中国平板玻璃工业碳减排途径分析研究

何峰 王健 金明芳 谢峻林 陈福

（1.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070；2.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

环境问题已经成为影响人类生存与发展的社会问题之一，国际社会需要积极应对。2020年9月22日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和［1］。为实现中国政府的上述承诺，保障中国经济的高质量发展，中国的制造业已经行动起来。碳排放总量排在前列的行业，如热力发电、钢铁冶金与建筑材料等行业都制定出了本行业实现“碳达峰、碳中和”的路线图，并开展相关关键技术攻关，为实现“碳达峰、碳中和”的国家承诺做出行业贡献。

2021年，我国平板玻璃工业的产量超过10亿重量箱［2］，连续多年位列世界第一。玻璃产品及其深加工制品广泛应用于建筑、汽车、消费电子、显示器、太阳能光伏以及装饰等领域，不仅是生产资料，也是不可缺少的生活资料［3］。玻璃材料的生产特点决定了玻璃工业是高能耗产业、高排放的行业之一。

我国浮法玻璃工业经历了50年发展，发生了天翻地覆的变化，不仅产业规模全球第一，其主要技术与装备水平也处于世界领先位置［4］。据工信部及行业协会发布的数据，近三年来我国平板玻璃工业的年CO2排放量基本在3380～3500万吨的范围内， 相当于我国总 CO2排放量的0.35%左右［5］。正因为如此，玻璃工业也面临“碳排放”的现实问题。开展玻璃行业碳排放现状的分析与研究，掌握碳排放来源，提出实施碳中和的有效路径，有助于推动玻璃行业节能降碳，推进行业绿色低碳发展。

在全面实现“碳达峰、碳中和”战略的过程中，我国制造业任务艰巨，玻璃工业在双碳路线图中责无旁贷。本文分析了我国平板玻璃产业实现双碳目标的途径及氢能在玻璃制备利用的可行性。

1 近年我国平板玻璃概况及碳排放强度

1.1 平板玻璃的产业状况

随着平板玻璃生产技术的不断发展，产品应用的领域也在持续演变。目前我国平板玻璃主要分为浮法玻璃、光伏压延玻璃和溢流法等生产的薄型玻璃三种，其中前两种玻璃的产能之和占到整个平板玻璃的99%以上。平板玻璃产品主要用于建筑、汽车、光伏和显示器等领域。2021年，我国年浮法玻璃产量10.2亿重量箱，产能稳定在12.5亿重量箱左右［6］。受益于光伏产业的快速发展，我国光伏玻璃产量及表观消费量整体上呈增长态势。2021年中国光伏玻璃产量为12.74亿m2，表观消费量为10.61亿m2。我国已连续多年是全球最大的光伏压延玻璃生产国、消费国和出口国。

通过对近几年我国浮法玻璃、光伏压延玻璃的产能数据进行对比分析，可以发现，这些年我国对浮法玻璃产能控制比较严格，使其产能基本维持在12.5亿重量箱左右，而产量随市场的变化有所波动，且略低于产能。随着“碳达峰、碳中和”战略的实施，光伏产业已经被列为我国重点发展的新型战略性产业，由此带动光伏玻璃迅速发展，促使光伏玻璃的产线数量与产能得以大幅度提高。

1.2 我国平板玻璃产业的碳排放强度分析

《中国平板玻璃生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》中，对平板玻璃生产企业的CO2排放总量进行了严格的定义。企业边界内所有的化石燃料燃烧排放量、工业生产过程排放量及企业净购入电力和热力对应的CO2排放量之和，计算公式：

从行业内的CO2总排放组成看，玻璃产业中产生CO2排放的来源主要包括三个方面：①玻璃进行高温熔化时，消耗化石 燃料所产生的CO2排放；②玻璃生产过程中机电设备运转的耗电需要从外部电网购买电力；③玻璃生产过程中的排放，主要由玻璃配合料中的碳酸盐分解，碳粉的氧化所产生。现阶段，当生产规模、技术水平相对稳定，若不采取相应的减碳技术与措施，每年的CO2总排放量也基本稳定。在行业内由以上三个方面所 带来的CO2排放量比例也基本稳定，2021年三者在总排放中的占比见图1。

图1 2021年玻璃行业中燃烧、过程、外购电力的CO2排放量在总CO2排放中的占比

对于玻璃行业而言，外购电力不可避免，且此部分的CO2排放不受行业内部控制。由此可以得出平板玻璃产业内部降低CO2排放的途径，可通过燃料燃烧减排CO2和配合料分解减排CO2进行。这两个方面所涉及到的CO2排放量占每年玻璃行业CO2总排放量的87%以上，而燃烧减排CO2是重中之重。在双碳背景下，玻璃行业需要在燃料燃烧减排CO2和配合料分解减排CO2方面开展相关的研究，进行相关关键技术的研发。

目前国家通过颁布国家标准来约束玻璃行业的能源消耗以促进行业内企业积极支持CO2减排。在国家标准GB 21340—2019《玻璃和铸石单位产品能源消耗限额》［7］中，明确规定了平板玻璃和光伏压延玻璃单位产品能耗限定值，见表1。行业对玻璃单位产品能耗管控越来越严格与精准，由此也引导了平板玻璃和光伏压延玻璃单线的规模大型化发展的趋势，无论是平板玻璃还是光伏压延玻璃，单线产能在1200 t/d的生产线数量越来越多。

表1 平板玻璃和光伏压延玻璃单位产品能耗限定值（GB 21340—2019）

2 我国平板玻璃工业的减碳发展与国家战略相契合

“碳达峰、碳中和”是中国从宏观层面提出的两个阶段碳减排奋斗目标与国家未来40年的发展战略。对于平板玻璃工业而言，未来的发展必须与国家战略相契合。行业内可以通过四个阶段逐步实现双碳战略，一是碳排放的上升阶段；二是碳达峰及减少碳排放阶段；三是碳抵消中和阶段；四是脱碳净零排放中和阶段。实现我国平板玻璃工业的零排放应当是行业完成的双碳战略的终极目标。

2.1 碳排放的上升阶段

图2为近几年我国平板玻璃工业碳排放的情况。从每年碳排放的总量看，我国平板玻璃工业碳排放量逐年增长［8］，基本处于单边上升趋势。从2015年碳排放2992万 吨不断提高到2021年碳排放3480万 吨。与其他的制造业一样，随着双碳战略的实施，各制造业内部已经开始产能调整与布局。近三年，随着国家在光伏产业上的布局与大力支持，带动了相关产业链的迅速发展，许多平板玻璃企业已经加大在光伏压延玻璃方面的投入。相关生产线数量、单线规模、总的产能迅速提高，由此使得我国平板玻璃的总产能、碳排放有所提高，还未出现碳排放总量出现极值或转头向下的趋势。

图2 近几年我国平板玻璃工业碳排放的情况

从另一个方面看，近几年我国平板玻璃工业在技术升级、节能减排、降碳等方面持续发力［9,10］，平均单位产品碳排放量呈现逐年下降的趋势。从图2可以看出，其数值从 2015年平均单位产品碳排放374.1 t·万重量箱-1，单边下降到了2021年 平 均单位产品碳排放355.3 t·万重量箱-1，说明平板玻璃工业在降碳方面还是取得了一些进展。

2.2 碳达峰及减少碳排放阶段

碳达峰及减少碳排放阶段就是通过国家的政策、行业的布局等方法，有效控制产业的规模、减少含碳能源和含碳资源的使用，使行业或企业实现碳达峰。针对双碳战略，国家发改委发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》以及《平板玻璃行业节能降碳改造升级实施指南》等相关文件，要求加强节能降碳先进技术、关键技术的攻关与研发。统筹部署、有序推动行业内企业的技术升级与改造。据预测到2025年，玻璃行业会形成一批生产技术水平、能效水平很高的企业，即能效标杆企业。行业中能效标杆水平以上产能占总产能的比例达到20%，能效基准水平以下产能基本清零。由此可以推断，在2026—2027年玻璃行业的碳排放会达到峰值，在2030年前达到碳排放峰值。

在实现碳排放达到峰值的进程中，行业内针对减碳的行动一直在开展，碳达峰与碳减排还将持续并进3～5年。减少碳排放需要结合玻璃行业的特点，由于燃烧与过程中的碳排放占玻璃行业CO2总排放量的87%以上，特别是减少含碳能源的使用将成为重点。有关技术已经在现有生产线上使用，如全氧燃烧、余热发电、窑炉保温、节能涂料、0#氧枪、燃料的选择、结构优化等［11-22］，目前在玻璃工业中还未形成颠覆性的减碳关键技术。

2.3 碳抵消中和阶段

从广义的角度看，碳中和概念是净零二氧化碳排放，指一段时间内全球人为二氧化碳排放量与人为二氧化碳移除量相平衡，这里的净零二氧化碳与碳中和等同，且是指全球层面［23］。其中碳量平衡，是指在人为排放碳和人为从大气中吸收碳之间达到平衡。

所谓碳抵消是通过在其他地方减少碳排放来抵消一个碳排放部门的排放。对于玻璃行业而言，属于全国工业链中非常小的一个环节。由图1可知，浮法玻璃生产中12.5%的外购电力相当于将玻璃工业的碳排放转移到了电力行业。65.5%的燃料燃烧是碳抵消与中和关键，为此需要继续加大推广与使用已经成熟的减少碳排放的技术。当然在玻璃工业中使用非化石燃料、非含碳燃料是最终实现碳抵消中和阶段的关键。否则只能通过碳抵消、碳补偿或碳汇交易的方式来实现碳中和。

2.4 脱碳净零排放中和阶段

对于玻璃工业而言，其脱碳净零排放中和的实现并非易事。脱碳净零排放方法与技术并不完全来自于玻璃工业的内部，有的技术需要依赖于行业外部相关技术的突破。从理论与技术上进行分析，玻璃行业脱碳净零与排放中和，需要通过两个方面技术的突破来实现。

一是非化石燃料、非含碳燃料的完全使用，如氢燃料的使用，电能的使用等。从理论上看，在玻璃的生产过程中完全使用氢气完全取代，可使由化石燃料燃烧排放的CO2降至为0。表2为一熔化量为700 t/d的浮法玻璃熔窑在使用氢燃料及不同比例掺氢天然气的烟气排放状况。由此可见，随着氢燃料的供给及玻璃熔窑燃氢技术的突破，减碳效果非常显著。

表2 700 t/d浮法玻璃熔窑在使用氢燃料及不同比例掺氢天然气的烟气排放状况

二是通过碳捕捉［23-27］、碳利用［28-29］、碳封存［30-31］等技术的突破，并将已经成熟的技术应用到玻璃的生产过程之中，对末端的含碳烟气进行处理。将玻璃工业中自身产生的碳在排放之前去除，避免其进入大气中，而不是通过其他地方的减排进行的碳抵消。只有在行业内通过从大气中去除碳，或者在排放之前去除来达到的碳净零排放，才是真正意义的碳中和。

3 平板玻璃工业利用氢能的可行性与实践

通过人为二氧化碳排放量与人为二氧化碳移除量相平衡能够形成一种碳排放的平衡状态。从表2中的对比数据可以看出，彻底改变玻璃工业的燃料种类是实现我国平板玻璃工业高效减碳的必由之路。

从全球范围内看，各国已经将对化石燃料替代聚焦到氢能、太阳能、风能、核能的利用上来，其中的氢能产业是实现终端用能绿色低碳转型、减排CO2的重要支撑与方法。氢能属于绿色能源，其最大优点是来源广泛，只要有水、有电就能制氢，制氢方法也很多，可以从根本上解决能源安全问题。氢能的优势还在于零污染、零排放、无次生污染。

1972年，天然气管网掺氢的技术理念被首次提出，由于当时的产氢技术及产氢量的制约，导致该技术并未商业化实施。随着可再生能源发电装机容量的快速增长、燃料电池技术的迭代升级，产氢技术的突破以及产氢量的迅速增加，使得天然气掺氢成为可能与可行，相关产业的发展也受到更多关注。

2020—2021年，欧盟、美国等发达国家和地区均发布了氢能利用战略，通过对现有天然气基础设施进行改造，为具有掺氢能力的基础设施解决关键技术问题，打破氢能安全运输铺路。此举也是促进氢能经济发展的重要举措，为此各国制定了相应的国家标准［32-35］。我国相关部门与单位也在天然气掺氢方面开展了前期的研究与实践工作［36,37］，为相关制造业利用氢能打下了良好基础，从燃料的层面分析，平板玻璃工业利用氢能熔制玻璃是非常可能与可行的。

在利用氢能熔制玻璃方面，英国的皮尔金顿（Pilkington）玻璃公司在其圣海伦斯工厂进行了使用100%氢气生产浮法玻璃的试验，这在世界上还属首次。通过在玻璃生产中完全使用氢气为燃料的试验，对克服相关技术障碍又前进了一步。这也表明玻璃工业可以显著减少碳排放，并朝着实现净零排放的目标迈出一大步。

我国玻璃行业在氢能利用制备玻璃方面正在开展相应的攻关工作，所提出的思路为通过在天然气中掺氢的方法［4,38］，即通过在现有的主体燃料天然气中掺入一定量的氢气，形成一定比例的混氢燃料。若氢气在天然气中的占比逐渐提高，并在玻璃熔窑内燃烧，形成稳定的热工制度，制备的玻璃质量得以保障，那么在玻璃工业中实现CO2的排放向H2O排放的转变也就指日可待，就能够实现真正意义上的碳减排与零排放。

现阶段关于利用氢能制备玻璃，还需要进行大量的技术研究。通过对掺氢天然气与配送管道的安全性、掺氢天然气的燃烧特性、氢燃料燃烧喷枪、阀组控制系统、燃烧工艺系统解决方案、掺氢天然气熔窑结构、各部位的耐火材料、掺氢天然气燃烧条件下的玻璃熔化工艺、温度制度、气氛制度、玻璃的澄清等关键技术进行研究与试验，突破相关技术瓶颈，实现玻璃工业中CO2的减排，甚至实现零排放。

4 结语

在人类持续工业化的进程中，伴随着CO2的不断排放，全球累积量逐年增加，加剧了气候变暖与环境的恶化。“十四五”时期是我国平板玻璃工业实现碳达峰的关键阶段，升级玻璃产业节能减排新技术，开发新的熔制技术成为新世纪玻璃产业的发展方向。目前，我国平板玻璃工业总体的碳排放还处于上升阶段，并未达到峰值。现有的节能、减碳的技术与措施大多已经应用于生产线上，对平均单位产品碳排放量起着良好的促进作用。要实现玻璃工业碳排放量的总体转向，需要加大对低碳技术、零碳技术、碳捕获技术等技术的研发与投入，使之能够在玻璃工业碳减排中发挥决定性的作用。