玻璃生产中，通常使用化石燃料如天然气或重油作为主要能源，其中化石燃料占二氧化碳总排放量的60%以上。然而，随着对环境可持续性发展的关注增加，以及对清洁能源的需求不断增长，氢作为一种潜在的替代能源在玻璃熔窑中受到了越来越多的关注。氢是一种清洁能源，在玻璃熔窑中使用氢能可以显著减少碳排放，有助于应对气候变化。此外，氢能的单位质量热值高，可提供更高的燃烧效率，从而提高玻璃生产的能源利用效率。为应对能源危机、实现碳中和，全球能源结构不断调整，清洁可再生的绿色能源受到关注。作为新型能源体系的重要一环，“氢能”被誉为“21世纪终极能源”，具有储量丰富、重量轻、燃烧热值高、产物无污染等优点，可利用风能、太阳能等新能源产生的电能进行电解水制氢，全生产过程无污染。为实现节能减排，氢能利用受到玻璃行业重视。中国是全球最大的氢能生产国和消费国，已形成完整的氢能产业链，包括制氢、储运、加注和应用等环节。玻璃制造过程能耗和污染排放较高，以氢气替代天然气或燃油等化石能源可大量减少温室气体排放，是玻璃行业降低碳排放的重要发展方向之一。目前国内外众多玻璃相关企业已开展研究，玻璃行业每年大约使用1.0×1018J氢气。2021年，英国皮尔金顿（Pilkington UK）在其位于英国圣海伦斯（St Helens）的工厂首次使用100%氢气实现了平板玻璃的生产制造。同年，肖特与德国能源转型领域最大的研究项目“哥自尼项目”开展合作研究。哥白尼项目P2X与肖特首次完成了用氢气熔融玻璃的测试，取得了初步成效。2022年，肖特在德国美因茨总部启动试点项目，大规模使用氢气和天然气的混合物进行玻璃生产。2023年，百加得与优质玻璃制造商Hrastnik 1860合作，以氢气为主要能源进行玻璃熔炉的技术创新，试验制备的酒瓶保持了与传统方法生产的酒瓶完全相同的外观。在试验过程中，氢气为玻璃熔炉提供了60%以上的燃料，使温室气体排放量减少了30%以上。2024年，肖特通过创新技术变革，成功实现了100%氢能熔炼光学玻璃，使绿色氢能的工业应用成为可能。通过天然气混氢设备将天然气与氢气充分均匀混合，随后将混合气体输送至0#氧枪系统进行高效燃烧，以氢能作为部分替代能源减少天然气的消耗量，提升清洁能源在能源结构中的占比。为了实现天然气与氢气的混合应用，必须对现有的天然气设备进行一系列的优化和改进。增设了氢气输送管道系统，能够安全、高效地将氢气引入天然气的供应系统中。氢气输送管道采用不锈钢材质，能够承受氢气的特殊物理化学性质，确保在整个输送过程中氢气的安全性和稳定性。此外，增设了天然气掺氢混合装置，使天然气与氢气能够充分、均匀地混合。混合装置的设计考虑到了两种气体的混合比例、混合均匀度以及混合后的气体特性，以保证最终输出的混合气体能够满足燃烧设备的要求，同时达到节能减排的目的。天然气掺氢设备见图1。通过将氢气的流量从0 Nm3/h增加到60 Nm3/h，同时保证天然气的流量不变，可以通过观察面板记录火焰长度的变化，如图2所示。在图2中可以清晰地看到，当氢气流量为0 Nm3/h时，火焰呈现出较为分散、细长的形态；而当氢气流量增加至60 Nm3/h时，火焰则变得更为集中、短促。氢气的高燃烧速度加速了燃烧区域内的气体流动，使得火焰前锋更加尖锐，从而减少了火焰的整体长度。同时还促进了燃烧区域的局部湍流，进一步增强了燃烧过程中的热量和物质传递，使得燃烧更加充分、高效。这一变化不仅验证了氢气的燃烧特性，也为进一步优化燃烧效率提供了实验依据。玻璃制品的质量很大程度上取决于玻璃熔化的温度和熔化时间，准确控制玻璃窑炉的温度可以保证玻璃液均匀熔化，减少气泡和杂质，从而提高玻璃制品的质量。可通过设定玻璃窑炉的燃料供应量、空气供应量等参数来控制温度。玻璃液开始熔化的温度一般在1400 ℃左右，但实际生产中，为了消除玻璃液中的气泡，浮法玻璃熔窑的最高熔化温度可达1580~1600 ℃。为了研究掺氢燃烧对窑炉温度的影响，测试掺氢前后窑炉燃烧温度的变化，详细记录了不同氢气流量下，窑炉吊墙各关键点位（铸件、墙砖）的温度变化，见表1。从表1中可以看出，相比未掺氢时，当氢气流量为30、60 Nm3/h时，窑炉内各点的温度略有提高。主要是因为氢气的热值高于天然气，在掺入氢气后，混合气体的热值增加，从而导致窑炉内温度的升高。此外，当氢气流量稳定在30、60 Nm3/h时，窑炉内各点位在不同时间段内并未出现显著变化。这表明在该流量下，掺入氢气对窑炉内温度的稳定性和均匀性具有良好的保护作用。图3为不同氢气流量下，1#小炉碹顶温度变化图。从图3可以看出，掺入氢气后，1#小炉碹顶温度未出现明显变化，表明掺氢燃烧对熔窑无不利影响。氢气燃烧的主要产物是水，为探究掺氢燃烧对玻璃窑炉烟气排放的影响，对1#小炉、2#小炉以及总烟道的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳的排放情况进行了检测，检测结果见表2。从表2中可以看出，掺氢后，氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳的排放量都相应的减少了，总烟道的烟气排放量也有所降低。这表明在氢气掺入后不仅减少了单个燃烧系统的排放负担，还对整个燃烧系统排放性能产生积极的影响。氢能在玻璃熔窑中进行应用不仅有助于提升生产效率和产品质量，还为实现低碳经济和可持续发展目标提供了有力的支持。未来，随着技术的不断进步和政策的持续推动，氢能将在玻璃行业中发挥更加重要的作用，引领行业向更加绿色、高效、可持续的方向发展。欢迎订阅2025年《玻璃》杂志
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