王健

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

2021年10月18日，國家發(fā)展改革委等部門《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2021〕1464號）指出：實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局，著眼建設(shè)制造強(qiáng)國、推動高質(zhì)量發(fā)展作出的重大戰(zhàn)略決策。為推動重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型，堅(jiān)決遏制全國“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展。主要目標(biāo)：到2025年，通過實(shí)施節(jié)能降碳行動，鋼鐵、電解鋁、水泥、平板玻璃、煉油、乙烯、合成氨、電石等重點(diǎn)行業(yè)和數(shù)據(jù)中心達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)。到2030年，重點(diǎn)行業(yè)能效基準(zhǔn)水平和標(biāo)桿水平進(jìn)一步提高，達(dá)到標(biāo)桿水平企業(yè)比例大幅提升，行業(yè)整體能效水平和碳排放強(qiáng)度達(dá)到國際先進(jìn)水平，為如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)提供有力支撐。

為落實(shí)《關(guān)于強(qiáng)化能效約束推動重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》，指導(dǎo)各地科學(xué)有序做好高耗能行業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)改造，有效遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展，2021年11月5日，國家發(fā)改委、工信部等五部門聯(lián)合發(fā)布《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2021年版）》的通知。平板玻璃（生產(chǎn)能力>800噸/天）能效標(biāo)桿水平為8千克標(biāo)準(zhǔn)煤/重量箱，基準(zhǔn)水平12千克標(biāo)準(zhǔn)煤/重量箱，平板玻璃（500噸/天≤生產(chǎn)能力≤800噸/天）能效標(biāo)桿水平為9.5千克標(biāo)準(zhǔn)煤/重量箱，基準(zhǔn)水平13.5千克標(biāo)準(zhǔn)煤/重量箱。到2020年底，平板玻璃行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能占比小于5%，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占8%。

氫能作為理想高效的二次能源，如何使用氫氣取代天然氣為玻璃企業(yè)生產(chǎn)提供動力，使玻璃熔窯以極低的碳排放量運(yùn)行，同時(shí)減少使用玻璃的建筑物的隱含碳排放，是玻璃行業(yè)目前研究的主要課題。

1 氫能

1.1 氫能的制造

氫能普遍存在，是最豐富的物質(zhì)，其來源較為廣泛。制氫方式主要有化石燃料制氫、化工副產(chǎn)物制氫和水電解制氫等。

（1）化石燃料制氫

采用煤炭、石油和天然氣制氫，工藝成熟，但需要消耗化石資源。煤炭、石油制氫生產(chǎn)過程中有二氧化碳等排出，投資大，氫的轉(zhuǎn)化效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重，副產(chǎn)氫雜質(zhì)多，純化工藝復(fù)雜，需要多級純化才能達(dá)到離子膜燃料電池氫氣的標(biāo)準(zhǔn)；天然氣制氫投資少，氫的轉(zhuǎn)化效率高，基本上無污染，純化工藝相對簡單。

（2）煉鋼、煉焦、化工等工業(yè)副產(chǎn)物制氫

煉鋼、煉焦、化工等工業(yè)副產(chǎn)物制氫氣體成分復(fù)雜，純化工藝復(fù)雜；制堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣純化工藝簡單、雜質(zhì)含量低、能耗低、投資少、自動化程度高、無污染，成本、環(huán)保優(yōu)勢明顯。

（3）水電解制氫

水電解制氫純化工藝簡單，場地受限性小，制氫純度高，不產(chǎn)生污染，目前主要制約因素是電費(fèi)成本。

在化石能源制氫（煤制氫、天然氣制氫）、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、水電解制氫幾種方案中，水電解制氫在制取氫氣過程中幾乎不存在碳排放，因而被認(rèn)為是未來最為理想的制氫方式。按照電解質(zhì)的不同，水電解制氫可分為堿性水電解制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜水電解制氫（PEM）、高溫固體氧化物水電解制氫（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜水電解制氫（AEM），其中AWE、PEM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，SOEC、AEM仍然處于研發(fā)和示范階段，具體特性見表1。

表1 不同水電解技術(shù)特性

續(xù)表1

電解槽是水電解制氫系統(tǒng)的核心。水電解制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應(yīng)發(fā)生的主要場所，輔助系統(tǒng)則包括電力轉(zhuǎn)換、水循環(huán)、氣體分離、氣體提純等模塊。在兩端電解液進(jìn)口接上管道輸入電解液，在兩端的氧氣出口接上氧氣輸出管，在兩端的氫氣出口接上氫氣輸出管。陽極接線端接直流電源正極，陰極接線端接直流電源負(fù)極，在氫氣輸出管與氧氣輸出管就會有氫氣與氧氣輸出。雙極式電解槽主體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 雙極式電解槽主體結(jié)構(gòu)

1.2 氫能的輸送和控制

氫的儲運(yùn)方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機(jī)化合物儲運(yùn)氫、管道輸氫等，其中高壓儲氫、液氫、管道輸氫均需加壓氫氣。

玻璃企業(yè)一般利用現(xiàn)有的天然氣管道，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送，這也是快速儲運(yùn)氫的新方向。

摻氫天然氣管道輸送主要包括摻氫環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和用戶環(huán)節(jié)，具體細(xì)分見圖2。

圖2 摻氫天然氣管道輸送主要環(huán)節(jié)示意圖

由于氫氣摻入到天然氣中，一方面引入了新的技術(shù)問題；另一方面影響了常規(guī)天然氣管道輸送中的問題，這些都需在不同摻氫比條件下重新計(jì)算、模擬、評估和判斷。摻氫天然氣管道輸送主要環(huán)節(jié)有：天然氣的摻氫比，管材的相容性，泄漏、積聚、燃燒、爆炸等安全事故，管道的完整性管理，水力工況、配套工藝及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等，需要對其進(jìn)行精確地控制、準(zhǔn)確地計(jì)量。

一般情況下，低壓條件下不存在氫脆問題，氫氣和天然氣的泄漏率相差無幾。氫氣在高溫下更容易揮發(fā)，氫分子可以分解成兩個(gè)氫原子，這些原子可以滲入鋼中并再次結(jié)合成為氫分子，會導(dǎo)致材料中的張力不均勻，導(dǎo)致脆性失去強(qiáng)度。

2 氫能在玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用

玻璃行業(yè)是重點(diǎn)行業(yè)，玻璃企業(yè)是燃料消耗大戶，也是二氧化碳排放量大戶，其中化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放占比高達(dá)60%，以綠色能源替代化石燃料以降低碳排放勢在必行。

從玻璃生產(chǎn)線的具體情況看，平板玻璃的特點(diǎn)是產(chǎn)量大，其能耗水平距離標(biāo)桿水平還有一定差距，需要在原料、熔化、成形、退火、冷端工藝以及輔助設(shè)施等全方位進(jìn)行優(yōu)化升級。

玻璃生產(chǎn)熔化技術(shù)是在玻璃熔窯內(nèi)采用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量來熔化玻璃液，其主要方式是在玻璃熔窯的底部、側(cè)部或頂部增加燃料噴槍，通過燃料噴槍噴出的燃料和助燃空氣或氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱量，并將熱量傳遞給玻璃配合料，使玻璃配合料熔融并在一定溫度下熔化成均一的玻璃液。

目前，玻璃熔化過程采用的主要燃料有天然氣、重油、煤焦油、石油焦粉和煤氣等，無論是哪一種燃料，其主要的化學(xué)組成均為C、H、O中的兩種或三種元素，且C含量是最高的，燃料燃燒后的主要產(chǎn)物為CO2、 H2O 等。為了降低CO2的排放量，可以采用提高燃燒效率或采用末端吸收封存CO2等辦法，但這些方法并不能從根本上解決CO2排放量大的難題。

在現(xiàn)有燃料中摻入一定比例的氫氣，形成混合燃料之后進(jìn)行燃燒，既能提高燃燒效率、降低玻璃生產(chǎn)能耗，又能夠降低玻璃熔化過程中的CO2排放，實(shí)現(xiàn)玻璃低碳熔化。

氫能在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用主要分為兩個(gè)部分，一是浮法玻璃生產(chǎn)線錫槽保護(hù)氣體用氫氣和氮?dú)?，二是摻氫天然氣用于玻璃熔窯熔化過程，摻氫燃燒技術(shù)路線見圖3。

圖3 摻氫燃燒技術(shù)路線

2.1 錫槽中保護(hù)氣體應(yīng)用

浮法玻璃錫槽保護(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)?。氫氣在混合氣體中的主要作用是防止成形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。

2.2 熔窯燃燒中應(yīng)用

摻氫天然氣燃燒主要是在天然氣中摻入一定量的氫氣進(jìn)行混合燃燒，降低玻璃熔化過程中的碳排放量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程降低碳排放的目的。

主要工藝控制點(diǎn)：氫燃料燃燒噴槍、閥組控制系統(tǒng)、燃燒工藝系統(tǒng)解決方案（全氫燃燒和天然氣摻氫燃燒），氫氣的輸送，溫度、壓力、流量控制，燃燒噴槍的設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)，氫能利用率為30%～100%，控制氫氣在玻璃熔窯內(nèi)穩(wěn)定燃燒。

重點(diǎn)解決內(nèi)容：滿足火焰覆蓋面要求摻氫或全氫燃燒噴槍的研究和開發(fā)；天然氣、氫氣兩用（混合用）燃料噴槍的研制開發(fā)；分段供氧燃燒法摻氫噴槍的研制開發(fā)；滿足不同使用要求摻氫燃燒噴嘴磚的研制；摻氫燃燒噴槍安裝使用方式與方法的研究。

在對摻氫燃燒條件下玻璃的熔制工藝進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，建立能實(shí)現(xiàn)摻氫燃燒浮法玻璃熔窯最佳熱工制度的DCS控制系統(tǒng)，智能熱端和冷端控制系統(tǒng)，作為生產(chǎn)工藝和過程的全自動化計(jì)算機(jī)控制和管理中心。主要包括窯壓控制、液面控制、燃燒控制、溫度分布控制、玻璃成形、退火和冷端的全過程控制。

氫能燃燒主要分為：摻氫燃燒、梯度氫燃燒和純氫燃燒等幾種類型，根據(jù)不同的需求以及氫來源存儲狀況進(jìn)行有針對性的布置。經(jīng)過測算，當(dāng)氫能替換率為30%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燃燒過程減碳10%～15%，對于玻璃生產(chǎn)企業(yè)具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 結(jié)語

氫推廣應(yīng)用，成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。隨著碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)施，玻璃行業(yè)氫能的應(yīng)用會越來越廣泛，其未來發(fā)展需要關(guān)注的是：制氫成本、儲氫以及輸送、防泄漏防爆以及玻璃窯爐結(jié)構(gòu)和熔化工藝有針對性地調(diào)整等。堅(jiān)持氫能綠色利用，實(shí)現(xiàn)與可再生能源的融合發(fā)展，以推動玻璃行業(yè)節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型。