我國(guó)日用玻璃行業(yè)碳排放特征及減排措施

寧 可，孫曉峰*，王均光

1. 北京市科學(xué)技術(shù)研究院資源環(huán)境研究所，北京 100089

2. 中國(guó)輕工業(yè)日用玻璃綠色制造工程技術(shù)研究中心，安徽 滁州 233199

3. 山東省日用硅酸鹽工業(yè)協(xié)會(huì)，山東 濟(jì)南 250014

應(yīng)對(duì)氣候變化是人類社會(huì)面臨的共同挑戰(zhàn)，作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的發(fā)展中大國(guó)，我國(guó)也在積極主動(dòng)的履行控制溫室氣體排放的義務(wù)[1]. 2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]. 《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，要支持有條件的地方和重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)企業(yè)率先達(dá)到碳排放峰值. 此外，隨著我國(guó)雙碳“1+N”政策體系的發(fā)布實(shí)施，各行業(yè)已陸續(xù)、有序地開展碳達(dá)峰、碳中和路徑的研究工作[3-9].

玻璃是我國(guó)能源消耗重點(diǎn)行業(yè)[10]，生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生和排放大量的溫室氣體. 根據(jù)中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)玻璃工業(yè)碳排放量為2 740×104t[11]，統(tǒng)計(jì)范圍包括《國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》中的平板玻璃制造、特種玻璃制造、其他玻璃制造和技術(shù)玻璃制品制造等五大類. 日用玻璃作為玻璃行業(yè)的重要組成，其碳排放情況在我國(guó)尚未得到深入研究. 作為我國(guó)傳統(tǒng)的民生經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)-日用玻璃行業(yè)，其產(chǎn)品主要為食品、釀酒、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)提供各種包裝材料以及滿足人們?nèi)粘ＯM(fèi)需求，產(chǎn)品類型包括玻璃包裝容器、玻璃器皿和玻璃保溫瓶膽等，其中以玻璃包裝容器為主，占總產(chǎn)量的70%以上[12]. 根據(jù)中國(guó)日用玻璃協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)日用玻璃產(chǎn)量達(dá)2 494.76×104t，產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界前列.

近年來，我國(guó)日用玻璃行業(yè)深入推進(jìn)節(jié)能減排、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革等工作，相關(guān)部門先后印發(fā)《日用玻璃行業(yè)規(guī)范條件(2017年本)》《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》等文件，出臺(tái)《玻璃保溫瓶膽單位產(chǎn)品能源消耗限額》(QB/T 5360-2019)、《玻璃瓶罐單位產(chǎn)品能源消耗限額》(QB/T 5361-2019)、《玻璃器皿單位產(chǎn)品能源消耗限額》(QB/T 5362-2019)等行業(yè)能耗限額標(biāo)準(zhǔn)，有效促進(jìn)了行業(yè)節(jié)能降耗和技術(shù)升級(jí)，單位產(chǎn)品綜合能耗不斷降低. 盡管如此，玻璃行業(yè)作為資源能源密集型產(chǎn)業(yè)的屬性仍未改變，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)日用玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗偏高20%以上[13]. 此外，長(zhǎng)期以來，我國(guó)玻璃熔窯仍以煤炭、重油等高碳排放燃料為主，行業(yè)附加值低導(dǎo)致天然氣等清潔燃料替代緩慢，使得我國(guó)日用玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量明顯高于美國(guó)和歐盟等以天然氣熔窯和電熔窯為主的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)[14]，日用玻璃行業(yè)仍需持續(xù)推動(dòng)清潔低碳發(fā)展.

日用玻璃行業(yè)加快綠色低碳轉(zhuǎn)型，既是行業(yè)自身高質(zhì)量發(fā)展的需求，也是支撐國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的客觀要求. 因此，該研究基于排放系數(shù)法核算了當(dāng)前我國(guó)日用玻璃行業(yè)的碳排放量，分析了影響行業(yè)碳排放的主要因素，并提出了相應(yīng)的減排措施，以期為推動(dòng)我國(guó)日用玻璃行業(yè)節(jié)能降碳、推進(jìn)行業(yè)綠色發(fā)展提供參考.

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 核算邊界

鑒于我國(guó)尚未發(fā)布日用玻璃行業(yè)相關(guān)的碳排放核算指南，因此該研究參考《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第7部分：平板玻璃生產(chǎn)企業(yè)》(GB/T 32151.7-2015)規(guī)定的平板玻璃核算邊界，確定日用玻璃企業(yè)碳排放邊界包括廠區(qū)內(nèi)直接生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)以及直接為生產(chǎn)服務(wù)的附屬生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體(溫室氣體為CO2，不涉及其他溫室氣體)排放，其中，輔助生產(chǎn)系統(tǒng)包括動(dòng)力、供電、供水、檢驗(yàn)、機(jī)修、庫(kù)房、運(yùn)輸?shù)?，附屬生產(chǎn)系統(tǒng)包括生產(chǎn)指揮系統(tǒng)(廠部)和廠區(qū)內(nèi)為生產(chǎn)服務(wù)的部門和單位(如職工食堂、車間浴室、保健站等).

日用玻璃在生產(chǎn)過程中消耗了大量的能源資源，是其碳排放的主要來源[15]. 生產(chǎn)過程主要包括原料配合料的制備、玻璃液熔制、玻璃制品的成型、退火、表面處理和檢驗(yàn)包裝等環(huán)節(jié)，參考GB/T 32151.7-2015確定其碳排放來源包括化石燃料燃燒排放、原料碳酸鹽分解排放、購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放等三方面，各排放源排放情況如表1所示.

1.2 核算方法

參考GB/T 32151.7-2015中的核算方法，采用式(1)核算日用玻璃單位產(chǎn)品碳排放量，進(jìn)而得到行業(yè)整體碳排放水平. 其中，日用玻璃生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品的碳排放量等于單位產(chǎn)品的化石燃料燃燒排放、原料碳酸鹽分解產(chǎn)生的排放和購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放之和.

式中：e為日用玻璃單位產(chǎn)品的碳排放量，t (以CO2計(jì)，下同)/t；efu為單位產(chǎn)品化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放量，t/t；epro為單位產(chǎn)品原料碳酸鹽分解產(chǎn)生的排放，t/t；ee&h為單位產(chǎn)品企業(yè)購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放量，t/t.

1.2.1化石燃料燃燒排放(efu)

日用玻璃行業(yè)使用的化石燃料主要包括煤(用于生產(chǎn)煤制氣，品種以無煙煤為主)、重油和天然氣，由化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放根據(jù)式(2)計(jì)算得出.

式中：ei為單位產(chǎn)品消耗的第i種化石燃料的量，t/t或104Nm3/t；EFi為第i種化石燃料的碳排放因子，t/t或t/(104Nm3).

1.2.2原料碳酸鹽分解排放(epro)

為加速玻璃熔制，原料配合料中必須保證一定的氣體比，利用受熱分解后所逸出的氣體對(duì)配合料和玻璃液進(jìn)行攪拌從而有利于硅酸鹽形成和玻璃液均化[16]. 原料中的石灰石、白云石和純堿等碳酸鹽在高溫熔融時(shí)將受熱分解，產(chǎn)生的氣體主要為CO2，采用式(3)計(jì)算單位產(chǎn)品日用玻璃生產(chǎn)過程的碳排放量.

式中：mj為單位產(chǎn)品消耗的第j種碳酸鹽的質(zhì)量，t/t；EFj為第j種碳酸鹽的碳排放因子，t/t；Fj為第j種碳酸鹽的煅燒比例，該研究按照100%進(jìn)行計(jì)算.

1.2.3購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放(ee&h)

日用玻璃單位產(chǎn)品外購(gòu)電力和熱力產(chǎn)生的碳排放根據(jù)式(4)計(jì)算得出.

式中：adele為單位產(chǎn)品對(duì)應(yīng)使用的外購(gòu)電力的量，MW·h/t；EFele為所購(gòu)電力的碳排放因子，t/(MW·h)；adheat為單位產(chǎn)品對(duì)應(yīng)使用的外購(gòu)熱力的量，GJ/t；EFheat為所購(gòu)熱力的碳排放因子，t/GJ.

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1活動(dòng)水平數(shù)據(jù)

1.3.1.1產(chǎn)品產(chǎn)量

近年來，受環(huán)保政策壓力和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革影響，我國(guó)日用玻璃行業(yè)整體水平不斷提高，行業(yè)集中度進(jìn)一步提升，產(chǎn)品產(chǎn)量總體呈下降趨勢(shì). 根據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2015-2020年我國(guó)日用玻璃行業(yè)產(chǎn)量分別為2 888.74×104、2 956.85×104、2 860.70×104、2 166.25×104、2 657.93×104和2 494.76×104t[17].

1.3.1.2原燃料消耗

日用玻璃行業(yè)產(chǎn)品類型眾多，熔窯使用的燃料類型也不盡相同. 該研究參考Hu等[18]研究成果，并結(jié)合國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果[19]，確定我國(guó)典型日用玻璃企業(yè)原料配方：石英砂(含98.5% SiO2、0.2% Al2O3、0.08% Fe2O3) 310 kg/t、長(zhǎng)石(含16% K2O、18% Al2O3、64% SiO2) 82 kg/t、石灰石(CaCO3) 84 kg/t、白云 石〔CaMg(CO3)2〕 2 kg/t、純 堿(99.2% Na2CO3) 85 kg/t、芒硝(99% Na2SO4) 2 kg/t，碎玻璃600 kg/t，不同燃料類型能源消耗量如表2所示.

表2 不同燃料類型日用玻璃企業(yè)能源消耗量Table 2 Energy consumption of domestic glass enterprises with different fuel types

1.3.2主要參數(shù)因子

1.3.2.1化石燃料和過程排放參數(shù)

化石燃料的排放因子和碳酸鹽的排放因子參考GB/T 32151.7-2015標(biāo)準(zhǔn)附錄中的推薦值[20]，其中整理相關(guān)數(shù)據(jù)后化石燃料的碳排放因子如表3所示.

表3 常用燃料的碳排放相關(guān)參數(shù)Table 3 Carbon emission parameter for common fuels

1.3.2.2電力排放因子

不同地區(qū)因電力結(jié)構(gòu)等因素不同，電力碳排放因子也有所差異. 為計(jì)算全國(guó)日用玻璃企業(yè)外購(gòu)電力產(chǎn)生的碳排放量，參考生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(2015-2019年)，將電網(wǎng)邊界劃分為華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)(數(shù)據(jù)不包括西藏自治區(qū)及港澳臺(tái)地區(qū))，同時(shí)根據(jù)不同區(qū)域當(dāng)年用電量比例[21]，分別計(jì)算出2015-2019年中國(guó)電網(wǎng)平均電力排放因子. 不同區(qū)域電網(wǎng)排放因子和用電比例如表4所示. 2020年度中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子尚未發(fā)布，計(jì)算時(shí)采用2019年排放因子.

表4 中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)排放因子及用電比例Table 4 Emission factors and power consumption ration of different power grids in China

2 結(jié)果與分析

2.1 單位產(chǎn)品碳排放量

以2020年活動(dòng)水平數(shù)據(jù)為例，通過計(jì)算單位產(chǎn)品化石燃料燃燒排放、原料碳酸鹽分解排放、購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放，得到當(dāng)前我國(guó)日用玻璃行業(yè)不同燃料類型、不同排放源單位產(chǎn)品碳排放量及單位產(chǎn)品碳排放總量(見表5).

表5 不同燃料類型日用玻璃企業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量Table 5 Carbon emissions per unit produce of domestic glass enterprises with different fuel types t/t

不同燃料類型的日用玻璃企業(yè)碳排放水平相差較大，其中采用煤作為主要燃料的日用玻璃企業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量最大，是采用重油為燃料企業(yè)的1.2倍，是采用天然氣為燃料企業(yè)的1.5倍. 此外，根據(jù)調(diào)研得到的我國(guó)日用玻璃行業(yè)不同燃料類型占比情況及相關(guān)統(tǒng)計(jì)[19]，目前企業(yè)燃料類型以煤為主，約占全部日用玻璃企業(yè)的60%，其次為重油和天然氣，占比分別約25%和15%，據(jù)此計(jì)算得到2020年我國(guó)日用玻璃行業(yè)平均碳排放水平為0.861 8 t/t.

近年來，我國(guó)日用玻璃行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，全氧燃燒技術(shù)、玻璃輕量化技術(shù)、節(jié)能環(huán)保熔窯設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)逐步得到推廣應(yīng)用，日用玻璃生產(chǎn)能耗水平不斷降低，單位產(chǎn)品碳排放量不斷下降. 但與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)日用玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量仍存在一定下降空間. 研究顯示，在以天然氣為主的熔窯燃料類型下，美國(guó)玻璃瓶罐單位產(chǎn)品碳排放量為0.504 5 t/t[18]，歐盟玻璃瓶罐單位產(chǎn)品碳排放量為0.32～0.68 t/t，平均單位產(chǎn)品碳排放量為0.51 t/t[22]，明顯低于以煤制氣為主的我國(guó)日用玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量.

從排放源類型來看，化石燃料燃燒為我國(guó)日用玻璃行業(yè)碳排放的主要來源，占比為48.61%～64.67%；其次為購(gòu)入電力和熱力產(chǎn)生的碳排放，占比為27.6%～40.14%；原料碳酸鹽分解產(chǎn)生的碳排放最低，占比為7.73%～11.25%.日用玻璃產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中加入了較高比例(通常為30%～70%)的碎玻璃[23]，減少了原料分解產(chǎn)生的碳排放，平板玻璃由于在生產(chǎn)過程中不能加入過高比例的碎玻璃以免對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響[24]，工藝過程產(chǎn)生的碳排放占比較高，一般在20%～24%之間[25].

2.2 我國(guó)日用玻璃行業(yè)碳排放量分析

經(jīng)核算，我國(guó)日用玻璃行業(yè)2015-2020年的碳排放量如表6所示.

表6 我國(guó)日用玻璃行業(yè)的碳排放量Table 6 Carbon emissions from the domestic glass industry in China

日用玻璃行業(yè)的碳排放量與產(chǎn)品產(chǎn)量密切相關(guān)，近年來我國(guó)日用玻璃行業(yè)隨著產(chǎn)量于2016年達(dá)峰后開始下降，碳排放量也呈波動(dòng)下降趨勢(shì). 過去10年，由于日用玻璃行業(yè)準(zhǔn)入門檻低，造成“十二五”期間行業(yè)低層次同質(zhì)化無序競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，產(chǎn)能盲目擴(kuò)張，日用玻璃產(chǎn)量達(dá)到峰值. 近年來，隨著工業(yè)大氣污染治理的深入推進(jìn)以及《日用玻璃行業(yè)規(guī)范條件(2017年本)》的發(fā)布實(shí)施，大批未配備環(huán)保治理設(shè)施的企業(yè)被關(guān)停，產(chǎn)能擴(kuò)張現(xiàn)象得到有效遏制，行業(yè)開始轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，產(chǎn)量也在2017年之后開始逐步趨緩.

除產(chǎn)量變化影響外，燃料結(jié)構(gòu)也是造成日用玻璃行業(yè)碳排放量降低的主要因素之一. 隨著國(guó)家開始大力推行清潔能源，天然氣熔窯、電熔窯等低碳排放的熔窯使用比例不斷增高，進(jìn)一步降低了行業(yè)碳排放量，與2015年相比，2020年單位產(chǎn)品碳排放量降低了約5%. 加大天然氣等清潔能源的推廣使用，將是日用玻璃行業(yè)減少碳排放的重要措施.

3 基于碳排放影響因素分析的碳減排措施

為減少日用玻璃生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2帶來的環(huán)境問題，在充分分析日用玻璃行業(yè)碳排放來源的基礎(chǔ)上，研究提出了優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率和優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)等碳減排措施.

3.1 優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率

3.1.1推廣使用清潔能源

煤氣發(fā)生爐的熱效率一般在75%左右，煤通過發(fā)生爐轉(zhuǎn)化為發(fā)生爐煤氣時(shí)將有約25%的熱量損失，熱轉(zhuǎn)化效率低，單位產(chǎn)品碳排放量高，且生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生含酚廢水、SO2和VOCs等污染物. 隨著國(guó)家對(duì)玻璃行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步收緊以及非電行業(yè)的超低排放趨勢(shì)，日用玻璃企業(yè)可通過采用天然氣替代煤作為熔窯燃料，或采用電加熱、電輔助加熱等方式，在減少污染物產(chǎn)生的同時(shí)，降低燃料燃燒過程產(chǎn)生的碳排放量.

3.1.2提高能源利用效率

全氧燃燒技術(shù)不僅可有效降低噸玻璃液的燃料使用量，還可提高產(chǎn)品質(zhì)量，但由于生產(chǎn)成本等原因，目前僅在生產(chǎn)高品質(zhì)玻璃產(chǎn)品的企業(yè)得到了推廣使用. 純氧燃燒技術(shù)由于采用純氧氣體作為氧化劑，可有效減少過?？諝庀禂?shù)，進(jìn)而減少排煙損失，還可促進(jìn)燃料的燃燒，提高燃料的燃燒效率. 研究[26]表明，全氧燃燒玻璃熔窯與普通馬蹄焰熔窯相比，節(jié)能量可在26%～34%之間.

3.1.3加強(qiáng)余熱回收利用

與平板玻璃行業(yè)相比，日用玻璃仍有較大的余熱利用空間. 日用玻璃熔窯排煙溫度一般在300～400 ℃之間，企業(yè)通常采用余熱鍋爐回收此部分熱量用于生產(chǎn)和生活，而平板玻璃企業(yè)通常采用余熱發(fā)電鍋爐回收煙氣中的余熱，產(chǎn)生的電力可滿足玻璃生產(chǎn)線60%～80%的用電量[27]. 由于日用玻璃熔窯熔化量(日出料量在100 t以下)普遍偏小、煙氣量低，無法像平板玻璃企業(yè)一樣采用余熱發(fā)電技術(shù)，未來隨著日用玻璃熔窯規(guī)模的不斷擴(kuò)大，熔窯大型化將使日用玻璃余熱發(fā)電成為可能.

此外，煙氣余熱還可用于配合料預(yù)熱. 配合料預(yù)熱技術(shù)首先將配合料進(jìn)行?；?，在進(jìn)入熔窯熔化之前，充分利用煙氣余熱加熱配合料，促進(jìn)配合料各組分間的相互反應(yīng)，提高配合料受熱能力，加速玻璃熔制，減少玻璃熔化時(shí)間，從而達(dá)到降低能耗的目的. 日用玻璃企業(yè)還可加強(qiáng)退火窯的余熱回收利用，進(jìn)一步降低能耗水平.

3.2 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，使用低碳配方

純堿是日用玻璃產(chǎn)品的主要原料之一，也是原料分解產(chǎn)生碳排放的主要來源.日用玻璃企業(yè)可綜合考慮熔化溫度、成形性能等因素，合理減少純堿用量，如采用苛性鈉(NaOH)代替純堿作為澄清劑，減少日用玻璃生產(chǎn)的過程碳排放[28].

引入活性原料可加速硅酸鹽的形成和加速玻璃澄清和均化，同時(shí)降低熔制溫度和減少碳酸鹽的用量. 如可采用含有Li2O的鋰云母、鋰長(zhǎng)石、鋰輝石代替玻璃組分中部分Na2O. 根據(jù)田英良等[29]研究，當(dāng)玻璃組分中引入0.13%～0.26%的Li2O時(shí)，玻璃熔化溫度可降低20～30 ℃，可節(jié)約純堿19.3%，進(jìn)而減少碳排放量.

在玻璃熔制過程中，加入的碎玻璃僅需經(jīng)歷物理變化(即可熔化成玻璃液)，因此碎玻璃相當(dāng)于經(jīng)脫碳處理的原料. 研究[30]表明，每利用l t碎玻璃，可減少約115～176 kg的溫室氣體排放. 因此，改進(jìn)原料配方，增加碎玻璃使用量，也是日用玻璃行業(yè)碳減排的有效措施.

4 結(jié)論

a)日用玻璃行業(yè)碳排放主要來源于化石燃料燃燒排放、原料碳酸鹽分解排放以及購(gòu)入電力及熱力產(chǎn)生的排放，其中化石燃料燃燒和購(gòu)入電力及熱力是碳排放的主要環(huán)節(jié)，占碳排放總量的88.75%～92.27%.因此，降低日用玻璃生產(chǎn)過程中的能源消耗是減少碳排放的重要方向.

b)工藝過程產(chǎn)生的碳排放僅占日用玻璃碳排放總量的7.73%～11.25%，玻璃企業(yè)可通過調(diào)整配方、引入含Li2O的活性原料以及提高碎玻璃使用比例等方式進(jìn)一步降低單位產(chǎn)品的碳排放量.

c)我國(guó)日用玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比明顯偏高，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、提升能源利用效率、提高余熱利用水平是我國(guó)日用玻璃行業(yè)減少碳排放量的重要手段.