欧洲玻璃联盟及其脱碳方略

2022-07-12叶轶

玻璃纤维 2022年3期

欧洲玻璃联盟概况

欧洲玻璃联盟是欧盟范围内的玻璃工业联盟。它由13个国家玻璃协会和代表5种玻璃（瓶罐玻璃、平板玻璃、特种玻璃、日用玻璃和连续玻璃纤维）的行业协会组成。

产量和员工数

2020 年，新冠疫情打断了玻璃工业的正常运行，致使一些重要的玻璃行业（平板玻璃、日用玻璃、玻璃纤维）产量减少，恢复缓慢。2020年欧盟27国玻璃总产量为3585.1万 t（按熔融玻璃计），与2019年相比下降了2.6%。德国仍然是欧盟最大的玻璃生产国，产量约为1/5。紧随其后的是法国、西班牙和意大利。欧盟玻璃工业的员工总数为186，292人。

连续玻璃纤维是玻璃行业中最小的行业之一，尽管其产品的价值/质量比相对较高。2020年欧盟的连续玻璃纤维产量为85.3万 t，约占玻璃总产量的2.4%。欧盟的连续玻璃纤维制造商直接雇用员工约5000人。

成员

如上所述，欧洲玻璃联盟的成员包括13个国家的玻璃协会和代表5类玻璃的行业协会。其中，欧洲玻璃纤维生产者协会是代表欧盟连续玻璃纤维企业的行业协会。

欧洲玻璃纤维生产者协会的现有成员包括：

佳斯迈威斯洛伐克公司（位于斯洛伐克）；

朗盛公司玻璃纤维生产厂（位于比利时）；

欧洲欧文斯科宁玻璃纤维公司（公司位于比利时）；

日本电气玻璃公司（位于荷兰，是日本电气硝子公司收购的原美国PPG工业公司的欧洲玻璃纤维子公司）；

圣戈班Vetrotex公司（法国圣戈班集团的连续玻璃纤维子公司，工厂位于捷克和墨西哥）；

3B玻璃纤维公司（公司位于比利时，工厂位于比利时、挪威和印度）。

据欧洲玻璃联盟资料，在欧盟范围内现有超过13个连续玻璃纤维生产厂址，分布于比利时、德国、法国、荷兰、意大利、西班牙、捷克、拉脱维亚、土耳其等国；已关闭的厂址有3处：芬兰1处，意大利1处，西班牙1处。

欧洲玻璃联盟的脱碳方略

在亟需减少碳排放和满足巴黎气候协定的背景下，欧盟委员会启动了一项史无前例的减排战略：欧洲绿色新政。为此，欧洲玻璃联盟于2021年5月发布了一份文件，表述了欧盟玻璃工业的脱碳潜势和技术路径，后续又发表文章谈论这一问题。其主要内容如下。

1 玻璃是使欧洲过渡到碳中和社会的重要材料

玻璃是欧洲实现碳中和的重要材料，表现在：

通过回收欧盟市场上74%的瓶子和罐子，玻璃行业每年可节约约900万 t 二氧化碳，几十年来一直处于循环经济的前沿；

节能窗玻璃和窗户在提高建筑物的能效、减少排放、增强欧盟公民节约能源和开支的能力方面具有巨大的潜力。到2050年，高性能的窗玻璃能够减少建筑物37.4%的二氧化碳排放量；

连续玻璃纤维使各运输部门（公路、铁路、航空）能够满足低碳经济的要求，提供更轻和耐用的复合材料；

玻璃是光伏板的主要构成材料。玻璃纤维织物是风力涡轮机叶片的主要/基本材料。它们提供了可持续的替代能源，有助于欧盟可再生能源的增长。

欧洲玻璃联盟认为，2050年的碳中和欧洲需要拥有处于可持续低碳解决方案创新前沿的繁荣的玻璃制造业。

2 玻璃制造过程中的CO2减排

玻璃工业已经对其制造过程中的脱碳进行了投资。为了实现转变，玻璃工业支持符合环境保护的平衡工艺流程。在过去50年中，玻璃工业的单位产量排放量大幅下降（即每吨熔融玻璃减少69%的CO2）。然而，人们可以观察到，随着边际收益变得更加困难，自1990年以来，排放量继续下降的速度减慢。

玻璃制造过程中的CO2排放源主要是燃料燃烧产生的高温（1 300至1 500 ℃）热量（占CO2总排放量的75%至85%）和配合料中碳酸盐分解产生的排放量（占CO2总排放量的15%至25%）。

2.1 高温排放物

因为玻璃工业中使用化石燃料来加热熔窑，其能源消耗和CO2排放有着内在的联系。提高能效可导致CO2排放大幅减少。因此，在过去几十年中，减少排放的进度直接取决于该行业实施的能效提升措施。

例如，能效提升措施包括更多地使用回收玻璃、废热回收以及改进窑炉的设计和建造。然而，仅对玻璃熔窑技术的逐步改进不会造成大规模温室气体减排，而基础研究和开发对于进一步减少该行业排放的新解决方案至关重要。

2.2 工艺过程排放物

工艺过程排放物来自碳酸盐原料的分解，这些原料主要是碳酸钠Na2CO3、石灰石CaCO3和白云石CaMg（CO3）2。这些排放物可通过减少原料生料的投入和在配合料中增加“碎玻璃”比例而减少。

3 进一步减排的技术潜力

据称玻璃工业几乎达到了其热力学极限，这意味着采用原有技术和燃烧天然气已不可能大幅减少CO2排放。因此，玻璃行业正在考虑几种更具潜力的脱碳路线，其中有些甚至是“颠覆性”的。但这些技术并非都是成熟的，也非立即可用于玻璃行业的所有分支。

3.1 增加废玻璃的回收利用

几乎所有的瓶罐玻璃和平板玻璃制造商都可能使用更多碎玻璃（回收玻璃），前提是其质量合适。除了减少能耗之外，加大碎玻璃用量还能减少颗粒物排放。据报每增加10%碎玻璃用量，每吨玻璃能减少9 kg CO2排放。这种减少排放的途径符合行业的可持续性努力和欧盟循环经济的愿望，但其潜力受限于欧盟每年可获得废玻璃的理论最大数量（瓶罐玻璃的回收量已高达74%，未回收的废建筑玻璃的数量也有限）。

玻璃纤维的回收利用也在进行。它正成为一种更有吸引力的节能减排解决方案。

3.2 利用废热预热原料（标准配合料或粒状配合料）

废热回收已广泛应用于玻璃行业，用来在高于1 000 ℃的温度下预热进入熔窑的助燃空气。一些残余废热还可进一步用于预热进入熔窑的原料或用于区域供暖等其他用途。使用烟气对配合料和碎玻璃的混合物进行预热是提高能效、减少CO2排放量的最佳可行技术之一。据报预热配合料和碎玻璃之后，每吨玻璃可减排45 kg CO2。

预热原料仅限于预热碎玻璃或含有40%以上碎玻璃的配合料，否则会出现配合料结块或扬尘的问题。使用粒状配合料则可消除这一限制，解决配合料飞散的问题，但这常需要使用预热器。必须注意的是，预热原料的做法不能用于电熔窑，因为电熔窑的烟气温度太低。

3.3 低碳燃烧/能源转换

革新的熔窑加热/燃烧技术包括多种不同的选择：

3.3.1 纯氧燃烧+热回收技术

纯氧燃烧最初是为所有类型的大型玻璃熔窑研发的，其目的之一是减少燃烧产生的氮氧化物排放（最高可减排70%～90%）。在纯氧燃烧熔窑中配上TCR（热催化转化）的热回收系统，在提高燃料效率的同时，还能减少CO2的排放。2014年9月在一个产量为50 t/d的瓶罐玻璃熔窑中示范应用了热催化转化系统，之后一直稳定运行。此项技术将纯氧燃烧烟气中的废热储存在蓄热床内，利用此种热能将天然气和循环烟气的混合物转化为热合成气，与氧气一起燃烧。这种技术除节能之外，据报每吨玻璃能够减排44 kg CO2。

3.3.2 电熔

电熔是玻璃生产中富有前景的脱碳路径。欧洲玻璃联盟列出的脱碳潜力中包括实行0～80%电熔或者全电熔。使用绿色电力进行全电熔能够消除化石燃料燃烧产生的CO2排放。然而，无论这项技术多么有前途，它的实施在今天仍然受到窑炉大小、玻璃组成和配合料中所含碎玻璃数量的限制。

虽然小型熔窑（小于200 t/d）已可使用电熔，但在平板玻璃或瓶罐玻璃生产中运行大型电熔窑（200～1000 t/d）仍在探索和验证。对于某些玻璃组成（例如用于制造连续玻璃纤维的E玻璃），一些技术方面的问题（与导电性相关）会限制满足E玻璃熔融所需热量的电能输入。

电力成本、熔化质量（尤其是碎玻璃含量高的情况下）和最终玻璃产品的质量要求是采用全电熔和进一步创新的主要障碍。为配合电熔，还需开发绿色电力。此外，电网的稳定性和供电的安全性也是熔制玻璃要考虑的基本因素，因为玻璃窑炉需要永久和稳定的能源供给，不能随着绿色电力的可供性波动而间歇性地操作。

3.3.3 使用生物燃料

生物燃料包括生物气体、固体生物质及其汽化产物。这些燃料目前还没有实现工业规模的应用，仅局限于示范项目。

试验表明，用生物气体部分替代天然气不会严重影响燃烧行为和产品质量。尽管天然气和生物气体在总热值等方面存在差异，但最高可实现30%的能量替代，而不会对燃烧行为和产品质量产生负面影响。现今主要的限制因素是玻璃行业对生物气体的所需量和可获量以及生物气体高于天然气的价格，所以生物气体尚不具备经济可行性。

3.3.4 使用氢燃料

用氢替代天然气大有前景。玻璃行业正在探索氢燃料熔窑。在电解过程中将水分解成氢气和氧气后，可直接使用氢气，或者将之加工为液体能源。这两种燃料都可用于玻璃（纤维）行业等高温加热过程。据称这些燃料是未来实行脱碳的强有力技术。假设完全使用氢气，CO2减排量最高可达75%～85%。

然而，任何替代燃料（尤其是氢气）都必须进行改进，因为氢气火焰的亮度远低于天然气火焰，这使得向玻璃熔体的传热效率大大降低。这尚需一些协调研究。另外，有文章认为，还需要数年时间才能达到足够的氢气生产能力和运输能力，使氢燃料熔窑具有竞争力。

3.4 碳捕集

为了解决在玻璃制造中的过程排放（目前估计在总排放量的15%和25%之间），碳捕集是供考虑的有趣手段，因为过程排放是无法通过能源转换来避免的。然而，碳捕集与封存（CCS）、碳捕集与利用（CCU）需要克服多种障碍才能作为一种选择。如今，它仅是一种理论脱碳潜力。欲使它到2050年成为大规模的解决方案，需要建立广泛的基础设施。考虑到玻璃行业多为小而分散企业的特点，CCS/CCU的实施受到限制，首先是技术限制（空间限制、酸性化合物的存在、低CO2浓度），其次是市场对碳的需求有限。

玻璃制造业减排潜力的总结见表1。