碳減排對平板玻璃熔化技術發(fā)展影響

　　摘　要　通過對平板玻璃行業(yè)燃料及能耗現(xiàn)狀進行分析，探討了熔化技術節(jié)能減碳發(fā)展方向，指出提高電熔化在能源消耗中的比例是近期碳減排現(xiàn)實可能的技術路徑，并對與熔化相關碳減排技術的應用進行了展望。

　　關鍵詞　碳減排;平板玻璃熔化技術;電熔

　　0　引言

　　在國家提出“碳中和”目標的背景下，對于平板玻璃工業(yè)來說，需加快實施綜合能效提升、大力發(fā)展減碳、零碳排放技術，采用低碳能源和碳回收利用與封存技術。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行全面技術創(chuàng)新才能實現(xiàn)碳減排的目標。

　　玻璃材料論文范例：隔熱型防火玻璃夾層材料和結構的應用現(xiàn)狀

　　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，提高熔窯能效比可有效節(jié)約燃料的使用，進而減少碳排放。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24160t/d，燃料大多使用天然氣。

　　2　我國平板玻璃行業(yè)單位產(chǎn)品能耗現(xiàn)狀

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

　　3　平板玻璃熔化技術節(jié)能減碳分析

　　近十年來，平板玻璃行業(yè)在熔化節(jié)能技術上有很大提升，但顛覆性、突破性技術還未出現(xiàn)并應用，其根本原因在于技術創(chuàng)新的投入風險高、節(jié)能技術的經(jīng)濟性不明顯和知識產(chǎn)權保護的日益嚴格。目前平板玻璃熔窯采用的節(jié)能技術有熔窯全保溫、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、低氮氧化物燃燒、電助熔技術、富氧燃燒等。

　　3.1　全氧燃燒技術全氧燃燒技術是平板玻璃行業(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氣體，其中78%的氮氣被無效加熱，不但造成能源浪費，而且生成的氮氧化物還會造成環(huán)境污染。全氧燃燒技術受制氧成本高、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)。在全氧燃燒技術基礎上引入浸入式燃燒技術，進一步降低熔制玻璃液的能耗。浸入式燃燒技術優(yōu)點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　全電熔技術玻璃全電熔技術是利用高溫玻璃的導電性質，熔化玻璃熱量直接來自玻璃液導電產(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，那么全電熔技術應是玻璃行業(yè)實現(xiàn)“碳中和”最有效的熔化生產(chǎn)方式。全電熔技術曾在熔化量120t/d以下的浮法玻璃熔窯上應用過。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計上還沒有成熟技術。

　　3.3　電助熔技術

　　縱觀浮法玻璃電助熔化技術發(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。進入二十一世紀以來國外浮法玻璃熔窯采用電助熔技術很普遍，而且技術也非常成熟。投料口電助熔一般設計為400～1000kW，主體電助熔一般設計為2250～4500kW，增設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)境保護要求。我們國內(nèi)的浮法玻璃生產(chǎn)線配置電助熔技術的比較少，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。

　　多以投料口電助熔為主。國內(nèi)電助熔技術應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。而且在設計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致玻璃高溫電阻率低，電極加熱玻璃的實際熔化溫度受限，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亟待解決熔窯結構規(guī)模和微氣泡消除問題。目前分析研判，采用電助熔技術，提高電熔化在能源消耗中的比例，是在近期碳減排現(xiàn)實可能的技術路徑。

　　4　與熔化相關碳減排技術

　　4.1　配合料�；�及預熱技術

　　配合料�；�是將各種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)31.24g/cm壓緊到32.0～2.2g/cm。從而使其導熱系數(shù)從0.273W/(m·℃)提高到0.4W/(m·℃)，大大加速了轉熱效率，加快了固相反應，使玻璃的熔化時間縮短20%～30%的時間，經(jīng)測算使用�；�料后熔窯可節(jié)約燃料15%~30%。使用�；�料后，不僅可以減輕配合料飛揚揮發(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現(xiàn)碳減排。目前該技術已在某浮法玻璃熔窯上短時間試用，隨著技術的不斷完善，其應用前景值得期待。

　　預熱配合料是首先將粉狀料變成�；�料，然后在專用設備中將�；�料預熱到一定的溫度，經(jīng)過預熱后的配合料可縮短玻璃熔化時間，降低燃料消耗達到碳減排目的。該項技術國外已進行中試，相信碳中和目標實現(xiàn)之前，該項技術會在平板玻璃企業(yè)廣泛應用。

　　4.2　生物燃料應用生物燃料中可以直接應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物油(也稱地溝油)以及動物脂肪通過化工設備生產(chǎn)制成，其熱值略低于石化類柴油，熱值在33~41MJ/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。若使用生物柴油為平板玻璃熔化燃料，按現(xiàn)在5000元/t計算，初步測算燃料成本與現(xiàn)在的用電熔化成本相當，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　燃燒設備燃燒設備包括燃料噴槍、計量檢測儀表、調節(jié)器件等。燃料噴槍應采用高效節(jié)能型式，如以天然氣為燃料時，應使用具有自增碳效果的噴槍，達到節(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、助燃風流量等的自動化控制。隨著信息物理系統(tǒng)([4]CPS)、人工智能(AI)等先進技術應用于平板玻璃熔窯控制，熔化過程就可以實現(xiàn)智能化控制，達到節(jié)能減碳的目標。

　　5　結語

　　平板玻璃熔化技術的發(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，將更多的與熔化相關的碳減排技術在平板玻璃工業(yè)推廣應用，是今后平板玻璃工業(yè)實現(xiàn)碳中和目標的重要措施。

　　參考文獻

　　[1]劉志海.我國平板玻璃單位產(chǎn)品能耗指標淺析[J].玻璃,2020,47(12):1-9.

　　[2]陳國平,畢潔.玻璃工業(yè)熱工設備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006:123-147.

　　[3]譚祝華.天然氣燃燒及雙速噴槍[J].玻璃,2017,44(07)：48-51.

　　[4]劉心明,劉寶泉,邊耀華.CPS在玻璃熔窯燃燒系統(tǒng)應用前景探討[J].玻璃,2017,44(06):3-6.

　　作者：馬玉聰

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