苑卫军 王辉 韩明汝 杨征
（唐山科源环保技术装备有限公司河北唐山 063000）
摘要：以国家和地方颁布的污染物排放标准为基点，从玻璃行业生产过程中烟气污染物的来源出发，结合国家能源供应状况，对天然气、煤气发生炉煤气、重油和石油焦作为玻璃生产燃料进行了系统分析。指出：就烟气达标排放而言，以上四种燃料并无明显的优劣之分；从国家能源安全角度考虑，天然气不具备大面积推广的基础，重油和石油焦作为燃料会受到能源安全的影响，发生炉煤气符合我国能源结构要求；另外，煤制天然气虽符合我国能源结构要求，但不符合我国节能减排的主基调。
关键词：玻璃行业；环保标准；能源安全；煤气发生炉；天然气；发生炉煤气；煤制天然气；重油；石油焦；煤气发生炉；煤气净化
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
近几年受国家环保及相关产业政策的影响，玻璃行业的生产形势呈现不同程度的起伏。2018 年我国平板玻璃（含压延玻璃）产量 8.68 亿重量箱（约合434万吨），同比增长2.1%【1】，同期我国日用玻璃产量为727.58万吨，同比下降7.8%【2】。燃料是玻璃生产的动力源头，我国玻璃熔窑常用燃料主要包括天然气、发生炉煤气、重油和石油焦等。近期国家和地方在颁布了一系列污染物排放最新标准的同时，又出台了一系列诸如“限煤”及“煤改气”类的强制性措施，但接连出现的大面积天然气“气荒”，使玻璃行业对燃料的选择陷入了一片茫然。
本文以国家和地方颁布的污染物排放标准为基点，从玻璃熔窑生产过程中烟气污染物的来源出发，结合国家能源供应状况，对天然气、发生炉煤气、重油和石油焦作为玻璃生产燃料进行分析，旨在说明玻璃熔窑燃料选择应该在环保达标的前提下，考虑行业生产特点和国家能源安全状况，对燃料布局进行系统、科学、长远的规划和引导。
1玻璃行业现行环保标准及不同燃料烟气主要污染物排放
1.1 玻璃行业现行环保标准
近年来国家针对玻璃行业陆续颁布了一系列大气污染物排放标准，在此基础上一些地方政府也陆续颁布实施了更为严格的控制标准。新标准的实施有利于玻璃行业的健康可持续发展，相关标准规定的烟气污染物初始排放限值参见表1。
1.2不同燃料在玻璃生产过程中主要污染物排放
玻璃生产过程中有组织排放的主要污染物来源于生产炉窑，主要为烟尘、SO2和NOx等。烟尘主要由两部分组成，首先是原料和配合料小颗粒粉尘随烟气携出产生的烟尘，其次为燃料燃烧过程产生的烟尘。SO2主要由燃料燃烧产生的SO2和芒硝（Na2SO4）类原辅料受热分解产生的SO2构成，玻璃配合料中每加入1%的芒硝，每kg玻璃中实际引入烟气中的SO2 0.8mg【3】。NOx主要由原料中的硝酸盐高温分解产生的NOx和燃料燃烧过程中产生的燃料型NOx和热力型NOx构成，玻璃配合料中每加入0.1%的NaNO3，每kg玻璃中引入烟气中的NO2 0.54mg【3】，表2【4】列出了玻璃熔化工序产生的大气污染物初始浓度。
从燃料燃烧产生的烟气角度分析，就烟尘排放而言，天然气和煤气发生炉煤气燃烧过程中产生的烟尘量较少，石油焦和重油作为固、液态燃料存在燃烧不够完全问题，其燃烧产生的烟尘排放量相对较大；就SO2排放而言，天然气燃烧产生的SO2较低，其他三种燃料燃烧产生的SO2量取决于燃料的含硫情况；就NOx的排放而言，由于玻璃熔窑温度一般都＞1550℃，采用以上任何一种燃料，热力型NOx都是排放烟气NOx的主要贡献源。
结合表1和表2分析，就烟气达标排放而言，燃烧石油焦、重油和发生炉煤气，炉窑烟气必须采取有效措施进行除尘、脱硫和脱硝处理【4】；以天然气为燃料，炉窑烟气有可能不需要脱硫处理，但必须进行除尘和脱硝处理。根据以上分析，针对玻璃熔窑而言，以上四种燃料并无明显的优劣之分。
2我国能源供应及消费现状【5,6,7】
2018年，我国能源生产总量37.7×108tce，同比增长5.0%，其中原煤产量36.8×108t，同比增长4.5%，原油产量1.9×108t，同比下降1.3%，天然气产量1603×108m3，同比增长8.3%。从一次能源供应结构分析：2018年煤炭占比69.1%，原油占比7.1%，天然气占比5.6%。从能源消费结构分析，2018年，我国能源消费总量为46.4×108tce，其中煤炭占比59.0%，天然气占比8.0%，石油占比也有同步增长。
近年我国石油、天然气消费呈急速上升趋势，我国于2017年超过美国，成为全球最大的原油进口国，2018年超过日本，成为全球最大的天然气进口国。同时我国石油和天然气的对外依存度数据也不断被刷新，2018年，我国能源净进口量约为10×108tce，对外依存度21%。其中原油净进口量4.6×108t，对外依存度高达71%；天然气净进口量1200×108m3，对外依存度达到43%。我国原油和天然气的对外依存度都远高于国际公认的30%的安全警戒线，而且我国能源输入渠道过分依赖海上集中运输，其中天然气进口总量的58%依靠海运，原油进口总量的80%须要通过马六甲海峡运输，这些也极大的增加了我国能源安全的风险。
3 玻璃熔制燃料选择分析
3.1 天然气
随着国家“限煤”和“煤改气”政策的不断推进，我国某些地区的玻璃企业纷纷改用天然气作为燃料。就环保排放达标而言，采用天然气作为燃料，熔窑烟气虽然可能不需要采取脱硫措施便可以满足SO2排放要求，但仍然须要采取除尘和脱硝处置才能达到排放标准。就企业生产而言，我国天然气自身产量不足、对外依存度较大、存储设施不完善，受冬季北方地区采暖等季节性需求的冲击，天然气的供应量波动较大，天然气断供现象时有发生，这对于连续性生产要求较高的玻璃行业而言，其造成的冲击是致命的。
燃烧天然气单位产品能耗按照6.0MJ/kg玻璃液计算，天然气热值取35.393MJ/m3。假如玻璃熔制全部以天然气为燃料，则2018年平板玻璃和日用玻璃生产过程中玻璃液熔制需要消耗天然气约20×108m3，约占本年度天然气进口量（1200×108m3）的1.7%。就能源安全角度考虑，全行业大面积改用天然气缺乏现实性支撑。
3.2 煤气发生炉煤气与煤制天然气
煤气发生炉煤气作为玻璃熔窑的传统燃料应用极为广泛，表2数据显示，以煤气发生炉煤气和天然气为燃料，其烟尘、SO2和NOx排放并没有明显的区别。但受近年出台的“煤改气”及“限煤”等政策的冲击，煤气发生炉煤气的应用受到了极大的限制。2019年7月1日生态环境部等四部委发布《工业炉窑大气污染综合治理方案》（环大气［2019］56号），文件规定：原则上禁止新建燃料类的煤气发生炉。
就造气过程中产生的污染状况分析，目前玻璃熔制应用的煤气发生炉煤气站大部分为3Q两段炉不脱焦的热煤气工艺，如图1所示，上下段煤气在炉外混合后输送至用气点。由于发生炉上段煤气温度相对较低（80-120℃），一部分焦油、酚水从上段煤气冷凝析出造成环境污染。与3Q两段炉相比，强化干馏的5Q两段炉在煤气热值、副产焦油的产量和质量、炭资源的节约利用、炉内固硫效果和设备操作与维护等方面具有诸多优势【8,9】，图2为5Q两段炉不脱焦的热煤气工艺流程，上下段煤气在5Q气化炉内混合，炉出煤气温度450-550℃，无焦油、酚水从煤气中冷凝析出，有效的克服了3Q两段炉热煤气站的焦油和酚水污染问题。煤气站储煤和输煤过程产生的粉尘，以及隔断水封和沉降室水封处散发的VOCs物质等无组织排放可以通过有效措施进行治理【10】。煤气发生炉在烘炉、点火送气、热备或停炉过程中煤气（烟气）放散也会产生相应的污染，其污染主要特征参见表4【11】。发生炉干馏段炉衬寿命一般5-10年，即每5-10年烘炉一次，烘炉频次较低；点火送气初期，发生炉放散废气以CO2为主，同烘炉过程一样，采取自然放散形式，但该阶段时间较短；点火送气后期、发生炉热备和停炉阶段，放散废气以CO为主，基本采取火炬放散形式以CO2形式排放。烘炉、点火送气、热备或停炉过程最后产生的烟气可以通过设置除尘、脱硫及脱硝系统进行有效处理。另外，热煤气输送过程中少量冷凝焦油和粉尘的清理点也是玻璃行业煤气站普遍存在的环境污染节点，这可以通过采取对煤气输送管道强化保温等措施，避免焦油冷凝加以解决。综上所述，玻璃熔制应用的发生炉煤气站可以通过技术创新、采用先进的技术进行改进和完善，从而达到可以解禁的环境水平。
从系统能源利用效率【12】角度分析，玻璃行业热煤气站生产的煤气和副产焦油提供的化学能以及热煤气（300-350℃）的物理显热，都属于系统的有效产出能量，系统消耗能量仅为系统消耗的电能和气化用煤的化学热量。表4为KM5Q3.6煤气发生炉热煤气站系统能源利用率的计算，结果显示系统能源利用效率高达90.9%。梁德海【13,14】指出在煤制能源产品中，优质煤制发生炉煤气的能量利用率最高、单位热值成本最低，污染物治理后的排放指标可与国际先进水平指标接轨，是有利于环境保护的工业燃气。
近年，借“煤改气”的东风，煤制天然气（煤经过气化后，再经过甲烷化处理，生产的代用天然气）作为燃料开始粉墨登场【15】。2018年煤制天然气生产量28亿m3，在我国自产天然气总量中占比约为1.75%【6】。煤制天然气工艺复杂、投资巨大、耗水量大（每生产1000Nm3天然气需耗水10t）、环保治理难度大，同时煤制气过程会产生大量硫化物和含酚废水等污染物，处理不当会对环境造成很大污染【16】。煤制天然气的能源利用效率相对较低，该效率理论上可以超过60%【17】，只相当于发生炉煤气的2/3，不符合我国节能减排的主基调。
就我国“富煤、少油、缺气”的能源结构而言，煤制天然气与发生炉煤气都属于洁净煤技术范畴，都符合我国能源安全的要求，煤制天然气可以作为应付能源安全的储备技术，但作为燃料目前不具备推广应用的价值。
3.3重油与石油焦
重油和石油焦都是原油加工过程产生的衍生物。重油主要作为燃料应用，另外重油还可以制取其他化工原料。石油焦主要用于炼铝、制造石墨、制取炭素制品、制取炭化硅制品等，做为燃料应用只是其用途之一。作为燃料应用，重油和石油焦都是比较好的高热值燃料，重油的热值一般为40-42MJ/kg，石油焦的热值一般35-36 MJ/kg。
对比表1和表2，重油和石油焦作为玻璃熔窑的燃料应用，和天然气及发生炉煤气一样，熔窑烟气必须经过除尘、脱硫和脱硝处理才能达标排放。另外，重油必须经过蒸汽加热和雾化后才能燃烧完全；石油焦需用经过超微粉碎制成焦粉后才能进行燃烧。重油和石油焦燃烧前的处理过程需要采取相应的环保控制措施，才能达到相关排放标准要求。
从能源安全角度考虑，重油和石油焦都是原油的衍生品，其供应量会直接受到原油供应的影响。目前我国原油对外依存度高达71%，一旦出现能源危机，首先受到冲击的是原油供应，重油和石油焦的供应量势必相应骤减，特别是石油焦由于其他用途广泛，作为燃料供应可能会受到更大的冲击。
4 总结
（1）受玻璃生产过程中原料和配合料以及玻璃熔窑温度的影响，采用天然气、发生炉煤气、重油和石油焦任何一种燃料，其熔窑烟气都必须经过除尘、脱硫和脱硝处理后，才能符合国家（地方）排放标准（燃用天然气可能不需要脱硫处理）。就烟气达标排放而言，以上四种燃料并无明显的优劣之分。
（2）就国家能源安全角度分析，目前我国天然气和原油的对外依存度都远高于国际公认的30%的安全警戒线。大面积推广天然气不具备现实性的支撑，另外重油和石油焦作为原油的衍生品，也会受到原油安全供应的直接影响，发生炉煤气作为洁净煤转化技术，符合我国能源结构要求。
（3）煤制天然气虽然属于洁净煤转化技术，符合我国能源结构要求，但该技术耗水量大、环保治理难度大，其能源利用效率只相当于发生炉煤气的2/3，不符合我国节能减排的主基调。
（4）玻璃行业燃料选择应该在环保达标的前提下，考虑行业生产特点和国家能源安全状况，对燃料布局进行系统、科学、长远的规划和引导。
参考文献：
【1】中国建筑玻璃与工业玻璃协会. 玻璃产量产能双增长价格持续回落[N]. 中国建材报，2019-09-05（001）.
【2】2018年全国日用玻璃制品产量同比下降7.8%[J]. 网印工业: 2019（02）：59.
【3】汪庆卫，罗理达，刘津，等. 不同燃料玻璃熔窑中SO2和NOx的来源及排放的相关计算[J]. 玻璃与搪瓷，2017，45（05）：6-11.
【4】HJ2305-2018，玻璃工业污染防治可行技术指南［S］.
【5】尹伟华. 我国能源安全面临的挑战及对策建议[J]. 中国物价，2019（08）：15-17+28.
【6】杜伟，孙哲，赵春阳，等.2018年我国能源供应形势分析[J]. 煤炭经济研究，2019，39（07）：10-14.
【7】刘文华等.中国能源统计年鉴2018[M].北京：中国统计出版社，2018，4-5.
【8】张艳，苑卫军，陈学峰. 干馏式发生炉与其它煤气发生炉对比分析[J]. 玻璃，2014，41（08）：7-11.
【9】苑卫军，王冬青，周金国，等. 干馏式发生炉利用煤中矿物质进行炉内固硫的分析[J]. 能源工程，2015（05）：51-55.
【10】苑卫军，韩明汝，王辉. 发生炉煤气站无组织排放的污染与治理[J]. 玻璃，2019，46（02）：49-52.
【11】苑卫军，王辉，韩明汝. 煤气发生炉煤气（烟气）放散污染特征分析[J]. 佛山陶瓷，2019，29（03）：32-34+46.
【12】苑卫军，李建胜，郭健. 煤气站能量利用效率评价[J]. 玻璃，2010，37（02）：31-33.
【13】梁德海. 优质煤制气是既能治理好环境又能保留好玻璃实体工业的可行途径[J]. 玻璃与搪瓷，2015，43（05）：39-46.
【14】梁德海. 优质煤制气是既能治理好环境又能保留好玻璃实体工业的可行途径（续）[J]. 玻璃与搪瓷，2015，43（06）：29-33+16.
【15】李子豪，安钢.煤制天然气在玻璃行业应用探讨[J].玻璃，2018，45（03）：46-50.
【16】梁德海. 优质煤制气是优于煤制天然气的工业燃气[A]. 中国日用玻璃协会技术咨询委员会等. 2016年全国玻璃窑炉技术研讨交流会论文汇编[C].中国硅酸盐学会，2016：3.
【17】安文忠，田普州，齐凯.中国煤制天然气产业现状、发展机遇与挑战[J].煤化工，2018，46（03）：7-11+44.
第一作者
姓名：苑卫军（1968-），男，河北省霸州市，高级工程师，工程硕士，1990年本科毕业于华北理工大学，从事工作内容：煤炭气化行业，研究方向：煤气化工艺及设备，联系电话： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
联系人：苑卫军
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