玻璃熔窯天然氣摻氫燃燒探究

諸葛勤美 吳加鋒 陳哲頎

（中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州 310022）

0 引言

玻璃行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，玻璃生產(chǎn)過程中需要消耗大量的能源。其中玻璃熔窯能耗占玻璃工廠總能耗的95%左右，目前玻璃熔窯燃料主要是化石燃料，如燃料油、天然氣、焦?fàn)t煤氣、石油焦粉、煤炭等，其優(yōu)點(diǎn)是熱值高、燃燒較為穩(wěn)定，缺點(diǎn)是化石能源日益短缺，燃燒排放廢氣中CO、CO2、SOX、 NOX等含量較高，環(huán)保壓力較大。

氫氣作為一種潔凈能源，由于其對(duì)于環(huán)境友好、極高的能量密度和儲(chǔ)存能力以及燃燒產(chǎn)物無污染等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到玻璃行業(yè)變得十分重要?；跉淠艿闹匾饔眉捌浒l(fā)展前景以及氫能在玻璃企業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，有必要對(duì)其在玻璃熔窯中的應(yīng)用進(jìn)行更深一步的研究。為響應(yīng)國(guó)家推動(dòng)重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，本文著重研究玻璃熔窯天然氣燃燒系統(tǒng)中摻入氫氣的三個(gè)不同燃燒方案，使其在玻璃熔窯中使用更加高效、安全、節(jié)能。

1 氫能在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)道，圣戈班公司在其德國(guó)的工廠研發(fā)測(cè)試使用摻30%氫含量的燃料生產(chǎn)平板玻璃取得較好效果，證明了摻氫燃料生產(chǎn)玻璃的技術(shù)可行性。截至當(dāng)前，玻璃企業(yè)生產(chǎn)中氫氣使用量較少，浮法玻璃企業(yè)錫槽所用保護(hù)氣體一般采用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w，氫氣的體積占比一般為3%～8%，其余為氮?dú)狻錃庠诨旌蠚怏w中的主要作用是防止錫槽中的錫液被氧化，造成玻璃下表面沾錫等缺陷，當(dāng)錫槽中有氧化介質(zhì)進(jìn)入時(shí)，會(huì)首先與混合氣體中的氫發(fā)生反應(yīng)而保護(hù)金屬錫液不被氧化，一般浮法玻璃生產(chǎn)線氫氣用量為50～300 Nm3/ h［1］。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)還沒有玻璃企業(yè)直接將氫氣用于玻璃熔窯燃燒，也沒有在天然氣中摻入一定量的氫氣進(jìn)行混合燃燒，以降低玻璃熔化過程中的碳排放量，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程降低碳排放的目的。該技術(shù)難點(diǎn)在于如何解決氫氣的大量生產(chǎn)和輸送；摻氫混合器和燃燒噴槍的設(shè)計(jì)和技術(shù)優(yōu)化；制定適應(yīng)于摻氫天然氣燃燒的工藝制度；設(shè)計(jì)適用于摻氫燃燒的玻璃熔窯等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫能替換率為30%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)玻璃熔窯燃燒過程減少碳排放10%～15%［1］，對(duì)于玻璃生產(chǎn)企業(yè)具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，也符合國(guó)家提出的碳達(dá)峰碳中和的總體目標(biāo)。

2 氫氣在玻璃熔窯燃燒工藝中的應(yīng)用研究

按照不同的摻氫比例，武漢理工大學(xué)做了二組模擬實(shí)驗(yàn)：第一組：甲烷在不同摻氫體積比下燃燒，熔制氣氛對(duì)玻璃中羥基含量與結(jié)構(gòu)的影響；第二組：玻璃熔窯中甲烷摻氫燃燒的模擬研究。

通過第一組實(shí)驗(yàn)得出：玻璃熔制過程中，煙氣所含有的水蒸氣能夠溶于玻璃熔體中，并與玻璃熔體發(fā)生反應(yīng)。隨著燃料中摻氫比例的提高，玻璃中溶解羥基的量也隨之增加。通過第二組實(shí)驗(yàn)得出：玻璃熔窯中甲烷摻氫燃燒后，燃燒反應(yīng)速率加快，反應(yīng)過程加快，隨著摻氫比增大，燃燒火焰的溫度峰值升高、峰值溫度出現(xiàn)的位置更靠近燃料入口。

在熔窯所需熱量一定的情況下，摻氫比越大，碳氧化物和氮氧化物產(chǎn)量越小。經(jīng)過對(duì)比，最終設(shè)計(jì)氫氣總體積流量為熔窯熔化玻璃時(shí)所需天然氣總體積流量的30%，即燃料中氫氣與天然氣的體積比為3:7。根據(jù)試驗(yàn)線要求，熔窯設(shè)7對(duì)小爐。經(jīng)計(jì)算，在燃燒產(chǎn)生相同熱量的情況下，天然氣燃燒需氧量約是氫氣燃燒的1.45倍，氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣量約是天然氣燃燒的1.38倍。因此，熔窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生相同熱量情況下，當(dāng)摻氫體積比為30%時(shí)，氫氣燃燒比天然氣燃燒碳氧化物產(chǎn)量減少約13.4%，氮氧化物產(chǎn)量減少約4%，水蒸氣產(chǎn)量增加約5%。

2.1 天然氣摻氫方案一

將所需氫氣經(jīng)主管流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥后，全部摻入經(jīng)主管流量計(jì)計(jì)量后的天然氣主管道中，天然氣和氫氣混合均勻后，分成7根支管，全部供給各個(gè)小爐。此方案混合工藝簡(jiǎn)單，熔窯內(nèi)燃料成分比較均勻，制造成本低，易操作；缺點(diǎn)是各個(gè)小爐內(nèi)氫氣含量相同，不能分別控制。

通過對(duì)天然氣和氫氣的熱值用量計(jì)算，體積比為30%摻氫比例下各管路的管徑計(jì)算結(jié)果見表1。天然氣摻氫系統(tǒng)原理（方案一）見圖1。

圖1 天然氣摻氫系統(tǒng)原理（方案一）

表1 天然氣、氫氣總管參數(shù)

2.2 天然氣摻氫方案二

一定量的天然氣和氫氣分別通過主管各分成7根支管，分別經(jīng)支管流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥后，混合均勻供給各個(gè)小爐。根據(jù)熔窯各個(gè)部位對(duì)燃燒氣氛的不同需求，每對(duì)小爐的天然氣支管中可分別摻入不同比例的氫氣，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。此方案混合工藝相對(duì)復(fù)雜，制造成本較高，操作繁瑣，但可達(dá)到各對(duì)小爐氫氣比例靈活精準(zhǔn)控制，適合各種工況下生產(chǎn)。

通過對(duì)天然氣和氫氣的熱值用量計(jì)算，體積比為30%總摻氫比例下各管路的管徑計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表2 天然氣、氫氣各小爐支管參數(shù)

表3 天然氣摻氫后各小爐支管管道參數(shù)

2.3 天然氣摻氫方案三

一定量的天然氣和氫氣分別通過主管各分成3根支管，經(jīng)支管流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥后，在天然氣支管中分別摻入不同比例的氫氣，以達(dá)到更好的熔化效果。前3對(duì)小爐為還原焰區(qū)，摻氫比例設(shè)為30%～37%；4#、 5#小爐為中性焰區(qū)，摻氫比例約為30%；6#、 7#小爐為氧化焰區(qū)，摻氫比例設(shè)為0～30%。天然氣和氫氣混合均勻，第1根支管供給1#～ 3#小 爐，第2根支管 供 給4#、5#小爐，最后1根支管供給6#、 7#小爐。此方案介于方案一和方案二之間，混合工藝難度為中等，制造成本適中，操作難度一般，可分區(qū)控制熔窯內(nèi)摻氫比例和燃燒氣氛，是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

通過對(duì)天然氣和氫氣的熱值用量計(jì)算，各管路的管徑計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 天然氣、氫氣各小爐支管參數(shù)

表5 天然氣摻氫后各小爐支管參數(shù)

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論及理論研究，針對(duì)氫能燃燒玻璃熔制工藝的特點(diǎn)和熔制要求，認(rèn)為采用方案三更優(yōu)，按照玻璃熔化工藝特點(diǎn)，在玻璃熔窯三種燃燒氣氛（還原、中性、氧化）中分別摻入不同比例的氫氣，還原焰區(qū)摻氫比例設(shè)為30%～37%；中性火焰區(qū)域摻氫比例約為30%；氧化火焰區(qū)域摻氫比例為0～30%。天然氣和氫氣分區(qū)混合后，按不同比例分小爐供給熔窯各噴槍，按照合理的流速設(shè)計(jì)相應(yīng)壓力、管徑大小。該方案可以在更加精準(zhǔn)地分配熱量、節(jié)約天然氣用量的同時(shí)，還能大幅降低熔窯煙氣中的碳氧化物和氮氧化物含量，并有利于玻璃熔窯燃燒氣氛穩(wěn)定，對(duì)熔窯耐火材料的侵蝕和玻璃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，可以為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排提供一種新的解決方案。

該方案符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的要求，完全符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。玻璃企業(yè)摻氫燃燒替代純天然氣等能源無論是對(duì)增強(qiáng)企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，還是對(duì)玻璃行業(yè)節(jié)能減碳技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)我國(guó)玻璃產(chǎn)業(yè)能耗減低至國(guó)家標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平，節(jié)約資源、促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展都是十分必要的，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著國(guó)內(nèi)綠氫項(xiàng)目研究的深入，制氫成本不斷下降，摻氫燃料也必定會(huì)在玻璃生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。