等离子体复合加热玻璃速熔新技术及机理研究

随着能源和环境问题的日益突出，节能减排已成为目前世界玻璃工业面临的首要问题。针对传统玻璃熔制工艺所存在的熔化时间长、澄清难、热效率低、能耗高、污染重等问题，本课题以超白钠钙硅玻璃和液晶无碱玻璃为研究对象，采用新颖的等离子体复合加热技术，使微米球形颗粒在高温飞行瞬间实现粒子化熔解，并减少了气泡的形城，提高了热利用效率，大幅缩短了玻璃熔制时间，进而降低了能源消耗和环境污染。与此同时，研究球形玻璃原料的高温反应机理，揭示其飞行熔化行为和规律；通过各种现代化检测技术和手段，建立玻璃熔化在线分析评价方法；通过热力学数值分析模型模拟反应炉内温度、流速、传热等现象，为今后工业化过程控制提供理论指导。系统开展等离子体复合加热玻璃速熔新技术的应用基础研究，对于玻璃工业节能降耗、发展绿色环保工艺、提高国际竞争力，具有重要的理论意义和应用价值。

在玻璃制造过程中，用于玻璃熔化的能耗占整个工业总能耗的75%。因此，玻璃熔化是玻璃生产节能降耗环节中的重中之重。针对传统玻璃熔制工艺所存在的熔化时间长、澄清难、热效率低、能耗高、污染重等问题，本项目以钠钙硅玻璃和无碱玻璃为研究对象，利用喷雾干燥法制备了微米球形玻璃原料，对其进行了热力学和动力学分析，明确其反应机理和成核过程。研究了多相交流电极和纯氧燃烧器的构造、产生复合等离子体的方法以及各因素对玻璃熔化性能的影响。采用热焓探针、高清摄像机和热力学分析模型，研究了等离子体的温度场、速度场等分布以及其各种参数对球形玻璃原料飞行熔化行为的影响。利用各种现代化分析手段检测了产物的分解率、熔解率、组成、气泡、氧化还原指数等。最后，研究了碱性材料的挥发、碎玻璃的加入以及余热回收利用等问题，并评价等离子体复合加热新技术在能耗、环保和成本等方面的效果。. 结果表明：利用喷雾干燥法制备的微米球形玻璃原料明显提高了玻璃原料流动性差、各组分混合不均和分层现象，确定了其反应过程为未反应核收缩模型，内扩散为其控制环节。对多相交流电极采用惰性气体保护后可明显延长电极的寿命，提高电弧的稳定性，并且电极数越多，电弧越稳定。纯氧燃烧器的结构很好的解决了原料输送及气体燃烧的问题。产生复合等离子体时，先产生多相交流电弧，然后再产生燃烧火焰，可产生稳定的复合火焰。但随着燃烧火焰功率的增加，电极的氧化程度也随之加重，火焰会产生明显的对流和喘流，影响复合火焰的稳定性。随着输入功率的增加、原料粒度的减少、输送气流的减少以及喂料速度的减少，原料的分解率、颗粒的收缩率以及熔化率都随之增加。究其原因，是由于每个颗粒在飞行过程中，从复合火焰中获得的热量较多所导致的。通过热力学分析发现，等离子体火焰的速度和流速在炉内呈现正态分布，中间的温度和流速较高，两边由于保护气氛的冷却效应和炉壁传热导致温度较低，进而流速也较低。利用各种现代化分析检测手段建立了玻璃分行熔化在线评价方法。因为复合等离子体的温度较高，因而原料中碱性材料的挥发较大，造成炉膛损坏比较严重。碎玻璃经过研磨破碎后与球形原料一起熔化可以很好地减少浪费。玻璃融化过程中产生的余热一部分可以用来预热原料，一部分用于喷雾干燥造粒过程。等离子体复合加热技术在玻璃熔制过程中可以节省能耗50%以上，降低污染60%以上，大幅减少建设和运行成本。