DE102011014996A1

DE102011014996A1 - Air-oxygen mixing burner in the pan furnace

Info

Publication number: DE102011014996A1
Application number: DE102011014996A
Authority: DE
Inventors: Martin Demuth; Burkard Holleis; Michael Potesser; Gyuala Palmai; Davor Spoljaric
Original assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Current assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-27
Also published as: EP2688846A1; CN103562148A; WO2012130725A1

Abstract

Eine Schmelzvorrichtung umfasst eine Brenneranordnung (8) mit mehreren an einer Seitenwand (9) einer Schmelzwanne (2) angeordneten Brennern (12, 13, 14), aus denen Brenngase jeweils unter einem vorbestimmten Winkel derart auf das zu schmelzende Gut (5) aufgetragen werden, das sich mehrere Zonen unterschiedlichen Wärmeeintrags ausbilden. Bevorzugt kommen dabei flammenlos arbeitende Brenner und/oder Luft/Sauerstoff-Mischbrenner (12, 13, 14) zum Einsatz, bei denen der Anteil von Sauerstoff im zugeführten Oxidationsmittel in Abhängigkeit von in der Schmelzwanne (2) gemessenen Parametern regelbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Herstellung keramischer Fritte geeignet und zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit und niedrige NOx-Werte im Abgas aus.A melting device comprises a burner arrangement (8) with a plurality of burners (12, 13, 14) arranged on a side wall (9) of a melting tank (2), from which fuel gases are applied to the material (5) to be melted at a predetermined angle that form several zones of different heat input. Flame-free burners and / or air / oxygen mixing burners (12, 13, 14) are preferably used, in which the proportion of oxygen in the supplied oxidizing agent can be regulated as a function of parameters measured in the melting tank (2). The device according to the invention is particularly suitable for the production of ceramic frits and is characterized by a high level of economy and low NOx values in the exhaust gas.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzvorrichtung, insbesondere auf eine Schmelzvorrichtung zum Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe, wie keramischer Fritte.The invention relates to a melting apparatus, in particular a melting apparatus for melting non-metallic materials, such as ceramic frit.

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.Devices for melting non-metallic materials such as frit, ceramic, glass or basalt are known per se. These usually have a melting tank and a plurality of burners whose burner flames are directed during operation into the interior of the melting tank. The associated burners are usually operated with fossil fuels, mostly natural gas or oil. To maintain the combustion, an oxidizing agent is supplied, which is usually air, but in newer plants increasingly but also pure oxygen. In so-called regenerative burners preheated air is supplied through the outlet openings in the furnace wall the furnace interior.

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.In the EP 2 030 953 A1 there is described a method and apparatus for melting glass in which a glass batch is fed via an inlet region to a glass melting tank. Subsequently, the glass is melted by the heat input of several burners. The molten material passes through a refining zone and a Abstehbereich, within which also takes place a supply of heat energy by means of burners. In the refining area, the burners will operate in such a way that flameless combustion takes place. The flameless combustion produces a much more uniform heat distribution in the glass melting furnace. In this way, more energy can be supplied to the glass melting furnace, since the temperature of the "hotspots", ie the places with temperature maxima, is lower than in an otherwise comparable combustion with a bright flame, which in particular significantly reduces the thermal load on the walls of the melting furnace. In addition, the flameless combustion leads to low NO _x concentrations in the exhaust gas.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit beim Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe zu erhöhen und die NO_x-Belastung des Abgases gegenüber Gegenständen nach dem Stand der Technik zu verringern.The object of the invention is to increase the cost-effectiveness of melting non-metallic materials and to reduce the NO _x pollution of the exhaust gas compared to objects according to the prior art.

Gelöst ist die Aufgabe durch eine Schmelzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The object is achieved by a melting device having the features of patent claim 1.

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.The melting device according to the invention comprises a melting tank which has an entry region for the material to be melted, a discharge channel for molten material and a burner arrangement arranged in a wall opposite the entry region with a plurality of burners arranged in a burner block, wherein at least two burners of the burner arrangement make such different angles are that on the surface of the melted Guts at least two zones with different heat effect arise.

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.The invention is based on a melting furnace in the form of a substantially horizontally arranged trough (melting tank), which is at least over most of its longitudinal extent of the material to be melted (hereinafter "good"), starting from an entry area, the is arranged in the region of a front side of the melting tank and typically comprises entry openings for feeding the material to be melted, wherein the entry openings are arranged in the front side itself and / or in the front side adjacent portions of a side wall or the ceiling area. The material supplied in solid form, for example as granules, is melted in a melting zone adjacent to the entry region and brought into a flowable state. It then flows through the melting tank in the direction of the discharge channel, which is usually arranged in the region of the entry opening / s opposite end face of the melting tank in the bottom area. The transport of the product through the melting tank preferably takes place in that the molten material flows under the action of gravity in the direction of the discharge channel; For this purpose, the melting tank can have a bottom sloping down to the discharge channel. The molten material is then supplied via the discharge channel for further processing.

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.The heating of the material to be melted takes place at least substantially by means of a burner arrangement which is arranged on a wall opposite the entry region for the material to be melted, preferably above the discharge channel. Further burners, in particular arranged in the manner of a cross-firing furnace laterally to the intended direction of flow of the goods burners are not required in the invention, but nevertheless not excluded. The burner assembly comprises a plurality of burners received in a burner stone or in separate burner bricks, which are set at an angle so that the fuel gases flowing out of them impinge on the surface of the product. The angles by which the burners are each employed depend on the geometry of the melting tank; However, at least two burners on different angular positions, so that different areas of the surface of the Guts charged with fuel gases and thus different zones of heat input are created. A relative to the horizontal flatter angular position is provided for one or more burners, which act on a region adjacent to the entry area of the material surface to create in this area a melting zone for melting the registered Guts. One or more burners with a relative to the horizontal above the above-mentioned burners steeper angular position relative to the horizontal / serve to keep the already molten Good in a "warming zone" at a predetermined temperature and / or viscosity in the liquid state. This holding zone is thus between the melting zone and the discharge channel. In the context of the invention, additional functional zones may additionally be present within the melt and be subjected to heat by means of a burner arranged at an angle correspondingly, for example a refining zone. In the discharge channel or in the area of subsequent transport or processing stages so-called "feeder burners" can be provided in a manner known per se, which keep the outflowing strand of the liquefied material at a predetermined temperature and / or viscosity.

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.The number, the power (s) and the angular position (s) of the burner is adapted to the circumstances, in particular the geometric conditions of the melting furnace and the respective melting task. For example, a compact device includes three burners mounted in a burner assembly disposed in a side wall of the fusible wall opposite the entry region. Of these burners at least two burners are provided for melting the goods and are mounted with a relation to the horizontal acute angle, for example, 5 ° to 10 ° in the burner assembly. The angle is dimensioned so that the fuel gases passing from these burners impinge on the surface of the material in a region designated here as a molten zone, which zone adjacent to the entry zone, where they cause the melting of the introduced material. The third burner serves to maintain a certain temperature within the already liquefied melt in a holding zone located between the melting zone and the discharge channel. This third burner thus has a steeper angle of attack of, for example, 20 ° to 45 ° relative to the horizontal, compared with the two other burners, and generally has a lower maximum power than the aforementioned burners. Larger arrangements have a burner arrangement with more than three burners for the aforementioned or other purposes.

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.The burners of the device according to the invention preferably operate with liquid or gaseous fuels such as oil, propane, natural gas or other hydrocarbons and an oxygen-containing gas as the oxidizing agent. The oxidizing agent is preferably an oxygen-rich gas, ie a gas with an oxygen concentration which is greater than that of air, for example with an oxygen concentration of more than 25% by volume, preferably more than 40% by volume, especially preferably more than 90% by volume O ₂ .

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 NO_x-Konzentration im Abgas. Die erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung eignet sich insbesondere zum Schmelzen nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere Glas, keramische Fritte oder Basalt.Opposite melting devices according to the prior art, the arrangement of the invention provides a high yield of molten Good at a comparatively small fuel consumption and small space requirement, so that a high efficiency, low energy consumption and low NO _x concentration in the exhaust gas. The melting device according to the invention is particularly suitable for melting non-metallic materials, in particular glass, ceramic frit or basalt.

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.An advantageous development of the invention provides that the angular position of at least one burner is adjustable. In this way, the setting of the burner in the burner assembly of the respective melting task can be adjusted or optimized. For example, the angular position of each burner - even during operation - can be adjusted continuously;
A preferred embodiment of the invention is characterized in that the power of at least one burner as a function of parameters measured in the melting furnace, such as the temperature or the composition of the atmosphere in the melting tank or the temperature or viscosity of the melt, is controllable. The regulation is preferably carried out in a zone-dependent manner, ie the power of the burner acting on one zone can be regulated independently of the power of the burner acting on the other zone (s).

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.Preferably, at least one of the burners of the burner arrangement can be operated with oxygen as oxidizing agent. The use of oxygen burners increases the efficiency and significantly reduces the proportion of nitrogen oxides compared to burners that use air as the oxidant. As "oxygen" is meant here a gas whose oxygen content is at least 95 vol .-%, preferably at least 99 vol .-%.

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.Alternatively or additionally, in one of the burners of the burner arrangement, it can be advantageous to use an air / oxygen mixed burner in which the oxygen proportion of the oxidant fed can be adjusted, preferably in the entire range between 21% by volume, the oxygen content in air, and 100 % by volume. The higher the oxygen content of the oxidizing agent, the higher the temperature of the flame can be set. An example of such a burner is from the WO 2008 092 763 A1 known.

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.Advantageously, the oxygen content of the oxidizing agent supplied to the air / oxygen mixing burner can be regulated as a function of parameters measured in the melting tank. The burner should expediently allow an infinitely variable adjustment of the oxygen content in the oxidizing agent between 21% by volume and 100% by volume. In particular, the temperature of the atmosphere within the melting tank or parameters of the melt itself, such as temperature or viscosity, come into consideration as parameters for regulating the oxygen concentration. In addition to the oxygen concentration, the angular position of one or more burners can also be the subject of a control.

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 NO_x-Konzentration in den Brenngasen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, one or more burners of the burner assembly are designed for flameless operation. In this case, fuel and / or oxidant for one or more burners are diluted to such an extent by the admixing of recirculated fuel gases from the atmosphere of the melting tank that the ratio of fuel to oxidant shifts outside of the ignition range. In flameless combustion, the exothermic oxidation of the fuel is due to the dilution no longer localized, but in the entire furnace chamber, which is covered by the flameless burner. The flameless operation enables a more uniform temperature distribution in the furnace, reduces the wear of the furnace walls and leads to a lower concentration of NO _x in the combustion gases.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Schmelzen eines Gutes gelöst, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt.The object of the invention is also achieved by a method for melting a good, in which a device according to the invention is used.

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 NO_x-armen Abgases aufrecht erhalten werden.A preferred use of a device according to the invention consists in melting non-metallic materials, in particular ceramic frit or basalt. In particular, through the use of flameless air / oxygen mixing burners required for the melting of ceramic frit temperatures between 1200 ° C and 1650 ° C can be easily maintained with little use of fuel and to produce an extremely low NO _x exhaust gas.

Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:With reference to the drawings, an embodiment of the invention will be explained in more detail. In schematic views show:

1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht, 1 : a device according to the invention in a sectional view,

2a: die Brenneranordnung der Vorrichtung nach 1 in einer Frontansicht und 2a : the burner assembly of the device after 1 in a front view and

2b: die Brenneranordnung aus 2a in einer Schnittansicht entlang der Linie B-B in 2a. 2 B : the burner assembly off 2a in a sectional view taken along the line BB in FIG 2a ,

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.In the 1 shown melting device 1 includes a melting tank 2 with an entry area 3 for feeding a material, a receiving area 4 for picking up the melt 5 and a drainage channel 6 for removing the molten material from the melting tank 2 for further processing. Furthermore, in the area of the discharge channel 6 in a known per se and therefore not interesting here way a burner lance 7 or more burner lances may be arranged, the task of which is to melt 5 on the way to further process steps to keep at a predetermined temperature.

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.The melting of the material occurs in the device 1 a burner assembly 8th for use. The burner assembly 8th is in one of the entry area 3 opposite end wall 9 the melting tank 2 arranged and comprises a total of three in a burner stone 11 arranged burners 12 . 13 . 14 ,

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.As in 2a . 2 B shown are the burners 12 . 13 . 14 in recesses 16 . 17 . 18 of the burner brick 11 added. The recesses are formed such that an angle relative to the horizontal angular position of the burner 12 . 13 . 14 inside the burner block 11 is possible.

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.The angle of attack α, the burner 13 . 14 are sized so that from the burners 13 . 14 a melting zone 20 maximum is applied to heat, in which the abandoned good is melted. The melting zone 20 is preferably in the entry area facing half of the melting tank 20 ; the angle of attack α of the two burners 13 . 14 relative to the horizontal depends on the geometry of the melting tank and is for example between 5 ° and 10 °. For optimal application of the melting zone 20 to reach with heat, the burners can 13 . 14 in addition, in addition to a vertical center plane of the melting tank 20 pointing out.

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.In contrast, the angle of attack of the burner 12 such that a warming zone 21 within the drainage channel 6 facing half of the melt is subjected to maximum heat. The burner 12 outgoing heat thus serves in particular to the melt 5 before its discharge via the discharge channel 6 keep in the liquid state at a predetermined temperature. The angle of attack β of the burner 12 relative to the horizontal is therefore steeper than the angle α of the burner 13 . 14 and is - again, depending on the geometry of the melting tank - for example, between 20 ° and 45 °. In the embodiment, moreover, the burner 12 such in the recess 16 recorded that the angle of attack β - as indicated by the double arrow 22 in 2 B indicated - within a certain angular range, for example, between 20 ° and 30 ° relative to the horizontal, varies and thereby the requirements of the respective melting task can be adjusted.

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.At the burners 12 . 13 . 14 are it in each case mixed burners in the WO 2008 092763 A1 described type in which as oxidizing agent via separate feeds both air and oxygen is supplied, wherein the oxygen content in the oxidizing agent can be varied continuously between 21 vol .-% and 100 vol .-%. Natural gas is used as fuel in the exemplary embodiment, but other gaseous or liquid fuels may also be used. The power of the two burners 13 . 14 is the same while Brenner 12 may have a different performance; For example, the maximum power is the burner 13 . 14 each 750 kW, while burners 12 has a maximum power of 600 kW. The burners 12 . 13 . 14 are designed for flameless operation. In flameless operation, some of the combustion gases are inside the melting tank 2 recirculates, creating a uniform temperature distribution inside the melting tank 2 is reached.

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.The power of the burner 12 . 13 . 14 and the respective oxygen content in the oxidizing agent may vary depending on in the melt 5 or in the atmosphere inside the melting tank 2 determined parameters are varied and regulated. Exemplary are in 1 temperature sensors 23 . 24 shown, which measure the temperature of the furnace atmosphere; however, other parameters such as temperature or viscosity of the melt may also be used 5 into the regulation of the burner output. By means of temperature sensors 23 24 in the area of the ceiling of the melting tank 2 or the side walls (from the burner assembly 8th her seen), the temperature in the atmosphere of the melting furnace 2 for example in the area of the melting zone 20 and the warming zone 21 determined and transmitted to a control unit, not shown here. The controller then controls the proportionate supply of air and oxygen and / or fuel to the burners 12 . 13 . 14 according to a given program depending on the values of the measured parameters. For example, the firing is through the burners 12 . 13 . 14 adjusted so that in the case of soft ceramic frit a temperature in the range of the warming zone 21 of 1360 ° C is maintained, in the case of hard ceramic frit a temperature of 1450 ° C.

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.When operating the device 1 the material to be melted, for example ceramic frit, passes through the melting tank 2 according to the in the 1 shown arrows. The estate is over the entry area 3 abandoned in the melting tank and in the melting zone 20 by means of the burner 14 . 15 melted. The molten material enters the holding zone 21 in which it means of the burner 12 is maintained at a predetermined temperature. Then the molten material leaves the melting tank 2 through the discharge channel 6 and then (not shown here) further processed. By using flameless mixing burners as burners 12 . 13 . 14 There is a very uniform, homogeneous heating of the melt 5 and the wear of the furnace walls of the melting tank 2 is reduced. As a result, the device according to the invention is particularly suitable for high-temperature applications. At the same time, nitrogen oxide emissions are significantly reduced over prior art melting devices.

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.By using a burner assembly according to the invention, a significant increase in production compared to systems of the prior art can be achieved. Thus, by installing a burner arrangement according to the invention, it was possible to increase the production of certain ceramic frits in an oven plant from about 20 t / d to 45 t / d.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: Schmelzwannemelting furnace
33: Eintragsbereichentry area
44: Aufnahmebereichreception area
55: Schmelzemelt
66: AbleitungskanalWaterway
77: Brennerlanzeburnerlance
88th: Brenneranordnungburner arrangement
99: Stirnwandbulkhead
1010
1111: BrennersteinBrennerstein
1212: Brennerburner
1313: Brennerburner
1414: Brennerburner
1515
1616: Ausnehmungrecess
1717: Ausnehmungrecess
1818: Ausnehmungrecess
1919
2020: Schmelzzonefusion zone
2121: WarmhaltezoneWarming zone
22 22: Doppelpfeildouble arrow
2323: Temperatursensortemperature sensor
2424: Temperatursensortemperature sensor
α, βα, β: Anstellwinkelangle of attack

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2030953 A1 [0003]
WO 2008092763 A1 [0014, 0028]

Claims

Melting device with a melting tank ( 2 ), which has an entry area ( 3 ) for the material to be melted, a discharge channel ( 6 ) for molten goods and one in the entry area ( 3 ) opposite wall ( 9 ) arranged burner assembly ( 8th ) with several in a burner stone ( 10 ) arranged burners ( 12 . 13 . 14 ), wherein at least two burners ( 12 ; 13 . 14 ) of the burner assembly ( 8th ) are set at different angles so that at least two zones (at least two zones on the surface of the material to be melted ( 20 . 21 ) with different heat effect.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the angular position of at least one burner ( 12 . 13 . 14 ) is adjustable.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the power of at least one burner ( 12 . 13 . 14 ) is controllable in dependence on parameters measured in the melting tank.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one burner ( 12 . 13 . 14 ) of the burner assembly ( 8th ) is a burner operable with oxygen as the oxidant.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one burner ( 12 . 13 . 14 ) of the burner assembly ( 8th ) is an air / oxygen mixing burner.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the oxygen content of the air / oxygen mixing burner ( 12 . 13 . 14 ) supplied oxidizing agent as a function of in the melting tank ( 2 ) measured parameters is adjustable.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one burner ( 12 . 13 . 14 ) of the burner assembly ( 8th ) is designed for flameless operation.

Method for melting a product using a device ( 1 ) according to any one of the preceding claims.

Use of a device ( 1 ) according to claim 1 to 6 for melting non-metallic materials, in particular ceramic frit.