苑衛(wèi)軍 王輝 韓明汝 楊征
（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司河北唐山 063000）
摘要：以國家和地方頒布的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)為基點(diǎn)，從玻璃行業(yè)生產(chǎn)過程中煙氣污染物的來源出發(fā)，結(jié)合國家能源供應(yīng)狀況，對天然氣、煤氣發(fā)生爐煤氣、重油和石油焦作為玻璃生產(chǎn)燃料進(jìn)行了系統(tǒng)分析。指出：就煙氣達(dá)標(biāo)排放而言，以上四種燃料并無明顯的優(yōu)劣之分；從國家能源安全角度考慮，天然氣不具備大面積推廣的基礎(chǔ)，重油和石油焦作為燃料會受到能源安全的影響，發(fā)生爐煤氣符合我國能源結(jié)構(gòu)要求；另外，煤制天然氣雖符合我國能源結(jié)構(gòu)要求，但不符合我國節(jié)能減排的主基調(diào)。
關(guān)鍵詞：玻璃行業(yè)；環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；能源安全；煤氣發(fā)生爐；天然氣；發(fā)生爐煤氣；煤制天然氣；重油；石油焦；煤氣發(fā)生爐；煤氣凈化
Based on environmental standards and fuel safety glass industry fuel selection analysis
Yuan Weijun Wang Hui HanMingruYang Zheng
（Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd Tangshan Hebei 063000）
Abstract:Based on the pollutant discharge standards promulgated by the state and local governments, starting from the source of flue gas pollutants in the glass industry production process, combined with the national energy supply situation, natural gas, producer gas, heavy oil and petroleum coke as fuel for glass production has been systematically analyzes. It is pointed out that there are no obvious advantages and disadvantages for the above four types of fuels in terms of smoke emission standards. From the perspective of national energy security, natural gas does not have a large-scale promotion basis, and heavy oil and petroleum coke as fuel will be affected by energy security. The producer gas meets China's energy structure requirements; it is also pointed out that although coal-based natural gas meets China's energy structure requirements, it does not meet the main tone of China's energy-saving emission reduction.
Keywords :glass industry, environmental protection standards,energy security,fuel,natural gas, producer gas,coal gasifier
0引言
近幾年受國家環(huán)保及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的影響，玻璃行業(yè)的生產(chǎn)形勢呈現(xiàn)不同程度的起伏。2018 年我國平板玻璃（含壓延玻璃）產(chǎn)量 8.68 億重量箱（約合434萬噸），同比增長2.1%【1】，同期我國日用玻璃產(chǎn)量為727.58萬噸，同比下降7.8%【2】。燃料是玻璃生產(chǎn)的動力源頭，我國玻璃熔窯常用燃料主要包括天然氣、發(fā)生爐煤氣、重油和石油焦等。近期國家和地方在頒布了一系列污染物排放最新標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，又出臺了一系列諸如“限煤”及“煤改氣”類的強(qiáng)制性措施，但接連出現(xiàn)的大面積天然氣“氣荒”，使玻璃行業(yè)對燃料的選擇陷入了一片茫然。
本文以國家和地方頒布的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)為基點(diǎn)，從玻璃熔窯生產(chǎn)過程中煙氣污染物的來源出發(fā)，結(jié)合國家能源供應(yīng)狀況，對天然氣、發(fā)生爐煤氣、重油和石油焦作為玻璃生產(chǎn)燃料進(jìn)行分析，旨在說明玻璃熔窯燃料選擇應(yīng)該在環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，考慮行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和國家能源安全狀況，對燃料布局進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、長遠(yuǎn)的規(guī)劃和引導(dǎo)。
1玻璃行業(yè)現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及不同燃料煙氣主要污染物排放
1.1 玻璃行業(yè)現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)
近年來國家針對玻璃行業(yè)陸續(xù)頒布了一系列大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上一些地方政府也陸續(xù)頒布實(shí)施了更為嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施有利于玻璃行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的煙氣污染物初始排放限值參見表1。
1.2不同燃料在玻璃生產(chǎn)過程中主要污染物排放
玻璃生產(chǎn)過程中有組織排放的主要污染物來源于生產(chǎn)爐窯，主要為煙塵、SO2和NOx等。煙塵主要由兩部分組成，首先是原料和配合料小顆粒粉塵隨煙氣攜出產(chǎn)生的煙塵，其次為燃料燃燒過程產(chǎn)生的煙塵。SO2主要由燃料燃燒產(chǎn)生的SO2和芒硝（Na2SO4）類原輔料受熱分解產(chǎn)生的SO2構(gòu)成，玻璃配合料中每加入1%的芒硝，每kg玻璃中實(shí)際引入煙氣中的SO2 0.8mg【3】。NOx主要由原料中的硝酸鹽高溫分解產(chǎn)生的NOx和燃料燃燒過程中產(chǎn)生的燃料型NOx和熱力型NOx構(gòu)成，玻璃配合料中每加入0.1%的NaNO3，每kg玻璃中引入煙氣中的NO2 0.54mg【3】，表2【4】列出了玻璃熔化工序產(chǎn)生的大氣污染物初始濃度。
從燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣角度分析，就煙塵排放而言，天然氣和煤氣發(fā)生爐煤氣燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵量較少，石油焦和重油作為固、液態(tài)燃料存在燃燒不夠完全問題，其燃燒產(chǎn)生的煙塵排放量相對較大；就SO2排放而言，天然氣燃燒產(chǎn)生的SO2較低，其他三種燃料燃燒產(chǎn)生的SO2量取決于燃料的含硫情況；就NOx的排放而言，由于玻璃熔窯溫度一般都＞1550℃，采用以上任何一種燃料，熱力型NOx都是排放煙氣NOx的主要貢獻(xiàn)源。
結(jié)合表1和表2分析，就煙氣達(dá)標(biāo)排放而言，燃燒石油焦、重油和發(fā)生爐煤氣，爐窯煙氣必須采取有效措施進(jìn)行除塵、脫硫和脫硝處理【4】；以天然氣為燃料，爐窯煙氣有可能不需要脫硫處理，但必須進(jìn)行除塵和脫硝處理。根據(jù)以上分析，針對玻璃熔窯而言，以上四種燃料并無明顯的優(yōu)劣之分。
2我國能源供應(yīng)及消費(fèi)現(xiàn)狀【5,6,7】
2018年，我國能源生產(chǎn)總量37.7×108tce，同比增長5.0%，其中原煤產(chǎn)量36.8×108t，同比增長4.5%，原油產(chǎn)量1.9×108t，同比下降1.3%，天然氣產(chǎn)量1603×108m3，同比增長8.3%。從一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)分析：2018年煤炭占比69.1%，原油占比7.1%，天然氣占比5.6%。從能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析，2018年，我國能源消費(fèi)總量為46.4×108tce，其中煤炭占比59.0%，天然氣占比8.0%，石油占比也有同步增長。
近年我國石油、天然氣消費(fèi)呈急速上升趨勢，我國于2017年超過美國，成為全球最大的原油進(jìn)口國，2018年超過日本，成為全球最大的天然氣進(jìn)口國。同時(shí)我國石油和天然氣的對外依存度數(shù)據(jù)也不斷被刷新，2018年，我國能源凈進(jìn)口量約為10×108tce，對外依存度21%。其中原油凈進(jìn)口量4.6×108t，對外依存度高達(dá)71%；天然氣凈進(jìn)口量1200×108m3，對外依存度達(dá)到43%。我國原油和天然氣的對外依存度都遠(yuǎn)高于國際公認(rèn)的30%的安全警戒線，而且我國能源輸入渠道過分依賴海上集中運(yùn)輸，其中天然氣進(jìn)口總量的58%依靠海運(yùn)，原油進(jìn)口總量的80%須要通過馬六甲海峽運(yùn)輸，這些也極大的增加了我國能源安全的風(fēng)險(xiǎn)。
3 玻璃熔制燃料選擇分析
3.1 天然氣
隨著國家“限煤”和“煤改氣”政策的不斷推進(jìn)，我國某些地區(qū)的玻璃企業(yè)紛紛改用天然氣作為燃料。就環(huán)保排放達(dá)標(biāo)而言，采用天然氣作為燃料，熔窯煙氣雖然可能不需要采取脫硫措施便可以滿足SO2排放要求，但仍然須要采取除塵和脫硝處置才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。就企業(yè)生產(chǎn)而言，我國天然氣自身產(chǎn)量不足、對外依存度較大、存儲設(shè)施不完善，受冬季北方地區(qū)采暖等季節(jié)性需求的沖擊，天然氣的供應(yīng)量波動較大，天然氣斷供現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這對于連續(xù)性生產(chǎn)要求較高的玻璃行業(yè)而言，其造成的沖擊是致命的。
燃燒天然氣單位產(chǎn)品能耗按照6.0MJ/kg玻璃液計(jì)算，天然氣熱值取35.393MJ/m3。假如玻璃熔制全部以天然氣為燃料，則2018年平板玻璃和日用玻璃生產(chǎn)過程中玻璃液熔制需要消耗天然氣約20×108m3，約占本年度天然氣進(jìn)口量（1200×108m3）的1.7%。就能源安全角度考慮，全行業(yè)大面積改用天然氣缺乏現(xiàn)實(shí)性支撐。
3.2 煤氣發(fā)生爐煤氣與煤制天然氣
煤氣發(fā)生爐煤氣作為玻璃熔窯的傳統(tǒng)燃料應(yīng)用極為廣泛，表2數(shù)據(jù)顯示，以煤氣發(fā)生爐煤氣和天然氣為燃料，其煙塵、SO2和NOx排放并沒有明顯的區(qū)別。但受近年出臺的“煤改氣”及“限煤”等政策的沖擊，煤氣發(fā)生爐煤氣的應(yīng)用受到了極大的限制。2019年7月1日生態(tài)環(huán)境部等四部委發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》（環(huán)大氣［2019］56號），文件規(guī)定：原則上禁止新建燃料類的煤氣發(fā)生爐。
就造氣過程中產(chǎn)生的污染狀況分析，目前玻璃熔制應(yīng)用的煤氣發(fā)生爐煤氣站大部分為3Q兩段爐不脫焦的熱煤氣工藝，如圖1所示，上下段煤氣在爐外混合后輸送至用氣點(diǎn)。由于發(fā)生爐上段煤氣溫度相對較低（80-120℃），一部分焦油、酚水從上段煤氣冷凝析出造成環(huán)境污染。與3Q兩段爐相比，強(qiáng)化干餾的5Q兩段爐在煤氣熱值、副產(chǎn)焦油的產(chǎn)量和質(zhì)量、炭資源的節(jié)約利用、爐內(nèi)固硫效果和設(shè)備操作與維護(hù)等方面具有諸多優(yōu)勢【8,9】，圖2為5Q兩段爐不脫焦的熱煤氣工藝流程，上下段煤氣在5Q氣化爐內(nèi)混合，爐出煤氣溫度450-550℃，無焦油、酚水從煤氣中冷凝析出，有效的克服了3Q兩段爐熱煤氣站的焦油和酚水污染問題。煤氣站儲煤和輸煤過程產(chǎn)生的粉塵，以及隔斷水封和沉降室水封處散發(fā)的VOCs物質(zhì)等無組織排放可以通過有效措施進(jìn)行治理【10】。煤氣發(fā)生爐在烘爐、點(diǎn)火送氣、熱備或停爐過程中煤氣（煙氣）放散也會產(chǎn)生相應(yīng)的污染，其污染主要特征參見表4【11】。發(fā)生爐干餾段爐襯壽命一般5-10年，即每5-10年烘爐一次，烘爐頻次較低；點(diǎn)火送氣初期，發(fā)生爐放散廢氣以CO2為主，同烘爐過程一樣，采取自然放散形式，但該階段時(shí)間較短；點(diǎn)火送氣后期、發(fā)生爐熱備和停爐階段，放散廢氣以CO為主，基本采取火炬放散形式以CO2形式排放。烘爐、點(diǎn)火送氣、熱備或停爐過程最后產(chǎn)生的煙氣可以通過設(shè)置除塵、脫硫及脫硝系統(tǒng)進(jìn)行有效處理。另外，熱煤氣輸送過程中少量冷凝焦油和粉塵的清理點(diǎn)也是玻璃行業(yè)煤氣站普遍存在的環(huán)境污染節(jié)點(diǎn)，這可以通過采取對煤氣輸送管道強(qiáng)化保溫等措施，避免焦油冷凝加以解決。綜上所述，玻璃熔制應(yīng)用的發(fā)生爐煤氣站可以通過技術(shù)創(chuàng)新、采用先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，從而達(dá)到可以解禁的環(huán)境水平。
從系統(tǒng)能源利用效率【12】角度分析，玻璃行業(yè)熱煤氣站生產(chǎn)的煤氣和副產(chǎn)焦油提供的化學(xué)能以及熱煤氣（300-350℃）的物理顯熱，都屬于系統(tǒng)的有效產(chǎn)出能量，系統(tǒng)消耗能量僅為系統(tǒng)消耗的電能和氣化用煤的化學(xué)熱量。表4為KM5Q3.6煤氣發(fā)生爐熱煤氣站系統(tǒng)能源利用率的計(jì)算，結(jié)果顯示系統(tǒng)能源利用效率高達(dá)90.9%。梁德?！?3,14】指出在煤制能源產(chǎn)品中，優(yōu)質(zhì)煤制發(fā)生爐煤氣的能量利用率最高、單位熱值成本最低，污染物治理后的排放指標(biāo)可與國際先進(jìn)水平指標(biāo)接軌，是有利于環(huán)境保護(hù)的工業(yè)燃?xì)狻?/span>
近年，借“煤改氣”的東風(fēng)，煤制天然氣（煤經(jīng)過氣化后，再經(jīng)過甲烷化處理，生產(chǎn)的代用天然氣）作為燃料開始粉墨登場【15】。2018年煤制天然氣生產(chǎn)量28億m3，在我國自產(chǎn)天然氣總量中占比約為1.75%【6】。煤制天然氣工藝復(fù)雜、投資巨大、耗水量大（每生產(chǎn)1000Nm3天然氣需耗水10t）、環(huán)保治理難度大，同時(shí)煤制氣過程會產(chǎn)生大量硫化物和含酚廢水等污染物，處理不當(dāng)會對環(huán)境造成很大污染【16】。煤制天然氣的能源利用效率相對較低，該效率理論上可以超過60%【17】，只相當(dāng)于發(fā)生爐煤氣的2/3，不符合我國節(jié)能減排的主基調(diào)。
就我國“富煤、少油、缺氣”的能源結(jié)構(gòu)而言，煤制天然氣與發(fā)生爐煤氣都屬于潔凈煤技術(shù)范疇，都符合我國能源安全的要求，煤制天然氣可以作為應(yīng)付能源安全的儲備技術(shù)，但作為燃料目前不具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。
3.3重油與石油焦
重油和石油焦都是原油加工過程產(chǎn)生的衍生物。重油主要作為燃料應(yīng)用，另外重油還可以制取其他化工原料。石油焦主要用于煉鋁、制造石墨、制取炭素制品、制取炭化硅制品等，做為燃料應(yīng)用只是其用途之一。作為燃料應(yīng)用，重油和石油焦都是比較好的高熱值燃料，重油的熱值一般為40-42MJ/kg，石油焦的熱值一般35-36 MJ/kg。
對比表1和表2，重油和石油焦作為玻璃熔窯的燃料應(yīng)用，和天然氣及發(fā)生爐煤氣一樣，熔窯煙氣必須經(jīng)過除塵、脫硫和脫硝處理才能達(dá)標(biāo)排放。另外，重油必須經(jīng)過蒸汽加熱和霧化后才能燃燒完全；石油焦需用經(jīng)過超微粉碎制成焦粉后才能進(jìn)行燃燒。重油和石油焦燃燒前的處理過程需要采取相應(yīng)的環(huán)保控制措施，才能達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
從能源安全角度考慮，重油和石油焦都是原油的衍生品，其供應(yīng)量會直接受到原油供應(yīng)的影響。目前我國原油對外依存度高達(dá)71%，一旦出現(xiàn)能源危機(jī)，首先受到?jīng)_擊的是原油供應(yīng)，重油和石油焦的供應(yīng)量勢必相應(yīng)驟減，特別是石油焦由于其他用途廣泛，作為燃料供應(yīng)可能會受到更大的沖擊。
4 總結(jié)
（1）受玻璃生產(chǎn)過程中原料和配合料以及玻璃熔窯溫度的影響，采用天然氣、發(fā)生爐煤氣、重油和石油焦任何一種燃料，其熔窯煙氣都必須經(jīng)過除塵、脫硫和脫硝處理后，才能符合國家（地方）排放標(biāo)準(zhǔn)（燃用天然氣可能不需要脫硫處理）。就煙氣達(dá)標(biāo)排放而言，以上四種燃料并無明顯的優(yōu)劣之分。
（2）就國家能源安全角度分析，目前我國天然氣和原油的對外依存度都遠(yuǎn)高于國際公認(rèn)的30%的安全警戒線。大面積推廣天然氣不具備現(xiàn)實(shí)性的支撐，另外重油和石油焦作為原油的衍生品，也會受到原油安全供應(yīng)的直接影響，發(fā)生爐煤氣作為潔凈煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，符合我國能源結(jié)構(gòu)要求。
（3）煤制天然氣雖然屬于潔凈煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，符合我國能源結(jié)構(gòu)要求，但該技術(shù)耗水量大、環(huán)保治理難度大，其能源利用效率只相當(dāng)于發(fā)生爐煤氣的2/3，不符合我國節(jié)能減排的主基調(diào)。
（4）玻璃行業(yè)燃料選擇應(yīng)該在環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，考慮行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和國家能源安全狀況，對燃料布局進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、長遠(yuǎn)的規(guī)劃和引導(dǎo)。
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第一作者
姓名：苑衛(wèi)軍（1968-），男，河北省霸州市，高級工程師，工程碩士，1990年本科畢業(yè)于華北理工大學(xué)，從事工作內(nèi)容：煤炭氣化行業(yè)，研究方向：煤氣化工藝及設(shè)備，聯(lián)系電話： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
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