玻璃熔窯燃料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王健 陳福 何威

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術(shù)中心 秦皇島 066001）

玻璃生產(chǎn)所用燃料應(yīng)具有的基本特點(diǎn)是：所含可燃物多、熱值高，能較易達(dá)到必要的高溫；燃燒產(chǎn)物必須對(duì)玻璃、熔窯無(wú)害；發(fā)熱量穩(wěn)定，且燃燒過(guò)程較易控制；供應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定；對(duì)環(huán)境污染、影響較小。所以，玻璃熔窯燃料對(duì)玻璃生產(chǎn)及行業(yè)發(fā)展是至關(guān)重要的。

1 國(guó)內(nèi)外玻璃熔窯燃料的演變過(guò)程

1.1 國(guó)外玻璃熔窯燃料的演變

從全球來(lái)看，在上世紀(jì)四十年代前，絕大多數(shù)國(guó)家主要采用發(fā)生爐煤氣作為玻璃工業(yè)的燃料。

1948年，日本旭硝子公司的鶴見(jiàn)玻璃廠最早改用重油，到1960年日本玻璃熔窯基本全部采用重油；英國(guó)同樣在1948年，生產(chǎn)壓延玻璃和模壓玻璃制品的工廠全部改用油作燃料；前西德則在1955—1968年間逐漸改用油作燃料。

美國(guó)天然氣資源豐富，是世界上較早使用天然氣作玻璃熔窯燃料的國(guó)家。1974年，美國(guó)玻璃熔窯燃料中天然氣達(dá)到79%，重油11%，電10%。前蘇聯(lián)和英國(guó)于1960年后逐漸使用天然氣取代重油，前西德大概在1970年后才改用天然氣。

早在1882年，就有人提出利用電能來(lái)熔制玻璃，1902年，沃爾克獲準(zhǔn)一個(gè)基本專(zhuān)利，之后經(jīng)過(guò)不斷研究應(yīng)用，尤其是1942年美國(guó)康寧公司開(kāi)始推廣鉬電極后，使電熔技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段。在上世紀(jì)50年代電助熔技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，全電熔技術(shù)也獲得突破。到1977年，前西德玻璃工業(yè)用天然氣約占35.9%，電34.1%，油30%。

目前，國(guó)外玻璃熔窯燃料主要是天然氣，其次是電。

1.2 國(guó)內(nèi)玻璃熔窯燃料的演變

1965年之前，我國(guó)平板玻璃工業(yè)均使用發(fā)生爐煤氣作為玻璃熔化燃料。

1965年5月，上海耀華玻璃廠四機(jī)窯由燃燒煤氣改為燃燒重油技術(shù)改造項(xiàng)目獲得成功，之后沈陽(yáng)玻璃廠和秦皇島耀華玻璃廠等相繼改燒重油。在很長(zhǎng)一段時(shí)期，我國(guó)玻璃生產(chǎn)用燃料主要為重油和發(fā)生爐煤氣，如1980年，我國(guó)燃油熔窯50%，燃煤氣熔窯48.8%，燃天然氣熔窯1.2%。

1978年，重慶市合川玻璃儀器廠開(kāi)始使用天然氣作為玻璃熔化燃料，1980年，四川玻璃廠50 t/d平拉玻璃生產(chǎn)線使用天然氣作燃料。1995年3月，四川玻璃股份有限公司浮法玻璃生產(chǎn)線正式點(diǎn)火烤窯，這是我國(guó)首座燃天然氣浮法玻璃熔窯；2009年7月，南玻集團(tuán)1000 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線在成都點(diǎn)火投產(chǎn)，該條生產(chǎn)線不僅是國(guó)內(nèi)首條千噸浮法玻璃生產(chǎn)線，更是世界上首條以天然氣為燃料的千噸浮法玻璃生產(chǎn)線。

上世紀(jì)70年代，輕工業(yè)部玻璃搪瓷工業(yè)科學(xué)研究所開(kāi)始試驗(yàn)不到1 t/d的全電熔保溫瓶玻璃，1982年正式立項(xiàng)研究，1985年電熔技術(shù)通過(guò)研究鑒定。上世紀(jì)80年代，我國(guó)先后引進(jìn)了12條全電熔生產(chǎn)線，除昆明平板玻璃廠于1988年從英國(guó)KTG公司引進(jìn)的120 t/d全電熔彩色浮法玻璃生產(chǎn)線外，其它均為玻璃器皿、玻璃瓶罐等日用玻璃生產(chǎn)線，窯爐規(guī)模為3～30 t/d。1992年8月，貴州玻璃廠與國(guó)家建材部南京玻璃纖維研究所聯(lián)合設(shè)計(jì)建造的貴州玻璃廠30 t/d乳白玻璃電熔生產(chǎn)線建成投產(chǎn)。

1983年第3期《中國(guó)建材》報(bào)道，洛陽(yáng)玻璃廠制定了將生產(chǎn)煤氣過(guò)程中所伴生的副產(chǎn)品煤焦油與重油混摻使用的方案。1992年—1993年間，昆明保溫瓶廠29 t/d保溫瓶馬蹄焰玻璃窯爐使用煤焦油作燃料。在上世紀(jì)90年代后期，江蘇華爾潤(rùn)玻璃公司嘗試在浮法玻璃橫焰窯使用煤焦油，截至2004年底，華爾潤(rùn)已在其本部的浮法玻璃一線、二線、三線、四線、七線、九線等6條浮法玻璃生產(chǎn)線使用煤焦油為燃料。之后，江蘇省宿遷玻璃廠從2004年6月開(kāi)始試用，并于當(dāng)年將2條浮法玻璃線改為煤焦油為燃料。之后的2005年和2006年眾多企業(yè)改用煤焦油為燃料。

1989年8月，太原平板玻璃廠450 t/d浮法玻璃熔窯點(diǎn)火投產(chǎn)，該生產(chǎn)線使用太原煤氣公司焦化廠的焦?fàn)t煤氣為燃料，成為國(guó)內(nèi)第一家使用焦?fàn)t煤氣為燃料的浮法玻璃企業(yè)。

2005年12月，萍鄉(xiāng)浮法玻璃廠將水煤漿用于玻璃生產(chǎn)試驗(yàn)。2006年2月水煤漿用于實(shí)際生產(chǎn)的條件完全成熟，5月水煤漿正式替代重油400 t/d生產(chǎn)線全面投入使用，7月在500 t/d生產(chǎn)線使用。2007年2月，安源玻璃有限公司開(kāi)始嘗試使用石油焦干粉替代水煤漿，2007年5月開(kāi)始大量使用，2008年1月完全停用水煤漿。

值得一提的是，使用煤焦油、石油焦作為玻璃熔窯燃料均存在爭(zhēng)議，爭(zhēng)議最大的是石油焦。煤焦油爭(zhēng)議的重點(diǎn)是資源浪費(fèi)，而石油焦的爭(zhēng)議除高硫低硫外，更深層次的是對(duì)玻璃品質(zhì)和對(duì)人身傷害。如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ 2305—2018《玻璃制造業(yè)污染防治可行技術(shù)指南》制定過(guò)程中，石油焦作為玻璃熔窯燃料一直存在，而在正式發(fā)布時(shí)將其刪除。其主要原因是石油焦中含有鎳元素和釩元素，在燃燒時(shí)鎳形成的硫化鎳會(huì)引發(fā)鋼化玻璃自爆；微量的釩不僅會(huì)影響玻璃品質(zhì)，而且會(huì)增加廢氣中五氧化二釩的含量，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，對(duì)人體產(chǎn)生毒害。

以上是我國(guó)玻璃熔窯燃料的大致變化情況。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，我國(guó)玻璃熔窯燃料天然氣使用比例為45.9%，發(fā)生爐煤氣23.6%，石油焦18.7%，焦?fàn)t煤氣5.9%，重油4.6%，煤焦油1.3%。

在玻璃熔窯燃料演變的同時(shí)，電助熔技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)以及全氧燃燒技術(shù)等伴隨發(fā)展。

2 新型的玻璃熔窯燃料介紹

上述燃料均為化石燃料或衍生物，隨著能源危機(jī)和降碳減排要求，這些化石燃料終將會(huì)被新型燃料所替代。

2.1 氫能燃料

氫能是化石燃料最有前途的替代品，被稱為人類(lèi)社會(huì)的終極能源，具有資源豐富、可再生性、可儲(chǔ)存性、近乎零排放的特點(diǎn)。在當(dāng)今脫碳時(shí)代，全球玻璃工業(yè)企業(yè)紛紛探求氫能在玻璃生產(chǎn)上的應(yīng)用技術(shù)。

2.1.1 全球玻璃工業(yè)氫能研發(fā)狀況

（1）日本板硝子株式會(huì)社

2020年2月27日，日本板硝子株式會(huì)社（NSG）宣布，將開(kāi)展利用氫能制造玻璃的示范實(shí)驗(yàn)，于2020年11月在位于英格蘭北部的Greengate工廠啟動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)使用氫氣作為玻璃熔窯主要燃料天然氣和重油的替代能源，并研究可轉(zhuǎn)化氫氣的比例，如果所有天然氣都能轉(zhuǎn)化為氫氣，二氧化碳可減少80%。該實(shí)驗(yàn)是HyNet項(xiàng)目的一部分，HyNet是一個(gè)致力于減少二氧化碳排放的項(xiàng)目，并得到了英國(guó)政府商業(yè)能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）推動(dòng)的工業(yè)燃料轉(zhuǎn)換計(jì)劃520萬(wàn)英鎊的財(cái)政支持。

2021年9月3日，在集團(tuán)公司皮爾金頓英國(guó)Greengate工廠進(jìn)行了為期三周的用氫氣替代玻璃熔窯部分燃料的實(shí)驗(yàn)，并成功生產(chǎn)出尺寸為6 m×3 m的玻璃。在第一階段，熔窯中安裝的八個(gè)燃燒器中的一個(gè)逐漸從天然氣切換為100%氫氣。第二階段將天然氣與20%的氫氣混合作為所有八個(gè)燃燒器的燃料，實(shí)現(xiàn)了天然氣和氫氣之間的無(wú)縫切換。氫氣燃燒的難點(diǎn)在于天然氣和氫氣具有完全不同的燃燒和火焰特性。在天然氣中，燃燒甲烷產(chǎn)生的煙灰充當(dāng)玻璃表面的熱導(dǎo)體，而氫氣產(chǎn)生的水則不然。該公司通過(guò)計(jì)算機(jī)分析流體動(dòng)力學(xué)模型，改變?nèi)紵鞯脑O(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)氫氣燃燒所帶來(lái)的影響。

（2）日本電氣玻璃公司

2022年4月19日，日本電氣玻璃公司成功演示了使用100%的氫燃料熔化玻璃的氫氧燃燒器，該燃燒器由大陽(yáng)日酸株式會(huì)社和日本電氣玻璃公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)。氫氧燃燒器可以根據(jù)需要切換天然氣和氫氣的混合比例，根據(jù)混合比例調(diào)整流量，確認(rèn)獲得與使用100%天然氣燃燒相當(dāng)?shù)娜刍芰πЧ?。這使得富氧燃燒技術(shù)和氫氣燃燒技術(shù)的結(jié)合成為可能，從而將燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量降至零。

（3）德國(guó)肖特公司

綜合肖特公司新聞稿，2020年底，肖特推出了“零碳”戰(zhàn)略計(jì)劃，其目標(biāo)是到2030年成為玻璃行業(yè)首批實(shí)現(xiàn)碳排放中和的企業(yè)之一。公司主要產(chǎn)品爐灶用耐熱玻璃、藥品和電子設(shè)備用特種玻璃以及玻璃陶瓷（微晶玻璃）的制造過(guò)程需要高達(dá)1700 ℃的熔化溫度。作為能源密集型企業(yè)，公司每年的碳足跡約為1萬(wàn)噸二氧化碳，到2022年實(shí)現(xiàn)了排放量減少60%。

2021年初，肖特參與了一個(gè)涉及氫氣工業(yè)使用的項(xiàng)目（P2X項(xiàng)目），在試點(diǎn)工廠中測(cè)試使用氫氣代替天然氣的玻璃熔化工藝。八周的測(cè)試證實(shí)，氫氣燃燒達(dá)到了與天然氣相似的功率和溫度，并且生產(chǎn)的玻璃質(zhì)量相似。然而，與天然氣不同，氫氣燃燒會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，這對(duì)驗(yàn)證水蒸氣如何影響玻璃的性能提出了新的挑戰(zhàn)。

基于P2X項(xiàng)目的成果，2022年11月，肖特在當(dāng)?shù)睾献骰锇榈膮⑴c下，首次在其美因茨總部的熔爐中進(jìn)行工業(yè)規(guī)模熔化試驗(yàn)，測(cè)試氫-天然氣混合物。在該試驗(yàn)中，研發(fā)專(zhuān)家將逐步用氫氣取代天然氣。在一個(gè)月的過(guò)程中，天然氣/氫氣混合物中的氫氣比例將在3個(gè)測(cè)試階段逐漸增加至35%（按體積計(jì)），每個(gè)階段將持續(xù)大約10天。結(jié)果表明，改變?nèi)刍夹g(shù)而不使用化石燃料是可能的，并計(jì)劃2023年在實(shí)驗(yàn)室水平上進(jìn)行100%氫氣的熔化測(cè)試。

該研究項(xiàng)目的總成本超過(guò)71.4萬(wàn)歐元，作為歐盟歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF） 的一部分，肖特及其合作伙伴從德國(guó)萊茵蘭-普法爾茨州氣候保護(hù)、環(huán)境、能源和交通部獲得了約33.8萬(wàn)歐元的資金支持。

（4）圣戈班

2023年3月30日圣戈班新聞稿，在奧貝維利埃的巴黎圣戈班研究中心和卡瓦永的普羅旺斯圣戈班研究中心實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，圣戈班德國(guó)黑措根拉特工廠的研發(fā)試驗(yàn)中使用超過(guò)30%的氫氣進(jìn)行了平板玻璃的試生產(chǎn)。由此證明，使用含有大量氫氣的燃料生產(chǎn)平板玻璃具有技術(shù)可行性，并將該工廠的直接二氧化碳排放量減少高達(dá)70%。

圣戈班表示，該技術(shù)項(xiàng)目是通過(guò)2022年啟動(dòng)的研發(fā)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的，利用該公司在燃燒、玻璃質(zhì)量、陶瓷耐火材料和工業(yè)爐設(shè)計(jì)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，與工業(yè)氣體技術(shù)專(zhuān)家德國(guó)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室氣體與熱力研究所埃森eV（GWI）合作實(shí)施的，并得到北萊茵-威斯特法倫州約400萬(wàn)美元的財(cái)政支持。這項(xiàng)創(chuàng)新標(biāo)志著圣戈班2050年碳中和路線圖的一個(gè)里程碑。

（5）意大利的“Divina”項(xiàng)目

2021年7月23日，由能源基礎(chǔ)設(shè)施企業(yè)Snam、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公司RINA和高端玻璃廠Bormioli領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)全意大利工作組（即“Divina”項(xiàng)目）宣布，正在測(cè)試在玻璃熔爐中使用與天然氣混合的氫氣來(lái)降低CO2排放數(shù)據(jù)。Divina項(xiàng)目（玻璃行業(yè)脫碳：氫氣和新設(shè)備）的主要目標(biāo)是減少玻璃熔化的碳排放。

該工作組表示，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行適當(dāng)測(cè)試后，將在運(yùn)行的玻璃熔爐上進(jìn)行大量使用氫氣的測(cè)試，以評(píng)估實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中氫氣燃燒與玻璃生產(chǎn)的適用性。

該項(xiàng)目還將定義并隨后優(yōu)化未來(lái)熔爐的設(shè)計(jì)規(guī)則（即所謂的“熔爐4.0”），即使氫氣百分比高達(dá)100%，也能保證最佳性能。

（6）中國(guó)建材集團(tuán)

2021年12月24日，中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)在京舉辦年度第五場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)，公布首批全國(guó)建材行業(yè)重大科技攻關(guān)“揭榜掛帥”項(xiàng)目揭榜單位。其中“玻璃熔窯利用氫能成套技術(shù)及裝備”項(xiàng)目，由秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司（牽頭單位）、武漢理工大學(xué)、中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司、山東金晶科技股份有限公司、貞豐縣貴耀材料科技有限公司組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)揭榜。

目前，該項(xiàng)目在燃燒裝置以及氫氣摻入比例等運(yùn)行參數(shù)方面取得突破。

2.1.2 必須使用凈零氫燃料

氫有多種“顏色”，即綠氫、藍(lán)氫和灰氫。所謂綠氫是使用可再生電力電解水等制成；藍(lán)氫是由甲烷和捕獲并儲(chǔ)存的二氧化碳制成；灰氫則由甲烷制成，沒(méi)有碳捕獲。作為玻璃的氫燃料必須是綠氫，至少也要是藍(lán)氫。

2023年7月，國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同有關(guān)部門(mén)修訂的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2023年本，征求意見(jiàn)稿）》建材行業(yè)鼓勵(lì)類(lèi)中“玻璃熔窯利用綠色氫能成套技術(shù)及裝備”，也強(qiáng)調(diào)使用綠色氫能。

2.2 生物燃料

生物燃料泛指由生物質(zhì)組成或萃取的固體、液體或氣體燃料，最常見(jiàn)的生物燃料類(lèi)型是生物乙醇和生物柴油。生物乙醇是一種通過(guò)發(fā)酵制成的酒精，主要來(lái)自糖或淀粉作物（如玉米、甘蔗或甜高粱）中產(chǎn)生的碳水化合物。來(lái)自非食物來(lái)源（例如樹(shù)木和草）的纖維素生物質(zhì)也正在開(kāi)發(fā)作為乙醇生產(chǎn)的原料。生物柴油是通過(guò)酯交換從油或脂肪中生產(chǎn)出來(lái)的，是歐洲最常見(jiàn)的生物燃料。

2022年4月14日NSG宣布，其集團(tuán)旗下的英國(guó)皮爾金頓公司Greengate工廠成功進(jìn)行了世界上第一家使用100%生物燃料制造浮法玻璃的示范試驗(yàn)。由有機(jī)廢料制成的可持續(xù)生物燃料為英國(guó)圣海倫斯皮爾金頓的熔爐提供了4天的熱能，生產(chǎn)了約1.5萬(wàn)m2的有史以來(lái)碳含量最低的浮法玻璃，該燃料的CO2排放量比該行業(yè)使用的傳統(tǒng)天然氣少約80%。該試驗(yàn)是由行業(yè)研究和技術(shù)組織Glass Futures領(lǐng)導(dǎo)的耗資710萬(wàn)英鎊項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目隸屬于商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部的能源創(chuàng)新計(jì)劃，其目的是證明該熔爐可以在使用低碳燃料的情況下安全地滿負(fù)荷生產(chǎn)，而不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 氨燃料

2022年1月13日，日本AGC株式會(huì)社宣布，AGC被新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）選為“燃料氨燃燒開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目的工業(yè)爐技術(shù)研發(fā)承包商。將于2021年12月底至2026年3月與大陽(yáng)日酸株式會(huì)社、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）和東北大學(xué)共同開(kāi)發(fā)該項(xiàng)目。

2023年6月18日～19日，在AGC株式會(huì)社的AGC橫濱技術(shù)中心，將一對(duì)氨/氧燃燒器引入建筑玻璃熔窯中，并進(jìn)行了氨燃燒的實(shí)機(jī)測(cè)試。除評(píng)估對(duì)玻璃質(zhì)量和耐火材料的影響外，還驗(yàn)證了火焰溫度、熔窯溫度、NOX抑制效果等。本次試驗(yàn)中，在保持玻璃熔爐溫度的情況下，廢氣中所含的NOX濃度低于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。

與傳統(tǒng)的燃料相比，氨氣具有燃燒效率高、無(wú)污染、易儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，氨不含二氧化碳，燃燒時(shí)只產(chǎn)生氮?dú)夂退５褂冒比紵膯?wèn)題是火焰溫度低以及在過(guò)量氧氣燃燒時(shí)NOX排放增加。為了解決這些問(wèn)題，東北大學(xué)和AIST通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和各種評(píng)價(jià)來(lái)闡明氨/氧燃燒的NOX生成特性，并開(kāi)發(fā)低NOX燃燒技術(shù)。這次實(shí)驗(yàn)采用的氨/氧燃燒器，可實(shí)現(xiàn)低NOX燃燒技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

使用非石化的新型燃料是玻璃行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段，目前無(wú)論是氫能燃料、生物燃料還是氨氣燃料在玻璃中的應(yīng)用，全球行業(yè)基本同處于起步階段。所以，在對(duì)現(xiàn)用燃料的效能提升進(jìn)行技術(shù)研究的同時(shí)，必須投入必要的人力、財(cái)力，聚合全行業(yè)的創(chuàng)新智慧，全力進(jìn)行玻璃新型燃料技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)。