DE4430802C2 - Industrieofen, insbesondere Glasschmelzofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Industrieofen, insbesondere einen Glasschmelzofen.

Aus der US 5 147 438 ist ein Glasschmelzofen bekannt, der im Cross-Fire-Betrieb betrieben wird. Hierzu sind jeweils gegenüberliegend mehrere Brennermäuler vorgesehen, die symmetrisch mit Brennstofflanzen bestückt sind. Jeweils zwei der Brennermäuler sind dabei mit einem Sauerstoffbrenner bestückt, der einen bestimmten Bereich erhitzen kann, ohne daß die Flamme der Luftbrenner unterbrochen wird.

Aus der EP 584 401 A2 ist eine Schmelzwanne mit im Brennerhals angeordneten Brennern bekannt, in denen über Brennstoffzuführungsdüsen Brennstoff zugeführt wird. Hierbei sind die Brennstoffzuführungsdüsen in den Wänden des Brennerhalses angeordnet.

Schließlich ist aus der US 4 725 299 ein Glasschmelzofen bekannt, bei dem jeweils zwei Brennerlanzen im Bereich eines Brennermauls angeordnet sind. Hierbei soll eine Verringerung des NO_x-Ausstoßes durch Aufteilung des Verbrennungsbereiches in zwei Verbrennungszonen erfolgen.

Allgemein wird bei Industrieöfen wird einer Schmelzwanne, die von Ofenwänden und einem Gewölbe begrenzt ist, über mindestens einen Brennluftkanal, der auch als Brennerport bezeichnet wird, separat Verbrennungsluft und gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff bzw. auch in gemischter Form zugeführt. Die Verbrennungsluftzufuhr erfolgt über Luftkanäle, wobei in der Regel eine Verbrennungsluftvorwärmung beispielsweise mittels sogenannter Regenerativkammern erfolgt. In jedem Brennermaul des Ofens ist mindestens eine Brennerlanze vorgesehen, aus der im Betrieb Brennstoff mit einer bestimmten Austrittsgeschwindigkeit ausströmt. Durch diese Brennstoffeindüsung in den vorgeheizten Verbrennungsluftstrom kommt es zu einer Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischbildung und zur Ausbildung einer Flamme zur Beheizung des Ofens.

Je nach Ofengeometrie ist die Schmelzwanne z. B. als U- Flammenwanne oder als Querflammenwanne ausgebildet. Bei einer U-Flammenwanne ergibt sich für die aus den Brennermaul austretende Strömung des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches, das dann in einer länglichen Flamme verbrennt, ein im wesentlichen U-förmiger Verlauf hin zu einen zweiten Brennermaul, das der Abgasabführung dient. Im Falle eines Glasschmelzofens bildet sich der U-förmige Verlauf der Flammen- und Abgasströmung über einer in der Schmelzwanne befindlichen Glasschmelze aus, um diese zu schmelzen. Dabei erfolgt normalerweise ein zyklischer Feuerwechsel zwischen den beiden Brennermäulern einer U-Flammenwanne, d. h. es dient wechselweise das eine Brennermaul der Zufuhr von Verbrennungsluft und Brennstoff und das andere Brennermaul im abgeschalteten Zustand der Abgasabführung. Bei Glasschmelzöfen erfolgt eine Umschaltung der Befeuerungsrichtung beispielsweise alle 20 bis 30 min. Bei einer Querflammenwanne ergibt sich eine im wesentlichen geradlinige Flammen- und Abgasströmung z. B. über einer Glasschmelze von einem zuführenden Brennermaul zu einem gegenüberliegenden abführenden Brennermaul. Häufig sind dabei mehrere Brennermaulpaare nebeneinander angeordnet. Auch hier findet normalerweise ein zyklischer Feuerwechsel von den auf der einen Seite der Schmelzwanne angeordneten Brennermäulern auf die gegenüberliegenden Brennermäuler statt, wobei sich dann die Strömungsrichtung im Ofen umkehrt.

Die Positionierung der Brennerlanze bzw. mehrerer Brennerlanzen in einem Brennermaul erfolgt normalerweise in einer sogenannten Underport-, Sideport- oder Throughport-Anordnung. Bei der Underport-Anordnung befinden sich die Brennerlanzen im Brennermaul in einem Bereich unterhalb des Verbrennungsluftkanals. Dabei ist jede Brennerlanze in einen sogenannten Düsenstein eingesetzt und in einem veränderbaren Basis-Winkel zur generellen Strömungsrichtung der Verbrennungsluft angeordnet. Bei der Sideport-Anordnung sind die Gasbrennerlanzen seitlich im Brennermaul unter einem veränderbaren Basis-Winkel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft ebenfalls in Düsensteine eingesetzt. Bei der Throughport-Anordnung ragt mindestens eine Gasbrennerlanze im Brennermaul in den Verbrennungsluftkanal hinein und wird während der Brennstoffeindüsung von der vorgeheizten Verbrennungsluft umströmt. Deshalb ist für eine derart angeordnete Brennerlanze z. B. eine Wasserkühlung vorgesehen. Diese kann in der Feuerpause ausgefahren werden.

Ein Problem bei derartigen Industrieöfen und insbesondere bei Glasschmelzöfen ist die Verringerung der NO_x-Bildung bei der Verbrennung. Ein Lösungsansatz hierzu ist beispielsweise die sogenannte Luftstufung der Verbrennungsluft, d. h., die Verbrennungsluft wird z. B. einer U-Flammenwanne nicht nur über einen Luftkanal durch ein Brennermaul zugeführt, sondern auch über weitere in Strömungsrichtung hinter dem Brennermaul in den seitlichen Ofenwänden angeordnete Luftzufuhröffnungen. Ein weiterer Lösungsansatz zur NO_x-Verringerung besteht in der sogenannten Brennstoffstufung. Beide Vorgehensweisen sind jedoch konstruktiv sehr aufwendig und damit nur mit entsprechend hohen Kosten in einem Industrieofen zu verwirklichen, und können in hohem Maße dem Feuerfestmaterial schaden.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Industrieofen, insbesondere Glasschmelzofen, zu schaffen, bei dem bei guter Ofenleistung die NO_x-Bildung gering gehalten wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß von einem Industrieofen, insbesondere Glasschmelzofen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Während bei herkömmlichen Brennermäulern die Brennerlanzen symmetrisch über die Breitenabmessung des Brennermauls verteilt angeordnet sind, ist erfindungsgemäß eine asymmetrische Anordnung der Brennerlanze bzw. der Brennerlanzen über die Breitenabmessung des Brennermauls vorgesehen. Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Brennerlanzenpositionierung in einem Brennermaul keine Symmetrie der darin angeordneten Brennerlanzen zur vertikalen Mittelebene des Brennermauls mehr gegeben. Dabei können erfindungsgemäß beispielsweise die Abstände zwischen den einzelnen Brennerlanzen untereinander jeweils gleich sein, wobei aber dann die beabstandeten Brennerlanzen insgesamt aus ihrer symmetrischen Position im Brennermaul zu einer Seite des Brennermauls hin verschoben sind. Die Asymmetrie der Brennerlanzenanordnung kann aber auch derart realisiert sein, daß jeweils unterschiedliche Abstände sowohl zwischen den Brennerlanzen als auch von den äußeren Brennerlanzen zu den seitlichen Begrenzungen des Brennerports vorliegen.

Mit dieser erfindungsgemäßen Brennerlanzenpositionierung lassen sich z. B. bei Glas- oder Basaltschmelzöfen bei vergleichbaren Schmelzleistungen erheblich reduzierte Werte an NO_x-Bildung erreichen. Die asymmetrische Positionierung der Brennerlanzen hängt dabei von der Anzahl der Brennerlanzen je Brennermaul, der maximalen Brennstoffmenge je Brennerlanze und der effektiven Verbrennungslufteinströmung zur Schmelzwanne entsprechend der Brennermaulgestaltung ab. Bei Glasschmelzöfen resultiert aus der konstruktiv bei der Ofengestaltung berücksichtigten asymmetrischen Brennerlanzenanordnung bei Nutzung sachgerechter Brennertechnik eine sehr schmelzintensive Flammenführung mit optimaler Temperaturangleichung zwischen dem Schmelz- und Läuterteil der Schmelzwanne bei gleichzeitiger Minderung der NO_x-Bildung über dem gesamten Flammenbereich.

Bei einem gemäß der Erfindung ausgeführten Industrieofen strömt die Verbrennungsluft, die aus dem Brennermaul austritt, an den Stellen, wo durch die asymmetrische Brennerlanzenanordnung größere freie Zwischenräume über die Breitenabmessung des Brennermauls vorgesehen sind, eine längere Wegstrecke in den Ofenraum, bis sich dieser Luftanteil aktiv mit dem Brennstoff vermischt und der darin enthaltene Sauerstoff in die Verbrennungsreaktion einbezogen wird. Es ergibt sich also eine räumliche Gliederung des Verbrennungsvorgangs in Richtung der Einströmung in den Ofen. Im Bereich der Brennerlanzen wird dabei mit unterstöchiometrischer Luftzufuhr gearbeitet, was sich mindernd auf die NO_x-Bildung auswirkt, wobei jedoch die insgesamt zugeführte Verbrennungsluftmenge im Verhältnis zur Brennstoffmenge einen gewissen Luftüberschuß aufweisen sollte, damit die CO-Werte im Abgas minimiert werden.

Die erfindungsgemäße asymmetrische Brennerlanzenanordnung über die Breitenabmessung des Brennermauls wird vorzugsweise bei Industrieöfen verwendet, deren Schmelzwanne als U-Flammenwanne, Querflammenwanne oder Floatwanne ausgebildet ist.

Gemäß der Erfindung ist die mindestens eine Brennerlanze je Brennermaul mit einer Regeleinrichtung zur Veränderung des Austrittsgeschwindigkeitsprofils des flüssigen, z. B. ölförmigen und/oder gasförmigen Brennstoffs über den Austrittsquerschnitt der Brennerlanze versehen. Vorzugsweise umfaßt eine derartige Regeleinrichtung z. B. bei gasförmigem Brennstoff der Gasbrennerlanze einen Mehrfachdüsenkopf.

Bei einer Kombination der asymmetrischen Brennerlanzenanordnung über die Breitenabmessung des Brennermauls mit Brennerlanzen, die hinsichtlich des Querschnittsprofils der Brennstoffaustrittsgeschwindigkeiten regelbar sind, ergibt sich der Vorteil, daß z. B. anstelle von drei Brennerlanzen je Brennermaul in einem herkömmlichen Ofen nunmehr zwei Brennerlanzen je Brennermaul für eine vergleichbare Ofenleistung, z. B. der Schmelzleistung eines Glasschmelzofens, ausreichen. Durch die Reduzierung von drei auf zwei Brennerlanzen je Brennermaul wird die gesamte Brennstoffmenge auf diese beiden Brennerlanzen konzentriert. Damit sich nicht automatisch der Ausbrandweg, d. h. die Flammenlänge vergrößert, wird mittels der regelbaren Brennerlanzen das Austrittsgeschwindigkeitsprofil des Brennstoffs der einzelnen Brennerlanzen bei jeweils gleichem Brennstoffdurchsatz zurückgeregelt, um dadurch die Flammenlänge ebenfalls zurückzunehmen.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß günstig, die Breiten- und Höhenabmessungen des Brennermauls im Vergleich zu herkömmlichen Gestaltungen derart abzuwandeln, daß ein flacheres und breiteres Brennermaul entsteht. Damit können in vorteilhafter Weise die Asymmetrie der Brennerlanzenanordnung und die Breite des Flammenbandes so ausbalanciert werden, daß ein Maximum an NO_x-Minderung bei höchster Schmelzleistung erreicht wird.

Zuvor wurde als bevorzugte Ausführung der Erfindung eine asymmetrische Brennerlanzenanordnung für U-Flammenwannen beschrieben, bei der die Brennerlanzen aus ihrer symmetrisch verteilten Anordnung von der vertikalen Mittelebene der U- Flammenwanne weg versetzt sind. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß anstelle von beispielsweise drei in herkömmlicher Weise symmetrisch über die Breitenabmessung des Brennermauls verteilten Brennerlanzen nur die beiden bezüglich des U- förmigen Flammen- und Abgasströmungsverlaufs äußeren Brennerlanzen im Brennermaul vorgesehen sind. Ebenso ist es aber möglich, anstelle von z. B. drei symmetrisch verteilten Brennerlanzen nur die beiden bezüglich des U-förmigen Strömungsverlaufs innenliegenden Brennerlanzen in einer asymmetrischen Anordnung vorzusehen. Im Vergleich zur bevorzugten Ausführungsform mit zwei bezüglich des U-förmigen Strömungsverlaufs außenliegenden Brennerlanzen wird hierbei jedoch die NO_x-Minderung in der Regel etwas niedriger ausfallen.

Entsprechend der beispielhaft beschriebenen Reduzierung der Brennerlanzenanzahl je Brennermaul von drei auf zwei Lanzen kann auch eine Verringerung der Brennerlanzenanzahl bei einer höheren oder geringeren Anzahl von in herkömmlicher Weise symmetrisch verteilten Brennerlanzen vorgenommen werden, z. B. von vier auf drei oder von sechs auf vier. Die Lanzenanzahl, und somit auch eine mögliche Verringerung dieser Anzahl gegenüber herkömmlichen Ofenkonstruktionen, hängt von Einflußgrößen wie der Ofengröße, der Schmelzleistung und dem Brennstoffverbrauch ab und muß im Einzelfall festgelegt werden. Hierbei spielt auch die Festlegung der Abstände zwischen den einzelnen Brennerlanzen eine wichtige Rolle.

Insbesondere bei einer Kombination der asymmetrischen Brennerlanzenanordnung im Brennermaul mit der Verwendung von regelbaren Gasbrennerlanzen und einer flacheren und breiteren Brennermaulgestaltung läßt sich z. B. im Vergleich zu einem herkömmlichen Glasschmelzofen die geforderte Schmelzleistung mit dem gleichen oder sogar einem verringerten Energieeinsatz realisieren, wobei aber die NO_x-Bildung erheblich vermindert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf eine U- Flammenwanne gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Glasschmelzofens mit zwei Brennerports (Brennerlanzen nur für einen Brennerport schematisiert dargestellt);

Fig. 2 einen Ausschnitt einer schematisierten Längsschnittansicht eines Brennerports des Glasschmelzofens in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht eines Brennerports für eine U-Flammenwanne gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Glasschmelzofens.

In Fig. 1 ist eine U-Flammenwanne 1 eines Glasschmelzofens dargestellt, die von einer Vorderwand 3, zwei Seitenwänden 5 und einer Rückwand 4 begrenzt wird. Der Ofenraum wird außerdem von einer Decke 6 (vgl. Fig. 3) und einem nicht dargestellten Boden begrenzt. In der Vorderwand 3 sind zwei Brennerports 2 ausgebildet, die symmetrisch zu einer vertikalen Mittelebene 7 der U-Flammenwanne angeordnet sind. In dem in der Zeichnung unteren Brennerport 2 sind drei Brennerlanzen 8 angeordnet. Spiegelsymmetrisch zur Mittelebene 7 sind ebenfalls drei Brennerlanzen im in der Zeichnung oberen Brennerport 2 angeordnet, die jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt wurden. Zur besseren Übersicht wurden in Fig. 1 ferner die Düsensteine weggelassen und ebenso die oberen und unteren Begrenzungswände eines Luftkanals 9, der in den Brennerport 2 einmündet. Die Brennerlanzen 8 sind in einer sogenannten Underport-Anordnung plaziert, die später mit Bezug auf Fig. 2 noch näher erläutert wird.

In der U-Flammenwanne befindet sich eine Glasschmelze 10, deren Flüssigkeitsspiegel unterhalb der Brennerports 2 liegt (vgl. Fig. 3).

Wie in Fig. 1 zu sehen, sind die drei Brennerlanzen 8 des Brennerports 2 nicht symmetrisch über die Breitenabmessung B des Brennerports verteilt, sondern sie sind von der Mittelebene 7 weg zur in der Zeichnung unteren Seitenwand 5 hin verschoben. Die drei Brennerlanzen sind also bezüglich einer vertikalen Mittelebene des Brennerports 2 nicht symmetrisch angeordnet. Somit liegt eine asymmetrische Brennerlanzenanordnung bezüglich der Breitenabmessung B des Brennerports 2 vor. Im Ausführungsbeispiel sind die Abstände zwischen den drei Brennerlanzen 8 gleich groß gewählt, können aber auch ungleich sein.

Fig. 2 zeigt die Underport-Anordnung der Brennerlanzen 8 im Glasschmelzofen gemäß Fig. 1. Im Brennerport 2, der auch als Brennermaul bezeichnet wird, endet im oberen Bereich ein Luftkanal 9, der durch gemauerte Wände 11 begrenzt ist. Im unteren Bereich des Brennerports 2 sind Düsensteine 12 angeordnet, die in ihrem Inneren jeweils eine düsenförmige Durchgangsöffnung 13 ausbilden. In jeden Düsenstein 12 ist eine Brennerlanze 8, die im Düsenstein kugelig abdichtet, eingesetzt, die in Fig. 2 lediglich schematisch dargestellt ist.

Die Brennerlanzen 8 sind bei den vorwiegend gasbefeuerten Anlagen als Lanzen mit Mehrfachdüsenkopf ausgeführt, bei denen der Brenngasstrom in mehrere Teilströme zerlegt werden kann und die einzelnen Teilströme hinsichtlich ihrer Austrittsgeschwindigkeiten bei gleichbleibendem Brennstoffdurchsatz regelbar sind. Eine Regelung des Gasaustrittsgeschwindigkeitsprofils über den Austrittsquerschnitt der Gasbrennerlanze kann anstatt über einen Mehrfachdüsenkopf beispielsweise auch über Ventilklappen erfolgen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind der Luftkanal 9 zur Verbrennungsluftzufuhr und die Brennerlanzen 8 zur Brennstoffeindüsung in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Der Pfeil 14 veranschaulicht die generelle Strömungsrichtung der Verbrennungsluft, während der Pfeil 15 die generelle Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs oder des zerstäubten Ölbrennstoffes zeigt.

Nachfolgend wird nun die Funktion des in den Fig. I und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Glasschmelzofens näher erläutert:

Die Befeuerung des Ofens erfolgt bei der in Fig. 1 gezeigten Situation über den in der Zeichnung unteren Brennerport 2, während der in der Zeichnung obere Brennerport 2 der Abgasabführung dient. In einem zyklischen Wechsel erfolgt eine Umschaltung der Brennerports und damit eine Umschaltung der Befeuerungsrichtung des Ofens.

Wie in Fig. 2 zu sehen, strömt vorgeheizte Verbrennungsluft durch den Luftkanal 9 über den Brennerport 2 in den Ofenraum ein. Der Brennstoff wird separat über die unterhalb des Luftkanals 9 angeordneten Brennerlanzen 8 über den Brennerport 2 in den Ofenraum eingedüst. Dabei kommt es zu einer Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff und zur Ausbildung einer Flamme mit einem im wesentlichen U-förmigen Verlauf über der Glasschmelze 10. Dieser U-förmige Verlauf der Flamme und der Abgasströmung ist in Fig. 1 durch eine schematisierte Stromlinie 16 veranschaulicht.

Durch die asymmetrische Plazierung der drei Brennerlanzen 8 im Brennerport 2 wird beispielsweise im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennerlanzenanordnung mit vier symmetrisch über die Breite des Brennerports 2 verteilten Lanzen eine deutliche Reduzierung der NO_x-Bildung erreicht, wobei durch die drei asymmetrisch positionierten Brennerlanzen 8 die gleiche Brennstoffgesamtmenge durchgesetzt wird wie durch die vier herkömmlich vorgesehenen Brennerlanzen. Im Ausführungsbeispiel liegt ein vergleichsweise großer Abstand zwischen der näher an der Mittelebene 7 gelegenen seitlichen Begrenzungswand des Brennerports 2 und der der Mittelebene 7 nächstgelegenen Brennerlanze 8 vor. In diesem Bereich des Luftkanals 9 kann daher die einströmende Verbrennungsluft relativ weit in den Ofenraum der U-Flammenwanne 1 einströmen, bevor der in dieser Verbrennungsluft enthaltene Sauerstoff tatsächlich an der Verbrennung teilnimmt. Dadurch ergibt sich also eine entlang der Stromlinien 16 gestaffelte Verbrennungsluftzufuhr. Daraus resultiert eine deutliche Verringerung der NO_x-Bildung im Glasschmelzofen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Glasschmelzofens ist in Fig. 3 gezeigt. Entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen, so daß hinsichtlich dieser Komponenten auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird. Der Glasschmelzofen ist mit einer U-Flammenwanne 1 versehen, die symmetrisch zur vertikalen Mittelebene 7 ausgebildet ist, wobei in der Zeichnung die rechte Hälfte nicht dargestellt ist.

Im Brennerport 2 sind zwei Brennerlanzen 8 über die Breitenabmessung B des Brennerports asymmetrisch verteilt angeordnet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, liegen im Beispiel drei verschiedene Abstände zwischen einer linken Begrenzungswand 17 des Brennerports 2 und der linken Brennerlanze 8, zwischen den beiden Brennerlanzen 8 und zwischen der rechten Brennerlanze 8 und einer rechten Begrenzungswand 18 des Brennerports vor. Aus einer Anordnung der Brennerlanzen 8, die bezüglich einer vertikalen Mittelebene des Brennerports 2 symmetrisch wäre, ist zumindest die rechte Brennerlanze 8 in der Zeichnung nach links, d. h. von der Mittelebene 7 der U-Flammenwanne weg versetzt. Die Funktion dieses zweiten Ausführungsbeispiels entspricht vom Grundprinzip her der Funktionsweise, wie sie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 erläutert wurde.

Die Fig. 1 bis 3 gelten im Prinzip auch für Querflammen- /Floatwannen.

Claims (3)

1. Industrieofen, insbesondere Glasschmelzofen, mit

• - einer durch Ofenwände (3, 4, 5, 6) begrenzten Schmelzwanne (1);
• - mindestens einem in einer Ofenwand (3) angeordneten und sich zur Flammenwanne (1) hin öffnenden Brennermaul (2) zur separaten Zufuhr von Verbrennungsluft und Brennstoff,
• - einem Luftkanal (9), der zur Verbrennungsluftzufuhr in das Brennermaul (2) einmündet, und
• - mindestens einer Brennerlanze (8), die in dem Brennermaul (2) zur Brennstoffzufuhr vorgesehen ist und die mit einer Regeleinrichtung zur Veränderung des Austrittsgeschwindigkeitsprofils des Brennstoffs über den Austrittsquerschnitt der Brennerlanze ausgestattet ist, wobei
• - die Brennerlanzenanordnung über die Breitenabmessung (B) des Brennermauls (2) asymmetrisch ist.

2. Industrieofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung der Brennerlanze (8) einen Mehrfachdüsenkopf umfaßt.

3. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Brennerlanze (8) im Brennermaul (2) in einer Underport- oder Throughport- Anordnung vorgesehen ist.