玻璃纤维行业能效——主要高耗能行业能效技术指南

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。 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 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 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 作者 努希恩·沙赫里，托马斯·艾森胡特，曼努埃拉·法尔加丹 ALLPLANGmbH 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 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。 马丁·霍夫曼 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。 内容 3.1 生产过程及工艺步骤描述203.2 行业节能现状与发展233.2.1 能源统计与基准——玻璃（纤维）行业233.2.2 能量与物质流263.2.3 能源密集型工艺27 4.7 低碳燃料 4.8 基于模型的预测控制 (MBPC)474.8.1 基准情况描述与能耗474.8.2 改进建议措施484.8.3 潜在节能与温室气体减排504.9 压力损失最小化514.9.1 基准情况描述及能耗514.9.2 改进建议措施514.9.3 潜在节能与温室气体减排534.10 对未来发展的展望54 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（4.0 GJ/t）在300 t/d炉（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—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 факты57 缩写 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。 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。 “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。 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%。 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) 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。 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。（h