碳減排對平板玻璃熔化技術(shù)發(fā)展影響

馬玉聰

（中國耀華玻璃集團(tuán)有限公司 秦皇島 066004）

0 引言

在國家提出“碳中和”目標(biāo)的背景下，對于平板玻璃工業(yè)來說，需加快實(shí)施綜合能效提升、大力發(fā)展減碳、零碳排放技術(shù)，采用低碳能源和碳回收利用與封存技術(shù)。平板玻璃熔窯使用天然氣、煤制氣、煤焦油等碳能源作為燃料，而且原料中使用純堿和碳酸鹽類礦物，所以需對平板玻璃制造進(jìn)行全面技術(shù)創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)。有效節(jié)約燃料的使用，進(jìn)而減少碳排放。

截止2021年1月，我國有浮法玻璃生產(chǎn)線233條，天然氣和煤制氣占比60%以上。壓延光伏玻璃在產(chǎn)熔窯42座，產(chǎn)能24160 t/d，燃料大多使用天然氣。國內(nèi)浮法玻璃生產(chǎn)線燃料統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 國內(nèi)浮法玻璃生產(chǎn)線燃料統(tǒng)計(jì)

1 平板玻璃行業(yè)燃料使用現(xiàn)狀

玻璃熔窯是平板玻璃工業(yè)中耗能量最多的設(shè)備，約占耗能總量的80%，而燃料的燃燒是平板玻璃工業(yè)碳排放的主要來源，提高熔窯能效比可

2 我國平板玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品能耗現(xiàn)狀

2015年—2019年我國平板玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品能耗情況［1］見表2。

表2 我國平板玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品能耗情況

2019年我國平板玻璃行業(yè)綜合能耗平均13.29 kgce/重量箱，其中浮法玻璃行業(yè)平均12.01 kgce/重量箱；平板玻璃熔窯熱耗平均6024 kJ/kg玻璃液，其中浮法玻璃熔窯平均5608 kJ/kg玻璃液。

平板玻璃熔窯中燃料的燃燒是碳排放的主要來源，提高熔窯熱效率可有效節(jié)約燃料的使用，進(jìn)而減少碳排放。

3 平板玻璃熔化技術(shù)節(jié)能減碳分析

近十年來，平板玻璃行業(yè)在熔化節(jié)能技術(shù)上有很大提升，但顛覆性、突破性技術(shù)還未出現(xiàn)并應(yīng)用，其根本原因在于技術(shù)創(chuàng)新的投入風(fēng)險(xiǎn)高、節(jié)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性不明顯和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的日益嚴(yán)格。

目前平板玻璃熔窯采用的節(jié)能技術(shù)有熔窯全保溫、鼓泡、階梯式池底、全氧燃燒、熔窯大碹、胸墻等內(nèi)壁噴涂紅外反射涂層技術(shù)、低氮氧化物燃燒、電助熔技術(shù)、富氧燃燒等。

3.1 全氧燃燒技術(shù)

全氧燃燒技術(shù)是平板玻璃行業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。過去玻璃熔窯基本都是以空氣作為助燃?xì)怏w，其中78%的氮?dú)獗粺o效加熱，不但造成能源浪費(fèi)，而且生成的氮氧化物還會(huì)造成環(huán)境污染。

全氧燃燒技術(shù)受制氧成本高、熔窯耐火材料投資大等制約，目前階段還不能在平板玻璃行業(yè)行業(yè)大范圍推廣，多用于超白光伏玻璃的生產(chǎn)。

在全氧燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上引入浸入式燃燒技術(shù)，進(jìn)一步降低熔制玻璃液的能耗。浸入式燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是有利于燃燒氣泡與配合料、玻璃液的熱量交換，提高燃料的燃燒效率；加強(qiáng)了配合料與玻璃液的混合，加快了玻璃液的熔化速度，減少了燃料的消耗。

3.2 全電熔技術(shù)

玻璃全電熔技術(shù)是利用高溫玻璃的導(dǎo)電性質(zhì)，熔化玻璃熱量直接來自玻璃液導(dǎo)電產(chǎn)生的焦耳熱［2］。玻璃熔窯若使用清潔零碳排放電力作為熔制玻璃全部能源，那么全電熔技術(shù)應(yīng)是玻璃行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳中和”最有效的熔化生產(chǎn)方式。

全電熔技術(shù)曾在熔化量120 t/d以下的浮法玻璃熔窯上應(yīng)用過。平板玻璃窯爐規(guī)模日益向大型化發(fā)展，但目前國內(nèi)還沒有一條大噸位的全電熔浮法玻璃熔窯，主要是受到電單價(jià)制約，與其它燃料相比能源成本高，另外在大噸位平板玻璃全電熔窯設(shè)計(jì)上還沒有成熟技術(shù)。

3.3 電助熔技術(shù)

縱觀浮法玻璃電助熔化技術(shù)發(fā)展歷程，瑞典早在1988年就開始在浮法玻璃熔窯上采用電助熔技術(shù)。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來國外浮法玻璃熔窯采用電助熔技術(shù)很普遍，而且技術(shù)也非常成熟。投料口電助熔一般設(shè)計(jì)為400～1000 kW，主體電助熔一般設(shè)計(jì)為2250～4500 kW，增設(shè)電助熔的目的主要為了降低煙氣污染物的排放，滿足所在國日益提高的環(huán)境保護(hù)要求。

我們國內(nèi)的浮法玻璃生產(chǎn)線配置電助熔技術(shù)的比較少，總量上目前占比≤5%，只有生產(chǎn)高檔顏色玻璃（包括淺綠色汽車風(fēng)擋玻璃和深灰汽車天窗隱私玻璃等）生產(chǎn)線采用電輔助熔化技術(shù)。多以投料口電助熔為主。國內(nèi)電助熔技術(shù)應(yīng)用是以提高熔化能力為目的，并不是以環(huán)保減排做為根本點(diǎn)。而且在設(shè)計(jì)水平上與國外相比尚有差距。

目前絕大多數(shù)大噸位平板玻璃生產(chǎn)技術(shù)在配方上采用的鈉鈣硅酸鹽玻璃體系，配合料氣體率約18%，堿金屬氧化物含量高導(dǎo)致玻璃高溫電阻率低，電極加熱玻璃的實(shí)際熔化溫度受限，對玻璃中的微氣泡消除有直接影響。因此，大噸位全電熔平板玻璃熔化技術(shù)亟待解決熔窯結(jié)構(gòu)規(guī)模和微氣泡消除問題。

目前分析研判，采用電助熔技術(shù)，提高電熔化在能源消耗中的比例，是在近期碳減排現(xiàn)實(shí)可能的技術(shù)路徑。

3.4 新型熔窯結(jié)構(gòu)

根據(jù)平板玻璃熔制過程中熔化、澄清、均化的工藝特點(diǎn)來改進(jìn)目前熔窯結(jié)構(gòu)方式。如國外提出的分段式熔化、國內(nèi)提出的雙卡脖串聯(lián)方式等新的熔窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分段式熔化技術(shù)加快了玻璃的熔化速度，減少了燃料的消耗，可以實(shí)現(xiàn)減碳排放。

4 與熔化相關(guān)碳減排技術(shù)

4.1 配合料粒化及預(yù)熱技術(shù)

配合料?；菍⒏鞣N原料混合后通過壓制成塊狀或粒狀，使配合料的容重從自然狀態(tài)1.24 g/cm3壓緊到2.0～2.2 g/cm3。從而使其導(dǎo)熱系數(shù)從0.273 W/（m·℃）提高到0.4 W/（m·℃），大大加速了轉(zhuǎn)熱效率，加快了固相反應(yīng)，使玻璃的熔化時(shí)間縮短20%～30%的時(shí)間，經(jīng)測算使用?；虾笕鄹G可節(jié)約燃料15%～30%。使用?；虾?，不僅可以減輕配合料飛揚(yáng)揮發(fā)對耐火材料的侵蝕, 延長窯爐的壽命，而且也減少了煙氣排放實(shí)現(xiàn)碳減排。目前該技術(shù)已在某浮法玻璃熔窯上短時(shí)間試用，隨著技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用前景值得期待。

預(yù)熱配合料是首先將粉狀料變成?；?，然后在專用設(shè)備中將?；项A(yù)熱到一定的溫度，經(jīng)過預(yù)熱后的配合料可縮短玻璃熔化時(shí)間，降低燃料消耗達(dá)到碳減排目的。該項(xiàng)技術(shù)國外已進(jìn)行中試，相信碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前，該項(xiàng)技術(shù)會(huì)在平板玻璃企業(yè)廣泛應(yīng)用。

4.2 生物燃料應(yīng)用

生物燃料中可以直接應(yīng)用于平板玻璃熔化的是生物柴油，生物柴油大多是用使用過的植物油或動(dòng)物油（也稱地溝油）以及動(dòng)物脂肪通過化工設(shè)備生產(chǎn)制成，其熱值略低于石化類柴油，熱值在33～41 MJ/kg之間。目前國內(nèi)生物柴油產(chǎn)能為75萬t，國內(nèi)每年地溝油等廢油脂約1000萬t，生物柴油產(chǎn)能具有發(fā)展至千萬噸的基礎(chǔ)。若使用生物柴油為平板玻璃熔化燃料，按現(xiàn)在5000元/t計(jì)算，初步測算燃料成本與現(xiàn)在的用電熔化成本相當(dāng)，因此，生物燃料未來使用前景取決于其成本和清潔零碳電力成本相比是否有優(yōu)勢。

4.3 燃燒設(shè)備

燃燒設(shè)備包括燃料噴槍、計(jì)量檢測儀表、調(diào)節(jié)器件等。燃料噴槍應(yīng)采用高效節(jié)能型式，如以天然氣為燃料時(shí)，應(yīng)使用具有自增碳效果的噴槍，達(dá)到節(jié)能減排效果［3］。

4.4 熔窯控制系統(tǒng)

目前平板玻璃熔窯都采用集散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)了對熔窯熱工參數(shù)采集以及重要工藝參數(shù)如換向、窯壓、液面、助燃風(fēng)流量等的自動(dòng)化控制。隨著信息物理系統(tǒng)（CPS）［4］、人工智能（AI）等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于平板玻璃熔窯控制，熔化過程就可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，達(dá)到節(jié)能減碳的目標(biāo)。

5 結(jié)語

平板玻璃熔化技術(shù)的發(fā)展，直接決定我國平板玻璃工業(yè)的未來。通過研發(fā)減碳、零碳排放熔化新技術(shù)，將更多的與熔化相關(guān)的碳減排技術(shù)在平板玻璃工業(yè)推廣應(yīng)用，是今后平板玻璃工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要措施。