玻璃行业是国民经济的主要基础产业，是改善人居条件、治理生态环境和发展循环经济的主要支撑。我国是世界最大的玻璃生产国和消费国，平板玻璃等基本的产品产量长期居于世界首位。由于产业规模大、窑炉工艺特点等原因，玻璃行业也是工业能源消耗和碳排放的重点领域，是我国碳减排任务主要行业之一。玻璃行业实现碳达峰对工业乃至全社会如期实现碳达峰目标至关重要。通过燃料替换、高效用能、原料替代、碎玻璃回收等方式释放巨大的节能、减排潜力。目前，电熔化技术慢慢的变成为行业的发展方向。

　　玻璃电熔窑是利用玻璃高温能导电的特性，通过玻璃液产生的焦耳热来实现玻璃熔化的设施。在单位时间内，窑内所产生电热效应的焦耳热符合焦耳-楞次定律，与通过玻璃液内的电流二次方成正比，与玻璃液的电阻成反比。

　　在全电熔化过程中，配合料熔化的化学反应热、物理热、窑墙的热损失、电极冷却水所带走的热量，以及其它热散失都由电热效应所产生的焦耳热来完成。全电熔玻璃熔窑热输入和热输出的热平衡关系见表1。

　　玻璃全电熔窑——也叫做全电熔窑,也叫做电熔窑,当人们发现高温玻璃能导电后,电能可作热源来熔化玻璃,即用电熔窑来熔化玻璃.电熔窑逐渐开始了部分取代火焰窑的步伐。

　　用火焰表面加热的玻璃池窑历史悠远长久,虽在长期使用的过程中在结构上作了不少改进,但是仍存在一些严重缺点:如热效率低,窑体结构较为复杂,体积非常庞大,工作环境恶劣等。

　　在20世纪40年代后期真实把电熔窑用于商业生产.从使用效果看,电熔窑优点突出,表现为:熔化率高、结构相对比较简单、自动化程度高和劳动环境好等。

　　其主要原理是以电能为热源.一般在窑膛侧壁安装碳化硅或二硅化钼电阻发热体,进行间接电阻辐射加热.有的熔制特殊玻璃的坩埚窑采用感应加热方式,靠在窑中及玻璃液中感应产生涡电流加热.池窑直接用窑内的玻璃液作发热电阻,可在玻璃液不同高层度处布置多组和多层电较,使玻璃液发热,并通过调节耗电功率控制温度制度.采用这样的形式时,玻璃液面以上的空间温度很低(称冷炉顶),因而能量基本消耗于熔制玻璃和窑壁散热,没有烟气带走热量的损失和排放烟气时对环境的污染,热利用率高,并且无需设置燃烧系统和余热回收系统.电池窑可自动控制,管理人员少,劳动条件好,但电力资源消耗大.适用于熔制难熔玻璃、易挥发玻璃和深色玻璃.大型电池窑生产瓶罐玻璃能力达到每天150t。

　　电熔窑炉是一个三种不同物理场形成的综合体（这里没有计入窑炉的耐火材料结构），不同的三个物理场间的耦合作用和干扰作用形成复杂变化的玻璃流场、能量分布和能量流的能量场。

　　正确分析这种变动的物理耦合场的特性和把它的优化用于玻璃熔化控制技术是现代玻璃熔窑优化设计和生产的理论实践基础。

　　玻璃窑炉内无论是底插电极、横插电极或顶插电极，任何一支电极的电压、电流、输入功率的变化将会对整个电场产生一定的影响。首先是电场内电极间的相互感应作用，二是对玻璃液各处的电压分布的影响。越是靠近变化电极近的部分受影响最大，随距离的加大而减弱。所有这些变化都是非线）熔化玻璃热力场

　　熔窑内玻璃的温度不同，化学成分不同，玻璃密度不同，运动速度和方向也各不相同。显然导电率也不相同，所有这个物理场的分布变化是高度非线）熔化的玻璃和未熔化的固体配合料混合物电场

　　在加料口，由于配合料加入，造成熔化的玻璃和未熔化的固体配合料形成一个液/固混合体，其物理特性也是随时间和地点发生明显的变化的复杂的非线性物理场。

　　目前，尚未见到对这样高温、带电的玻璃流物理场详细的描述和控制技术的论述，但是已经有较为广泛的应用有限元素法来初步描述多物理场之间的耦合理论，利用有限元素法分析理论已经给玻璃工业带来革命性的作用。原始的玻璃分析的模拟法逐步走向先进的场分析技术。

　　2）配合料可以在熔窑内有足够的滞留时间，吸收足够多的热能完成充分的化学反应，形成合格玻璃。

　　3）要求配合料在熔窑中滞留在尽量短的时间内形成合格玻璃，以提高窑炉的生产量，提高熔制玻璃效率。这是一个优化过程，不是一个简单的电加热过程，要求对所有电极的功率提升有合理的时间/功率（T/P曲线）程序，缩短熔窑点火时间和运行调节时间。

　　因此，在熔窑设计时必须要以优化的点火升温程序进行设计分析。例如：确定各不同点位处的电极插入玻璃深度，插入过程直至最终深度，此时窑炉会生产出最大流量的合格玻璃。这是一个优化设计。优化设计过程的基础就是对熔窑的三大物理场的反复迭代设计的过程。

　　在玻璃生产的全部过程中，存在有许多种干扰正常生产的因素。例如，电加热系统中某支电极由于某一些原因断裂、或供电电网的供电能力变化，甚至导致整个供电分区的失效。由于熔窑上部空间火焰燃烧器出现故障造成电熔局部或总体性的玻璃温度场的变化，使生产合格率下降等故障情况。

　　采用现有传统技术恢复到正常过程，包括控制软件，只是简单地把电极换成新电极或补充电极，然后把复原的电极或整个加载区电极的功率重新加到设计指标，然后缓慢地等待熔窑恢复到合理状态，这样的一个过程少则1~2天，多则3天以上。

　　由于故障发生后，整个熔窑的电场和热力场、玻璃流场会因此发生相应改变，形成新的玻璃物理场。仅仅采取重新恢复修复电极并重新加载的方法是不合理的。因为重新简单加载是使已经因故障而改变形成的玻璃场又一次由于重新恢复加载而发生明显的变化，这种变化不会立即恢复形成原来运行合理的玻璃物理场。整个需要新加载的电极功率而改变后的玻璃物理场需要多次相互干扰耦合的迭代，直到回到原来的合理设计的玻璃场。而这样的一个过程耗费额外的电功、原材料、时间，则降低了成品率和增加了能耗。

　　加速这个恢复过程，缩短恢复调整时间，最有效的办法是根据玻璃场的三个物理场的分析，采取合理的重新加载的程序，同步对所有涉及的电极调整电载荷的直接合理的操作程序。这样的一个过程首先对故障电极周边的物理场做多元化的分析，了解重新恢复加载电功率过程中的整个玻璃电场和热力场的变化过程，确定相关电极间的耦合关系，设计和确定所有相关电极电功率的调整量，同步按符合电极的耦合载荷情况，恢复到原设计的物理场。这种恢复程序不仅对排除一些故障有效，而且在整个窑炉生产玻璃的周期内起到作用，这是经过合理分析后的优化控制系统软件。这也是目前常规玻璃工程设计院和窑炉设计单位的简单的控制理论需要改进的方面，并设计新的有效的控制程序。采用多物理场耦合控制技术不仅加速了调节过程，并且提高了玻璃合格率，降低了能耗。这已经被实践证明。

　　全电熔化是在高温玻璃液中由电极输入交流电，通过玻璃液中的离子导电所产生的焦耳热直接将配合料熔制玻璃的熔化方式。全电熔化根据电熔窑顶部的温度能分为热顶电熔化、半冷顶电熔化和冷顶电熔化。目前，普遍的使用的是冷顶电熔化。

　　优点：与高效的化石燃料火焰窑相比，全电熔窑在设计方面比较简捷，不需要高大的烟囱，也不需要烟道和蓄热室。在熔化过程中，不会释放与燃烧相关的CO2、NOX或SO2排放物。在熔制氟玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃以及类似的含有高挥发性成分的玻璃时，挥发性和昂贵原材料的蒸发量少，使废气净化更容易；与火焰熔窑的水平熔化相比，电熔窑的熔化方式是垂直熔化，全部玻璃液都经历了相同的热周期，熔制均匀度好，有益于提升产品质量；电熔化是由电极在玻璃液中进行内部加热，单位面积玻璃熔化率高，电能热效得到了充分的利用，节约了能源。

　　缺点：为了启动电熔化过程，需要与日用玻璃和浮法玻璃火焰熔窑一样进行烤窑升温至玻璃液中的离子呈活跃状态；全电熔化还需要稳定、可靠的电网；为降低碳足迹，电力应使用绿电（再次生产的能源电力）而不是化石燃料发电厂的灰电，至少要使用蓝电。需要精心维护电极，以防磨损导致更高的电阻。

　　电辅助加热熔化是通过浸渍电极增加额外的电加热来改善火焰熔窑熔化能力和玻璃液品质的一种辅助熔化方式。一般电极安装在熔窑的池壁或池底上，其电极位置对玻璃液的均化质量至关重要。电辅助加热现已在玻璃工业尤其是瓶罐玻璃熔窑中广泛使用。

　　优点：在熔化正常时，采用电辅助加热技术既可增加玻璃熔窑的出料量，也可在玻璃熔窑后期蓄热室格子体被堵塞或熔窑内的燃烧系统恶化时，仍能保持熔窑初期的出料量和增加出料量；采用电辅助加热可使熔窑所熔化出的玻璃液均匀度提高，在熔制深色玻璃时能够大大减少结石的产生；能够更好的降低熔窑上部的温度，使熔窑的寿命延长以及减少配合料中原料的挥发损失；能够大大减少化石燃料的使用量， 使空气的污染减少。不需要电助熔时，可以每时每刻停止供电，不再消耗任何电能。

　　缺点：与火焰窑熔化相比，电辅助加热熔化可能会增加成本；不需要电助熔时没有及时停止供电，可能会造成能源浪费，甚至影响玻璃质量。

　　火电混合电熔化是燃料火焰熔化和电熔化相结合的一种熔化方式。即在配合料上部空间采用燃料加热，在配合料层下面玻璃液中采用电极通电加热。火电混合电熔化技术与电辅助熔化的不同之处在于：火电混合电熔化技术是以电熔化为主，火焰熔化为辅；而电辅助熔化则相反。

　　我国也将“大型玻璃熔窑大功率‘火-电’复合熔化技术”列入《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》等政府部门文件中。

　　玻璃电熔技术的发展相当大的程度取决于电极材料的选择。玻璃熔化电极作为电阻加热元件，浸没在熔融玻璃液中并使材料保持在适当的加工温度，实现玻璃液熔化、均化和成形。其中石墨电极在池窑内使用时间比较久，损坏时浮于液面，化学稳定性高，而且成本低，在很长一段时间内在欧洲各国多有采用，不过因为污染玻璃液，现在基本上已被淘汰；纯铁电极比较粗大，且在损坏时沉入池底，难以取出，没有得以发展。目前，使用最广泛的就是钼电极和氧化锡电极。

　　目前，许多全电玻璃熔窑和火焰辅助电玻璃熔窑均采用纯钼材料制造成的电极，钼电极是熔化钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃的常用电极。它具有更高的工作时候的温度（高达2000 ℃）和表面电流强度。钼电极具有热膨胀系数低、导电导热性能好、熔点高（2620 ℃）、纯度高、不影响玻璃制品的颜色或透明度、抗氧化和抗蠕变、对熔融玻璃的耐蚀性等一系列优良性能。

　　二氧化锡电极是一种烧结陶瓷材料，属N型半导体，高温导电性能好，利用熔融玻璃液具有一定电阻的特性，通过氧化锡电极对熔融玻璃液通电，使其产生焦耳热来达到不断熔化玻璃液的目的。二氧化锡电极体积密度6.38～6.58 g/cm3；抗弯强度室温1155 kg/cm2、1000 ℃ 641 kg/cm2、1200 ℃ 166 kg/cm2、1400 ℃ 95 kg/cm2；热膨胀率（1200 ℃）0.69%；应用温度范围可达1650 ℃，具有高导电性和高耐腐蚀性，一般为直径50～150 mm，长度100～500 mm的棒材。

　　我国一直鼓励玻璃电熔化技术发展，“玻璃电熔技术”被国家科委列入“九五”期间国家重点成果推广项目。2003年4月，东华大学被国家科技部认定为国家科技成果重点推广项目“玻璃电熔技术及其成套装备”技术依托单位。从2011年发布的《产业体系调整指导目录（2011年本）》起，“节能环保型玻璃窑炉（含全电熔、电助熔、全氧燃烧技术）的设计、应用”一直被列入《产业体系调整指导目录》鼓励类，文件及相关联的内容见表2。

　　我国现行的玻璃熔化用钼电极标准为行业标准YS/T 1312—2019《钼电极》。2019年8月2日发布，2020年1月1日实施。

　　我国现行的全电熔玻璃窑炉的标准为行业标准QB/T 5640—2021《全电熔玻璃窑炉 通用要求》，该标准适用于日产玻璃液不大于100 t全电熔玻璃窑炉的设计和制造，就全电熔玻璃窑炉的术语和定义、分类和命名、要求、试验方法等提供有关标准，于2021年12月2日发布，2022年4月1日起实施。

　　2023年5月1日实施的HJ 1281—2023《玻璃工业废气治理工程技术规范 》中要求玻璃工业废气治理应源头控制，“宜使用含硫量低的优质清洁燃料，在满足生产的基本工艺要求的情况下优先选用电或天然气”。

　　目前，就全球而言，100 t/d及以下的全电熔窑及熔化技术已非常成熟；200～250 t/d的全电熔玻璃熔窑已有经过验证的技术和运营经验，极少数设计单位还拥有300～350 t/d全电熔窑的概念设计。最关键的，全电熔窑并不像火焰窑那样可以将中小型熔窑的成功设计进行较为简单地放大，不建议盲目冒进。全电熔窑在实际运行过程中，如果日出料量过大，易出现“冰芯”现象，也就是熔窑的中心区域会出现能量分配不足的“能量缺口”现象，并且熔窑越大此现象越明显，从而对玻璃液的滞留时间、石英砂的熔解质量、玻璃液的混合均匀度及气泡排出等产生负面影响，最终影响玻璃的熔化品质。

　　鉴于以上因素，国家鼓励“研发大型玻璃熔窑大功率‘火-电’复合熔化”技术是玻璃电熔化的主要攻关方向，节能减碳效果将会非常显著。

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