玻璃熔制论文节能减排概述Word格式.docx
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在浮法玻璃生产过程中,硅酸盐形成阶段与玻璃形成阶段之间没有明显的界限.即在硅酸盐阶段尚未结束时,玻璃液形成阶段已经开始,并且硅酸盐形成进行得极为迅速,而玻璃液形成却很缓慢.这是由于在实际生产中,配合料被直接投入到1300℃左右的投料池中,硅酸盐形成极快(约3~5min),而玻璃液的形成必须等待石英砂粒的完全熔解.因此要划分这两个阶段很困难,所以生产上把这两个阶段视作一个阶段,称为配合料熔化阶段.
1.3玻璃液澄清阶段
随着温度继续升高,达到1400~1500℃时,玻璃液的黏度约为10Pa•s,玻璃液在形成阶段存在的可见气泡和溶解气体,由于温度升高,体积增大,玻璃液黏度降低而大量逸出,直到气泡全部排出.
1.4玻璃液均化阶段
当玻璃液长时间处于高温下,由于对流、扩散、溶解等作用,玻璃液中的条纹逐渐消除,化学组成和温度逐渐趋向均一.此阶段结束时的温度略低于澄清温度.
玻璃液的均化过程早在玻璃液形成阶段时已开始,然而主要的还是在澄清后期进行.它与澄清过程混在一起,没有明显的界限,可以看作一面澄清,一面均化,且澄清加速了均化的进程,均化的结束在澄清之后,并一直延续到冷却阶段.此外,搅拌是提高均匀性的一个很好的方法.
1.5玻璃液冷却阶段
将清澄和均化了的玻璃液均匀降温,使玻璃液具有成型所需的黏度.在冷却阶段应不破坏玻璃液的质量.浮法玻璃冷却阶段结束的温度在1100~1050℃左右.
2.玻璃熔制过程中的能耗分析
当前玻璃熔窑的能耗指标,玻璃液的理论能耗:
2.5MJ/kg=0.7kW.h/kg;
全电熔窑经济能耗:
4.3~5.4MJ/kg一1.2~1.5kW·
h/kg;
600t/d浮法玻璃窑能耗:
6.4~7.5MJ/kg=1.78~2.08kW·
h/k熔制过程中能量的消耗,这里我们摘抄一个典型的600t/d浮法玻璃熔窑热工标定数据[7-9],帮助体会当前玻璃熔窑的能耗分布.
在热平衡计算中,进出熔窑体系的空气与烟气以烟道为界,进出熔窑体系的玻璃以投料机处和投料口处和出料口为界,其它以进出窑体为界.
表1输出熔窑体系热量
项目
烟气显热Q
表面散热
玻璃液带出显热
玻璃液带出潜热
孔口逸流气体显热
孔口辐射散热
冷却水带出热
冷却风带出热
雾化蒸汽潜热
百分比%
31.52
22.28
19.2
8.87
4.71
0.64
2.81
2.28
2.9
表2输入熔窑体系热量
燃料燃烧热
燃料显热
助燃空气显热
配合料显热
93.58
0.57
0.86
0.71
3.76
2.1玻璃熔窑全窑热损失分析
从表1,表2热平衡数据中可以看出大约1/3为烟气带走热量,大约1/3为玻璃液带走热量,大约1/3为其它散热损失.
(1)玻璃液带走热量
这是熔制工艺最低的要求,是无法节约的.
(2)烟气带走的热量
烟气带走的热量是一个很大的课题.到目前为止,已经提出了不少回收烟气热量的技术方案:
如余热锅炉,余热发电、全氧燃烧降低烟气量、加强蓄热室换热效率进而降低废气温度等等.但各个余热回收措施又产生了新的问题:
如余热锅炉的热水无法充分利用热效率仍然较低、余热发电的投资太大且没有需具备规模效应来降低运行综合成本、全氧燃烧设备投资和运行成本很高等(唯一的优势是环保).
(3)表面散热及其它
大水管的冷却水是工艺要求,无法节约.冷却风也是工艺需求,无法节约.孔口逸流散热是一个很重要的课题,保持微正压操作,尽量减少加料,观火,油枪,搅拌,大水管等等熔窑孔口尺寸和数量,是积少成多的节能措施之一.在表面散热的节能策略上,参见下述表面散热的热工测定数据.
熔窑表面散热以及保温措施在表面散热的分布中,碹顶散热占30%,小炉和蓄热室占30%,胸墙池壁池底占30%.如果不考虑小炉和蓄热室部分,在窑体散热中,冷却部的散热接近熔化部的一半.如果在小炉散热上做文章,比如降低散热30%,则节能幅度也为总能耗的1.7%.
3.熔制过程中的节能理论分析与设计
目前还没有建造出理想的高效节能概念窑.在目前通行的各种玻璃熔窑中,无法明确区分各玻璃液制备工艺阶段,也不能根据熔制工艺各阶段需求来配置熔制资源.因此,在能源分配上造成部分区域配置过度,部分区域配置不足.配置过度造成能源浪费,配置不足通过延长时间完成工艺要求,同样造成能源浪费[10].
3.1实际浮法熔窑各个熔制工艺阶段的区域分布浮法玻璃熔窑熔制工艺的区域划分见图1
图1浮法玻璃熔窑玻璃液的各个区域
图1是根据玻璃液的流动形态分布划分的浮法玻璃熔窑玻璃液的各个区域.由于实际熔窑受到耐火材料构造和实际运行的限制,很难建造出概念窑的结构.在玻璃液流动的各区域中,不能像理想概念窑那样明确区分各个熔制阶段,各个熔制工艺阶段在空间上是相互交织在一起的;
通过与理想概念窑对比,可以帮助理解实际熔窑中哪些区域熔制资源配置欠缺,那些区域配置过度.
3.2理想概念窑与实际浮法玻璃熔窑熔制资源的分布
3.3配合料层升温速率慢是影响熔制效率的第一关键因素
Cabld在《玻璃研究的
百年历史》一文中指出:
配合料在反应变得迅速以前,需要被加热到约600℃以上,但配合料的导热性却很差(见图2).最有效的快速加热大量配合料的方法对现代玻璃制造者来说是非常重要的,
图表2把150mm厚配合料加在坩埚中1450℃玻璃液表面,测量不同时刻的配合料层温度分布
但在1980年以前几乎没有文献涉及这个问题[12,13].在图2中可以看出:
(1)配合料层中与玻璃液接触的面,配合料的升温速率快,这是由于玻璃液的浸润作用可以较快地提高配合料层的导热系数.配合料层与空间的辐射换热面的熔化效率很低,这是因为配合料层绝热效果好,不能有效吸收辐射热量.
(2)在30min曲线上(占配合料层全部熔化时间的50%),配合料层内部温度仍处于200℃左右.把配合料层内核温度升到600℃以上,需要的时间是配合料层全部熔化时间的60%.在600t/d浮法玻璃熔窑中,配合料层长度占火焰覆盖区域长度60%左右.配合料层加料口附近厚度在30cm左右,漂浮在玻璃液上停留时间在2h以上.由于疏松配合料的导热系数非常小,造成极大的传热障碍,表现的形式为:
①进入熔窑的初期配合料无法吸收来自火焰空间和玻璃液的热量,致使其处于非熔化状态,长期漂浮在玻璃液上.
②为了加快配合料的熔制,部分厂家采取提高1和2小炉能量峰方法,结果是L型吊墙被烧坏,蓄热室格子砖被烧坏,仍然不能明显提高熔化速率.
③由于配合料导热系数小,不能有效吸收热量,火焰空间大量的燃烧能量不能有效地传递给配合料,只能烧灼大碹,或作为废气离开熔窑.离开熔窑的高温烟气余热因无法利用而放空.
④由于配合料层漂浮在玻璃液上,像隔热层一样阻碍了火焰空间向玻璃液的直接辐射热传递,影响了很大区域玻璃液温度的提高.
⑤配合料层下方的低温玻璃液必须与热点玻璃液形成热对流来获取热量,维持可流动的温度分布,同时由于对流降温,热点前的玻璃液温度无法有效率的提高,进而影响了后续澄清阶段的工艺效率.
⑥配合料层下方玻璃液辐射换热受阻,导致对流换热区域大幅扩张,极大地扩张了熔窑的玻璃液体积空间,相应地大幅度增加了熔窑外表面散热量.节能措施:
利用烟气余热预热配合料.如果能够把进入玻璃熔窑配合料预热到300℃左右,配合料的熔化时间可以缩小一半左右.因为从室温到300℃是一个很慢的升温过程,从300℃到1000℃是一个逐渐加速升温的过程.
3.4高温澄清时间太短是影响熔制效率的第二关键因素
对比表3中理想概念窑和实际浮法熔窑的澄清过程,理想的状况需要2~3h的高温停留时间.而实际浮法熔窑只能提供0.5h热点高温处的停留时间,其余的停留时间是靠热点到卡脖前的2~72h的大量对流时间弥补的[11].高温热点的澄清时间不够,靠热点到卡脖前的降温区域辅助澄清,极大降低了玻璃液熔制效率:
①玻璃液澄清去气工艺是一个高温慢过程.高温停留时间短,澄清效果差.
②热点到卡脖是一个降温区域,温度降低后需要更多时间弥补澄清停留时间.
③大幅增加的停留时间需要更大的玻璃液容积来实现,增加了散热表面积和能耗.
3.5冷却调理时间太长是增加能耗的第三重要因素
对比表3中理想概念窑和实际浮法熔窑的澄清过程,理想的状况需要1h的冷却调理时间,而实际熔窑却有2~72h的停留时间.宽范围的停留时间分布是由于冷却部的对流环流所引起.冷却停留时间过长带来的问题是:
①冷却部玻璃液体积大,散热面积大增加能耗.
②由于散热大,需要补充热量来维持良好流动性的温度,补充热量的方法是增加了冷却部和熔化部澄清带之间的热对流,同时降低了澄清带的温度和澄清效率.
节能措施:
减少冷却部回流,减少冷却部尺寸,加强冷却部保温,加强大水管的分隔,池底减浅.效果为:
①减少了冷却部回流对澄清带的降温作用,节约了能量,增加了澄清效率.
②热对流降低后,熔化部到冷却部输送的热量大幅减少,必须对冷却部保温才能维持冷却部的适宜温度.
③还可以适当减少冷却部尺寸,减少散热面积和散热量,弥补减少冷却部回流(同时减少了熔化部来流),解决冷却部热量不足的问题.
3.6规模效应
减少散热面积的另一个途径是增加玻璃熔窑的生产规模,产量越大,每公斤玻璃液分担的散热面积越小,能耗越低.
4.近年玻璃熔制系统的进展情况
新一代玻璃熔制系统针对传统玻璃熔制传热效率低下、热散发严重的问题,通过飞行熔化、浸没燃烧等一些新型熔制技术大幅提升热源、配合料、玻璃液之间的传热效率;
同时采用分段式熔化技术将玻璃熔制各过程单立控制,可以有效解决熔窑中玻璃液回流造成的滞留时问过长、各过程间热量相互窜扰、热能不能得到合理配置等问题.在此系统中,玻璃与配合料的组成与结构设计作为玻璃生产过程中的一个重要环节,将直接影响整个熔制系统的高效运行[13].
4.1分段式熔化系统
Beerkens[14]在研究如何克服传统玻璃熔窑的缺点时,提出玻璃分段式熔化这一新概念,该熔化系统的主要特点是将预热、熔化、澄清及均化等步骤分别在独立功能单元中进行,这样既提高了玻璃熔化的效率,又在不影响产品质量的同时缩短了玻璃液在熔窑内的滞留时间,提高了生产效率.分段式熔化系统与传统的玻璃熔窑相比,由于其独立的功能单元,克服了玻璃液回流导致的玻璃液滞留时间过长的缺点,在降低能耗的同时也减少了有害物质的排放.
在玻璃生产过程中,大量的热量被高温的废气直接带走.研究发现,这些热量可以通过换热器收集起来,用来加热配合料和碎玻璃,有利于减少燃料的使用和氮氧化物的排放,并提高生产效率.玻璃配合料中往往含有较多超细粉料,一方面易产生飞料,造成玻璃成分的波动、蓄热室格子体的堵塞和对窑体的侵蚀;
另一方面易形成难熔料团,延长玻璃液的澄清和均化时间.为了避免原料微粉的进入,传统配合料必须尽可能地把0.1mm以下的超细粉颗粒去掉,导致资源大量浪费.与此同时,疏松的配合料结构也造成熔制过程中热传导效率较差,大量热量不能得到有效利用.因此,近年来国内外相继开始配合料粒化或密实化工艺研究,通过粒化、挤压、压块等方法减少飞料的产生使配合料中各原料的颗粒紧密接触,热传导性能变好,固相反应速度加快,从而缩短了玻璃熔化时间,提高了玻璃熔化率并降低能耗.
从20世纪30年代开始[15],美国即开始对配合料进行预热研究.康宁公司提出了以陶瓷球作为热交换媒介的间接配合料预热方法,取得了良好效果.德国Zippe公司利用逆流一横流板状热交换器对配合料进行了预热研究,热气体和配合料颗粒之间以钢板隔开进行热交换,热气体温度由549℃降至204℃,而配合料温度则升至349℃.研究中发现对松散配合料进行造粒或压块会加速配合料预热,但只适合利用低硫燃料产生的废热气;
而高硫含量燃料燃烧产生的废热气会和配合料相互作用,微熔配合料会吸收硫化合物至饱和,影响玻璃的质量.Nienburger公司研究了影响配合料和废热气热交换效率的关键因素,提出了旋风二次循环交换法,可将配合料预热至621℃,实现节能10%.在密实化与预热条件下,配合料中大部分含气原料都会在预热阶段分解,部分低温反应过程事先在预热阶段完成,大大提高了熔窑内的玻璃化效率,单位能耗明显降低,生产效率得以提升.与此同时,含气原料在玻璃熔制过程中的作用也有所下降,因此通过部分选用其它硅酸盐矿物原料加以替代,拓展玻璃原料种类,也有利于玻璃熔化效率的进一步提升,进而达到减少废气排放的目的.
4.2浸没燃烧熔化
传统熔化玻璃的方法基本上采用的是表面加热法,这种加热方式的最大缺点是火焰空间主要对玻璃液表面进行传热,配合料内部及玻璃液层内部传热困难,热量散失很大,烟气带走大量热量.玻璃熔化阶段的传热效率低下成为玻璃生产高能耗、高排放的一个重要原因.
浸没燃烧熔化[16]技术将燃烧器设置于熔窑底部,燃料和助燃剂直接通过火焰喷枪注入到所需熔化的配合料内部燃烧,配合料从熔窑上方加入,所需的玻璃液从底部附近的出料口排出.这种技术属于内部熔化方式,加热点产生局部高温,配合料迅速分解、熔化,产生高温气泡,由于气泡在玻璃液中剧烈搅动,大量的热量被配合料吸收.熔化时发生较为复杂的热交换过程,大大加强了传质过程,从而提高了熔化效率并且降低了能耗.浸没燃烧熔化的另一个优点是降低了玻璃熔窑建造成本.基于浸没燃烧技术的熔窑体积较小,不需要大量昂贵的耐火材料;
外墙可以采用循环水冷却,在保护外层耐火材料不被腐蚀的同时可以回收大量热能,用以给配合料预热;
同时结合富氧燃烧技术,大幅度减少了氮氧化合物等污染气体的排放.浸没燃烧过程大幅度地提高了热交换效率,在l260℃~1540℃的加热条件下传热效率可达70%.但浸没燃烧也会带来许多问题,例如燃烧气体带入的灰泡与其它气体夹杂物增多,在加热过程中玻璃液会产生剧烈的流动与沸腾,产生大量气泡,特别是气泡破裂后会形成微液滴,不利于玻璃液的澄清.同时玻璃液的黏度也需要调控,否则燃烧气体排出困难将导致熔化池玻璃液间隙放泡现象.因此,这就需要在玻璃及其配合料组分上进行适应性调整,通过窑内玻璃液黏度分布调控及澄清剂优化来解决浸没燃烧熔化过程中出现的问题.
4.3飞行熔化
飞行熔化技术的核心是基于近年发展起来的等离子体熔化技术.玻璃配合料经加工为尺寸合适的颗粒后,分散进入等离子体燃烧器,颗粒状配合料在飞行过程中被数千甚至上万度的热等离子体焰在极短的时间内迅速熔化,形成气泡较少的熔融态玻璃.日本NED0组织(NewEnergyandIndustrialTechn0l0gyDevel0pment0rganizati0n)投入了大量项目资金,旨在将飞行熔化技术应用于难熔及普通玻璃的熔化.这种技术的主要优点是可以在不影响玻璃质量的前提下,减少玻璃的熔化和澄清时间,配合料中硅酸盐和硫酸盐等含气原料在飞行熔化过程中完全分解.与传统工艺相比,其他条件相同情况下,其总的澄清时间缩短为2—3h,节能约40%~50%,同时也减少了矿物燃料的使用和温室气体的排放.
飞行熔化过程特别需要注意的是配合料的粒度级配,Ya0[17,18]等人“将玻璃配合料浆料通过喷射干燥法制成直径为20~80m的颗粒,通过一系列试验发现,配合料的玻璃化程度跟颗粒原料的直径有关,同时也与运载气体流量有关.颗粒原料的粒径分布范围越宽,越不利于熔化;
在运载气体流量为10L/rain的条件下,颗粒原料平均粒径在41Ixm时最利于熔化.除了配合料颗粒的粒度之外,配合料成分的变化也会对飞行熔化产生影响.各料球间组分不能有太大的差别,以避免形成难熔物,造成玻璃液的成分波动.在配合料料球尺寸大幅减小的情况下必须相应减小各种原料颗粒的尺寸,同时要求每个料球中各种原料组分均衡以保证玻璃液成分均匀,这就增加了配合料制备难度;
同时飞行熔化时玻璃组分中NaO的挥发率将大幅增加,可达17%一46%,这就需要对配合料的组分进行相应调整.如果采用飞行熔化与传统熔化方式并用的方法,考虑部分难熔原料飞行熔化,易熔易挥发原料直接进熔化池的方法,在降低玻璃熔制能耗的同时避免配合料中易挥发组分的流失,可能也是一个解决问题的较好方法,但玻璃液的熔制均匀性如何保证则成为生产过程中的一个重要控制环节.
4.4负压澄清
负压澄清的基本原理是使熔窑内部空间的气压低于外界气压,所形成的负压可以促进玻璃液内的微小气泡聚集长大成为大气泡排出玻璃液,从而达到与在配合料中加人澄清剂相同的澄清效果.在配合料组分的选择上,可以降低澄清剂的使用量,即在分段熔化之后,通过负压、鼓泡或超声波澄清加速澄清以降低玻璃液的滞留时间,也可以通过高温手段加速玻璃液中气体的排出.通过对玻璃配合料组分在熔化过程作用的研究可以知道,玻璃基础组成为铝硅酸盐系统的配合料在熔化过程中需要较高的熔化温度且不易澄清与均化.例如在制备等离子显示屏PDP基板玻璃时可以采用负压澄清技术[19],从而在仅含少量甚至不添加澄清剂的情况下降低澄清温度并达到良好的澄清效果.
日本旭硝子公司试验证明[4],负压澄清可以使澄清温度从最高的1600℃左右降低100℃,而且澄清质量大大提高,从而产生了良好的节能效益,可减少能耗30%,除节约大量能源外,还延长了耐火材料的使用寿命,减少了CO、NO的排放量.澄清区体积也变小,其大小相当于每日出料量体积的二十分之一.负压澄清玻璃熔窑有很强的通用性,可以嫁接在各种新型玻璃熔制技术上使用.如浸没燃烧熔化、飞行熔化与负压澄清相结合,由于飞行熔化和浸没燃烧所产生的瞬时高温或局部高温极易将玻璃液中的澄清剂过早分解,而负压澄清技术则可以在少澄清剂甚至无澄清剂存在的条件下仍能达到优良的澄清效果,因而在配合料制备过程中也可适当减少澄清剂和含气原料的使用,上述技术的相互配合可以在保证玻璃产品质量的前提下实现节能减排目的.
6.总结
玻璃熔制技术的革新,是玻璃工业解决长期以来能源利用效率低下、适应节能减排国家战略需求的必由之路,2009年与2011年国际先进玻璃熔制技术研讨会中已将玻璃熔制过程中的节能与排放控制作为重点探讨研究课题[20,21].而一系列玻璃熔制新技术的推出,都必须在整个玻璃产品熔制系统内相互匹配、相互适应.利用分段式熔化系统合理分配玻璃熔制能量,利用浸没燃烧和飞行熔化实现玻璃熔制过程的高效传热、在负压澄清过程中明显降低澄清温度和澄清时间,同时对玻璃配合料中的澄清剂与含气原料使用、原料颗粒级配、料球密实方式与尺寸、预热方式等进行适应性调控,通过系统研究形成过程匹配、相互支持的新一代玻璃熔制技术体系,将使我国玻璃科学与产业摆脱技术相对落后的被动局面,真正成为一个玻璃生产与技术大国.
显然,玻璃熔化技术的未来开发目标是:
减少NOx、CO2的排放量,至少玻璃熔制过程中的能量消耗[22];
只有通过节能减排才能提高玻璃熔制的生产效率,同时符合国家政策法规,使得玻璃企业能够长远立足.
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