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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzvorrichtung, insbesondere auf eine Schmelzvorrichtung zum Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe, wie keramischer Fritte.
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Vorrichtungen zum Schmelzen von nichtmetallischen Werkstoffen wie Fritte, Keramik, Glas oder Basalt sind an sich bekannt. Diese weisen üblicherweise eine Schmelzwanne und mehrere Brenner auf, deren Brennerflammen während des Betriebes in das Innere der Schmelzwanne gerichtet sind. Die zugehörigen Brenner werden in der Regel mit fossilen Brennstoffen, meistens Erdgas oder Öl, betrieben. Zum Unterhalt der Verbrennung wird ein Oxidationsmittel zugeführt, bei dem es sich in der Regel um Luft, in neueren Anlagen zunehmend jedoch auch um reinen Sauerstoff handelt. Bei so genannten regenerativen Brennern wird dem Ofeninneren vorgewärmte Luft durch Austrittsöffnungen in der Ofenwand zugeführt.
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In der
EP 2 030 953 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen von Glas beschrieben, bei dem/der ein Glasgemenge über einen Einlassbereich einer Glasschmelzwanne zugeführt wird. Anschließend wird das Glas durch den Wärmeeintrag mehrerer Brenner geschmolzen. Das geschmolzene Gut durchläuft eine Läuterzone und einen Abstehbereich, innerhalb derer gleichfalls eine Zuführung von Wärmeenergie mittels Brennern erfolgt. Im Läuterbereich werden die Brenner dabei so betreiben, dass eine flammenlose Verbrennung stattfindet. Die flammenlose Verbrennung erzeugt eine deutlich gleichmäßigere Wärmeverteilung im Glasschmelzofen. Auf diese Weise kann dem Glasschmelzofen mehr Energie zugeführt werden, da die Temperatur der „Hotspots”, also der Orte mit Temperaturmaxima, niedriger liegt als bei einer ansonsten vergleichbaren Verbrennung mit leuchtender Flamme, wodurch insbesondere die thermische Belastung der Wände der Schmelzwanne wesentlich reduziert wird. Darüber hinaus führt die flammenlose Verbrennung zu geringen NO
x-Konzentrationen im Abgas.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit beim Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe zu erhöhen und die NOx-Belastung des Abgases gegenüber Gegenständen nach dem Stand der Technik zu verringern.
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Gelöst ist die Aufgabe durch eine Schmelzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung umfasst eine Schmelzwanne, die einen Eintragsbereich für das zu schmelzende Gut, einen Ableitungskanal für geschmolzenes Gut sowie eine in einer dem Eintragsbereich gegenüberliegenden Wand angeordnete Brenneranordnung mit mehreren in einem Brennerstein angeordneten Brennern aufweist, wobei wenigstens zwei Brenner der Brenneranordnung derart unterschiedlich winklig angestellt sind, dass sich auf der Oberfläche des aufzuschmelzenden Guts mindestens zwei Zonen mit unterschiedlicher Wärmeeinwirkung ergeben.
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Die Erfindung geht dabei von einem Schmelzofen in Form einer im wesentlichen horizontal angeordneten Wanne (Schmelzwanne) aus, die zumindest über den größten Teil ihrer Längserstreckung von dem zu schmelzenden Werkstoff (im Folgenden: „Gut”) durchlaufen wird, ausgehend von einem Eintragsbereich, der im Bereich einer Stirnseite der Schmelzwanne angeordnet ist und typischerweise Eintragsöffnungen zum Zuführen des aufzuschmelzenden Materials umfasst, wobei die Eintragsöffnungen in der Stirnseite selbst und/oder in der Stirnseite benachbarten Abschnitten einer Seitenwand oder des Deckenbereiches angeordnet sind. Das in fester Form, beispielsweise als Granulat zugeführte Gut wird in einer dem Eintragsbereich benachbarten Schmelzzone aufgeschmolzen und in einen fließfähigen Zustand gebracht. Anschließend durchfließt es die Schmelzwanne in Richtung des Ableitungskanals, der in der Regel im Bereich der der Eintragsöffnung/en gegenüberliegenden Stirnseite der Schmelzwanne in deren Bodenbereich angeordnet ist. Der Transport des Gutes durch die Schmelzwanne hindurch erfolgt bevorzugt dadurch, dass das geschmolzene Gut unter der Wirkung der Schwerkraft in Richtung auf den Ableitungskanal fließt; die Schmelzwanne kann hierzu einen zum Ableitungskanal hin abschüssigen Boden aufweisen. Das geschmolzene Gut wird anschließend über den Ableitungskanal der weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Die Beheizung des zu schmelzenden Guts erfolgt zumindest im Wesentlichen mittels einer Brenneranordnung, die auf einer dem Eintragsbereich für das aufzuschmelzende Gut gegenüberliegenden Wand, bevorzugt oberhalb des Ableitungskanals, angeordnet ist. Weitere Brenner, insbesondere nach Art eines Querbrennofens seitlich zur bestimmungsgemäßen Fließrichtung des Gutes angeordnete Brenner sind im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, jedoch gleichwohl nicht ausgeschlossen. Die Brenneranordnung umfasst mehrere, in einem Brennerstein oder in getrennten Brennersteinen aufgenommene Brenner, die derart winklig eingestellt sind, dass die ihnen entströmenden Brenngase auf die Oberfläche des Guts auftreffen. Die Winkel, um die die Brenner jeweils angestellt sind, hängen von der Geometrie der Schmelzwanne ab; jedoch weisen zumindest zwei Brenner unterschiedliche Winkelanstellungen auf, sodass unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Guts mit Brenngasen beaufschlagt und damit unterschiedliche Zonen des Wärmeeintrags geschaffen werden. Eine gegenüber der Horizontalen flacherer Winkelstellung ist dabei für einen oder mehrere Brenner vorgesehen, die auf einen dem Eintragsbereich benachbarten Bereich der Gutoberfläche einwirken, um in diesem Bereich eine Schmelzzone zum Aufschmelzen des eingetragenen Guts zu schaffen. Ein oder mehrere Brenner mit einer gegenüber den vorgenannten Brennern steileren Winkelstellung gegenüber der Horizontalen dient/dienen dazu, das bereits geschmolzene Gut in einer „Warmhaltezone” auf einer vorgegebenen Temperatur und/oder Viskosität im flüssigen Zustand zu halten. Diese Warmhaltezone liegt also zwischen der Schmelzzone und dem Ableitungskanal. Im Rahmen der Erfindung können zusätzlich weitere funktionelle Zonen innerhalb der Schmelze vorhanden sein und mittels entsprechend winklig angestellter Brenner mit Wärme beaufschlagt werden, beispielsweise eine Läuterzone. Im Ableitungskanal oder im Bereich nachfolgender Transport- oder Verarbeitungsstufen können in an sich bekannter Weise sogenannte „Feederbrenner” vorgesehen sein, die den abfließenden Strang des verflüssigten Gutes auf einer vorgegebenen Temperatur und/oder Viskosität halten.
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Die Anzahl, die Leistung(en) und die Winkelstellung(en) der Brenner ist den Umständen, insbesondere den geometrischen Verhältnissen der Schmelzwanne und der jeweiligen Schmelzaufgabe entsprechend angepasst. So umfasst eine kompakte Vorrichtung beispielsweise drei Brenner, die in einer Brenneranordnung montiert sind, die in einer dem Eintragsbereich gegenüber liegenden Seitenwand der Schmelzwand angeordnet ist. Von diesen Brennern mindestens zwei Brenner zur Aufschmelzen des Gutes vorgesehen sind und mit einem gegenüber der Horizontalen spitzen Winkel von beispielsweise 5° bis 10° in der Brenneranordnung montiert sind. Der Winkel ist so bemessen, dass die aus diesen Brennern tretenden Brenngase auf die Oberfläche des Gutes in einem hier als Schmelzzone bezeichneten, der Eintragszone benachbarten Bereich auftreffen und dort das Schmelzen des eingetragenen Guts bewirken. Der dritte Brenner dient zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur innerhalb der bereits verflüssigten Schmelze in einer Warmhaltezone, die zwischen der Schmelzzone und dem Ableitungskanal liegt. Dieser dritte Brenner weist somit einen gegenüber den beiden anderen Brennern steileren Anstellwinkel von beispielsweise 20° bis 45° gegenüber der Horizontalen auf und besitzt in der Regel eine geringere maximale Leistung als die vorgenannten Brenner. Größere Anordnungen weisen eine Brenneranordnung mit mehr als drei Brennern für die vorgenannten oder weiteren Einsatzzwecke auf.
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Die Brenner der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeiten vorzugsweise mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen wie Öl, Propan, Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen sowie einem sauerstoffhaltigen Gas als Oxidationsmittel. Bevorzugt handelt es sich bei dem Oxidationsmittel um ein sauerstoffreiches Gas, also einem Gas mit einer Sauerstoffkonzentration, die größer als die von Luft ist, beispielsweise mit einer Sauerstoffkonzentration von mehr als 25 Vol.-%, bevorzugt mehr als 40 Vol.-%, besonders bevorzugt mehr als 90 Vol.-% O2.
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Gegenüber Schmelzvorrichtungen nach dem Stande der Technik bietet die erfindungsgemäße Anordnung eine hohe Ausbeute an geschmolzenem Gut bei vergleichsweise kleinem Brennstoffeinsatz und geringem Platzbedarf, damit eine hohe Effizienz, niedrigen Energieverbrauch und eine niedrige NOx-Konzentration im Abgas. Die erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung eignet sich insbesondere zum Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere Glas, keramische Fritte oder Basalt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Winkelstellung wenigstens eines Brenners verstellbar ist. Auf diese Weise kann die Einstellung der Brenner in der Brenneranordnung der jeweiligen Schmelzaufgabe angepasst bzw. optimiert werden. Beispielsweise kann die Winkelstellung jedes Brenners – auch während des Betriebs – stufenlos eingestellt werden;
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung zumindest eines Brenners in Abhängigkeit von in der Schmelzwanne gemessenen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur oder der Zusammensetzung der Atmosphäre in der Schmelzwanne oder der Temperatur oder Viskosität der Schmelze, regelbar ist. Die Regelung erfolgt dabei bevorzugt zonenabhängig, d. h. die Leistung der auf eine Zone einwirkenden Brenner ist jeweils unabhängig von der Leistung der auf die andere(n) Zone(n) einwirkenden Brenner regelbar.
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Bevorzugt ist zumindest einer der Brenner der Brenneranordnung mit Sauerstoff als Oxidationsmittel betreibbar. Durch den Einsatz von Sauerstoffbrennern wird die Wirtschaftlichkeit erhöht und der Anteil an Stickoxiden gegenüber Brennern, die mit Luft als Oxidationsmittel arbeiten, erheblich reduziert. Als „Sauerstoff” wird hier ein Gas verstanden, dessen Sauerstoffanteil mindestens 95 Vol.-%, bevorzugt mindestens 99 Vol.-% beträgt.
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Alternativ oder ergänzend kann es bei einem der Brenner der Brenneranordnung vorteilhaft um einen ein Luft/Sauerstoff-Mischbrenner, bei dem der Sauerstoffanteil des zugeführten Oxidationsmittels eingestellt werden kann, bevorzugt im gesamten Bereich zwischen 21 Vol.-%, dem Sauerstoffanteil in Luft, und 100 Vol-%. Je höher der Sauerstoffanteil des Oxidationsmittels, desto höher kann die Temperatur der Flamme eingestellt werden. Ein Beispiel für einen solchen Brenner ist aus der
WO 2008 092 763 A1 bekannt.
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Vorteilhafterweise kann der Sauerstoffanteil des dem Luft/Sauerstoff-Mischbrenner zugeführten Oxidationsmittels in Abhängigkeit von in der Schmelzwanne gemessenen Parametern geregelt werden. Der Brenner sollte dabei zweckmäßigerweise eine möglichst stufenlose Einstellung des Sauerstoffgehalts im Oxidationsmittel zwischen 21 Vol.-% und 100 Vol.-% ermöglichen. Als Parameter zum Regeln der Sauerstoffkonzentration kommen insbesondere die Temperatur der Atmosphäre innerhalb der Schmelzwanne in Betracht oder Parameter der Schmelze selbst, wie Temperatur oder Viskosität. Neben der Sauerstoffkonzentration kann auch die Winkelstellung eines oder mehrerer Brenner Gegenstand einer Regelung sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein oder sind mehrere Brenner der Brenneranordnung für flammenlosen Betrieb ausgelegt. Dabei werden Brennstoff und/oder Oxidationsmittel für einen oder mehrere Brenner durch die Zumischung von rezirkulierten Brenngasen aus der Atmosphäre der Schmelzwanne soweit verdünnt, dass sich das Verhältnis von Brennstoff zu Oxidationsmittel außerhalb des Zündbereiches verschiebt. Bei der flammenlosen Verbrennung erfolgt die exotherme Oxidation des Brennstoffs aufgrund der Verdünnung nicht mehr örtlich begrenzt, sondern im gesamten Ofenraum, der durch die flammenlosen Brenner abgedeckt wird. Der flammenlose Betrieb ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Schmelzwanne, vermindert die Abnutzung der Ofenwände und führt zu einer geringeren NOx-Konzentration in den Brenngasen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Schmelzen eines Gutes gelöst, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt.
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Eine bevorzugte Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht im Schmelzen nichtmetallische Werkstoffe, insbesondere keramischer Fritte oder Basalt. Insbesondere durch den Einsatz flammenlos arbeitender Luft/Sauerstoff-Mischbrenner können die für das Schmelzen keramischer Fritte erforderlichen Temperaturen zwischen 1200°C und 1650°C problemlos mit geringem Einsatz an Brennstoff und unter Erzeugung eines äußerst NOx-armen Abgases aufrecht erhalten werden.
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Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht,
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2a: die Brenneranordnung der Vorrichtung nach 1 in einer Frontansicht und
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2b: die Brenneranordnung aus 2a in einer Schnittansicht entlang der Linie B-B in 2a.
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Die in 1 gezeigte Schmelzvorrichtung 1 umfasst eine Schmelzwanne 2 mit einem Eintragsbereich 3 zum Zuführen eines Werkstoffs, einem Aufnahmebereich 4 zum Aufnehmen der Schmelze 5 und einem Ableitungskanal 6 zum Wegführen des geschmolzenen Gutes aus der Schmelzwanne 2 zwecks weiterer Verarbeitung. Weiterhin kann im Bereich des Ableitungskanals 6 in an sich bekannter und daher hier nicht weiter interessierenden Weise eine Brennerlanze 7 oder mehrere Brennerlanzen angeordnet sein, deren Aufgabe darin besteht, die Schmelze 5 auf dem Weg zu weiterverarbeitenden Prozessschritten auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
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Zum Schmelzen des Gutes kommt in der Vorrichtung nach 1 eine Brenneranordnung 8 zum Einsatz. Die Brenneranordnung 8 ist in einer dem Eintragsbereich 3 gegenüberliegenden Stirnwand 9 der Schmelzwanne 2 angeordnet und umfasst insgesamt drei in einem Brennerstein 11 angeordnete Brenner 12, 13, 14.
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Wie in 2a, 2b gezeigt, sind die Brenner 12, 13, 14 in Ausnehmungen 16, 17, 18 des Brennersteins 11 aufgenommen. Die Ausnehmungen sind derart ausgebildet, dass eine gegenüber der Horizontalen winklige Anstellung der Brenner 12, 13, 14 innerhalb des Brennersteins 11 ermöglicht wird.
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Die Anstellwinkel α, der Brenner 13, 14 sind dabei so bemessen, dass von den Brennern 13, 14 eine Schmelzzone 20 maximal mit Wärme beaufschlagt wird, in der das aufgegebene Gut aufgeschmolzen wird. Die Schmelzzone 20 liegt bevorzugt in der dem Eintragsbereich zugewandten Hälfte der Schmelzwanne 20; der Anstellwinkel α der beiden Brenner 13, 14 gegenüber der Horizontalen hängt von der Geometrie der Schmelzwanne ab und beträgt beispielsweise zwischen 5° und 10°. Um eine optimale Beaufschlagung der Schmelzzone 20 mit Wärme zu erreichen, können die Brenner 13, 14 im Übrigen zusätzlich auf eine vertikale Mittelebene der Schmelzwanne 20 hin weisend ausgerichtet sein.
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Demgegenüber ist der Anstellwinkel des Brenners 12 so bemessen, dass eine Warmhaltezone 21 innerhalb der dem Ableitungskanal 6 zugewandten Hälfte der Schmelze maximal mit Wärme beaufschlagt wird. Die vom Brenner 12 ausgehende Wärme dient somit insbesondere dazu, die Schmelze 5 vor deren Austrag über den Ableitungskanal 6 im flüssigen Zustand auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Der Anstellwinkel β des Brenners 12 gegenüber der Horizontalen ist daher steiler als der Anstellwinkel α der Brenner 13, 14 und beträgt – wiederum in Abhängigkeit von der Geometrie der Schmelzwanne – beispielsweise zwischen 20° und 45°. Im Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus der Brenner 12 derart in der Ausnehmung 16 aufgenommen, dass der Anstellwinkel β – wie durch den Doppelpfeil 22 in 2b angedeutet – innerhalb eines gewissen Winkelbereichs, beispielsweise zwischen 20° und 30° gegenüber der Horizontalen, variiert und dadurch den Anforderungen der jeweiligen Schmelzaufgabe angepasst werden kann.
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Bei den Brennern
12,
13,
14 handelt es sich jeweils um Mischbrenner des in der
WO 2008 092763 A1 beschriebenen Typs, bei dem als Oxidationsmittel über getrennte Zuführungen sowohl Luft als auch Sauerstoff zugeführt wird, wobei der Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel kontinuierlich zwischen 21 Vol.-% und 100 Vol.-% variiert werden kann. Als Brennstoff kommt im Ausführungsbeispiel Erdgas zum Einsatz, es können jedoch auch andere gasförmige oder flüssige Brennstoffe zum Einsatz kommen. Die Leistung der beiden Brenner
13,
14 ist gleich, während Brenner
12 eine hiervon abweichende Leistung haben kann; beispielsweise beträgt die maximale Leistung der Brenner
13,
14 jeweils 750 kW, während Brenner
12 eine maximale Leistung von 600 kW besitzt. Die Brenner
12,
13,
14 sind für den flammenlosen Betrieb ausgelegt. Im flammenlosen Betrieb wird ein Teil der Verbrennungsgase im Innern der Schmelzwanne
2 rezirkuliert, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Innern der Schmelzwanne
2 erreicht wird.
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Die Leistung der Brenner 12, 13, 14 und der jeweilige Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel kann in Abhängigkeit von in der Schmelze 5 oder in der Atmosphäre im Innern der Schmelzwanne 2 ermittelten Parametern variiert und geregelt werden. Beispielhaft sind in 1 Temperatursensoren 23, 24 gezeigt, die die Temperatur der Ofenatmosphäre messen; jedoch können auch andere Parameter, wie Temperatur oder Viskosität der Schmelze 5 in die Regelung der Brennerleistung eingehen. Mittels der Temperatursensoren 23 24, die im Bereich der Decke der Schmelzwanne 2 oder der seitlichen Wände (von der Brenneranordnung 8 her gesehen) angeordnet sind, kann die Temperatur in der Atmosphäre der Schmelzwanne 2 beispielsweise im Bereich der Schmelzzone 20 und der Warmhaltezone 21 festgestellt und einer hier nicht gezeigten Steuereinheit übermittelt werden. Die Steuereinheit regelt dann die anteilige Zufuhr von Luft und Sauerstoff und/oder von Brennstoff an die Brenner 12, 13, 14 nach einem vorgegebenen Programm in Anhängigkeit von den Werten der gemessenen Parameter. Beispielsweise wird die Befeuerung durch die Brenner 12, 13, 14 so eingestellt, dass im Falle weicher keramischer Fritte eine Temperatur im Bereich der Warmhaltezone 21 von 1360°C aufrecht erhalten wird, im Falle von harter keramischer Fritte eine Temperatur von 1450°C.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 1 durchläuft das zu schmelzende Gut, beispielsweise keramische Fritte, die Schmelzwanne 2 entsprechend der in der 1 gezeigten Pfeile. Das Gut wird über den Eintragsbereich 3 in die Schmelzwanne aufgegeben und in der Schmelzzone 20 mittels der Brenner 14, 15 aufgeschmolzen. Das geschmolzene Gut gelangt in die Warmhaltezone 21, in der es mittels des Brenners 12 auf eine vorgegebene Temperatur gehalten wird. Anschließend verlässt das geschmolzene Gut die Schmelzwanne 2 durch den Ableitungskanal 6 und wird anschließend (hier nicht gezeigt) weiterverarbeitet. Durch den Einsatz von flammenlosen Mischbrennern als Brenner 12, 13, 14 erfolgt eine sehr gleichmäßige, homogene Erwärmung der Schmelze 5 und die Abnutzung der Ofenwände der Schmelzwanne 2 wird vermindert. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Zugleich ist der Ausstoß an Stickoxiden gegenüber Schmelzvorrichtungen nach dem Stande der Technik erheblich verringert.
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Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung kann eine erhebliche Produktionssteigerung gegenüber Anlagen nach dem Stande der Technik erzielt werden. So konnte durch den Einbau einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung die Produktion bestimmter keramischer Fritten in einer Ofenanlage von ca. 20 t/d auf 45 t/d gesteigert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Schmelzwanne
- 3
- Eintragsbereich
- 4
- Aufnahmebereich
- 5
- Schmelze
- 6
- Ableitungskanal
- 7
- Brennerlanze
- 8
- Brenneranordnung
- 9
- Stirnwand
- 10
-
- 11
- Brennerstein
- 12
- Brenner
- 13
- Brenner
- 14
- Brenner
- 15
-
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Ausnehmung
- 19
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- 20
- Schmelzzone
- 21
- Warmhaltezone
- 22
- Doppelpfeil
- 23
- Temperatursensor
- 24
- Temperatursensor
- α, β
- Anstellwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2030953 A1 [0003]
- WO 2008092763 A1 [0014, 0028]
