我国是玻璃生产大国，截至2021年9月中旬，我国浮法玻璃熔窑共计305座，在产265座，日熔化量174925吨，占全世界浮法玻璃在产产能58%；超白压延玻璃熔窑66座，日熔化量40210吨，占全世界超白压延玻璃在产产能90%。而玻璃企业是能耗大户，燃料成本占玻璃生产总成本的40%。在3060碳达峰、碳中和“双碳战略”以及“十四五”能耗总量控制、能耗强度控制“双控目标”国家的高压态势下，玻璃行业迫切需要节能新材料和节能新技术，来进一步降低燃料消耗并减少污染排放，同时降低运行成本、提高玻璃企业的产品竞争力。
中建材蚌埠玻璃工业设计研究院（以下简称“中建材蚌埠院”）在熔窑节能领域做了大量研发工作，并取得了卓有成效的创新成果。其中，玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料（以下简称“红外节能涂料”）与二代新型保温节能技术，作为玻璃熔窑节能新材料和节能新技术，被评为“二代浮法玻璃技术与装备优秀创新成果”，成为二代浮法玻璃熔窑标志性节能创新成果和设计标配。 01节能原理
1.1 红外高辐射节能涂料的节能原理
随着玻璃生产工艺的改进和节能技术水平的提升，我国普白玻璃单耗大约在1300～1550 Kcal/kg玻璃液，熔窑热吸收效率在42%～50%，平均热效率在46%左右。这与国外工业炉的平均热效率均在50%以上存在一定的差距[1]。
那么，如何才能提高窑炉的热效率呢？
众所周知，高温环境下炉膛内部的热量传递以辐射为主，辐射传热所传递的能量占总能量的80%以上。而一般耐火材料（如优质硅砖）高温下的发射率只有
0.4左右[2]（如图1所示）。因此，提高炉膛内表面的发射率，就可以提高熔窑的热吸收效率。
图1 玻璃熔窑内部耐火材料传热示意图
中建材蚌埠院研发的“玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料”，正是这样一种高发射率的功能性涂料。将它涂覆在玻璃熔窑内表面，可以将高温下（1600℃）熔窑内表面的发射率从0.4提高到0.9以上。也就是说，可以将窑炉内表面辐射传热效率提高一倍以上。在同样的加热条件下，极大地提高了加热能力，增强热能的利用效率，从而达到节能的目的。
玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料，除了可以大幅度提高炉膛内表面的发射率以外，其发射出来的红外光谱与钠钙硅玻璃的吸收波峰相匹配，也是提高热吸收效率的一个重要原因。
根据电磁波辐射的基本定律可知，不同温度的炉窑辐射的电磁波有其对应的光谱分布特征，即有与其对应的波长分布范围和峰值辐射波长[3]。由维恩位移定律计算得出：
涂覆了红外高辐射节能涂料的高温窑炉，在高温状态下，炉膛内表面辐射波长范围为0.94~2.37 μm，发射峰值波长约1.5 μm。而钠钙硅玻璃配合料的吸收
波峰所对应的波长恰好也在1.5 μm处，与红外节能涂料的辐射光谱相匹配[4]。所以玻璃配合料能够有效吸收红外节能涂料发射的辐射热，从而提高配合料的热吸收效率，起到节能作用（如图2所示）。
图2 喷涂红外节能涂料的玻璃熔窑内部传热示意图
玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料，主要喷涂在玻璃熔窑内部的大碹、澄清部胸墙、山墙与L型吊墙直墙段的优质硅砖表面，即主要涂覆在玻璃熔窑熔化部和澄清部硅质大碹和墙体的内表面。由于玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料主要成分为二氧化硅，与优质硅砖成分基本一致。因此玻璃窑炉从常温状态下烤窑升温到正常生产温度（1580℃），在整个升温阶段每一个温度点，涂料与硅砖都能保持基本一致的体积膨胀。这一点非常重要！是涂层在硅砖表面不发生脱落的最根本的保证！
因此，玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料具有以下几个特点：
（1）可以将高温下炉膛内表面发射率，从0.4提高到0.9以上，极大地提高了熔窑内表面的辐射率；
（2）涂层辐射波峰与钠钙硅玻璃配合料的吸收波峰相匹配，均为1.5 μm，有利于增加玻璃配合料有效热吸收；
（3）涂料成分与优质硅砖基本一致，可以与优质硅砖保持近乎相同的热膨胀，防止烤窑升温过程中出现脱落和“两层皮”的状况；
（4）涂料主要成分为二氧化硅，不会对玻璃液造成污染。
红外高辐射节能涂料自2017年12月通过中国建材联合会鉴定验收以后，以其优越的节能效果，迅速在玻璃行业内推广。先后在六十余座浮法玻璃、超白压延玻璃、轻工玻璃和信息显示玻璃（超薄玻璃）熔窑上使用，使用范围涵盖以重油、天然气、发生炉煤气、焦炉煤气和石油焦等全燃料品种玻璃窑炉上。
1.2 二代新型保温节能技术的节能原理
二代新型保温节能技术，是相对于传统保温技术而言的。我们将以复合硅酸盐保温涂料为特征的传统保温技术命名为第一代保温技术。
传统保温技术存在的核心问题是“开裂”： （1）保温涂料因干燥收缩产生的表面龟裂； （2）涂料整体收缩引起的与墙面起拱剥离。
保温涂层的龟裂纹会导致热量积聚，而产生热桥效应，使得保温层的烧损加剧。而保温涂层的整体起拱剥离，会在墙面与保温层之间形成空腔，空腔中的流动空气会加剧热量散失，降低保温效果。因此解决了裂缝和分层问题，保温工程就成功了一半。
针对传统保温技术的弊端，中建材蚌埠院研发了“二代新型保温节能技术”。它是“以纤维及纤维制品为主材、以不同耐火等级的材料梯度降温为手段、以纤
维喷涂一体化施工工艺为特征”的新型玻璃熔窑保温技术。具有高温性能稳定、收缩率低、粘结牢固、衰减率低、保温效果优异、节能效率显著等特点。
二代新型保温节能技术具有以下四个特征： （1）梯度降温技术
根据窑体由内向外温度依次降低的散热特点，将保温层划分为不同的温度段（如高、中、低）。每个温度段，选用在该温度段下导热系数小、线收缩率低、长期耐温性能好的保温材料做保温层，依次进行阶梯降温。这种保温施工工艺称之为“梯度降温技术”。
以普通浮法玻璃熔窑大碹为例，大碹内表面温度为1580℃（热点温度），如果大碹保温层外表面温度要降至90℃，通过热平衡计算可知，大碹硅砖与轻质硅砖的界面温度在1400℃左右，而三层轻质硅砖与外保温（纤维制品）的界面温度大约在1250℃左右（界面温度为估计值，具体界面温度与保温材料的种类和理化指标有关。）
从1400～90℃这个温度区间里，要划分几个温度段才合理？每个温度段选用何种耐火材料才最合适？这里面就很多的问题需要去研究。譬如：每种保温材料在各个温度点的导热系数和线收缩率、界面温度计算值与实际测温值得差异及如何矫正等。
图3 熔化部大碹梯度降温示意图
界面温度计算，主要依据热平衡计算公式。但根据热平衡计算公式的计算所得的界面温度，往往与实际界面温度差别很大，从而影响材料选择的科学性。最主要原因是导热系数及界面温度都是一个动态的过程，保温材料的导热系数随着温度的变化而变化，反之亦然，随着界面温度的变化，保温材料的导热系数也会发生改变。
因此，为了精准选择各温度段的保温层材料品级与种类，就必须要精确计算各保温层（预选保温材料）的界面温度。通过计算预选材料各界面温度，才能研判所选保温材料是否合适。
中建材蚌埠院拥有专业的热工测试和材料检测中心，可以精确标定保温材料在0～1200℃各温度点的导热系数。除了对每种材料在各个温度区间的导热系数作精准的测试之外，中建材蚌埠院还做了大量的热工模拟，用以检验各保温层实际测量的界面温度与理论计算温度的差异，从而总结出适当的校正系数加以校正。通过这些措施，既能够精准计算各种保温方案中界面温度，又能精确测定保温材料在各温度段的导热系数。从而为科学制定梯度降温方案和选配合适的保温材料打下了坚实的基础。
（2）纤维喷涂技术
二代新型保温节能技术另一个重要特征是“纤维喷涂施工技术”。与海泡石保温泥料容易收缩龟裂不同，纤维喷涂工艺是将纤维短切、打散，与结合剂混合，采用特制喷涂设备，在保温制品外侧一次性喷涂成型。由于纤维是无序搭接，且纤维本身具有弹性，所以在温度升高发生变形时，纤维与纤维之间可以发生有限位移，不会发生涂层龟裂。确保保温层不开裂、不脱落。
（3）复合遮蔽技术
应用于高温窑炉保温的隔热材料，以多孔材料为主。它的热传导方式根据传导介质不同，可分为三种：气相、固相和辐射导热。高温环境下隔热材料中气相导热和辐射导热占主要地位，其中辐射导热占比大于气相导热。由于辐射导热主要集中在红外波段，因此降低红外波段辐射，是提高高温环境下隔热材料隔热性能的重要途径。
红外遮蔽剂是一种能够吸收红外波长物质，它可以遮蔽其吸收波长范围内的红外光，从而达到阻隔红外辐射传热的目的。适合作为红外遮蔽剂的材料有很多种，如：TiO2、SiC、六钛酸钾晶须、锆英石等等[5]。每种材料根据材料特性和颗粒大小不同，可以吸收特定红外波长红外光线。由于红外光的波长范围很广，分为近红外、中红外和远红外，波长范围从0.75～300 μm。因此单一遮蔽剂无法完成全红外波段的遮蔽任务。
二代浮法新型保温节能技术，采用复合热辐射遮蔽填料，最大限度的将红外光线进行屏蔽，从而阻隔红外辐射传热，降低隔热材料的导热系数，因此达到良好的节能效果与隔热保温效果。
图6 阻隔隔热和辐射隔热机理示意图
（4）防热桥施工工艺
保温施工，最忌有缝。因为保温层开缝处会产生热桥效应，从而烧穿保温涂层，对保温层造成破坏。为了防止裂纹引起热桥，我们将每一温度段的隔热制品材料，错缝砌筑，最大限度的减少直通缝的产生，确保保温涂层具有良好的保温性能。保温的最外层采用纤维喷涂工艺，将纤维短切、与粘接剂混合，并一次性喷涂成型，确保外保温层密封完整。从而减少窑体表面散热、改善车间环境温度、降低玻璃单耗、减少碳排放，达到节能减排和绿色环保功效。 02最新应用案例
在华东地区某著名玻璃上市公司，有两条相同熔化吨位（800 t/d）玻璃熔窑：A线和B线。其中A线于2020年放水冷修，同年11月点火投产；B线于2021年放水冷修，同年7月点火投产；A线和B线窑型结构相同、生产玻璃品种一致（普白）、耐材配置和工艺操作基本一致。
不同点在于：A线采用了中建材蚌埠院的二代新型保温节能技术；而B线不仅采用了二代新型保温节能技术，还在熔窑内表面喷涂了红外高辐射节能涂料。
2.1 二代新型保温节能技术与红外节能涂料的应用
A线在熔窑大碹、熔窑胸墙、熔窑后山墙、小炉、蓄热室碹、蓄热室直墙、室内水平主烟道碹及侧墙、室内水平支烟道碹及侧墙等部位应用了二代新型保温节能技术，施工完成后的大碹及蓄热室目标墙如图7。
图7 A线梯度复合保温概况 (左图：熔窑大碹；右图：蓄热室目标墙)
B线点火烤窑前，在熔窑内部的大碹、澄清部胸墙、澄清部后山墙及L型吊墙直墙段的硅砖表面，喷涂施工了玻璃熔窑用红外节能涂料，施工完成后如图8所示。B线烤窑完成后，在熔窑大碹、熔窑胸墙、熔窑后山墙、小炉、蓄热室碹、蓄热室直墙、室内水平主烟道碹及侧墙、室内水平支烟道碹及侧墙等部位应用了梯度复合保温，施工完成后的大碹及蓄热室目标墙如图9。
图8 B线玻璃熔窑用红外节能涂料施工完成
图9 B线梯度复合保温概况 (左图：熔窑大碹；右图：蓄热室目标墙)
2.2 应用节能效果
A线与B线生产稳定且玻璃产品种类均为普通浮法玻璃时，选取相同时间段内的生产能耗数据取平均值，如下表1。
由表1可知，与设计能耗1370 Kcal/kg玻璃液（设计保温为传统硅酸盐保温涂料）比较，A线的单耗降低61 Kcal/kg玻璃液，产生了4.45%节能率；B线的单耗降低135 Kcal/kg玻璃液，产生了9.85%节能率。A线的成品率为94%、一等品率为92%，B线的成品率为95%、一等品率为93%。
B线与A线相比较，在熔窑内部增加使用了玻璃熔窑用红外节能涂料，节能率由4.45%提高至9.85%，其产生的节能效果显著；同时，成品率和一等品率均提高一个百分点。
与设计方案相比，A线与B线应用二代新型节能技术后，两条玻璃生产线一年可节约燃料费用2137万元。其中A线节约668万元，B线可节约1469万元。具体节能效益分析见表2。
03结语
中建材蚌埠院研发的“二代新型保温节能技术”和“玻璃熔窑用红外高辐射节能涂料”，作为第二代中国浮法玻璃技术的节能新材料与新技术，可产生良好的节能效果，具有显著的经济与社会效益。在应用梯度复合保温的基础上，再使用红外节能涂料，不仅能明显降低玻璃生产能耗，同时对玻璃产品质量具有提升作用。这两项节能新材料与新技术，将为玻璃行业节能减排及实现“碳达峰、碳中和”目标作出积极贡献。
