平板玻璃行業(yè)低碳發(fā)展的幾種措施

胡昊靖，朱 曼

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

2014年在《中美氣候變化聯(lián)合宣言》中，我國(guó)首次提出2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”。2020年9月，在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上我國(guó)再次承諾力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

平板玻璃產(chǎn)業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，我國(guó)的平板玻璃產(chǎn)業(yè)飛速進(jìn)步，工藝水平、裝備水平取得了革命性的突破。自1989年起，我國(guó)平板玻璃產(chǎn)量一直占據(jù)世界首位。與此同時(shí)，平板玻璃產(chǎn)業(yè)也是高能耗、高污染排放的產(chǎn)業(yè)。為促進(jìn)平板玻璃行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，筆者認(rèn)為，平板玻璃行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

1 優(yōu)化耗能

平板玻璃行業(yè)的碳排放主要來(lái)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(yè)常用的燃料有石油焦粉、焦?fàn)t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(huán)境效果十分顯著。

1.1 全氧燃燒技術(shù)

全氧燃燒技術(shù)是利用氧氣純度>90%的氧氣代替空氣與燃料進(jìn)行燃燒的一種燃燒技術(shù)。與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

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(guò)程，不僅能提高熔化能力，同時(shí)也能明顯改善玻璃熔化的質(zhì)量。

2) 全氧燃燒技術(shù)中氮?dú)獾暮亢苌?，?jié)省了加熱氮?dú)馑璧拇罅繜崮軗p失；由于廢氣排放量減少80%～90%，大大降低了廢氣排放過(guò)程中夾帶粉塵的損失，有利于提高玻璃成分的穩(wěn)定和改善環(huán)境。因此，全氧燃燒技術(shù)更加節(jié)約燃料，減少氮氧化物、二氧化碳的排放[2]。

3) 全氧燃燒技術(shù)的窯爐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，窯爐內(nèi)的熔制制度更加科學(xué)合理、冷修時(shí)間短。其減去了蓄熱室、小爐、換向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，減去了蓄熱室、小爐等處散熱損失，減輕了對(duì)窯爐碹頂、池壁等多處耐火材料的侵蝕，有利于延長(zhǎng)窯爐的壽命。同時(shí)，由于窯爐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，減少了整條生產(chǎn)線的占地面積，最小化占用自然資源。

4) 目前國(guó)內(nèi)有部分地區(qū)基于碳排放指標(biāo)的限制或區(qū)域性環(huán)保壓力等的要求，伴隨著國(guó)內(nèi)制氧技術(shù)的快速發(fā)展，全氧燃燒技術(shù)在平板玻璃行業(yè)的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。

1.2 電助熔窯爐與全電窯爐技術(shù)

隨著鉬電極安全地投入使用，推進(jìn)了平板玻璃全電熔和電助熔商業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。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(fā)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(dá)到40%綠電+60%天然氣，1 t平板玻璃的生產(chǎn)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(shí)使用高水平的電升壓(>40%)被認(rèn)為是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，因此常規(guī)的方式是采用低功耗的電助熔窯爐。筆者認(rèn)為一個(gè)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(chǎn)≤300 t/d)的玻璃行業(yè)技術(shù)較為成熟，其燃燒效率比燃?xì)飧G爐也更高。但將全電爐應(yīng)用于大噸位(日產(chǎn)≥600 t/d)玻璃熔煉的經(jīng)驗(yàn)還很有限，需要進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)工作。此外，需要對(duì)電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投資，而且電力必須在成本上與天然氣具有競(jìng)爭(zhēng)力。

電助熔窯爐與全電窯爐技術(shù)可有效地解決玻璃液的對(duì)流、受熱的均勻化等問(wèn)題，有利于提高平板玻璃的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)，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(jié)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(shù)化石燃料的平板玻璃窯爐設(shè)計(jì)可以很容易地轉(zhuǎn)化為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)生物燃料，利用現(xiàn)有的窯爐技術(shù)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，以減少現(xiàn)場(chǎng)的二氧化碳排放。英國(guó)皮爾金頓(Pilkington UK)成為了世界上第一家使用100%生物燃料運(yùn)行玻璃熔窯的平板玻璃制造商。一種由有機(jī)廢料制成的可持續(xù)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(chǎn)了16.5萬(wàn)m2有史以來(lái)碳含量最低的浮法玻璃。與平板玻璃行業(yè)使用的傳統(tǒng)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(yè)最近開(kāi)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(guó)和歐洲有五個(gè)項(xiàng)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(guó)已經(jīng)在基礎(chǔ)設(shè)施和氫氣技術(shù)研究方面進(jìn)行了大量投資，預(yù)計(jì)首批獲得氫供應(yīng)的產(chǎn)業(yè)集群最早將于2026年上線。在氫能制備方面，氫氣是公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。如果采用綠色氫氣，在燃料燃燒方面，每生產(chǎn)1 t平板玻璃，玻璃窯爐將節(jié)省357.41 kg二氧化碳排放。

用太陽(yáng)能來(lái)制氫，打造光伏+氫能的零碳發(fā)展的技術(shù)方向。而在氫能應(yīng)用上，氫氣替代傳統(tǒng)能源將是玻璃行業(yè)極具前途的清潔燃燒技術(shù)。

2 優(yōu)化原料

玻璃是一種非晶態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料，一般是用多種無(wú)機(jī)礦物(如硅砂、白云石、石灰石、長(zhǎng)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(zhǎng)石、純堿、芒硝、煤粉等)構(gòu)成。玻璃配合料經(jīng)高溫熔化、澄清、均化、冷卻后形成合格的玻璃液，再經(jīng)過(guò)錫槽成型、退火窯退火，接著經(jīng)過(guò)冷端機(jī)組切割、取片，最后用叉車將玻璃運(yùn)往成品庫(kù)儲(chǔ)存。

為達(dá)到節(jié)堿、節(jié)能的目的，目前國(guó)外在原料方面利用霞石正長(zhǎng)巖代替鉀長(zhǎng)石，采用碳素粉代替煤粉作為添加劑，目的是為增強(qiáng)玻璃白透性并減少微氣泡；與此同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化配合料組分、預(yù)熱等，可以降低玻璃熔化溫度，達(dá)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(lái)生產(chǎn)新的玻璃產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)1 t玻璃，可減少能耗87 900 kcal，可減少二氧化碳排放20.27 kg?？傆?jì)，每增加10%碎玻璃量，可減少22.52 kg碳排放。

3 熔窯保溫技術(shù)

3.1 梯度保溫技術(shù)簡(jiǎn)介

中建材玻璃新材料研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保所通過(guò)多年來(lái)對(duì)窯爐保溫技術(shù)的研究，創(chuàng)造性的發(fā)明了“玻璃熔窯梯度復(fù)合熱保溫技術(shù)”。徹底改變了傳統(tǒng)保溫“保溫性能差、保溫衰減率大、耐久性能差和易脫落”等問(wèn)題。

玻璃熔窯梯度復(fù)合熱保溫技術(shù)主要針對(duì)玻璃熔窯的不同部位，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的熱工模擬和精確的熱工計(jì)算，設(shè)計(jì)最佳的保溫方案：根據(jù)熱量從窯內(nèi)向窯外的梯度式散失特點(diǎn)，將保溫層按溫度段劃分為數(shù)個(gè)溫度段。根據(jù)每個(gè)溫度段溫度特點(diǎn)，科學(xué)地選擇“耐溫性能好、保溫性能強(qiáng)、且材料耐久性強(qiáng)”的合適的保溫材料。保溫層的最外層采用纖維噴涂技術(shù)，具有“低導(dǎo)熱、不開(kāi)裂、表面平整細(xì)膩”的特點(diǎn)。同時(shí)采用“復(fù)合遮蔽技術(shù)”和“防熱橋施工工藝”，在降低傳統(tǒng)保溫厚度的前提下，使玻璃熔窯達(dá)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(jié)能涂料的簡(jiǎn)介

從熱工技術(shù)條件來(lái)看，當(dāng)爐內(nèi)溫度大于1 000 ℃時(shí)，爐內(nèi)超過(guò)80%的熱量是以輻射傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而傳統(tǒng)的玻璃熔窯硅質(zhì)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(zhì)大碹的紅外輻射率，強(qiáng)化輻射傳熱，是提高配合料對(duì)熱量的吸收效率、提高窯爐節(jié)能效果的最好途徑。

玻璃窯爐用紅外高輻射節(jié)能涂料具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)紅外輻射率高，節(jié)能效果好。這種紅外高輻射節(jié)能涂料噴涂在大碹內(nèi)表面，可以將硅質(zhì)大碹的輻射系數(shù)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(jié)能效果。

2)對(duì)玻璃液沒(méi)有污染。紅外高輻射節(jié)能涂料是由全硅質(zhì)材料制成的無(wú)機(jī)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(yōu)質(zhì)硅磚相近，一方面使得涂料與大碹在升溫烤窯時(shí)有一個(gè)極好的匹配；另一方面，涂料即使掉進(jìn)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(huì)對(duì)玻璃質(zhì)量造成污染等影響。

4 余熱回收

余熱發(fā)電不僅節(jié)能，而且環(huán)保。平板玻璃生產(chǎn)線中熱工設(shè)備產(chǎn)生大量的余熱資源大部分都直接排放，造成了能源的浪費(fèi)。在滿足正常生產(chǎn)的條件下，采取余熱回收技術(shù)可以將余熱用于助燃空氣的預(yù)熱、余熱發(fā)電、生產(chǎn)熱水和蒸汽。玻璃窯余熱回收的本質(zhì)是：利用余熱鍋爐回收玻璃熔窯的煙氣余熱，生產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱能與熱能的轉(zhuǎn)換；過(guò)熱蒸汽送入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換。

余熱發(fā)電系統(tǒng)原理是以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)蒸汽動(dòng)力循環(huán)，其系統(tǒng)技術(shù)和裝備技術(shù)是成熟可靠的。圖1是蒸汽動(dòng)力裝置簡(jiǎn)圖，圖2是朗肯循環(huán)在T-S圖上的表示，序號(hào)1～4為互相對(duì)應(yīng)的介質(zhì)(水或蒸汽)熱力過(guò)程。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，為應(yīng)對(duì)經(jīng)營(yíng)管理數(shù)字化、平臺(tái)化的變化趨勢(shì)，鄉(xiāng)村旅游的經(jīng)營(yíng)管理模式應(yīng)從智慧旅游管理和線上+線下+融合兩方面來(lái)進(jìn)行升級(jí)轉(zhuǎn)變。

由圖1可以看出整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程中，4-1為鍋爐吸熱過(guò)程，1-2為熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。在圖2上，4-1-2-3-4區(qū)域的面積即為整個(gè)系統(tǒng)回收熱量的總和，提高系統(tǒng)效率的辦法有：提高蒸汽初參數(shù)、降低背壓。

但余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱源是來(lái)自主工藝生產(chǎn)線的廢熱，廢熱參數(shù)已基本固定，蒸汽初參數(shù)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(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性)，壓力選擇須適當(dāng)才能保證發(fā)電量最大化。受限于項(xiàng)目建設(shè)地的氣象條件，汽輪機(jī)的排汽背壓也不可能無(wú)限制降低。

因此余熱發(fā)電系統(tǒng)必須在該廢熱已有的參數(shù)條件下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)和裝備上采取針對(duì)性的措施，并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大化的余熱利用率、余熱鍋爐的效率和發(fā)電系統(tǒng)的熱效率。

5 煙氣脫硫脫硝技術(shù)

煙氣脫硫、脫硝技術(shù)是指煙氣中排放二氧化硫、氮氧化物經(jīng)過(guò)物理化學(xué)變化，最終形成無(wú)污染的氮?dú)夂退任镔|(zhì)排入大氣。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用SCR(選擇性催化還原) 脫硝技術(shù)。SCR脫硝效率能達(dá)到70%以上，NOx的排放完全達(dá)到國(guó)家對(duì)玻璃行業(yè)氮氧化物排放的新標(biāo)準(zhǔn)[3]。

NID脫硫工藝系統(tǒng)同屬半干法脫硫工藝。該工藝先對(duì)余熱鍋爐低溫段出來(lái)的煙氣降溫增濕處理，使煙氣中的SO2與H2O反應(yīng)生成H2SO3，再對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫處理，使煙氣中的H2SO3與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO3·1/2H2O，最后對(duì)煙氣進(jìn)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(huán)，同時(shí)分離出潔凈的煙氣。該工藝流程簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、脫硫效率高。

6 結(jié) 語(yǔ)

平板玻璃行業(yè)的低碳發(fā)展，有利于推動(dòng)新時(shí)代平板玻璃產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。圍繞著綠色發(fā)展，中國(guó)政府高度重視玻璃工業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和發(fā)展。與2000年相比，中國(guó)玻璃行業(yè)的單位能耗和污染物排放水平已經(jīng)降低了50%以上。中國(guó)玻璃工廠二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物的排放濃度達(dá)到了行業(yè)和國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)。

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