玻璃材料對我國碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)淺析

賈子強(qiáng)，方 廣，牛晨晨，賈瑞東，趙修建，徐 凱

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

自2015年底《巴黎協(xié)定》(The Paris Agreement)達(dá)成，陸續(xù)有國家和地區(qū)提出碳中和目標(biāo)?；谠搮f(xié)議與我國倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展理念及人類命運(yùn)共同體的價值觀相契合，2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，我國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。這一目標(biāo)在聯(lián)合國生物多樣性峰會(United Nations Summit on Biodiversity)、氣候雄心峰會(Climate Ambition Summit)以及世界首次政黨領(lǐng)導(dǎo)人峰會(World Political Parties Summit)等場合被多次提及，碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略工作也被列入2021年重點(diǎn)任務(wù)，足見我國向綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的雄心和決心。

碳達(dá)峰相對容易，而碳中和意味著要實(shí)現(xiàn)化石燃料燃燒(約占86%)及其他人為產(chǎn)生的溫室氣體的凈零排放。丁仲禮院士[2]認(rèn)為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需從三方面入手，即在能源消費(fèi)端減少化石能源消耗，在能源供應(yīng)端大力發(fā)展低碳能源，無法避免的碳排放通過碳捕集與封存等方式人為固定。玻璃材料憑借其獨(dú)特的環(huán)境優(yōu)勢和性能特點(diǎn)，在能源消費(fèi)端和供應(yīng)端的節(jié)能、減排中發(fā)揮著不可替代的作用，注定將在碳中和路線實(shí)施過程中扮演重要角色[3]。

1 玻璃材料在能源消費(fèi)端的減耗潛力和作用

1.1 玻璃制造的減耗潛力

我國是具有全球影響力的基礎(chǔ)設(shè)施大國，建筑材料的生產(chǎn)是除能源供應(yīng)外的第二大碳排放源。圖1(a)和(b)分別為建造標(biāo)準(zhǔn)住宅所需各種建材的隱含能源(embodied energy)和各種建材單位產(chǎn)量的隱含能源。由于混凝土和鋼鐵用量巨大，其總能耗遠(yuǎn)高于玻璃。但從各類材料單位產(chǎn)量的能耗上看，能耗最高的依次是鋁和鋼鐵，而生產(chǎn)玻璃的能耗與鋼鐵相近，因此，玻璃行業(yè)具有很大的節(jié)能、減排潛力[4]。

圖1 (a)建造標(biāo)準(zhǔn)住宅所需各種建材的隱含能源和(b)各種建材單位產(chǎn)量所需的隱含能量[4]Fig.1 Embodied energy of (a) average residential housing unit and (b) production of bulk construction materials[4]

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年我國平板玻璃和日用玻璃產(chǎn)能約9.46億重量箱和2 500萬t，若碳排放分別按照357.6 t CO2/萬重量箱和0.975 t CO2/t玻璃計(jì)算[5-6]，兩者碳排放接近6 000萬t。玻璃生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放主要源于提供高溫熔融環(huán)境時燃料的燃燒，這一過程產(chǎn)生的二氧化碳占整體的60%以上，其次是與碳酸鹽原料分解有關(guān)的過程排放，占總排放量的20%左右[7]。

使用清潔燃料并提高能量的利用效率是最有效的減耗途徑,如:加速推進(jìn)天然氣、焦?fàn)t煤氣等低碳燃料替代渣油、重油等高碳燃料[8]；充分利用清潔的電能，開發(fā)大型玻璃熔窯全電熔技術(shù)；利用潔凈的氫能尤其是新能源制得的綠氫，將是玻璃行業(yè)在低碳經(jīng)濟(jì)下的發(fā)展趨勢，英國皮爾金頓公司已成功試用全氫能源制造出建筑玻璃，若技術(shù)成熟并推廣，將極大降低玻璃生產(chǎn)過程的碳排放[9]。

在能源尚未脫碳的情況下，節(jié)能和減排存在內(nèi)在聯(lián)系，提高能量的利用效率可以有效減少碳排放。如采用全氧燃燒或富氧燃燒技術(shù)，減少燃料用量并加快玻璃的熔融速率，避免了加熱氮?dú)獾臒o益能耗，且產(chǎn)生的尾氣量小，大大降低了隨尾氣流失的熱量[10]。玻璃熔制過程有效利用的熱量只有40%左右，而尾氣攜帶的熱能占燃料燃燒釋放熱量的近30%，因此，回收尾氣余熱用來預(yù)熱原料和燃料，可顯著提高能量利用效率[11]。

目前浮法玻璃工業(yè)廣泛使用的仍是150余年前誕生的西門子型窯爐，雖然經(jīng)過了一系列節(jié)能、減排的技術(shù)革新，但是其每千克玻璃熱耗仍遠(yuǎn)高于理論值，因此，探索新型玻璃熔制技術(shù)，能從根本上提高玻璃制造過程中的能量利用效率。例如利用具有高熱焓、高化學(xué)反應(yīng)速率的熱等離子體為熱源，通過飛行(in-flight)熔化的方式，將吹入窯爐內(nèi)的粒狀配合料在極短時間內(nèi)迅速熔化，并在飛行過程中，快速排出二氧化碳、二氧化硫等氣體，形成氣泡較少的熔融態(tài)玻璃，極大減少玻璃的澄清時間。在其他條件相同的情況下，等離子飛行熔化與傳統(tǒng)工藝相比(圖2)，總的澄清時間為2～3 h，節(jié)能40%～50%[12-13]。等離子體作為熱源，不但熔化效率高，而且適應(yīng)性廣，可應(yīng)用于各種類型玻璃的熔化，例如在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，等離子體已用于熔融危險廢棄物，將有害元素固定在玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，產(chǎn)出的玻璃態(tài)渣用作建筑材料的骨料，從而實(shí)現(xiàn)危險廢棄物的無害化處理與資源化利用[14]。

玻璃工業(yè)的原料含有石灰石、白云石和純堿，在高溫下分解產(chǎn)生過程排放。用霞石類的硅酸鹽原料替代碳酸鹽，或者通過引入鋰長石等助熔劑和澄清劑、調(diào)整玻璃配方以降低碳酸鈉的用量可以有效降低過程排放[15]。此外，回收的碎玻璃可作為無碳原材料再次利用，并且原料中碎玻璃含量的提高還可降低熔融溫度。歐洲容器玻璃聯(lián)合會的研究結(jié)果表明在玻璃生產(chǎn)中每利用1 t碎玻璃，可在整個價值鏈中減少約580 kg的碳排放[16]。我國每年產(chǎn)生2 000余萬 t廢玻璃，回收率雖然基本達(dá)到50%，但較一些發(fā)達(dá)國家80%以上的回收率還有較大差距[17]。風(fēng)電和光電設(shè)施設(shè)計(jì)壽命為20余年，我國預(yù)計(jì)將于2025—2030年間出現(xiàn)第一次報廢退役高峰[18]。如果這些廢玻璃得到充分的回收，經(jīng)分揀精制后作為玻璃原料或其他二次制品的原料，將產(chǎn)生巨大的節(jié)能、減排效益。

圖2 (a)新型等離子飛行熔化窯爐與(b)傳統(tǒng)玻璃窯爐結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.2 Models of (a) new in-flight glass melter and (b) conventional fuel-fired glass melter[12]

玻璃的薄型化是玻璃行業(yè)節(jié)能、減排的重要方式，也是碳中和目標(biāo)下的必然發(fā)展趨勢。中國建材國際工程集團(tuán)有限公司已經(jīng)建成了穩(wěn)定量產(chǎn)1.5～2.5 mm超薄壓延光伏玻璃的生產(chǎn)線[19]。在光伏玻璃產(chǎn)能不足的情況下，若將傳統(tǒng)的3.2 mm玻璃組件降至1.6 mm，則在相同的能耗下可以增加近雙倍的產(chǎn)能，且還會提高透光率和組件的散熱能力。若平板玻璃的平均厚度由5 mm減薄20%，按2020年產(chǎn)能計(jì)算，相同的使用面積可壓縮近950萬t的產(chǎn)能，可減少約680萬t生產(chǎn)端的二氧化碳排放。且輕量化的玻璃產(chǎn)品也會給交通運(yùn)輸部門帶來相當(dāng)可觀的減排效益。但玻璃的減薄會增大生產(chǎn)技術(shù)難度，降低玻璃的力學(xué)性能，需要加大薄玻璃鋼化技術(shù)的創(chuàng)新力度[20]。

綜上所述，根據(jù)玻璃制造過程，圖3總結(jié)了各階段的節(jié)能、減排途徑。

圖3 玻璃材料制造過程中各階段節(jié)能、減排途徑總結(jié)Fig.3 Summary of approaches for energy-saving and emission reduction in the glass production process

1.2 玻璃產(chǎn)品的節(jié)能作用

我國建筑運(yùn)行耗電占全國總發(fā)電量的20%以上，隨著我國城市化程度的不斷提高，第三產(chǎn)業(yè)比重的加大及制造業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，建筑能耗的比例將繼續(xù)提高，最終接近發(fā)達(dá)國家約33%的水平，因此建筑節(jié)能潛力巨大[21]。建筑能耗很大一部分源于建筑的采暖和空調(diào)，傳統(tǒng)的門窗玻璃是建筑保溫最薄弱的環(huán)節(jié)，通過門窗產(chǎn)生的損失達(dá)到40%～50%[21-22]。

在建筑設(shè)計(jì)中使用節(jié)能材料是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效途徑。中空玻璃、真空玻璃能有效抑制通過對流和熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的能耗[23]；在表面鍍制低輻射功能膜制備的低輻射玻璃(low-E玻璃)可以通過反射高溫一側(cè)的紅外線，降低因熱輻射傳熱產(chǎn)生的能耗[24]；此外，低輻射玻璃通常與中空或真空玻璃結(jié)合使用(如圖4所示)，制得的多層玻璃兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，在玻璃上鍍制具有特殊功能的環(huán)境響應(yīng)薄膜，可實(shí)現(xiàn)玻璃材料的光致變色、電致變色以及氣致變色等功能，從而達(dá)到動態(tài)調(diào)控玻璃窗可見光透過率，調(diào)節(jié)建筑物從太陽光得熱的目的[25]。在門窗、幕墻等處科學(xué)、合理地使用節(jié)能玻璃產(chǎn)品可以降低空調(diào)負(fù)荷，起到顯著的節(jié)能效果[26]。中國建筑節(jié)能協(xié)會最新的預(yù)測顯示，到2060年建筑排放二氧化碳約15億t，而在節(jié)能玻璃等技術(shù)合理使用的情況下，可降低22%的碳排放，在應(yīng)用光伏建筑一體化等建筑產(chǎn)能技術(shù)的情況下，可再降低20%的碳排放[27]。

圖4 建筑節(jié)能玻璃(低輻射玻璃)結(jié)構(gòu)示意圖[24]Fig.4 Structure of energy-saving glass (low-E glass)[24]

2 玻璃材料是能源供應(yīng)端支撐清潔能源的關(guān)鍵材料

當(dāng)前煤炭是我國的主力能源，但要實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)就需要在保證能源穩(wěn)定供給的情況下增加太陽能、風(fēng)能和核能等非碳能源的占比，直至接近無碳發(fā)電[28]。這意味著我國巨大的用電需求將通過急速增長的清潔能源來滿足。2020年我國風(fēng)電裝機(jī)和光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到2.81億kW和2.53億kW[29]，而在之后的40年中將分別會有近9倍和16倍的增長[30]。目前我國核電的裝機(jī)容量為5 102.7萬 kW，有望在2035年達(dá)到2億kW左右的裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)近4倍的增長[31]。

2.1 太陽能

無論是主導(dǎo)市場的晶體硅太陽能電池還是發(fā)展迅速的薄膜太陽能電池都離不開光伏玻璃這一關(guān)鍵組件[32-33]。太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由玻璃蓋板、起黏結(jié)作用的聚乙烯-聚醋酸乙烯酯(EVA)膠膜、電池片和背板玻璃組成[34]。光伏玻璃作為太陽能電池組件的封裝或蓋板材料，起到支撐保護(hù)作用的同時保證高透光率[35]。相比于高分子背板，玻璃作為光伏組件的背板具有更好的力學(xué)性能、密封性以及耐久性，而且便于回收。并且隨光伏建筑一體化的發(fā)展，雙玻組件的市場將繼續(xù)擴(kuò)大。

此外，高效、低成本的鈣鈦礦太陽能電池是近年最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮柲茈姵?，但其穩(wěn)定性受環(huán)境濕度和溫度影響大，傳統(tǒng)的樹脂密封材料密封性及耐候性差，研究人員開始尋求無機(jī)封裝材料。例如葡萄牙波爾圖大學(xué)研究人員通過激光熔融黏結(jié)的方式，將低熔點(diǎn)玻璃熔塊與背板玻璃、蓋板玻璃黏合(如圖6所示)，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的全無機(jī)密封，在惡劣的濕度和溫度測試環(huán)境下電池效率可穩(wěn)定長達(dá)500 h[36]，未來鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)化有望借助玻璃的面板和封裝材料實(shí)現(xiàn)。

光伏發(fā)電新增裝機(jī)激增，僅2020年太陽能電池產(chǎn)量同比增長30.3%[37]。而光伏玻璃的擴(kuò)產(chǎn)速度遠(yuǎn)不及太陽能組件，光伏玻璃處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，國內(nèi)以信義光能和福萊特為代表的光伏玻璃生產(chǎn)企業(yè)正在積極擴(kuò)大產(chǎn)能，填補(bǔ)產(chǎn)能缺口[38]。根據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的預(yù)計(jì)，到2025年我國的光伏發(fā)電需達(dá)到6億kW以上，若參考2020年的光伏裝機(jī)容量，按照每千瓦時電量需消耗320 g標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，相對于火電每年可再節(jié)省約1.1億t的標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于每年減少近3億t的二氧化碳排放[39-40]。

圖5 太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖[34]Fig.5 Structure of photovoltaic panels[34]

圖6 (a)激光輔助封裝結(jié)構(gòu)和(b)封裝完成的鈣鈦礦電池示意圖[36]Fig.6 Schematic views of (a) laser-assisted sealing configuration and (b) encapsulated perovskite solar cell device[36]

2.2 風(fēng) 能

玻璃是保證風(fēng)電裝機(jī)快速增長的關(guān)鍵材料。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由機(jī)艙、塔架、基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)子等組成，其中轉(zhuǎn)子葉片如圖7所示，由根部的管狀結(jié)構(gòu)和葉片主體構(gòu)成[41]。玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料占風(fēng)電葉片質(zhì)量的90%以上，而復(fù)合材料中玻璃纖維的含量高達(dá)70%[42-43]。并且隨著葉片有大型化發(fā)展的趨勢，風(fēng)電設(shè)備制造對玻璃材料的需求將進(jìn)一步增大[44]。若到2025年我國風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到4億kW以上的預(yù)測值，每年將再減少約2.2億t的二氧化碳排放[45]。

目前我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電機(jī)、主軸承等零部件發(fā)展均衡，葉片產(chǎn)能相對充足，可以達(dá)到近8 000萬kW/a。但從碳中和的長遠(yuǎn)目標(biāo)來看，為滿足風(fēng)電的預(yù)期增長，我國風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)還需繼續(xù)加大技術(shù)創(chuàng)新力度[46]。

圖7 風(fēng)力葉片的(a)整體和(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖以及風(fēng)力葉片(c)整體和(d)截面的圖片[41]Fig.7 Schematic views of (a) overall and (b) internal structure, and pictures of (c) overall and (d) cross-section of the wind turbine blades[41]

2.3 核 能

核能是減排效應(yīng)較大的能源之一。2020年核電發(fā)電量占全國累計(jì)發(fā)電量的4.9%，相比于火電相當(dāng)于減少了2.7億t的碳排放[47]。預(yù)計(jì)到2050年我國核電發(fā)電量將增至28%，會產(chǎn)生巨大的節(jié)能、減排效益。

圖8 高放廢液玻璃固化過程及核素玻璃固化 結(jié)構(gòu)示意圖[50]Fig.8 Process of high-level waste vitrification and schematic structure of nuclear waste glass[50]

但核電的穩(wěn)步發(fā)展會造成具有放射毒性的核廢物數(shù)量激增，其中高水平放射性廢液(簡稱“高放廢液”)放射水平高，半衰期長，且成分復(fù)雜，若不能安全妥善處理，將會嚴(yán)重制約我國核電的發(fā)展。目前，國際上普遍認(rèn)可的核廢物處理方法是將其固定在穩(wěn)定基材中。由于玻璃具有遠(yuǎn)程無序的柔性結(jié)構(gòu)，可以將大部分核素在原子尺度固定在其無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中(如圖8所示)，從而限制核素的遷移，并且玻璃制造自動化程度高，生產(chǎn)易于遠(yuǎn)距離操縱。因此，玻璃固化目前是全球唯一工程應(yīng)用的高放廢液處理技術(shù)。固化后的高放玻璃再進(jìn)行深地質(zhì)處置，使其最大限度與生物圈隔絕，從而達(dá)到安全處理的目的[48]。我國通過國際合作模式，在四川廣元建成國內(nèi)首座高放廢液玻璃固化設(shè)施，并已正式投運(yùn)[49]，成為世界上少數(shù)幾個具備高放廢液玻璃固化技術(shù)的國家，對我國核工業(yè)安全綠色發(fā)展具有里程碑意義，將為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供有力保障。

3 建議和展望

走在向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型道路的前沿是玻璃行業(yè)的目標(biāo)。玻璃行業(yè)通過使用清潔燃料并提高熱量利用效率，降低碳酸鹽原料的用量并提高碎玻璃的使用率，以及產(chǎn)品減薄等途徑可以實(shí)現(xiàn)行業(yè)在極低的碳排放下運(yùn)行。并且隨著玻璃深加工技術(shù)的進(jìn)步，各種新型節(jié)能玻璃產(chǎn)品也將在能源消耗端發(fā)揮更大的減耗作用。此外玻璃材料通過支持太陽能、風(fēng)能與核能的高速增長，將為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出更大的貢獻(xiàn)(圖9)。

過去幾十年，我國玻璃行業(yè)一直致力于工藝設(shè)備的突破和節(jié)能、減排效果的提升，并取得顯著成效，但要將行業(yè)的減排潛力轉(zhuǎn)化為實(shí)際的減排效益，還面臨諸多問題。玻璃行業(yè)目前很難實(shí)現(xiàn)電力對化石燃料的完全替代。產(chǎn)量200 t/d以下的小型全電熔爐技術(shù)相對成熟，大型電熔爐節(jié)能效果顯著，但熔融質(zhì)量有待提高，并且電力的價格、電力供應(yīng)的穩(wěn)定性也是需要考慮的因素；而天然氣和氫能等低碳能源需要考慮儲存和運(yùn)輸?shù)膯栴}。工藝技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新始終是應(yīng)對行業(yè)碳中和難題的根本，開發(fā)新型大型電熔爐，并針對燃料替換時氫能等低碳燃料的傳熱特點(diǎn)升級改造窯爐，也要進(jìn)行降低過程排放的工藝創(chuàng)新；新型超薄玻璃與節(jié)能玻璃關(guān)鍵技術(shù)突破也依賴材料與工藝創(chuàng)新。

圖9 玻璃材料對我國碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)總結(jié)Fig.9 Contribution of glass materials to carbon neutrality of China

碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要完整的體系框架來保駕護(hù)航。低碳能源的替換需要配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如完善的高壓電力輸送網(wǎng)絡(luò)，氫氣、天然氣和沼氣的輸送管道和儲存設(shè)施，這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將需要巨大的投資。在進(jìn)一步減少溫室氣體排放的情況下保證產(chǎn)品競爭力是玻璃行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型最大的挑戰(zhàn)，低碳原料的替換也會增加行業(yè)的額外成本。此外，相關(guān)部門也應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的資源規(guī)劃和調(diào)配，給予必要的扶持，但僅依靠政府的財(cái)政補(bǔ)貼是不夠的，需要在政策的引導(dǎo)下發(fā)揮市場的作用。完善廢玻璃的管理回收機(jī)制以進(jìn)一步提高廢玻璃回收率；支持跨部門合作，完善上下游產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)。也要出臺相應(yīng)的獎勵和約束制度，推廣低碳玻璃產(chǎn)品，同時避免企業(yè)不作為卻節(jié)約成本，導(dǎo)致“劣幣驅(qū)逐良幣”的現(xiàn)象。因此，需充分利用政策引導(dǎo)、市場驅(qū)動、創(chuàng)新助推和規(guī)則約束的手段，在完整的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)框架下推動玻璃行業(yè)向碳中和的目標(biāo)邁進(jìn)。