DE10044237A1 - Flammenwurzelschirm zur NOx-Minderung an fossil beheizten Glasschmelzwannen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen NO¶x¶-mindernden Flammenwurzelschirm, insbesondere für Glasschmelzwannen, die seitlich angeordnete Brenner an den Brennluftports aufweisen. Der erfinderische Flammenwurzelschirm besteht aus einem Wandsegment, das im Brennluftport an der Portseitenwand quer zur Luftanströmung so angeordnet ist, daß die Flammenwurzel im Strömungsschatten des Wandsegmentes liegt. Das Wandsegment weist eine Mauerkrone auf, die gegenüber dem Portboden in einem Winkel von etwa 10 DEG in Luftströmungsrichtung ansteigt und der fortfolgenden Luftausbreitung einen ebenen Verlauf aufprägt. Die luftangeströmte Seite des Wandsegmentes weist in vollständiger Konfiguration des Flammenwurzelschirms eine Abgaszuführung auf, die raumwinkelfüllend den Luftstrom turbulenzmindernd und abgasunterschichtend über das Wandsegment hebt. Zusatzbrenner erzeugen das Abgas in der Portseitenwand. Zwischen zwei Flammenwurzelschirmen eines Ports besteht eine deutliche Aussatzlücke am Portboden zur Unterdrückung von Kohlenstoffablagerungen. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf gasbeheizte Öfen. Der Eingriff in das Befeuerungssystem ist im Vergleich mit Karburierungsschwellen klein. Der Effekt zur NO¶x¶-Minderung ist stärker. Der Ofen bleibt feuerungstechnisch flexibel.

Description

Die Erfindung betrifft eine sogenannte Primärmaßnahme zur NOx-Minderung, insbesondere eine einfache Vorrichtung zur NOx-Minderung an fossil beheizten Glasschmelzwannen. Als Primärmaßnahmen werden hierbei vereinfachend und im engeren Sinne solche Maßnahmen aufgefaßt, die innerhalb des Ofens angewendet, die Entstehung von NOx mindern können. Das schließt solche Maßnahmen aus, die nach Entstehung des NOx und noch innnerhalb des Ofens dessen Zerfall bewirken, obwohl solche Maßnahmen gewöhnlich ebenfalls den Primärmaßnahmen zugerechnet werden. Noch enger gefaßt betrifft die Erfindung Maßnahmen der Feuerführung zur NOx-Min­ derung. Die Unterdrückung der NOx-Bildung beruht im Wesentlichen (Thermisches NOx) darauf, daß die Verbrennung von Luft zu NOx gemindert wird. Stofflich wesent­ lich ist dabei das örtliche Konzentrationsprodukt von Sauerstoff und Stickstoff, mit dem die NOx-Bildung steigt. Thermisch ist die Temperatur der Flamme, insbesondere an der Flammenwurzel wesentlich. Ansatzpunkte der NOx-Minderung zum ersten Aspekt sind die Luftvorwärmtemperatur der Verbrennungsluft, die kalte "Nebenluft", das (lokale) Brennstoff-Luftverhältnis, sowie die Zusammensetzung der Luft, d. h. deren Abgas-N2- und O2-Gehalt. Besonders bekannt geworden ist diesbezüglich der Ersatz von Brennluft durch nahezu reinen Sauerstoff. Dies wird als Oxyfuel-Verfahren bezeichnet. Die nah­ stöchiometrische Verbrennung ist bereits weitgehend eingeführte Praxis. Dabei wird alle überschüssige Luft vermieden. Düsensteine werden mit einer Abdichtplatte versehen, um Injektorluft aus der Umgebung zu vermeiden. Ein "Luftstufungsverfahren" vermeidet örtlich hohe Konzentrationsprodukte an der kritischen Flammenwurzel. Abdichtungen gegen Falschlufteinbrüche am Ofen sind gängige Praxis geworden. Der Zerstäuberluft­ einsatz bei Ölbrennern wird mit neuen Brennertypen vermindert, durch andere Gase z. B. Brenngas substituiert oder durch Druckzerstäubung völlig erübrigt. Abgasrückführung senkt ebenfalls das örtliche Konzentrationsprodukt von Sauerstoff und Stickstoff, gleich­ zeitig wird dabei, wie auch bei anderen Verfahren, der zweite Minderungsaspekt genutzt und die Zündung gebremst, was einen temperatursenkenden Einfluß hat. Flammenlose Oxidation im Brenner soll NOx vermeiden und allein das Abgas soll die Wärmeüber­ tragung leisten. Den Zweck der Abkühlung der Flammenwurzel verfolgen auch sol­ che Verfahren, bei denen die Mischung von Brennstoff und Luft verzögert wird. Dazu sind als erfinderische Lösungen besonders bekannt geworden: "Kaskadenbefeuerung", "Abgastrennschicht" und "Karburierungsstufen". Generell wird dabei die Zündung der Flamme oder der Hauptflamme verzögert. Abgas wird der Brennluft zugesetzt oder den Brennstoffstrahl umhüllend eingebracht. Die Flammenwurzel wird mit Wasserdampf ge­ kühlt. Die geometrische Gestaltung der Lufteinbringung in den Ofen für niedrigturbulen­ ten Luftstrom wurde als " Freistrahlport" bekannt. Dieser mindert Turbulenzen der Luft und frühzeitige Zufälle der Brennstoff-Luftvermischung. Für Heizöl wurden Brenner be­ kannt, die sehr feine Tropfen bei der Ölzerstäubung vermeiden. Heiße Flammenwurzeln vermeiden auch Gasbrenner, die das Brenngas mit niedrigturbulentem Strahl in den Ofen einbringen. Diese sind als Freistrahlbrenner bekannt geworden. Unterbankbefeuerung mit vergrößertem Abstand von Brennstoff und Lufteinbringung ist eine fachmännische Maßnahme, die aus Vergleichen verschiedener Ofenkonstruktionen entstanden ist. Die Anzahl der Flammen wird häufig gesenkt und damit wird proportional der Raum beson­ ders heißer oder gar adiabatischer Flammenzonen gesenkt, die eine Hauptquelle des NOx sind.

Das Problem besteht nun darin, daß sich viele der genannten Methoden nur mit hohem Aufwand anwenden lassen, sich für bestimmte Ofenkonstruktionen gar nicht eignen oder nur mit geringem Effekt dort einsetzten lassen. Als Beispiel dafür und naheliegender An­ wendungsfall der erfinderischen Lösung, sei die häufig angewandte Konstruktion einer Querflammenwanne mit seitlicher Brenneranordnung am Brennluftport genannt. Dabei werden Verbrennungsluft und Brennstoff unmittelbar nach Brennstoffaustritt aus dem Düsenstein im Querstrom miteinander gemischt. Hohe NOx-Bildung ist die Folge. Alle obenan genannten Verfahren einschließlich der aussichtsreichen Portstufe zur Gaskarbu­ rierung lösen dieses grundsätzliche Problem nicht oder weisen negative Nebenwirkun­ gen auf Die, bezüglich der NOx-Minderung effektive Karburierungsstufe, verlangt für eine deutliche NOx-Minderung eine große Bauhöhe, was als Nebenwirkung eine uner­ wünscht starke Drosselung der Brennluftzufuhr bewirkt. Außerdem werden an Querflam­ menwannen dadurch, wenn nur ein Teil der vorhandenen Ports so ausgerüstet sind, Abgas und Luft relativ stark auf andere Ports umverteilt. Auch die bauliche Veränderung der Ports zur Berücksichtigung dieser Effekte hat negative Nebenwirkungen, da min­ destens recht aufwendig die Baugröße der Ports erhöht werden muß. Ganz wesentlich wird aber die Anwendung des Verfahrens für Wannen mit hohen Qualitätsansprüchen dadurch eingeschränkt, daß die Bildung von elementarem Kohlenstoff was zwingende Verfahrensgrundlage der Karburierungsstufe ist, nicht sicher auf die Feinverteilung der Kohlenstoffpartikel begrenzt werden kann, sondern daß größere Graphitablagerungen im Schatten der Stufe entstehen, die auch ins Glas gelangen können. Das ist ein hohes Gefährdungspotential für die Glasproduktion. Der Stand der Technik, der dem erfinderischen Anliegen am nächsten steht, ist seit einigen Jahren an einer U-Flammen­ wanne für Behälterglas am Standort Berlin Neuenhagen realisiert. Diese Lösung besteht wesentlich in der Anordnung einer Karburierungsstufe im Verbrennungsluftport, wobei in den Strömungsschatten der Verbrennungsluft von beiden Portseitenwänden her, mit je einem herkömmlichen Gasbrenner, der Brennstoff so eingetragen wird, daß sich die Impulse der beiden aufeinander gerichteten Gasstrahlen mindestens teilweise kompen­ sieren. Der entscheidende Gedanke für die Anwendung dieser Lösung zur NOx-Minde­ rung beruhte auf einer Kalkulation der NOx-Bildung für diese Anordnung auf Grundlage der aus alten Literaturstellen, insbesondere und eigenen Versuchen bekannten Verbesserung des Wärmeabstrahlungsver­ haltens der Flammen durch Karburierung von Brenngasen, bei Eigen- und Fremdkarbu­ rierung, die dem späteren Anwender zur Kenntnis gegeben und deren Anwendung da­ nach empfohlen wurden. Bei der Risikoabschätzung wurde auf das extrem veränderte Flammenbild und Rußbildung hingewiesen. Messergebnisse zur NOx-Bildung lagen dafür jedoch nicht vor, da Karburierungsstufen lange Zeit vor der ökologischen Auf­ wertung der NOx-Problematik ausschließlich für energiewirtschaftliche Zwecke ange­ wendet wurden. In der folgenden praktischen Anwendung des Verfahrens zur NOx-Min­ derung durch eine deutsche Glasofenbaufirma hat sich die Kalkulation auch quantitativ über mehrere Jahre inzwischen bestätigt. Der Betreiber bezeichnet Anordnung und Ver­ fahren insbesondere hinsichtlich der NOx-Minderung als erfolgreich im Vergleich mit dem obengenannten Stand der Technik, das Problem der Bildung von Kohlenstoffabla­ gerungen im Port wird aber nicht beherrscht und kann in anderen Fällen leicht kritisch werden. Dann sind unproduktive Kompensationsmaßnahmen, wie hohe Luftfaktoren der Verbrennung, erforderlich. Die Ausbildung der Flammenform und die Lage der Flammen im Ofenraum sind nahezu ausschließlich von der Bauform der Schwelle und des Ports abhängig. Brennerstellhandlungen haben zu geringe Einflußmöglichkeiten, sowohl im Rahmen üblicher, wie innovativer und technologisch sinnvoller Zielparameter. Die Vor­ richtung ist, wenn vom Ofenbau einmal ausgeführt, wenig flexibel. Beispielsweise läßt sich das für NOx-Minderung und Leistungssteigerung effektive Verfahren zur Schräg­ flammenbefeuerung nicht auf derart ausgestattete Anlagen übertragen. In den USA sind zur Energieeinsparung seit längerer Zeit gleichartige Schwellenlösungen bekannt und an­ gewendet. Eine ältere Veröffentlichung trägt den Titel "Melting furnace design in the glass industry", Alexis G. Pincus, 1976. Auch hierbei treten die gleichen Probleme auf. Von dieser Lösung unterscheidet sich die "Kaskadenbefeuerung" positiv dadurch, daß durch eine kleine Vorflamme eine O2-verarmte Schicht über die in Unterbankbefeu­ erung angeordneten Hauptbrenner gelegt wird, wodurch dieses Risiko hierbei kleiner ist. Neuerdings wird bei einer Weiterentwicklung des Kaskadenverfahrens die Anordnung einer Schwelle in Port ähnlich dem vorgenannten Verfahren angewendet. Das wurde bekannt als: "Kaskadenbefeuerung zweiter Generation mit integrierter Bufflewall-Tech­ nologie" (Glasingenieur 5/98). Nachteilig ist daran, daß die, durch die Kaskadeneindü­ sung zu bildende Abgasschicht, zunächst selbst durch eine Flamme produziert wird und wobei diese selbst zu einer starken Emissionsquelle für NOx wird. Darunter leidet die Minderungseffektivität. Das Verfahren ist zudem für Wannen mit seitlich befeuerten Ports nicht anwendbar. Karburierungsstufe und Kaskadenbefeuerung der zweiten Generation haben gemeinsam, daß Brenngas in den Raum eines Luftströmungsschattens von Stufen oder Schwellen eingebracht wird, der von der Luftanströmungsseite abge­ wandt an der Stufe angeordnet ist. Die Stufe ist gekennzeichnet als ein negativer Niveau­ sprung des Portbodens in Luftströmungsrichtung. Der Unterschied zwischen Karburie­ rungsstufe und Kaskade zweiter Generation besteht im Wesentlichen darin, ob das ge­ samte Brenngas oder nur Anteile davon hinter dieser Schwelle/Stufe eingesetzt werden. Überraschend wurde gefunden, daß durch die Nachrüstung eines erfinderischen Wand­ segmentes als Hauptkomponente eines Flammenwurzelschirms alle Nebenwirkungen von Karburierungsstufen vermieden oder unterdrückt werden.

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen Brennluftdurchströmung des unmit­ telbaren Gebiets der Brennstoffeinbringung innerhalb eines Brennluftports von Wannen­ öfen, ausgebildet als Flammenwurzelschirm und ist gekennzeichnet von 3, etwa senk­ recht zueinander stehenden, raumöffnenden Wänden eines Raumwinkels, wobei 2 Wände gebildet sind von dem an sich vorhandenen Portboden und der Portseitenwand eines Verbrennungsluftports, daß die dritte Wand dabei gebildet ist von einem luftwegver­ sperrenden Wandsegment, dessen Länge deutlich kürzer ist als die halbe Breite des Portbodens und daß das Wandsegment vorteilhaft mit großer Wandstärke ausgebildet ist, wobei die breite Mauerkrone des luftwegversperrenden Wandsegments einen flächigen Anstieg von ca. 10° aufweist, der gemessen ist in Luftströmungsrichtung gegen die Ebene des Portbodens und daß die größte Höhe des Wandsegmentes vorteilhaft etwa so groß ist wie der Durchmesser der Einmündung des Brennstoffs plus 1/3 der Länge des Wandsegmentes und daß die Brennstoffeinbringung innerhalb des Brennluftports im luftabgewandten Strömungsschatten des Wandsegmentes getätigt wird, insbesondere im Raumwinkel des Flammenwurzelschirmes dergestalt, daß die Einmündung des Brenn­ stoffs so nahe am Ursprungspunkt des vom Flammenwurzelschirm ausgehenden, 3- seitig geöffneten Raumes positioniert ist, daß die Umfanglinie des Brennstoffstrahls die Fluchten des Wandsegmentes und des Portbodens annähernd tangieren. Weiterhin wird das Schutzrecht beansprucht für einen Flammenwurzelschirm mit gasdynamischer, tur­ bulenzmindernder Anhebung von Verbrennungsluft über einen wandförmigen luftweg­ versperrenden Einbau in Form eines Wandsegmentes innerhalb eines Verbrennungsluft­ ports, der gekennzeichnet ist durch die Eindüsung von möglichst kaltem oder nachver­ branntem Abgas, mit herkömmlichen Mitteln, in den mittels Wandsegment gebildeten Raumwinkel des Flammenwurzelschirmes auf der der Luftanströmung zugewandten Seite des Wandsegmentes insbesondere von der Portseitenwand her und daß der Aus­ gangspunkt der Eindüsung nahe liegt an dem Raumwinkeleckpunkt, der gebildet wird von Wandsegment, Portboden und Portseitenwand auf der der Verbrennungsluftanströ­ mung zugewandten Seite des Wandsegmentes. Diese Abgaseindüsung bildet nach der ansteigenden Mauerkrone die zweite gasdynamische Komponente des erfinderischen Flammenwurzelschirms.

Die gewerbliche Anwendung der Erfindung ist besonders für solche Glasschmelzöfen von Vorteil, die eine seitliche Einbringung des Brennstoffs in die Brennluftports aufwei­ sen. Solche Öfen haben durchaus Vorzüge in der Konstruktion, sind aber in letzter Zeit wegen ihrer Unterlegenheit bei der primären NOx-Minderung als zukunftsträchtige Lö­ sung in Gefahr geraten. Die Erfindung des Flammenwurzelschirms ist geeignet, diesen Nachteil wettzumachen und zudem die Vorzüge der geringeren Anzahl von Brennern an diesem Ofentyp als Vorzug der NOx-Minderung gegenüber den bislang überlegenen unterbankbefeuerten Wannen wirksam zu machen. Davon haben insbesondere solche Firmen Vorteile, die mit der Projektierung und dem Bau von Wannen mit seitlich befeu­ erten Ports Tradition und Erfahrung haben. Auch die Betreiber solcher Öfen kommen in die Lage, den für die Glasfertigung bewährten Ofentyp beibehalten zu können, nicht zu aufwendigen systemfremden Sekundärmaßnahmen oder "3R" gezwungen zu sein und den Ofentyp im laufenden Betrieb auf Bestwerte der NOx-Minderung umstellen zu können. Positive Nebenwirkungen sind bei sachgerechter Ausführung: Energieeinsparung, Ofenraumtemperaturabsenkung, Leistungssteigerung und Ofenlaufzeitverlängerung. Vorteilhaft wirkt sich auf die Einstellbarkeit der Lage der Flammen die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nahe dem Brennermaul des Verbrennungsluftports aus. Im Unterschied zu Schwellen oder Stufen kann ohne Nachteile auf einen größeren Weg von Gaseindüsung bis Brennermaul verzichtet werden, so daß eine Veränderung der Brennerauswinklung einen deutlichen Einfluß auf die Lage der Flamme hat und die Feuerführung damit technologisch flexibel ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem bekannten Stand der Technik zahlreiche Vorzüge auf.

Obwohl der Karburierungseffekt des erfinderischen Flammenwurzelschirmes im Ver­ gleich mit Karburierungsstufen klein ist, wird eine vergleichsweise höhere NOx-Min­ derung dadurch eingestellt, daß das vom Gestaltungskonzept her klein gehaltene Wand­ segment zur Abschirmung der Flammenwurzel in seiner Bauausführung ohne große Nebenwirkungen in allen Dimensionen in bedarfsgerechter Größe, insbesondere höher, ausgeführt werden kann, so daß die als Freistrahl aufgefaßte Gestalt der Flammenwurzel komplett gegen direkte Lufteinströmung abgedeckt ist. Die Startreaktion und Vermisch­ ung mit Luft wird erst am Ende des Schirmes komplett und nicht schon partiell in oberen Bereichen der Flammenwurzel, zugelassen. Dort aber bildet der Brennstoffstrom eine ausreichend breite Front, die durch große Oberfläche in der Lage ist, mittels Strahlungs­ wärmeabgabe an die Umgebung so viel Wärme zu tauschen, daß die üblicherweise durch Wärmestau bedingten adiabatischen Temperaturen von herkömmlichen Flammenwurzel stets vermieden werden. Eine erfinderisch in Luftströmungsrichtung ansteigende Mauer­ krone bildet dabei einen wesentlichen gasdynamischen Beitrag, weil vorteilhaft an der Abrißkante der Luft deren fortfolgend horizontal ebene Ausbreitung begünstigt wird. Im Gegensatz dazu wird bei einer Karburierungsstufe an der horizontal zum Portboden parallel geführten Bank, die mit der Abrißkante endet, die Ausbreitung der Verbren­ nungsluft danach in einem absteigenden Winkel von 10° begünstigt, wodurch die bekanntgewordenen Karburierungsstufen (einschließlich der Kaskadenstufen) strö­ mungstechnisch die gedachte Funktion fälschlich nur eingeschränkt erfüllen und im Verlauf der Flammenentwicklung den an sich hinter der Schwelle liegenden Portboden zufallsabhängig und stark thermisch belasten.

Im Vergleich mit Karburierungsstufen wird durch einen Flammenwurzelschirm an der Wurzel der Flamme, mit kleinem baulichen Aufwand aber komplett, nicht aber aufwen­ dig den Kern der Flamme mit einschließend aber stets unvollständig, die Vermischung von Brennstoff mit Luft effektvoll gemindert und dadurch die Bildung einer besonders heißen oder adiabatischen Temperaturzone der Flamme an der Flammenwurzel unter­ drückt. Nachteilige Turbulenzen des Aufstiegs der Luft an der Anströmseite des Wand­ segmentes, was zunächst, durch die mit dem Anliegen der Nachrüstbarkeit erzwungene Gestaltung als Wand, einhergeht, werden gasdynamisch durch die Einbringung von mög­ lichst kaltem, O2 armen Abgas in das vorgelagerte Unterdruckgebiet stark gemindert, so daß das Problem dieser neu entstandenen zweiten Strömungstotzone am Schirm, durch dort expandierendes Abgas entschärft ist. Die gegebenenfalls vorab zum Einsatz kom­ menden Brennstoffmengen zwecks Abgasproduktion und Luftanhebung sind hingegen klein und vorteilhaft gerade so groß, daß das vom Luftstrom mitgerissene Abgas bilanz­ deckend ersetzt wird, was an einem Minimum der NOx-Emission erkennbar ist. Das Pro­ blem eines Wärmestaus und adiabatischer Temperaturen tritt hierbei nicht auf, da die zu­ geführte Brennstoffmenge überwiegend oder vorzugsweise vollständig extern und kälter als im Ofen verbrennt. Eine zusätzliche NOx-Quelle durch fälschlich in den Ofen einge­ schleppte Brenngasreste bleibt unmerklich klein. Der Schirm besteht komplett aus drei Elementen. Das erste ist der, die Flammenwurzel radial geometrisch komplett überdec­ kende mechanische Strömungsschutz durch das Wandsegment, das im axialen Verlauf der Flamme am Ende des Wandsegmentes abrupt den gesamten Brennstoffstrahl für die Lufteinmischung freigibt. Das zweite ist die gasdynamische Überhöhung des Wandseg­ mentes und die daraus folgende horizontale Einebnung der Unterseite des fortfolgenden Luftstroms durch die 100 ansteigende Mauerkronengestaltung. Das dritte ist die Turbu­ lenzunterdrückung und Abgasauffüllung des Unterdruckraums, der gebildet ist vom Raumwinkel an der luftangeströmten Seite des Wandsegmentes, wodurch mittels expan­ dierenden Abgases die Brennluft gleitend und gasdynamisch über die Wand gehoben wird. Dabei kann dieses Abgas kalt von außen zugeführt oder erst unmittelbar vorher durch Brenngas und Luft oder Abgas gebildet werden. Der Flammenwurzelschirm ist als Primärmaßnahme z. B. im Vergleich mit Karburierungsstufen leicht nachrüstbar, hat kompromißhaft funktionsoptimierte Baugröße und ist sowohl strömungstechnisch opti­ miert als auch gasdynamisch optimierbar. Vorteilhafte Nebenwirkung des dritten Funktionselementes ist es, daß aus dem Raum vor dem Wandsegment durch die Sog­ wirkung der darüber strömenden Luft, in die unteren Schichten der Verbrennungsluft Abgas eingemischt wird, bevor die Luft in den Reaktionsraum nach dem Schirm eintritt. Im oberen Bereich der Flamme oder präziser an der Grenzschicht zwischen Brennstoff und Luft wird so die Startreaktion zusätzlich stofflich gemindert. Eine erhöhte Einbrin­ gung von Brennstoffesten, mit dem Ziel eine starke Abgastrennschicht zu produzieren, wie sie von Kaskadenbefeuerungen bekannt ist, ist am Flammenwurzelschirm unproduk­ tiv, da der bekannte Nachteil, an Vorfeuern eine neue NOx-Quelle zu bilden, durch Ab­ gasauffüllung mit Überschuß an Brennstoff ebenfalls nachteilig werden kann. Zweck­ mäßig behebt die Abgasauffüllung des Anströmungsgebiets am Flammenwurzelschirm lediglich einen strömungstechnischen Fehler des an sich bereits vollständigen geometri­ schen Schutzes der gesamten Flammenwurzel, der in der vorgelagerten baulich bedingten turbulenzauslösenden Anströmung des Wandsegmentes besteht, indem er diese gasdyna­ misch mindert. Die kurze Baulänge der üblicherweise symetrisch gegenüberliegend angeordneten Wandsegmente läßt am Portboden einen großen Abschnitt frei von luftströmungsbehindernden Einbauten. Dadurch wird dieser Abschnitt, der bei Schwellen oder Stufen besonders durch Kohlenstoffablagerungen gekennzeichnet ist, durch einen intensivierten Verbrennungsluftstrom von Kohlenstoffablagerungen frei gehalten. Es besteht damit kein Qualitätsrisiko für die Schmelze, das über das von herkömmlichen Ports hinausgeht, die keine Karburierungs- oder strömungsbeengende Einbauten aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführung wird der Brennstoff mittels eines an sich bekannten Freistrahlbrenners erfinderisch am Flammenwurzelschirm und von den 3 raumöffnenden Wänden mindestens jeweils etwa 10° abgewendet, eingedüst, wobei die Abwendung von der Portwand die größte ist. Strömungstechnisch zufällige Zündungen an der Flammenwurzel werden dabei besonders effektiv vermieden. Vorteilhaft ist, daß das Wandsegment keine laufenden Aufwendungen für den Betrieb erfordert und der Flammenwurzelschirm schon mit diesem einfachen Aufbau funktionstüchtig ist. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Vorrichtung an bestehenden Anlagen mit geringem Aufwand nachgerüstet werden kann und daß nach ihrer Inbetriebnahme auch für Wannen mit intensiver Quermischung zwischen Brennstoff und Brennluft weitere NOx-Primär­ maßnahmen effektiv anwendbar sind. Beispielsweise entfalten dann Freistrahlbrenner ihre NOx-mindernde Wirkung. Düsenstein und Brenner werden durch den Flammen­ wurzelschirm besser thermisch geschützt.

Ein Ausführungsbeispiel nach den Ansprüchen 2 und 4 soll mit Fig. 1 näher erläutert werden. Eine Floatglaswanne mit seitlicher Anordnung der Brenner an den Verbren­ nungsluftports (1) wurde im laufenden Betrieb mit erfindungsgemäßen Flammenwur­ zelschirmen ausgerüstet. Im ersten Fall wurden quer zur Richtung der Luftströmung (2) und in Luftströmungsrichtung vor den Brennerdüsensteinen (3), stapelbare Bausteine des Wandsegmentes (4) auf dem Portboden (5) aufgeschichtet angeordnet, die form­ schlüssige Profilierung an den inneren Auflageflächen aufweisen. Die Achse der Brennerdüsensteine ist von der Wandflucht des Wandsegmentes abgewendet, so daß die ebene Auswinkelung (6) 10° beträgt, horizontal gemessen in Richtung der Verbren­ nungsluftströmung gegen die Wandflucht des Wandsegmentes. Die gleiche Achse weist einen vertikalen Anstieg (7) von 10° auf, gemessen gegen eine Achse in Richtung der Breite des Portbodens. Als Brennertyp wurden sogenannte Freistrahlgasbrenner ein­ gesetzt. Die Mündung dieser Brenner bilden selbst die Mündung der herkömmlicher­ weise anschließend an die Brenner angewendeten Brennerdüsensteine. Der somit zu­ grundegelegte Durchmesser der Düsenmündung des Brennerdüsensteins (8) ist damit die Öffnung des Brenners. Deren Maß ist im Beispiel 95 mm. Die Breite des Ports beträgt 1,5 m. Die Maße des Wandsegmentes des erfinderischen Flammenwurzelschirmes sind: Länge 500 mm, Breite 250 mm Höhe 300 mm. Die Höhe wurde dabei nach Anspruch 1 bestimmt als Summe des Durchmesser der Düsenmündung und 1/3 der Länge des Wandsegmentes. Dies wird im Beispiel ergänzt um den baulich bedingten Fehler der Lage der Düsenmündung in Beziehung zum Ursprungspunkt des Flammenwurzelschirms (10), da der Brennstoffstrahl von der günstigen, erfinderischen Lage abweichend, den Portboden nicht tangiert. Im Beispiel liegt der Rand der Düseneinmündung 40 mm über dem Portboden und die untere Mantellinie des fortfolgenden Strahls, der als Freistrahl angenommen wird, liegt parallel zum Portboden, um dieses Maß angehoben, über die­ sem. Das Gebiet an der oberen Mantellinie wäre ansonsten frühzeitiger Lufteinmischung ausgesetzt. Das Wandsegment wurde deshalb zweckmäßig 40 mm höher ausgeführt. Das Wandsegment weist nach Anspruch 2 eine, gegenüber dem Portboden um 10° stei­ gende Mauerkrone (9) auf. Für den Einbau des erfinderischen Flammenwurzelschirmes wurden zwei Methoden fachmännisch erprobt. Bei der ersten wird die Portseitenwand (11) seitlich neben dem Brennerdüsenstein eröffnet, um die Bauelemente durch Einschieben von der Seite her und durch Stapeln der Schichten in den Port einzubringen. Bei der zweiten Methode wird der Portboden von unten aufgesägt. Der Bodenausschnitt wird dann mit einer Hubbühne abgesenkt, abgeräumt und verworfen. Ein neues Boden­ segment wird mit dem Wandsegment des Flammwurzelschirmes auf der Hubbühne auf­ gebaut und mit deren Hilfe wieder in den Port geringfügig unter das Niveau des alten Portbodens eingehoben, bzw. in das neue Portbodensegment eingesenkt angeordnet, um somit das Verrutschen des Wandsegmentes auf dem Portboden sicher zu vermeiden. Das Verfahren durch Aufsägen des Portbodens ist vorteilhaft bezüglich der Arbeitsaufwen­ dungen und der Arbeitserschwernisse. Im Ergebnis des beschriebenen Ausführungsbei­ spiels wird eine Absenkung der NOx-Bildung von mehr als 40% erzielt. Es treten für den Ofenbetrieb gleichzeitig weitere vorteilhafte Nebenwirkungen auf. Insbesondere wird der Brennstoffverbrauch gesenkt, die Gewölbetemperatur des Ofens gesenkt und damit eine geringere Korrosion des Feuerfestmaterials erzielt. Eine Steigerung der Schmelzleistung der Wanne ist ebenfalls signifikant.

Im zweiten Fall (Fig. 2) ist der Flammenwurzelschirm komplett ausgeführt, also im Vergleich mit Fig. 1 zusätzlich ausgestattet mit der zweiten gasdynamischen Kompo­ nente des Flammenwurzelschirmes in Form der Vorrichtung zur turbulenzmindernden Verbrennungsluftanhebung durch Gaseinbringung vor dem Wandsegment nach Anspruch 3. Darüber hinaus sind bei dieser Ausführung des erfinderischen Wandsegmentes speziel­ le Bauelemente nach Anspruch 7 eingesetzt, die stärker abweichen von üblichen Stein­ formaten, jedoch ist die äußere Geometrie des Schirms damit der Flammenwurzel besser angepaßt und hat bei weiter verbesserter Abschirmung der Flammenwurzel wegen ihrer kleineren Baugröße zugleich geringe Sperrwirkung in der Abgasperiode und geringe Luftverteilungsnebenwirkungen bei Querflammenwannen. Die NOx-wirksame größte Höhe des Wandsegmentes nach Anspruch 1 bleibt erhalten. Nach Anspruch 3 wird als brennertechnische Vorrichtung zur Einbringung von Abgas der an sich bekannte Flox- Brenner für flammenlose Oxidation eingesetzt, der zur Beheizung von Glasschmelzwan­ nen in seinen bekannten Ausführungen bisher nicht eingesetzt werden konnte. Seine An­ wendungseinschränkung beruht auf der zu niedrigen Abgastemperatur und der vollstän­ digen Verbrennung im Brenner, was hier aber vorteilhaft dadurch ist, daß durch ihn nun­ mehr in den Ofen lediglich Abgas eingetragen wird und der von zusätzlichen Flammen bekannte Effekt einer zusätzlichen NOx-Quelle nicht mehr auftritt. Der Brenner wird von der Portseitenwand her eingesetzt und sein Strahl entlang des Wandsegmentes, auf dessen luftzugewandter Seite, schräg aufwärts Richtung Portmitte geführt. Die erforder­ lichen Abgasmengen liegen in der Größenordnung von ein bis wenigen Prozenten des Gesamtaufkommens an Abgas. Fachmännisch ergänzt ist die Vorrichtung durch einen Vorsatzstein an der unteren Schicht des Wandsegmentes, das tief und wirkungslos ab­ ziehendes Abgas mindern soll und auf die wirkungsvolleren oberen Wege umleitet. Wei­ terhin ist fachmännisch die Brennstrahlseite des Wandsegmentes konkav ausgeführt. In der Fig. 3 ist ein Flammenwurzelschirm mit einer Verbrennungsluftanhebung mit­ tels turbulenzminderndem Vorsatzstein entsprechend Anspruch 6 dargestellt. Der Vor­ satzstein hat aber die Nachteile, daß er nur bei Neubau oder Kaltreparatur der Wanne eingesetzt werden kann, für eine einfache Reparatur kaum zugänglich ist und daß für seine Nachrüstung im laufenden Betrieb noch kein günstiges Konzept oder eine einfache Technologie gefunden wurde. Fig. 4 zeigt die Einbringung von Abgas oder Flox-Abgas für die erfinderische gasdynamische Verbrennungsluftanhebung in das erfinderische Wandsegment hinein, wobei das Wandsegment dahingehend modifiziert ist, daß der Auflagesteg an der luftzugewandten Seite des oberen Wandsegmentbausteins verkürzt und nicht formschlüssig ausgeführt ist und so einen Gasaustrittsschlitz bildet. In der Fig. 4 ist durch Schnitt des Wandsegmentes der innere Aufbau erkennbar, aber die stirnseits verschließende Feuerfestschicht des Wandsegmentes ist nicht dargestellt. Die Abgaseinbringung in den oberen Baustein des Wandsegmentes erfolgt von der Portsei­ tenwand her mittels einer an sich bekannten Konfiguration, bestehend aus Wandbohrung und an sich bekanntem Floxbrenner mit keramischem Brennerrohr und ist in Fig. 4 perspektivisch verdeckt angeordnet in einer Position an der Außenwand des Brenner­ ports. Nicht dargestellt ist eine Alternative dazu nach Anspruch 10, bei der ein kompak­ tes Wandsegment mit einer Sacklochbohrung versehen ist, die einen seitlichen Schlitz in ähnlicher Position aufweist, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. In das Sackloch wird in der Feuerperiode Abgas oder Floxabgas eingedüst.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Verbrennungsluftport

2

Richtung der Verbrennungsluftströmung

3

Brennerdüsenstein

4

Wandsegment

5

Portboden

6

Ebene Auswinkelung

7

Vertikaler Anstieg

8

Einmündung des Brennstoffs

9

Mauerkrone

10

Ursprungspunkt des Flammenwurzelschirmes

11

Portseitenwand

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Formierung eines Strömungsschattens zum Schutz gegen Verbrenn­ ungsluftdurchströmung des unmittelbaren Gebiets der Einmündung des Brennstoffs innerhalb eines Brennluftports von Wannenöfen, ausgebildet als erfinderischer Flammen wurzelschirm, die gekennzeichnet ist von 3, etwa senkrecht zueinander stehenden, raum­ öffnenden Wänden eines Raumwinkels, wobei 2 Wände gebildet sind von dem vorhan­ denen Portboden und der Portseitenwand eines Verbrennungsluftports, und daß die dritte Wand ein erfinderisches luftwegversperrendes Wandsegment ist, dessen Länge deutlich kürzer als die halbe Breite des Portbodens und senkrecht horizontal zur Portseitenwand in den Port hinein weisend angeordnet ist, dessen Höhe vertikal senkrecht auf dem Port­ boden steht, wobei die größte Höhe vorteilhaft mindestens etwa so groß ist wie der Durchmesser der Einmündung des Brennstoffs plus 1/3 der Länge des Wandsegmentes und daß in dem, von der Luftanströmung abgewendeten Raumwinkel nahe seinem Ur­ sprungspunkt von der Portseitenwand her, die Einmündung des Brennstoffs einstrahlig angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Gestaltung eines bodenparallelen Strömungsschattens im Anschluß an Porteinbauten von Verbrennungsluftports, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet der stufenförmigen Abrißkante der Verbrennungsluftströmung, einer gegenüber dem nach­ folgenden Portboden erhöhten Porteinbaute, die quer zur Luftströmung angeordnet ist, vorzugsweise auf der gesamten Länge der Mauerkrone oder Schwellenkrone in Strö­ mungsrichtung der Verbrennungsluft auf einer Länge von mindestens 8 Zentimetern eine Beruhigungsfläche aufweist, die gebildet ist von einem flächigen Anstieg im Winkel von etwa 10° gegenüber dem nachfolgenden Portboden.

3. Verfahren für Wannenöfen zur Bildung eines gasdynamischen Flammenwurzelschirmes durch turbulenzmindernde Anhebung von Verbrennungsluft über eine luftwegversperren­ de Porteinbaute innerhalb eines Verbrennungsluftports, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ausgebranntes Abgas mit einer an sich bekannten Brennervorrichtung, vor der Port­ einbaute und auf dem Weg der Verbrennungsluft zur Porteinbaute in das Gebiet unmit­ telbar vor der luftangeströmten Erhebung der Porteinbaute eingedüst wird, etwa mit ei­ ner Gasgeschwindigkeit die der Geschwindigkeit der Verbrennungsluft ähnlich ist und in einer Menge, die etwa 1% und bis 3% des Abgasaufkommens beträgt, das von der der Porteinbauten nachgeordneten Flamme gebildet wird.

4. Flammenwurzelschirm mit einer Brennstoffeinbringung nach Anspruch 1, die inner­ halb des Brennluftports im luftabgewandten Strömungsschatten des Wandsegmentes an­ geordnet ist, insbesondere im Raumwinkel des Flammenwurzelschirmes, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einmündung des Brennstoffs so nahe am Ursprungspunkt des vom Flammenwurzelschirm ausgehenden, 3-seitig geöffneten Raumes positioniert ist, daß die Umfanglinie des Brennstoffstrahls am Eintritt in den Port/ und oder die Umfang­ linie der Düsensteinöffnung die Fluchten des Wandsegmentes und des Portbodens annä­ hernd tangieren aber nicht überschneiden und die Achse des Brennerdüsensteines von der Wandflucht des Wandsegmentes mindestens so weit abgewendet ist, daß die ebene Auswinkelung (6) vorzugsweise etwa 10° beträgt, wobei dies horizontal gemessen ist in Richtung der Verbrennungsluftströmung gegen die Wandflucht des Wandsegmentes und daß die gleiche Achse einen vertikalen Anstieg (7) im Bereich von 0° bis 15°, vor­ zugsweise aber etwa 10° aufweist, gemessen gegen eine Achse in Richtung der Breite des Portbodens.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Anordnung des Wandsegments zur Portseitenwand, in ebener Draufsicht bei rechtsbündiger Anord­ nung des Wandsegmentes an der Portseitenwand, modifiziert ist durch einen positiven Winkelbeitrag, so daß die Flucht des Wandsegmentes zur anströmenden Luft einen klei­ neren Winkel als 90° aufweist und daß dabei die Auswinkelung des Brennerdüsensteins in bezug auf die Flucht des Wandsegmentes nach Anspruch 4 erhalten bleibt.

6. Flammenwurzelschirm nach Anspruch 1 mit einer horizontal ansteigenden Beruhigungsfläche nach Anspruch 2, erweitert um eine vertikale Beruhigungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die, der Portmitte zugewandte senkrechte Flucht des Wandsegmentes vor der Luftabrißkante auf einer Länge von mindestens 8 Zentimetern eine Beruhigungsfläche aufweist, die horizontal in Richtung Portmitte gemessen, einen Winkel von etwa 10° mit der Luftströmungsrichtung bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 und verfahrensrealisierende Anordnung der Brennervorrichtung zur Abgaseinbringung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mauerkrone des Wandsegmentes von der Portseitenwand aus in Fluchtrichtung des Wandsegmentes zur Mitte des Brennerports hin vertikal und/oder quer zur Luftströ­ mungsrichtung vertikal einen Anstieg von etwa 20° aufweist und die Achse der Abgas eintragenden, an sich bekannten Brennervorrichtung nach Anspruch 3 vorteilhaft an­ nähernd als Winkelhalbierende zwischen Mauerkrone und Portboden ausgerichtet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer an sich bekannten Brennervorrichtung mit selbstansaugender Luftzuführung die Verbrennungsluft ersetzt ist durch abgekühltes Abgas im Temperaturfenster unter 500°C, wobei dieses Abgas einen Restsauerstoffgehalt größer 3%, üblicherweise aber zwischen 6-12% hat, oder mit Luftzu­ mischung aus freier Ansaugung auf diesen Wertebereich eingestellt ist und daß mit an sich bekannten Mitteln eine Brennstoffbeaufschlagung für nahstöchiometrischen Aus­ brand eingestellt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels an sich bekannter Brenner Abgas in die Bohrung des Wandsegmentes von der Portseitenwand nach Anspruch 3 eingetragen wird, so daß die Abgasgeschwindigkeit des am Schlitz austre­ tenden Abgases etwa die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft im Hauptstrom aufweist.

10. Verfahrensrealisierende Vorrichtung zur Abgaseinbringung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandsegment kompakt aufgebaut ist und eine Sacklochbohrung mit einem durchgängigen einseitig axialen Schlitz aufweist, der eine Öffnung bildet, die etwa flächengleich ist mit der Querschnittsfläche der Sacklochbohrung und der Schlitz zur luftabgewandten Seite des Wandsegmentes gerichtet ist und die Schlitzbreite ein Maß hat von 1/12 bis ¼ der Höhe des Wandsegmentes auf der luftangeströmten Seite.