高掺率废玻璃熔化及成分补偿技术在浮法玻璃生产中的应用

　　摘要高掺率废玻璃熔化及成分补偿技术针对浮法玻璃中高比例掺入外购废玻璃，通过燃烧技术、成分补偿及马蹄焰窑炉结构的创新等技术措施，解决由此引起的成分波动、澄清困难、结石增多等技术质量问题，并有效节约原矿资源和化工材料，实现清洁生产，降低污染物的排放，减少土地和人畜危害。

　　关键词：高掺率,废玻璃,熔化,成分补偿,熔窑结构,节能降耗

　　0引言

　　随着城市化的飞速发展以及城市人口膨胀带来城市垃圾的逐年增加，我国许多城市出现了“垃圾围城”的现象，不仅占用大量土地，而且造成城市环境污染，严重影响了居民生产生活。垃圾又被认为是最具开发潜力的、永不枯竭的“城市矿藏”，是“放错地方的资源”。这既是对垃圾认识的深化，也是城市发展的必然要求。保证垃圾无害化处理，实现垃圾资源化是社会和政府面临的重要任务。

　　城市垃圾资源化有助于缓解城市垃圾不断增加所带来的环境问题，并且通过分类回收处理技术还能获取新的资源，因此，城市垃圾资源化迫在眉睫，是一项任重而道远的任务，是走可持续发展之路的必然选择，而废碎玻璃作为垃圾中一种，具有高危害、难降解、回收难等特点，一直是垃圾固废领域的一大痛点，将废碎玻璃回收再利用，是对废碎玻璃最好的处理方式，是一项功在当代，利在千秋的利国利民的事业，亟待处理和利用。

　　1我国废玻璃产出及回收情况

　　《中国再生资源回收行业发展报告(2018)》显示：2017年我国废玻璃产出量约为2000万t，其中废平板玻璃产出量约为850万t，占总产出量的42.5%;废日用玻璃产出量1000万t，占总产出量的50%;其他废玻璃产出量为150万t，占总产出量的7.5%。2017年我国废玻璃回收量为1070万t，同比增长24.4%。其中废平板玻璃回收量为600万t，占总回收量的56.1%;废日用玻璃回收量335万t，占总回收量的31.3%;其他废玻璃回收量为135万t，占总回收量的12.6%。

　　2废玻璃回收利用的主要途径

　　2.1主要途径

　　废玻璃主要用作玻璃原料。将废玻璃经过收集、分选、清洗、除杂处理，将其作为生产玻璃的原料，成为废玻璃回收利用的主要途径。废玻璃可用于对化学成分、颜色、杂质要求较低的玻璃制品的生产，如有色瓶罐玻璃、玻璃绝缘子、空心玻璃砖、槽形玻璃、压花玻璃和彩色玻璃球等玻璃制品。这些产品的废玻璃掺入量一般在30%(质量分数)以上，绿色瓶罐制品的废玻璃掺入量可达80%以上，但是浮法玻璃企业一般不使用外购废玻璃。

　　2.2其它途径

　　废玻璃还可用作涂料原料、微晶玻璃原料、玻璃沥青、建筑面砖、玻璃马赛克、人造大理石、玻璃瓷砖、陶瓷釉料添加物及生产保温隔热、隔音材料等。

　　3使用外购废玻璃对浮法玻璃生产的影响

　　在浮法玻璃生产中，如果掺入的外购废玻璃颜色品种较杂、成分差异较大，含有较多的泥砂杂质、金属物和其他难熔物等，都会对玻璃质量造成不同程度的影响。

　　3.1造成玻璃成分波动

　　因生产玻璃的工艺条件不同，玻璃的成分各异，同样是浮法玻璃其成分也不尽相同。生产玻璃的配合料经过高温熔制后，除化合物分解外，还包括氧化物组分不同程度的挥发，当废玻璃重新熔化后，Na2O等易挥发的组分将进行第二次挥发，组成中B2O3、PbO则挥发更明显，因此该组分在玻璃中含量将明显减少。废玻璃的表面有吸附水气和大气作用的倾向，使其表面形成胶态，玻璃内部的组成也发生差异。

　　热分解过程放出的氧，容易扩散到周围的气泡中去，与之一起逸出玻璃液外，导致玻璃缺氧，呈还原性熔制气氛，玻璃熔化时会促使Fe2O3转变为FeO，提高了玻璃着色能力，降低了玻璃的光学透过性。由于玻璃液对耐火材料的侵蚀作用，使废玻璃组成Al2O3、SiO2、Fe2O3含量相对增加，使用外来废玻璃量比较大或反复使用时，易出现条纹和杂层，容易产生析晶和使玻璃发脆，同时使玻璃制品存在较大的内应力，会造成性能下降。总之，使用较多废玻璃易造成玻璃成分波动。

　　3.2产生大量的二次气泡

　　废玻璃块间所含的气体以及废玻璃中含有少量的化学结合气都会随着配合料进入玻璃液中，在重熔时易产生相当于二次气泡那样的微小气泡。由于小气泡浮力小，难以逸出，会存留在玻璃制品中，影响制品质量，特别是当废玻璃加入量比较多时，会引起配合料气体比率降低，给玻璃澄清均化带来困难。

　　不同成分的废玻璃混合时，由于相互间的作用而产生气泡。在同一时间及温度下，熔体中SiO2含量增加1%时，分离出来的SO3含量约为0.03%。因此，当含SiO2较多的玻璃液与含SiO2较少的玻璃液接触时，由于成分的波动，其氧化还原平衡被破坏，残余气体被排出而形成气泡。

　　3.3混入的杂质易造成结石缺陷

　　外来废玻璃来源复杂，杂质较多，常带有一些难熔物和金属物等。废玻璃一般都露天堆放，易混入杂物，这些混入杂质的外来废玻璃被使用后易造成玻璃质量下降，影响企业的经济效益。混入的杂质种类不一样，所造成的质量缺陷也是多种多样的，有些缺陷比较好鉴别，能够及时采取措施，但有些结石缺陷不是很常见，造成影响的连续性不强，鉴别起来难度较大。

　　4高掺率废玻璃技术应用创新

　　为解决高掺率废玻璃应用中存在的问题，从工艺流程、高掺技术、窑炉结构等方面作了以下改造和创新。

　　4.1工艺流程创新

　　高掺率废玻璃技术主要应用于在浮法玻璃生产中，利用经清洗和处理的90%废玻璃和10%的生料混合料，添加复合玻璃澄清剂，充分混合后通过原熔皮带送至窑头料仓，由全封闭式振动给料机将混合料投入马蹄焰池窑进行熔化，熔窑采用目前较先进的德国霍恩公司的低氮燃烧技术，对熔窑进行特殊的水冷式鼓泡装置，经高温熔化、均化、澄清、冷却后形成合格的玻璃液，并用流液道调节闸板控制进入锡槽的玻璃液量，随即在锡液面上摊平、展开，再经机械拉引、挡边和拉边机控制，经过渡辊台进入退火窑进行退火冷却后，经在线检测仪检测、纵切、横切、横掰、加速分离、掰边、纵掰纵分和吹风清扫后，进入堆垛区，堆垛后的玻璃转入成品库储存。

　　4.2废玻璃高掺技术创新

　　通过选料配料与成分补偿研究，开发了成分调节技术和复合澄清剂应用，在平板玻璃生产线上实施利用废碎玻璃高掺技术有重大突破，解决和实现了废碎玻璃高掺的关键问题，废碎玻璃掺入率达到90%。

　　(1)选料配料技术废碎玻璃可以选择一个批次或多个批次，但必须保证废碎玻璃次要成分的含量不能超过成品玻璃设计成分的含量。经预处理得到不含难熔杂质的玻璃块料和玻璃粉，待成分化验后分别进入碎玻璃仓和配料仓。将石英砂、长石、白云石、石灰石、纯碱、芒硝、碳粉按配方比例分别称量，加入混合机与玻璃粉混合均匀。制备的废玻璃和配合料投入熔化池，经高温熔化、均化、澄清，形成组成稳定、质地均匀的玻璃液。(2)成分补偿技术成分补偿是经预处理得到不含难熔杂质的玻璃粉经成分化验，与成品玻璃的设计成分相对照，成分不足部分添加固体混合物进行成分补偿。

　　(3)玻璃液均化技术碎玻璃和配合料均匀投入熔窑，经高温熔化后进入热点区，在窑炉热点位置的池底打孔，安装鼓泡装置，通入气体进行鼓泡，气泡上升过程中对玻璃熔液进行翻腾搅拌，实现成分二次均化。(4)复合澄清添加剂为实现玻璃的隔热性能和减少二次气泡，采用适合废玻璃熟料的复合澄清剂配制在玻璃混合物中，突破了现有隔热玻璃的局限，并合理控制原料化学氧需求量，控制氧化还原性，对紫外线、红外线和总能量进行有效阻隔，同时提高可见光的透过率，获得能强烈吸收紫外线和近红外线的隔热玻璃。

　　4.3马蹄焰熔窑技术创新

　　(1)窑炉结构设计创新

　　采用增加高温澄清和均化面积，首先，一改以往国内设计的传统经验，即熔化区与澄清区池深一致的设计观点，改为更有效地加深澄清均化区，并在熔池内采用高窑坎技术。在熔化部池底设置多道高窑坎，通过窑坎稳定窑池中投料回流和成型回流，避免因熔化温度的波动而造成玻璃液的质量不均，提高玻璃的澄清效果和均化质量，减少熔化池底层往回流动的玻璃液量，降低能耗，该结构可提高熔化率8%、节能5%。其次，加宽窑炉的宽度，大的火焰空间适合燃油火焰的刚性好、不发飘的特点，能稳定火焰，有利于燃料完全燃烧，在窑体保温的情况下扩大火焰空间对该部位的散热损失影响极小，相反，由于燃料完全燃烧，使得燃料在窑池空间内的燃烧效率提高，也即有更多的热量用于加热熔池和玻璃液，保证在高熔化率的同时降低熔化部的热负荷，玻璃液也得到充分熔化和澄清。

　　(2)窄长卡脖技术

　　窄长卡脖技术可减弱对流，减少加热回流玻璃液的热量和减轻冷却部的热负荷。同时也极大促进均化和澄清的作用，达到节能降耗的目的。(3)大蓄熔比技术研制了新型蓄热装置，由结构相同的第一蓄热体和第二蓄热体对称式排列组成，第一蓄热体和第二蓄热体均由低温蓄热室和高温蓄热室一体化组成，支撑体包括支腿、炉条和找平砖，两个呈圆弧形的炉条的其中一端通过连接块固定连接，另一端分别连接支腿，找平砖的下表面扣合在炉条的外弧面上。带有蓄热装置的熔炉通过循环交替吸收利用熔炉本体内部产生的高温气体中的余热，而且降低新鲜空气与熔炉本体内部的温差，因此有助于保证熔炉本体内部稳定的温度环境，既能节省能耗又能提高产品质量。

　　(4)匀连续电磁振动给料技术马蹄焰熔窑进料系统实现自动送料，效率高无需人工值守，故障率低。进料口采用预熔池结构，加强预熔效果。此外，采用密封式投料技术，更有利于节能。(5)鼓泡均化技术采用新型的水冷式鼓泡系统，提高了玻璃熔液的溶解度，产品质量得到80%的提升。水冷式鼓泡系统中鼓泡装置包括鼓泡枪、供气系统和供水系统。

　　鼓泡枪成排安装在泡界线附近合适位置，气泡上升过程中对玻璃液具有翻腾搅拌作用，强化投料回流和成型回流，使得鼓泡具有以下作用：①助熔作用。强化对流加快玻璃液与配合料之间的热交换，提高配合料熔化效率，提高熔化能力;②均化作用。搅拌均化，可以减少条纹疵点，减轻炸板倾向;③阻挡浮渣。坝状条带可以阻挡未熔浮渣，减少进入成型区域;④改善窑温。对流加强可以提高底层玻璃液温度10～20℃，同时因玻璃液热交换加强，液面反射热减少可使大碹温度降低15～25℃。

　　(6)低氮节能燃烧技术熔窑以天然气作为主要常用燃料，采用底烧式喷枪，两对小炉每个小炉采用5支喷枪，每只喷枪天然气流量自动控制，助燃风机采用交流变频调节技术，助燃风换向方式为总管换向、支风管进风。每对小炉助燃风量通过手动蝶阀调节，通过烟气分析仪测定废气含氧量调整蝶阀开度，以保证燃烧充分和建立窑内氧化还原气氛;废气采用支烟道换向。每个分支烟道设调节闸板，以控制废气流量，总烟道设等双翼调节闸板自动控制窑压。从源头上使炭及碳氢化合物完全燃烧，有效控制氮氧化物生成，起到节约能源，显著降低氮氧化物的作用。

　　4.4效果分析

　　高掺率废玻璃技术2018年在湖南巨强再生资源科技发展公司2条马蹄焰熔窑协同处置固体废物浮法玻璃生产线(一条为350t/d，一条为550t/d，使用燃料主要为天然气，煤焦油备用)实际应用，取得了比较明显的成效。

　　(1)有利于节约原矿资源和化工材料有资料显示，如果按照当前的玻璃行业资源消耗量计算，我国玻璃用硅质原料资源储量只能使用80～85年。加上耐火材料、冶金熔剂、硅酸钠等行业的消耗量，预计我国玻璃硅质原料资源储量只能使用55年左右。2018年2座熔窑使用废碎玻璃近30万t，从而节约原矿资源合格粉料近30万t，其中石英砂20.4万t，白云石4.9万t。一般而言，若生产1t合格粉料，考虑到运输损耗和加工、选矿废弃率等因素，需开采原矿1.4～1.5t，按此计算，节约原矿资源近45万t，其中石英砂30万t，白云石7万t。同时节约化工原料6.3万t，其中纯碱6.1万t。

　　(2)有利于实现清洁生产高掺率废玻璃技术单位产品综合能耗、单位产品纯碱消耗和单位产品电耗分别为11.56kg/重量箱、3.24kg/重量箱和6.87kWh/重量箱，均低于或接近HJ/T361—2007《清洁生产标准平板玻璃行业》的资源能源利用指标中的最低值。

　　(3)有利于降低污染物排放该技术使熔窑烟气大气污染物排放量分别为颗粒物小于3330mg/m、二氧化硫小于200mg/m、氮氧化物小于3500mg/m，分别比GB26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的标准限值减少40%、50%和28%。

　　(4)有利于减少土地及人畜危害作为垃圾，废玻璃是一种无法焚烧、无法在填埋中自然降解、且无法通过一般的物理化学方法加以分解和处理的废弃物。资料表明，玻璃及其制品的自然降解时间高达4000年，这种降解速度或许对考古研究非常有价值，可通过对数百年或数千年前在岩浆中的天然玻璃研究，了解玻璃形成的机理，但对现实来说是极其有害的。

　　另外，由于玻璃制造和加工等原因，废玻璃中含有锌、铜等重金属，对土壤和地下水造成污染。另一个问题是玻璃容易破碎，一旦有生物试图吞下或舔食玻璃碎片上剩下的食物或饮料，就有可能遭受到严重的伤害。

　　5结语

　　高掺率废玻璃熔化及成分补偿技术生产浮法玻璃的技术是完全可行的，通过工艺流程、燃烧技术、成分补偿、窑炉结构的改造创新，不仅减少矿产资源的开采，节约能耗，符合我国绿色发展理念和循环行动要求，还能提升产品质量，降低生产成本等，是一项有助于实现垃圾资源化和可持续发展模式并能推动行业技术进步的重要创新技术。

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