浅析玻璃行业实现碳中和的路径

常维东 李刚 汤骅 马继超 成郭丽

（1.石河子大学水利建筑工程学院 石河子 832003；2.新疆普耀新型建材有限公司 双河 833408）

0 引言

全球能源、环境以及气候变化等问题日益突出，各国已经或正在面临严重的环境危机，缓解经济增长与生态保护之间的尖锐矛盾已成为各国迫切需要解决的现实问题［1］。我国作为一个能源消费大国，能源消费排放的CO2占碳排放的主要部分，比例是全球的29%［2］。为了积极应对这一问题，为提高国家自主贡献力度，我国采取有力的政策和措施，提出CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的战略目标［3］。在保证能源供应的同时，积极推进能源结构调整和技术进步，最大限度减少化石能源使用带来的环境负担，加快能源结构转型，是应对严峻的碳减排形势、实现绿色发展的重要途径。

为了加快推进玻璃行业碳中和的步伐，从玻璃产业链的全过程进行碳排放分析并采取相应的措施，是减少玻璃行业碳排放的有效路径。

1 我国玻璃行业碳排放现状

我国是世界上最大的建材生产国和消费国，2021年，平板玻璃产量占全球平板玻璃总产量的50.0%［4］。近年来，我国持续推进玻璃行业供给侧结构性改革、淘汰过剩产能的同时，受益于国家基建力度的增加、房地产投资韧性的保持以及城镇化的持续推进，平板玻璃产销量也保持平稳增长的态势。2022年11月2日发布的《建材行业碳达峰实施方案》提出要在2030年前建材行业实现碳达峰。由于建材行业是工业能源消耗和碳排放的重点领域，也是我国碳减排任务最重的行业之一［5,6］，原材料工业碳排放约占规模以上工业排放总量的2/3以上，约占全社会排放总量一半以上，因此是节能降碳的主战场［7］。

玻璃行业作为高能耗、高排放的行业，具有巨大的节能、减排潜力［8］。据相关资料显示，2021年我国平板玻璃产量为101920.68万重量箱，同比增长7.03%，以357.6 t CO2/万重量箱来计算，碳排放量可达3600万t［9］。从玻璃生产的全过程来看，玻璃行业碳排放主要来源于两个方面：化石燃料燃烧以及原料分解和碳粉氧化，分别约占玻璃生产碳排放的64%和23%，而另外13%的碳排放主要为购入和输出去的电力而产生，因此约87%以上的碳排放都源于生产。由于煤炭、重油价格低于天然气，所以玻璃行业大部分制造企业是以煤气、煤制气、石油焦、重油为主要燃料，而燃料成本占到整个玻璃制造成本的50%～60%，除在环保政策要求较严的地区外，使用低成本的燃料是国内大部分玻璃制造企业的主要选择，这也就造成了玻璃行业高能耗、高排放的现状。

2 玻璃行业碳中和的实现路径

据国家统计局初步核算，2021年全年能源消费总量52.4亿t标准煤，比上年增长5.2%，煤炭消费量增长4.6%，占能源消费总量的56%，占据了能源消费总量的半壁江山，其中工业占比超过60%，而这其中玻璃行业占了相当大的一部分，因此玻璃行业能否率先碳达峰是2030年碳达峰目标能否实现的关键［10］。为了推动我国平板玻璃行业健康高质量发展，可以从玻璃产业链的全局来提高玻璃生产中能源的利用效率和减少碳排放，如图1所示。

图1 玻璃产业链

2.1 玻璃产业链上游实现碳中和的潜力

2.1.1 优化生产原料结构，推动配方低碳转型

玻璃的主要原料有硅砂、硼砂、纯碱、芒硝、石灰石、白云石、长石、碎玻璃和碳粉等［11］，主要的辅助材料有脱色剂、着色剂等，在原料复杂的反应过程中，各种碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐在各自的分解温度下分解，释放出气体，同时参与固相反应［12］。其中碳酸盐的热分解和碳粉的氧化是CO2的主要来源，占整个过程排放的20%左右，因此优化原料结构可有效地减少玻璃生产过程中的CO2排 放［13］。如 用 霞 石 类（Na［AlSiO4］4—K［AlSiO4］4系列的中间产物）的硅酸盐原料替代碳酸盐［9］，可以减少热分解产生的CO2排放，减轻对窑炉耐火材料的侵蚀，避免有毒气体NO等的排放。此外，还可以在原料中增加碎玻璃的用量作为无碳原材料，一般来说，每增加10%的碎玻璃用量，相应地会减少2.5%～3%的能源消耗［14］。

2.1.2 优化燃料结构、改进燃烧制度

燃料与原料相比对玻璃质量影响较大，目前主要的燃料有重油、石油焦、煤制气、天然气、煤焦油等。在能源尚未脱碳的情况下，发展清洁能源，减少化石能源供给，使用清洁燃料替代高碳燃料，是提高能源利用率、减少碳排放的有效途径［15］。国务院“大气十条”中规定：“京津冀区域城市建成区、长三角城市群、珠三角区域要加快现有工业企业燃煤设施天然气替代的步伐，基本完成燃煤锅炉、工业窑炉、自备燃煤电站的天然气替代改造任务”，天然气的替代必将大大减少玻璃行业CO2的排放［16］，加速脱碳进程。

清洁能源主要包括低污染的化石能源、可再生能源（风能、水电、地热能、太阳能、生物质能）、核能和氢气等［17］。氢是近年来被广泛研究的二次能源［18］，它具有能量密度高、耐储存、清洁环保等特点，氢的发展要立足于氢产业链，优化关键技术。英国的Pilkington公司使用氢能制造了建筑玻璃，取得了重大成功，实现了氢气和天然气两种不同燃料之间的无缝过渡，证明了氢气与天然气一样能够实现出色的熔化性能，并且可以在大大减少碳排放的情况下运行窑炉。

除此之外，改进燃烧制度也是有效的节能减排途径。目前主要有富氧燃烧、全氧燃烧电助熔、重油乳化技术等，这些措施对行业发展也具有重要意义。

2.1.3 优化玻璃窑炉结构设计

玻璃窑炉是玻璃生产线能耗最多的设备。原材料熔化要消耗玻璃生产中一半以上的能源，欧洲和美国玻璃工业的能源使用以天然气为主，通常占75%～85%，其次是电力使用，占10%～15%，其余的5%～10%由化石燃料组成，我国与国际先进水平还存在一定差距［19］。事实上，在1960—2010年，能源效率提高了50%以上，自2010年后，能源效率方面的进展大幅放缓，原因可能是窑炉结构设计和保温措施不合理，使用的耐火材料质量档次低［19,20］。因此优化玻璃窑炉结构是减少窑炉热损失、降低燃料消耗、提高窑炉热效率的重要措施之一。

投料池对熔化区的位置、配合料的熔化速率对玻璃质量的影响至关重要。配合料的吸热与覆盖面积大小成正比，投料池越宽，配合料的覆盖面积就越大，因此采用与熔化部等宽或接近等宽的投料池，有利于提高热效率、降低燃料消耗［21］。投料池采用全密封结构，构成预熔池，以保证配合料吸收足够的热量、达到预定的温度再进入熔化池，可加快熔化时间，减轻对熔窑的化学侵蚀，延长窑炉使用寿命。

熔化部可加长小炉至前脸墙的距离，提高熔化效率和热效率，除了新窑设计可采用外，特别对老窑的冷修、改造更应采用［22］。对于窑底结构，可采用加长配合料在高温带的滞留时间，有利于提高热效率、熔化率及玻璃液的质量。

玻璃生产过程中，废气带走大量的热量，而这些热量主要靠蓄热室回收，因此蓄热室的设计可采用加强蓄热室的密封、保温以及选择优质的耐火材料做格子砖等措施。目前，许多新型浮法玻璃窑炉采用变通道的蓄热室，以增加蓄热室的传热面积来提高助燃空气的温度，并且只需要改造窑炉内的格子体，使其在不增加高度的基础上增加传热面积（选用筒形格子砖或将格子体根据温度分为高低两段来增大传热面积），并不需要增加其它设备，与其它节能措施相比更加经济、简便。

由于我国浮法玻璃工业窑炉是以大型、特大型浮法玻璃生产线为主导，因此更加需要对熔窑结构上存在的问题进行分析研究并加以改善。

2.2 玻璃产业链中游实现碳中和的潜力

中游为玻璃深加工环节，包括镀膜玻璃、钢化玻璃、光伏玻璃、防弹玻璃、3D玻璃和LED光电玻璃等。如图2为钢化玻璃的生产工艺流程，从整个过程来说，钢化耗能最大，玻璃需要被加热到630 ℃左右，而此时窑炉内的温度一般为680～700 ℃［23］。

图2 钢化玻璃生产工艺流程［23］

钢化炉内辐射强制对流传热技术具有加热均匀、耗时短的特点，能大幅度提升炉内的对流传热比，钢化炉排出的热气还可预热进炉前的压缩空气，比普通炉节约34%的电能［24］。此外，玻璃钢化过程中的余热回收利用技术也是提高能量利用率、减少能耗的重要措施，从池窑蓄热室、换热器出来的烟气温度一般在300 ℃以上，且排放量大，具有较高的回收价值。利用余热回收设备对烟气进行处理，可以用来蒸汽发电或直接驱动设备等，也可将烟气热量回收后用来预热空气、阻燃空气、干燥热源或用来车间取暖等，都能够起到较好的节能减排效果。

2.3 玻璃产业链下游实现碳中和的潜力

2.3.1 建筑材料

根据第七次全国人口普查数据，2020年全国建筑存量为696亿m2，其中80%为住宅建筑，20%为公共建筑；住宅建筑中，城镇居住建筑320亿m2，占比58%，农村居住建筑233亿m2，占比42%，由建筑能耗产生的碳排放总量约21.62亿t CO2，同比增长1.5%。目前，城市建筑门窗、幕墙玻璃已经开始采用低辐射（Low-E）玻璃，而在农村仍然以普通玻璃为主。

Low-E玻璃是在玻璃表面上镀膜，玻璃的辐射率E可由0.84降低到0.15以下［25］。Low-E玻璃能够直接反射远红外热辐射，具有很高的红外反射率，表面辐射率低，吸收外来能量的能力小，能够保持玻璃两侧热量的相对稳定，还可根据需要控制太阳辐射能的透过量，以适应不同的需要。以寒冷的冬季为例，建筑物内的温度高于室外环境温度，远红外热辐射的能量主要来自于建筑物内，Low-E玻璃可将建筑物内的远红外热辐射能反射回室内，从而保持建筑物内的热量不外泄到室外环境中。对来自室外环境的太阳能辐射，Low-E玻璃仍能允许其进入建筑物内，这部分能量被室内物体吸收后又转变成远红外热辐射而被留在室内，在夏季则正好相反［26］，如图3为冬、夏季Low-E玻璃能量传输示意图。

图3 冬、夏季Low-E玻璃能量传输示意图［27］

由图3可以看出，Low-E玻璃的隔热层不仅有助于减少热量损失，还有助于保持室内温度稳定，从而提高居住者的热舒适感［28］，降低空调所消耗的电力费用，减少碳排放。

2005—2020年，建筑运行阶段碳排放增长10.7亿t CO2，年平均增长率为4.7%［29］。碳排放年均增速小于能耗年均增速，表明建筑运行阶段能源相关的碳排放因子降低，从2005年的2.3 t CO2/tce下降至2020年的2.0 t CO2/tce［30］，全国建筑能源消耗逐渐优化。在“双碳”目标的大背景下，绿色节能建筑已成为国内建筑的主流，Low-E玻璃的使用，将为实现碳中和做出巨大贡献。

2.3.2 光伏发电

2023年3月15日，国家能源局发布关于印发《2023年能源行业标准计划立项指南》（以下简称立项指南）的通知，立项指南指出，坚持需求导向，紧密围绕碳达峰、碳中和目标任务，充分发挥标准推动能源绿色低碳转型的技术支撑和引领性作用，突出重点领域和关键技术要求，提出能源行业标准计划，立项指南将光伏列入2023年能源行业标准计划立项重点方向，加速推动我国能源转型。

光伏玻璃是光伏组件的必备材料，光伏玻璃的质量直接影响到组件发电效率和使用年限。光伏玻璃成本中原料占48%，主要是纯碱和石英砂，燃料占比39%。超白石英砂较为稀缺，国内产地仅有安徽、湖南、广东、广西、海南等少数地区。当前，行业内逐渐将目光聚焦在光伏幕墙领域，在一些大中型城市，高层建筑林立，大量的建筑外墙为光伏建筑一体化应用提供了机会［31］，优质光伏幕墙设计已成为建筑工程响应节能理念的一个新思路。

2022年，我国光伏新增装机87.41 GW，同比增长59.3%，其中集中式光伏新增36.3 GW，同比增长41.8%，分布式光伏新增51.1 GW，同比增长74.5%，2022年全球光伏新增装机230 GW，同比增长35.3%［32］。在内外需求的驱动下，我国光伏产业制造端规模迎来爆发式增长。我国多晶硅、硅片、电池片和组件产量同比增速均超过55%，其中，多晶硅产量为82.7万t，同比增长63.4%；电池片产量为318 GW，同比增长60.7%，硅片和组件去年的产量则分别为357 GW、288.7 GW，同比分别增长57.5%、58.8%［32］。2022年，我国光伏行业呈现扩产项目多点开花，投资主体趋向多元化，大尺寸硅片、N型电池技术产品占比快速提升等特点。预计2023年末，我国光伏新增装机规模有望达到95～120 GW，根据国家发改委提供的数据，火电厂平均供电需消耗标准煤320 g/kWh，相当于火电每年可再节省约2000万t的标准煤，减少近6000万t的CO2排放［9］，因此，光伏玻璃的应用可对节能减排起到重要作用。

2.3.3 风力发电

风能资源是一种无污染、取之不尽、用之不竭的清洁能源［33］。在过去几十年里，世界不同地区的风力发电一直在经历着不同程度的渐进改进。如今，风能是仅次于水能的可再生、可持续能源中对全球电气化贡献最大的清洁能源，将在加速全球能源转型方面发挥重要作用。2023年1月16日，国家能源局发布2022年全国电力工业统计数据，截至12月底，全国累计发电装机容量约25.6亿kW，同比增长7.8%，其中，风电装机容量约3.7亿kW，同比增长11.2%，相当于每年可减少约2亿t的CO2排放。

而在风力发电领域，玻璃纤维复合材料扮演着重要的角色［34］。风机叶片是风力发电机的核心部件之一，其成本占风机成本的15%～20%，它设计的好坏直接关系到风机的性能以及风力发电的效益［35］，现代风力机叶片由玻璃纤维增强聚合物（FRP）复合材料组成，风力涡轮机叶片由约60%的玻璃增强纤维、23%的热固性聚合物树脂和黏合剂、9%的核心材料如轻木或热塑性聚合物泡沫和8%的金属包括铜和钢组成［36］，玻璃钢复合材料作为一种新型的工程材料拥有突出的性能，在风电领域起着举足轻重的作用，相信在不远的将来，随着技术的不断发展，玻璃材料产业会成为我国一种新型的支柱产业［37］。

3 结论和展望

玻璃行业作为节能减排的重点行业，将在实现碳中和的过程中发挥巨大的作用，充分挖掘玻璃全产业链的节能减排潜力：（1）在产业链上游，优化原料、燃料结构，改进燃烧制度，优化窑炉结构设计；（2）在产业链中游，采用先进的深加工技术，尽可能最大限度地进行余热回收，减少热损失；（3）在产业链下游，利用建筑、光伏发电、风力发电等发挥重要的节能减排作用。

随着“双碳”目标的推进，我国玻璃行业必须以低碳引领的技术和产业链深度参与以及政策的引导相结合来实现新一轮的玻璃产业链重构，实现我国提出的2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标。