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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gläsern, insbesondere
von Wasserglas, durch Aufschmelzen eines Feeds in einem Ofen und Erstarren
lassen, wobei man zumindest einen Teil der von dem hergestellten
Produkt, insbesondere bei dessen Erstarrung, abgegebenen Wärme zur
Vorwärmung
des Feed verwendet.
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Ein
allgemeiner Überblick über die
Herstellung von Wasserglas ist in den „Henkel-Referaten” 34, 1998,
Seite 7 bis 13 zu finden.
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Wasserglas
wird industriell nach drei Verfahren hergestellt, dem klassischen
Schmelzverfahren im Wannenofen, dem Schmelzverfahren im Drehrohrofen
und dem hydrothermalen Verfahren.
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Der
größte Teil
der industriell gebräuchlichen Alkalisilikate
wird im klassischen Schmelzverfahren hergestellt. Das Sodaverfahren
zur Herstellung fester Natronwassergläser ist ein Hochtemperaturprozess, bei
dem ein Gemisch (Gemenge) aus Sand und Soda bei Temperaturen von
1300–1500°C in Wannenöfen des
Typs Siemens-Martin-Regenerativofen oder im Drehrohrofen alkalisch
zu Wasserglas aufgeschlossen wird. Die Luft zur Verbrennung wird
den Regenerativkammern über
Ventilatoren und Umsteuerorgane zugeleitet und auf etwa 1200°C vorgeheizt.
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Bei
diesen hohen Temperaturen reagiert die alkalische Soda mit dem Quarzsand
unter Bildung von Natriumsilikat. Das geschmolzene Wasserglas wird
dem Ofen kontinuierlich entnommen, abgekühlt und dem Lager oder direkt
den Löseaggregaten
zugeführt.
Die Wasserglasherstellung im Wannenofen zeigt 1.
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Bei
der Herstellung im Drehrohrofen wird das aufbereitete Gemenge an
der höher
gelegenen Ofenseite eingetragen und durch Drehen des walzenförmigen Ofens
vom kalten in den heißen
Bereich transportiert. Dadurch bilden sich ständig neue Oberflächen. Der
um 3–7° geneigte
Ofen wird durch Zahn-, Rollen- oder Schneckenradantrieb sehr langsam
um seine Achse gedreht. Beheizt wird vom unteren Ende her mit Öl oder Gas.
Die Glasschmelze wird am tiefer gelegenen Ende ausgetragen und der
Weiterverarbeitung zugeführt.
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Festes
Wasserglas aus dem Wannen- oder Drehrohrofen wird nicht als Feststoff,
sondern fast ausschließlich
als wässrige
Lösung
angewendet, meist in 35%iger Konzentration. Zu deren Herstellung
werden die aus dem Schmelzprozess erhaltenen, bis auf 300°C abgekühlten Festglasstücke in Wasser
bei Temperaturen zwischen 100°C
bei Normaldruck und 150°C
im Druckbehälter
gelöst.
Die Lösung
wird, abhängig
vom Anforderungsprofil, weiter konfektioniert, also filtriert, konzentriert
und gegebenenfalls mit anorganischen oder organischen Zusätzen modifiziert.
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Bei
der Wasserglasherstellung im Hydrothermalverfahren schließlich erfolgen
Aufschluss- und Löseprozess
in einem Arbeitsgang. Dabei werden Alkalisilikate unter Umgehung
des Hochtemperaturprozesses direkt aus Sand und Natronlauge bei
etwa 200°C
und hohem Druck von etwa 20 bar im Autoklaven als Flüssigwassergläser gewonnen.
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Neben
den Natron- werden in untergeordnetem Maße auch Kaliwassergläser verwendet.
Als höherpreisige
Produkte werden Kaliumsilikate nur dort eingesetzt, wo Natrium stören würde.
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Der
Schmelzprozess von z. B. Gläsern
und Metallen in Industrieöfen
erfolgt bei sehr hohen Temperaturen und ist daher sehr energieintensiv.
Der Schmelze wird nach dem Ofenauslauf meist über ein so genanntes Kühlband die
Wärme abgeführt. Diese Wärmeabführung ist
meistens für
die nachfolgenden Prozessschritte notwendig. Dabei tritt dieser
Wärmeinhalt
der Schmelze als Wärmeverlust
auf.
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Bei
der üblichen
Herstellmethode wird die Abwärme
der sich häufig
anschließenden
Kristallisation überhaupt
nicht bzw. nicht effizient anderweitig genutzt. Eine Nutzung der
Schmelzwärme
aus den Öfen
ist bisher nicht bekannt.
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In
einer herkömmlichen
Anlage erhitzt die Freiwärme
der Schmelze den Raum am Kühlband. Die
heiße
Umgebungstemperatur erschwert somit das Arbeiten in der Nähe von Schmelzöfen und
beeinträchtigt
die Leistung der Anlagenfahrer.
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In
einem Bericht des Umweltbundesamtes vom Juni 2001 „Large
Volume Solid Inorganic Chemicals, Natriumsilikat” wird unter anderem die Wärmerückgewinnung
bei der Herstellung von Natriumsilikat nach dem Stand der Technik
im Einzelnen beschrieben. Bei der Herstellung im Drehrohrofen kann
die Wärme
mit zwei Verfahrensvarianten zurückgewonnen
werden. Zum einen wird das am oberen Ende des Drehrohrs eintretende
Material durch das Abgas, also die heiße Abluft vorgewärmt. Dies
ist möglich, weil
Sand und Soda im Gegenstrom zur Abgasführung bei gleichzeitiger Rotation
des Ofens geführt werden.
Zum anderen wird die Restwärme
des Abgases nach dem Austritt aus dem Drehrohrofen zur Aufwärmung der
erforderlichen Verbrennungsluft einem Rekuperator zugeführt, wo
das Abgas von etwa 600°C
auf 200 bis 250°C
abgekühlt
wird. Gleichzeitig wird Außenluft
auf 350 bis 400 °C
aufgewärmt
und gelangt anschließend
zur Brennfackel am unteren Ende des Drehrohrofens.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Verfahrensweise beim Herstellungsprozess im
Wannenofen ist, wie es ausdrücklich
auf Seite 10 unten im genannten Bericht heißt, eine Gegenstromführung von
Einsatzstoffen und Abgas nicht möglich.
Eine Vorwärmung des
Feeds wie beim Drehrohrofen wird daher im Stand der Technik nicht
vorgenommen. Bekannt ist bei diesem Verfahren nur die Vorwärmung der
erforderlichen Verbrennungsluft durch wechselseitige Nutzung mehrerer
Rauchgaszüge.
Hierbei wird das heiße
Rauchgas über
einen gemauerten Zug abgeleitet, wodurch sich das Mauerwerk erwärmt. Nach einer
gewissen Zeit wird das Rauchgas über
einen anderen Zug abgeleitet. Der erwärmte Zug wird anschließend von
der noch kalten Verbrennungsluft durchströmt und diese wird dabei erwärmt. Durch
regelmäßiges Umschalten
der Züge
wird ein quasi kontinuierlicher Betrieb erreicht.
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Ein
Verfahren zum Herstellen von Gläsern der
eingangs genannten Art ist aus der
US 2 371 213 A bekannt. Hier wird die Abwärme bei
der Glasherstellung dadurch zur Vorwärmung des Gemenges (des „Feeds”) genutzt,
indem das bereits geschmolzene Glas die Glasausgangsstoffe umgibt.
Ein Wärmetauscher
zur Weiterleitung der Wärme
des hergestellten Glases an die Glasausgangstoffe geht aus dieser
Entgegenhaltung jedoch nicht hervor.
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Ein
solcher Wärmetauscher
findet sich in der
US
4 252 754 A , die ein Verfahren zur Herstellung von Granulaten
aus einem Glasrohmaterial beschreibt. Die Wärme des heißen Abgases vom Schmelzofen
heizt eine Wärme-Rückgewinnungsziegelkammer
auf und wird dann weitergeleitet zum unteren Ende eines Rohres,
in das auch das Ausgangsmaterial eingespeist wird, und trocknet
auf diese Weise die Ausgangsstoffe.
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Schließlich ist
in der
US 2005/138964
A1 erwähnt,
dass zur Herstellung von Wasserglas auch die Verbrennungsabgase
genutzt werden können.
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Bekannt
ist ferner die Wärmerückgewinnung in
einem Verfahren zum Aufschmelzen von Silikat-Rohmaterial (
EP 0 547 576 A2 )
und die Entnahme von Wärme
aus einer Glasschmelze über
einen Wärmetauscher
(
US 3 645 712 A ).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Verfahren der eingangs
genannten Art gleichzeitig Energie einzusparen, die Kapazität des Wannenofens
zu erhöhen,
den Arbeitsschutz zu verbessern und weniger Kühlwasser zur Kühlung des
Transportbandes für
das hergestellte geschmolzene Glas zu verbrauchen. Das Wasser wird
bei der Kühlung
gegen das Kühlband
gespritzt und verdampft dort.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das hergestellte Glas seine Wärme
an einen ersten Wärmetauscher
abgibt, der die Wärme an
einen zweiten Wärmetauscher
gibt, welcher das Feed vorwärmt,
wobei der erste Wärmetauscher
als eine unten offene Haube ausgebildet ist, die um ein mit dem
hergestellten Glas beladenes Abkühlband und
oberhalb des Abkühlbands
angeordnet ist, wobei das Abkühlband
nach oben geneigt ist.
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Erfindungsgemäß wird der
Wärmeinhalt
des gerade fertig gestellten, noch schmelzflüssigen Wasserglases, also insbesondere
dessen Erstarrungswärme,
zumindest teilweise zurückgeführt und
erneut genutzt. Die Nutzung dieser Wärme ist im Stand der Technik überhaupt
nicht bekannt, auch nicht im Drehrohrverfahren. Bekannt war bisher
nur die Rückgewinnung
der Wärme
aus dem Abgas bzw. der Abluft.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
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Die
Erfindung betrifft auch eine entsprechende Anlage nach den Ansprüchen 6 und
7.
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Der
erste Wärmetauscher
ist um das sich kontinuierlich schräg nach oben bewegende Kühlband und
oberhalb des Kühlbandes
angeordnet, auf welches das schmelzflüssige Wasserglas aus dem Wannenofen
tropft beziehungsweise fließt,
um dort zu erstarren und abzukühlen.
Beim Rücklauf
des Kühlbandes
schräg
nach unten wird dieses mit Wasser bespritzt und auf diese Weise
gekühlt.
Die ebenfalls schräg und
oberhalb des Kühlbandes
angeordnete Haube verstärkt
die Luftströmung
zwischen der Haube und dem Kühlband,
wodurch der konvektive Anteil der Wärmeübertragung vom schmelzflüssigen Glas
beziehungsweise dem heißen
Kühlband
zur Haube, welche gleichzeitig der erste Wärmeaustauscher ist, erhöht wird.
Vorzugsweise sind in der Haube parallel zum Kühlband verlaufende Rohre angeordnet,
in denen der Wärmeträger, insbesondere Wasser
unter erhöhtem
Druck strömt.
Erstaunlicherweise wird auf diese Weise das beim Eintritt noch kalte
Wasser (20–30°C) auf mindestens
etwa 140°C
erhitzt.
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Die
Wärmeübertragung
erfolgt hier hauptsächlich
durch Strahlung. Es kann jedoch in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung auch ein zusätzlicher
Abluftkamin in der Haube vorgesehen sein, der lotrecht nach oben
führt und
zu einer Verstärkung
des Kamineffektes führt,
so dass die Luftgeschwindigkeit von etwa 1 m/s auf etwa 2 m/s ansteigt. Eine
Temperaturerhöhung
von etwa 10% aufgrund der deutlichen Verbesserung des Wärmeübergangs ist
die Folge.
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Im
unten beschriebenen Ausführungsbeispiel
arbeitet der erste Wärmetauscher,
also die Haube, im Gleichstrom mit dem ebenfalls von unten nach oben
transportierten schmelzflüssigen
Wasserglas. Eine Gegenstromkühlung
ist aber auch möglich
und eventuell sogar besonders vorteilhaft.
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Die
Erfindung führt
zur z. B. Dampferzeugung durch die Rückgewinnung der Wärmekapazität der heißen Schmelze.
Der erzeugte Dampf über
den Schmelzetransport kann z. B. für das Aufwärmen des Feeds benutzt werden.
Durch Erwärmung
des Feeds kann zum einen Energie eingespart werden. Zum anderen
wird durch die Vorwärmung
des Feeds die Kapazität
der Öfen
erhöht,
da pro Zeiteinheit mehr produziert werden kann. Außerdem durch
eine Abschirmung des heißen
Produkts durch anzubringenden Wärmeaustauscher
wird die Arbeitssicherheit erhöht.
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Durch
die Erfindung ergeben sich also folgende Vorteile:
- • Energieeinsparung
durch Vorwärmen
des Feeds
- • Energieeinsparung
durch Nutzung des heißen Kondensats
für den
Löseprozess
- • Weitere
Nutzung der Energie für
z. B. Dampferzeugung
- • Kapazitätssteigerung
durch den vorgewärmten Feed
- • Verbesserung
der Arbeitsbedingungen im Betrieb, da Senkung der Raumtemperatur
- • Erhöhung der
Arbeitssicherheit.
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Die
Erfindung beruht besteht insbesondere darin, die abzuführende Wärmemenge,
die derzeit als Wärmeverlust
auftritt, über
dem Kühlband
durch einen neu angebrachten Wärmeaustauscher
zurück zu
gewinnen und für
eine weitere Nutzung in den Prozess zurück zu führen. Mit dieser Wärmemenge
kann z. B. überhitzter
oder Satt-Dampf erzeugt werden.
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Der
gesamte oder größere Teil
des erzeugten Dampfes aus dem Wärmeaustauscher
kann verkauft oder anderweitig verwendet werden. Ein Teil des im
ersten Wärmeaustauscher
erzeugten Dampfes kann z. B. einem anderen geeigneten Wärmeaustauscher
zugeführt
werden, um den Feed vorzuwärmen.
Dadurch wird Energie eingespart und die Kapazität des Ofens erhöht.
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Der
Dampfstrom, der den zweiten Wärmeaustauscher
als Kondensat verlässt,
kann für
einen anderen Prozess eingesetzt werden. Wenn das Kondensat aus
dem zweiten Wärmeaustauscher
direkt für
einen weiteren Prozess verwendet wird, kann dementsprechend der
nötige
Energieverbrauch reduziert werden.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei auch
der Stand der Technik anhand einer Zeichnung dargestellt wird. Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung der Herstellung von Wasserglas nach dem
Stand der Technik,
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2 eine
schematische Übersicht über das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Anlage
nach einem Ausführungsbeispiel
(ohne genaue Darstellung des Bereiches um die Haube 16) und
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3 den
Bereich um die Haube 16.
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In
allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung
und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
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Die
Herstellung nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch
dargestellt. Sand und Soda werden über eine Bandwaage 1 und
eine Misch-Schnecke 2 einem Ofen 3 zugeführt, der
mit einem Öl-
oder Gas-Brenner 4 erhitzt wird. Alternativ kann die Beheizung
elektrisch oder durch eine Kombination der genannten Beheizungsarten
erfolgen. Frischluft wird über
ein Gebläse 5 und
eine Regenerativkammer 6 in den Ofen 3 eingeleitet.
Die Abgase 7 verlassen den Ofen über eine zweite Regenerativkammer 8,
einen Abgaskühler 9 und
einen Elektrofilter 10.
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Das
geschmolzene Wasserglas tropft auf ein Abkühlband 11, wo es erstarrt
und von dem es als Stückenglas 12 abgegeben
wird. Soweit das Stückenglas 12 nicht
gelagert und weiterverkauft wird, gelangt es in den so genannten
Loser 13. In diesem Behälter
wird es unter Zufuhr von Wasser und unter Druck gelöst, so dass
man schließlich
Flüssigglas 14 erhält.
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Ein
Bespiel für
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Anlage
ist in den 2 und 3 dargestellt.
Das Schmelzgut, also das schmelzflüssige Wasserglas fließt aus dem Schmelzofen 3 auf
das Kühlband 11,
welches sich nach Art einer Rolltreppe nach oben bewegt. Auf den „Stufen” dieser „Rolltreppe” liegt
das schmelzflüssige Wasserglas 15.
Oben an der Treppe angekommen, wird das erstarrte Wasserglas von
der Treppe abgeworfen und als so genanntes Stückenglas 12 gesammelt.
Beim Rücklauf
der Treppe von oben nach unten auf der Unterseite werden die „Stufen” durch
Bespritzen mit Wasser gekühlt.
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Erfindungsgemäß ist das
Kühlband 11 von einer
unten offenen Haube 16 umgeben, welche an der Innenseite
mit parallel zum Kühlband
verlaufenen Rohren 17 ausgestattet ist. Frischwasser wird
am unteren Ende dieser Rohre über
eine Pumpe 18 mit Überdruck
(ca. 20 bar) eingeleitet und erwärmt
sich in den Rohren aufgrund der hohen Temperatur des Kühlbandes
und der Schmelze von etwa 1000°C
im unteren Bereich des Kühlbandes,
also an der Aufgabestelle des schmelzflüssigen Wasserglases. Beim Austritt,
also oben am Kühlband
haben das Wasserglas und das Abkühlband
nur noch eine Temperatur von etwa 300°C. Das Wasser wird über einen
Kondensator 19 unter Überdruck
im Kreis zurückgeführt. Durch
Entspannen am Ventil 25 auf 4 bar wird 4-bar-Dampf erzeugt.
Am oberen Ende der Rohre 17 erhält man Sattdampf mit 4 bar
und 163°C.
Ein Teil des Dampfes wird über
die Leitung 20 als externer Dampf für andere Zwecke als zur Produktion
von Wasserglas abgegeben. Der andere Teil des erzeugten Dampfes
wird über
die Leitung 21 einem zweiten Wärmetauscher 22, nämlich einem
Plattenwärmetauscher
für Schüttgut zugeführt, welcher
das Feed, nämlich
das Gemisch aus Sand und Soda auf eine Temperatur von etwa 125°C vorwärmt. Die
Vorwärmung
des Feed ermöglicht
einen höheren
Durchsatz im Schmelzofen 3, in welchem das vorgewärmte Feed
eingespeist wird. Nach Abgabe der Wärme strömt der Dampf in einen Kondensator 23.
Das heiße
Kondensat wird über
eine Pumpe 24 in den Löser 13 eingeleitet,
wo er zum Einsparen von extern zugeführtem 4 bar-Dampf dient.
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Das
vorgeschlagene Konzept eignet sich sehr gut z. B. für die effiziente
Nutzung des Wärmeinhalts
der Schmelze bei der Herstellung von Gläsern (vgl. 2 und 3).
Der Wärmeinhalt
der Schmelze kann erfindungsgemäß dazu verwendet
werden, um mit Hilfe eines geeigneten Rohrbündelwärmeaustauschers Dampf zu erzeugen.
Als Wärmetauscher können hier
alle dem Fachmann bekannten technischen Wärme austauscher eingesetzt werden.
Zudem kann der Wärmeübergang
durch technische Maßnahmen
wie z. B. Anbringung von einer Haube, Gebläse, etc. verbessert werden.
Zusätzlich
kann durch Optimierung der Oberflächeneigenschaften (z. B. Farbe,
Beschichtung, Rauhigkeit) der Rohre bzw. des Wärmeaustauschers der Wärmeübergang
erhöht
werden.
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Über dem
Kühlband
kann unter geeigneten Transport- und Betriebsbedingungen in einem
Wärmeaustauscher
0,4 Tonnen 4 bar Dampf pro Tonne Produkt in der Stunde erzeugt werden.
Der Wärmeaustauscher
besteht aus Rohrbündeln
mit einer Haube (vgl. 2 und 3), um durch
einen Kamineffekt die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen. Diese Konstruktion bringt
folgende Vorteile mit sich:
- • Der konvektive
Stoffaustausch wird verbessert
- • Die
Umgebungstemperatur durch den Abzug der heißen Luft sinkt ab.
- • Durch
eine Umhausung der heißen
Schmelze wird die Arbeitssicherheit erhöht.
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Der
größere Teil
des erzeugten Dampfes aus dem ersten Wärmetauscher (Haube 16)
kann verkauft oder betriebsintern verwendet werden. Zumindest ein
Teil des im ersten Wärmetauscher
(Haube 16) erzeugten Dampfes wird z. B. einem anderen geeigneten
Wärmeaustauscher
zugeführt,
um erfindungsgemäß den Feed
aus Sand und Soda vorzuwärmen.
Das Gemisch wird im zweiten Wärmetauscher
auf etwa 125°C
erwärmt.
Hierbei können
prinzipiell alle gängigen
Bauarten von Wärmeaustauschern
genutzt werden. Insbesondere eignen sich Plattenwärmeaustauscher
und ganz besonders vibrierende Wärmeaustauscher
zum Vorwärmen
von Feststoffen wie z. B. dem eingesetzten Sand oder Sand und Soda.
Die Feuchtigkeit des Feeds ist für das
Verfahren unter geeigneten Betriebsbedingungen nicht relevant.
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Durch
den vorgewärmten
Feed wird die Kapazität
des Ofens erhöht
und kann Energie eingespart werden. Der Dampfstrom, der den zweiten
Wärmetauscher 22 als
Kondensat verlässt,
kann für
einen anderen Prozess eingesetzt werden. Wenn das Kondensat aus
dem zweiten Wärmetauscher 22 erfindungsgemäß direkt
für den
Löseprozess
verwendet wird, kann dementsprechend der nötige Energieverbrauch reduziert
werden.
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Die
gewonnene Energie kann aber auch anderweitig für diesen oder auch jeden anderen
beliebigen Prozess genutzt werden.
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Das
vorgenannte neue Konzept bringt für diese Anwendung folgende
Vorteile mit sich:
- – Erzeugung von 4-bar Dampf
- – Gemengevorwärmung
- – 4-bar-Dampf-Ersparnis
beim Löseprozess
- – Kapazitätserhöhung der Öfen
- – Erhöhung der
Arbeitssicherheit und angenehmere Arbeitsbedingungen
- – Senkung
des Energieverbrauchs für
den Löseprozess
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Die
Kühlung
des Abkühlbandes 11 erfolgt
erfindungsgemäß hauptsächlich über den
ersten Wärmetauscher 16.
Die Restkühlung
wird wie bisher mit Wasser vorgenommen, welches von unten auf die Oberseite
des von oben nach unten zurücklaufenden Bandes
gespritzt wird. Das dabei nicht verdampfte Wasser kann ebenfalls
für den
Löser verwendet
werden.
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Die
Haube 16 ist konstruktiv so ausgestaltet, dass die Rohre
gut von außen
zu reinigen sind.
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- 1
- Bandwaage
- 2
- Misch-Schnecke
- 3
- Ofen
- 4
- Brenner Öl/Gas
- 5
- Gebläse
- 6
- Regenerativkammer
- 7
- Abgase
- 8
- Regenerativkammer
- 9
- Abgaskühler
- 10
- Elektrofilter
- 11
- Abkühlband
- 12
- Stückenglas
- 13
- Löser
- 14
- Flüssigglas,
wässrig
- 15
- schmelzflüssiges Wasserglas
- 16
- Haube,
erster Wärmetauscher
- 17
- Rohre
- 18
- Pumpe
- 19
- Kondensator
- 20
- Rohrleitung
- 21
- Rohrleitung
- 22
- zweiter
Wärmetauscher,
Plattenwärmetauscher
- 23
- Kondensator
- 24
- Pumpe
- 25
- Ventil