减少碳排放需要结合玻璃行业及玻璃生产的特点，由于燃烧与生产过程中的碳排放占玻璃行业CO2总排放量的87%以上，减少含碳能源的使用将成为重点。有关节能减排技术被陆续开发，并已经在生产线上使用。

日本玻璃制造商AGC成功进行了使用氢气作为燃料的玻璃生产的示范测试。该试验在关西工厂高砂工厂（兵库县高砂市）的电子浮法玻璃制造工厂进行。这是AGC集团首次在生产炉中使用氢气进行试验。

这次试验是在液化空气日本公司的支持下进行的，将其氢气燃烧器应用于使用天然气作为燃料的现有传统氧气燃烧工艺。

在本次测试中，AGC验证了在玻璃生产中使用氢燃料氧气燃烧技术的技术问题，包括玻璃质量、对炉材的影响、火焰温度、炉温和氮氧化物（NOx）排放控制。

该测试排放的气体中的NOx浓度保持在与100%天然气相同的水平，同时保持玻璃熔窑所需的温度。

AGC以全面部署为目标，将对氢气燃烧器的燃烧能力进行扩大试验，并考虑在AGC集团的全球基地进行实证试验，以确定氢气燃烧技术的应用范围。

AGC集团正在开发各种技术，以便根据地区特点和时间安排，使用最合适的温室气体减排措施。

该测试是在 2023 年 6 月使用氨作为燃料进行的示范测试之后进行的。

AGC集团表示将继续推进中期经营计划“AGC plus-2023”的可持续发展经营，力争到2050年实现净零碳排放的目标。

随着制氢与氢能技术的快速发展，据国际能源署的统计显示，2021年中国的氢气产量达4000 万t/a，在全球产氢量中排名第一 。在玻璃制备中使用氢能正逐步变得可能，但需要从氢能利用产业政策、氢能利用安全、燃烧技术等方面使之成为可行。

01

氢能源的基本特点

（1）储量巨大

在宇宙中，氢是最丰富的元素，占整个宇宙物质量的81.75%。地球上的H主要以H2O的形式存在，地球表面的70.8%被水覆盖。水可以作为反应物，通过电极通电电解的方式制备H2，发生分解反应生成氢气和氧气。另外，在化石燃料中也含有大量的H元素，可以通过煤制氢、天然气制氢的方式产生氢气。随着双碳理念的推进与制氢成本的降低，氢气作为燃料燃烧的比例会迅速提高。

（2）热值高、燃烧性能好

氢在元素周期表中排列第一位，其分子量最小，热值为1.4×108J/kg。除核燃料外，氢气的发热值是所有可燃物质中最高的。每千克氢气完全燃烧释放的热量约是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍、天然气的4倍。氢气的燃烧性能较好，火焰的传播速度较快，属于易燃气体，燃点为574 ℃，氢气的燃烧范围很宽，在空气中的体积分数为4%~75% 时，均能够发生燃烧反应，燃烧完全。

（3）燃烧产物清洁、可循环度高

目前，虽然石油化工资源制氢是我国主要的制氢来源，这种方法价格低、产量大，但在生产过程中同时会产生相当数量的二氧化碳，被认为是不可持续的。氢能是不依赖化石燃料的新的含能体能源，通过水制氢是未来获得氢气的主要手段。水可以制得氢气和氧气，氢气燃烧后再次生成水，循环度高。氢气燃烧的产物是水，不会对环境造成负面影响，环保性好。

（4）供能损耗少、运输方便、不易储存

氢能够以气态、液态或固态的金属氢化物形式被储存，适应贮运及各种应用环境的不同要求。可以选用近距离管道输氢代替，安全性提高，能源无效损耗减少。氢作为燃料，自重轻，可以增大运载工具的有效载荷，降低运输成本。氢的体积能量密度小，是天然气1/3左右，对于储运提出挑战。氢的分子结构相对小，不易储存。

02

氢能在玻璃生产中的应用

（1）氢气的燃烧特征

与其它气体燃料相比，氢气的燃烧有以下特点：①氢气的燃烧速度快。氢气爆炸速度与氢气浓度的关系近似高斯曲线，其定向最大传播速度（也称氢焰速度）vmax=167.7 m/s。出现最大氢焰速度时的浓度值Cmax=33.5%。氢气在相对封闭的管道内的火焰速度受点火位置影响，在管道内设置阻火器的开口管道进行的火焰速度试验表明，当距阻火器的管道点火点达到1.5 m时，点火后即发生爆燃，其在管道内的火焰速度可达到2133 m/s，是同样条件下丙烷和空气混合气体火焰速度的20～30倍。②燃烧温度高。氢气燃烧时发出青色火焰并产生爆鸣。空气助燃时的燃烧温度可达2000 ℃。氢氧混合燃烧的火焰温度为2100～2500 ℃。③爆炸范围宽。氢气爆炸的上下限范围为4.1%～74.2%，爆炸威力大，最大爆炸压力为0.74 MPa。④由于氢气燃烧产物为H2O，与含碳的燃料相比，其烟气的黑度会有所降低，辐射系数减小，传热效率也会降低。有模拟研究表明，对于650 t/d的浮法玻璃熔窑而言，分别使用天然气、天然气+氢气（比例为7∶3）、纯的氢气为燃料，在熔窑熔化部火焰空间区域，火焰及烟气对配合料及玻璃液的热通量与热辐射量存在明显的差距。表1为玻璃液面处的热通量与热辐射量结果。将表1中的数据作成柱状图，见图1。

由表1与图1可以看出，随着燃料中H2含量的增加，玻璃液面处的热通量与热辐射量呈现出逐渐降低的趋势。若以天然气为对比指标，使用天然气+氢气（比例为7∶3）为燃料时，玻璃液面处的热通量与热辐射量会降低约4.5%；使用纯氢气为燃料时，玻璃液面处的热通量与热辐射量降低约20%。其中的原因与燃烧产物的组成有密切的关系，H2含量的增加，烟气中CO2的含量降低，使其黑度降低，火焰与烟气的辐射系数下降。

（2）氢气在玻璃熔制中的国内外实践

利用氢气熔制玻璃，在减排CO2方面具有非常显著的优势，国内外的企业与组织在该领域已经开展了许多尝试。2020—2023年，欧洲一些知名的玻璃企业陆续尝试在玻璃熔制时使用氢气。

2021年，肖特在德国美因茨总部启动试点项目，在工业生产线上使用氢能进行玻璃生产。肖特及其项目合作伙伴共将投入超过71.4万欧元，其中包括欧洲区域发展基金提供的约33.8万欧元的研发经费，主要用于开发全新的环保低碳型玻璃熔融工艺与装备。该环保项目在特种玻璃行业中尚属首例。其方法是使用氢气和天然气的混合物进行较大规模熔化试验，并利用这些试验来进一步了解氢气在玻璃熔化过程中的影响程度，实现大幅度减少碳排放的目标。

2021年，Pilkington UK（英国皮尔金顿）在位于英国圣海伦斯工厂进行了一项使用氢气生产玻璃的试验，天然气完全被氢气所取代。这是世界上首次在浮法玻璃熔窑进行的试验，工业试验证明玻璃配合料被加热到1600 ℃左右，而且熔炉可以安全地满负荷运行，而不会影响产品质量。试验进行了3周，使用了大约60辆氢气罐车。从技术看，用氢气对玻璃制造等能源密集型产业脱碳，可使玻璃产业的碳排放在极低的水平上运行是可行的。同时也对建立氢气管道网络提出了新的思考。若这一技术加以发展、完善与实施，到2030年，全英国预计每年将减少1000万t碳，相当于减少400万辆汽车上路。

随着双碳理念在我国的持续推进，2021年9月，中国建筑材料联合会公开发榜的23个重大科技攻关项目中，围绕低碳、零碳、负碳技术，布局玻璃熔窑利用氢能等5个方向16个攻关项目，标志着我国建材行业首次提出并开始实施利用氢气/氢能制造玻璃。我国虽然到2021年9月才明确提出利用氢气/氢能制造玻璃，但国内玻璃企业与研究单位在利用含氢气能源燃烧熔制玻璃方面已经有了多年的实践。

在我国，用于制备玻璃的燃料主要有5类，以天然气、发生炉煤气、石油焦粉和重油为主要燃料，另外还有少量的焦炉煤气。焦炉煤气是用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。焦炉煤气是多种气体的混合物，主要可燃成分为H2、CH4和CO，惰性气体成分有N2和CO2，焦炉煤气的发热量较高，标准状态下的低位发热量为15000～17200 kJ/m3，其主要成分见表2。

由表2可以看出，H2的体积含量高达55%以上，若将H2扣除，对其余气体的体积含量进行归一化处理，可以发现剩余气体的体积含量占比中，CH4的含量高达61%，CO的含量接近15%，C2H4的含量超过6.5%，这三种可燃气体的和高达82%以上，可以近似地认为是一种高热值的含碳燃料。由此也可以将焦炉煤气看成是一种掺氢55%～60%的含碳燃料混合燃料。从相关的生产实践中可知，焦炉煤气是由管道进行输送，在小炉下通过燃烧器喷入到熔窑之中，与助燃空气混合燃烧的。就这一点而言，可以认为我国玻璃企业在30多年前就开始了高含氢燃料的使用。

1989年8月，由秦皇岛玻璃工业研究设计院（以下简称秦院）设计的太原平板玻璃厂450 t/d浮法玻璃熔窑，使用太原煤气公司焦化厂的焦炉煤气为燃料，是我国第一座以焦炉煤气为燃料的浮法玻璃熔窑，燃料通过管道输送，小炉采用侧烧式燃烧器布置，成为当时国内唯一使用焦炉煤气为燃料的浮法玻璃生产厂家。该生产线于1994年冷修时再由秦院进行了技改设计，成功将熔化能力提升到500 t/d。1999年冷修时，为了解决焦炉煤气供气量不足和供气压力波动大且频繁对生产造成困扰的问题，改为以重油为燃料。2000年之后，因重油市场价格大幅上涨、企业成本上升，该生产线再次改造，秦院此次采用新研发多燃料混合燃烧技术，成功实现了国内最早的焦炉煤气与重油双燃料混合燃烧运行。

2004—2007年，秦院又陆续设计了山西利虎玻璃工业有限公司四条燃焦炉煤气生产线，其中2条500 t/d和2条600 t/d的生产线；2009—2010年设计了利虎集团子公司山西青耀玻璃有限公司燃焦炉煤气浮法玻璃生产线2条600 t/d。以上均采用秦院燃焦炉煤气熔窑、燃焦炉煤气喷枪及燃烧系统技术配套。上述全部6条生产线均达产达标。2016年之后，中国国内光伏玻璃市场起步，秦院又以焦炉煤气为燃料成功设计了唐山金信新能源科技有限公司3条光伏玻璃生产线，其中一条熔窑最大生产能力为660 t/d。

2010年，中国建材国际工程集团有限公司设计了某600 t/d的浮法玻璃熔窑，燃料为焦炉煤气。通过投产运行也得到了一些有益的经验，由于焦炉煤气热值较低，成分波动较大，同样吨位的窑炉其熔化率取值应比烧天然气和重油的熔窑低20%左右。焦炉煤气的辐射效果差，所以其单位能耗相对同级别的烧天然气和重油的熔炉高10%左右。需要有针对性地对以焦炉煤气为燃料的玻璃熔窑进行结构与燃烧系统的优化。

到目前为止，我国虽然还未在玻璃生产线上真正地尝试通过在天然气燃料中掺入H2的方式进行玻璃的熔制工业化试验，但焦炉煤气在玻璃生产线上的使用已经有30多年，这为掺H2的含碳燃料在玻璃工业上的使用积累了丰富的实践经验，也打下了坚实的基础。

氢气在玻璃熔制中应用还面临着许多问题，如氢能利用的政策、氢能生产储运利用过程中的安全、使用中的燃烧与控制技术、窑炉结构、耐火材料、玻璃的结构性能、氢气产量与成本等。

（3）氢气在玻璃熔制中应用的可行性分析

①政策方面

2021年在全国两会上，碳达峰、碳中和已经被首次写入政府工作报告。如何高质量实现碳达峰、碳中和目标，已成为中国未来一段时期内能源结构发展与转型的必然要求。为了实现这一目标，能源的生产和消费环节均要走向绿色低碳的道路。为此国家已经出台了氢能相关政策多达20余项。在《“十四五”工业绿色发展规划》中提到，单位工业增加值二氧化碳排放要降低18%，推动生产过程清洁化，鼓励氢能产业的发展。健全绿色低碳标准体系，对氢能的商业化、工业化应用进行正向激励，已经成为一种发展趋势。30个省份也陆续将氢能产业发展写入了“十四五”发展规划中，北京、上海、广东、河北、山西、天津、内蒙古等纷纷出台氢能产业发展实施方案，从政策上对氢能产业进行支持与背书。

②技术方面

在制备氢气的技术方面，从制氢的技术特点看，传统制氢工业中，主要以化石能源为原料，制氢过程产生CO2排放，制得氢气中普遍含有硫、磷等。利用氯碱尾气等工业副产物提纯制氢，能够避免尾气中的氢气浪费，实现氢气的高效利用，从长远看无法作为大规模集中化的氢能供应来源。电解水制氢具有纯度等级高、杂质气体少、易与可再生能源结合等优点，被认为是未来最有发展潜力的制氢方式。目前，氢能/氢气已经广泛应用在合成氨、生产甲醇、炼化与化工、燃料、交通等领域。

氢气在玻璃生产中的应用已经有几十年的历史，主要体现在两个部分，一是在浮法玻璃生产中需要使用锡槽作为成形设备，为了防止浮抛介质金属锡氧化，在锡槽中使用了氢气和氮气作为保护气体，因此，在H2输送、配气、混气等方面已经有丰富的生产实践经验。二是国外已经在玻璃熔化过程进行了工业化级别的试验，证明掺氢天然气用于熔窑熔制玻璃技术可行。另外，我国的玻璃企业虽然没有直接使用掺氢天然气的报道，但是很早就将焦炉煤气作为燃料应用于浮法玻璃生产中，燃料中的H2含量可高达55%～60%，可以认为是预掺氢气的含碳燃料，熔窑最大生产能力已经达到660 t/d。从技术方面看，浮法玻璃生产中是可行的。

③安全方面

氢气作为一种危化品，具有易挥发、易燃、易爆及氢脆等特性，在使用过程中存在一定的安全隐患。安全用氢体现在氢的生产和储运、应用等方面，安全性是确保氢实现商业化发展与应用的关键。结合氢气的物理化学特点以及天然气使用的安全经验，应在制氢、储氢、运氢、用氢等各个环节时刻关注其安全问题，建立与完善氢能安全管理制度、安全标准体系、安全支援体系，不断普及社会对氢能发展的认知和理解。对从事氢能源的工作人员进行严格的安全从业教育，提高规范操作的认知能力，确保在生产一线能有效落实消防安全规程。确保工业用氢、商业用氢安全可靠。

④成本方面

要实现氢气在玻璃工业中的普及与大量使用，其生产量与成本是不可回避的问题。1 kg氢气可以气化成11.2 m3的氢气，其热值为14.3×107J/kg。每千克氢气燃烧后的热量，约为天然气的4倍。以天然气为核算目标，当前广东的玻璃企业使用天然气的高位价格为3.6元/m3，其4倍的费用相当于14.4元/m3。参照这一核算目标，即1 kg氢气的生产成本若能够与之相当，才能够确保氢气在玻璃工业中的普及与大量使用。目前，就电解水制氢而言，其制氢成本在25～50元/kg的范围内，远高于使用天然气等其它现用燃料。成本与售价也是制约氢气在制造业、商用领域广泛使用的关键，另外，氢气的生产量也是限制大规模商用的“瓶颈”。随着制氢技术的发展，产量的增加，成本的大幅度降低，氢气在玻璃工业中的普及与大量使用一定会成为现实。

03

肖特全氢气实验室试验取得圆满成功

作为使用氢能源生产气候友好型玻璃的先驱，肖特宣布公司取得了另一项重大成果：公司在实验室中使用100%氢气并成功生产出试验玻璃熔体，完全未使用任何天然气。2022年底，德国美因茨的特种玻璃专家已经在当地合作伙伴的参与下，开启了第一次工业规模试验。这些试验将35%的氢气添加到以前只使用天然气的熔炉中。结果表明，肖特可以完全改进熔融技术，不再使用化石燃料，这一点在新的100%氢气试验中已经得到了证实。

肖特玻璃熔融技术经理马蒂亚斯•卡芬伯格博士（Dr. Matthias Kaffenberger）在透露最新进展时说道，“2020年我们在一个研究项目中进行了初步试验，而现在实验室的试验条件比当年更接近如今的生产工况。与此同时，由于美因茨工厂扩大了氢气供应，我们现在能够进行更长时间的熔化和试验。第一次以实验室规模完全使用氢气，并成功保持了10天的运行。此次试验的成功表明了肖特能够在实际生产中开展相应的试验，并在将来进行大规模技术试验。”

宏伟目标：使用绿色氢气生产气候友好型玻璃

玻璃熔化过程必须始终保持高达1700℃的温度，所以使用氢气加热玻璃熔炉并非易事。研究氢能是否可以持续做到这一点，以及其使用对玻璃产品质量是否产生影响，都是开创性的研究工作。生产气候友好型玻璃将获得巨大效益：作为一种技术材料，玻璃广泛应用于家用电器、消费电子产品、半导体、汽车以及天文、航空航天领域，而气候友好型玻璃可完全避免基于天然气的能源密集型玻璃制造过程中所产生的二氧化碳排放。因此，肖特树立了到2030年在全球生产基地实现气候中和的宏伟目标。

为实现这一目标，集团遵循“避免-减少-补偿”的原则。该计划包括四个行动领域：技术变革；提高能源效率；转用100%绿色电力；对技术上不可避免的排放进行补偿。技术变革背景下，公司首先关注的是能源密集型玻璃熔化工艺，使用绿色电力实现熔炉电气化，以及使用绿色氢气取代天然气。

迎接挑战：氢气基础设施和绿色能源

由于生产用的可再生能源绿色氢能目前供不应求，所以到目前为止，肖特都不得不使用灰氢进行试验。（工业）氢气供应的广泛基础设施和生产绿色电力的可再生能源扩展成为了现阶段面临的两大挑战。

肖特公司管理委员会成员兼零碳计划负责杨舒特博士（Dr. Jens Schulte）在向德国政府和议会的决策者发出呼吁时说，“作为在能源密集型行业使用氢气的先驱，我们迫切需要采取进一步措施，及时提出有效的基础设施解决方案。德国联邦经济和气候保护部为促进气候友好型生产而计划的气候保护合同，是保持参与行业竞争力和促进快速实施的重要手段。我们希望可以依靠创新力量和与我们的合作伙伴以及联邦各州保持密切合作。”

投入研发项目：自2018年以来，肖特一直致力于可能的氢气解决方案

“氢工业-氢气在工业燃烧过程中的应用（H2H）”是一个由欧洲区域发展基金和莱茵兰-普法尔茨州气候保护、环境、能源和交通运输部联合资助的项目。基于该项目，肖特于2022年底在美因茨工厂测试了生产中的氢混合气体。肖特还长期积极参与其他研究资助项目，包括从2021年初持续到2023年底的微波玻璃氢气（MiGWa）项目。该项目由德国联邦教育和研究部以及欧盟资助，使用氢气或微波减少玻璃制造过程中的燃料气体消耗量。在“哥白尼P2X”项目中，肖特早在2020年便首次进行了玻璃熔化全部使用氢气的试验。

推动创新 – 承担责任 – 共同创造

高科技特种玻璃材料制造商肖特集团的三大品质是推动创新、承担责任和共同创造。创始人奥托•肖特是特种玻璃的发明人及整个玻璃行业的先驱人物。130多年来，肖特的#glasslovers一直秉持着开创精神和无限激情，持续开拓新市场、新领域。公司在33个国家和地区均设立了办事处，是医疗、家电、电子消费品、半导体、数据通信、光学、工业、能源、汽车、天文学和航空航天等前沿领域的高科技合作伙伴。2022财年，公司17,200名员工创造了28亿欧元的总业绩销量。肖特集团是卡尔•蔡司基金会旗下公司，后者是历史最悠久的德国基金会之一，并使用来自肖特集团的股息推广科学技术。作为一家基金会公司，肖特对员工、社会和环境负有特殊责任。公司致力于减少碳排放，在2030年前实现气候中和。

最后

氢气能源的利用是实现碳减排、减缓全球温度上升的最有效途径之一。目前发达国家已经在氢气/氢能利用熔制玻璃方面进行了工业化试验，在未来的推广应用方面展现了良好的前景。随着碳达峰、碳中和在我国的持续推进，玻璃行业氢能的应用也会越来越广泛。关于高含氢燃料的使用，我国玻璃企业已经进行了多年的实践。这些都对氢气/氢能在玻璃生产中的应用打下了良好的基础。虽然氢气/氢能在工业、商业化的利用中还存在一些问题，但随着氢能利用政策的完善、技术的提升、制氢成本的降低，氢能在玻璃工业的利用会成为现实，进而推动玻璃行业节能降碳和绿色发展。

文章来源： 玻璃杂志，玻纤技术信息，电子工程世界