結(jié)合國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略與“雙碳”目標(biāo)，在玻璃行業(yè)開(kāi)展降低碳排放的相關(guān)技術(shù)研究，掌握碳排放來(lái)源，提出適合于本行業(yè)發(fā)展碳中和路徑，有助于推動(dòng)玻璃行業(yè)節(jié)能降碳、推進(jìn)行業(yè)綠色低碳發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值的進(jìn)程中，針對(duì)減碳要求玻璃行業(yè)一直在行動(dòng)。減少碳排放需要結(jié)合玻璃行業(yè)及玻璃生產(chǎn)的特點(diǎn)，由于燃燒與生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放占玻璃行業(yè)CO2總排放量的87%以上，減少含碳能源的使用將成為重點(diǎn)。有關(guān)節(jié)能減排技術(shù)被陸續(xù)開(kāi)發(fā)，并已經(jīng)在生產(chǎn)線上使用，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、全氧燃燒、電輔加速熔制、余熱發(fā)電、窯爐全保溫、紅外涂料、0#氧槍、燃料的選擇等，目前在玻璃工業(yè)中還未形成顛覆性的減碳關(guān)鍵技術(shù)。隨著制氫與氫能技術(shù)的快速發(fā)展，據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)顯示，2021年中國(guó)的氫氣產(chǎn)量達(dá)4000萬(wàn)t/a，在全球產(chǎn)氫量中排名第一。在玻璃制備中使用氫能正逐步變得可能，但需要從氫能利用產(chǎn)業(yè)政策、氫能利用安全、燃燒技術(shù)等方面使之成為可行。1氫能源的基本特點(diǎn)（1）儲(chǔ)量巨大在宇宙中，氫是最豐富的元素，占整個(gè)宇宙物質(zhì)量的81.75%。地球上的H主要以H2O的形式存在，地球表面的70.8%被水覆蓋。水可以作為反應(yīng)物，通過(guò)電極通電電解的方式制備H2，發(fā)生分解反應(yīng)生成氫氣和氧氣。另外，在化石燃料中也含有大量的H元素，可以通過(guò)煤制氫、天然氣制氫的方式產(chǎn)生氫氣。隨著雙碳理念的推進(jìn)與制氫成本的降低，氫氣作為燃料燃燒的比例會(huì)迅速提高。（2）熱值高、燃燒性能好氫在元素周期表中排列第一位，其分子量最小，熱值為1.4×108J/kg。除核燃料外，氫氣的發(fā)熱值是所有可燃物質(zhì)中最高的。每千克氫氣完全燃燒釋放的熱量約是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍、天然氣的4倍。氫氣的燃燒性能較好，火焰的傳播速度較快，屬于易燃?xì)怏w，燃點(diǎn)為574℃，氫氣的燃燒范圍很寬，在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%~75%時(shí)，均能夠發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒完全。（3）燃燒產(chǎn)物清潔、可循環(huán)度高目前，雖然石油化工資源制氫是我國(guó)主要的制氫來(lái)源，這種方法價(jià)格低、產(chǎn)量大，但在生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的二氧化碳，被認(rèn)為是不可持續(xù)的。氫能是不依賴(lài)化石燃料的新的含能體能源，通過(guò)水制氫是未來(lái)獲得氫氣的主要手段。水可以制得氫氣和氧氣，氫氣燃燒后再次生成水，循環(huán)度高。氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，環(huán)保性好。（4）供能損耗少、運(yùn)輸方便、不易儲(chǔ)存氫能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物形式被儲(chǔ)存，適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求?？梢赃x用近距離管道輸氫代替，安全性提高，能源無(wú)效損耗減少。氫作為燃料，自重輕，可以增大運(yùn)載工具的有效載荷，降低運(yùn)輸成本。氫的體積能量密度小，是天然氣1/3左右，對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)提出挑戰(zhàn)。氫的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)小，不易儲(chǔ)存。2氫能在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用（1）氫氣的燃燒特征與其它氣體燃料相比，氫氣的燃燒有以下特點(diǎn)：①氫氣的燃燒速度快。氫氣爆炸速度與氫氣濃度的關(guān)系近似高斯曲線，其定向最大傳播速度（也稱(chēng)氫焰速度）vmax=167.7m/s。出現(xiàn)最大氫焰速度時(shí)的濃度值Cmax=33.5%。氫氣在相對(duì)封閉的管道內(nèi)的火焰速度受點(diǎn)火位置影響，在管道內(nèi)設(shè)置阻火器的開(kāi)口管道進(jìn)行的火焰速度試驗(yàn)表明，當(dāng)距阻火器的管道點(diǎn)火點(diǎn)達(dá)到1.5m時(shí)，點(diǎn)火后即發(fā)生爆燃，其在管道內(nèi)的火焰速度可達(dá)到2133m/s，是同樣條件下丙烷和空氣混合氣體火焰速度的20～30倍。②燃燒溫度高。氫氣燃燒時(shí)發(fā)出青色火焰并產(chǎn)生爆鳴?？諝庵紩r(shí)的燃燒溫度可達(dá)2000℃。氫氧混合燃燒的火焰溫度為2100～2500℃。③爆炸范圍寬。氫氣爆炸的上下限范圍為4.1%～74.2%，爆炸威力大，最大爆炸壓力為0.74MPa。④由于氫氣燃燒產(chǎn)物為H2O，與含碳的燃料相比，其煙氣的黑度會(huì)有所降低，輻射系數(shù)減小，傳熱效率也會(huì)降低。有模擬研究表明，對(duì)于650t/d的浮法玻璃熔窯而言，分別使用天然氣、天然氣+氫氣（比例為7∶3）、純的氫氣為燃料，在熔窯熔化部火焰空間區(qū)域，火焰及煙氣對(duì)配合料及玻璃液的熱通量與熱輻射量存在明顯的差距。表1為玻璃液面處的熱通量與熱輻射量結(jié)果。將表1中的數(shù)據(jù)作成柱狀圖，見(jiàn)圖1。圖1玻璃液面處的熱通量與熱輻射量

由表1與圖1可以看出，隨著燃料中H2含量的增加，玻璃液面處的熱通量與熱輻射量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。若以天然氣為對(duì)比指標(biāo)，使用天然氣+氫氣（比例為7∶3）為燃料時(shí)，玻璃液面處的熱通量與熱輻射量會(huì)降低約4.5%；使用純氫氣為燃料時(shí)，玻璃液面處的熱通量與熱輻射量降低約20%。其中的原因與燃燒產(chǎn)物的組成有密切的關(guān)系，H2含量的增加，煙氣中CO2的含量降低，使其黑度降低，火焰與煙氣的輻射系數(shù)下降。（2）氫氣在玻璃熔制中的國(guó)內(nèi)外實(shí)踐利用氫氣熔制玻璃，在減排CO2方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外的企業(yè)與組織在該領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了許多嘗試。2020—2023年，歐洲一些知名的玻璃企業(yè)陸續(xù)嘗試在玻璃熔制時(shí)使用氫氣。2021年，肖特在德國(guó)美因茨總部啟動(dòng)試點(diǎn)項(xiàng)目，在工業(yè)生產(chǎn)線上使用氫能進(jìn)行玻璃生產(chǎn)。肖特及其項(xiàng)目合作伙伴共將投入超過(guò)71.4萬(wàn)歐元，其中包括歐洲區(qū)域發(fā)展基金提供的約33.8萬(wàn)歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，主要用于開(kāi)發(fā)全新的環(huán)保低碳型玻璃熔融工藝與裝備。該環(huán)保項(xiàng)目在特種玻璃行業(yè)中尚屬首例。其方法是使用氫氣和天然氣的混合物進(jìn)行較大規(guī)模熔化試驗(yàn)，并利用這些試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步了解氫氣在玻璃熔化過(guò)程中的影響程度，實(shí)現(xiàn)大幅度減少碳排放的目標(biāo)。2021年，PilkingtonUK（英國(guó)皮爾金頓）在位于英國(guó)圣海倫斯工廠進(jìn)行了一項(xiàng)使用氫氣生產(chǎn)玻璃的試驗(yàn)，天然氣完全被氫氣所取代。這是世界上首次在浮法玻璃熔窯進(jìn)行的試驗(yàn)，工業(yè)試驗(yàn)證明玻璃配合料被加熱到1600℃左右，而且熔爐可以安全地滿負(fù)荷運(yùn)行，而不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。試驗(yàn)進(jìn)行了3周，使用了大約60輛氫氣罐車(chē)。從技術(shù)看，用氫氣對(duì)玻璃制造等能源密集型產(chǎn)業(yè)脫碳，可使玻璃產(chǎn)業(yè)的碳排放在極低的水平上運(yùn)行是可行的。同時(shí)也對(duì)建立氫氣管道網(wǎng)絡(luò)提出了新的思考。若這一技術(shù)加以發(fā)展、完善與實(shí)施，到2030年，全英國(guó)預(yù)計(jì)每年將減少1000萬(wàn)t碳，相當(dāng)于減少400萬(wàn)輛汽車(chē)上路。隨著雙碳理念在我國(guó)的持續(xù)推進(jìn)，2021年9月，中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)公開(kāi)發(fā)榜的23個(gè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目中，圍繞低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)，布局玻璃熔窯利用氫能等5個(gè)方向16個(gè)攻關(guān)項(xiàng)目，標(biāo)志著我國(guó)建材行業(yè)首次提出并開(kāi)始實(shí)施利用氫氣/氫能制造玻璃。我國(guó)雖然到2021年9月才明確提出利用氫氣/氫能制造玻璃，但國(guó)內(nèi)玻璃企業(yè)與研究單位在利用含氫氣能源燃燒熔制玻璃方面已經(jīng)有了多年的實(shí)踐。在我國(guó)，用于制備玻璃的燃料主要有5類(lèi)，以天然氣、發(fā)生爐煤氣、石油焦粉和重油為主要燃料，另外還有少量的焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣是用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦?fàn)t中經(jīng)過(guò)高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時(shí)所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。焦?fàn)t煤氣是多種氣體的混合物，主要可燃成分為H2、CH4和CO，惰性氣體成分有N2和CO2，焦?fàn)t煤氣的發(fā)熱量較高，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的低位發(fā)熱量為15000～17200kJ/m3，其主要成分見(jiàn)表2。表2焦?fàn)t煤氣的主要成分由表2可以看出，H2的體積含量高達(dá)55%以上，若將H2扣除，對(duì)其余氣體的體積含量進(jìn)行歸一化處理，可以發(fā)現(xiàn)剩余氣體的體積含量占比中，CH4的含量高達(dá)61%，CO的含量接近15%，C2H4的含量超過(guò)6.5%，這三種可燃?xì)怏w的和高達(dá)82%以上，可以近似地認(rèn)為是一種高熱值的含碳燃料。由此也可以將焦?fàn)t煤氣看成是一種摻氫55%～60%的含碳燃料混合燃料。從相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)踐中可知，焦?fàn)t煤氣是由管道進(jìn)行輸送，在小爐下通過(guò)燃燒器噴入到熔窯之中，與助燃空氣混合燃燒的。就這一點(diǎn)而言，可以認(rèn)為我國(guó)玻璃企業(yè)在30多年前就開(kāi)始了高含氫燃料的使用。1989年8月，由秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)秦院）設(shè)計(jì)的太原平板玻璃廠450t/d浮法玻璃熔窯，使用太原煤氣公司焦化廠的焦?fàn)t煤氣為燃料，是我國(guó)第一座以焦?fàn)t煤氣為燃料的浮法玻璃熔窯，燃料通過(guò)管道輸送，小爐采用側(cè)燒式燃燒器布置，成為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一使用焦?fàn)t煤氣為燃料的浮法玻璃生產(chǎn)廠家。該生產(chǎn)線于1994年冷修時(shí)再由秦院進(jìn)行了技改設(shè)計(jì)，成功將熔化能力提升到500t/d。1999年冷修時(shí)，為了解決焦?fàn)t煤氣供氣量不足和供氣壓力波動(dòng)大且頻繁對(duì)生產(chǎn)造成困擾的問(wèn)題，改為以重油為燃料。2000年之后，因重油市場(chǎng)價(jià)格大幅上漲、企業(yè)成本上升，該生產(chǎn)線再次改造，秦院此次采用新研發(fā)多燃料混合燃燒技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)最早的焦?fàn)t煤氣與重油雙燃料混合燃燒運(yùn)行。2004—2007年，秦院又陸續(xù)設(shè)計(jì)了山西利虎玻璃工業(yè)有限公司四條燃焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)線，其中2條500t/d和2條600t/d的生產(chǎn)線；2009—2010年設(shè)計(jì)了利虎集團(tuán)子公司山西青耀玻璃有限公司燃焦?fàn)t煤氣浮法玻璃生產(chǎn)線2條600t/d。以上均采用秦院燃焦?fàn)t煤氣熔窯、燃焦?fàn)t煤氣噴槍及燃燒系統(tǒng)技術(shù)配套。上述全部6條生產(chǎn)線均達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。2016年之后，中國(guó)國(guó)內(nèi)光伏玻璃市場(chǎng)起步，秦院又以焦?fàn)t煤氣為燃料成功設(shè)計(jì)了唐山金信新能源科技有限公司3條光伏玻璃生產(chǎn)線，其中一條熔窯最大生產(chǎn)能力為660t/d。2010年，中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)了某600t/d的浮法玻璃熔窯，燃料為焦?fàn)t煤氣。通過(guò)投產(chǎn)運(yùn)行也得到了一些有益的經(jīng)驗(yàn)，由于焦?fàn)t煤氣熱值較低，成分波動(dòng)較大，同樣噸位的窯爐其熔化率取值應(yīng)比燒天然氣和重油的熔窯低20%左右。焦?fàn)t煤氣的輻射效果差，所以其單位能耗相對(duì)同級(jí)別的燒天然氣和重油的熔爐高10%左右。需要有針對(duì)性地對(duì)以焦?fàn)t煤氣為燃料的玻璃熔窯進(jìn)行結(jié)構(gòu)與燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化。到目前為止，我國(guó)雖然還未在玻璃生產(chǎn)線上真正地嘗試通過(guò)在天然氣燃料中摻入H2的方式進(jìn)行玻璃的熔制工業(yè)化試驗(yàn)，但焦?fàn)t煤氣在玻璃生產(chǎn)線上的使用已經(jīng)有30多年，這為摻H2的含碳燃料在玻璃工業(yè)上的使用積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。氫氣在玻璃熔制中應(yīng)用還面臨著許多問(wèn)題，如氫能利用的政策、氫能生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)利用過(guò)程中的安全、使用中的燃燒與控制技術(shù)、窯爐結(jié)構(gòu)、耐火材料、玻璃的結(jié)構(gòu)性能、氫氣產(chǎn)量與成本等。（3）氫氣在玻璃熔制中應(yīng)用的可行性分析①政策方面2021年在全國(guó)兩會(huì)上，碳達(dá)峰、碳中和已經(jīng)被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告。如何高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，已成為中國(guó)未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展與轉(zhuǎn)型的必然要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，能源的生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)均要走向綠色低碳的道路。為此國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了氫能相關(guān)政策多達(dá)20余項(xiàng)。在《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提到，單位工業(yè)增加值二氧化碳排放要降低18%，推動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程清潔化，鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。健全綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)氫能的商業(yè)化、工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行正向激勵(lì)，已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。30個(gè)省份也陸續(xù)將氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展寫(xiě)入了“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，北京、上海、廣東、河北、山西、天津、內(nèi)蒙古等紛紛出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案，從政策上對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行支持與背書(shū)。②技術(shù)方面在制備氫氣的技術(shù)方面，從制氫的技術(shù)特點(diǎn)看，傳統(tǒng)制氫工業(yè)中，主要以化石能源為原料，制氫過(guò)程產(chǎn)生CO2排放，制得氫氣中普遍含有硫、磷等。利用氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)物提純制氫，能夠避免尾氣中的氫氣浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)氫氣的高效利用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看無(wú)法作為大規(guī)模集中化的氫能供應(yīng)來(lái)源。電解水制氫具有純度等級(jí)高、雜質(zhì)氣體少、易與可再生能源結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞健Ｄ壳?，氫?氫氣已經(jīng)廣泛應(yīng)用在合成氨、生產(chǎn)甲醇、煉化與化工、燃料、交通等領(lǐng)域。氫氣在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，主要體現(xiàn)在兩個(gè)部分，一是在浮法玻璃生產(chǎn)中需要使用錫槽作為成形設(shè)備，為了防止浮拋介質(zhì)金屬錫氧化，在錫槽中使用了氫氣和氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，因此，在H2輸送、配氣、混氣等方面已經(jīng)有豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。二是國(guó)外已經(jīng)在玻璃熔化過(guò)程進(jìn)行了工業(yè)化級(jí)別的試驗(yàn)，證明摻氫天然氣用于熔窯熔制玻璃技術(shù)可行。另外，我國(guó)的玻璃企業(yè)雖然沒(méi)有直接使用摻氫天然氣的報(bào)道，但是很早就將焦?fàn)t煤氣作為燃料應(yīng)用于浮法玻璃生產(chǎn)中，燃料中的H2含量可高達(dá)55%～60%，可以認(rèn)為是預(yù)摻氫氣的含碳燃料，熔窯最大生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到660t/d。從技術(shù)方面看，浮法玻璃生產(chǎn)中是可行的。③安全方面氫氣作為一種危化品，具有易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，在使用過(guò)程中存在一定的安全隱患。安全用氫體現(xiàn)在氫的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等方面，安全性是確保氫實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)合氫氣的物理化學(xué)特點(diǎn)以及天然氣使用的安全經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)在制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫等各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)刻關(guān)注其安全問(wèn)題，建立與完善氫能安全管理制度、安全標(biāo)準(zhǔn)體系、安全支援體系，不斷普及社會(huì)對(duì)氫能發(fā)展的認(rèn)知和理解。對(duì)從事氫能源的工作人員進(jìn)行嚴(yán)格的安全從業(yè)教育，提高規(guī)范操作的認(rèn)知能力，確保在生產(chǎn)一線能有效落實(shí)消防安全規(guī)程。確保工業(yè)用氫、商業(yè)用氫安全可靠。④成本方面要實(shí)現(xiàn)氫氣在玻璃工業(yè)中的普及與大量使用，其生產(chǎn)量與成本是不可回避的問(wèn)題。1kg氫氣可以氣化成11.2m3的氫氣，其熱值為14.3×107J/kg。每千克氫氣燃燒后的熱量，約為天然氣的4倍。以天然氣為核算目標(biāo)，當(dāng)前廣東的玻璃企業(yè)使用天然氣的高位價(jià)格為3.6元/m3，其4倍的費(fèi)用相當(dāng)于14.4元/m3。參照這一核算目標(biāo)，即1kg氫氣的生產(chǎn)成本若能夠與之相當(dāng)，才能夠確保氫氣在玻璃工業(yè)中的普及與大量使用。目前，就電解水制氫而言，其制氫成本在25～50元/kg的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)高于使用天然氣等其它現(xiàn)用燃料。成本與售價(jià)也是制約氫氣在制造業(yè)、商用領(lǐng)域廣泛使用的關(guān)鍵，另外，氫氣的生產(chǎn)量也是限制大規(guī)模商用的“瓶頸”。隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)量的增加，成本的