DE10055924A1 - Verfahren zum Betrieb eines Glasschmelzofens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Glasschmelzofens

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Glasschmelzofens, in dem ein Gemenge durch Befeuerung über Brenner aufgeschmolzen wird, wobei zur kombinierten Befeuerung mit einem ersten Brenner oder einer ersten Brennergruppe ein Brennstoff-Luft-Gemisch und mit einem zweiten Brenner oder Brennergruppe ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch verbrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Glasschmelzofens, in dem ein Gemenge durch Befeuerung über Brenner aufgeschmolzen wird.
Als Befeuerungsverfahren ist zum einen eine Brennstoff-Luft-Befeuerung bekannt. Den Brennern wird hierbei ein Gemisch aus einem Brennstoff, in der Regel entweder Gas oder Öl, und Luft zugeführt und dort verbrannt. Ein Vorteil dieses Befeuerungsverfahrens ist, dass ein rekuperativer Betrieb möglich ist. Das heißt, die Wärme des Abgases wird zurückgewonnen, indem die dem dem Brenner zuzuführenden Gemisch beizumischende Luft vorab erwärmt wird. Je höher die Vorwärmtemperatur ist, desto besser ist das Verbrennungsverhalten und die Energiebilanz des Brenners. Nachteilig jedoch ist der relativ hohe Energieverbrauch dieser Befeuerungsart. Denn die Luft enthält circa 78% Stickstoff, zu dessen Erwärmung viel Energie erforderlich ist, der aber am eigentlichen Verbrennungsvorgang nicht teilnimmt und über das Abgas abgeführt wird. Der Stickstoff ist auch Ursache für die im Abgas zu vermeidenden bzw. aufwendig auszufilternden NOx-Gase.
Ein zweites bekanntes Befeuerungssystem nutzt ein Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch. Der Vorteil dieser Befeuerungsart ist der sehr geringe Energieverbrauch und die geringen NOx-Anteile im Abgas bezogen auf die produzierte Menge Glas, da reiner Sauerstoff verwendet und von daher kein Stickstoff außer bei Verunreinigungen im eigentlichen Brenngas enthalten ist. Etwaiger Stickstoff gelangt ausschließlich durch im Gemenge oder Brennstoff enthaltenen Stickstoff ins Abgas. Nachteile jedoch sind die relativ hohen Kosten für den Sauerstoff. Ferner kann keine Wärmerückgewinnung erfolgen, da der Sauerstoff in flüssiger Form vorliegt und nicht erwärmt werden kann. Weiterhin ist die relativ hohe Abgasfeuchte nachteilig, wobei der hohe Feuchtegehalt dafür verantwortlich ist, dass es zur Bildung von Natriumhydroxid kommt, das in kondensierter Form mit dem Feuerfestmaterial reagiert und dessen Schmelzpunkt senkt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Wärmerückgewinnung, der aus der Brennstoff-Sauerstoff-Verbrennung stammenden Abgase nutzt und dabei einen geringen Feuchte- und Stickstoffgehalt im Abgas ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur kombinierten Befeuerung mit einem ersten Brenner oder einer ersten Brennergruppe ein Brennstoff-Luft-Gemisch und mit einem zweiten Brenner oder Brennergruppe ein Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch verbrannt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt vorteilhaft beide eingangs beschriebenen Befeuerungsverfahren gleichzeitig. Dies hat den beachtlichen Vorteil, dass zum einen auch die Abgase, die aus der Brennstoff-Sauerstoff-Befeuerung anfallen, zur Wärmerückgewinnung genutzt werden können, da die für das Brennstoff-Luft- Gemisch vorgesehene Luft vorgewärmt werden kann. Je höher der Anteil der Sauerstoff-Befeuerung ist, um so weniger Luft muss vorgewärmt werden und um so höhere Vorwärmtemperaturen können erreicht werden. Daneben sinkt natürlich auch der Stickstoffgehalt im Abgas, da insgesamt aufgrund der Sauerstoff- Befeuerung der Luftanteil verringert ist. Ferner erniedrigt sich auch die Abgasfeuchte, da eben keine reine Sauerstoff-Befeuerung erfolgt und sich somit die Abgase der Sauerstoffverbrennung mit den trockeneren Abgasen der Luftverbrennung mischen. Gleichzeitig kann jedoch der niedrige Energieverbrauch der Sauerstoff-Befeuerung genutzt werden.
Ab einem bestimmten Verhältnis von Luft-/Sauerstoff-Verbrennung kann ein spezifischer Energieverbrauch einer Regenerativ-Wanne erreicht und sogar unterschritten werden, wobei der Investitionsaufwand geringer ist. Je höher die erzielbare Luftvorwärmtemperatur, die abhängig vom Verhältnis Luft-/Sauerstoff- Verbrennung ist, ist, desto näher liegt der spezifische Energieverbrauch an die einer reinen Sauerstoff-Befeuerung.
Insgesamt ergibt sich ein äußerst effizientes und aus energetischen Gesichtspunkten sowie hinsichtlich der Abgaszusammensetzung vorteilhaftes Verfahren.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch : Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wählbar und im Befeuerungsbetrieb gegebenenfalls änderbar ist. Dies ermöglicht es, die Abgaszusammensetzung in gewissen Bereichen einstellen zu können, sodass auf gegebenenfalls unterschiedliche Gemengezusammensetzungen, die zu unterschiedlichen Stickstoffgehalten führen, durch entsprechende Einstellung des Gemischverhältnisses reagiert werden kann. Dabei sollte das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch : Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch derart gewählt werden, dass der Gehalt an Stickstoff und/oder Wasser möglichst gering ist oder sich ein gewünschter Verhältnisanteil Stickstoff : Wasser im Abgas einstellt.
Ein weiterer beachtlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der oder die mit Brennstoff-Luft-Gemisch befeuerten Brenner unterstöchiometrisch betrieben werden können. Denn aufgrund des bei der kombinierten Befeuerung möglichen höheren Sauerstoffgehaltes in der Ofenatmosphäre ist genügend Sauerstoff vorhanden, der ein vollständiges Verbrennen des aufgrund der unterstöchiometrischen Befeuerung noch vorhandenen Restbrennstoff ermöglicht. Als Brennstoff kann entweder Gas oder Öl verwendet werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner einen Schmelzofen zum Aufschmelzen eines Gemenges für die Glasherstellung, umfassend ein Schmelzbecken mit mehreren zugeordneten Brennern zum Befeuern des Gemenges. Dieser Schmelzofen zeichnet sich dadurch aus, dass eine oder mehrere erste Brenner zum Befeuern mit einem Brennstoff-Luft- Gemisch und ein oder mehrere zweite Brenner zum Befeuern mit einem Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch im parallelen Betrieb vorgesehen sind.
Die ersten und zweiten Brenner können in gemischter Verteilung oder gruppenweise angeordnet sein. Beispielsweise ist es denkbar, abwechselnd je einen ersten und einen zweiten Brenner vorzusehen. Alternativ können beispielsweise im vorderen Schmelzofenbereich die ersten und im hinteren Schmelzofenbereich die zweiten Brenner vorgesehen sein, die Verteilung kann insgesamt beliebig gewählt werden. Hierbei sollte zweckmäßigerweise die Ofenkonfiguration berücksichtigt werden. Ist beispielsweise ein Schmelzbecken mit getrenntem Schmelz- und Läuterabschnitt vorgesehen, so können beispielsweise die Sauerstoffbrenner nur im Läuterabschnitt vorgesehen sein oder nur im Schmelzabschnitt, auch eine gemischte Verteilung ist möglich. Auch die Anzahl an ersten und zweiten Brennern kann beliebig gewählt werden. Beispielsweise können lediglich zwei Brenner für das Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch und zehn Brenner für das Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sein, eine Beschränkung ist dem Fachmann insoweit nicht auferlegt, vielmehr ist das Verhältnis beliebig wählbar. Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein Rekuperator vorgesehen, dem das gesamte Abgas zur Vorwärmung der für das Brennstoff- Luft-Gemisch benötigten Luft zugeführt wird. Auch das aus der Sauerstoffverbrennung resultierende Abgas dient hier zur Vorwärmung der Luft, die wesentlich heißer erwärmt werden kann, da aufgrund der kombinierten Verbrennung gegenüber einer konventionellen Verbrennung mehr Abgas zur Verfügung steht. Weiterhin kann erfindungsgemäß das Gemenge selbst über das Abgas vorgewärmt werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Betrieb der ersten und zweiten Brenner über eine Steuerungseinrichtung derart steuerbar ist, dass das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wählbar und im Befeuerungsbetrieb änderbar ist, wobei die Steuerungseinrichtung zweckmäßigerweise einen derartigen Betrieb zulässt, dass der Gehalt an Stickstoff und/oder Wasser im Abgas möglichst gering ist oder sich ein gewünschter Verhältnisanteil Stickstoff : Wasser im Abgas einstellen lässt. Der oder die ersten Brenner können weiterhin auch unterstöchiometrisch betreibbar sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schmelzofen einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Schmelzofen aus Fig. 1
Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schmelzofen einer zweiten Ausführungsform, und
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Stickstoff- und des Wassergehaltes im Abgas bei unterschiedlichen Verhältnissen an Brennstoff-Luft- und Brennstoff-Sauerstoff-Befeuerung.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Schmelzofen ersten Ausführungsform. In den gegenüberliegenden Seitenwänden 2 des Schmelzofens 1 sind mehrere Brenner 3 integriert, die über nicht näher gezeigte Versorgungsleitungen mit einem Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch oder einem Brennstoff-Luft-Gemisch versorgt werden und zum Aufschmelzen des im Ofeninneren über eine Gemenge-Aufgabe 4 eingebrachten Gemenges zur Glasherstellung dienen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind abwechselnd erste Brenner 3a und zweite Brenner 3b in der Ofenwand 2 angeordnet. Die ersten Brenner 3a werden mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben, die zweiten Brenner 3b mit einem Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch. Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, besitzt der Schmelzofen einen Schmelzbereich 5 und einen Läuterbereich 6, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Brenner 3a, 3b sowohl im Schmelz- wie auch im Läuterabschnitt angeordnet sind. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann der Schmelzofen mit oder ohne Wall sowie mit oder ohne Läuterbank ausgeführt sein.
Der Wall kann dabei etwas höher und breiter ausgebildet sein und selbst eine Läuterbank darstellen, oder er ist wie herkömmlich als Barriere konstruiert. Der Läuterabschnitt kann sowohl vertieft oder mit gleicher Glasbadtiefe wie der Schmelzabschnitt konstruiert sein. Die Ausführung des Schmelzbeckens kann auch dahin gehen, dass Schmelz- und Läuterabschnitt eine Einheit bilden oder beide Bereiche räumlich durch einen Durchfluss oder eine Einschnürung getrennt sind, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Über die Einschnürung 7 wird hier der Schmelzbereich 5 vom Läuterbereich 6 getrennt.
Wie durch den Pfeil A dargestellt, wird das aus der Verbrennung resultierende Abgas aus dem Ofeninneren abgezogen und an nicht näher dargestellte Rekuperatoren geführt, die zur Erwärmung des Luftanteiles, der für das Brennstoff-Luft-Gemisch benötigt wird, dient. Daneben kann das Abgas nachdem es den Rekuperator durchströmt hat auch zur Gemengevorwärmung verwendet werden.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Schmelzbereich ausschließlich zweite Brenner 3b vorgesehen, dort wird also ausschließlich ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch verbrannt, während in Läuterbereich 6 ausschließlich erste Brenner 3a für ein Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sind.
Zur Homogenisierung der Schmelze zur Stabilisierung des Quellpunktes kann ferner Bubbling zum Einsatz kommen, was bekannt ist. Ferner besteht auch die Möglichkeit, dass eine elektrische Zusatzbeheizung zur Unterstützung der Strömung oder zur Steigerung der Leistung eingebaut sein kann. Je nach Anordnung der Wärmerückgewinnung befindet sich die Gemengeaufgabe 4 seitlich des Schmelzofens, wenn die Rekuperatoren an einer Stirnseite des Ofens sind, oder aber an der Stirnseite bei seitlich angeordneten Rekuperatoren. Der Oberofen kann genauso wie das Schmelzbecken eine Einheit bilden oder durch Trennwände in mehrere Zonen getrennt sein. Schließlich kann der Abgasabzug zur Wärmerückgewinnung mit oder ohne Quenche zur Reduzierung der Abgastemperatur ausgestattet sein. Das Gewölbe des Oberofens kann dabei aus Silica und/oder schmelzgegossenem oder gebundenem Feuerfestmaterial bestehen.
Schließlich zeigt Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf des Stickstoff- sowie des Wassergehaltes im Abgas bei unterschiedlicher Befeuerung. Längs der Ordinate ist der jeweilige Gasanteil in % aufgetragen, längs der Abszisse der Anteil an Brennstoff-Luft-Befeuerung in %. Der sich jeweils ergebende prozentuale Differenzanteil besteht aus Brennstoff-Sauerstoff-Befeuerung.
Ausgehend von einer reinen Brennstoff-Sauerstoff-Befeuerung (bei 0%) steigt der Stickstoffgehalt mit zunehmenden Anteil an Brennstoff-Luft-Befeuerung an (gestrichelte Linie), entsprechend umgekehrt ist der Verlauf der den Wassergehalt angebenden Kurve (strichpunktierte Linie). Im gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich bei circa 20%-Anteil an Brennstoff-Luft-Befeuerung ein Schnittpunkt beider Kurven. In diesem Bereich lässt sich also ein relativ niedriger Stickstoffgehalt bei gleichzeitig niedrigem Wassergehalt im Abgas durch die kombinierte Befeuerung erreichen. Je nach dem wie die Abgaszusammensetzung gewünscht wird, wird das Befeuerungsverhältnis gewählt. Dies geschieht über eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung, die den gesamten Betrieb des Schmelzofens steuert.

Claims (13)

1. Verfahren zum Betrieb eines Glasschmelzofens, in dem ein Gemenge durch Befeuerung über Brenner aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur kombinierten Befeuerung mit einem ersten Brenner oder einer ersten Brennergruppe ein Brennstoff-Luft-Gemisch und mit einem zweiten Brenner oder Brennergruppe ein Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch : Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch wählbar und im Befeuerungsbetrieb gegebenenfalls änderbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch derart gewählt wird, dass der Gehalt an Stickstoff und/oder Wasser im Abgas möglichst gering ist oder ein gewünschter Verhältnisanteil Stickstoff : Wasser im Abgas vorliegt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die mit Brennstoff-Luft-Gemisch befeuerten Brenner unterstöchiometrisch betrieben werden können.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Gas oder Öl verwendet wird.
6. Schmelzofen zum Aufschmelzen eines Gemenges für die Glasherstellung, umfassend ein Schmelzbecken mit mehreren zugeordneten Brennern zum Befeuern des Gemenges, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere erste Brenner (3a) zum Befeuern mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch und ein oder mehrere zweite Brenner (3b) zum Befeuern mit einem Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch im parallelen Betrieb vorgesehen sind.
7. Schmelzofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Brenner (3a, 3b) in gemischter Verteilung oder gruppenweise angeordnet sind.
8. Schmelzofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzbecken einen Schmelz- und einen Läuterabschnitt (5, 6) aufweist, wobei die ersten und zweiten Brenner (3a, 3b) in beiden Abschnitten oder in lediglich einem Abschnitt gemeinsam vorgesehen sind.
9. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rekuperator vorgesehen ist, dem das gesamte Abgas zur Vorwärmung der für das Brennstoff-Luft-Gemisch benötigten Luft zugeführt wird.
10. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge über das Abgas vorwärmbar ist.
11. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der ersten und zweiten Brenner über eine Steuerungseinrichtung derart steuerbar ist, dass das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch : Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch wählbar und im Befeuerungsbetrieb gegebenenfalls änderbar ist.
12. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Steuerungseinrichtung das Verhältnis an zugeführtem und verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch : Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch derart einstellbar ist, dass der Gehalt an Stickstoff und/oder Wasser im Abgas möglichst gering ist oder ein gewünschter Verhältnisanteil Stick­ stoff : Wasser im Abgas vorliegt.
13. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die ersten Brenner (3a) unterstöchiometrisch betreibbar sind.
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