平板玻璃行業低碳發展的幾種措施

胡昊靖，朱 曼

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

2014年在《中美氣候變化聯合宣言》中，我國首次提出2030年實現“碳達峰”。2020年9月，在聯合國大會上我國再次承諾力爭在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和[1]。

平板玻璃產業是支撐國民經濟建設的基礎材料的產業。經過50余年的發展，我國的平板玻璃產業飛速進步，工藝水平、裝備水平取得了革命性的突破。自1989年起，我國平板玻璃產量一直占據世界首位。與此同時，平板玻璃產業也是高能耗、高污染排放的產業。為促進平板玻璃行業的綠色轉型升級，筆者認為，平板玻璃行業的技術創新和轉型主要體現在以下五個方面。

1 優化耗能

平板玻璃行業的碳排放主要來源于化石燃料燃燒排放、原料分解或碳氧化形成的二氧化碳、電力排放等。平板玻璃行業常用的燃料有石油焦粉、焦爐煤氣、煤焦油、重油、柴油、天然氣等，使用高效、低碳的清潔能源，改善環境效果十分顯著。

1.1 全氧燃燒技術

全氧燃燒技術是利用氧氣純度>90%的氧氣代替空氣與燃料進行燃燒的一種燃燒技術。與傳統燃燒技術相比，筆者認為有以下幾個優點：

1) 全氧燃燒的熱效率高、火焰溫度較高，能加速玻璃在窯爐熔化部的熔化過程，不僅能提高熔化能力，同時也能明顯改善玻璃熔化的質量。

2) 全氧燃燒技術中氮氣的含量很少，節省了加熱氮氣所需的大量熱能損失；由于廢氣排放量減少80%～90%，大大降低了廢氣排放過程中夾帶粉塵的損失，有利于提高玻璃成分的穩定和改善環境。因此，全氧燃燒技術更加節約燃料，減少氮氧化物、二氧化碳的排放[2]。

3) 全氧燃燒技術的窯爐結構形式簡單，窯爐內的熔制制度更加科學合理、冷修時間短。其減去了蓄熱室、小爐、換向系統等結構，減去了蓄熱室、小爐等處散熱損失，減輕了對窯爐碹頂、池壁等多處耐火材料的侵蝕，有利于延長窯爐的壽命。同時，由于窯爐結構的簡化，減少了整條生產線的占地面積，最小化占用自然資源。

4) 目前國內有部分地區基于碳排放指標的限制或區域性環保壓力等的要求，伴隨著國內制氧技術的快速發展，全氧燃燒技術在平板玻璃行業的應用已成為一種趨勢。

1.2 電助熔窯爐與全電窯爐技術

隨著鉬電極安全地投入使用，推進了平板玻璃全電熔和電助熔商業化的實現。電助熔窯爐是指使用多種燃料及電力輔助熔化的窯爐，最新的發展是使用80%的電力和20%的天然氣。筆者獲悉，目前600 t/d及以上平板玻璃窯爐采用電助熔，如果最高達到40%綠電+60%天然氣，1 t平板玻璃的生產可減少142.96 kg二氧化碳排放。

但由于平板玻璃窯爐噸位大、電極加熱配合料影響玻璃液氣泡的去除，同時使用高水平的電升壓(>40%)被認為是技術上的挑戰，因此常規的方式是采用低功耗的電助熔窯爐。筆者認為一個可行的解決方案是窯爐前部采用全電熔窯用于熔化配合料，窯爐后部采用全電熔窯用于澄清均化玻璃液。

全電窯爐在小噸位(日產≤300 t/d)的玻璃行業技術較為成熟，其燃燒效率比燃氣窯爐也更高。但將全電爐應用于大噸位(日產≥600 t/d)玻璃熔煉的經驗還很有限，需要進一步的開發工作。此外，需要對電力供應基礎設施進行投資，而且電力必須在成本上與天然氣具有競爭力。

電助熔窯爐與全電窯爐技術可有效地解決玻璃液的對流、受熱的均勻化等問題，有利于提高平板玻璃的產量和質量，同時，能有效降低化石燃料的消耗，即減少氮氧化物、二氧化硫和二氧化碳的排放，有明顯的節能減排效果。

1.3 用生物衍生燃料替代化石燃料

鑒于大多數化石燃料的平板玻璃窯爐設計可以很容易地轉化為運行標準生物燃料，利用現有的窯爐技術進行技術升級，以減少現場的二氧化碳排放。英國皮爾金頓(Pilkington UK)成為了世界上第一家使用100%生物燃料運行玻璃熔窯的平板玻璃制造商。一種由有機廢料制成的可持續生物燃料為圣海倫斯玻璃制造商皮爾金頓的熔爐提供了4 d的能源，生產了16.5萬m2有史以來碳含量最低的浮法玻璃。與平板玻璃行業使用的傳統天然氣相比，這種燃料的二氧化碳排放量減少了大約80%。

1.4 氫氣窯

平板玻璃行業最近開始研究用氫氣為平板玻璃窯爐提供燃料的可行性。目前在英國和歐洲有五個項目在研究使用100%的氫氣以及不同比例的氫氣與天然氣混合用于玻璃熔化的可行性。英國已經在基礎設施和氫氣技術研究方面進行了大量投資，預計首批獲得氫供應的產業集群最早將于2026年上線。在氫能制備方面，氫氣是公認的發展趨勢。如果采用綠色氫氣，在燃料燃燒方面，每生產1 t平板玻璃，玻璃窯爐將節省357.41 kg二氧化碳排放。

用太陽能來制氫，打造光伏+氫能的零碳發展的技術方向。而在氫能應用上，氫氣替代傳統能源將是玻璃行業極具前途的清潔燃燒技術。

2 優化原料

玻璃是一種非晶態無機非金屬材料，一般是用多種無機礦物(如硅砂、白云石、石灰石、長石、純堿、芒硝、煤粉等)為主要原料，另外加入少量輔助原料制成的。

通常的平板玻璃配合料，一般由熟料(10%～30%碎玻璃)和生料(各種組成氧化物的原料，如硅砂、白云石、石灰石、長石、純堿、芒硝、煤粉等)構成。玻璃配合料經高溫熔化、澄清、均化、冷卻后形成合格的玻璃液，再經過錫槽成型、退火窯退火，接著經過冷端機組切割、取片，最后用叉車將玻璃運往成品庫儲存。

為達到節堿、節能的目的，目前國外在原料方面利用霞石正長巖代替鉀長石，采用碳素粉代替煤粉作為添加劑，目的是為增強玻璃白透性并減少微氣泡；與此同時，通過優化配合料組分、預熱等，可以降低玻璃熔化溫度，達到減少燃料用量的目的。

提高熟料比例，用碎玻璃代替原材料來生產新的玻璃產品，減少了窯爐所需的能量。以配合料含15%的熟料為例，每增加10%碎玻璃，則每生產1 t玻璃，可減少二氧化碳排放2.25 kg；再考慮到能耗方面，每增加10%碎玻璃，則每生產1 t玻璃，可減少能耗87 900 kcal，可減少二氧化碳排放20.27 kg。總計，每增加10%碎玻璃量，可減少22.52 kg碳排放。

3 熔窯保溫技術

3.1 梯度保溫技術簡介

中建材玻璃新材料研究院集團有限公司節能環保所通過多年來對窯爐保溫技術的研究，創造性的發明了“玻璃熔窯梯度復合熱保溫技術”。徹底改變了傳統保溫“保溫性能差、保溫衰減率大、耐久性能差和易脫落”等問題。

玻璃熔窯梯度復合熱保溫技術主要針對玻璃熔窯的不同部位，經過嚴格的熱工模擬和精確的熱工計算，設計最佳的保溫方案：根據熱量從窯內向窯外的梯度式散失特點，將保溫層按溫度段劃分為數個溫度段。根據每個溫度段溫度特點，科學地選擇“耐溫性能好、保溫性能強、且材料耐久性強”的合適的保溫材料。保溫層的最外層采用纖維噴涂技術，具有“低導熱、不開裂、表面平整細膩”的特點。同時采用“復合遮蔽技術”和“防熱橋施工工藝”，在降低傳統保溫厚度的前提下，使玻璃熔窯達到“表面溫度最低、表面散熱最小、保溫效果持久”的保溫效果。

3.2 紅外高輻射節能涂料的簡介

從熱工技術條件來看，當爐內溫度大于1 000 ℃時，爐內超過80%的熱量是以輻射傳熱來實現的。而傳統的玻璃熔窯硅質大碹的紅外輻射率約在0.4 左右，即大碹吸收的熱量只有40%以輻射傳熱的方式傳遞給配合料。因此，提高硅質大碹的紅外輻射率，強化輻射傳熱，是提高配合料對熱量的吸收效率、提高窯爐節能效果的最好途徑。

玻璃窯爐用紅外高輻射節能涂料具有以下幾個特點：

1)紅外輻射率高，節能效果好。這種紅外高輻射節能涂料噴涂在大碹內表面，可以將硅質大碹的輻射系數從0.4提高至0.9，極大地提高窯爐的熱效率，可以起到明顯的節能效果。

2)對玻璃液沒有污染。紅外高輻射節能涂料是由全硅質材料制成的無機非金屬材料，主要成分是SiO2，其余組分為Al2O3和Na2O等。因此，該涂料組分與優質硅磚相近，一方面使得涂料與大碹在升溫烤窯時有一個極好的匹配；另一方面，涂料即使掉進玻璃液中也能在Na2O和K2O等共熔物的共同作用下得到很好的熔化，不會對玻璃質量造成污染等影響。

4 余熱回收

余熱發電不僅節能，而且環保。平板玻璃生產線中熱工設備產生大量的余熱資源大部分都直接排放，造成了能源的浪費。在滿足正常生產的條件下，采取余熱回收技術可以將余熱用于助燃空氣的預熱、余熱發電、生產熱水和蒸汽。玻璃窯余熱回收的本質是：利用余熱鍋爐回收玻璃熔窯的煙氣余熱，生產出過熱蒸汽，實現熱能與熱能的轉換；過熱蒸汽送入汽輪機內膨脹做功，推動轉子轉動，實現熱能與機械能的轉換；汽輪機轉子轉動驅動發電機發出電力，實現機械能與電能的轉換。

余熱發電系統原理是以朗肯循環為基礎蒸汽動力循環，其系統技術和裝備技術是成熟可靠的。圖1是蒸汽動力裝置簡圖，圖2是朗肯循環在T-S圖上的表示，序號1～4為互相對應的介質(水或蒸汽)熱力過程。

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由圖1可以看出整個系統過程中，4-1為鍋爐吸熱過程，1-2為熱能轉化為電能的過程。在圖2上，4-1-2-3-4區域的面積即為整個系統回收熱量的總和，提高系統效率的辦法有：提高蒸汽初參數、降低背壓。

但余熱發電系統的熱源是來自主工藝生產線的廢熱，廢熱參數已基本固定，蒸汽初參數的提高是有限制的，蒸汽溫度必須低于煙氣溫度約30 ℃(須同時考慮經濟性)，壓力選擇須適當才能保證發電量最大化。受限于項目建設地的氣象條件，汽輪機的排汽背壓也不可能無限制降低。

因此余熱發電系統必須在該廢熱已有的參數條件下進行系統設計，在系統和裝備上采取針對性的措施，并優化系統參數，實現最大化的余熱利用率、余熱鍋爐的效率和發電系統的熱效率。

5 煙氣脫硫脫硝技術

煙氣脫硫、脫硝技術是指煙氣中排放二氧化硫、氮氧化物經過物理化學變化，最終形成無污染的氮氣和水等物質排入大氣。歐美等發達國家廣泛應用SCR(選擇性催化還原) 脫硝技術。SCR脫硝效率能達到70%以上，NOx的排放完全達到國家對玻璃行業氮氧化物排放的新標準[3]。

NID脫硫工藝系統同屬半干法脫硫工藝。該工藝先對余熱鍋爐低溫段出來的煙氣降溫增濕處理，使煙氣中的SO2與H2O反應生成H2SO3，再對煙氣進行脫硫處理，使煙氣中的H2SO3與Ca(OH)2反應生成CaSO3·1/2H2O，最后對煙氣進行除塵處理[4]，脫除煙氣中的生成物顆粒，并將該生成物顆粒用于再循環，同時分離出潔凈的煙氣。該工藝流程簡單、反應速度快、脫硫效率高。

6 結 語

平板玻璃行業的低碳發展，有利于推動新時代平板玻璃產業高質量發展。圍繞著綠色發展，中國政府高度重視玻璃工業的綠色轉型和發展。與2000年相比，中國玻璃行業的單位能耗和污染物排放水平已經降低了50%以上。中國玻璃工廠二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物的排放濃度達到了行業和國際的標準。

隨著平板玻璃行業的耗能優化、原料優化、熔窯保溫技術、余熱回收技術、煙氣脫硫脫硝技術等的深入研究與推廣，必將為中國玻璃工業的低碳發展奠定良好的基礎，為世界玻璃的低碳發展作出自己的貢獻。