玻璃熔窑燃料的现状及发展趋势

王健 陈福 何威

（1.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001；2.河北省玻璃节能减排技术创新中心 秦皇岛 066001；3.河北省企业技术中心 秦皇岛 066001）

玻璃生产所用燃料应具有的基本特点是：所含可燃物多、热值高，能较易达到必要的高温；燃烧产物必须对玻璃、熔窑无害；发热量稳定，且燃烧过程较易控制；供应连续稳定；对环境污染、影响较小。所以，玻璃熔窑燃料对玻璃生产及行业发展是至关重要的。

1 国内外玻璃熔窑燃料的演变过程

1.1 国外玻璃熔窑燃料的演变

从全球来看，在上世纪四十年代前，绝大多数国家主要采用发生炉煤气作为玻璃工业的燃料。

1948年，日本旭硝子公司的鹤见玻璃厂最早改用重油，到1960年日本玻璃熔窑基本全部采用重油；英国同样在1948年，生产压延玻璃和模压玻璃制品的工厂全部改用油作燃料；前西德则在1955—1968年间逐渐改用油作燃料。

美国天然气资源丰富，是世界上较早使用天然气作玻璃熔窑燃料的国家。1974年，美国玻璃熔窑燃料中天然气达到79%，重油11%，电10%。前苏联和英国于1960年后逐渐使用天然气取代重油，前西德大概在1970年后才改用天然气。

早在1882年，就有人提出利用电能来熔制玻璃，1902年，沃尔克获准一个基本专利，之后经过不断研究应用，尤其是1942年美国康宁公司开始推广钼电极后，使电熔技术发展进入新阶段。在上世纪50年代电助熔技术已得到广泛应用，全电熔技术也获得突破。到1977年，前西德玻璃工业用天然气约占35.9%，电34.1%，油30%。

目前，国外玻璃熔窑燃料主要是天然气，其次是电。

1.2 国内玻璃熔窑燃料的演变

1965年之前，我国平板玻璃工业均使用发生炉煤气作为玻璃熔化燃料。

1965年5月，上海耀华玻璃厂四机窑由燃烧煤气改为燃烧重油技术改造项目获得成功，之后沈阳玻璃厂和秦皇岛耀华玻璃厂等相继改烧重油。在很长一段时期，我国玻璃生产用燃料主要为重油和发生炉煤气，如1980年，我国燃油熔窑50%，燃煤气熔窑48.8%，燃天然气熔窑1.2%。

1978年，重庆市合川玻璃仪器厂开始使用天然气作为玻璃熔化燃料，1980年，四川玻璃厂50 t/d平拉玻璃生产线使用天然气作燃料。1995年3月，四川玻璃股份有限公司浮法玻璃生产线正式点火烤窑，这是我国首座燃天然气浮法玻璃熔窑；2009年7月，南玻集团1000 t/d浮法玻璃生产线在成都点火投产，该条生产线不仅是国内首条千吨浮法玻璃生产线，更是世界上首条以天然气为燃料的千吨浮法玻璃生产线。

上世纪70年代，轻工业部玻璃搪瓷工业科学研究所开始试验不到1 t/d的全电熔保温瓶玻璃，1982年正式立项研究，1985年电熔技术通过研究鉴定。上世纪80年代，我国先后引进了12条全电熔生产线，除昆明平板玻璃厂于1988年从英国KTG公司引进的120 t/d全电熔彩色浮法玻璃生产线外，其它均为玻璃器皿、玻璃瓶罐等日用玻璃生产线，窑炉规模为3～30 t/d。1992年8月，贵州玻璃厂与国家建材部南京玻璃纤维研究所联合设计建造的贵州玻璃厂30 t/d乳白玻璃电熔生产线建成投产。

1983年第3期《中国建材》报道，洛阳玻璃厂制定了将生产煤气过程中所伴生的副产品煤焦油与重油混掺使用的方案。1992年—1993年间，昆明保温瓶厂29 t/d保温瓶马蹄焰玻璃窑炉使用煤焦油作燃料。在上世纪90年代后期，江苏华尔润玻璃公司尝试在浮法玻璃横焰窑使用煤焦油，截至2004年底，华尔润已在其本部的浮法玻璃一线、二线、三线、四线、七线、九线等6条浮法玻璃生产线使用煤焦油为燃料。之后，江苏省宿迁玻璃厂从2004年6月开始试用，并于当年将2条浮法玻璃线改为煤焦油为燃料。之后的2005年和2006年众多企业改用煤焦油为燃料。

1989年8月，太原平板玻璃厂450 t/d浮法玻璃熔窑点火投产，该生产线使用太原煤气公司焦化厂的焦炉煤气为燃料，成为国内第一家使用焦炉煤气为燃料的浮法玻璃企业。

2005年12月，萍乡浮法玻璃厂将水煤浆用于玻璃生产试验。2006年2月水煤浆用于实际生产的条件完全成熟，5月水煤浆正式替代重油400 t/d生产线全面投入使用，7月在500 t/d生产线使用。2007年2月，安源玻璃有限公司开始尝试使用石油焦干粉替代水煤浆，2007年5月开始大量使用，2008年1月完全停用水煤浆。

值得一提的是，使用煤焦油、石油焦作为玻璃熔窑燃料均存在争议，争议最大的是石油焦。煤焦油争议的重点是资源浪费，而石油焦的争议除高硫低硫外，更深层次的是对玻璃品质和对人身伤害。如行业标准HJ 2305—2018《玻璃制造业污染防治可行技术指南》制定过程中，石油焦作为玻璃熔窑燃料一直存在，而在正式发布时将其删除。其主要原因是石油焦中含有镍元素和钒元素，在燃烧时镍形成的硫化镍会引发钢化玻璃自爆；微量的钒不仅会影响玻璃品质，而且会增加废气中五氧化二钒的含量，对环境产生严重的污染，对人体产生毒害。

以上是我国玻璃熔窑燃料的大致变化情况。经粗略统计，截至2022年底，我国玻璃熔窑燃料天然气使用比例为45.9%，发生炉煤气23.6%，石油焦18.7%，焦炉煤气5.9%，重油4.6%，煤焦油1.3%。

在玻璃熔窑燃料演变的同时，电助熔技术、富氧燃烧技术以及全氧燃烧技术等伴随发展。

2 新型的玻璃熔窑燃料介绍

上述燃料均为化石燃料或衍生物，随着能源危机和降碳减排要求，这些化石燃料终将会被新型燃料所替代。

2.1 氢能燃料

氢能是化石燃料最有前途的替代品，被称为人类社会的终极能源，具有资源丰富、可再生性、可储存性、近乎零排放的特点。在当今脱碳时代，全球玻璃工业企业纷纷探求氢能在玻璃生产上的应用技术。

2.1.1 全球玻璃工业氢能研发状况

（1）日本板硝子株式会社

2020年2月27日，日本板硝子株式会社（NSG）宣布，将开展利用氢能制造玻璃的示范实验，于2020年11月在位于英格兰北部的Greengate工厂启动。本实验使用氢气作为玻璃熔窑主要燃料天然气和重油的替代能源，并研究可转化氢气的比例，如果所有天然气都能转化为氢气，二氧化碳可减少80%。该实验是HyNet项目的一部分，HyNet是一个致力于减少二氧化碳排放的项目，并得到了英国政府商业能源和工业战略部（BEIS）推动的工业燃料转换计划520万英镑的财政支持。

2021年9月3日，在集团公司皮尔金顿英国Greengate工厂进行了为期三周的用氢气替代玻璃熔窑部分燃料的实验，并成功生产出尺寸为6 m×3 m的玻璃。在第一阶段，熔窑中安装的八个燃烧器中的一个逐渐从天然气切换为100%氢气。第二阶段将天然气与20%的氢气混合作为所有八个燃烧器的燃料，实现了天然气和氢气之间的无缝切换。氢气燃烧的难点在于天然气和氢气具有完全不同的燃烧和火焰特性。在天然气中，燃烧甲烷产生的烟灰充当玻璃表面的热导体，而氢气产生的水则不然。该公司通过计算机分析流体动力学模型，改变燃烧器的设计来弥补氢气燃烧所带来的影响。

（2）日本电气玻璃公司

2022年4月19日，日本电气玻璃公司成功演示了使用100%的氢燃料熔化玻璃的氢氧燃烧器，该燃烧器由大阳日酸株式会社和日本电气玻璃公司联合开发。氢氧燃烧器可以根据需要切换天然气和氢气的混合比例，根据混合比例调整流量，确认获得与使用100%天然气燃烧相当的熔化能力效果。这使得富氧燃烧技术和氢气燃烧技术的结合成为可能，从而将燃烧产生的二氧化碳排放量降至零。

（3）德国肖特公司

综合肖特公司新闻稿，2020年底，肖特推出了“零碳”战略计划，其目标是到2030年成为玻璃行业首批实现碳排放中和的企业之一。公司主要产品炉灶用耐热玻璃、药品和电子设备用特种玻璃以及玻璃陶瓷（微晶玻璃）的制造过程需要高达1700 ℃的熔化温度。作为能源密集型企业，公司每年的碳足迹约为1万吨二氧化碳，到2022年实现了排放量减少60%。

2021年初，肖特参与了一个涉及氢气工业使用的项目（P2X项目），在试点工厂中测试使用氢气代替天然气的玻璃熔化工艺。八周的测试证实，氢气燃烧达到了与天然气相似的功率和温度，并且生产的玻璃质量相似。然而，与天然气不同，氢气燃烧会产生水蒸气，这对验证水蒸气如何影响玻璃的性能提出了新的挑战。

基于P2X项目的成果，2022年11月，肖特在当地合作伙伴的参与下，首次在其美因茨总部的熔炉中进行工业规模熔化试验，测试氢-天然气混合物。在该试验中，研发专家将逐步用氢气取代天然气。在一个月的过程中，天然气/氢气混合物中的氢气比例将在3个测试阶段逐渐增加至35%（按体积计），每个阶段将持续大约10天。结果表明，改变熔化技术而不使用化石燃料是可能的，并计划2023年在实验室水平上进行100%氢气的熔化测试。

该研究项目的总成本超过71.4万欧元，作为欧盟欧洲区域发展基金（ERDF） 的一部分，肖特及其合作伙伴从德国莱茵兰-普法尔茨州气候保护、环境、能源和交通部获得了约33.8万欧元的资金支持。

（4）圣戈班

2023年3月30日圣戈班新闻稿，在奥贝维利埃的巴黎圣戈班研究中心和卡瓦永的普罗旺斯圣戈班研究中心实验室规模试验的基础上，圣戈班德国黑措根拉特工厂的研发试验中使用超过30%的氢气进行了平板玻璃的试生产。由此证明，使用含有大量氢气的燃料生产平板玻璃具有技术可行性，并将该工厂的直接二氧化碳排放量减少高达70%。

圣戈班表示，该技术项目是通过2022年启动的研发计划实现的，利用该公司在燃烧、玻璃质量、陶瓷耐火材料和工业炉设计方面的专业知识，与工业气体技术专家德国独立实验室气体与热力研究所埃森eV（GWI）合作实施的，并得到北莱茵-威斯特法伦州约400万美元的财政支持。这项创新标志着圣戈班2050年碳中和路线图的一个里程碑。

（5）意大利的“Divina”项目

2021年7月23日，由能源基础设施企业Snam、国际标准公司RINA和高端玻璃厂Bormioli领导的一个全意大利工作组（即“Divina”项目）宣布，正在测试在玻璃熔炉中使用与天然气混合的氢气来降低CO2排放数据。Divina项目（玻璃行业脱碳：氢气和新设备）的主要目标是减少玻璃熔化的碳排放。

该工作组表示，在实验室进行适当测试后，将在运行的玻璃熔炉上进行大量使用氢气的测试，以评估实际工业生产环境中氢气燃烧与玻璃生产的适用性。

该项目还将定义并随后优化未来熔炉的设计规则（即所谓的“熔炉4.0”），即使氢气百分比高达100%，也能保证最佳性能。

（6）中国建材集团

2021年12月24日，中国建筑材料联合会在京举办年度第五场新闻发布会，公布首批全国建材行业重大科技攻关“揭榜挂帅”项目揭榜单位。其中“玻璃熔窑利用氢能成套技术及装备”项目，由秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司（牵头单位）、武汉理工大学、中国新型建材设计研究院有限公司、山东金晶科技股份有限公司、贞丰县贵耀材料科技有限公司组成研发团队揭榜。

目前，该项目在燃烧装置以及氢气掺入比例等运行参数方面取得突破。

2.1.2 必须使用净零氢燃料

氢有多种“颜色”，即绿氢、蓝氢和灰氢。所谓绿氢是使用可再生电力电解水等制成；蓝氢是由甲烷和捕获并储存的二氧化碳制成；灰氢则由甲烷制成，没有碳捕获。作为玻璃的氢燃料必须是绿氢，至少也要是蓝氢。

2023年7月，国家发展改革委会同有关部门修订的《产业结构调整指导目录（2023年本，征求意见稿）》建材行业鼓励类中“玻璃熔窑利用绿色氢能成套技术及装备”，也强调使用绿色氢能。

2.2 生物燃料

生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，最常见的生物燃料类型是生物乙醇和生物柴油。生物乙醇是一种通过发酵制成的酒精，主要来自糖或淀粉作物（如玉米、甘蔗或甜高粱）中产生的碳水化合物。来自非食物来源（例如树木和草）的纤维素生物质也正在开发作为乙醇生产的原料。生物柴油是通过酯交换从油或脂肪中生产出来的，是欧洲最常见的生物燃料。

2022年4月14日NSG宣布，其集团旗下的英国皮尔金顿公司Greengate工厂成功进行了世界上第一家使用100%生物燃料制造浮法玻璃的示范试验。由有机废料制成的可持续生物燃料为英国圣海伦斯皮尔金顿的熔炉提供了4天的热能，生产了约1.5万m2的有史以来碳含量最低的浮法玻璃，该燃料的CO2排放量比该行业使用的传统天然气少约80%。该试验是由行业研究和技术组织Glass Futures领导的耗资710万英镑项目的一部分，该项目隶属于商业、能源和工业战略部的能源创新计划，其目的是证明该熔炉可以在使用低碳燃料的情况下安全地满负荷生产，而不影响产品质量。

2.3 氨燃料

2022年1月13日，日本AGC株式会社宣布，AGC被新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）选为“燃料氨燃烧开发”项目的工业炉技术研发承包商。将于2021年12月底至2026年3月与大阳日酸株式会社、日本产业技术综合研究所（AIST）和东北大学共同开发该项目。

2023年6月18日～19日，在AGC株式会社的AGC横滨技术中心，将一对氨/氧燃烧器引入建筑玻璃熔窑中，并进行了氨燃烧的实机测试。除评估对玻璃质量和耐火材料的影响外，还验证了火焰温度、熔窑温度、NOX抑制效果等。本次试验中，在保持玻璃熔炉温度的情况下，废气中所含的NOX浓度低于环境标准值。

与传统的燃料相比，氨气具有燃烧效率高、无污染、易储存等优点，氨不含二氧化碳，燃烧时只产生氮气和水。但使用氨燃烧的问题是火焰温度低以及在过量氧气燃烧时NOX排放增加。为了解决这些问题，东北大学和AIST通过实验室试验和各种评价来阐明氨/氧燃烧的NOX生成特性，并开发低NOX燃烧技术。这次实验采用的氨/氧燃烧器，可实现低NOX燃烧技术。

3 结语

使用非石化的新型燃料是玻璃行业实现碳中和的重要手段，目前无论是氢能燃料、生物燃料还是氨气燃料在玻璃中的应用，全球行业基本同处于起步阶段。所以，在对现用燃料的效能提升进行技术研究的同时，必须投入必要的人力、财力，聚合全行业的创新智慧，全力进行玻璃新型燃料技术的研发和攻关。