氢能在玻璃熔窑中的应用研究

王健

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

2021年10月18日，国家发展改革委等部门《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》（发改产业〔2021〕1464号）指出：实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局，着眼建设制造强国、推动高质量发展作出的重大战略决策。为推动重点工业领域节能降碳和绿色转型，坚决遏制全国“两高”项目盲目发展。主要目标：到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁、电解铝、水泥、平板玻璃、炼油、乙烯、合成氨、电石等重点行业和数据中心达到标杆水平的产能比例超过30%，行业整体能效水平明显提升，碳排放强度明显下降，绿色低碳发展能力显著增强。到2030年，重点行业能效基准水平和标杆水平进一步提高，达到标杆水平企业比例大幅提升，行业整体能效水平和碳排放强度达到国际先进水平，为如期实现碳达峰目标提供有力支撑。

为落实《关于强化能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，指导各地科学有序做好高耗能行业节能降碳技术改造，有效遏制“两高”项目盲目发展，2021年11月5日，国家发改委、工信部等五部门联合发布《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021年版）》的通知。平板玻璃（生产能力>800吨/天）能效标杆水平为8千克标准煤/重量箱，基准水平12千克标准煤/重量箱，平板玻璃（500吨/天≤生产能力≤800吨/天）能效标杆水平为9.5千克标准煤/重量箱，基准水平13.5千克标准煤/重量箱。到2020年底，平板玻璃行业能效优于标杆水平的产能占比小于5%，能效低于基准水平的产能约占8%。

氢能作为理想高效的二次能源，如何使用氢气取代天然气为玻璃企业生产提供动力，使玻璃熔窑以极低的碳排放量运行，同时减少使用玻璃的建筑物的隐含碳排放，是玻璃行业目前研究的主要课题。

1 氢能

1.1 氢能的制造

氢能普遍存在，是最丰富的物质，其来源较为广泛。制氢方式主要有化石燃料制氢、化工副产物制氢和水电解制氢等。

（1）化石燃料制氢

采用煤炭、石油和天然气制氢，工艺成熟，但需要消耗化石资源。煤炭、石油制氢生产过程中有二氧化碳等排出，投资大，氢的转化效率低，环境污染严重，副产氢杂质多，纯化工艺复杂，需要多级纯化才能达到离子膜燃料电池氢气的标准；天然气制氢投资少，氢的转化效率高，基本上无污染，纯化工艺相对简单。

（2）炼钢、炼焦、化工等工业副产物制氢

炼钢、炼焦、化工等工业副产物制氢气体成分复杂，纯化工艺复杂；制碱工业副产氢气纯化工艺简单、杂质含量低、能耗低、投资少、自动化程度高、无污染，成本、环保优势明显。

（3）水电解制氢

水电解制氢纯化工艺简单，场地受限性小，制氢纯度高，不产生污染，目前主要制约因素是电费成本。

在化石能源制氢（煤制氢、天然气制氢）、工业副产物制氢、水电解制氢几种方案中，水电解制氢在制取氢气过程中几乎不存在碳排放，因而被认为是未来最为理想的制氢方式。按照电解质的不同，水电解制氢可分为碱性水电解制氢（AWE）、质子交换膜水电解制氢（PEM）、高温固体氧化物水电解制氢（SOEC）、固体聚合物阴离子交换膜水电解制氢（AEM），其中AWE、PEM已经实现商业化，SOEC、AEM仍然处于研发和示范阶段，具体特性见表1。

表1 不同水电解技术特性

续表1

电解槽是水电解制氢系统的核心。水电解制氢系统由电解槽及辅助系统组成，其中电解槽是电解反应发生的主要场所，辅助系统则包括电力转换、水循环、气体分离、气体提纯等模块。在两端电解液进口接上管道输入电解液，在两端的氧气出口接上氧气输出管，在两端的氢气出口接上氢气输出管。阳极接线端接直流电源正极，阴极接线端接直流电源负极，在氢气输出管与氧气输出管就会有氢气与氧气输出。双极式电解槽主体结构见图1。

图1 双极式电解槽主体结构

1.2 氢能的输送和控制

氢的储运方式有高压储氢、液氢、材料储氢、有机化合物储运氢、管道输氢等，其中高压储氢、液氢、管道输氢均需加压氢气。

玻璃企业一般利用现有的天然气管道，将氢气加压后输入，使氢气与天然气混合输送，这也是快速储运氢的新方向。

掺氢天然气管道输送主要包括掺氢环节、输送环节和用户环节，具体细分见图2。

图2 掺氢天然气管道输送主要环节示意图

由于氢气掺入到天然气中，一方面引入了新的技术问题；另一方面影响了常规天然气管道输送中的问题，这些都需在不同掺氢比条件下重新计算、模拟、评估和判断。掺氢天然气管道输送主要环节有：天然气的掺氢比，管材的相容性，泄漏、积聚、燃烧、爆炸等安全事故，管道的完整性管理，水力工况、配套工艺及相关标准和规范等，需要对其进行精确地控制、准确地计量。

一般情况下，低压条件下不存在氢脆问题，氢气和天然气的泄漏率相差无几。氢气在高温下更容易挥发，氢分子可以分解成两个氢原子，这些原子可以渗入钢中并再次结合成为氢分子，会导致材料中的张力不均匀，导致脆性失去强度。

2 氢能在玻璃生产中应用

玻璃行业是重点行业，玻璃企业是燃料消耗大户，也是二氧化碳排放量大户，其中化石燃料产生的二氧化碳排放占比高达60%，以绿色能源替代化石燃料以降低碳排放势在必行。

从玻璃生产线的具体情况看，平板玻璃的特点是产量大，其能耗水平距离标杆水平还有一定差距，需要在原料、熔化、成形、退火、冷端工艺以及辅助设施等全方位进行优化升级。

玻璃生产熔化技术是在玻璃熔窑内采用燃料燃烧产生的热量来熔化玻璃液，其主要方式是在玻璃熔窑的底部、侧部或顶部增加燃料喷枪，通过燃料喷枪喷出的燃料和助燃空气或氧气发生燃烧反应产生热量，并将热量传递给玻璃配合料，使玻璃配合料熔融并在一定温度下熔化成均一的玻璃液。

目前，玻璃熔化过程采用的主要燃料有天然气、重油、煤焦油、石油焦粉和煤气等，无论是哪一种燃料，其主要的化学组成均为C、H、O中的两种或三种元素，且C含量是最高的，燃料燃烧后的主要产物为CO2、 H2O 等。为了降低CO2的排放量，可以采用提高燃烧效率或采用末端吸收封存CO2等办法，但这些方法并不能从根本上解决CO2排放量大的难题。

在现有燃料中掺入一定比例的氢气，形成混合燃料之后进行燃烧，既能提高燃烧效率、降低玻璃生产能耗，又能够降低玻璃熔化过程中的CO2排放，实现玻璃低碳熔化。

氢能在玻璃生产中的应用主要分为两个部分，一是浮法玻璃生产线锡槽保护气体用氢气和氮气，二是掺氢天然气用于玻璃熔窑熔化过程，掺氢燃烧技术路线见图3。

图3 掺氢燃烧技术路线

2.1 锡槽中保护气体应用

浮法玻璃锡槽保护气体一般采用氮气和氢气的混合气体，氢气的体积占比一般为3%～8%，其余为氮气。氢气在混合气体中的主要作用是防止成形锡槽中的锡液被氧化，造成玻璃下表面沾锡等缺陷，当锡槽中有氧化介质进入时，会首先与混合气体中的氢发生反应而保护金属锡液不被氧化，一般浮法玻璃生产线氢气用量为50～300 Nm3/h。

2.2 熔窑燃烧中应用

掺氢天然气燃烧主要是在天然气中掺入一定量的氢气进行混合燃烧，降低玻璃熔化过程中的碳排放量，实现生产过程降低碳排放的目的。

主要工艺控制点：氢燃料燃烧喷枪、阀组控制系统、燃烧工艺系统解决方案（全氢燃烧和天然气掺氢燃烧），氢气的输送，温度、压力、流量控制，燃烧喷枪的设计和优化技术，氢能利用率为30%～100%，控制氢气在玻璃熔窑内稳定燃烧。

重点解决内容：满足火焰覆盖面要求掺氢或全氢燃烧喷枪的研究和开发；天然气、氢气两用（混合用）燃料喷枪的研制开发；分段供氧燃烧法掺氢喷枪的研制开发；满足不同使用要求掺氢燃烧喷嘴砖的研制；掺氢燃烧喷枪安装使用方式与方法的研究。

在对掺氢燃烧条件下玻璃的熔制工艺进行深入研究的基础上，建立能实现掺氢燃烧浮法玻璃熔窑最佳热工制度的DCS控制系统，智能热端和冷端控制系统，作为生产工艺和过程的全自动化计算机控制和管理中心。主要包括窑压控制、液面控制、燃烧控制、温度分布控制、玻璃成形、退火和冷端的全过程控制。

氢能燃烧主要分为：掺氢燃烧、梯度氢燃烧和纯氢燃烧等几种类型，根据不同的需求以及氢来源存储状况进行有针对性的布置。经过测算，当氢能替换率为30%时，可以实现燃烧过程减碳10%～15%，对于玻璃生产企业具有良好的经济和社会效益。

3 结语

氢推广应用，成为控制温室气体排放、减缓全球温度上升的有效途径之一。随着碳达峰、碳中和的实施，玻璃行业氢能的应用会越来越广泛，其未来发展需要关注的是：制氢成本、储氢以及输送、防泄漏防爆以及玻璃窑炉结构和熔化工艺有针对性地调整等。坚持氢能绿色利用，实现与可再生能源的融合发展，以推动玻璃行业节能降碳和绿色转型。