常維東 李剛 湯驊 馬繼超 成郭麗

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院 石河子 832003；2.新疆普耀新型建材有限公司 雙河 833408）

0 引言

全球能源、環(huán)境以及氣候變化等問(wèn)題日益突出，各國(guó)已經(jīng)或正在面臨嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)，緩解經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與生態(tài)保護(hù)之間的尖銳矛盾已成為各國(guó)迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題［1］。我國(guó)作為一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)，能源消費(fèi)排放的CO2占碳排放的主要部分，比例是全球的29%［2］。為了積極應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，為提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，我國(guó)采取有力的政策和措施，提出CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)［3］。在保證能源供應(yīng)的同時(shí)，積極推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步，最大限度減少化石能源使用帶來(lái)的環(huán)境負(fù)擔(dān)，加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，是應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的碳減排形勢(shì)、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的重要途徑。

為了加快推進(jìn)玻璃行業(yè)碳中和的步伐，從玻璃產(chǎn)業(yè)鏈的全過(guò)程進(jìn)行碳排放分析并采取相應(yīng)的措施，是減少玻璃行業(yè)碳排放的有效路徑。

1 我國(guó)玻璃行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

我國(guó)是世界上最大的建材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2021年，平板玻璃產(chǎn)量占全球平板玻璃總產(chǎn)量的50.0%［4］。近年來(lái)，我國(guó)持續(xù)推進(jìn)玻璃行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、淘汰過(guò)剩產(chǎn)能的同時(shí)，受益于國(guó)家基建力度的增加、房地產(chǎn)投資韌性的保持以及城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，平板玻璃產(chǎn)銷量也保持平穩(wěn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2022年11月2日發(fā)布的《建材行業(yè)碳達(dá)峰實(shí)施方案》提出要在2030年前建材行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。由于建材行業(yè)是工業(yè)能源消耗和碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，也是我國(guó)碳減排任務(wù)最重的行業(yè)之一［5,6］，原材料工業(yè)碳排放約占規(guī)模以上工業(yè)排放總量的2/3以上，約占全社會(huì)排放總量一半以上，因此是節(jié)能降碳的主戰(zhàn)場(chǎng)［7］。

玻璃行業(yè)作為高能耗、高排放的行業(yè)，具有巨大的節(jié)能、減排潛力［8］。據(jù)相關(guān)資料顯示，2021年我國(guó)平板玻璃產(chǎn)量為101920.68萬(wàn)重量箱，同比增長(zhǎng)7.03%，以357.6 t CO2/萬(wàn)重量箱來(lái)計(jì)算，碳排放量可達(dá)3600萬(wàn)t［9］。從玻璃生產(chǎn)的全過(guò)程來(lái)看，玻璃行業(yè)碳排放主要來(lái)源于兩個(gè)方面：化石燃料燃燒以及原料分解和碳粉氧化，分別約占玻璃生產(chǎn)碳排放的64%和23%，而另外13%的碳排放主要為購(gòu)入和輸出去的電力而產(chǎn)生，因此約87%以上的碳排放都源于生產(chǎn)。由于煤炭、重油價(jià)格低于天然氣，所以玻璃行業(yè)大部分制造企業(yè)是以煤氣、煤制氣、石油焦、重油為主要燃料，而燃料成本占到整個(gè)玻璃制造成本的50%～60%，除在環(huán)保政策要求較嚴(yán)的地區(qū)外，使用低成本的燃料是國(guó)內(nèi)大部分玻璃制造企業(yè)的主要選擇，這也就造成了玻璃行業(yè)高能耗、高排放的現(xiàn)狀。

2 玻璃行業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局初步核算，2021年全年能源消費(fèi)總量52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)5.2%，煤炭消費(fèi)量增長(zhǎng)4.6%，占能源消費(fèi)總量的56%，占據(jù)了能源消費(fèi)總量的半壁江山，其中工業(yè)占比超過(guò)60%，而這其中玻璃行業(yè)占了相當(dāng)大的一部分，因此玻璃行業(yè)能否率先碳達(dá)峰是2030年碳達(dá)峰目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵［10］。為了推動(dòng)我國(guó)平板玻璃行業(yè)健康高質(zhì)量發(fā)展，可以從玻璃產(chǎn)業(yè)鏈的全局來(lái)提高玻璃生產(chǎn)中能源的利用效率和減少碳排放，如圖1所示。

圖1 玻璃產(chǎn)業(yè)鏈

2.1 玻璃產(chǎn)業(yè)鏈上游實(shí)現(xiàn)碳中和的潛力

2.1.1 優(yōu)化生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)，推動(dòng)配方低碳轉(zhuǎn)型

玻璃的主要原料有硅砂、硼砂、純堿、芒硝、石灰石、白云石、長(zhǎng)石、碎玻璃和碳粉等［11］，主要的輔助材料有脫色劑、著色劑等，在原料復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程中，各種碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽在各自的分解溫度下分解，釋放出氣體，同時(shí)參與固相反應(yīng)［12］。其中碳酸鹽的熱分解和碳粉的氧化是CO2的主要來(lái)源，占整個(gè)過(guò)程排放的20%左右，因此優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)可有效地減少玻璃生產(chǎn)過(guò)程中的CO2排 放［13］。如 用 霞 石 類（Na［AlSiO4］4—K［AlSiO4］4系列的中間產(chǎn)物）的硅酸鹽原料替代碳酸鹽［9］，可以減少熱分解產(chǎn)生的CO2排放，減輕對(duì)窯爐耐火材料的侵蝕，避免有毒氣體NO等的排放。此外，還可以在原料中增加碎玻璃的用量作為無(wú)碳原材料，一般來(lái)說(shuō)，每增加10%的碎玻璃用量，相應(yīng)地會(huì)減少2.5%～3%的能源消耗［14］。

2.1.2 優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)、改進(jìn)燃燒制度

燃料與原料相比對(duì)玻璃質(zhì)量影響較大，目前主要的燃料有重油、石油焦、煤制氣、天然氣、煤焦油等。在能源尚未脫碳的情況下，發(fā)展清潔能源，減少化石能源供給，使用清潔燃料替代高碳燃料，是提高能源利用率、減少碳排放的有效途徑［15］。國(guó)務(wù)院“大氣十條”中規(guī)定：“京津冀區(qū)域城市建成區(qū)、長(zhǎng)三角城市群、珠三角區(qū)域要加快現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)燃煤設(shè)施天然氣替代的步伐，基本完成燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐、自備燃煤電站的天然氣替代改造任務(wù)”，天然氣的替代必將大大減少玻璃行業(yè)CO2的排放［16］，加速脫碳進(jìn)程。

清潔能源主要包括低污染的化石能源、可再生能源（風(fēng)能、水電、地?zé)崮?、太?yáng)能、生物質(zhì)能）、核能和氫氣等［17］。氫是近年來(lái)被廣泛研究的二次能源［18］，它具有能量密度高、耐儲(chǔ)存、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，氫的發(fā)展要立足于氫產(chǎn)業(yè)鏈，優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。英國(guó)的Pilkington公司使用氫能制造了建筑玻璃，取得了重大成功，實(shí)現(xiàn)了氫氣和天然氣兩種不同燃料之間的無(wú)縫過(guò)渡，證明了氫氣與天然氣一樣能夠?qū)崿F(xiàn)出色的熔化性能，并且可以在大大減少碳排放的情況下運(yùn)行窯爐。

除此之外，改進(jìn)燃燒制度也是有效的節(jié)能減排途徑。目前主要有富氧燃燒、全氧燃燒電助熔、重油乳化技術(shù)等，這些措施對(duì)行業(yè)發(fā)展也具有重要意義。

2.1.3 優(yōu)化玻璃窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃窯爐是玻璃生產(chǎn)線能耗最多的設(shè)備。原材料熔化要消耗玻璃生產(chǎn)中一半以上的能源，歐洲和美國(guó)玻璃工業(yè)的能源使用以天然氣為主，通常占75%～85%，其次是電力使用，占10%～15%，其余的5%～10%由化石燃料組成，我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定差距［19］。事實(shí)上，在1960—2010年，能源效率提高了50%以上，自2010年后，能源效率方面的進(jìn)展大幅放緩，原因可能是窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保溫措施不合理，使用的耐火材料質(zhì)量檔次低［19,20］。因此優(yōu)化玻璃窯爐結(jié)構(gòu)是減少窯爐熱損失、降低燃料消耗、提高窯爐熱效率的重要措施之一。

投料池對(duì)熔化區(qū)的位置、配合料的熔化速率對(duì)玻璃質(zhì)量的影響至關(guān)重要。配合料的吸熱與覆蓋面積大小成正比，投料池越寬，配合料的覆蓋面積就越大，因此采用與熔化部等寬或接近等寬的投料池，有利于提高熱效率、降低燃料消耗［21］。投料池采用全密封結(jié)構(gòu)，構(gòu)成預(yù)熔池，以保證配合料吸收足夠的熱量、達(dá)到預(yù)定的溫度再進(jìn)入熔化池，可加快熔化時(shí)間，減輕對(duì)熔窯的化學(xué)侵蝕，延長(zhǎng)窯爐使用壽命。

熔化部可加長(zhǎng)小爐至前臉墻的距離，提高熔化效率和熱效率，除了新窯設(shè)計(jì)可采用外，特別對(duì)老窯的冷修、改造更應(yīng)采用［22］。對(duì)于窯底結(jié)構(gòu)，可采用加長(zhǎng)配合料在高溫帶的滯留時(shí)間，有利于提高熱效率、熔化率及玻璃液的質(zhì)量。

玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，廢氣帶走大量的熱量，而這些熱量主要靠蓄熱室回收，因此蓄熱室的設(shè)計(jì)可采用加強(qiáng)蓄熱室的密封、保溫以及選擇優(yōu)質(zhì)的耐火材料做格子磚等措施。目前，許多新型浮法玻璃窯爐采用變通道的蓄熱室，以增加蓄熱室的傳熱面積來(lái)提高助燃空氣的溫度，并且只需要改造窯爐內(nèi)的格子體，使其在不增加高度的基礎(chǔ)上增加傳熱面積（選用筒形格子磚或?qū)⒏褡芋w根據(jù)溫度分為高低兩段來(lái)增大傳熱面積），并不需要增加其它設(shè)備，與其它節(jié)能措施相比更加經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便。

由于我國(guó)浮法玻璃工業(yè)窯爐是以大型、特大型浮法玻璃生產(chǎn)線為主導(dǎo)，因此更加需要對(duì)熔窯結(jié)構(gòu)上存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究并加以改善。

2.2 玻璃產(chǎn)業(yè)鏈中游實(shí)現(xiàn)碳中和的潛力

中游為玻璃深加工環(huán)節(jié)，包括鍍膜玻璃、鋼化玻璃、光伏玻璃、防彈玻璃、3D玻璃和LED光電玻璃等。如圖2為鋼化玻璃的生產(chǎn)工藝流程，從整個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，鋼化耗能最大，玻璃需要被加熱到630 ℃左右，而此時(shí)窯爐內(nèi)的溫度一般為680～700 ℃［23］。

圖2 鋼化玻璃生產(chǎn)工藝流程［23］

鋼化爐內(nèi)輻射強(qiáng)制對(duì)流傳熱技術(shù)具有加熱均勻、耗時(shí)短的特點(diǎn)，能大幅度提升爐內(nèi)的對(duì)流傳熱比，鋼化爐排出的熱氣還可預(yù)熱進(jìn)爐前的壓縮空氣，比普通爐節(jié)約34%的電能［24］。此外，玻璃鋼化過(guò)程中的余熱回收利用技術(shù)也是提高能量利用率、減少能耗的重要措施，從池窯蓄熱室、換熱器出來(lái)的煙氣溫度一般在300 ℃以上，且排放量大，具有較高的回收價(jià)值。利用余熱回收設(shè)備對(duì)煙氣進(jìn)行處理，可以用來(lái)蒸汽發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備等，也可將煙氣熱量回收后用來(lái)預(yù)熱空氣、阻燃空氣、干燥熱源或用來(lái)車間取暖等，都能夠起到較好的節(jié)能減排效果。

2.3 玻璃產(chǎn)業(yè)鏈下游實(shí)現(xiàn)碳中和的潛力

2.3.1 建筑材料

根據(jù)第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)建筑存量為696億m2，其中80%為住宅建筑，20%為公共建筑；住宅建筑中，城鎮(zhèn)居住建筑320億m2，占比58%，農(nóng)村居住建筑233億m2，占比42%，由建筑能耗產(chǎn)生的碳排放總量約21.62億t CO2，同比增長(zhǎng)1.5%。目前，城市建筑門(mén)窗、幕墻玻璃已經(jīng)開(kāi)始采用低輻射（Low-E）玻璃，而在農(nóng)村仍然以普通玻璃為主。

Low-E玻璃是在玻璃表面上鍍膜，玻璃的輻射率E可由0.84降低到0.15以下［25］。Low-E玻璃能夠直接反射遠(yuǎn)紅外熱輻射，具有很高的紅外反射率，表面輻射率低，吸收外來(lái)能量的能力小，能夠保持玻璃兩側(cè)熱量的相對(duì)穩(wěn)定，還可根據(jù)需要控制太陽(yáng)輻射能的透過(guò)量，以適應(yīng)不同的需要。以寒冷的冬季為例，建筑物內(nèi)的溫度高于室外環(huán)境溫度，遠(yuǎn)紅外熱輻射的能量主要來(lái)自于建筑物內(nèi)，Low-E玻璃可將建筑物內(nèi)的遠(yuǎn)紅外熱輻射能反射回室內(nèi)，從而保持建筑物內(nèi)的熱量不外泄到室外環(huán)境中。對(duì)來(lái)自室外環(huán)境的太陽(yáng)能輻射，Low-E玻璃仍能允許其進(jìn)入建筑物內(nèi)，這部分能量被室內(nèi)物體吸收后又轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)紅外熱輻射而被留在室內(nèi)，在夏季則正好相反［26］，如圖3為冬、夏季Low-E玻璃能量傳輸示意圖。

圖3 冬、夏季Low-E玻璃能量傳輸示意圖［27］

由圖3可以看出，Low-E玻璃的隔熱層不僅有助于減少熱量損失，還有助于保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，從而提高居住者的熱舒適感［28］，降低空調(diào)所消耗的電力費(fèi)用，減少碳排放。

2005—2020年，建筑運(yùn)行階段碳排放增長(zhǎng)10.7億t CO2，年平均增長(zhǎng)率為4.7%［29］。碳排放年均增速小于能耗年均增速，表明建筑運(yùn)行階段能源相關(guān)的碳排放因子降低，從2005年的2.3 t CO2/tce下降至2020年的2.0 t CO2/tce［30］，全國(guó)建筑能源消耗逐漸優(yōu)化。在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，綠色節(jié)能建筑已成為國(guó)內(nèi)建筑的主流，Low-E玻璃的使用，將為實(shí)現(xiàn)碳中和做出巨大貢獻(xiàn)。

2.3.2 光伏發(fā)電

2023年3月15日，國(guó)家能源局發(fā)布關(guān)于印發(fā)《2023年能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃立項(xiàng)指南》（以下簡(jiǎn)稱立項(xiàng)指南）的通知，立項(xiàng)指南指出，堅(jiān)持需求導(dǎo)向，緊密圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)支撐和引領(lǐng)性作用，突出重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)要求，提出能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃，立項(xiàng)指南將光伏列入2023年能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃立項(xiàng)重點(diǎn)方向，加速推動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型。

光伏玻璃是光伏組件的必備材料，光伏玻璃的質(zhì)量直接影響到組件發(fā)電效率和使用年限。光伏玻璃成本中原料占48%，主要是純堿和石英砂，燃料占比39%。超白石英砂較為稀缺，國(guó)內(nèi)產(chǎn)地僅有安徽、湖南、廣東、廣西、海南等少數(shù)地區(qū)。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)逐漸將目光聚焦在光伏幕墻領(lǐng)域，在一些大中型城市，高層建筑林立，大量的建筑外墻為光伏建筑一體化應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)［31］，優(yōu)質(zhì)光伏幕墻設(shè)計(jì)已成為建筑工程響應(yīng)節(jié)能理念的一個(gè)新思路。

2022年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)87.41 GW，同比增長(zhǎng)59.3%，其中集中式光伏新增36.3 GW，同比增長(zhǎng)41.8%，分布式光伏新增51.1 GW，同比增長(zhǎng)74.5%，2022年全球光伏新增裝機(jī)230 GW，同比增長(zhǎng)35.3%［32］。在內(nèi)外需求的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)制造端規(guī)模迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。我國(guó)多晶硅、硅片、電池片和組件產(chǎn)量同比增速均超過(guò)55%，其中，多晶硅產(chǎn)量為82.7萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)63.4%；電池片產(chǎn)量為318 GW，同比增長(zhǎng)60.7%，硅片和組件去年的產(chǎn)量則分別為357 GW、288.7 GW，同比分別增長(zhǎng)57.5%、58.8%［32］。2022年，我國(guó)光伏行業(yè)呈現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目多點(diǎn)開(kāi)花，投資主體趨向多元化，大尺寸硅片、N型電池技術(shù)產(chǎn)品占比快速提升等特點(diǎn)。預(yù)計(jì)2023年末，我國(guó)光伏新增裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到95～120 GW，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委提供的數(shù)據(jù)，火電廠平均供電需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤320 g/kWh，相當(dāng)于火電每年可再節(jié)省約2000萬(wàn)t的標(biāo)準(zhǔn)煤，減少近6000萬(wàn)t的CO2排放［9］，因此，光伏玻璃的應(yīng)用可對(duì)節(jié)能減排起到重要作用。

2.3.3 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)能資源是一種無(wú)污染、取之不盡、用之不竭的清潔能源［33］。在過(guò)去幾十年里，世界不同地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電一直在經(jīng)歷著不同程度的漸進(jìn)改進(jìn)。如今，風(fēng)能是僅次于水能的可再生、可持續(xù)能源中對(duì)全球電氣化貢獻(xiàn)最大的清潔能源，將在加速全球能源轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮重要作用。2023年1月16日，國(guó)家能源局發(fā)布2022年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至12月底，全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億kW，同比增長(zhǎng)7.8%，其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7億kW，同比增長(zhǎng)11.2%，相當(dāng)于每年可減少約2億t的CO2排放。

而在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，玻璃纖維復(fù)合材料扮演著重要的角色［34］。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，其成本占風(fēng)機(jī)成本的15%～20%，它設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的性能以及風(fēng)力發(fā)電的效益［35］，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片由玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料組成，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片由約60%的玻璃增強(qiáng)纖維、23%的熱固性聚合物樹(shù)脂和黏合劑、9%的核心材料如輕木或熱塑性聚合物泡沫和8%的金屬包括銅和鋼組成［36］，玻璃鋼復(fù)合材料作為一種新型的工程材料擁有突出的性能，在風(fēng)電領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，玻璃材料產(chǎn)業(yè)會(huì)成為我國(guó)一種新型的支柱產(chǎn)業(yè)［37］。

3 結(jié)論和展望

玻璃行業(yè)作為節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)，將在實(shí)現(xiàn)碳中和的過(guò)程中發(fā)揮巨大的作用，充分挖掘玻璃全產(chǎn)業(yè)鏈的節(jié)能減排潛力：（1）在產(chǎn)業(yè)鏈上游，優(yōu)化原料、燃料結(jié)構(gòu)，改進(jìn)燃燒制度，優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）在產(chǎn)業(yè)鏈中游，采用先進(jìn)的深加工技術(shù)，盡可能最大限度地進(jìn)行余熱回收，減少熱損失；（3）在產(chǎn)業(yè)鏈下游，利用建筑、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等發(fā)揮重要的節(jié)能減排作用。

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，我國(guó)玻璃行業(yè)必須以低碳引領(lǐng)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈深度參與以及政策的引導(dǎo)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)新一輪的玻璃產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)提出的2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。