CN114031267B

CN114031267B - 一种玻璃电熔炉的启炉方法及其应用

Info

Publication number: CN114031267B
Application number: CN202111453377.9A
Authority: CN
Inventors: 徐凯; 方广; 赵修建
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2041-12-01
Also published as: CN114031267A

Abstract

本发明公开了一种玻璃电熔炉的启炉方法及其应用，包括以下步骤：1)向熔炉内投入由石墨粉和玻璃粉组成的导电启动料，并利用鼓泡装置使导电启动料在炉内铺开，保证导电启动料与电极接触；2)启动电源，熔化导电启动料形成熔池，完成启动。本发明所述的启炉方法操作便捷，启炉时间短，不需对原有玻璃电熔炉结构进行改造，根据需要可随时关停熔炉，实现熔炉的间歇式运行，可应用于核废料及危险废弃物玻璃固化电熔炉或生产日用玻璃的电熔炉。

Description

一种玻璃电熔炉的启炉方法及其应用

技术领域

本发明属于玻璃电熔炉技术领域，具体涉及一种玻璃电熔炉的启炉方法及其应用。

背景技术

核电作为一种技术成熟的清洁能源，在世界各国得到广泛应用，但核电的快速发展，也随之带来放射性废物处理与处置的问题。玻璃固化技术因其工艺简单、易于远距离遥控操纵，以及玻璃固化体化学稳定性优异的特点，是目前国际上唯一工业应用的高放废液处理技术。高放废液玻璃固化已在美、法等国商业化运行，并逐渐向中低放废物处理发展，如美国计划玻璃固化汉福特场址的低活性废物(Low-activity waste)，韩国已开始利用玻璃固化技术处理核电厂产生的中低放废物。

另一方面，我国工业化进程发展迅速，由此产生的危险废弃物(如垃圾焚烧飞灰、电子废弃物、电镀污泥等)急剧增多，其所含的毒害元素(Pb,Cd,Cr,Cu,Zn,等)极易随雨水流入生物圈，造成严重的生态环境破坏。玻璃固化可通过高温分解危险废弃物中的有害有机物，将无机毒害元素安全固化在玻璃网络结构中，阻止毒害元素的迁移，所形成的致密稳定玻璃态渣可作为建筑材料的骨料，资源化利用。

焦耳加热玻璃电熔炉因工艺流程简单、熔融效率高、熔炉寿命长，不仅是当前应用最广泛的核废料及危险废弃物玻璃固化工艺，也是生产日用玻璃的主流工艺，其原理是利用高温熔融态玻璃呈电导的特性，电流通过浸没在玻璃液中的电极，在玻璃熔池中产生焦耳热，从而熔化熔池顶部的物料层(冷帽)。因此电熔炉启动时，需首先借助如硅碳棒、硅钼棒及热等离子火炬(中国申请专利号：202010380893.2)等外部热源，熔化炉内固态启动料，待固态启动料熔化后，电极通电，完成启动。辐射条件下，外部热源部件更换操作极其困难，因此熔炉一旦启动，很少关停，即使遇到外部设施检修，需要停止投料，电极也处于通电状态，以维持炉内玻璃保持熔融态，即电熔炉的空转(Idling)保温。空转保温时，炉内玻璃液温度一般保持在800至1000℃之间，此时玻璃熔池顶部已无冷帽层覆盖，Na、B等元素及Cs、Tc等核素极易挥发，影响玻璃熔体化学组成，并增加尾气处理负担。此外，空转保温时间长则几月，短则几天，不但极大浪费了能源，而且严重降低了耐火材料的有效使用率。

发明内容

为了克服玻璃电熔炉现有启炉程序复杂的问题，本发明的目的在于提供一种简便的玻璃电熔炉启炉方法，常温下通过电极与导电启动料通电产生热量，熔化启动料，从而避免了现有启炉方法中外部热源的使用，简化了启炉装置及步骤，可依据实际运行情况，随时启停。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种玻璃电熔炉的启炉方法，该启炉方法基于原有玻璃电熔炉结构及装置，包括如下步骤：

1)向电熔炉腔内加入导电启动料并铺开，保证导电启动料与电极接触；其中所述导电启动料由石墨粉和玻璃粉组成；

2)启动电源，通过导电启动料产生的焦耳热及石墨粉燃烧产生的热量，熔化导电启动料形成熔池，完成启动。

按上述方案，所述步骤1)中，所述导电启动料中，按质量百分比计，所述石墨粉占比大于10wt％，所述玻璃粉占比大于60wt％。优选地，导电启动料中，按质量百分比计，所述石墨粉占比为20～40wt％，所述玻璃粉占比为60～80wt％。

按上述方案，所述玻璃粉化学组成与目标玻璃产品成分一致或相近。

按上述方案，所述石墨粉粒径小于30微米，所述玻璃粉粒径范围为30～150微米；石墨粉粒径小于玻璃粉，二者充分混合后，有助于调节混合料的电阻率。

按上述方案，所述步骤1)中，导电启动料的制备方法为：所述石墨粉与所述玻璃粉按各自占比称量后，置于混料机混合2～24h，制得所述导电启动料。

按上述方案，所述步骤1)中，采用鼓泡装置对所述导电启动料进行吹气，将其铺开，使导电启动料与电极接触。

按上述方案，所述导电启动料需与电极形成导电回路。

按上述方案，所述步骤1)中，还包括先向电熔炉腔内加入玻璃粉，具体为：先向电熔炉腔内加入玻璃粉并铺开，加入的玻璃粉与导电启动料中的玻璃粉一样；然后再加入导电启动料并在玻璃粉上方铺开，保证导电启动料与电极接触，形成导电回路。优选地，导电启动料的厚度控制在0.5cm以上。

按上述方案，所述步骤2)中，启动电源，控制升温速率为1～10℃/min，当炉内石墨粉开始燃烧后，炉内温度快速上升，此时控制升温速率为5～35℃/min，至玻璃粉呈熔融态，完成启炉。

按上述方案，所述步骤2)中，当炉内温度为800～1300℃时，玻璃粉成熔融态，完成启炉。

按上述方案，所述步骤2)中，根据熔炉尺寸大小及玻璃粉的化学组成，启炉时间为2～10h。

提供一种上述启炉方法在核废料及危险废弃物玻璃固化电熔炉或生产日用玻璃电熔炉中的应用。

玻璃粉在常温下一般是良好的绝缘体，在外部热源辅助下，炉内温度升高，玻璃熔化，玻璃网络结构内易迁移的离子(如碱金属)在外加电场的作用下容易定向迁移而导电。本发明所用石墨粉，其在常温下便是良好的导电体，通过自由电子传输电荷。常温下将极易导电的石墨粉与不导电的玻璃粉混合，获得导电的混合料。常温下，向具有一定导电性的固体混合料中施加电压，由于焦耳热的原理，混合料自身温度开始升高，熔化玻璃粉。此外，本发明所用石墨粉在氧气充足条件下即可燃烧，提供燃烧热，加速玻璃粉的熔化，且石墨燃烧后产生CO₂，避免杂质对目标玻璃产品的污染。

进一步地，当石墨粉质量占比过高时，一方面混合料电阻率过低，不易产生焦耳热，另一方面，玻璃熔体内会有残留的未燃尽石墨，污染最终玻璃产品；而当石墨粉质量占比过低时，混合料仍呈绝缘态，不能产生焦耳热，所以本发明中石墨粉在导电启动料中的质量占比大于10wt％，优选为20～40wt％。

进一步地，通过事先加入不导电的玻璃粉后，再在玻璃粉上方投放导电启动料，该方式可减少石墨粉总的用量，避免过多未燃尽石墨粉残留在玻璃体内，影响最终玻璃产品质量。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过向玻璃粉中添加易燃导电物质形成导电启动料，通过导电启动料与炉内电极形成导电回路，通电使导电启动料产生焦耳热，带动易燃导电物质燃烧，焦耳热与燃烧热同时提供热量，熔融玻璃粉，加热效率高，启炉时间短。

2.本发明通过进料口投入导电启动料，不需改造原有玻璃电熔炉结构，且导电启动料制备简单，利于实际推广应用。

3.本发明所述的启炉方法操作便捷，根据需要可随时关停熔炉，实现熔炉间歇式运行，避免熔炉长时间空转保温引起的安全风险及资源浪费。

附图说明

图1为本发明实施例1采用的导电启动料铺设方式示意图。

图2为本发明实施例2采用的导电启动料铺设方式示意图。

其中，图中标号为：

1-炉体，2-导电启动料，3-玻璃粉，4-电极，5-鼓泡装置，6-进料口，7-尾气口，8-出料口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，实施例1提供一种玻璃电熔炉的启炉方法，基于现有玻璃电熔炉结构及装置，该电熔炉包括炉体1，电极4，鼓泡装置5，进料口6，尾气口7，出料口8，其中所述鼓泡装置5可以上下移动；所述导电启动料2通过进料口6投入炉腔底部，并通过鼓泡装置5进行吹气，使导电启动料2与电极4接触，通过导电启动料2的连接使电极之间形成回路，最优的实施方案是导电启动料2覆盖电极4高度一半处。

实施例1中，石墨粉粒径小于30微米，玻璃粉粒径为30～150微米，玻璃粉化学组成见表1。

提供一种玻璃电熔炉的启炉方法，包括以下步骤：

1)将石墨粉与玻璃粉按占比称量后，置于混料机混合5h，制得导电启动料，其中按质量百分比计，石墨粉占比为20wt％，玻璃粉占比为80wt％。

2)将5Kg导电启动料由熔炉进料口投至炉腔底部(炉腔内径：150mm)，其铺设方式如图1所示，利用鼓泡装置对导电启动料进行吹气，保证导电启动料与电极接触，形成导电回路，所用气体为空气，气体流速为1.0～2.0L/min。

3)启动电源，根据启动导电料电阻，控制电压在30～80V，相应的电流为2～70A，启动导电料产生焦耳热，炉内温度缓慢上升，升温速率起始为1～10℃/min；当炉内测温热电偶温度显示为500℃左右时，炉内石墨粉开始燃烧，炉内温度快速上升，升温速率为10～35℃/min,当炉内温度在900℃左右时，玻璃粉呈熔融态，完成启炉，其中启炉所用时间为3h。

表1玻璃粉化学组成

实施例2

如图2所示，实施例2提供一种玻璃电熔炉的启炉方法，基于现有玻璃电熔炉结构及装置，该电熔炉包括炉体1，电极4，鼓泡装置5，进料口6，尾气口7，出料口8，其中所述鼓泡装置5可以上下移动；所述导电启动料2置于玻璃粉3上方，并通过鼓泡装置5进行吹气，使导电启动料2与电极4接触，通过导电启动料2的连接使电极之间形成回路，在玻璃粉3上方的导电启动料2厚度大于0.5cm，保证导电通畅。

实施例2中，石墨粉粒径小于30微米，玻璃粉粒径为30～150微米，玻璃粉化学组成见表1。

提供一种玻璃电熔炉的启炉方法，包括以下步骤：

1)将石墨粉与玻璃粉按占比称量后，置于混料机混合5h，制得导电启动料，其中按质量百分比计，石墨粉占比为30wt％，玻璃粉占比为70wt％。

2)将5Kg玻璃粉由熔炉进料口投至炉腔底部(炉腔内径：150mm)，通过鼓泡装置对玻璃粉进行吹气铺开，然后再加入0.5Kg导电启动料，同样通过鼓泡装置对导电启动料进行吹气，在玻璃粉表面铺开，其铺设方式如图2所示，保证导电启动料与电极接触，形成导电回路，导电启动料厚度在3cm左右，所用气体为空气，气体流速为0.5～1.0L/min。

3)启动电源，根据启动导电料电阻，控制电压在20～80V，相应的电流为2～60A，启动导电料产生焦耳热，炉内温度缓慢上升，升温速率起始为1～5℃/min；当炉内温度显示为500℃左右时，炉内石墨粉开始燃烧，炉内温度快速上升，升温速率为5～20℃/min,当炉内温度在900℃左右时，玻璃粉呈熔融态，完成启炉，其中启炉所用时间为5h。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种玻璃电熔炉的启炉方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）先向电熔炉腔内加入玻璃粉并铺开，然后再加入导电启动料并在玻璃粉上方铺开，保证导电启动料与电极接触，形成导电回路；其中所述导电启动料由石墨粉和玻璃粉组成；按质量百分比计，所述石墨粉占比为20～40 wt%，所述玻璃粉占比为60～80 wt%；所述石墨粉粒径小于30微米；所述玻璃粉粒径范围为30～150微米；

2）启动电源，熔化导电启动料形成熔池，完成启动。

2.根据权利要求1所述的启炉方法，其特征在于，所述导电启动料中玻璃粉化学组成与目标玻璃产品成分一致或相近。

3.根据权利要求1所述的启炉方法，其特征在于，所述步骤1）中，采用鼓泡装置对所述导电启动料进行吹气，将其铺开，使导电启动料与电极接触,形成导电回路。

4.根据权利要求1所述的启炉方法，其特征在于，所述步骤1）中，导电启动料的厚度在0.5 cm以上。

5.根据权利要求1所述的启炉方法，其特征在于，所述步骤2）中，启动电源，控制升温速率为1～10 ℃/min，当炉内石墨粉开始燃烧后，炉内温度快速上升，此时控制升温速率为5～35 ℃/min，至玻璃粉呈熔融态，完成启炉，启炉时间为2～10 h。

6.一种权利要求1-5任一项所述的启炉方法在核废料及危险废弃物玻璃固化电熔炉或生产日用玻璃电熔炉中的应用。