氨燃烧对无碳酸盐钠/钙硅酸盐基钠钙硅玻璃性能的影响及碳中和路径探索

传统钠钙硅玻璃（SLS glass）生产依赖化石燃料和含碳酸盐原料，导致大量CO2 排放。本研究创新性地采用无碳燃料NH3 和无碳酸盐的Na/Ca硅酸盐原料，在1450°C高温下成功熔制玻璃，通过XRD、XRF等技术分析发现：NH3 燃烧虽影响玻璃色泽和Tg ，但实现了燃料与原料双脱碳，为玻璃工业碳中和提供了关键技术路径。

　　

玻璃作为人类文明的重要材料，从古埃及时代延续至今，支撑着从建筑到电子设备的广泛应用。然而传统钠钙硅玻璃（SLS glass）的生产暗藏环境危机——每吨玻璃的生产会释放0.5-0.8吨CO₂
，其中62%来自化石燃料燃烧，15-25%源于碳酸盐原料分解。在全球碳中和背景下，玻璃行业面临严峻挑战：既要维持每年1.3亿吨的产量需求，又需在2050年前实现净零排放。

日本的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种革命性方案：用氨（NH₃
）替代化石燃料，同时采用无碳酸盐的钠/钙硅酸盐（Na₂
SiO₃
/CaSiO₃
）原料。NH₃
作为氢能载体虽具零碳优势，但其高温燃烧存在NO_x
排放高、火焰辐射弱等技术瓶颈；而硅酸盐原料虽避免CO₂
释放，但熔制工艺与传统碳酸盐体系截然不同。这项发表在《Materials Today Sustainability》的研究，首次系统揭示了NH₃
燃烧与无碳酸盐原料协同作用对玻璃性能的影响机制。

研究团队构建了模拟工业窑炉的实验系统，核心采用两段式平行射流燃烧技术（two-stage combustion with parallel independent jets），在1450°C下熔制玻璃。通过火焰扫描仪（UV/IR双谱检测）、气相色谱（气泡成分分析）和X射线荧光光谱（XRF）等手段，全面评估了玻璃的结晶性、气泡缺陷、色泽及热学性能。

3.1 燃烧温度场与火焰特性
创新设计的燃烧系统在TC2控制点稳定维持1450°C，UV光谱证实火焰存在于TC1-TC2区域（燃烧区），而TC3-TC4为后燃烧排气区。值得注意的是，NH₃
火焰肉眼不可见，其辐射特性显著区别于传统燃料，这对工业窑炉的火焰监测提出新挑战。

3.2 排放特性
在O₂
富集率47%条件下，NO_x
排放浓度（折算15% O₂
）仅为218 ppm，远低于日本玻璃行业450 ppm的限值。燃烧废气中未检测到燃料源性CO₂
，实现了真正的零碳燃烧。

3.3 玻璃性能异变
XRD证实所有样品均为非晶态，密度（2.470±0.006 g/cm³
）符合商业SLS玻璃标准。但燃烧区样品（TC1-TC2）出现显著差异：

• 色泽异常：TC1样品呈现黄绿色（CIE Lab值a=-2.65, b=6.48），透光率下降10%，源于Fe³⁺
  在还原气氛中转化为Fe²⁺
  ；
• 气泡缺陷：燃烧区气泡含92.5% H₂
  S，源于Na₂
  SO₄
  在还原条件下的分解；
• T_g
  降低：排气区样品（TC4）玻璃化转变温度降低22°C，FT-IR显示这与NH₃
  燃烧产生的水蒸气渗入玻璃网络有关。

3.5 色泽调控机制
通过对比碳酸盐体系，研究发现硅酸盐原料在NH₃
燃烧中会产生更强的还原环境。TC3样品成功达到商业玻璃色泽标准（Y>85%, λ_d
=562.9 nm, P_e
<2.3%），证明通过优化燃烧分区可控制Fe²⁺
/Fe³⁺
平衡。

这项研究开创性地证明：NH₃
燃烧与无碳酸盐原料的组合可实现玻璃制造的全流程脱碳，但需解决三个关键问题——燃烧区还原气氛导致的色泽变异、水蒸气引起的T_g
下降，以及H₂
S气泡的形成。研究团队指出，未来需开发智能燃烧控制系统，实时调节O₂
分压；同时结合可再生能源供电的辅助电熔（electric boosting），可望实现既环保又高品质的玻璃生产。

该成果为高耗能材料工业的碳中和提供了可复制的技术范式。据日本经济产业省预测，到2050年氨燃料需求将达3000万吨/年，这项研究正是该战略的重要科技支撑。正如作者Hashira Yamamoto所述："从植物灰烬到合成氨，我们正在重写玻璃的文明史"。