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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in
einem Schachtofen, der mit einem oder mehreren Brennern beheizt
wird, wobei dem oder den Brennern ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff
und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden. Ferner bezieht
sich die Erfindung auf einen Schachtofen mit einem Schacht zur Aufnahme
eines zu schmelzenden Ausgangsmaterials und einer Brennkammer, wobei
die Brennkammer mit einem oder mehreren Brennern versehen ist, wobei der
oder die Brenner mit einer Zuleitung für einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff
und einer Zuleitung für
ein sauerstoffhaltiges Gas verbunden sind.
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Mineralwolle
wird aus einem silikatischen Ausgangsmaterial hergestellt, welches
zunächst
eingeschmolzen und dann zerfasert wird. Als Ausgangsmaterial werden
natürliche
Gesteine, wie beispielsweise Basalt, Diabas, Kalkstein oder Dolomit,
künstliche
Gesteine, wie zum Beispiel Formsteine nach festgelegter Rezeptur,
Gläser,
metallische Schlacken oder andere mineralische Materialien eingesetzt.
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Im
Folgenden werden die Begriffe Mineralwolle oder Mineralfasern synonym
verwendet und sollen alle Arten von aus dem oben genannten Ausgangsmaterial
hergestellten Fasern umfassen.
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Das
Ausgangsmaterial wird in einem Schmelzofen eingeschmolzen. In der
Regel wird hierzu ein Schachtofen, insbesondere ein Kupolofen, eingesetzt.
Die entstehende mineralische Schmelze wird anschließend einer
Zerfaserungseinrichtung zugeführt,
welche die Schmelze in feine Mineralfasern zerfasert. Die Mineralfasern
werden meist noch mit Bindemittel und Additiven versetzt, gegebenenfalls weiter
aufbereitet, um schließlich
zu Akustikplatten, Dämmplatten
oder -bahnen oder Formkörpern
verarbeitet zu werden. Die so aus Mineralwolle hergestellten Dammstoffe
finden in bekannter Weise zur Schall- oder Wärmeisolierung oder als Brandschutzmaterialien
Verwendung.
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Das
Einschmelzen des mineralischen Ausgangsmaterials erfolgt bisher
meist in mit Koks befeuerten Kupolöfen. Der Kupolofen wird von
oben mit Koks als Brennstoff, dem mineralischen Ausgangsmaterial
und Zuschlagstoffen befüllt.
Im unteren Teil des Ofens wird Verbrennungsluft eingeblasen. Die entstehende
Mineralschmelze sammelt sich am Boden des Kupolofens und kann über einen
Siphon abgezogen werden.
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Solche
herkömmliche,
mit Koks befeuerte Kupolofenanlagen verursachen allerdings hohe Emissionen
von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Staub. Insbesondere zum Schmelzen
von Metallen sind daher bereits kokslos betriebene Kupolöfen bekannt.
Als Brennstoff werden in ”kokslosen” Kupolöfen flüssige oder
gasförmige
Energieträger,
wie zum Beispiel Heizöl
oder Erdgas, eingesetzt.
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Die
aus der Eisenherstellung bekannten, kokslosen Kupolöfen können nicht
ohne weiteres zur Mineralwolleherstellung verwendet werden, da völlig unterschiedliche
energetische, thermische und chemische Verhältnisse im Ofen vorliegen.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
von Mineralwolle aufzuzeigen. Insbesondere soll die Betriebsweise
eines koksfrei betriebenen Kupolofens hinsichtlich der speziellen
Anforderungen beim Schmelzen mineralischer Ausgangsstoffe für die Mineralwolleproduktion
optimiert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in
einem Schachtofen gelöst,
bei dem der Schachtofen mit einem oder mehreren Brennern beheizt
wird, wobei dem oder den Brennern ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff
und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, und welches dadurch
gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Teil des sauerstoffhaltigen
Gases vor der Zufuhr zu dem oder den Brennern vorgewärmt wird.
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Ein
erfindungsgemäßer Schachtofen
besitzt einen Schacht zur Aufnahme eines zu schmelzenden Ausgangsmaterials
und eine Brennkammer, wobei die Brennkammer mit einem oder mehreren
Brennern versehen ist, wobei der oder die Brenner mit einer Zuleitung
für einen
flüssigen
oder gasförmigen Brennstoff
und einer Zuleitung für
ein sauerstoffhaltiges Gas verbunden sind, wobei die Zuleitung für das sauerstoffhaltige
Gas stromaufwärts
des oder der Brenner mit einem Wärmetauscher
verbunden ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorwärmung des
sauerstoffhaltigen Gases wird der Wirkungsgrad des Schachtofens
deutlich erhöht.
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Vorzugsweise
wird dem oder den Brennern Luft als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und
erfindungsgemäß vorgewärmt. In
einer besonders bevorzugten Variante wird die dem oder den Brennern
zugeführte
Luft mit Sauerstoff angereichert. Die Anreicherung mit Sauerstoff,
das heißt,
die Erhöhung
des Sauerstoffgehaltes der Luft auf über 21%, vorzugsweise 22% bis
40%, besonders bevorzugt 25% bis 35%, erfolgt bevorzugt nach der
Vorwärmung
der Luft. Es ist aber ebenso möglich,
die Luft zuerst mit Sauerstoff anzureichern und dann erfindungsgemäß vorzuwärmen.
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Von
Vorteil wird das sauerstoffhaltige Gas in indirektem Wärmeaustausch
mit aus dem Schachtofen abgezogenen Abgas vorgewärmt. Hierfür haben sich handelsübliche Luftluft-Wärmetauscher,
insbesondere Plattenwärmetauscher,
als besonders günstig
erwiesen.
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Bei
mit Koks als Brennstoff betriebenen Kupolöfen ist es Stand der Technik,
dem Kupolofen vorgewärmte
Verbrennungsluft zuzuführen.
Bei der sogenannten Untergichtabsaugung werden die Abgase mit einer
Temperatur von etwa 200°C über einen Ringspalt
am Kupolofen abgezogen und in einer Nachbrennkammer nachverbrannt.
Nach der Nachbrennkammer wird das Abgas mit einer Temperatur von
etwa 900°C
einem Rekuperator zur Wärmerückgewinnung
zugeführt.
Die gewonnene Wärme
wird dazu genutzt, die dem Kupolofen zugeführte Verbrennungsluft auf etwa
500°C vorzuwärmen. Diese Betriebsweise
wird auch als Heißwindbetrieb
bezeichnet.
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Bei
einem kokslos betriebenen Kupolofen liegt der CO-Gehalt im Abgas
unter 1 Vol-%. Eine wirtschaftlich sinnvolle Nachverbrennung des
Abgases ist bei einem solchen geringen CO-Gehalt nicht möglich. Daher
wird das Abgas aus kokslos betriebenen Kupolofen bisher ohne Nachverbrennung
ungenutzt abgezogen.
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Erfindungsgemäß wird nun
nicht die in Form von CO in dem Abgas enthaltene chemische Energie,
sondern direkt die Wärmeenergie
des Abgases genutzt. Bei einem kokslos betriebenen Schachtofen verlässt das
Abgas oder Gichtgas den Schachtofen mit einer Temperatur von beispielsweise
400°C. Vorzugsweise
wird das heiße
Abgas durch einen Wärmetauscher
geführt
und in indirekten Wärmeaustausch
mit dem vorzuwärmenden
sauerstoffhaltigen Gas gebracht. Bei der genannten Abgastemperatur von
400°C kann
damit das sauerstoffhaltige Gas, in Abhängigkeit von der Ausführung des
Wärmetauschers
und dem Durchsatz an Abgas und sauerstoffhaltigem Gas durch den
Wärmetauscher,
auf beispielsweise 200°C
vorgewärmt
werden. Von Vorteil wird das sauerstoffhaltige Gas auf Temperaturen
zwischen 150°C
und 300°C
vorgewärmt.
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Der
Wärmeaustausch
zwischen dem heißen Abgas
und dem vorzuwärmenden
sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise Luft, erfolgt bevorzugt in
handelsüblichen
Luft-Luft-Wärmetauschern,
zum Beispiel in Plattenwärmetauschern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Abgas aus dem Schachtofen abgezogen und zunächst einem
Zyklonabscheider zugeführt.
In dem Zyklonabscheider werden feste Partikel aus dem Abgas abgeschieden.
Anschließend wird
das Abgas durch einen Wärmetauscher
geleitet, in dem der erfindungsgemäße indirekte Wärmeaustausch
mit dem sauerstoffhaltigen Gas erfolgt. Nach dem Wärmetauscher
hat sich die Temperatur des Abgases auf typischerweise 100°C bis 200°C abgesenkt,
so dass dieses direkt über
einen Filter geführt und
dann gereinigt an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Nutzung der
Abgaswärme
zur Vorwärmung
des sauerstoffhaltigen Gases ist die Temperatur des Abgases unmittelbar
vor dem Filter deutlich niedriger als ohne die erfindungsgemäße Wärmerückgewinnung.
In dem Wärmetauscher
wird nämlich
die Temperatur des Abgases von beispielsweise 400°C auf 100°C bis 200°C abgesenkt.
Die zur abschließenden
Abgasreinigung eingesetzten Filter müssen daher deutlich weniger temperaturbeständig sein,
als dies bisher ohne die erfindungsgemäße Wärmerückgewinnung der Fall war.
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In
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem Abgas
stromabwärts des
Wärmetauschers
Luft zugegeben. Auf diese Weise wird zwar die in dem stromabwärtigen Filter
zu reinigende Abgasmenge erhöht,
wodurch größere Filter notwendig
werden, die Temperatur des Abgases kann jedoch durch die Luftzumischung
noch weiter abgesenkt werden. Letzteres erlaubt dann den Einsatz
von einfachen und kostengünstigen
Standardfiltern.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das sauerstoffhaltige Gas in indirektem Wärmeaustausch
mit dem Schachtofen selbst vorgewärmt. Hierzu kann beispielsweise
die Zuleitung für
das sauerstoffhaltige Gas in Form einer Rohrschlange um den Außenmantel
des Schachtes geführt
sein. Vorzugsweise wird ein Großteil,
vorzugsweise mehr als 70%, besonders bevorzugt mehr als 80%, der
Manteloberfläche
des Schachtes als Wärmeaustauschoberfläche genutzt. Die
ansonsten übliche
Wasserkühlung
des Mantels des Schachtofens entfällt. Das so erwärmte sauerstoffhaltige
Gas wird anschließend
den Brennern zugeführt.
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Es
hat sich als besonders günstig
erwiesen, beide oben genannten Ausführungsvarianten zur Vorwärmung des
sauerstoffhaltigen Gases einzusetzen, das heißt die Verbrennungsluft wird
sowohl durch indirekten Wärmeaustausch
mit dem Ofenabgas als auch durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Schachtofen
vorgewärmt.
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Diese
beiden Alternativen zur Vorwärmung können hierbei
entweder parallel oder seriell eingesetzt werden, d. h.:
- • Ein
Teil der Verbrennungsluft wird durch Wärmeaustausch mit dem Ofenabgas
vorgewärmt,
ein anderer Teil durch Wärmeaustausch
mit dem Schachtofen, oder
- • die
Verbrennungsluft wird zunächst
durch Wärmeaustausch
mit dem Ofenabgas und dann durch Wärmeaustausch mit dem Schachtofen
vorgewärmt
oder
- • die
Verbrennungsluft wird zunächst
durch Wärmeaustausch
mit dem Schachtofen und dann durch Wärmeaustausch mit dem Ofenabgas
vorgewärmt.
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Bei
der parallelen Nutzung der beiden Vorwärmungsvarianten wird das sauerstoffhaltige
Gas in zwei Teilströme
aufgeteilt, wobei ein Teilstrom in indirekten Wärmeaustausch mit dem Abgas
und der andere Teilstrom in indirekten Wärmeaustausch mit dem Außenmantel
des Schachtofens gebracht wird. Die beiden auf diese Weise vorgewärmten Teilströme werden
in einer Variante zusammengeführt
und dann zu dem oder den Brennern geleitet. Gemäß einer anderen Variante werden
die Teilströme
als getrennte Ströme
zu dem- oder denselben Brennern geführt. Es ist auch möglich, die
beiden Teilströme
zu unterschiedlichen Brennern zu führen, das heißt, ein
Teil der Brenner wird mit dem ersten Teilstrom, ein anderer Teil
der Brenner mit dem zweiten Teilstrom versorgt.
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Unter
dem oben genannten seriellen Einsatz soll eine Verfahrensweise verstanden
werden, bei der das sauerstoffhaltige Gas zunächst durch Wärmeaustausch
mit dem Abgas und anschließend durch
Wärmeaustausch
mit dem Schachtofen angewärmt
wird. Auch die umgekehrte Vorgehensweise, das heißt zunächst Vorwärmung des
sauerstoffhaltigen Gases mittels des Schachtofens, dann mittels des
Abgases, ist möglich.
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Die
Erfindung ist insbesondere für
kokslos betriebene Kupolöfen,
das heißt
für ausschließlich mit
Brennern befeuerte Kupolöfen
geeignet. Hierbei werden insbesondere Brenner eingesetzt, die mit
einem Brenngas, wie zum Beispiel Erdgas, und mit einem sauerstoffhaltigen
Gas, insbesondere mit Sauerstoff angereicherter Luft, betrieben
werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des erfindungsgemäßen Schachtofens
zum Schmelzen von Ausgangsmaterial zur Herstellung von Mineralwolle.
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Hierbei
zeigt die
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Figur
schematisch einen erfindungsgemäßen Kupolofen
zur Mineralwolleherstellung.
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Der
erfindungsgemäße Kupolofen 1 dient zum
Schmelzen von Ausgangsmaterial zur Mineralwolleherstellung. Der
Kupolofen 1 wird kokslos betrieben und mit mehreren Brennern,
von denen aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur zwei Brenner 2 dargestellt sind, beheizt. Die Brenner 2 besitzen
jeweils eine Brenngaszuführung 3 und
eine Zuführung 4 für ein sauerstoffhaltiges
Gas, insbesondere für
mit Sauerstoff angereicherte Luft.
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Mittels
eines Gebläses 5 wird
Luft angesaugt und durch eine Luftleitung 6 gefördert, welche
sich stromabwärts
des Gebläses 5 in
eine erste Teilleitung 7 und in eine zweite Teilleitung 8 aufteilt.
Unmittelbar vor den Brennern 2 werden die beiden Teilleitungen wieder
zusammengeführt
und münden
als Zuführung 4 in
die Brenner 2.
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Die
Teilleitung 7 verläuft
in Form einer Rohrschlange 9 um den Außenmantel des Kupolofens 1. Im
Betrieb wird auf diese Weise die durch die Rohrschlange 9 strömende Luft
durch den Außenmantel des
heißen
Kupolofens 1 vorgewärmt.
Umgekehrt wird der Außenmantel
des Kupolofens 1 durch die vorbeiströmende Luft gekühlt. Stromabwärts der Rohrschlange 9 ist
eine Mischeinheit 10 vorgesehen, mittels der die vorgewärmte Luft
mit Sauerstoff angereichert werden kann. Die Anreicherung erfolgt
vorzugsweise bis zu einem Sauerstoffgehalt zwischen 25% und 35%.
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Der
nicht durch Teilleitung 7 strömende Teil der angesaugten
Luft wird über
die Teilleitung 8 zu einem Wärmetauscher 11 geführt. Der
Wärmetauscher 11 ist
vorzugsweise als handelsüblicher Luft-Luft-Wärmetauscher,
beispielsweise als Plattenwärmetauscher,
ausgeführt.
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In
dem Wärmetauscher 11 wird
die Luft, wie unten noch näher
ausgeführt
wird, in indirektem Wärmeaustausch
mit dem heißen
Abgas aus dem Kupolofen 1 auf eine Temperatur von zum Beispiel
200°C erwärmt. Die
erwärmte
Luft wird über
eine Leitung 12 ebenfalls den Brennern 2 zugeführt. In
der Leitung 12 ist von Vorteil eine weitere Mischeinheit 13 zur
Anreicherung der Luft mit Sauerstoff vorgesehen.
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Am
Kopf des Kupolofens 1 wird heißes Abgas oder Gichtgas über einen
Gichtgasabzug 14 abgezogen. Der Gichtgasabzug 14 mündet in
einen Zyklonabscheider 15, in dem größere feste Partikel aus dem
Abgas abgeschieden werden. Das so vorgereinigte Abgas mit einer
Temperatur von etwa 400°C wird
anschließend
dem Wärmetauscher 11 zugeführt, um
die Verbrennungsluft für
die Brenner 2 vorzuwärmen.
Hierbei kühlt
sich das Abgas auf eine Temperatur von etwa 100°C bis 200°C ab und kann nach einer weiteren
Reinigung mittels eines Filters 16 an die Umgebung abgegeben
werden.
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Zwischen
Wärmetauscher 11 und
Filter 16 kann zudem eine Luftzufuhrleitung 17 vorgesehen sein. Über die
Luftzufuhrleitung 17 kann das Abgas mit Umgebungsluft verdünnt werden,
wodurch die Abgastemperatur noch weiter gesenkt wird und bei der
folgenden Reinigung ein Filter 16 aus einem kostengünstigeren
Material eingesetzt werden kann.