流程工业脱碳化：借助（绿色）氢能与电能，研究人员正致力于使玻璃、砖瓦、陶瓷和钢铁生产中的关键流程实现气候中和。

这些产品的制造过程需要极高温度，传统上主要依赖天然气或石油等化石燃料提供热能。要成功转向绿色氢能和可再生电力，仍需满足诸多要求。ZeroCO₂玻璃、Klimaziegpro、Hybrid-Fire和H₂-DisTherPro等研究项目代表了新一代工业流程。通过对这四个研究项目的简要剖析，可以了解科研团队面临的技术挑战及其重点攻关方向。

新型熔炉实现零排放玻璃生产

无论是果酱瓶、泡菜罐还是经典牛奶瓶——玻璃容器与密封器皿在日常生活中使用量巨大。ZeroCO₂玻璃项目组正以瓶罐生产为例研发零排放熔炼工艺。
与传统玻璃生产不同，未来将采用无碳酸盐原料——目前玻璃通常由砂子与碳酸钙、碳酸钠等原料混合制成。研究人员还开发了新型熔炉，可灵活调节电能与氢氧燃烧的配比运行。这将有望替代迄今使用的天然气等化石燃料。关键是要深入掌握含氢气氛对玻璃生产的影响机制。
这涉及考量火焰特性变化、水蒸气生成量增加以及废气成分改变等多重因素，这些因素既影响玻璃品质，也关系到熔炉及窑衬的寿命。团队同时研究新玻璃配方对成型工艺及最终产品性能的影响。
在开发新型熔炉时，科学家还重点优化炉体设计以改进配料组成。他们致力于降低原料在初始工序的含水率（目前为防止粉尘飞扬通常需要保持一定湿度），此举还可能进一步提升能效。
研究目标是建成ZeroCO2玻璃熔炉示范装置，预计日产量约2.4吨——这是迈向零二氧化碳玻璃生产的重要一步。

隧道窑氢能烧砖实现气候中和

德国砖瓦行业年二氧化碳排放量约174万吨。若完全用可再生能源制取的氢气替代天然气燃料，将实现零二氧化碳烧制工艺，预计可减少约109万吨温室气体排放。##在Klimazigprod研究项目中，科学家将现有隧道窑的燃烧器组改造为100%氢燃料运行，并系统研究试验窑生产的砖制品。其目标是明确氢燃烧对烧成工艺及陶瓷材料质量的潜在影响，为屋顶瓦、烧结砖等粗陶瓷建材制定连续窑炉运行的实用方案。
氢气营造的含水蒸气窑炉气氛可降低烧成温度。初步测试显示：在相同温度下，氢燃料烧制的背砖抗压强度比天然气烧制品提高约15%。由于氢气燃烧所需空气量少于天然气，燃烧器空气用量也相应减少，这意味着需要加热的空气量降低，从而额外节约能源。在可切换天然气/氢气的中试窑炉中，氢燃烧节能效果达7%。
对工业实践而言，验证其对烧成工艺的积极影响尤为重要。同时企业参与研究至关重要，这使其能及时响应客户需求——例如砖体从无烟煤色到"砖红色"的色泽控制。因此项目组在烧成过程中全程监控这些参数。项目完成后，成果将在合作工厂投入实践，并推动建材行业内部及跨领域知识转移。

陶瓷与钢铁生产的低碳混合炉技术

陶瓷制造过程中，烧结工序能耗占比约70%。水泥生产、石灰煅烧及钢铁冶炼等行业也因涉及大量热工流程而面临高能耗与高排放挑战。
Hybrid-Fire项目组针对两类产品开展燃烧工艺研究：团队为大批量陶瓷产品与钢铁熔炼开发混合炉型，实现基本零二氧化碳处理。其基础是环保的氢能与电能——氢气替代传统燃烧器的天然气，并配合一个或多个微波等离子燃烧器使用。
研究人员将设计建造示范炉，并对不同产品组进行全面测试。耐火材料生产和钢铁铸造领域的两个项目合作伙伴将在工业条件下验证研究成果。预计混合技术可使这两个领域的能效提高至少15%。
水蒸气量波动及含氢炉膛气氛也是本项目重大挑战。团队正研究其对热工过程整体效率的影响，以及如何调整工艺参数以保护炉内耐火衬里和工件免受热冲击。计划由氢燃烧器负责预热，微波等离子燃烧器实现实际烧结或熔炼。
微波等离子燃烧器可加装于现有设备，兼容性极强，这是未来实际应用的一大优势。其还具有灵活可控、高效节能的燃烧炬特性。德国年产陶瓷制品约77万吨，预计能带来可观的节能减碳效益。钢铁生产领域同样前景广阔——推算至全德范围，研究人员测算出可节省超过3吉瓦时的能源。

绿色氢能生产包装钢材
食品罐制造过程中，包装钢材需经历多次热处理。其中通常使用天然气的再结晶退火工艺能耗尤为突出。H₂DisTherPro项目组正在制定该工艺逐步氢能化的方案：研究人员在确保不改造设备的前提下探索天然气中最大氢掺杂比例，并确定纯氢运行所需条件。
团队深入对比氢气与天然气的物理及燃烧特性：包括输气管线要求、必要气量及气压标准，以及影响燃烧器和传热效果的火焰速度、火焰温度等燃烧特性变化。燃烧气体中更高的水蒸气含量会改变工艺传热机制，这也是需要攻克的重点。除实现精确的工艺控制外，确保产品质量达标亦是重大挑战。
通过本项目，团队获得了关于间歇式热加工设备低碳运行的重要知识，为钢铁行业转向气候友好型替代方案提供支撑。据估算，若将罩式退火工艺完全转为绿色氢能，全国每年可节能近50吉瓦时，并同步减少二氧化碳排放。

热工工程中的氢能应用：共同挑战与可移植解决方案

上述四个项目表明，绿色氢能与可再生电力在气候友好型流程工业中具有关键作用。尽管产品多样、工艺细节各异，但工业热过程面临的挑战与解决方案具有共性：炉膛气氛变化、材料兼容性、能效优化及工艺稳定性。这些研究项目聚焦创新与工业可行性之间的结合点，提供可移植的解决方案，不仅创造新知识，更为可扩展的气候友好型工业生产奠定基础。
来源：德国联邦经济与能源部（BMWI）

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