深度报告-2025-12-24-能源实验室-主要耗能行业节能技术指南_玻璃纤维行业的能源效率_63页_3mb

> **来源：[研报客](https://pc.yanbaoke.cn)** 主要耗能行业节能技术指南 # 玻璃纤维行业的能源效率 # 印记 《玻璃纤维行业能效——主要高耗能行业能效技术指南》报告是在“中德工业能效示范项目”框架内发布的。该示范项目作为德国联邦经济与气候行动部（BMWK）与中国国家发展和改革委员会（NDRC）之间中德能源合作伙伴关系的一部分，由德国国际合作公司（GIZ）GmbH与国家节能中心（NECC）联合实施，旨在通过提供能效措施和最佳实践，加强与私营部门的合作，以减少中国主要高耗能行业的碳排放。“支持江苏省低碳发展项目（第三阶段）”为其提供了联合资助，该项目由BMWK的国际气候倡议（IKI）提供资金，并由江苏省生态环境厅与GIZ共同实施。作为德国联邦企业，GIZ支持德国政府在可持续发展的国际合作中实现其目标。 中德能源与能效合作 Energiepartnerschaft DEUTSCHLAND - CHINA SUPPORTING THE LOW CARBON DEVELOPMENT 江苏低碳城市发展项目 本报告是该系列出版物中的第四份，旨在概述和分析包括机场以及纸浆和造纸、水泥、陶瓷和玻璃纤维制造业在内的关键部门的经济性措施，借鉴了德国和国际经验及最佳实践。 # 出版于 中德工业能效示范项目，作为中德能源合作的一部分，由德国联邦经济事务和气候变化部委托 太原外交办公大楼2-5，朝阳门外大街14号，北京100600，中国代理：德国国际合作公司（GIZ）有限合伙企业托尔斯滕·弗里茨凯特罗辛纳2号10963柏林 # 由 赫尔穆特·贝格尔，ALLPLAN GmbH，施温德加斯街道10号，1040维也纳，奥地利 # 作者 努希恩·沙赫里，托马斯·艾森胡特，曼努埃拉·法尔加丹ALLPLAN GmbH # 图片 据文件所述；Adobe Stock/ banana Republic（封面）Adobe Stock/ Cozyta（P9）Adobe Stock/ Cozyta（P13）Adobe Stock/ Banana Republic（P19）Adobe Stock/ Mynaral Kazakhstan（P31）Shutterstock/Hannu Rama（P66） # 项目管理 马克西米利安·里斯尔，袁振德国国际合作机构（GIZ）股份有限公司 北京，2022年9月 本报告全文受版权保护。本报告包含的信息是根据我们所能了解和相信的良好科学实践原则汇编的。作者认为本报告中的信息是正确的、完整的和最新的，但不承担任何错误（明示或暗示）的责任。本文件中的陈述不一定反映客户的观点。 # 前言 尽管面临重大的全球挑战，近年来我们在德国和中国看到了能源转型方面的重大进展。中国仍然是全球可再生能源装机容量最大的国家，而德国的可再生能源在净发电量中的占比首次超过 $50\%$ 。但尽管可再生能源的推广和发展在我们全球减缓气候变化负面影响的工作中发挥着重要作用，但仅靠这还不够，无法为人类保护一个宜居的未来。为了完成必要的能源转型，提高能源效率以减少工业、建筑和交通中的温室气体排放至关重要。特别强调提高工业生产中的能源效率，因为工业是世界上主要的耗能部门之一，约占终端能源消费总量的 $29\%$ 。 作为其能源转型的一部分，德国联邦政府为自己设定了到2045年在所有领域实现碳中和的目标。到本世纪中叶，德国的目标是将其一次能源消耗与2008年相比减少 $50\%$ 。为实现这一目标，德国采用了“效率优先”原则，旨在在可能的情况下优先考虑能源效率。 在类似的意义上，中国已将其能源革命战略（2016—2030）中将提高能源效率作为一部分。中国政府提出的第十四个五年计划旨在2021-2025年期间将能源强度降低 $13.5\%$ ，碳强度降低 $18\%$ 。这些目标是在碳排放在2030年前达到峰值和2060年实现碳中和的背景下设立的。为了实现这些雄心勃勃的目标，需要推动各行业的全面改革。 玻璃纤维行业是一个能源密集型产业，其单位能耗范围为每吨玻璃产品7.2至12.6吉焦。有多种措施——从玻璃回收到使用绿色氢能、余热回收和电气化——可用于减少该行业的化石燃料消耗和二氧化碳排放。值得注意的是，玻璃生产中总二氧化碳排放的15-25%是过程排放，即它们源自原料本身的化学反应，并且无法通过传统方法避免。因此，玻璃纤维行业的完全脱碳也要求部署碳捕获和储存等创新技术。 此处，中德国际合作为此贡献一份力量。本报告作为德国联邦经济事务与气候行动部（BMWK）、国家发展和改革委员会（NDRC）以及中国国家能源局（NEA）签署的中德能源合作项目的一部分而发布，该项目由德国联邦政府国际气候倡议（IKI）资助，名为“支持江苏省低碳发展第三阶段”。 这份报告是关于重工业部门能效措施系列报告中的第四份。它重点介绍了玻璃纤维生产这一非常耗能过程中的工序相关措施——聚焦于连续纤维丝的生产——并根据其实施潜力和有效性对这些措施进行了讨论。 我谨向所有参与专家和实施合作伙伴表达我的感谢，特别是中国的国家节能中心（NECC）和江苏省生态环境厅，感谢他们持续的支持。我真诚希望这项研究能够激发灵感，为寻找更节能的解决方案、引领我们走向更清洁的未来做出贡献。 马丁·霍夫曼 可持续转型集群负责人，GIZ中国 # 内容 # 1执行摘要9 # $\spadesuit$ 2 工业节能概述 12 2.1能量消耗与能效状态 13 2.2能源效率政策与管理 16 2.3能源效率措施概述 18 # $\spadesuit$ 3玻璃纤维行业概览19 3.1生产过程及工艺步骤描述 20 3.2行业节能现状与发展 23 3.2.1能源统计与基准—玻璃（纤维）行业 23 3.2.2 能量与物质流 26 3.2.3能源密集型工艺 27 # $\spadesuit$ 4 特定行业的节能措施 4.1优化助熔剂 30 4.1.1 基线情况描述及能耗 30 4.1.2改进建议措施30 4.1.3 潜在节能和温室气体减排 30 4.2玻璃（纤维）回收 31 4.2.1基准情况描述及能耗31 4.2.2改进建议措施 31 4.2.3潜在节能与温室气体减排 33 4.3富氧热催化重整（TCR工艺） 34 4.3.1基准情况描述及能耗 34 4.3.2改进建议措施 35 4.3.3潜在节能和温室气体减排 36 4.4热氧再生炉（Eco-HeatOx） 37 4.4.1基准情况描述和能耗 37 4.4.2改进建议措施 37 4.4.3潜在节能和温室气体减排 38 4.5 电动熔炼，电动提升 39 4.5.1基准情况描述及能耗 39 4.5.2改进建议措施 40 4.5.3潜在的节能和温室气体减排 4.6批量和碎料预热 42 4.6.1基准情况描述及能耗 42 4.6.2 建议改进措施 42 4.6.3潜在节能与温室气体减排 43 4.7低碳燃料 44 4.7.1基准情况描述及能耗 44 4.7.2改进建议措施 44 4.7.3潜在节能和温室气体减排 46 4.8基于模型的预测控制(MBPC) 47 4.8.1基准情况描述与能耗 47 4.8.2改进建议措施 48 4.8.3潜在节能与温室气体减排 50 4.9压力损失最小化 51 4.9.1基准情况描述及能耗51 4.9.2改进建议措施51 4.9.3潜在节能与温室气体减排53 4.10对未来发展的展望 54 $\spadesuit$ 5 结论 $\spadesuit$ 6 文学 # 图列表 图1：所选措施的能量节约潜力（kWh/t） 11 图2：选定措施的网络CO2减排潜力（kg CO2/t） 11 图3：TFC股份：左上欧盟，右上世界，右下中国 13 图4：TFC股份/行业 14 图5：ODEX指标-欧盟工业部门 15 图6：ODEX指标-德国工业部门 15 图7：玻璃熔炉的组件 21 图8：玻璃纤维成型方法 22 图9：欧洲玻璃生产子部门的产量份额（%） 23 图10：不同玻璃类型的单位能耗(GJ/吨)，(Leisin,2019) 25 图11：欧洲连续纤维玻璃纤维温室气体排放强度统计数据 26 图12：玻璃生产步骤 26 图13：氧气燃料燃烧炉（带/不带余热回收炉）与蓄热式空气-燃料燃烧炉· $\cdot$ 4.0-GJ/t·在300-t/d炉· $\cdot$ 50%木屑·）情况下的比燃料消耗量对比 34 图14：不同的热化学余热回收（TCR）工艺：（a）基准；（b）TCR+蒸汽锅炉；（c）TCR+熔渣预热器；（d）TCR+O2-再生器；RFG：回收烟气 35 图15：用于氧气燃料炉的Eco-HeatOx工艺 37 图16：玻璃熔炉（Wallenberger、Watson和Li，2001）…39 图17：电熔和增温（Stormont，2010） 40 图18 批式预热系统Nienburger型的基本概念（Barklage-Hilgefort, 2009） 42 图19：电解的过程和应用 45 图20：典型的炉前控制系统（Grega，Pilat，&Tutaj，2015） 47 图21：熔炉玻璃调温过程高级控制系统MPC——模型预测控制（Grega,Pilat,&Tutaj,2015）49 # 表格列表 表1：欧洲玻璃生产量（吨）（欧盟28国，不包括隔热玻璃纤维，2020年） 23 表2：2005年欧盟连续玻璃纤维安装和熔炉 24 表3：产品基准 25 表4：单位能耗及各子过程能耗占比 27 表5：玻璃纤维行业节能措施 29 表6：措施的关键事实——优化助熔剂30 表7：德国玻璃生产原材料 31 表8：措施一玻璃纤维回收的关键事实 33 表9：措施——富氧燃烧——总碳强度关键事实 36 表10：措施关键事实 - 陶瓷再生式（Eco-HeatOx） 38 表11：措施——电动助推的关键事实 41 表12：措施关键事实-批次和碎料预热 43 表13：电解和甲烷化技术的现状与发展 46 表14：措施——低碳燃料的关键信息 46 表15：措施关键事实——基于模型的预测控制(MBPC) 50 表 16：措施——压降最小化关键事实 53 表 17：玻璃生产中减排的技术潜力 56 表18：概述关键 $\phi a k T b i$ 57 缩写 BAT 最佳可用技术 BM 基准 BREF 最佳可用技术参考文档 CaO 氧化钙 CCS 破捕捉与封存 CCU 破捕获与利用 CFF 连续长丝纤维 EEA 欧洲环境局 ETS 排放交易体系 欧盟 欧洲联盟 有限元分析 有限元模型 GAE 欧洲玻璃联盟 GHG 温室气体 GJ 吉焦 IEA 国际能源署 IGES 全球环境战略研究所 IPI 工业生产指数 ISO 国际标准化组织 JRC 联合研究中心 千瓦时 千瓦时 拉加 德国废物工作组 (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall) MBPC 基于模型的预测控制系统 MJ 兆焦耳 Mt 百万吨 Mg 超级克(等同于一吨) 兆瓦时 兆瓦时 非政府组织 非政府组织 运维 操作与维护 ODEX 能源效率指数目标 PEM 聚合物电解质膜 π 比例积分 PID 比例积分微分 PtX 电力到X技术 研发 研究与发展 RFG 回收烟气 SCADA 监督控制与数据采集 SOEC 固体氧化物电解池 TCR 热催化重整 TFC 总最终消费 TRL 技术就绪水平 联合国环境规划署 联合国环境规划署 WHR 余热回收 工业部门能效提升是减少总能耗和温室气体排放的有力且高效手段，考虑到以下事实： TFC大部分（总最终能源消耗）归因于工业部门，对应28.6%（世界平均水平）甚至48.3%（中国）（国际能源署，国际能源署数据和统计，2018） - 流行的较大份额 工业能源消耗中的化石燃料 (TCF)-全球范围（10%石油产品，20%天然气，近30%煤炭）和中国（约5%石油产品，7%天然气，50%煤炭）（IEA，IEA数据统计，2018）， 显著的杠杆效应由于相对较少的角色在工业部门（单个工业企业即可实现大幅节能，与针对其他部门的措施形成对比） 目前具有相当高的水平的潜力 未开发的能源效率 ，以及 额外好处增强了竞争力，生产流程更顺畅，停机时间减少，对效率产生积极影响，涵盖所有资源：水、空气、土壤和材料。 哪些是下列措施的前提条件)到设备变更、流程集成和替代流程的应用。下列指南侧重于与流程相关的措施玻璃纤维行业，这些措施的选择基于其可实现的潜力/适用性（重点关注中国）以及其有效性（与可实现的收益相比必要的改变/投资成本）。数据来源不仅包括国际和当地研究/分析，还包括基于专家经验进行的估算。 “的定义 玻璃纤维 行业并不总是统一应用。它主要包括连续纤维丝 (CFF)，有时也包括玻璃棉和岩棉的生产。CFF 以多种形式生产和供应：纱线、片材、切碎丝、纺织品（纱）、组织物和磨碎纤维。主要最终用途（约 $90\%$ ）是复合材料（玻璃增强塑料，GRP）的生产，通过增强热固性和热塑性树脂来实现。 在欧洲，最成功的提高能效的措施范围包括基准值的适用，既适用于新设施的许可（另见所述的最佳可得技术）。BAT文件），以及确定自由分配份额的参考值欧洲碳排放交易体系欧盟ETS自2005年起实施，是一个总量控制和交易制度。目前它覆盖了大约11,000家重型能源用户，包括发电站、工业企业和航空公司，这些企业共同承担了参与国约 $40\%$ 的碳排放量。初步结果表明，迄今为止，该计划已显著有助于整体减排，并在2005年至2019年期间导致了约 $35\%$ 的减排。为实现欧洲绿色协议中定义的到2030年温室气体减排 $55\%$ 的总体目标，还需要进一步努力。另一个重要的政策工具是大型企业必须每四年进行一次外部能源审计，或者根据要求实施能源或环境管理系统。能源效率指令(202/27/eu指令及其2018年的修订) 本报告重点介绍CFF的生产，并讨论所有玻璃生产设施（包括平板玻璃和瓶玻璃的生产）都共同面临的主要能源相关问题。在欧洲，仅大约80万吨玻璃纤维的产量，这相当于整体玻璃产量的不到 $3\%$ 单位能耗每吨玻璃纤维在欧洲是2兆瓦时，其中约 $80\%$ 可归因于熔化和澄清的子过程。 本指南包含生产玻璃纤维所执行的所有工艺步骤，包括配料准备、熔融和澄清、成形和精制。 以下节能措施被确定为最有前景的，在本指南中详细描述： 优化助熔剂 玻璃纤维回收 富氧-合成空 - 富氧燃烧再生炉（生态热氧） 电熔，电提 批次和碎料预热 低碳燃料（H2，O2） 基于模型的预测控制(MBPC) 压降最小化。 能效措施范围从“简单”的良好管理和控制系统的使用（两者都） 在评估终端能源消费（电力和热能）方面的能源效率潜力时，必须始终与相关性紧密联系起来。温室气体减排，这意味着实际温室气体减排影响强烈取决于实际燃料替代并且用于发电的能源来源。这一点尤其适用于所有燃料转换项目，以及用电炉替代燃煤炉的措施。鉴于目前电网排放因子普遍较高，转换为电炉会导致负的CO2平衡。然而，如果使用低排放的电力来源，结果可能会有较大变化。 需要付出努力才能实现更大规模的脱碳化。从长远来看，碳捕集技术和氢气、合成气和沼气的使用预计将对二氧化碳减排做出重大贡献。 能源和二氧化碳的节约量是根据特定假设（显示在各相应部分）计算的，并且如果不是另有说明，则基于IPCC的气体排放因子（0.202吨CO2/兆瓦时）、煤炭排放因子（0.335吨CO2/兆瓦时），以及来自IGES数据库的中国平均电网排放因子（0.618吨CO2/兆瓦时）进行计算。（https://www.iges.or.jp/en/pub/list-grid-emission-factor/en） 除了目前已有的技术以及如余热回收、工艺优化和增加废料使用等CO2减排策略之外， 以下图表总结了可预期能源节约和由此产生的净二氧化碳节约。压降最小化导致相对较小的减少，无法以下方比例表示。 图1：选定措施的能量节约潜力（kWh/t） 图2：选定措施的单位CO2减排潜力（kg CO2/t） 1 目前由于发电排放导致电力助推的负储蓄。 # 2 工业能源效率概述 # 2.1 基线情况描述及能耗 行业是之一 主要耗能行业 全球范围内。这体现在以下图表中，这些图表展示了最终总消费（=TFC）的份额： 图3：TFC股份：左上EU，右上世界，右下中国 TFC全球占比(2018) TFC中国(2018)的份额 来源：(IEA, IEA 数据和统计, 2018) 关于工业中使用的能源来源，不同能源的相对重要性在不同国家之间差异很大——特别是在煤炭和天然气方面。 图4：TFC份额/行业 来源：(IEA, IEA 数据和统计, 2018) 工业领域中的能源效率被认为是减少总能耗和温室气体排放的最有力措施之一——这不仅是因为工业部门规模庞大且重要，还因为与其他部门相比，参与其中的行为体相对较少。因此，一个工厂的能效变化会导致相对较大的节约。 然而，超过一半的减少是由于经济衰退导致的整体工业活动下降造成的。近年来节能效率有所提高（每年约 $1\%$ 的利率），但仍然低于21世纪初的水平。这可以部分解释为大型设备未满负荷运行——效率较低——以及部分能源消耗相对固定且与生产水平无关的事实。（弗劳恩霍夫ISI，2018） 在欧盟，工业能源消耗自2007年以来已显著减少。 2"ODEX"(能效指标目标）是在部门层面（家庭、工业、交通）得出的，并根据各子部门（或最终用途）在部门能源消费中的份额，对子部门的特定消耗指数进行加权。在工业部门，ODEX是根据每吨钢铁、水泥和纸张的特定消耗量以及其他部门按工业生产指数（IPI）的消费量，在14个行业层面得出的。 总体能源效率进步可以通过不同的指标来衡量。其中之一是ODEX指标 2该指标衡量部门层面的生产活动中能源消耗（物理消耗，而非财务消耗）。 该指标用于欧盟的不同工业子部门，并在下图中显示。 图5：ODEX指标-欧盟工业部门 来源：(Bruno Lapillonne, 2018) 很明显，自2000年以来，整体能源效率每年提高了约 $1.4\%$ （或自2000年以来累计提高了 $17\%$ ）。然而，自经济危机以来，提高的速度放缓了。例如在德国，这种效应更为明显： 图6：ODEX指标-德国工业部门 来源：(弗劳恩霍夫协会，2018) 有若干研究涉及目前全球现有的相当大的能源效率潜力。例如，来自IEA（2007年）的研究，在UNEP最佳实践和案例研究分析中引用，显示总潜力高达600-900Mtoe/年，并每年可节约1,900-3,200MtCO2，基于商业、经济有效的成熟技术。 (fawkes, 2016)。这些数据对应全球工业能源使用改进潜力约为 $18 - 26\%$ ，以及全球工业部门co2排放改进潜力为 $19 - 32\%$ 。预计最高潜力将出现在化工、钢铁、水泥和造纸行业。 # 2.2 能源效率政策与管理 通常，政策选择可以归类为“汽车-腐烂”（使期望行为更具吸引力，在这种情况下提高能源效率的激励措施）和“棍子”（未达到相关目标的公司处罚）。这些政策选项可以采取监管措施、财政/金融政策和信息/能力建设（Fawkes，2016）的形式。在欧洲的工业部门，最重要的工具和措施是最佳可用技术的定义、欧洲排放交易机制以及应用能源审计的义务。 对标行业内效率最高的工厂的另一个应用可以在...内找到欧盟排放交易体系，自2005年起运行。该市场机制以cap-and-trade系统设计，旨在以最具成本效益的方式减少整体温室气体排放。这意味着为所有覆盖的设施（目前包括约11000个高耗能设施，如发电厂、工业企业和在这些国家之间运营的航空公司）设定了特定的上限，这些设施共同承担了参与国家约40%的整体排放。 这项配额规定了该系统涵盖的所有设施可以排放的温室气体的总量。“排放配额”须由公司每年缴回，以完全覆盖其实际排放量。部分配额通过一个考虑相关行业的历史排放量以及参与企业中排名前 $10\%$ 的企业的排放水平（基准比较）等其他因素，分配给公司。这种差额（无论是盈余还是短缺）都可以在市场上进行交易。 同一行业的不同生产点存在不同的能耗/能效数据，这取决于所应用的技术、工厂的规模及其运营情况。检查不同生产点的最有力方法之一是将其实际消耗与行业能源基准进行比较，以及更广泛地——它们各自与最佳可用技术（BAT）： 在欧洲，例如，有参考文件描述工业子部门的最佳可用技术，称为BREFs，这些文件遵循欧盟工业排放指令的要求 .这些结果不仅涵盖了能源消耗性能，还包括了与空气、水和土壤排放的相关性，以及资源效率。它们源于行业代表、非政府组织、欧盟成员国和欧洲委员会之间的讨论，并在欧洲IPPC局的网站上发布，网址为https://eippcb.jrc.ec.eu-ropa.eu/reference。根据这些结果，新安装的设施必须符合BAT标准 并且相应的排放水平从开始运行时。现有安装必须在BAT结论公布后4年内进行调整。 初步结果表明该方案达到了其目标。排放物在2005年至2019年期间，被覆盖的设施减少了约 $35\%$ 为了实现更高更稳健的碳价，“市场稳定储备”于2019年引入。随后欧洲绿色协议 ，欧盟目标是整体温室气体排放 到2030年减少 $55\%$ 在此包中，能源效率被指定为首要关键目标，因为它被认为是减少温室气体排放和降低能源成本的一种最容易的方式。因此，欧盟设定了至少具有约束力的目标到2030年，能源效率提高 $32.5\%$ 与“常规业务”情景相比。此外，新的目标为re- 工业排放指令（IED，2010/75/EU） 该文件包含关于根据新/现有工厂和其他限制因素制定的能源效率措施（除材料效率、各种物质的排放水平、废料和噪音外）的应用流程描述和最低流程要求。要求包括但不限于：流程优化、定期维护、炉膛设计和熔炼技术的优化、燃烧控制技术的应用、增加碎料使用水平、使用废热锅炉进行能量回收、使用批料和碎料预热 欧盟国家，挪威，冰岛 在2015年巴黎气候协定之后，欧盟承诺到2030年与1990年相比，实现至少40%的温室气体减排。为了实现这一目标并为进一步能源转型铺平道路，欧盟委员会于2016年提出了新的、更雄心勃勃的规则，称为《面向所有欧洲人的清洁能源包》。 新能源份额关于总最终能源消费的目标已设定为至少 $32\%$ （欧盟委员会，2018年，最后更新日期为2020年12月）。在这方面，欧盟排放交易体系（EU-ETS）的修订和可能扩张目前正在讨论中。 所有质量/环境过程，在标准ISO50001中应用已建立的管理工具和流程可以是一种选择。 对任何节能项目而言，重要的是 监测与核实应用，因为这为验证所实现的节约奠定了基础。对于那些希望扩展其知识基础并将能源管理融入其 在欧洲，大型企业要么必须应用此类能源（或环境）管理体系，要么必须按照要求每四年进行一次能源审计。节能指令（2012/27/EU指令及其2018年的修正案） # 2.3 能源效率措施概述 达到（理论）热力学所设定的能量效率极限并不预期，但仍然存在限制，特别是由于持续的实践和成本限制。随着“低垂的果实”被采撷得越多，识别进一步可行的节能潜力的难度就越大。在“能源成熟度模型”（引自：(Fawkes等人，2016)中区分如下： 及其优化对几个工业部门很重要，但这些不在本指南的范围内。这也适用于考虑工业企业建筑状况对能源消耗的影响的需求。沿着整个生产过程的相关措施可能是不同行业的可行选择，并在特定行业指南中解释（Fawkes，2016）。这些措施可以包括： - (良好的)房屋管理 包括维护、常规检查、所有设备的正确安装、根据实际需求设备的正确尺寸、确保适当的绝缘等。 - 控制系统应用 涵盖例如温度控制限值、减少过量流量、使用变频驱动器、使用预防性维护 ·S简单修改设备变更 - 过程集成 使用热交换器、闭式循环系统或废热回收（WHR）和 - 替代工艺 例如联合热电厂、应用动态仿真和预测控制，或应用新的工艺技术 - The 蒸汽系统优化 (最小化热变换次数，预热水或空气，使用高效能热交换器设计，最小化/优化同时加热和冷却) - 优化 冷却和制冷 - 识别效应 水质 (mineral salts, dissolved gases etc.) on water quality/treat-ment requirements 安装 热电联产替代高温热损失 - 应用 热回收 无论在公司内部，还是对相邻的热用户或区域供暖系统 - 使用 余热发电 用于具有高温废热的工业过程 - 将生产废物转化为 能量 source (筛选完可重复使用或回收的选项后) 能量成熟度越高，潜在节能效果就越高，但相关的努力、知识、复杂性和商业风险也会增加。因此，所有节能项目都应从简单和低能量成熟度的方面开始。改进如电机、变频驱动等单一跨领域技术 # 3 # 玻璃纤维行业概述 以下章节介绍了玻璃纤维行业的整体生产流程及其与整体能源消费的相关性，以及欧洲生产和能源消费相关数据的统计概述。 # 3.1 生产流程及工艺步骤说明 欧洲玻璃行业协会（玻璃联盟欧洲）沿着五个主要子部门构建从这些中，有一个较小的与玻璃纤维生产有关（http://www.glassfibreeurope.eu/）。 值得注意的是，不同研究中玻璃生产子行业的分类并不完全一致，尤其是玻璃和岩棉产品经常被归类到不同的行业。(Zier Michael, 2021) # 玻璃纤维生产包括 - CFF, 具有高机械强度的材料 低电导率，例如用于 轻型汽车应用（例如车辆底盘、车身、车门） 连续纤维玻璃纤维以多种形式生产供应：粗纱、无纺布、切碎的纤维、纺织（纱线）、组织纸和研磨纤维。其主要最终用途（约 $90\%$ ）是通过增强热固性树脂和热塑性树脂来生产复合材料（玻璃增强塑料，GRP）。（斯卡莱特比安卡玛丽亚，2013） 压缩气体储存（例如电动汽车的氢燃料箱） 风力涡轮机（例如涡轮叶片），和 航天工业(美国。部门) 能量，能源效率与可再生办公室 能源，2017）以及 - 玻璃和岩棉用于建筑中的隔热 tion行业和 - 通信用光学玻璃纤维 产业。 后者应用利用了玻璃纤维的典型特征，例如高纯度、耐高温和非常高的抗热冲击性。 尽管不同的玻璃子行业在生产成分和处理技术方面存在差异，但它们的主要工艺步骤是相同的，包括： 批量制备， - 熔化和精炼， - 成型，和 ·完成。 在以下内容中，将解释与所有类型玻璃产品相关的主体生产阶段。 # 批量制备 批量制备的目的是将干式原料（二氧化硅和添加剂）适当且均匀地混合，以确保获得足够质量的玻璃熔体。此阶段的问题会导致熔化时间延长并引发最终产品质量问题。批量制备包括各成分的粉碎、筛分和储存。为了减少粉尘并确保均匀性，干式原料 （以及废料，如适用）用水（按重量计2-4%）润湿。批处理所需的电力仅占总能耗的一小部分。它用于为抓斗提升机、气动输送器和批混合机等设备供电。（齐尔·迈克尔，2021） # 熔化和精炼 熔化和澄清是玻璃生产的核心过程，应该得到一个热和化学均匀的熔体，不含有结晶或气体夹杂物或其他杂质。它发生在由耐火材料制成的熔融炉/熔融槽中，温度在 $1200 - 1600^{\circ}\mathrm{C}$ 之间。(Zier Michael, 2021) 用于生产玻璃纤维（光学玻璃纤维除外）的玻璃熔炉设计为连续式熔炉。这意味着原料从一端投入，熔融玻璃从另一端取出。 # 连续炉的典型特征是： - 储罐（由耐火材料制成）是连续 在长达5至15年的生产活动中，混合批次被持续充电。 - 目前熔炉使用化石燃料（主要是天然） - ural gas（很少也用油） 使用预热空气或氧气燃烧。 - 不同的过程步骤在不同的地方发生 炉膛的各个部分。 - 熔炉熔化能力（玻璃拉引）通常 以每天（24小时）熔化的（公制）玻璃吨数表示。根据毛皮- 根据所生产的玻璃种类，拉力可以从每天20吨变化到每天超过700吨（对于玻璃生产而言）。（Hubert, 2015） - 火焰方向可以是交叉加热或 脸热的 - 不同类型的烟气余热回收 (recupera - tive或regenerative) 将在第 4 章中详细解释。 我们区分 粗略熔化过程 和 精炼熔化过程 在粗熔过程中，引入的批次在高温下分解。产生的玻璃熔体非常不均匀，并夹有气体气泡。在后续的精熔部分，熔融玻璃被精炼。这意味着熔融玻璃被均匀化并除去了气体气泡。熔融玻璃在熔化池中的停留时间取决于所需的玻璃质量。最后，玻璃熔体被转移到熔化池的单独区域，在那里它冷却并达到适合成型的粘度。(Leisin, 2019) 以下图表显示了玻璃熔炉的主要组成部分： 图7：玻璃熔炉的组件 来源：（Hubert，2015） 关于特殊炉型的详细信息，请参阅第4章的相应部分。 # 成型和精加工 通过熔炉后，熔融的玻璃被塑形。对于玻璃纤维来说，存在三种工艺： 喷嘴绘图流程 该工艺用于用于增强印刷电路板和塑料的连续纤维，或作为纺织品添加剂。在该工艺中，熔融玻璃从玻璃熔炉输送到由铂和铑制成的熔炉中。熔炉底部有喷嘴，玻璃从中流下。为了确保恒定温度，电流通过熔炉加热熔融玻璃。emerging的玻璃丝缠绕在滚筒上。丝线的厚度由滚筒的转速决定。它介于5至 $20\mu \mathrm{m}$ 之间，大约与灯泡中的丝线一样厚。在某些情况下，在缠绕之前，丝线被纺成一股。(EnArgus, 2021) 喷嘴吹扫过程 在这个过程中，生产出较短的玻璃纤维。它们用作绝缘纤维。与喷嘴拉伸过程一样，熔融玻璃通过由铂和铑制成的管状喷嘴。在槽下，丝束被气流或蒸汽进一步打碎并驱送到所需长度。然后它们被酚醛树脂喷涂。纤维传递到传送带上，并在干燥炉中干燥。然后它们被切成块状并压制成片。(EnArgus, 2021) 离心过程该工艺用于生产玻璃棉。在生产过程中，熔融玻璃通过一个旋转管。管道末端有一个带有孔的篮子。旋转力使玻璃通过这些孔。同心排列的燃烧器将玻璃纤维分离。然后，纤维按照喷射工艺进行处理。(EnArgus,2021) 图8：玻璃纤维成型方法 来源：(EnArgus, 2021) 完成步骤是指表面处理和涂层的应用，称为“上浆”。具体的处理方法取决于产品的类型，在本指南中不作进一步讨论。 # 3.2 该领域的能源效率现状与发展 本章进一步解释了欧洲玻璃（纤维）行业的能源消耗和能源效率现状，并概述了 与此部门相关的重大耗能过程。 # 3.2.1能源统计和基准—玻璃（纤维）行业 欧洲整体玻璃生产总量达到3600万吨，包含不同的子部门/产品，最大的是容器玻璃和平板玻璃。玻璃 纤维产量占比较小：约0.8百万吨，相当于总体玻璃产量的 $2.4\%$ 图9：欧洲玻璃生产子部门的产值占比（%） 来源：(WKO,奥地利玻璃工业协会,2019年) 下表提供了欧洲国家玻璃生产概况，总生产产量约为每年36Mt。 表1 欧洲玻璃产量（吨）（欧盟28国，不包括隔热玻璃纤维，2020年） 玻璃类型 集装箱平板玻璃 玻璃 [未加工] 国内 玻璃器皿 连续 增强学习 纤维 特殊 玻璃 其他 总 生产 22331000 10773000 1132000 853000 542000 220000 35851000 明显 消耗 22477968 10374663 1151670 1238412 532899 539359 36314971 输出欧盟外出口 1186884 882961 307251 188785 19781 594684 3180346 IMPORTS 超 欧盟 1333852 484624 326921 574197 10680 914043 3644317 进出口 0.9 1.8 0.9 0.3 1.85 0.65 0.87 进口渗透率 5.9 4.5 28.9 67.3 19.7 415 10.2 来源：(欧洲玻璃联盟，2021) 下表显示了截至2005年欧盟成员国中的连续纤维安装数量和熔炉数量9.生产量从较少 超过50吨/天（11），到中型（50-100吨/天），以及每天超过100吨的大型炉窑。 表2：2005年欧盟连续玻璃纤维安装和炉窑 成员国 安装数量 熔炉数量(2005年运行中的数量) 德国 3 5 比利时 2 5 捷克共和国 2 4 法国 2 4 意大利 2 3 芬兰 1 3 斯洛伐克 1 3 荷兰 1 2 United Kingdom 1 2 西班牙 1 2 拉脱维亚 1 1 总计 17 34 来源：(Scalet Bianca Maria, 2013) 单位能耗被定义为生产一单位产出所需的能源投入。在玻璃生产的情况下，这一数字与“生产一吨玻璃”相关。根据科学文献中的讨论，必须强调的是，“一吨玻璃”这个术语并不统一使用——它指的是一吨熔化玻璃或一 吨装。由于碎玻璃或玻璃不适合销售，数字可能会有较大偏差。废纤维和排玻璃可能占工艺输入的 $10 - 30\%$ （每吨玻璃纤维产品有60250千克玻璃纤维废料和1-13千克的粘合剂废料）。（Scalet Bianca Maria, 2013） 尽管来源相对较旧，整体生产场地似乎仍然保持着相同顺序，目前的分配数量也指明了17个设施（术语"设施"指的是执行欧盟ETS指令附件I中所列一项或多项活动的技术单元） 下列图表显示了不同玻璃类型的平均单位能源消耗，范围为7.2-12.6 G J/吨（2.0-3.5 MWh/吨）。 主要能源消耗（约 $80\%$ ）归因于热能。 图10：不同玻璃类型的单位能耗（GJ/吨），(Leisin, 2019) 每项减少总体（最终）能源消耗的尝试最终都针对更广泛的目标温室气体减排这可以通过多种方式实现，包括提高能效以减少最终能源消耗、燃料转换以及在本文指南后续章节中描述的其他举措。 下表显示了欧盟ETS（欧盟委员会，2021年）中玻璃产品的不同产品基准的当前水平，单位为每吨产品吨二氧化碳。此外，该表还呈现了效率最高的 $10\%$ 的安装设备的平均排放值。通过比较效率最高的安装设备和基准值，可以看出还有进一步减少二氧化碳排放的空间，各安装设备之间存在显著差异。 表3：产品基准 产品基准 10%最高效的平均值 2016年和2017年的安装 (t CO2等价物/t) 基准值（津贴/吨） 用于2021-2025年 浮法玻璃 0.421 0.399 瓶子与罐子 0.323 0.290 无色玻璃 瓶子与罐子 0.265 0.237 彩色玻璃 连续丝 0.290 0.309 玻璃纤维制品 来源：（欧洲委员会，2021年） 下图显示了欧洲CFF生产场的温室气体排放强度： 图11：欧洲连续纤维玻璃纤维温室气体排放强度统计数据 来源：（欧洲委员会，2021年） 蓝线显示了欧洲连续filament玻璃纤维生产商的实际GHG排放强度，红线显示了当前欧盟ETS阶段2021-2025的基准值(BM)。所有生产设施的平均GHG排放强度为2016/2017年的0.492吨CO2e/吨，而效率最高的10个生产设施的平均GHG排放强度仅为0.290吨CO2e/吨。这意味着“平均水平”的生产商仍有改进空间（或购买排放证书的需求）。 在温室气体（GHG）的背景下，另一个值得提及的事实是过程排放的相当份额。根据具体的矿物和当地地质条件，大约为 $15 - 25\%$ 全部二氧化碳排放中的一部分是工艺排放。这些排放与燃料输入无关，而是石灰石、白云石或菱镁矿等原材料中碳酸盐分解的固有产物。这些排放是煅烧过程的一个自然副产品，并且无法避免（如果不改变输入的话）。(欧洲玻璃联盟，2021) # 3.2.2 能量与物质流 如下图表概述了主要的能源和材料流动。外部cullet指来自其他行业的cullet，内部cullet指破碎 从该过程中获得的玻璃。箭头描绘了能量输入和大致的温度水平（红色箭头：热能，蓝色箭头：电力）。 图12：玻璃生产步骤 来源：改编自(Zier Michael,2021) 10 根据生产的几个参数，尤其是废料使用率 # 3.2.3 能源密集型过程 为了确定具体的节能潜力和措施，第一步之一是识别主要的耗能过程。 不同来源对玻璃纤维生产提供了不同的平均单位消耗数据。可以假设这些差异是由于以下事实造成的： 不同的玻璃纤维分组方式（有/无绝缘材料) - 不同“一吨玻璃”（熔化）的定义或者准备出售的），以及 - 不同燃料的使用；废料使用率等。 然而，以下数据可以粗略地表明单位能源消耗和子流程的份额。它们也强调了热能消耗对电力消耗的支配以及聚焦于熔炼和精炼过程步骤 with a share of 约 $80\%$ 的总能耗 在欧洲，主要的燃料是天然气（占总热能的 $97\%$ ）。 表4：玻璃制造每个子过程中的单位能耗和能耗份额 电能 热能 GJ/t 玻璃 kWh/t 玻璃 分享(%) 批量准备 y n 0.195 54 3% 熔化与精炼 y y 5.4 1,500 81% 塑形 y n 0.26 72 4% 后成形加工 y y 0.845 235 13% 总数 --- --- 6.7 1,861 --- 来源：(齐尔·迈克尔，2021) 如上表所示，主要能耗份额可归因于炉子。具体份额因产品类型和具体生产步骤而异（参见前一章）。对于玻璃纤维，后处理和整理（如玻璃纤维干燥和纺织加工）也可能根据具体产品导致相当大的能耗。 然而，对于所有玻璃类型，熔化和澄清步骤是燃料（主要是天然气）供应的热能的最大消耗者，而电能则适用于所有子步骤（尽管程度要低得多）。 根据bat文件，影响单位产品能耗的主要因素包括： - 炉膛容量：较大的炉膛更 因表面积与体积比更低而节能。 - 加热炉产量：大多数加热炉达到 在峰值负载下实现最节能的生产。 - 熔炉的年龄：熔炉越老，就越高 特定能源消耗（比活动开始时高 $20\%$ ）。 - 使用电动助推（参见第4.5章） ·(增加)使用废料玻璃(见第4.2章)。 - 富氧燃烧（参见第4.3章和第4.4章）（Scalet比安卡·玛丽亚，2013） # 4 特定行业能源 效率措施 表5列出了本章提出的能源效率措施。每章都解释了基准情况、措施及其在节能和温室气体减排方面的潜力。 由于熔化和精炼对所有类型玻璃产品能源消耗占主要份额，因此重点放在了这个子步骤上。 表5：玻璃纤维行业节能措施 章节 测量 过程 4.1 优化助熔剂 批量准备 4.2 玻璃（纤维）回收 批量准备 4.3 氧燃料-TCR工艺 熔炼与精炼 4.4 富氧燃烧炉蓄热式（Eco-HeatOx） 熔炼与精炼 4.5 电熔，电提 熔炼与精炼 4.6 批量和碎料预热 熔炼与精炼 4.7 低碳燃料(H₂, O₂) 熔炼与精炼 4.8 基于模型的预测控制（MBPC） 调质和成型 4.9 压降最小化 尺寸和表面处理 # 4.1 优化助熔剂 # 4.1.1基准情况描述及能耗 助熔剂被添加到原料混合物中，以降低批料的熔化温度。主要使用如纯碱（Na2CO3）或氧化钾（K2O）等碱氧化物。在德国，玻璃生产中最广泛使用的助熔剂是纯碱，它反应生成二氧化钠 在玻璃制造过程中(SO2)。纯碱是一种稀有材料，因此通常通过索尔维法人工生产。纯碱仅占总原料重量的约 $13\%$ ，但它占原料成本的 $70\%$ 。(Zier Michael, 2021) # 4.1.2 改进建议措施 建议的措施是用其他助熔剂替代纯碱，即仅在过去5-10年内使用过的锂化合物。 与纯碱相比，锂能降低粘度和热膨胀，由于其化学性质（较小的离子半径和较高的离子势），从而产生更好的熔化效率和/或更大的有效炉膛容量。（工业产品效率研究所，2021） 锂化合物据报道具有较低的熔点温度和相应的较低的热 # 4.1.3 潜在节能和温室气体减排 考虑熔炉平均节能 $8\%$ ，这将导致每熔化一吨玻璃节省120kWh能源。 表6：措施的关键事实——优化助熔剂 测量仪关键特性——优化助熔剂 投资成本: n.a. (纯碱与锂化合物的成本差异) 节能:(热) 炉能耗降低5-10% : 120 kWh/t玻璃 CO2缓解: 24 kgCO2/t玻璃 优势: 熔点较低,能量需求较低改善成形性能和更好的玻璃质量与纯碱相比的成本优势 缺点: - # 4.2 玻璃（纤维）回收 # 4.2.1基准情况描述及能耗 一般来说，存在种类繁多的玻璃产品，具有不同的材料性能，相应地也有不同的输入材料。如图所示 下表所示，玻璃纤维的产品组成与其他产品领域（如容器玻璃和平板玻璃）差异很大： 表7：德国玻璃生产的原材料 SiO2[wt%] Na2O[wt%] CaO[wt%] MgO[wt%] Al2O3[wt%] K2O[wt%] 容器玻璃 71-73 12-14 8.5-12 0-3.5 1-3 0-1.5 平板玻璃 70-73 13.5-14 8.5-9 0-5 0.3-1.5 0.3-1.7 玻璃纤维 52-65 16-25 0-5 12-16 来源：（齐尔·迈克尔，2021） 除了原料外，玻璃混合物中还加入了内部和外部的cullet（如图12所示）。内部废料指的是因开裂、缺陷或其他质量问题而未能通过质量检测、无法用于销售的产品。因此，内部碎料与最终产品具有大致相同的特征。外部废料是从废旧玻璃或其他工业中收集的。大多数玻璃行业常规回收所有内部碎料。容器和玻璃棉行业使用内部和外部碎料。对于玻璃纤维行业，使用内部碎料受到“质量限制”的限制，在2013年最新的BAT文件中，外部碎料的使用仅限于矿物棉行业的某些应用。(Scalet Bianca Maria, 2013)。同时，存在不同的应用。这些应用概述如下。 玻璃纤维报废废物（尤其是复合材料）的消费/工业产品经常被填埋以分解。这为可持续再利用和回收提供了相当大的优化潜力。例如，在德国，玻璃纤维复合材料（汽车仪表板、保险杠）大多是粉碎并用于热处理。对于风力涡轮机的旧转子叶片，已建立合适的处理系统，在水泥厂中进行结合能源（树脂）和材料（玻璃）回收——树脂用于能源目的，玻璃作为材料输入。在回转窑中，二氧化硅完全集成到水泥熟料中，从而进入一种新产品。然而，玻璃纤维废物的可利用份额有限，并且只有在替代其他二氧化硅来源的情况下才可能实现。（LAGA，2019） # 4.2.2 改进建议措施 玻璃回收（无论是破碎的还是使用后的最终产品）包括： - 在生产过程中（增加）使用废料（无论是内部的还是外部的废料），和 - 报废玻璃纤维的回收利用 - 姿势。 两种措施都通过减少原料投入和单位能耗来提高材料效率。第一种措施直接影响玻璃纤维生产的能耗，其中一 由于第二点与玻璃纤维生产过程没有直接关系，而是与整体资源效率的提高有关。然而，这两个方面在整体脱碳路径方面都被认为很重要。 碎料所需的熔化能量低于原材料。这是因为在玻璃生产过程中所需的化学反应已经完成，且其质量低于等量的输入材料。 更高的废料比例也能带来其他好处，例如降低颗粒物排放，并提高熔炉产量。此外，废料比（原材料）批次更容易预热，熔炉的产量可以增加。另一方面，特别是使用外部废料时，始终存在杂质的风险，这可能会严重影响耐火材料并降低熔炉使用寿命；此外，成分和输出物理特性的控制减弱，可能导致质量问题。 关于回收在玻璃行业应用的具体数据主要集中在其他更大的子行业。例如，在欧洲的容器玻璃生产中，外部碎玻璃的使用率从不到 $20\%$ 到超过 $90\%$ 不等。内部碎玻璃也用于玻璃棉行业。 玻璃纤维回收是持续的研究，并成为减少材料损耗的一个更具吸引力的解决方案，如下面的案例研究所示。由于上述使用外部cullet的缺点，大多数应用仅限于在玻璃纤维行业中使用内部cullet。 案例研究：ElectricGlassFibreNL,B.V的玻璃纤维回收 电力玻璃纤维公司(NL)，B.V运营自己的回收站，用于内部回收，目前生产中使用了 $6 - 8\%$ 的回收材料。 公司的目标是回收所有他们的工艺废玻璃纤维，以避免生产损失。(R. Krijgsman, 2019) 案例研究：兰氏斯使用再生玻璃纤维 在安特卫普，公司Lanxess利用工业后循环中玻璃纤维生产的废料。对于三种不同类型的玻璃纤维增强聚酰胺-6混合物，他们按重量分别使用 $30\%$ 、 $35\%$ 和 $60\%$ 的回收纤维。这种材料特别适用于电动汽车前端、脚踏轴承支架或电池托架。(Konigsreuther,2020) 案例研究：使用回收液晶玻璃制造E-玻璃和玻璃棉 正在进行的研究也考察了特定类型玻璃回收的适用性。例如，LCD玻璃纯度高以确保高显示质量，因此适合用于回收。研究人员通过测量粘度和液相温度，分析了LCD玻璃用于E-glass和矿渣棉的情况。结论是对于E-glass 用液晶废料替代原玻璃在重量上可达 $25\%$ ，玻璃棉则可达 $20\%$ 的重量。自2010年起，液晶废料已被用于韩国一些E玻璃生产厂（Kim K.-D. H.-H., 2011） 12 E玻璃是最常见的玻璃纤维类型之一，是一种铝硼硅酸盐玻璃，含碱氧化物小于 $1\%$ （重量/重量），主要用于玻璃增强塑料。（维基百科） # 4.2.3 潜在节能与温室气体减排 使用再生材料通常不仅降低了生产过程的单位能量消耗，还提高了材料效率（即每单位输出所减少的原材料投入），并此外带来了如减少废物处理成本或努力等正面效应。 大致可以假设，再生玻璃比例每增加 $10\%$ ，熔炉能耗就减少 $2.5 - 3\%$ 。(Scalet Bianca Maria, 2013)。根据表4中的数据，这些数据假设总体能耗约为 $1500 \mathrm{kWh} / \mathrm{t}$ 玻璃，这意味着当废料使用量增加 $10\%$ 时，将减少 $45 \mathrm{kWh} / \mathrm{t}$ 。 表8：措施——玻璃纤维回收的关键事实 测量仪——玻璃（纤维）回收的关键事实 投资成本： 成本取决于所使用的废料 节能：(热) 每增加10%的废料使用，可节省炉能耗的2.5-3%；45 kWh/吨 CO2缓解： 9 kg CO2/t 玻璃 对于每增加的10%的废料使用 优势： ·降低能耗，提高资源效率 ·降低颗粒物排放 ·炉子更容易预热 ·炉膛产量增加 缺点： ·炉内因杂质导致的问题 ·取决于cullet的质量和成分的潜在质量问题 # 4.3 富氧-热催化重整（TCR工艺） # 4.3.1 基线情况和能耗描述 氧燃料玻璃熔化技术最初是为各种大型玻璃熔化窑开发的，旨在减少燃烧产生的NOx排放（最多可减少 $70 - 90\%$ ） (1)与再生式空气燃料炉相比。氧燃料熔炼的第二大关键激励措施，与再生式空气燃料燃烧相比，是显著更高的燃料效率，而无需再生器或其他热 回收系统 与使用高效蓄热器的空气-燃料炉（总能耗基准约为4GJ/t） 相比，改用氧-燃料炉可使单位燃料消耗减少 $7.5\%$ 。约有 $25\%$ （约0.92 GJ/t）的燃料输入能量仍以显热形式损失在烟道中。 气体。这是由于烟气和净化氧流中的热容比率不平衡造成的，因为已经建立余热回收技术 今天不用于氧燃料熔炼炉中。（图13，红色区域）。 因此，包括用于生产富氧燃料的初级燃料需求——这取决于能源结构中可再生能源的份额（图13，蓝色区域）——富氧燃料炉的整体能源消耗可能导致总体消耗量为4.3GJ/t，这高于再生空气燃料炉的基准能源消耗。(Chakravarti, Alexander, & Kobayashi, 2021) 图13：带/不带余热回收（HR）炉的富氧燃烧与再生空气-燃料炉（4.0GJ/t）的比供建材炉（300t/d）50%边角料 来源：改编自：（Chakravarti, Alexander, & Kobayashi, 2021） 为了回收富氧燃料工艺产生的巨大废热（同时仍然利用富氧燃料熔制玻璃的好处，例如NOx排放大幅减少）， 热化学余热回收（TCR）及其变体是提高整体燃料效率并同时减少二氧化碳排放的有前景的选择。 13 空气-燃料炉NOx排放的基准：\~4.7-5 kg/MT，转换为富氧燃料后为0.4kg/MT（来源：亚洲富氧燃料玻璃熔融趋势，https://www.airproducts.co.uk/-/media/airprodcts/files/en/337/337-17-001-us-oxy-fuel-glass-melting-trends-in-asia.pdf） # 4.3.2 改进建议措施 The TCR工艺是一种热回收技术 基于高温下的吸热化学反应。它仅用于氧燃料燃烧的玻璃熔炉。其基本原理如图14，a部分所示。 需要改革者。因此，再生器检查器以交替模式被利用和操作：在第一种模式下，再生器通过燃烧室的废气加热到目标温度。在另一种模式下，蒸汽重整冷却该过程。当再生器变得如此寒冷以至于这种蒸汽重整不再发生时，它被切换并以交替模式运行。(Ko-bayashi, et al., 2015) 该工艺循环从一个再生器检查器（TCR模块）开始——这些检查器与空气燃料炉中的传统交变再生器类似的方式被使用和预热（ $\sim 1.250^{\circ}C$ ）。在这个reforming检查器（i）天然气（ng; manly ch4）与再循环的（ii)混合高温烟气（RFG；主要H2O和CO2)to蒸汽重整气体混合物。在此特定阶段，一个热的“合成气”燃料主要由氢气（H2）和一氧化碳（CO）组成，从而产生混合物的热值显著增加。合成气随后被燃烧与氧气在玻璃熔炉中，从而为玻璃熔化提供热能。为了在熔化过程中持续维持蒸汽重整的吸热过程，需要两个 TCR工艺仅用于氧气燃料炉，因为只有这种类型的炉子可以保证——由于缺乏氮气——烟气中H2O和CO2（80-95%）的高浓度。这对于高效的 reforming 过程以及相应的 endothermic 反应至关重要。 TCR再生器在设计中类似于传统的空气加热再生器，但其蓄热室体积只有传统尺寸的 $33\%$ ，这使得改造或重建成为一种经济上有吸引力的选择。 图14：不同的热化学热回收（TCR）工艺：（a）基准；（b）TCR+蒸汽锅炉；（c）TCR+碎屑预热器；（d）TCR+O2-再生器；RFG：回收烟气。 来源：改编自：(齐尔·迈克尔，2021) # 4.3.3 潜在的节能和温室气体减排 TCR设备在生产和产品质量方面的积极影响，以及天然气和氧气的消耗减少，已在理论和实验框架内得到充分报道。强调TCR的燃料节省效果约为空气再生系统的 $28\%$ ，与富氧炉相比为 $20\%$ ，针对300吨/天集装箱熔化装置。对于更大规模的单位，由于单位拉引玻璃的总墙损失更低，预计燃料节省效果会更高。此外，各种热能的 迁移和恢复选项研究了相同的熔炉。使用TCR和O2再生器进行联合再生热回收可节省高达 $11\%$ （图14d）。安装一个cullet预热单元并与TCR系统相结合可节省燃料达 $29\%$ （图14c），而废热锅炉（图14b）与氧燃料基准相比可节省燃料 $20\%$ 。(Kobayashi, et al., 2015) 案例研究-商业安装：墨西哥，50t/d容器玻璃炉： 一套TCR系统于2014年9月在一家50吨/天的浮法玻璃熔炉上首次演示，并从那时起一直可靠运行。该技术将高温氧燃料烟道气的废热储存在蓄热室中，并利用这些能量将天然气与循环烟气混合物改质为热合成气，该合成气在炉中与氧气燃烧。在墨西哥熔炉中运行的TCR系统，与基准氧燃料熔炉相比，能源消耗减少了 $16\%$ 至 $18\%$ 。(Gonzalez, et al., 2016) 表 9：措施关键事实 - 氧燃料 - TCR 测量——高氧燃烧——温度校正率关键事实 投资成本: 未知 节能:(热) 0.22兆瓦时 th/t 玻璃 (baseline oxy-fuel without HR) CO2缓解: 44 kg CO2/t玻璃 优势: •非催化重整工艺•低NOx排放•可扩展熔化技术 缺点: •高CAPEX用于相对较小的增量热回收 2换热器 # 4.4 富氧燃烧炉蓄热式（Eco-HeatOx） # 4.4.1基准情况描述及能耗 在玻璃行业，富氧燃烧已广泛应用于玻璃纤维和特种玻璃生产中，以改进燃烧过程、减少空气污染物排放和节约燃料。如前几章所述，与高效再生器空气燃料炉相比，富氧炉可导致燃料消耗减少 $7.5\%$ （主要是天然气）。研究报告称，即使 任何额外的能量回收措施，富氧燃烧炉的平均节能潜力为 $25 - 35\%$ 与蓄热式炉相比。对于大型蓄热式炉，节能潜力高达 $15\%$ 。(Kim, et al., 2016) 然而，可以通过不同的供应系统提供和预处理氧气，以利用熔炼过程中的全速能效潜力。 # 4.4.2 改进建议措施 液化空气开发了一种特殊的富氧燃烧技术方法，称为 Eco-HeatOx 这项技术通过热氧燃烧技术的玻璃熔炉，引入了使用天然气和氧（以液态形式）的中小型熔炉的热回收系统。在该系统中，燃料的总体消耗减少了预热将反应物（天然气和氧气）加热至 $550^{\circ}\mathrm{C}$ ，利用锅炉的废热。该工艺的一个主要概念如图15所示。 热回收系统由（i）一个初级热交换器（蓄热器），它允许利用炉膛的roparyne Bblbpoosbl（dbIMbl）将环境温度的空气加热至 $\sim 700^{\circ}C$ ；(ii)一个顺序热交换器，用于利用初级热交换器产生的气体将氧气预热至5 $50^{\circ}C$ 、天然气预热至 $450^{\circ}C$ ；(iii)HeatOx专用燃烧器，可使用“冷”或“热”的氧气/天然气混合物；（iv）阀门组及自动化设备来控制和测量每个燃烧器的氧气和天然气流量。(Kim,等人，2016) 来源：（www.ecohatox.com，2021） 14 包含氧气生产的能耗。 # 4.4.3 潜在节能和温室气体减排 在保加利亚，一家玻璃工厂使用一台 Eco-Heat 燃料燃烧器进行试点。根据该工厂的实验数据 Eco-HeatOx 技术能够实现约 $19\%$ 的效率提升对比 to 再生式空气-燃料炉前提是反应物的目标设计温度 $450^{\circ} \mathrm{C}$ 已被达到。（Akviran，2016） 此外表10展示了节能结果 热氧化 模式（预热反应物）和 冷氧 模式（不进行余热回收）。在示范工厂级别，HeatOx与ColdOx燃烧相比，可减少约8%的CO2排放。（Caumont-Prim，Paubel，Juma，& Jarry，2018）和（Kim，等，2016） 该技术的经济可行性在两个案例研究（浮法和空心玻璃炉）中进行了概述 在(Liquide, 2017)。据估计，由于减少燃料消耗而实现的年总节约额可达30万欧元，对于空心玻璃而言，其投资额(CAPEX)为166万欧元；或者可达110万欧元，对于浮法玻璃而言，其投资额(CAPEX)为425万欧元。目前，欧盟(EU)中约有35座熔炉(293个单位)正在采用富氧燃烧（主要生产玻璃纤维和浮法玻璃）。这些工厂可以通过Heatox/TCR转换为富氧燃烧。原则上（通过工厂的转换/更换），所有工厂（即欧洲的628家工厂）都可以进行转换（具体取决于经济结果），“适用于任何类型的玻璃和任何燃料类型”。(Pasabahce Bulgaria, 2016) 表10：措施关键事实——蓄热式氧燃料炉（Eco-HeatOx） 测量仪——蓄热式 oxy-fuel 炉 (Eco-HeatOx) 的关键事实 投资成本: ~42-85 tEUR/t 16玻璃 节能:(electricity) 13.8千瓦时/吨玻璃(与基准ColdOx相比) 17 CO2缓解: 23 kg CO2/t 玻璃 优势: ·降低能源成本 ·灵活的能源获取 ·不超过3年回收期的有限额外资本支出 ·可重复性及可迁移性潜力 缺点: ·技术仍然处于试点阶段 15 制造抽率没有详细数据；计算包括 $2.2\sim 2.4\%$ 的CAPEX许可费 基础抽率50-100吨/天 制氧耗电量假设总计为0.6GJ/t或166kWh/t——观察到了8%的效率提升（图15） # 4.5 电熔，电提 # 4.5.1 基线情况描述及能耗 玻璃熔化是一个高耗能过程。将混合原料转化为完全熔化并精炼的玻璃所需的净熔化能量约为0.6kWh/kg。这假定约含20%的废玻璃，并且根据废玻璃百分比和玻璃类型有所不同。玻璃熔炉的热效率根据熔炉设计和玻璃类型而变化。尽管如此，即使是最好的燃油熔炉，其热效率也仅达到约45%，而许多熔炉的热效率远低于此（Stormont，2010）。 如图16所示，炉内熔融玻璃的温度略低于 $1400^{\circ}\mathrm{C}$ 。为了弥补向玻璃传递热量的热损失，必须从燃烧中提供更高温度的能量。在这个过程中，即使使用再生器或预热器等热回收系统，能量也会通过炉体上部结构的热传递以及残余废气的热能而损失（Stormont，2010）。 图16 玻璃熔炉 (Wallenberger, Watson, & Li, 2001) # 4.5.2 改进建议措施 消除或减少由热传递引起的能量损失最有效的方法是采用浸入式电极，形式为电力助推或纯电动熔化。 将能量直接输入玻璃本身，过程中没有显著损耗(Stormont,2010)。 为助推电极选择最佳数量、位置、间距、尺寸、浸没和连接方式，直接关系到高效和低效助推系统设计之间的差异（Stormont, 2010）。 通过浸入玻璃中的电极连接到合适的电源和变压器，电流可以通过玻璃，释放热量 图17：电力熔炼与提升（Stormont，2010） 需要对炉内温度进行分析，以实施协调概念和适当定位电增压系统（Stormont, 2010）。 电辅助熔炼技术通过以下几点最大限度地提高了工艺效率（Reynolds, 2018）： - 提升热能可以增加和均匀化 玻璃温度（尤其是低透射类型）。 - 在热点中提升将强化理想的 对流环流（即，改善熔化和精炼区之间的“热屏障”） - 精炼区内的提纯有助于减少 停滞的玻璃和控制系统喉咙温度。 转向使用脱碳电力进行全电动熔化将消除由化石燃料燃烧产生的玻璃熔化过程中的二氧化碳排放。然而，这项有前景的技术目前仍受限于规模 在安装中，玻璃成分，以及批量中碎玻璃的数量（玻璃联盟欧洲，2021）。 电熔适用于小型熔炉（<200吨/天），但对于用于平板玻璃或集装箱玻璃生产的大型熔炉（200至1,000吨/天），仍需进行验证。对于某些玻璃成分（例如，用于连续纤维玻璃纤维的电熔玻璃），存在技术方面（与电导率相关），这些方面限制了用于熔化的电能输入（欧洲玻璃联盟，2021年）。 所有电动玻璃熔化的一个前提条件是电网的稳定性以及电力供应的安全性，因为玻璃熔炉需要永久且稳定的能源供应，并且不能间歇运行。此外，影响这项技术实用性的因素还包括电力成本、熔化质量（尤其是高废料含量）以及最终玻璃产品的质量要求（欧洲玻璃联盟，2021年） 。 # 4.5.3 潜在节能与温室气体减排 采用当今最先进的 boosting 技术，boost系统的能量需求为每公斤 0.48 千瓦时，或每吨玻璃每天（tpd）20 千瓦的连续功率输入。熔融过程的总能耗可节省高达 $17\%$ （Stormont，2010）。 - 在电气熔化情况下，整个热 用于熔炼和精炼的能量被电网的电能所替代。对于欧洲，预计CO2减排潜力约为 $30\%$ 。如果电力完全由可再生能源产生，排放量可以减少75-1 $00\%$ 预计未来几十年投资成本将下降。目前资本支出为每吨玻璃生产能力的130欧元(Szczeniak, Bauer, & Kober, 2020)。 对于电气升压，可以假定 $30\%$ 用于熔化和精炼的热能中有部分被节约，并且 $20\%$ 的热能被电能替代（Szczeniak, Bauer, & Kober, 2020）。 整体温室气体减排取决于现场电力构成。 下表中的节省仅适用于电动升压。在电熔情况下，熔化和精炼所需的所有能源都将由电力承担。鉴于现有的电力结构，这将导致 considerably higher CO2-emissions。 表11：措施——电动助推的关键事实 测量——电动增压的关键事实 投资成本: 每站130万欧元 13欧元/吨 玻璃 节能: 750 kWh th/t 玻璃 (热电) -300 kWh ef/t 玻璃 CO2缓解: -34 kg CO2/t 玻璃 优势: ·玻璃质量改进 缺点: ·系统实施前需要高分析工作量 就全球排放而言，在玻璃熔炉中燃烧燃料比用其发电进行电熔更好。在二氧化碳排放的地方， 当电力价格高昂时，“电熔炼和电提升”措施应与现场可再生能源生产相结合（Stormont，2010）。 # 4.6 批量和碎料预热 # 4.6.1基准情况描述及能耗 全部热能被转移到熔炉中。批次和废料通常在环境温度下输入熔融炉（Zier Michael，2021）。 # 4.6.2 改进建议措施 批量和碎料预热利用废气余热对批量与碎料混合物进行预热。通常情况下，批量与碎料被直接喂入熔炉中，无需额外的加热输入。该概念将回收的能量直接返回到熔融过程中，因此不受外部因素的影响。它可以应用于现有的玻璃生产链，而不会中断工艺。批量与碎料预热至约 $300^{\circ}\mathrm{C}$ 。这减少了燃料消耗并节约了能源。此外，批量与碎料预热可以减少粉尘问题，并在批量预热过程中安全地去除湿度。（Dolianitis等人，2016）。 在实施“批量和废料预热”应用（Dolianitis等人，2016）之前，必须考虑以下限制： - 由于数量大，对空间的需求很大 废气输送：批量预热器应靠近炉口斗，以避免粉尘问题和输送系统的热损失， 预热器结构因腐蚀而恶化 腐蚀和高温度， - 有机残留增加时的气味问题 在废料上。 与批量预热器运行相关的其他好处包括： · 炉壁温度的降低 从废料中去除SO、HCl和HF 气体，因为批次在直接接触系统中充当洗涤剂 - 在石英玻璃生产过程中的硒回收 - 生产 (Beerkens, 2009). 在玻璃行业中，应用了几种不同的批料和/或cullet预热系统。下图演示了批料预热的基本概念。基本上，热烟气通过位于批料中的管式换热器输送（Barklage-Hilgefort, 2009）。 图18：批量预热系统Nienburger型的基本概念（Barklage-Hilgefort，2009） # 4.6.3 潜在节能与温室气体减排 批量和碎料预热是提高能源效率和减少二氧化碳排放的几种最佳技术之一。在过去的30年里，预热系统已在欧洲的10多个不同工厂中安装。平均而言，可实现 $12 - 20\%$ 的特定节约（Zippe，2011）。 根据预热批料和锭坯的数量，可节省 $10 - 20\%$ 的能量。此外，据报道拉拔速度提高了 $10\%$ ，投资回收期在3-4年之间（Zier Michael, 2021）。这基于“熔化与精炼”过程的耗热能量，可实现 $15\%$ 的现实性节约。 表12：措施关键事实——批次和碎料预热 测量仪的关键事实—批料和碎料预热 投资成本: 每站220万欧元 22欧元/吨玻璃 节能:(热电) 225 kWh th /t 玻璃 CO2缓解: 45 kg CO2 /t 玻璃 优势: 三十年来,一直采用简单技术,获得批准去除废气中的SO、HCl和HF 缺点: 大空间需求预热器劣化(由于腐蚀和高温) # 4.7 # 4.7.1基准情况描述及能耗 在欧洲，玻璃生产中，用于提供热能的主要燃料是天然气。玻璃行业的能源需求和消耗已在第3.2章中详细讨论。 # 4.7.2 改进建议措施 与燃烧化石燃料相关的温室气体减排选择包括转向电熔化和助燃，如第四章所述，或用替代气体能源载体替代化石燃料：沼气、固体生物质及其气化产品、合成天然气和氢气。 这些燃料的应用尚未在工业规模上实现，仅限于示范项目。主要限制之一是与天然气相比，其非（尚未）具有竞争力的价格。（齐尔迈克尔，2021） 目前，由于天然气成本较低，生物天然气在经济上并不可行。(Marcel Fiehl 等人，2017) “Power-to-X”技术（PtX）借助电解作用分解水，可直接使用氢气，或将其加工成甲烷或液体能源。使用PtX技术生产的气体和液体燃料被称为“电力燃料”。如果使用可再生电力和非化石CO2来源，电力燃料可以被视为气候中性且可再生的能源。它们既可以以气体和液体形式用于燃料目的，也可以作为化学工业的原料使用。对于高温热处理过程（如玻璃熔融过程），在直接使用可再生能源的选择有限的情况下，这些燃料是通往脱碳之路的一种强大未来技术。 由于生物质的供应有限，以及与粮食作物存在土地利用竞争，所描述的措施侧重于氢气和合成甲烷的使用。然而，原则上（并且已经在半工业规模上进行了测试），也可以通过（未处理的）在协同燃烧方式下的生物天然气。德国一家玻璃熔炉的研究表明，(部分)燃料转换对燃烧行为、产品质量或耐火性能没有显著影响。尽管天然气和沼气在总热值方面存在差异 ,其中包括，能量输入可高达 $30\%$ 的替代率，而不会对燃烧或产品质量产生负面影响。然而，目前主要的限制因素是玻璃工厂附近生物气的可用性。对于 所有转换过程的起点是在将水分解为氢气和氧气。 电解过程（使用可再生电力）。这个用于生产氢气的过程以及通过后续的氢气甲烷化来生产合成甲烷的过程均被称为电能制气。（DENA, 2018)原则上，两种燃料都可用于高温工艺热应用，例如玻璃（纤维）行业。 以下图表说明了不同类型的电解及其可能的用途。 图19：电解过程与应用 来源：翻译自：(DENA, 2018) 在德国，电解已经有多十年历史，其能源领域的广泛应用正处于增长阶段。由于生产数量和规模的扩大、部件的标准化以及工厂概念的优化，投资和运营成本预计将下降。目前，有超过30个PtX试点项目以约25兆瓦的电解装置产能。不仅初创企业，而且现有公司目前正在测试新工艺、组件和运行理念。(DENA, 2017) 下列表格总结了电解和甲烷化工艺的最新进展。未来，效率率可能提高10个百分点以上（SOEC电解可达 $95\%$ ）。投资成本可能降至当前价格的1/3以下（例如，碱性电解为250-400 €/kW）。 表13：电解和甲烷化技术现状以及发展 电解 沼气化 类型 碱性电解 PEM电解 高温电解(SOEC) 催化甲烷-组织 生物甲烷化tiōn $ TRL^{19} $ 9 8 6 8 7 优点 高性价比(大植物),长期经验 紧凑型植物更好的动力学,良好的可扩展性,无腐蚀 更高效和高性价比当使用余热 良好的可扩展性高质量废物热 鲁棒,灵活快速反应时间 挑战 氢氧化钠,冷启动和部分负载行为 贵重材料,材料需求-ments 高温处理温度 贵重材料,低柔韧性;Puri-使用气体的ty 生物系统,至今,用于多-MW工厂 效率 62-82% 65-82% 65-85% 77-83% 77-80% 投资 800-1500欧元/千瓦 900-1850 欧元/千瓦 2200-6500 €/kW 400-1230欧元/千瓦 400-1980欧元/千瓦 来源：改编自：(DENA, 2017) # 4.7.3 潜在节能与温室气体减排 使用ptx燃料会导致温室气体排放减少，而不是(最终)节能。温室气体减少的程度取决于化石燃料替代率，以及与生产相关的co2排放。 替代燃料的生产。下表假设PtX燃料完全由可再生资源生产。 表 14：措施—低碳燃料的关键事实 衡量低碳燃料(氢和合成甲烷)的关键事实 投资成本: 800-1500 € per kW电解能力(碱性电解) 节能:(热电) 终端能源节约(化石燃料)取决于燃料和替代率,最高可达100%等于1500千瓦时/吨玻璃) CO2缓解: 高达75-85%(假设完全用氢替代) 优势: • 高CO2减轻可能的• 高温工艺可能• 可再生能源存储选项 缺点: • 尚未大规模应用的技术• 仍然高昂的投资成本/运营成本 19技术成熟度等级（TRL）是一种在项目获取阶段评估技术成熟度的方法，由美国国家航空航天局（NASA）在20世纪70年代开发。使用TRL可以实现不同类型技术之间技术成熟度的连贯、统一讨论。TRL基于1到9的等级，9代表最成熟的技术。（维基百科） # 4.8 基于模型的预测控制 (MBPC) # 4.8.1 基线情况描述及能耗 现代控制系统往往不仅为了能源效率而设计，而是旨在提高生产力、产品质量或生产线效率。在各个工业部门中，都能找到处于不同发展阶段的先进控制与能源管理系统应用。控制系统带来了更短的停留时间、更低的停机时间、更低的维护成本、更短的加工时间，以及更高的资源与能源效率，以及更好的排放控制。过程控制系统的应用正在迅速增长，现代过程控制系统几乎适用于任何工业流程。然而，控制系统仍有巨大的实施潜力，并且更多现代化的系统不断进入市场（Backx, Ludlage, & Koenraads, 2000）。 下图展示了一个典型的熔炉控制系统。在每一个区域中，玻璃的温度由一个独立的比例-积分（PI）控制器进行控制。每个区域温度传感器的输出被传输至控制器，通常传输至一个单回路PI控制器或由监督控制与数据采集（SCADA）系统模拟的软控制器。比例-积分-微分（PID）控制器调整加热/冷却控制执行器，以使玻璃温度恢复至设定点。控制器通过专有网络连接到图形操作界面，用于数据采集和离线分析。位于熔炉区域四末端的九个温度传感器矩阵监测玻璃的热均匀性。不同区域的控制回路之间没有直接连接（Grega, Pilat, & Tutaj, 2015）。 图20：一个典型的前炉控制系统（Grega，Pilat，&Tutaj，2015） 理论上，操作员只在熔炉通道的末端设定所需温度，控制系统负责其他所有事务。实际上，由于以下几点，控制熔体的热均匀性是一项艰巨的任务： - 温度控制回路的响应时间相当长； - 玻璃的热学和力学性能随温度变化产生非线性动力学； - 组合供暖/制冷控制执行器是非线性。 # 4.8.2 改进建议措施 MBPC是一个动态数值模型，用于过程控制、反馈控制以及模糊逻辑控制。此类系统已广泛应用于石油加工领域，但在玻璃工业中仍在兴起（Backx, Lud-lage, & Koenraads, 2000）。 持续优化热输入分布可节约燃料。此外，炉子可连续运行，操作员只需少量干预。由此产生的稳定性导致缺陷减少、良率提高、产品质量提高、炉顶和炉底玻璃温度更稳定，以及炉子寿命增加（Galitsky, Worrell, & Crijns-Graus, 2008）。 为了获取这些节省，典型的预热炉控制系统嵌入在一个复杂的层次结构中，该结构如图所示。以下要点描述了所提出的层次结构的三个基本级别，并用于实现一个MBPC系统（Grega, Pilat, & Tutaj, 2015）： 因此，操作员需要采取行动来确定每个控制区域的设定点。由于这些值之间的关系可能会显著影响熔炉通道末端玻璃的热均匀性，操作员的经验是一个重要的运行因素（Grega，Pilat，&Tutaj，2015）。 1 流程优化水平（蓝色）某些过程质量指标，例如稳态能耗，被定义为优化问题。优化结果展示了理想的玻璃熔体温度设定点。通过结合过程有限元模型和优化算法，设定点也可以实现自动化。 2预测和多变量过程控制（green）一个控制器使用优化器层的过程要求来计算多个输入信号（例如，一组燃烧器的燃料流率）的温度设定点或最优轨迹，以实现多个输出（例如，一组底部温度）的最优时间依赖行为。 3 直接控制级 (yellow) : 主要为pi或pid级联控制器。 图21：熔炼炉玻璃调节过程的分级层次结构先进控制系统MPC——模型预测控制（Grega,Pilat,&Tutaj,2015） MPC 模型预测控制 M 伺服电机 P 压力传感器 C 控制器 G 位置传感器 T 温度传感器 对于每个特定级别的控制算法，其下所有级别均可视为一个广义对象或控制对象。这种等效对象的动力学特性会根据... 在其层次结构中的位置。因此，在不同层级实现的算法需要对计算时间步长进行单独选择（Grega，Pilat，& Tutaj，2015）。 # 4.8.3 潜在节能与温室气体减排 安装了带有MBPC的熔炉应用可实现约2至 $3\%$ 的节能，约 $8\%$ 的产率提升，以及不到6个月的回收期。此类系统已安装于电视、纤维、浮法、集装箱和特种玻璃工厂，以及空 电炉和氧燃料炉（Galitsky, Worrell, & Cri-jns-Graus, 2008）。可实现的节约额相当于总电力和热能消耗的 $2.5\%$ 。 表15：措施的关键事实——基于模型的预测控制(MBPC) 测量——基于模型的预测控制（MBPC）的关键事实 投资成本： 每站€200,000 2€/吨玻璃 节能：(热电) 46 kWh th /t 玻璃, 12.5 kWh el /t 玻璃 CO2缓解： 17公斤CO2/t 玻璃 优势： 可视化以及远程访问可能玻璃质量改进对植物更好的了解 缺点： 许多技术组件是必要的难以实现系统安装前的分析工作量大 # 4.9 压降最小化 # 4.9.1基准情况描述及能耗 在玻璃生产中，压缩空气用于容器成型、特种玻璃产品的成型以及工具操作。压缩空气的使用因产品不同而异，也因工厂而异。对于容器玻璃，成型用电量估计为105kWh/吨（美国能源部（DOE），2002年），其中大部分是用于压缩空气。在一个生产灯具（使用电炉）的特种玻璃厂，用于压缩空气生产的电费占总用电量的 $3\%$ 或所有非炉用电量的 $7\%$ 。（D'Antonio、Hildt、Patil、Moray & Shields，2003年） 压缩空气是工业厂区内使用最昂贵的能源形式，因为它效率低下。通常，从压缩空气生成到最终使用，效率大约为 $10\%$ （劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和资源动力学公司，1998年）。由于这种低效率，如果使用压缩空气，应该是最低的数量，最短的时间。压缩空气还应该持续监控，并与替代方案进行称重比较。（加利茨基、沃雷尔和克里宁斯-格劳斯，2008年）。 # 4.9.2 改进建议措施 过大的压降会导致系统性能变差和过度的能源消耗。系统中的任何类型的流动限制，例如阻碍或粗糙度，都会导致操作压力高于必要值。流动阻力会增加正位移压缩机的驱动能量，每2 psi的压差增加1%的连接功率。最高的压降通常出现在使用点，包括尺寸不足或漏气的软管、管子、断开装置、过滤器、调压器、阀门、喷嘴和润滑器（需求侧），以及润滑型旋转压缩机和后冷却器上的空气/润滑剂分离器、除湿器、干燥器和过滤器（供应侧）（Galitsky, Worrell, & Crijns-Graus, 2008）。 最小化压降需要在设计和维护中采用系统方法。空气处理组件应在规定的最大运行条件下选择压降最低、性能最佳的。应遵循制造商的维护建议，特别是对于空气过滤和干燥设备，因为它们可能产生有害的潮湿影响，如管道腐蚀。最后，应尽量减少空气通过分布系统所经过的距离。对工业设施的审计发现，采取上述措施的投资回收期通常少于3个月（Galitsky，Worrell，&Cri-jns-Graus，2008）。 进一步提高压缩空气系统效率的措施有（Galitsky, Worrell, & Cri-jns-Graus, 2008）： # - 维护 持续进行过滤器检查和维护，保持压缩机电机适当润滑和清洁，检查风扇和水泵以实现峰值性能 维护冷却器（压缩机），检查压缩机皮带，更换空气润滑剂分离器，检查水冷系统，最大限度减少整个系统中的压缩空气泄漏。 检查过度的压力、时长或体积 # - 监控系统通常包括以下内容 每个接收器或主干线上的压力表，以及干燥器、过滤器等之间的差压表压缩机及其冷却系统中的温度计用于检测污垢和堵塞。流量计用于测量所用空气的数量，露点温度计用于监测空气干燥器的有效性千瓦时计量表和运行小时表在压缩机驱动上运行设备重新配置后对压缩空气分配系统进行检查，以确保没有空气流向未使用的设备或压缩空气分配系统的过时部件，检查系统中是否存在任何类型的流量限制，如障碍或粗糙度，这可能会不必要地提高系统运行压力，检查生产时间外使用压缩空气 # - 减少泄漏 总体而言，预计通过修复泄漏，空压系统能源年消耗量将减少 $20\%$ # - 系统的尺寸标注与操作 规格合适的管道直径、调压器和压缩机电机，在压力增加的情况下修改系统，并使用尽可能低的压力使用空气关闭不必要的热空气并改善负载管理， # $\bullet$ 恢复系统 用于空气干燥的热能回收。 # 4.9.3 潜在节能与温室气体减排 许多减少压缩空气系统能源消耗的机会并不是高得令人望而却步；某些方案的投资回收期非常短。 例如，在田纳西州纳什维尔的汽车零部件控股公司玻璃工厂，对其压缩机系统的全面能源审计和效率提升活动，导致了泄漏减少、运行压力降低以及压缩机效率提升，从而在1年的投资回收期内实现了超过70万美元的年节约（美国能源部（DOE），2003年）。在70万美元的年节约中，30万美元是由于节能，40万美元是由于效率提升导致的维护和人工成本降低（Galitsky、Worrell和Crijns-Graus，2008年）。 在新罕布什尔州埃克塞特的欧司朗西拉弗尼亚特种玻璃工厂进行了一次类似的全面审计（其中包括控制策略、泄漏检测和需求减少的评估），发现每年可节约电能164,000千瓦时，这将导致每年节省近14,000美元的能源成本（D'Antonio, Hildt, Patil, Moray, & Shields, 2003）。这些节省相当于压缩空气系统中所用电力的 $25\%$ （Galitsky, Worrell, & Crijns-Graus, 2008）。 玻璃生产的总电能消耗中有 $3\%$ 需要用于压缩空气系统。通过这项措施，压缩空气的能耗可以节省 $25\%$ 。 表16：措施关键事实——压降最小化 测量关键事实-压力损失最小化 投资成本: 300,000欧元/每个站点 3€/t 玻璃 节能:(热电) 4千瓦时/h/t 玻璃 CO2缓解: 1 kg CO2/吨 玻璃 优势: ● 更全面地了解该植物,因为整个压缩空气系统需要进行分析 缺点: ● 难以实现(需要进行完整系统分析) # 4.10 对进一步发展的展望 对于欧盟达成的脱碳路径而言，未来几年里的一项重大挑战无疑是工业生产中CO2排放的减少 玻璃纤维行业——作为玻璃生产的子行业——属于最耗能行业以及一个对高温工艺过程热能需求极高的行业。因此，仅解决工艺的能效优化将不足以达到目标。用可再生能源替代化石燃料用于高温工艺是一项具有挑战性的任务。最有前景的选项是切换到电炉或氢气或合成燃料，如前几章所述。 炉窑设计与运行特别是向生物天然气和电熔等碳中和资源转型很有前景。增加再生料的使用不仅可以减少工艺排放，而且还能降低熔化过程对能源的需求。然而，在整个欧盟行业中，几乎所有的内部产生的再生料都被重新利用——进一步的增长潜力更多地在于后消费领域。这里需要解决的主要问题是优质再生料的可获得性和可负担性。 欧洲玻璃联盟分析了该行业对实现碳中和经济的贡献。在这方面，欧洲的玻璃制造在过去的50年中显著降低了其特定排放量：例如，法国玻璃行业在1960年至2010年间几乎实现了 $70\%$ （按每吨熔融玻璃的tCO2计算）的减排。然而，进一步减排的速度较慢，且更难实现。 $75 - 85\%$ 的总体排放量来自高温热燃料燃烧， $15 - 25\%$ 则来自批料中碳酸盐的分解。 需要针对以下问题进行进一步研发，这将具有跨部门的意义： - 大型熔炼炉的电气化 超过 $1000^{\circ} \mathrm{C}$ - 无法通过 仅节能措施 大型炉窑的替代热源 替代碳中性燃料 - 碳捕获与封存（CCS）的适用性 以及现场碳捕集与利用（请TaKke参考(ALLPLAN,2021)获取关于CCS和CCU的更多详细信息）。(GlassAllianceEurope,2021) 为了减少与高温热相关的能源需求，欧洲玻璃联盟指出应关注最佳可用技术 在炉子过程和更远的地方，包括更广泛的使用 回收玻璃、余热回收和 联盟还声称，为了实现可用潜力，还需要在相关基础设施上进行大量的公共投资，并改变监管框架。这与沼气配送网络、氢气网络以及无碳电力的可用性尤其相关。(玻璃联盟欧洲，2021) 20到2050年实现碳中和（净零温室气体排放）的目标——参考《欧洲绿色协议》和欧盟根据《巴黎协定》所做的承诺。（https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050_en） # 5 结论 玻璃（纤维）生产是一个高度耗能的工艺过程，需要工艺热超过1600°C与大约1.8兆瓦时的能源需求 每吨产品。在整个生产过程中，都有多种措施可以改进炉窑的能源和资源效率，并减少二氧化碳排放。 尽管低于水泥等其它行业过程排放仍然占 $15 - 25\%$ 的总体排放因此，通过优化生产子过程来减少CO2的潜力是有限的。优化最大消费者——熔炼炉-已详细描述，并可在这些子过程中带来相当可观的节约（从几千瓦时到每吨超过100万千瓦时） （玻璃）。最大的节能潜力归因于热回收措施、燃料切换到碳中和能源以及工艺优化。 从长远来看，预计将在二氧化碳减排方面做出重大贡献 碳捕获技术 和从使用氢能、液体生物燃料和电熔。（欧洲玻璃联盟，2021）。大部分分析是在全球范围内针对整体玻璃制造业进行的，而不是专门针对（相对较小的）玻璃纤维制造子部门。然而，可以假设有关玻璃生产的整体结论也适用于该部门，因为玻璃熔融过程本身具有与其他子部门相同的特征。 表17：玻璃制造中的减排技术潜力 潜力类别 技术 CO2还原电位 21 CCS/CCU 碳捕获 最大值90% 燃料转换 碳中和气体 75-85% 电熔 75-85% 液体生物燃料 75-85% 管道中氢气20% 15-17% 氢100% 75-85% 循环经济 增加使用再生玻璃(容器玻璃) 最大值20% 增加使用回收玻璃(平板玻璃) 22 最大值5% 过程 批量造球 最大值5% 原料预热 最大值15% 玻璃原料配方调整 最大值20% 废热回收 最大值15% 来源：改编自（欧洲玻璃联盟，2021） 报告中已经提出了最有希望节能措施，并总结如下。 21部分互斥潜力，不能简单相加：这些数据是长期最大储蓄，可能与报告前文所述当前可实现储蓄的相关假设存在偏差。 未提及玻璃纤维生产的具体参考文献 表18：概述关键事实 措施 措施要点 投资成本 节能(热和电力) CO2Mitiga-tiön 优势 缺点 优化浸渍代理 n.a.(成本差异的纯碱-和锂)(磅) 5-10%的能源减少sumption在炉中:120 kWh/t玻璃 24 kgCO2/t玻璃 能量需求并且更好的玻璃质量纯碱 低熔点温度,低\u0007-●提高成形性能与 相比的成本优势 毛皮中的潜在问题潜在质量问题取决于-● 玻璃(纤维)回收 成本取决于废料使用 2.5-3%的炉子节能每个额外使用10%的碎料,45kWh/t玻璃 9 kg CO2/t玻璃 for每增加一项10%的废料使用 资源效率提高折痕 更低能耗,在-●降低颗粒物排放炉子更容易预热炉子的输出可以是cullet的分离 CAPEX相对较高对于相对较小 氧燃料-TCR 未知 0.22兆瓦时/吨玻璃纤维(基线氧燃料无HR) 44 kg CO2/t玻璃 低NOx排放 非催化重整工艺O2处的增量热回收可扩展熔化技术换热器 CAPEX 氧气燃料炉再生式(生态-)HeatOx) ~42-85 tEUR/t玻璃 13.8千瓦时/吨玻璃(与基准-)line冷氧化) 23 kg CO2/t玻璃 3年以内收回成本潜力 降低能耗灵活的能源获取有限的额外CAPEX舞台可重复性和可迁移性 技术仍处于试点阶段 电动增强 ·每站€1.3百万元·13€/t玻璃 ·750 kWh /t玻璃 -300 kWh /t玻璃 -34 kg CO2/t玻璃 玻璃质量改进 在系统能被实-×个t ed 需要高分析工作量 加热 -批量碎渣烧油百万欧元·22€/吨玻璃 ·225 kWh /t玻璃 225 kWh /t玻璃 45 kg CO2/t玻璃 30年废气 批准的简单技术从中移除SO、HCI和HFSion和高温) 大空间需求预热带恶化(腐蚀- 措施 措施要点 投资成本 节能(热和电力) CO2Mitiga-tiön 优势 缺点 多巴胺和合成甲烷) -低碳燃耗(400欧元/千瓦电解能力(碱性电解) 最终能源节约(化石燃料)de-待处理在燃料替代和替代速率,上升达到100%(大约为1500kWh/t) 高达75-85%(当使用100%氢) 高C减轻可能的sible能量 高温工艺温度pos-·大规模可再生气体储存选项-ing cost 尚未应用的技术仍然高投资成本/运营-· 基于模型的预测控制(MBPC) 每站€200,0002€/t玻璃 46 kWh th/t玻璃12.5 kWh l/t玻璃 17公斤CO2/t玻璃 可能 可视化与远程访问必要玻璃质量改进更了解植物系统可以安装 难以实现·高分析努力前· 组织 -压力降最少000欧元/每个站点3€/吨玻璃纤维 4千瓦时th/t玻璃纤维4千瓦时l/t玻璃纤维 1kg CO2/t玻璃 因为整个压缩空气系统需要进行分析 更了解植物tem分析需要) 难以实现(完整系统-· # 文学 阿克维兰，M.(2016).LIFE Eco-HeatOx通俗报告.LIFE12 ENV/BG/000756欧洲共同体. 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