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(yīng)的電導(dǎo)體，隨后憑借玻璃液自身的導(dǎo)電性繼續(xù)熔化。此時(shí)再向窯爐電極通電，玻璃液體便自動(dòng)發(fā)揮導(dǎo)體作用借助自身熱量實(shí)現(xiàn)窯爐加熱。玻璃液面覆蓋著一層生料，其以上空間內(nèi)溫度為80～150℃，所以玻璃液體導(dǎo)電過(guò)程中所生成的熱量能被100%吸收，僅加熱過(guò)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(jù)統(tǒng)計(jì)，電熔窯爐在生產(chǎn)中僅有20%左右的熱量無(wú)謂散失，比燃油、燃?xì)饣鹧鏍t節(jié)能率能提高至少25%。

電熔窯爐的推廣使用符合國(guó)家環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策及能源利用政策，燃油、燃?xì)饣鹧鏍t在燃燒過(guò)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(huán)境，同時(shí)還會(huì)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(huán)境的再度污染。但電熔窯爐由于全過(guò)程只是用電能而基本不產(chǎn)生有害氣體，每天所耗用的水量也在10t以內(nèi)。

2 電熔窯爐節(jié)能技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 熔化池設(shè)計(jì)及耐火材料的選用

電熔窯爐在熔制過(guò)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(guò)玻璃液中加熱電極，各層溫度梯度變化，而且能進(jìn)行分層控制，所以要求電熔窯爐熔化池深度必須達(dá)標(biāo)，高硼硅玻璃生產(chǎn)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(gòu)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(qū)、冷卻區(qū)和澄清區(qū)。電熔窯爐的生產(chǎn)過(guò)程是一系列快速、短時(shí)而激烈的物化反應(yīng)過(guò)程，所以熔化部所需空間較小，而玻璃釋放出氣泡后必須經(jīng)過(guò)生料層才能溢出，這需要時(shí)間和空間，所以澄清部區(qū)間相對(duì)較大。

與燃油、燃?xì)饣鹧鏍t不同的是，電熔窯爐對(duì)耐火材料的選用更加注重材料的耐高溫、耐侵蝕及導(dǎo)電性能。導(dǎo)電率越高的耐火材料由于運(yùn)行中可能發(fā)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(jié)能技術(shù)優(yōu)化的重要課題之一。

2.2 流液洞設(shè)計(jì)

流液洞是澄清結(jié)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(huán)節(jié)，很容易受到侵蝕，所以在電熔窯爐設(shè)計(jì)中必須引起重視，重點(diǎn)關(guān)注玻璃液回流及流液洞蓋板磚侵蝕等問(wèn)題。

玻璃液從熔化池流出，經(jīng)過(guò)流液洞后到達(dá)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(guò)程又能對(duì)回流玻璃液進(jìn)行二次均化，避免質(zhì)量缺陷，所以在實(shí)踐中必須尋求能耗與玻璃液質(zhì)量之間的均衡。具體而言，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證流液洞截面大小的合理性，對(duì)于出料量30t的電熔窯爐，截面應(yīng)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(yīng)控制在20～30cm;加大流液洞長(zhǎng)度，當(dāng)前電熔窯爐流液洞長(zhǎng)度應(yīng)保持在2～3m。

為控制和減輕流液洞蓋板磚的侵蝕，實(shí)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(shè)計(jì)，在確保流液洞位置遠(yuǎn)低于池底的情況下，溫度有所降低的玻璃液對(duì)蓋板磚的侵蝕也會(huì)降低。為保證蓋板磚性能并延長(zhǎng)其使用壽命，在電熔窯爐使用的中后期應(yīng)當(dāng)采取有效措施進(jìn)行蓋板磚的冷卻。

2.3 電極和功率分布

當(dāng)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(chǎn)企業(yè)普遍改進(jìn)了底插方式并采用側(cè)插的做法，這種技術(shù)能有效保證電場(chǎng)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(dāng)，并在電極磨損時(shí)及時(shí)頂進(jìn)，這種側(cè)插方式發(fā)生漏料的可能性很小，同時(shí)由于池底存在高粘度保護(hù)層，能有效保護(hù)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(yīng)均勻分布，并實(shí)行多對(duì)電極和多臺(tái)變壓器均勻布置，電極直徑和單臺(tái)變壓器容量都不應(yīng)過(guò)大，電極均勻分布才能杜絕偏電流現(xiàn)象的發(fā)生，確保電力線和熱能的均勻分布以及熔融工藝的穩(wěn)定。

此外，在電熔窯爐運(yùn)行之初經(jīng)常會(huì)遇到電壓低、電流過(guò)大但功率反而不高的現(xiàn)象，為了增大功率首先應(yīng)提高電流，但是要注意電流過(guò)高可能擊穿熔融電極磚并燒毀電控機(jī)械設(shè)備，進(jìn)而影響材料熔化質(zhì)量。為防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，必須保持玻璃爐內(nèi)玻璃溶液熔化均勻、不同點(diǎn)電阻相等，尤其是電阻小的區(qū)域發(fā)生偏流的可能性更大，偏流必將引起偏相，從而導(dǎo)致整個(gè)電熔窯爐電功率失衡，熔融不均。

3 結(jié)論

冷頂式電熔窯爐徹底改變了傳統(tǒng)的火焰加熱窯爐能耗模式，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)窯爐技術(shù)工藝方面的不足，當(dāng)前，我國(guó)電熔窯爐技術(shù)有了很大進(jìn)展，電熔窯爐配套性耐火材料和電極材料紛紛已達(dá)設(shè)計(jì)要求，全電熔窯爐設(shè)計(jì)日趨成熟。通過(guò)對(duì)電熔窯爐項(xiàng)目投運(yùn)后的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電熔窯爐不僅能提升企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，還能落實(shí)和響應(yīng)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益顯著。

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