碳减排对平板玻璃熔化技术发展影响

马玉聪

（中国耀华玻璃集团有限公司 秦皇岛 066004）

0 引言

在国家提出“碳中和”目标的背景下，对于平板玻璃工业来说，需加快实施综合能效提升、大力发展减碳、零碳排放技术，采用低碳能源和碳回收利用与封存技术。平板玻璃熔窑使用天然气、煤制气、煤焦油等碳能源作为燃料，而且原料中使用纯碱和碳酸盐类矿物，所以需对平板玻璃制造进行全面技术创新才能实现碳减排的目标。有效节约燃料的使用，进而减少碳排放。

截止2021年1月，我国有浮法玻璃生产线233条，天然气和煤制气占比60%以上。压延光伏玻璃在产熔窑42座，产能24160 t/d，燃料大多使用天然气。国内浮法玻璃生产线燃料统计见表1。

表1 国内浮法玻璃生产线燃料统计

1 平板玻璃行业燃料使用现状

玻璃熔窑是平板玻璃工业中耗能量最多的设备，约占耗能总量的80%，而燃料的燃烧是平板玻璃工业碳排放的主要来源，提高熔窑能效比可

2 我国平板玻璃行业单位产品能耗现状

2015年—2019年我国平板玻璃行业单位产品能耗情况［1］见表2。

表2 我国平板玻璃行业单位产品能耗情况

2019年我国平板玻璃行业综合能耗平均13.29 kgce/重量箱，其中浮法玻璃行业平均12.01 kgce/重量箱；平板玻璃熔窑热耗平均6024 kJ/kg玻璃液，其中浮法玻璃熔窑平均5608 kJ/kg玻璃液。

平板玻璃熔窑中燃料的燃烧是碳排放的主要来源，提高熔窑热效率可有效节约燃料的使用，进而减少碳排放。

3 平板玻璃熔化技术节能减碳分析

近十年来，平板玻璃行业在熔化节能技术上有很大提升，但颠覆性、突破性技术还未出现并应用，其根本原因在于技术创新的投入风险高、节能技术的经济性不明显和知识产权保护的日益严格。

目前平板玻璃熔窑采用的节能技术有熔窑全保温、鼓泡、阶梯式池底、全氧燃烧、熔窑大碹、胸墙等内壁喷涂红外反射涂层技术、低氮氧化物燃烧、电助熔技术、富氧燃烧等。

3.1 全氧燃烧技术

全氧燃烧技术是平板玻璃行业节能减排的有效途径。过去玻璃熔窑基本都是以空气作为助燃气体，其中78%的氮气被无效加热，不但造成能源浪费，而且生成的氮氧化物还会造成环境污染。

全氧燃烧技术受制氧成本高、熔窑耐火材料投资大等制约，目前阶段还不能在平板玻璃行业行业大范围推广，多用于超白光伏玻璃的生产。

在全氧燃烧技术基础上引入浸入式燃烧技术，进一步降低熔制玻璃液的能耗。浸入式燃烧技术优点是有利于燃烧气泡与配合料、玻璃液的热量交换，提高燃料的燃烧效率；加强了配合料与玻璃液的混合，加快了玻璃液的熔化速度，减少了燃料的消耗。

3.2 全电熔技术

玻璃全电熔技术是利用高温玻璃的导电性质，熔化玻璃热量直接来自玻璃液导电产生的焦耳热［2］。玻璃熔窑若使用清洁零碳排放电力作为熔制玻璃全部能源，那么全电熔技术应是玻璃行业实现“碳中和”最有效的熔化生产方式。

全电熔技术曾在熔化量120 t/d以下的浮法玻璃熔窑上应用过。平板玻璃窑炉规模日益向大型化发展，但目前国内还没有一条大吨位的全电熔浮法玻璃熔窑，主要是受到电单价制约，与其它燃料相比能源成本高，另外在大吨位平板玻璃全电熔窑设计上还没有成熟技术。

3.3 电助熔技术

纵观浮法玻璃电助熔化技术发展历程，瑞典早在1988年就开始在浮法玻璃熔窑上采用电助熔技术。进入二十一世纪以来国外浮法玻璃熔窑采用电助熔技术很普遍，而且技术也非常成熟。投料口电助熔一般设计为400～1000 kW，主体电助熔一般设计为2250～4500 kW，增设电助熔的目的主要为了降低烟气污染物的排放，满足所在国日益提高的环境保护要求。

我们国内的浮法玻璃生产线配置电助熔技术的比较少，总量上目前占比≤5%，只有生产高档颜色玻璃（包括浅绿色汽车风挡玻璃和深灰汽车天窗隐私玻璃等）生产线采用电辅助熔化技术。多以投料口电助熔为主。国内电助熔技术应用是以提高熔化能力为目的，并不是以环保减排做为根本点。而且在设计水平上与国外相比尚有差距。

目前绝大多数大吨位平板玻璃生产技术在配方上采用的钠钙硅酸盐玻璃体系，配合料气体率约18%，碱金属氧化物含量高导致玻璃高温电阻率低，电极加热玻璃的实际熔化温度受限，对玻璃中的微气泡消除有直接影响。因此，大吨位全电熔平板玻璃熔化技术亟待解决熔窑结构规模和微气泡消除问题。

目前分析研判，采用电助熔技术，提高电熔化在能源消耗中的比例，是在近期碳减排现实可能的技术路径。

3.4 新型熔窑结构

根据平板玻璃熔制过程中熔化、澄清、均化的工艺特点来改进目前熔窑结构方式。如国外提出的分段式熔化、国内提出的双卡脖串联方式等新的熔窑结构设计。分段式熔化技术加快了玻璃的熔化速度，减少了燃料的消耗，可以实现减碳排放。

4 与熔化相关碳减排技术

4.1 配合料粒化及预热技术

配合料粒化是将各种原料混合后通过压制成块状或粒状，使配合料的容重从自然状态1.24 g/cm3压紧到2.0～2.2 g/cm3。从而使其导热系数从0.273 W/（m·℃）提高到0.4 W/（m·℃），大大加速了转热效率，加快了固相反应，使玻璃的熔化时间缩短20%～30%的时间，经测算使用粒化料后熔窑可节约燃料15%～30%。使用粒化料后，不仅可以减轻配合料飞扬挥发对耐火材料的侵蚀, 延长窑炉的寿命，而且也减少了烟气排放实现碳减排。目前该技术已在某浮法玻璃熔窑上短时间试用，随着技术的不断完善，其应用前景值得期待。

预热配合料是首先将粉状料变成粒化料，然后在专用设备中将粒化料预热到一定的温度，经过预热后的配合料可缩短玻璃熔化时间，降低燃料消耗达到碳减排目的。该项技术国外已进行中试，相信碳中和目标实现之前，该项技术会在平板玻璃企业广泛应用。

4.2 生物燃料应用

生物燃料中可以直接应用于平板玻璃熔化的是生物柴油，生物柴油大多是用使用过的植物油或动物油（也称地沟油）以及动物脂肪通过化工设备生产制成，其热值略低于石化类柴油，热值在33～41 MJ/kg之间。目前国内生物柴油产能为75万t，国内每年地沟油等废油脂约1000万t，生物柴油产能具有发展至千万吨的基础。若使用生物柴油为平板玻璃熔化燃料，按现在5000元/t计算，初步测算燃料成本与现在的用电熔化成本相当，因此，生物燃料未来使用前景取决于其成本和清洁零碳电力成本相比是否有优势。

4.3 燃烧设备

燃烧设备包括燃料喷枪、计量检测仪表、调节器件等。燃料喷枪应采用高效节能型式，如以天然气为燃料时，应使用具有自增碳效果的喷枪，达到节能减排效果［3］。

4.4 熔窑控制系统

目前平板玻璃熔窑都采用集散控制系统（DCS），实现了对熔窑热工参数采集以及重要工艺参数如换向、窑压、液面、助燃风流量等的自动化控制。随着信息物理系统（CPS）［4］、人工智能（AI）等先进技术应用于平板玻璃熔窑控制，熔化过程就可以实现智能化控制，达到节能减碳的目标。

5 结语

平板玻璃熔化技术的发展，直接决定我国平板玻璃工业的未来。通过研发减碳、零碳排放熔化新技术，将更多的与熔化相关的碳减排技术在平板玻璃工业推广应用，是今后平板玻璃工业实现碳中和目标的重要措施。