中國平板玻璃工業(yè)碳減排途徑分析研究

何峰 王健 金明芳 謝峻林 陳福

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070；2.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

環(huán)境問題已經(jīng)成為影響人類生存與發(fā)展的社會問題之一，國際社會需要積極應(yīng)對。2020年9月22日，中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和［1］。為實現(xiàn)中國政府的上述承諾，保障中國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，中國的制造業(yè)已經(jīng)行動起來。碳排放總量排在前列的行業(yè)，如熱力發(fā)電、鋼鐵冶金與建筑材料等行業(yè)都制定出了本行業(yè)實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的路線圖，并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的國家承諾做出行業(yè)貢獻(xiàn)。

2021年，我國平板玻璃工業(yè)的產(chǎn)量超過10億重量箱［2］，連續(xù)多年位列世界第一。玻璃產(chǎn)品及其深加工制品廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、消費電子、顯示器、太陽能光伏以及裝飾等領(lǐng)域，不僅是生產(chǎn)資料，也是不可缺少的生活資料［3］。玻璃材料的生產(chǎn)特點決定了玻璃工業(yè)是高能耗產(chǎn)業(yè)、高排放的行業(yè)之一。

我國浮法玻璃工業(yè)經(jīng)歷了50年發(fā)展，發(fā)生了天翻地覆的變化，不僅產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球第一，其主要技術(shù)與裝備水平也處于世界領(lǐng)先位置［4］。據(jù)工信部及行業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，近三年來我國平板玻璃工業(yè)的年CO2排放量基本在3380～3500萬噸的范圍內(nèi)， 相當(dāng)于我國總 CO2排放量的0.35%左右［5］。正因為如此，玻璃工業(yè)也面臨“碳排放”的現(xiàn)實問題。開展玻璃行業(yè)碳排放現(xiàn)狀的分析與研究，掌握碳排放來源，提出實施碳中和的有效路徑，有助于推動玻璃行業(yè)節(jié)能降碳，推進(jìn)行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

在全面實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的過程中，我國制造業(yè)任務(wù)艱巨，玻璃工業(yè)在雙碳路線圖中責(zé)無旁貸。本文分析了我國平板玻璃產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的途徑及氫能在玻璃制備利用的可行性。

1 近年我國平板玻璃概況及碳排放強(qiáng)度

1.1 平板玻璃的產(chǎn)業(yè)狀況

隨著平板玻璃生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域也在持續(xù)演變。目前我國平板玻璃主要分為浮法玻璃、光伏壓延玻璃和溢流法等生產(chǎn)的薄型玻璃三種，其中前兩種玻璃的產(chǎn)能之和占到整個平板玻璃的99%以上。平板玻璃產(chǎn)品主要用于建筑、汽車、光伏和顯示器等領(lǐng)域。2021年，我國年浮法玻璃產(chǎn)量10.2億重量箱，產(chǎn)能穩(wěn)定在12.5億重量箱左右［6］。受益于光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國光伏玻璃產(chǎn)量及表觀消費量整體上呈增長態(tài)勢。2021年中國光伏玻璃產(chǎn)量為12.74億m2，表觀消費量為10.61億m2。我國已連續(xù)多年是全球最大的光伏壓延玻璃生產(chǎn)國、消費國和出口國。

通過對近幾年我國浮法玻璃、光伏壓延玻璃的產(chǎn)能數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，這些年我國對浮法玻璃產(chǎn)能控制比較嚴(yán)格，使其產(chǎn)能基本維持在12.5億重量箱左右，而產(chǎn)量隨市場的變化有所波動，且略低于產(chǎn)能。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的實施，光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被列為我國重點發(fā)展的新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，由此帶動光伏玻璃迅速發(fā)展，促使光伏玻璃的產(chǎn)線數(shù)量與產(chǎn)能得以大幅度提高。

1.2 我國平板玻璃產(chǎn)業(yè)的碳排放強(qiáng)度分析

《中國平板玻璃生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》中，對平板玻璃生產(chǎn)企業(yè)的CO2排放總量進(jìn)行了嚴(yán)格的定義。企業(yè)邊界內(nèi)所有的化石燃料燃燒排放量、工業(yè)生產(chǎn)過程排放量及企業(yè)凈購入電力和熱力對應(yīng)的CO2排放量之和，計算公式：

從行業(yè)內(nèi)的CO2總排放組成看，玻璃產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生CO2排放的來源主要包括三個方面：①玻璃進(jìn)行高溫熔化時，消耗化石 燃料所產(chǎn)生的CO2排放；②玻璃生產(chǎn)過程中機(jī)電設(shè)備運轉(zhuǎn)的耗電需要從外部電網(wǎng)購買電力；③玻璃生產(chǎn)過程中的排放，主要由玻璃配合料中的碳酸鹽分解，碳粉的氧化所產(chǎn)生?，F(xiàn)階段，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)水平相對穩(wěn)定，若不采取相應(yīng)的減碳技術(shù)與措施，每年的CO2總排放量也基本穩(wěn)定。在行業(yè)內(nèi)由以上三個方面所 帶來的CO2排放量比例也基本穩(wěn)定，2021年三者在總排放中的占比見圖1。

圖1 2021年玻璃行業(yè)中燃燒、過程、外購電力的CO2排放量在總CO2排放中的占比

對于玻璃行業(yè)而言，外購電力不可避免，且此部分的CO2排放不受行業(yè)內(nèi)部控制。由此可以得出平板玻璃產(chǎn)業(yè)內(nèi)部降低CO2排放的途徑，可通過燃料燃燒減排CO2和配合料分解減排CO2進(jìn)行。這兩個方面所涉及到的CO2排放量占每年玻璃行業(yè)CO2總排放量的87%以上，而燃燒減排CO2是重中之重。在雙碳背景下，玻璃行業(yè)需要在燃料燃燒減排CO2和配合料分解減排CO2方面開展相關(guān)的研究，進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。

目前國家通過頒布國家標(biāo)準(zhǔn)來約束玻璃行業(yè)的能源消耗以促進(jìn)行業(yè)內(nèi)企業(yè)積極支持CO2減排。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 21340—2019《玻璃和鑄石單位產(chǎn)品能源消耗限額》［7］中，明確規(guī)定了平板玻璃和光伏壓延玻璃單位產(chǎn)品能耗限定值，見表1。行業(yè)對玻璃單位產(chǎn)品能耗管控越來越嚴(yán)格與精準(zhǔn)，由此也引導(dǎo)了平板玻璃和光伏壓延玻璃單線的規(guī)模大型化發(fā)展的趨勢，無論是平板玻璃還是光伏壓延玻璃，單線產(chǎn)能在1200 t/d的生產(chǎn)線數(shù)量越來越多。

表1 平板玻璃和光伏壓延玻璃單位產(chǎn)品能耗限定值（GB 21340—2019）

2 我國平板玻璃工業(yè)的減碳發(fā)展與國家戰(zhàn)略相契合

“碳達(dá)峰、碳中和”是中國從宏觀層面提出的兩個階段碳減排奮斗目標(biāo)與國家未來40年的發(fā)展戰(zhàn)略。對于平板玻璃工業(yè)而言，未來的發(fā)展必須與國家戰(zhàn)略相契合。行業(yè)內(nèi)可以通過四個階段逐步實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略，一是碳排放的上升階段；二是碳達(dá)峰及減少碳排放階段；三是碳抵消中和階段；四是脫碳凈零排放中和階段。實現(xiàn)我國平板玻璃工業(yè)的零排放應(yīng)當(dāng)是行業(yè)完成的雙碳戰(zhàn)略的終極目標(biāo)。

2.1 碳排放的上升階段

圖2為近幾年我國平板玻璃工業(yè)碳排放的情況。從每年碳排放的總量看，我國平板玻璃工業(yè)碳排放量逐年增長［8］，基本處于單邊上升趨勢。從2015年碳排放2992萬 噸不斷提高到2021年碳排放3480萬 噸。與其他的制造業(yè)一樣，隨著雙碳戰(zhàn)略的實施，各制造業(yè)內(nèi)部已經(jīng)開始產(chǎn)能調(diào)整與布局。近三年，隨著國家在光伏產(chǎn)業(yè)上的布局與大力支持，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的迅速發(fā)展，許多平板玻璃企業(yè)已經(jīng)加大在光伏壓延玻璃方面的投入。相關(guān)生產(chǎn)線數(shù)量、單線規(guī)模、總的產(chǎn)能迅速提高，由此使得我國平板玻璃的總產(chǎn)能、碳排放有所提高，還未出現(xiàn)碳排放總量出現(xiàn)極值或轉(zhuǎn)頭向下的趨勢。

圖2 近幾年我國平板玻璃工業(yè)碳排放的情況

從另一個方面看，近幾年我國平板玻璃工業(yè)在技術(shù)升級、節(jié)能減排、降碳等方面持續(xù)發(fā)力［9,10］，平均單位產(chǎn)品碳排放量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。從圖2可以看出，其數(shù)值從 2015年平均單位產(chǎn)品碳排放374.1 t·萬重量箱-1，單邊下降到了2021年 平 均單位產(chǎn)品碳排放355.3 t·萬重量箱-1，說明平板玻璃工業(yè)在降碳方面還是取得了一些進(jìn)展。

2.2 碳達(dá)峰及減少碳排放階段

碳達(dá)峰及減少碳排放階段就是通過國家的政策、行業(yè)的布局等方法，有效控制產(chǎn)業(yè)的規(guī)模、減少含碳能源和含碳資源的使用，使行業(yè)或企業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰。針對雙碳戰(zhàn)略，國家發(fā)改委發(fā)布《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022年版）》以及《平板玻璃行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》等相關(guān)文件，要求加強(qiáng)節(jié)能降碳先進(jìn)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與研發(fā)。統(tǒng)籌部署、有序推動行業(yè)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)升級與改造。據(jù)預(yù)測到2025年，玻璃行業(yè)會形成一批生產(chǎn)技術(shù)水平、能效水平很高的企業(yè)，即能效標(biāo)桿企業(yè)。行業(yè)中能效標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能占總產(chǎn)能的比例達(dá)到20%，能效基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零。由此可以推斷，在2026—2027年玻璃行業(yè)的碳排放會達(dá)到峰值，在2030年前達(dá)到碳排放峰值。

在實現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值的進(jìn)程中，行業(yè)內(nèi)針對減碳的行動一直在開展，碳達(dá)峰與碳減排還將持續(xù)并進(jìn)3～5年。減少碳排放需要結(jié)合玻璃行業(yè)的特點，由于燃燒與過程中的碳排放占玻璃行業(yè)CO2總排放量的87%以上，特別是減少含碳能源的使用將成為重點。有關(guān)技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)有生產(chǎn)線上使用，如全氧燃燒、余熱發(fā)電、窯爐保溫、節(jié)能涂料、0#氧槍、燃料的選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等［11-22］，目前在玻璃工業(yè)中還未形成顛覆性的減碳關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 碳抵消中和階段

從廣義的角度看，碳中和概念是凈零二氧化碳排放，指一段時間內(nèi)全球人為二氧化碳排放量與人為二氧化碳移除量相平衡，這里的凈零二氧化碳與碳中和等同，且是指全球?qū)用妫?3］。其中碳量平衡，是指在人為排放碳和人為從大氣中吸收碳之間達(dá)到平衡。

所謂碳抵消是通過在其他地方減少碳排放來抵消一個碳排放部門的排放。對于玻璃行業(yè)而言，屬于全國工業(yè)鏈中非常小的一個環(huán)節(jié)。由圖1可知，浮法玻璃生產(chǎn)中12.5%的外購電力相當(dāng)于將玻璃工業(yè)的碳排放轉(zhuǎn)移到了電力行業(yè)。65.5%的燃料燃燒是碳抵消與中和關(guān)鍵，為此需要繼續(xù)加大推廣與使用已經(jīng)成熟的減少碳排放的技術(shù)。當(dāng)然在玻璃工業(yè)中使用非化石燃料、非含碳燃料是最終實現(xiàn)碳抵消中和階段的關(guān)鍵。否則只能通過碳抵消、碳補償或碳匯交易的方式來實現(xiàn)碳中和。

2.4 脫碳凈零排放中和階段

對于玻璃工業(yè)而言，其脫碳凈零排放中和的實現(xiàn)并非易事。脫碳凈零排放方法與技術(shù)并不完全來自于玻璃工業(yè)的內(nèi)部，有的技術(shù)需要依賴于行業(yè)外部相關(guān)技術(shù)的突破。從理論與技術(shù)上進(jìn)行分析，玻璃行業(yè)脫碳凈零與排放中和，需要通過兩個方面技術(shù)的突破來實現(xiàn)。

一是非化石燃料、非含碳燃料的完全使用，如氫燃料的使用，電能的使用等。從理論上看，在玻璃的生產(chǎn)過程中完全使用氫氣完全取代，可使由化石燃料燃燒排放的CO2降至為0。表2為一熔化量為700 t/d的浮法玻璃熔窯在使用氫燃料及不同比例摻氫天然氣的煙氣排放狀況。由此可見，隨著氫燃料的供給及玻璃熔窯燃?xì)浼夹g(shù)的突破，減碳效果非常顯著。

表2 700 t/d浮法玻璃熔窯在使用氫燃料及不同比例摻氫天然氣的煙氣排放狀況

二是通過碳捕捉［23-27］、碳利用［28-29］、碳封存［30-31］等技術(shù)的突破，并將已經(jīng)成熟的技術(shù)應(yīng)用到玻璃的生產(chǎn)過程之中，對末端的含碳煙氣進(jìn)行處理。將玻璃工業(yè)中自身產(chǎn)生的碳在排放之前去除，避免其進(jìn)入大氣中，而不是通過其他地方的減排進(jìn)行的碳抵消。只有在行業(yè)內(nèi)通過從大氣中去除碳，或者在排放之前去除來達(dá)到的碳凈零排放，才是真正意義的碳中和。

3 平板玻璃工業(yè)利用氫能的可行性與實踐

通過人為二氧化碳排放量與人為二氧化碳移除量相平衡能夠形成一種碳排放的平衡狀態(tài)。從表2中的對比數(shù)據(jù)可以看出，徹底改變玻璃工業(yè)的燃料種類是實現(xiàn)我國平板玻璃工業(yè)高效減碳的必由之路。

從全球范圍內(nèi)看，各國已經(jīng)將對化石燃料替代聚焦到氫能、太陽能、風(fēng)能、核能的利用上來，其中的氫能產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)終端用能綠色低碳轉(zhuǎn)型、減排CO2的重要支撐與方法。氫能屬于綠色能源，其最大優(yōu)點是來源廣泛，只要有水、有電就能制氫，制氫方法也很多，可以從根本上解決能源安全問題。氫能的優(yōu)勢還在于零污染、零排放、無次生污染。

1972年，天然氣管網(wǎng)摻氫的技術(shù)理念被首次提出，由于當(dāng)時的產(chǎn)氫技術(shù)及產(chǎn)氫量的制約，導(dǎo)致該技術(shù)并未商業(yè)化實施。隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的快速增長、燃料電池技術(shù)的迭代升級，產(chǎn)氫技術(shù)的突破以及產(chǎn)氫量的迅速增加，使得天然氣摻氫成為可能與可行，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也受到更多關(guān)注。

2020—2021年，歐盟、美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)均發(fā)布了氫能利用戰(zhàn)略，通過對現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，為具有摻氫能力的基礎(chǔ)設(shè)施解決關(guān)鍵技術(shù)問題，打破氫能安全運輸鋪路。此舉也是促進(jìn)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，為此各國制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)［32-35］。我國相關(guān)部門與單位也在天然氣摻氫方面開展了前期的研究與實踐工作［36,37］，為相關(guān)制造業(yè)利用氫能打下了良好基礎(chǔ)，從燃料的層面分析，平板玻璃工業(yè)利用氫能熔制玻璃是非?？赡芘c可行的。

在利用氫能熔制玻璃方面，英國的皮爾金頓（Pilkington）玻璃公司在其圣海倫斯工廠進(jìn)行了使用100%氫氣生產(chǎn)浮法玻璃的試驗，這在世界上還屬首次。通過在玻璃生產(chǎn)中完全使用氫氣為燃料的試驗，對克服相關(guān)技術(shù)障礙又前進(jìn)了一步。這也表明玻璃工業(yè)可以顯著減少碳排放，并朝著實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)邁出一大步。

我國玻璃行業(yè)在氫能利用制備玻璃方面正在開展相應(yīng)的攻關(guān)工作，所提出的思路為通過在天然氣中摻氫的方法［4,38］，即通過在現(xiàn)有的主體燃料天然氣中摻入一定量的氫氣，形成一定比例的混氫燃料。若氫氣在天然氣中的占比逐漸提高，并在玻璃熔窯內(nèi)燃燒，形成穩(wěn)定的熱工制度，制備的玻璃質(zhì)量得以保障，那么在玻璃工業(yè)中實現(xiàn)CO2的排放向H2O排放的轉(zhuǎn)變也就指日可待，就能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的碳減排與零排放。

現(xiàn)階段關(guān)于利用氫能制備玻璃，還需要進(jìn)行大量的技術(shù)研究。通過對摻氫天然氣與配送管道的安全性、摻氫天然氣的燃燒特性、氫燃料燃燒噴槍、閥組控制系統(tǒng)、燃燒工藝系統(tǒng)解決方案、摻氫天然氣熔窯結(jié)構(gòu)、各部位的耐火材料、摻氫天然氣燃燒條件下的玻璃熔化工藝、溫度制度、氣氛制度、玻璃的澄清等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與試驗，突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)玻璃工業(yè)中CO2的減排，甚至實現(xiàn)零排放。

4 結(jié)語

在人類持續(xù)工業(yè)化的進(jìn)程中，伴隨著CO2的不斷排放，全球累積量逐年增加，加劇了氣候變暖與環(huán)境的惡化?！笆奈濉睍r期是我國平板玻璃工業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰的關(guān)鍵階段，升級玻璃產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)，開發(fā)新的熔制技術(shù)成為新世紀(jì)玻璃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。目前，我國平板玻璃工業(yè)總體的碳排放還處于上升階段，并未達(dá)到峰值?，F(xiàn)有的節(jié)能、減碳的技術(shù)與措施大多已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)線上，對平均單位產(chǎn)品碳排放量起著良好的促進(jìn)作用。要實現(xiàn)玻璃工業(yè)碳排放量的總體轉(zhuǎn)向，需要加大對低碳技術(shù)、零碳技術(shù)、碳捕獲技術(shù)等技術(shù)的研發(fā)與投入，使之能夠在玻璃工業(yè)碳減排中發(fā)揮決定性的作用。