何峰 金明芳 何威 陳福 楊虎 謝峻林

（1.北京工業(yè)大學材料與制造學部 北京 100124；2.武漢理工大學材料科學與工程學院 武漢 430070；3.秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

全球氣候變暖與環(huán)境惡化已經(jīng)成為人類生存所面臨的重大挑戰(zhàn)性問題，人類不能再忽視大自然一次又一次的警告。中國作為負責任大國，已經(jīng)開始積極履行《巴黎協(xié)定》中中方需要承擔的義務，踐行人民至上、生命至上理念。2020年9月22日，中國國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上承諾，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和［1］。

制造業(yè)是立國之本，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的中堅。如何實現(xiàn)“雙碳”目標，是制造業(yè)發(fā)展的必由之路。務必堅持創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，創(chuàng)造新發(fā)展格局，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史性機遇?！半p碳”是一場影響深遠的系統(tǒng)性變革，中國的碳減排將在提高能源效率、能源需求降低、新能源開發(fā)利用、碳捕集利用封存等方面持續(xù)發(fā)力與推進。

我國玻璃工業(yè)經(jīng)過幾十年的穩(wěn)健發(fā)展，已成為國民經(jīng)濟必不可少的重要產(chǎn)品。玻璃生產(chǎn)需要經(jīng)歷1500 ℃以上的高溫熱工過程，屬于高能耗產(chǎn)業(yè)。2022年國內(nèi)平板玻璃累計產(chǎn)量為101278萬重量箱，折合年產(chǎn)量5064萬t。玻璃工業(yè)的年CO2排放量基本在3380～3500萬t的范圍內(nèi)，相當于我國總CO2排放量的0.35%左右［2］。碳排放的源頭在于制造業(yè)對化石燃料的使用與依賴，減少含碳燃料的使用，尋找替代能源既是一個迫在眉睫的現(xiàn)實問題，也是關(guān)乎到人類可持續(xù)發(fā)展乃至生存的長遠戰(zhàn)略性問題。玻璃工業(yè)積極執(zhí)行國家政策，在行業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求等多方面都面臨“碳排放”的現(xiàn)實問題。

結(jié)合國家的發(fā)展戰(zhàn)略與“雙碳”目標，在玻璃行業(yè)開展降低碳排放的相關(guān)技術(shù)研究，掌握碳排放來源，提出適合于本行業(yè)發(fā)展碳中和路徑，有助于推動玻璃行業(yè)節(jié)能降碳、推進行業(yè)綠色低碳發(fā)展。在實現(xiàn)碳排放達到峰值的進程中，針對減碳要求玻璃行業(yè)一直在行動。減少碳排放需要結(jié)合玻璃行業(yè)及玻璃生產(chǎn)的特點，由于燃燒與生產(chǎn)過程中的碳排放占玻璃行業(yè)CO2總排放量的87%以上［3］，減少含碳能源的使用將成為重點。有關(guān)節(jié)能減排技術(shù)被陸續(xù)開發(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［4-14］，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［15-18］，據(jù)國際能源署的統(tǒng)計顯示，2021年中國的氫氣產(chǎn)量達4000 萬t/a，在全球產(chǎn)氫量中排名第一［19］。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［20］、氫能利用安全［21］、 燃燒技術(shù)［22-24］等方面使之成為可行。

1 氫能源的基本特點

1.1 儲量巨大

在宇宙中，氫是最豐富的元素，占整個宇宙物質(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。水可以作為反應物，通過電極通電電解的方式制備H2，發(fā)生分解反應生成氫氣和氧氣。另外，在化石燃料中也含有大量的H元素，可以通過煤制氫、天然氣制氫的方式產(chǎn)生氫氣。目前全球每年的氫氣需求約為7000萬t，而我國2022年氫氣產(chǎn)量約3781萬t，已經(jīng)成為氫氣的生產(chǎn)與利用大國。其中化石燃料（天然氣、煤）生產(chǎn)的H2占了將近80%，化工領(lǐng)域副產(chǎn)氫占比約為20%，電解水及其他綠色制氫技術(shù)所制H2總量不足2%［25-26］。我國H2應用主要分布于化工與燃燒領(lǐng)域，其中合成氨占比約為33%，甲醇工業(yè)占比約為27%，煉化與化工占比約為24%，燃料燃燒占比約為15.5%。隨著雙碳理念的推進與制氫成本的降低，氫氣作為燃料燃燒的比例會迅速提高。

1.2 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，屬于易燃氣體，燃點為574 ℃，氫氣的燃燒范圍很寬，在空氣中的體積分數(shù)為4%～75% 時，均能夠發(fā)生燃燒反應，燃燒完全。

1.3 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主要的制氫來源，這種方法價格低、產(chǎn)量大，但在生產(chǎn)過程中同時會產(chǎn)生相當數(shù)量的二氧化碳，被認為是不可持續(xù)的。氫能是不依賴化石燃料的新的含能體能源，通過水制氫是未來獲得氫氣的主要手段［18,27,28］。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，不會對環(huán)境造成負面影響，環(huán)保性好。

1.4 供能損耗少、運輸方便、不易儲存

氫能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物形式被儲存，適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。可以選用近距離管道輸氫代替，安全性提高，能源無效損耗減少。氫作為燃料，自重輕，可以增大運載工具的有效載荷，降低運輸成本。氫的體積能量密度小，是天然氣1/3左右，對于儲運提出挑戰(zhàn)。氫的分子結(jié)構(gòu)相對小，不易儲存。

2 氫能在玻璃生產(chǎn)中的應用

2.1 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：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（也稱氫焰速度）vmax=167.7 m/s。出現(xiàn)最大氫焰速度時的濃度值Cmax=33.5%。氫氣在相對封閉的管道內(nèi)的火焰速度受點火位置影響，在管道內(nèi)設置阻火器的開口管道進行的火焰速度試驗表明，當距阻火器的管道點火點達到1.5 m時，點火后即發(fā)生爆燃，其在管道內(nèi)的火焰速度可達到2133 m/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。氫氣燃燒時發(fā)出青色火焰并產(chǎn)生爆鳴?？諝庵紩r的燃燒溫度可達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0.74 MPa。④由于氫氣燃燒產(chǎn)物為H2O，與含碳的燃料相比，其煙氣的黑度會有所降低，輻射系數(shù)減小，傳熱效率也會降低。

有模擬研究表明，對于650 t/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，見圖1。

圖1 玻璃液面處的熱通量與熱輻射量

表1 玻璃液面處的熱通量與熱輻射量 W/m2

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。若以天然氣為對比指標，使用天然氣+氫氣（比例為7∶3）為燃料時，玻璃液面處的熱通量與熱輻射量會降低約4.5%；使用純氫氣為燃料時，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。

2.2 氫氣在玻璃熔制中的國內(nèi)外實踐

利用氫氣熔制玻璃，在減排CO2方面具有非常顯著的優(yōu)勢，國內(nèi)外的企業(yè)與組織在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了許多嘗試。2020—2023年，歐洲一些知名的玻璃企業(yè)陸續(xù)嘗試在玻璃熔制時使用氫氣。

2021年，肖特在德國美因茨總部啟動試點項目，在工業(yè)生產(chǎn)線上使用氫能進行玻璃生產(chǎn)。肖特及其項目合作伙伴共將投入超過71.4萬歐元，其中包括歐洲區(qū)域發(fā)展基金提供的約33.8萬歐元的研發(fā)經(jīng)費，主要用于開發(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行較大規(guī)模熔化試驗，并利用這些試驗來進一步了解氫氣在玻璃熔化過程中的影響程度，實現(xiàn)大幅度減少碳排放的目標。

2021年，Pilkington UK（英國皮爾金頓）在位于英國圣海倫斯工廠進行了一項使用氫氣生產(chǎn)玻璃的試驗，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行的試驗，工業(yè)試驗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荷運行，而不會影響產(chǎn)品質(zhì)量。試驗進行了3周，使用了大約60輛氫氣罐車。從技術(shù)看，用氫氣對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行是可行的。同時也對建立氫氣管道網(wǎng)絡提出了新的思考。若這一技術(shù)加以發(fā)展、完善與實施，到2030年，全英國預計每年將減少1000萬t碳，相當于減少400萬輛汽車上路。

2021年7月，在意大利由Snam、RINA和Bormioli領(lǐng)導的工作組，采用將氫氣摻入天然氣的方式用于玻璃的熔化，測試了玻璃熔爐的熱工狀況，二氧化碳排放顯著降低。工作組表示，未來在意大利玻璃熔融中，引入30%的氫混合燃料之后，每年將減少20萬t的二氧化碳排放。

2022年4月，日本電氣玻璃公司進行了利用氫氣熔制玻璃的工業(yè)化試驗，成功實現(xiàn)了利用純氫燃料熔化制備玻璃。特別是在氫氧燃燒器的研發(fā)方面，由太陽日本三索公司和日本電氣玻璃公司聯(lián)合開發(fā)的燃燒器，實現(xiàn)了氫氣和天然氣比例調(diào)控與混合燃燒，并使氧氣燃燒技術(shù)與氫氣燃燒相結(jié)合，表示將繼續(xù)開發(fā)氫氧燃燒技術(shù)，并將其應用于大規(guī)模生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)該過程的碳減排。

2023年4月，圣戈班在德國赫爾佐根拉特工廠在浮法玻璃生產(chǎn)線上進行研發(fā)試驗，期間將30%以上氫氣摻入到天然氣中用于平板玻璃生產(chǎn)，證明了大量使用氫氣制造平板玻璃的技術(shù)可行性，試驗期間使工廠的直接二氧化碳排放量減少了70 %。

在美國，一個由玻璃制造商和能源供應商組成的聯(lián)盟向政府提交了一份完整的氫能玻璃制造聯(lián)邦資助申請。五大湖清潔氫聯(lián)盟（GLCH）提交的申請獲得了美國能源部（DOE）80億美元的新聯(lián)邦資金資助，遵照《基礎(chǔ)設施投資和就業(yè)法案》建立區(qū)域清潔氫氣中心，服務于俄亥俄州、密歇根州以及賓夕法尼亞州和印第安納州的部分地區(qū)。氫氣中心將以具有競爭力的成本生產(chǎn)清潔氫氣，用在商業(yè)上。該計劃將使用成熟的制氫生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)每天生產(chǎn)超過100 t氫氣的能力。聯(lián)盟成員之一是代表美國玻璃生產(chǎn)商的玻璃制造業(yè)委員會（GMIC），這標志著在美國利用氫能制造玻璃計劃又向前邁進了一步。

隨著雙碳理念在我國的持續(xù)推進，2021年9月，中國建筑材料聯(lián)合會公開發(fā)榜的23個重大科技攻關(guān)項目中，圍繞低碳、零碳、負碳技術(shù)，布局玻璃熔窯利用氫能等5個方向16個攻關(guān)項目［29］，標志著我國建材行業(yè)首次提出并開始實施利用氫氣/氫能制造玻璃。我國雖然到2021年9月才明確提出利用氫氣/氫能制造玻璃，但國內(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)有了多年的實踐。

在我國，用于制備玻璃的燃料主要有5類，以天然氣、發(fā)生爐煤氣、石油焦粉和重油為主要燃料［30,31］，另外還有少量的焦爐煤氣［32］。焦爐煤氣是用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。焦爐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，焦爐煤氣的發(fā)熱量較高，標準狀態(tài)下的低位發(fā)熱量為15000～17200 kJ/m3，其主要成分見表2。

表2 焦爐煤氣的主要成分

由表2可以看出，H2的體積含量高達55%以上，若將H2扣除，對其余氣體的體積含量進行歸一化處理，可以發(fā)現(xiàn)剩余氣體的體積含量占比中，CH4的含量高達61%，CO的含量接近15%，C2H4的含量超過6.5%，這三種可燃氣體的和高達82%以上，可以近似地認為是一種高熱值的含碳燃料。由此也可以將焦爐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)實踐中可知，焦爐煤氣是由管道進行輸送，在小爐下通過燃燒器噴入到熔窯之中，與助燃空氣混合燃燒的。就這一點而言，可以認為我國玻璃企業(yè)在30多年前就開始了高含氫燃料的使用。

1989年8月，由秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院（以下簡稱秦院）設計的太原平板玻璃廠450 t/d浮法玻璃熔窯，使用太原煤氣公司焦化廠的焦爐煤氣為燃料，是我國第一座以焦爐煤氣為燃料的浮法玻璃熔窯，燃料通過管道輸送，小爐采用側(cè)燒式燃燒器布置，成為當時國內(nèi)唯一使用焦爐煤氣為燃料的浮法玻璃生產(chǎn)廠家［32］。該生產(chǎn)線于1994年冷修時再由秦院進行了技改設計，成功將熔化能力提升到500 t/d。1999年冷修時，為了解決焦爐煤氣供氣量不足和供氣壓力波動大且頻繁對生產(chǎn)造成困擾的問題，改為以重油為燃料。2000年之后，因重油市場價格大幅上漲、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)，成功實現(xiàn)了國內(nèi)最早的焦爐煤氣與重油雙燃料混合燃燒運行。

2004—2007年，秦院又陸續(xù)設計了山西利虎玻璃工業(yè)有限公司四條燃焦爐煤氣生產(chǎn)線，其中2條500 t/d和2條600 t/d的生產(chǎn)線；2009—2010年設計了利虎集團子公司山西青耀玻璃有限公司燃焦爐煤氣浮法玻璃生產(chǎn)線2條600 t/d。以上均采用秦院燃焦爐煤氣熔窯、燃焦爐煤氣噴槍及燃燒系統(tǒng)技術(shù)配套。上述全部6條生產(chǎn)線均達產(chǎn)達標。2016年之后，中國國內(nèi)光伏玻璃市場起步，秦院又以焦爐煤氣為燃料成功設計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660 t/d。

秦院作為最早研究用焦爐煤氣進行大規(guī)模生產(chǎn)平板玻璃的國家級研究設計院，對以焦爐煤氣為燃料有一些體會和認識。主要有：①焦爐煤氣燃料中55%～60%的氫氣可燃成分，會對玻璃生產(chǎn)中產(chǎn)生工藝、質(zhì)量、熔窯維護等諸多不利干擾。主要包括火焰對玻璃的輻射能力差，火焰剛性差；燃料氣熱值低，燃燒后廢氣量大，熔窯火焰空間溫度高，熔窯燒損加快等，以上將較為明顯影響玻璃質(zhì)量及窯齡。②燃燒溫度高，燃燒時發(fā)出青色火焰并產(chǎn)生爆鳴?？諝庵紩r的燃燒溫度可達2000 ℃。氫氧混合燃燒的火焰溫度為2100～2500 ℃。③焦爐煤氣是可以用于玻璃生產(chǎn)，但是玻璃生產(chǎn)中產(chǎn)量的提升和質(zhì)量控制難度都很大。如果不采用其他手段，熔窯最大生產(chǎn)能力達到700 t/d就會使產(chǎn)品質(zhì)量的保證變得非常困難，同時窯爐燒損加劇風險明顯上升。④焦爐煤氣可以采用純氧燃燒，特別是小型熔窯。⑤以焦爐煤氣為燃料、空氣助燃的焦爐煤氣熔窯，其噴槍需要特殊的優(yōu)化，同時窯爐結(jié)構(gòu)需要考慮火焰的特征進行優(yōu)化。熔窯輸入燃料的方式既可以采用側(cè)燒，也可以采用底燒方式。但是最有效的方式是秦院開發(fā)的混合燃燒技術(shù)。⑥焦爐煤氣為燃料的窯爐燒損更快一些（與重油、天然氣為燃料的熔窯相比），需要考慮熔窯相關(guān)的材料匹配和結(jié)構(gòu)維護。

2010年，中國建材國際工程集團有限公司設計了某600 t/d的浮法玻璃熔窯［33］，燃料為焦爐煤氣。通過投產(chǎn)運行也得到了一些有益的經(jīng)驗，由于焦爐煤氣熱值較低，成分波動較大，同樣噸位的窯爐其熔化率取值應比燒天然氣和重油的熔窯低20%左右。焦爐煤氣的輻射效果差，所以其單位能耗相對同級別的燒天然氣和重油的熔爐高10%左右。需要有針對性地對以焦爐煤氣為燃料的玻璃熔窯進行結(jié)構(gòu)與燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化。

2012年6月16日，河南濟源金信第一臺全氧燃燒窯爐點火，面積58 m2。燃料為焦爐煤氣，熱值為15675 kJ/m3。氧燃比1∶1.05，采用美國AP的Cleanfire@HRiTM噴槍，玻璃的出料量最大46 t/d。每噸熔制玻璃消耗焦爐煤氣254 Nm3，煙氣中NOx產(chǎn)生量小于200 mg/m3。

到目前為止，我國雖然還未在玻璃生產(chǎn)線上真正地嘗試通過在天然氣燃料中摻入H2的方式進行玻璃的熔制工業(yè)化試驗，但焦爐煤氣在玻璃生產(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踐經(jīng)驗，也打下了堅實的基礎(chǔ)。

氫氣在玻璃熔制中應用還面臨著許多問題，如氫能利用的政策、氫能生產(chǎn)儲運利用過程中的安全、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。

2.3 氫氣在玻璃熔制中應用的可行性分析

2.3.1 政策方面

2021年在全國兩會上，碳達峰、碳中和已經(jīng)被首次寫入政府工作報告。如何高質(zhì)量實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，已成為中國未來一段時期內(nèi)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展與轉(zhuǎn)型的必然要求。為了實現(xiàn)這一目標，能源的生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)均要走向綠色低碳的道路［34］。為此國家已經(jīng)出臺了氫能相關(guān)政策多達20余項。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%，推動生產(chǎn)過程清潔化，鼓勵氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［35］。健全綠色低碳標準體系，對氫能的商業(yè)化、工業(yè)化應用進行正向激勵，已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。30個省份也陸續(xù)將氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展寫入了“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，北京、上海、廣東、河北、山西、天津、內(nèi)蒙古等紛紛出臺氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案，從政策上對氫能產(chǎn)業(yè)進行支持與背書。

2.3.2 技術(shù)方面

在制備氫氣的技術(shù)方面，從制氫的技術(shù)特點看，傳統(tǒng)制氫工業(yè)中，主要以化石能源為原料，制氫過程產(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，實現(xiàn)氫氣的高效利用，從長遠看無法作為大規(guī)模集中化的氫能供應來源。電解水制氫具有純度等級高、雜質(zhì)氣體少、易與可再生能源結(jié)合等優(yōu)點，被認為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞剑?6］。目前，氫能/氫氣已經(jīng)廣泛應用在合成氨、生產(chǎn)甲醇、煉化與化工、燃料、交通等領(lǐng)域［37］。

氫氣在玻璃生產(chǎn)中的應用已經(jīng)有幾十年的歷史，主要體現(xiàn)在兩個部分［38］，一是在浮法玻璃生產(chǎn)中需要使用錫槽作為成形設備，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氣作為保護氣體，因此，在H2輸送、配氣、混氣等方面已經(jīng)有豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。二是國外已經(jīng)在玻璃熔化過程進行了工業(yè)化級別的試驗，證明摻氫天然氣用于熔窯熔制玻璃技術(shù)可行。另外，我國的玻璃企業(yè)雖然沒有直接使用摻氫天然氣的報道，但是很早就將焦爐煤氣作為燃料應用于浮法玻璃生產(chǎn)中［32］，燃料中的H2含量可高達55%～60%，可以認為是預摻氫氣的含碳燃料，熔窯最大生產(chǎn)能力已經(jīng)達到660 t/d。從技術(shù)方面看，浮法玻璃生產(chǎn)中是可行的。

2.3.3 安全方面

氫氣作為一種?；?，具有易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，在使用過程中存在一定的安全隱患［39］。安全用氫體現(xiàn)在氫的生產(chǎn)和儲運、應用等方面，安全性是確保氫實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展與應用的關(guān)鍵。結(jié)合氫氣的物理化學特點以及天然氣使用的安全經(jīng)驗，應在制氫、儲氫、運氫、用氫等各個環(huán)節(jié)時刻關(guān)注其安全問題，建立與完善氫能安全管理制度、安全標準體系、安全支援體系，不斷普及社會對氫能發(fā)展的認知和理解。對從事氫能源的工作人員進行嚴格的安全從業(yè)教育，提高規(guī)范操作的認知能力，確保在生產(chǎn)一線能有效落實消防安全規(guī)程。確保工業(yè)用氫、商業(yè)用氫安全可靠。

2.3.4 成本方面

要實現(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題。1 kg氫氣可以氣化成11.2 m3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，當前廣東的玻璃企業(yè)使用天然氣的高位價格為3.6元/m3，其4倍的費用相當于14.4元/m3。參照這一核算目標，即1 kg氫氣的生產(chǎn)成本若能夠與之相當，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)，遠高于使用天然氣等其它現(xiàn)用燃料。成本與售價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，成本的大幅度降低，氫氣在玻璃工業(yè)中的普及與大量使用一定會成為現(xiàn)實。

3 結(jié)語

氫氣能源的利用是實現(xiàn)碳減排、減緩全球溫度上升的最有效途徑之一。目前發(fā)達國家已經(jīng)在氫氣/氫能利用熔制玻璃方面進行了工業(yè)化試驗，在未來的推廣應用方面展現(xiàn)了良好的前景。隨著碳達峰、碳中和在我國的持續(xù)推進，玻璃行業(yè)氫能的應用也會越來越廣泛。關(guān)于高含氫燃料的使用，我國玻璃企業(yè)已經(jīng)進行了多年的實踐。這些都對氫氣/氫能在玻璃生產(chǎn)中的應用打下了良好的基礎(chǔ)。雖然氫氣/氫能在工業(yè)、商業(yè)化的利用中還存在一些問題，但隨著氫能利用政策的完善、技術(shù)的提升、制氫成本的降低，氫能在玻璃工業(yè)的利用會成為現(xiàn)實，進而推動玻璃行業(yè)節(jié)能降碳和綠色發(fā)展。