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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Glasschmelzen
aus festem Beschickungsgut mit einem Schmelzschacht, der in seinem oberen
Bereich eine Beschickungsvorrichtung und eine Abgasleitung besitzt,
darunter einen kühlbaren Rost
für die
vorübergehende
Auflage des Beschickungsguts, wobei der Schmelzschacht auf einem Auffangbecken
mit einem Durchlass und mit einem konstruktiv vorgegebenen Schmelzenspiegel
angeordnet ist, der sich mit einem Abstand unterhalb des Rostes
befindet, wobei mindestens ein Brenner in den Gasraum zwischen dem
Schmelzenspiegel und dem Rost gerichtet ist, und wobei die Glasschmelze letztendlich
einem Konditionierteil zuführbar
ist.
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Die
Technologie der Glasherstellung ist sehr komplexer Natur. Sie unterliegt
Grundsätzen
der Physik, der Chemie, der Thermodynamik, der Thermokinetik, der
Statik und der Geometrie der Schmelzenbehälter und – nicht zuletzt – gesetzlichen
Veordnungen über
den Schutz der Menschen und der Umwelt gegen Schadstoffe, für die Energieeinsparung und
der Preisgestaltung. Die Herstellverfahren beruhen in der Regel
auf einer Überschreitung
einer Temperatur von 1.500°C,
und das entspricht der Weissglut. Wichtig ist dabei, dass die Komponenten
und Parameter in komplexen Wechselwirkungen zu einander zu bewerten
sind und oft auch kontrovers aufeinander einwirken.
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Weitere
schwerwiegende Problemen treten auf bei Beschickungsgut aus Gemischen
aus mehrereren Komponenten, sogenannten Vielkomponentensystemen,
die auch in verpresstem bzw. brikettiertem Zustand eingesetzt werden
können.
Hierbei spielen die Schmelztemperaturen und Viskositäten aller
Komponenten und die Verweilzeiten eine Rolle. Bei vielen Gläsern spielt
die Verwendung von Quarzsand eine entscheidende Rolle.
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Dies
ist auch zu beachten aus der Sicht der Hersteller von Glasprodukten
wie Haushaltsglas und Behälterglas
wie Trinkgläser
und Flaschen, Flachglas und auch aus der Sicht der Hersteller der
Glasschmelzanlagen, die Teile komplizierter Fabriken mit einer grossen
Anzahl von Peripheriegeräten
und Gebäuden
sind und nicht gerade einfache Wannen wie eine Badewanne. Dies ist
um so bedeutender, als es sich bei Glasschmelzanlagen um langlebige
Investitionsgüter
handelt, die auch gewartet und ggf. repariert werden müssen.
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Eine
besonders knifflige Rolle spielen hierbei Behältergläser wie Trinkgläser, Flaschen
und andere Geschirrteile, insbesondere aber das grossflächige Flach-
oder Floatglas, weil es sich hier um Produkte handelt, in denen
Fehler wie Eintrübungen
durch Minipartikel, Gasblasen, Schlieren, Verfärbungen und Farbabweichungen
durch Verbrennungsprodukte sowie Dickenunterschiede auf Dauer in
der Durchsicht sichtbar bleiben. Bei Flachglas für die Herstellung von Solarelementen
ergeben sich noch weitere Probleme: Da das Flachglas hierfür als Substrat
für die Beschichtung
mit entsprechenden Solarschichten dient, muss der elektrische Widerstand
des Glases kleinstmöglich
sein, so dass eine weitgehende Freiheit von leitfähigen Komponenten
wie z. B. Eisenverbindungen erforderlich ist.
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Glasschmelzprozesse
selbst sind durch weitere wesentliche Probleme belastet: in vielen
Fälle muss
der Schmelzanlage ein Gemisch aus einer Vielzahl von Komponenten – in der
Regel mehr als drei – zugeführt werden,
Diese Komponenten reagieren auf den Aufheizvorgang sehr unterschiedlich:
Es gibt Komponenten mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen,
Festkörperreaktionen
zwischen den Komponenten und eutektische Schmelzen, und es gibt
am Ende, vorzugsweise bei Gebrauchsglas, einen hohen Anteil einer
schwer schmelzenden Komponente, dem Quarzsand. Solcher Sand, der
vorher im Aufheizprozess nicht über
Festkörperreaktionen und
Eutektika frühzeitig
in die Schmelze übergeführt werden
konnte, muss durch Diffusionsvorgänge langsam in der Schmelzumgebung
gelöst
werden. Die Glasschmelze hat zudem eine um Grössenordnungen höhere Viskosität als z.
B. eine Metallschmelze. Dies bedeutet, dass Auflösungsvorgänge, die auf Diffusion beruhen,
noch langsamer ablaufen. Daher muss in der konventionellen Schmelztechnik
ein grosses Schmelzvolumen vorgehalten werden, in dem die Auflösungs- und
Homogenisierungsvorgänge
stattfinden können.
Das Aufschmelzverhalten und die hohe Viskosität der Schmelze – auch bei
hohen Temperaturen – kennzeichnen
den Prozess und zwingen dazu, die Schmelzanlagen mit niedriger spezifischer
Belastung zu betreiben. Mit der zumindest weitgehenden Ausschaltung
solcher Probleme befasst sich die vorliegende Erfindung.
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Es
wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Verbesserung der Wärmeübertragung
und der Wärmebilanz
beim Schmelzen von Glas, sogenannte Kupolöfen zu verwenden, die ursprünglich zum
Schmelzen von Metallen entwickelt wurden. Solche Kupolöfen mit
einem Schacht sind beispielhaft in der
PCT/WO 88/08411 und in der
DE 20 2008 003 567 U1 für die Herstellung
von Mineralfasern offenbart. Hierbei wird das zunächst feste
Beschickungsgut in Form einer Materialsäule auf einem gekühlten Rost gelagert
und im Gegenstrom durch Brenngase aufgeheizt und aufgeschmolzen,
die durch Brenner unterhalb des Rostes und oberhalb eines Schmelzenspiegels
erzeugt werden. Die Schmelze wird unterhalb des Rostes in einer
Wanne mit grösserem
Querschnitt und konstruktiv festgelegtem Füllstand aufgefangen und von
dort unmittelbar zur Weiterverarbeitung zu Mineralfasern abgezogen.
Ein nachgeschaltetes Konditionierteil für die Weiterbehandlung der Schmelze
wird nicht vorgeschlagen. Eine hohe Glasqualität bei gutem Durchsatz und guter
Energiebilanz ist hiermit nicht zu erreichen. Das Schmelzgut wird noch
einen hohen Anteil der typischen Glasfehler wie Blasen und unaufgeschmolzene
Rohstoffe aufweisen. Die Fehler sind je nach Anwendung z. B. im
Behälter-
oder Flachglasbereich unakzeptabel.
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Nächstkommender
Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang die
US-PS 4 877 449 , die sich auch mit
der Nachbehandlung der Schmelze befasst. Bei einem der Ausführungsbeispiele
ist der Schmelzschacht über einem
Auffangbecken angeordnet, das seitlich über den Schachtquerschnitt übersteht
und in dem auch Nachbehandlungen wie Konditionierungen, Läuterungen
etc. durchgeführt werden
können.
Es zieht sich jedoch wie ein roter Faden durch die Beschreibung
und die Ansprüche,
dass als wesentliches Merkmal die Verwendung von Tauchbrennern angegeben
wird, d. h. von Brennern, die unterhalb des Schmelzenspiegels Flammen
in die Schmelze blasen. Soweit Brenner offenbart sind, die oberhalb
des Schmelzenspiegels Flammen in den Gasraum blasen, sogenannte ”Freebord
Burners”,
sollen diese nur zur Korrektur der Wirkung der Tauchbrenner dienen,
z. B. zur Regelung und/oder zur Beeinflussung der durch die Tauchbrenner
erzeugten Stöchiometrie.
Lediglich die
2 zeigt solche ”Freebord
Burner”.
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Gemäss
2 und
Spalte 6, Zeilen 36 bis 56, der
US-PS
4 877 449 ist das Auffangbecken auf seinem gesamten Umfang
mit solchen Tauchbrennern versehen, und lediglich zusätzlich können oberhalb
des Schmelzenspiegels weitere Brenner vorgesehen sein, die zusätzliche
Heizleistung erbringen oder eine unterstöchiometrische Verbrennung ermöglichen.
Der Gasraum über
dem Schmelzenspiegel und unter dem Rost für die Abstützung des Beschickungsguts
ist bei der Anordnung der Zusatzbrenner einteilig ausgebildet. Es
ist wichtig, dass die Offenbarung zum Hintergrund hat, dass man
an einem sogenannten ”rapid
melter” interessiert
war. Es ging um ”schnelles
Aufschmelzen”,
welches aber in der Praxis mit den erheblichen Nachteilen verbunden ist,
die in der weiteren Beschreibung gewürdigt werden. Es war die weitere
Absicht, ein schnelles Aufschmelzen der Rohstoffe mit dem Ziel zu
erreichen, den Energieverbrauch zu senken und eine höhere Flexibilität bei der
Auslastung der Schmelzanlage zu erreichen. Die Anlage sollte auch
dazu geeignet sein, den Prozess kurzfristig herunterzufahren.
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Tauchbrenner
führen
nämlich
zu wesentlichen Nachteilen:
- a) Sie erzeugen
durch das Gasvolumen und dessen Regelung merkliche zeitliche Schwankungen der
Höhenlage
des Schmelzenspiegels, und diese Schwankungen werden durch Durchlässe zwischen
Kammerteilen des Auffangbeckens nach dem Prinzip der kommunizierenden
Röhren übertragen.
Die Praxis verlangt aber maximale zeitliche Höhenschwankungen von weniger
als 1 mm.
- b) Sie erzeugen unkontrollierbare Verpuffungen, die starke Vibrationen
auslösen,
Schmelze gegen den Rost schleudern und auch Kräfte auf das Beschickungsgut übertragen,
durch die obere Lagen des noch festen Beschickungsguts gegen die Chargiereinrichtung
oder einen Deckel geschleudert werden.
- c) Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen innerhalb der Schmelze
führt zur
Anreicherung von Blasen und Reaktionsprodukten in der Schmelze, Blasen
aus Kohlendioxid und Wasserdampf, die nur unzureichend wieder aus
der Schmelze entfernt werden können.
Es verbleiben auch Feststoffe in der Schmelze.
- d) Die Abfuhr grosser Gasmengen durch die gesamte Materialsäule im Schmelzschacht
führt bei Schachtöfen allgemein
unterhalb des Rostes zu einem Druckstau, der bedeutend über dem
Umgebungsdruck liegt. Dieser Druck ist aber wiederum verantwortlich
für die
Löslichkeit
der Gase in der Schmelze und für
deren Entgasungsverhalten. Die Freiheit der Schmelze von Gasen ist
aber eine zwingende Forderung für
die meisten Anwendungen. Dies wird in der zitierten US-PS 4 877 449 mit folgenden Worten
ausdrücklich
eingeräumt
(in Übersetzung):
”Das Verfahren
nach dieser Erfindung führt
zu einem Schmelzprodukt mit gasförmigen
Einschlüssen
und ist möglicherweise
nicht unmittelbar und direkt geeignet für einige Anwendungen wie z.
B. Glasschmelzen für
Behälter-
oder Flachglas. Jedoch ist das flüssige Produkt sehr homogen
und unterliegt zwingenden Temperatur-Kontrollen, die zu einer Schmelze
führen,
die sehr geeignet ist für die
Herstellung vieler Produkte wie Mineralwolle, Faserglas, Eisen,
Kupfer oder dgl.”
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Hierzu
ist folgendes hinzuzufügen:
Die Viskositäten
von Schmelzen der genannten Stoffe, d. h. von Metallen und Nichtmetallen,
unterscheiden sich um Grössenordnungen,
so dass speziell eine Glasschmelze zum Einschluss und zur Zurückhaltung
von Einschlüssen
tendiert.
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Mit
dem vorstehenden Stand der Technik kann die nachstehende Aufgabe
jedenfalls nicht gelöst
werden, denn es verbleiben unterhalb des Schmelzschachtes ungelöste Teilchen
in der Schmelze.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
anzugeben, durch die beim Erschmelzen von Gläsern aus Beschickungsgut mit
unterschiedlichen Zusammensetzungen in einer Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung bei guter Energiebilanz und hoher Produktivität trotz
geringer Abmessungen der Vorrichtung sowie bei möglichst kleinen Veränderungen des
Schmelzenspiegels zumindest weitgehend fertig geschmolzene, homogenisierte
und geläuterte
Glasschmelzen für
unterschiedliche Endprodukte erhalten werden können.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe erfolgt bei der angegeben Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch,
dass
- a) das Auffangbecken unterhalb seines
Schmelzenspiegels frei von Brennern gehalten ist,
- b) der mindestens eine Brenner oberhalb des Schmelzenspiegels
hinsichtlich seiner Strahlungsleistung derart ausgelegt ist, dass
zumindest der wesentliche Anteil der Energie für das Aufschmelzen des Beschickungsguts
oberhalb des Rostes einerseits und für das Nachheizen der Glasschmelze
im Auffangbecken unterhalb des Rostes andererseits aufbringbar ist,
und dass
- c) der Konditionierteil oberhalb seines Schmelzenspiegels einen
abgegrenzten Gasraum und mindestens eine weitere Heizeinrichtung
aufweist
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Hierdurch
werden folgende Vorteile erzielt:
Beim Erschmelzen von Gläsern aus
Beschickungsgut mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, beispielsweise
in Form von Vielkomponentensystemen, werden in einer Vorrichtung
der eingangs beschriebenen Gattung bei guter Energiebilanz und hoher Produktivität trotz
geringer Abmessungen der Vorrichtung sowie bei möglichst kleinen Veränderungen des
Schmelzenspiegels zumindest weitgehend saubere und homogene Glasschmelzen
für die
Weiterverarbeitung zu unterschiedlichen, teilweise auch hochwertigen
Endprodukten erhalten. Dazu gehören Behälterglas,
Floatglas, Faserglas und Borosilikatglas, einschliesslich solcher
Gläser,
bei denen Quarzsand die Hauptkomponente des Beschickungsguts darstellt.
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Die
Erfindung lehrt eine Kombination aus einem leistungsfähigen Schmelzschacht,
durch den mit hoher Produktivität
bereits qualitativ hochwertige Glasschmelze hergestellt werden kann,
in Verbindung mit einem Konditionierteil, in dem die Qualität der Glasschmelze
durch Läuterung
ohne Beeinträchtigung
der Produktivität
und unangemessener Steigerung der Kosten noch weiter erhöht wird,
und zwar für
die nachfolgende Herstellung von Qualitätsprodukten aus Glas ohne störende Einlagerungen.
Dabei spielt es auch eine Rolle, dass die Schmelzenspiegel auf dem
Transportweg der Schmelze und am Ende des Schmelzenweges über die
Zeit nur geringe Höhendifferenzen
erleiden, was gleichfalls die Qualität der Endprodukte steigert.
Dadurch werden insbesondere auch der Einsatz der früher hochgelobten Tauchbrenner
vermieden, der von einer Vielzahl negativer Effekte begleitet ist,
und es wird die Wartungsfreundlichkeit der Anlage erheblich gesteigert.
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Es
ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Vorrichtung besonders vorteilhaft,
wenn – entweder einzeln
oder in Kombination:
- – die weitere Heizeinrichtung
im Konditionierteil mindestens ein Brenner ist, der in den Gasraum einmündet,
- – die
weitere Heizeinrichtung im Konditionierteil mindestens eine Heizelektrode
ist, die unterhalb des Schmelzenspiegels in die Glasschmelze hineinragt,
- – der
Gasraum des Konditionierteils über
eine Abgasleitung oberhalb des Rostes mit dem Schmelzschacht verbunden
ist,
- – auf
dem Weg der Glasschmelze zum Konditionierteil mindestens eine Heizelektrode
angeordnet ist, die in die Glasschmelze hineinragt,
- – die
Abgasleitung für
die Abgase des Konditionierteils dem Schmelzschacht im Bereich des mittleren
Höhenabstandes
zwischen dem Rost und der Abgasleitung des Schmelzschachtes zugeführt ist,
- – über den
Schmelzenspiegeln des Auffangbeckens und des Konditionierteils Gasräume vorhanden
sind, die mit Ausnahme der Abgasleitung durch eine Trenneinrichtung
voneinander getrennt sind,
- – die
Trenneinrichtung aus benachbarten Wandungsteilen von Schmelzschacht
und Konditionierteil gebildet ist, die bis unter die Schmelzenspiegel
reichen,
- – der
Konditionierteil einen Boden besitzt, auf dem eine Schwelle angeordnet
ist, die quer zur Strömungsrichtung
der Glasschmelze verläuft, und/oder,
wenn
- – in
das Auffangbecken unterhalb seines Schmelzenspiegels mindestens
eine Heizelektrode hineinragt.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen von Glasschmelzen
aus festem Beschickungsgut, das in einen Schmelzschacht eingebracht und
darin in Säulenform
auf einem gekühlten
Rost abgelagert und über
diesem zumindest weitgehend auf Schmelztemperatur aufgeheizt wird,
wobei die Glasschmelze in einem Auffangbecken unterhalb des Schmelzschachtes
aufgefangen und über
einen Durchlass einem Konditionierteil zugeführt wird, wobei mindestens
ein Schmelzenspiegel ausgebildet wird, der sich mit einem Abstand
unterhalb des Rostes befindet, und wobei die Flamme mindestens eines
Brenners in den Gasraum zwischen dem Schmelzenspiegel und dem Rost
gerichtet wird.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe und die Erzielung der gleichen Vorteile erfolgen
bei dem angegebenen Verfahren erfindungsgemäss dadurch, dass
- a) das Auffangbecken unterhalb seines Schmelzenspiegels frei
von Brennern gehalten ist,
- b) der mindestens eine Brenner oberhalb des Schmelzenspiegels
hinsichtlich seiner Strahlungsleistung derart betrieben wird, dass
zumindest der wesentliche Anteil der Energie das Aufschmelzen des
Beschickungsguts oberhalb des Rostes einerseits und das Nachheizen
der Glasschmelze im Auffangbecken unterhalb des Rostes andererseits
bewirkt, und dass
- c) die Glasschmelze im Konditionierteil durch mindestens eine
weitere Heizeinrichtung beheizt wird.
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Es
ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen des Verfahrens besonders vorteilhaft,
wenn – entweder einzeln
oder in Kombination:
- – die Beheizung im Konditionierteil
oberhalb des Schmelzenspiegels in einem weiteren abgegrenzten Gasraum
durch mindestens einen weiteren Brenner durchgeführt wird.
- – die
Beheizung im Konditionierteil unterhalb des Schmelzenspiegels durch
mindestens eine Heizelektrode durchgeführt wird.
- – die
Abgase des Konditionierteils über
eine Abgasleitung oberhalb des Rostes in den Schmelzschacht eingeleitet
werden,
- – die
Glasschmelze auf dem Weg zum Konditionierteil unterhalb ihres Schmelzenspiegels
zusätzlich
durch mindestens eine Heizelektrode beheizt wird,
- – die
Abgase des Konditionierteils dem Schmelzschacht im Bereich des mittleren
Höhenabstandes
zwischen dem Rost und der Abgasleitung des Schmelzschachtes zugeführt werden,
- – über den
Schmelzenspiegeln im Auffangbecken und im Konditionierteil Gasräume gebildet
werden, die mit Ausnahme der Abgasleitung des Konditionierteils
durch eine Trenneinrichtung voneinander getrennt gehalten werden,
- – die
Glasschmelze im Konditionierteil über einen Boden geleitet wird,
auf dem eine Schwelle angeordnet ist, die quer zur Strömungsrichtung
der Glasschmelze verläuft,
- – auf
der Schwelle eine Läuterung
der Glasschmelze durchgeführt
wird,
- – die
Betriebsparameter für
die Rückführung der Abgase
aus dem Konditionierteil und dem Schmelzschacht in der Weise ausgelegt
bzw. geregelt werden, dass über
dem Schmelzenspiegel im Konditionierteil ein Druck im Bereich des
Atmosphärendrucks
eingestellt wird und dass im Bereich oberhalb des Beschickungsguts
ein darunter liegender Druck eingestellt wird,
- – die
Druckeinstellung über
Drucksensoren geregelt wird, und/oder, wenn
- – die
Druckeinstellung über
Saugzüge
geregelt wird.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweisen und weitere
Vorteile werden nachfolgend anhand der schematischen Darstellungen
in den 1 bis 3 näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
senkrechten Längsschnitt
durch einen Schmelzschacht mit einem Ausschnitt aus einem nachgeschalteten
Konditionierteil,
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2 einen
senkrechten Längsschnitt
durch den Schmelzschacht nach 1, den nachgeschalteten
Konditionierteil mit einer Bodenschweelle und einem Auslass in verkleinertem
Massstab, und
-
3 einen
waagrechten Längsschnitt durch
den Gegenstand von 2 entlang der Ebene E-E in 2.
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Der
senkrechte Schmelzschacht 1 besitzt ein Mantelteil 2,
auf dem ein Übergangsstück 3 mit
einer Beschickungsvorrichtung 4 angeordnet ist, zu der
ein Trichter 5 und eine Schleuse 6 zur dosierbaren
Einspeisung von Beschickungsgut 7 gehören. Das Übergangsstück 3 ist mit einer
Abgasleitung 8 versehen, die die gesamten Abgase zur Atmosphäre leiten,
ggf. über
einen Saugzug 8a und eine Reinigungseinrichtung. Das Mantelteil 2 kann
zylindrisch als auch polygonal ausgebildet sein.
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In
dem Mantelteil 2 befindet sich ein kühlbarer Rost 9, der
das Beschickungsgut 7 gasdurchlässig abstützt. Unterhalb des Rostes 9 befinden
sich Brenner 10, die über
hier nicht gezeigte Leitungen an Quellen für fossile Brennstoffe und Oxidantien
wie Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen
Sauerstoff angeschlossen sind. Auf dem Umfang des Mantelteils 2 können auch
mehr als ein Brenner 10 angeordnet sein. Durch die nach
oben strömenden
Brenngase der Brenner 10 wird die Säule von Beschickungsgut 7 derart
aufgeheizt, dass die Temperatur nach unten hin bis zur Schmelztemperatur
zunimmt und die Glasschmelze G in ein Auffangbecken 11 abtropft,
auf das der Schmelzschacht 1 aufgesetzt ist. Zwischen dem
Mantelteil 2 und dem Auffangbecken 11 befindet
sich eine Trennfuge 12, so dass das Mantelteil 2 mit
allen An- und Einbauten zu Wartungs- und Reparaturzwecken abgenommen werden
kann.
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Von
Bedeutung ist dabei die Charakteristik und Regelbarkeit der Brenner,
die als Strahlungsbrenner ausgebildet sein sollen. Nach Möglichkeit soll
dabei die gesamte Heizleistung oberhalb der Glasschmelze G zu mindestens
75% aufgebracht werden, nach Möglichkeit
vollständig,
d. h. zu 100%. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Strahlungsleitfähigkeiten
von Glasschmelzen G erheblich unterscheiden können. Einige Glaszusammensetzungen verhalten
sich gegenüber
der Strahlung der Verbrennungsgase hochtransparent, andere absorbieren
bereits an der Oberfläche
einen Grossteil der Strahlungsenergie. Für den letzteren Fall kann eine
vorsorglich eingebaute elektrische Heizquelle vorteilhaft sein,
im ersten Fall ist sie entbehrlich.
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Das
Auffangbecken 11 besitzt einen Boden 11a, durch
den eine Gruppe von Heizelektroden 13 geführt ist,
von denen mindestens die Oberflächen aus
glasresistenten Werkstoffen wie Mo, Pt, Zn bestehen. Diese erzeugen
im absinkenden Glas eine Gegenströmung, durch das ein etwaiges
Absinken von Komponenten verzögert
oder verhindert wird. Z. B. wird durch den Rost 9 fallendes
festes Beschickungsgut durch Aufschmelzen in die Glasschmelze G
integriert. Die besagten Elektroden 13 können auch
durch die Seitenwand des Auffangbeckens 11 geführt sein,
was durch die gestrichelt dargestellte Elektrode 13a angedeutet
ist.
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Über einen
Durchlass 14 ist das Auffangbecken 11 mit einem
Konditionierteil 15 verbunden, das eine Wanne 16 mit
einem Boden 17, ein Oberteil 18 und einen Auslass 19 besitzt.
Der Boden 17 kann eben ausgebildet sein oder eine Schwelle
besitzen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt
ist. In dem Auffangbecken 11 und in der Wanne 16 sind
durch konstruktive Massnahmen zwei Schmelzenspiegel 20 und 21 festgelegt,
die sich auf annähernd
gleicher Höhe
befinden und auch gehalten werden. Vorteilhafterweise wird der Schmelzenspiegel 20 um
ein geringes Mass niedriger gehalten, als der Schmelzenspiegel 21,
indem im Gasraum 24 oberhalb des Schmelzenspiegels 21 ein
vergleichsweise höherer
Druck eingehalten wird.
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In
dem Oberteil 18 befinden sich auf beiden Seiten oberhalb
des Schmelzenspiegels 21 – bespielhaft in Querstromanordnung – zwei Gruppen von
Brennern 22, von denen hier nur einer gezeigt ist. Diese
Brenner 22 dienen zur weiteren Beheizung und Konditionierung
der Glasschmelze G. Durch eine Trenneinrichtung 23, die
aus Wandungsteilen von Schmelzschacht 1 und Konditionierteil 15 besteht, werden
oberhalb der Schmelzenspiegel 20 und 21 zwei Gasräume 24 und 25 gebildet,
die nur durch eine Abgasleitung 26 verbunden sind. Dadurch
werden die Abgase der Brenner 22 in den Schmelzschacht 1 eingeleitet,
und zwar mit Abstand vom Rost 9 in das auf diesem in Säulenform
gestapelte Beschickungsgut 7. Dies ist von besonderer Bedeutung
für die
Wärmerückgewinnung,
denn in diesem Bereich hat das Beschickungsgut 7 noch eine
relativ geringe Temperatur, so dass eine grössere Menge der Wärme des
Abgases an das Beschickungsgut abgegeben werden kann.
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Wie
ergänzend
in 3 dargestellt, kann im Konditionierteil 15 noch
eine Gruppe von Heizelektroden 13K angeordnet sein, und
zwar für
den Fall, dass die bisherigen Beheizungen nicht ausreichend sind.
Diese Heizelektroden 13K schaffen auch eine weitere vorteilhafte
Möglichkeit
des Betriebs der Anlage, nämlich
dadurch, die Brenner 22 oder die Heizelektroden 13K wahlweise
auch alternativ zu betreiben und ggf. auf eine fossile Beheizung
zu verzichten, oder beide auch auszuschalten und nur Kühlluft zuzuführen, was
besonders einfach möglich
ist, wenn Brenner 22 mit getrennter Zufuhr von Luft und Brennstoffen
verwendet werden, bei denen in der Kühlphase die Brennstoffzufuhr
unterbrechbar ist.
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Ferner
ist folgendes von besonderer Bedeutung: Sehr kritisch ist bei Schacht-
oder Kupolöfen der
hohe Strömungswiderstand
in der Säule
des Beschickungsguts 7 über
dem Rost 9. Unter Berücksichtigung
der Gasmengen und der Geometrie der Strömungswege, sowie der Thermodynamik
durch Verbrennung und Wärmeleitung,
der Anordnung von Drucksensoren an kritischen Stellen und ggf. durch den
Saugzug 8a und seine Regelung ist es besonders zweckmässig, im
Gasraum 25 des Konditioniertes 15 einen Druck
aufrecht zu erhalten, der im Bereich des Atmosphärendrucks liegt. Dies setzt
voraus, dass am oberen Ende des Schmelzschachtes 1 ein
Druck eingehalten wird, der kleiner ist als der Druck im Gasraum 25.
Hierbei sind die Wärmerückgewinnung
im und der wesentlich verbesserte thermische Wirkungsgrad durch
die Effekte im Schmelzschacht 1 von eminenter Bedeutung.
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Das
Austreiben von Blasen aus einer Glasschmelze G wird als Läuterung
bezeichnet. Bei einer Unterdruckläuterung, für die der Stand der Technik auch
1/3 des Atmosphärendrucks
angibt, findet eine wirksame Läuterung
durch Aufblähen
von Blasen und die Verstärkung
ihres Auftriebs statt. Beim Betrieb des Erfindungsgegenstandes ist
vom Prinzip her mit dem umgekehrten Phänomen zu rechnen. Eine Entgasung
der Glasschmelze G steigt bei geringen Drücken über der Glasschmelze G, im
Gegensatz dazu steigt bei höheren
Drückender
thermische Wirkungsgrad.
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Gemäss den 2 und 3,
in denen die bisherigen Bezugszeichen verwendet und fortgeschrieben
werden, ist die Wanne 16 auf ihrer gesamten inneren Breite
mit einer vom Boden 17 aufragenden Schwelle 27 versehen,
deren Oberseite 28 einen Läutereffekt erzeugt, durch den
weitere leichter flüchtige
Komponenten der Glasschmelze G aufsteigen. In Strömungsrichtung
hinter der Schwelle 27 ist der Auslass 19 angeordnet,
der zu einer hier nicht gezeigten Verarbeitungsvorrichtung für die Glasschmelze
G führt.
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Ein
Vergleich zweier Anlagen, mit denen Schmelzleistungen von 100 Tonnen
Glas in 24 Stunden erbracht werden sollen, führt zu folgenden Ergebnissen.
Die Anlagen werden sowohl mit fossilen Brennstoffen und Sauerstoff
als Oxidanten beheizt sowie durch eine elektrische Zusatzbeheizung
durch Elektroden, die in das Glas eintauchen. Für die Energiebilanz sind letztlich
nur folgende Grössen
von Bedeutung:
- a) der gesamte Energieeintrag
in die Anlage,
- b) der Energieinhalt der austretenden Glasschmelze G,
- c) der Energieinhalt der Abgase aus der Verbrennung,
- d) die Wandverluste.
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Bei
einem klassischen Verfahren lässt
sich ein spezifischer Energieverbrauch von 1,2 kWh/kg Glas erreichen. Über die
elektrische Zusatzbeheizung wird der Glasschmelze G eine energetische Leistung
von 600 kW zugeführt.
Das Abgas verlässt die
Vorrichtung mit etwa 1400°C,
die Glasschmelze G mit etwa 1350°C.
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Beim
Erfindungsgegenstand mit gleicher Energiezufuhr verlassen die Abgase
die Vorrichtung mit weniger als 200°C. Ein Grossteil der Energie
aus dem Abgas wird zur Vorwärmung
des Beschickungsguts in dem Schmelzschacht ausgenutzt. Dadurch wird
nur ein Energieverbrauch von 0,8 kWh/kg Glas erforderlich. Ursächlich für diese
deutlich Energieeinsparung ist auch die erhebliche Senkung der Wärmeverluste
durch das Abgas und auch durch die niedrigeren Wandverluste. Der
Konditionierteil 15 ist nämlich deutlich kleiner im Vergleich
zu einer konventionellen Schmelzanlage.
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Bezugszeichenliste
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- G
- Glasschmelze
- 1
- Schmelzschacht
- 2
- Mantelteil
- 3
- Übergangsstück
- 4
- Beschickungsvorrichtung
- 5
- Trichter
- 6
- Schleuse
- 7
- Beschickungsgut
- 8
- Abgasleitung
- 8a
- Saugzug
- 9
- Rost
- 10
- Brenner
- 11
- Auffangbecken
- 11a
- Boden
- 12
- Trennfuge
- 13
- Heizelektroden
- 13a
- Heizelektrode
- 13K
- Heizelektroden
- 14
- Durchlass
- 15
- Konditionierteil
- 16
- Wanne
- 17
- Boden
- 18
- Oberteil
- 19
- Auslass
- 20
- Schmelzenspiegel
- 21
- Schmelzenspiegel
- 22
- Brenner
- 23
- Trenneinrichtung
- 24
- Gasraum
- 25
- Gasraum
- 26
- Abgasleitung
- 27
- Schwelle
- 28
- Oberseite