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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 Vielkomponen tensystemen,
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
Festkörperreak tionen 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 Heizelektroden 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) 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
- b) 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 Strömungsrich tung 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
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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
Konditionierteils 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 Drücken
der 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.
-
- 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
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 88/08411 [0007]
- - DE 202008003567 U1 [0007]
- - US 4877449 [0008, 0009, 0010]