《Renewable Energy》：Carbon capture and oxy-combustion for glassmaking decarbonization through Power-to-Gas: technical and economic viability assessment
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玻璃行业的脱碳通过间接电气化实现，即在Power-to-Gas（PtG）集成方案下生产和利用可再生合成甲烷（synthetic methane）。玻璃熔炉中捕集的CO2与电解氢（e-hydrogen）反应生成可再生甲
玻璃行业的脱碳通过间接电气化实现，即在Power-to-Gas（PtG）集成方案下生产和利用可再生合成甲烷（synthetic methane）。玻璃熔炉中捕集的CO2与电解氢（e-hydrogen）反应生成可再生甲烷，替代目前燃烧的化石天然气。研究人员从技术经济角度将四种新型低碳概念与传统容器玻璃厂进行了比较。这些概念主要区别在于碳捕集技术：（1）钙循环（calcium looping, CaL），并用CaO吹扫替代部分原料；（2）胺洗涤（amine scrubbing）；（3）具有O2-CO2气氛的富氧玻璃熔炼（oxy-glass melting）；（4）熔炉中的纯富氧燃烧（pure oxy-combustion）。除了比较能量惩罚（energy penalty）和CO2减排效果外，研究人员还在三种经济情景下分析了实施减排技术的经济影响：完全购电以及通过光伏（photovoltaic, PV）或风电场（wind farm, WF）自发电。在所有情况下，天然气消耗降低95%，但最大CO2减排量由纯富氧燃烧实现（96%）。当结合风电自发电时，对于250 tglass/d的工厂，胺洗涤方案展现出最佳的碳减排成本（60 �/tCO2）和具体实施成本（13 �/tglass）。然而，在更大的工厂规模（600 tglass/d）下，纯富氧燃烧方案的结果（51 �/tCO2和14 �/tglass）与胺洗涤方案（57 �/tCO2和12 �/tglass）相当。
**论文解读：基于Power-to-Gas的玻璃制造脱碳技术经济评估**
**研究背景与问题**
玻璃行业是典型的高温能源密集型产业，其熔炼过程（温度约1600 °C）消耗总能耗的75–85%，主要依赖天然气燃烧，导致大量CO
2排放。全球容器玻璃和浮法玻璃年排放量分别约为18 MtCO
2和81 MtCO
2。当前脱碳路径包括电气化、氢能替代等，但全电熔炉受限于中小规模，氢燃烧则面临辐射传热降低、泡沫生成等工艺挑战。Power-to-Methane（P
tM）技术通过电解水制氢与捕集的CO
2反应生成合成天然气（SNG），可间接电气化且不改变熔炼工艺，成为有前景的替代方案。然而，现有研究存在两大局限：不同碳捕集技术（如胺洗涤、钙循环、富氧燃烧）分别在特种玻璃、容器玻璃和浮法玻璃领域独立评估，缺乏统一基准的比较；且这些捕集系统未在完整的P
tM方案下进行全面的技术经济模拟。因此，本研究旨在提出并评估四种基于P
tM的新型低碳概念，填补上述空白，为容器玻璃行业脱碳提供系统性技术经济证据。该论文发表在《Renewable Energy》。
**关键技术方法**
研究人员采用Aspen Plus?软件对常规容器玻璃厂（250 t
glass/d，CO
2排放300.6 kgCO
2/t
glass，天然气消耗88.6 kgNG/t
glass）进行建模与验证，并在此基础上集成四种低碳方案。核心技术方法包括：（1）钙循环（CaL）捕集——利用CaO在碳化器中吸热反应捕集CO
2，捕集后的CaCO
3在煅烧炉中分解，CaO吹扫部分替代原料；（2）胺洗涤捕集——使用胺溶剂吸收CO
2，通过再生释放高浓度CO
2；（3）富氧燃烧（oxy-combustion）——以21:79 O
2:CO
2气氛操作，循环部分烟气；（4）纯氧燃烧（pure oxy-fuel）——熔炉采用100% O
2气氛。所有方案均集成P
tM系统：包括质子交换膜（PEM）电解槽制氢、Sabatier甲烷化反应（CO
2 + 4H
2 → CH
4 + 2H
2O）以及热回收。经济分析考虑三种电力情景：电网购电（77 �/MWh）、光伏自发电（620 �/kW，容量因子25%）、风电自发电（1325 �/kW，容量因子43%），经济时间跨度为20年。关键性能指标（KPI）涵盖技术参数（能耗、碳排放、能量惩罚）和经济参数（碳减排成本、具体实施成本）。
**研究结果**
**3.1 技术比较**
- **CaL vs. 胺洗涤**：胺洗涤方案（Case 2）比CaL（Case 1）更紧凑（反应器体积更小），但能量需求更高（CO
2捕集能耗1.13 vs. 0.726 kWh
t/kgCO
2）。CaL因煅烧炉需额外燃烧SNG，导致SNG产量增加（115.3 vs. 87.4 kgSNG/t
glass），净电力消耗更高（2194 vs. 1809 kWh
e/t
glass）。
- **富氧燃烧 vs. 纯氧燃烧**：纯氧燃烧（Case 4）因无N
2惰性气体，熔炉效率更高，SNG消耗更低（76.1 kg/t
glass），净电力消耗仅1574 kWh
e/t
glass，能量惩罚最低（19.9 MJ/kgCO
2）。富氧燃烧（Case 3）表现次之。
- **全局比较**：富氧燃烧方案整体优于碳捕集方案。纯氧燃烧实现CO
2减排96%，而CaL和胺洗涤仅77–79%。所有方案均减少天然气消耗95%。案例4的氧气产量与消耗完全平衡，而案例1和2有大量氧气盈余。
**3.2 经济分析**
- **资本支出与运营支出**：CaL和纯氧燃烧的CAPEX最高（35.4 M�和39.1 M�），胺洗涤和富氧燃烧较低（18.1 M�和15.3 M�）。电力成本是OPEX的主要部分，风电自发电情景下OPEX最低。
- **碳减排成本**：在250 t
glass/d规模下，风电自发电情景中，胺洗涤（Case 2）碳减排成本最低（60 �/tCO
2），具体实施成本13 �/t
glass；纯氧燃烧（Case 4）分别为96 �/tCO
2和25.8 �/t
glass。
- **规模敏感性**：随着工厂规模增大，纯氧燃烧因固定设备投资分摊而竞争力增强。在600 t
glass/d下，纯氧燃烧碳减排成本（51 �/tCO
2）与胺洗涤（57 �/tCO
2）相当，具体实施成本接近（14 vs. 12 �/t
glass）。
- **敏感性分析**：对于纯氧燃烧+风电自发电情景，当CO
2税达到112 �/tCO
2或天然气价格达到102 c�/kg时，项目可实现盈利（贴现回收期<20年）。当前CO
2税（2023年达83 �/tCO
2）和天然气价格波动使该方案在中期具有可行性。
**总结与结论**
研究首次在完整P
tM框架下统一比较了容器玻璃行业最具潜力的碳捕集技术。技术分析表明，纯氧燃烧方案在电力消耗、电解槽尺寸、CO
2减排（96%）和能量惩罚方面均最优，且避免了胺的毒性和CaL的高热需求。经济上，当前市场条件下所有方案均无法即时盈利，但风电自发电和工厂规模是关键因素。对于小规模厂，胺洗涤成本最低；随规模增大，纯氧燃烧竞争力提升。考虑到现有熔炉约20年寿命，更换为纯氧炉（投资成本降低25–35%）是合理选择。敏感性分析指出，在CO
2税或天然气价格达到特定阈值后，P
tM集成方案将在中期内实现盈利。未来研究需开展全生命周期评估（LCA）和?分析以进一步优化。
