王琰 何進(jìn) 劉攀 錢奇 蔣江 劉紅剛

（1 中國南玻集團(tuán)股份有限公司；2 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(dāng)前，浮法玻璃工業(yè)主要通過以下途徑進(jìn)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(kuò)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(yán)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?；浜狭细G外預(yù)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?；夹g(shù)與配合料預(yù)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(jìn)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(yīng)用玻璃?；浜狭细G外預(yù)分解技術(shù)，我們可以進(jìn)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(jìn)步具有重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的影響。

1 ?；浜狭项A(yù)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(jìn)行預(yù)分解。Geigerich 將粉狀玻璃配合料壓制成為團(tuán)塊，然后在700℃下煅燒這些團(tuán)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(jī)壓制成料塊。加熱到816℃預(yù)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(yù)熱的壓塊的熔化速率和熔化質(zhì)量要遠(yuǎn)高于粉狀配合料[6]。

在20 世紀(jì)末，一些研究者開始進(jìn)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(rèn)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(yīng)[7,8]。

1999 年，美國環(huán)境保護(hù)部門也對玻璃配合料預(yù)分解技術(shù)進(jìn)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(qiáng)度才能完成后續(xù)工藝。當(dāng)原料顆粒在800℃預(yù)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(jìn)行了粒狀玻璃配合料的預(yù)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(xué)成分。然而，燒結(jié)時溫度的控制難度較高，溫度過低會導(dǎo)致硅酸鹽形成反應(yīng)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(yù)分解反應(yīng)。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(xué)研究發(fā)現(xiàn)采用玻璃原料預(yù)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(yù)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(yīng)用潛力，它提供了玻璃工業(yè)節(jié)能減排的一種新途徑。

2 ?；浜狭项A(yù)分解技術(shù)原理及優(yōu)點

玻璃熔制過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)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(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最終形成玻璃液。而玻璃配合料預(yù)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(xué)的反應(yīng)，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(dǎo)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(yù)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(yù)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(guān)實踐也證明，利用熔窯煙氣預(yù)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(hù)。

3 ?；浜狭项A(yù)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(yù)分解技術(shù)在研究和應(yīng)用過程中會面臨各種技術(shù)難題，需要不斷地進(jìn)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(dá)到1000℃以上，但煙氣量不足。這導(dǎo)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(dá)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(jìn)一步加大工藝控制和操作的難度。

⑵設(shè)備高溫運(yùn)行問題：?；浜狭霞訜犷A(yù)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(shè)備的煙氣溫度都需要在950～1100℃。這要求加熱設(shè)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?；浜狭系臒釗p失，我們需要合理優(yōu)化工藝流程和設(shè)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(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲、投料等過程中相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

⑶研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用問題：當(dāng)前，預(yù)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，?；浜狭项A(yù)分解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與原有工藝及生產(chǎn)線兼容方面還有諸多問題待進(jìn)一步解決。這些都不同程度地制約了玻璃?；浜狭项A(yù)分解技術(shù)的廣泛研究和使用。

4 結(jié)論

?；浜狭项A(yù)分解技術(shù)是玻璃制造領(lǐng)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(jìn)行預(yù)分解處理，然后直接將預(yù)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(jìn)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(biāo)，粒化配合料預(yù)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(yīng)用和發(fā)展前景巨大。