DE10327201B4

DE10327201B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze in einer Unterdruck-Läuterkammer

Info

Publication number: DE10327201B4
Application number: DE10327201A
Authority: DE
Inventors: Johannes Stinner; Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Leuckel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: DE10327201A1

Abstract

Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze in einer Unterdruck-Läuterkammer, bei dem über einen Steigschacht (2) die zu läuternde Glasschmelze einer waagrechten Läuterbank (1) zugeführt wird, sowie über einen Fallschacht (3) die geläuterte Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung ausgetragen wird, sowie bei dem zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuterbank (1) im Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4) durch mindestens einen Gasbrenner (7) von der Seite her beheizt wird und die Abgase aus diesem Raum (6) der Läuterbank seitlich abgeführt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze in einer Unterdruck-Läuterkammer, bei dem über einen Steigschacht die zu läuternde Glasschmelze einer waagrechten Läuterbank zugeführt wird, sowie über einen Fallschacht die geläuterte Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung ausgetragen wird, sowie bei dem zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Beim Schmelzen von Glas entstehen als Folge der chemischen Umsetzung der Ausgangsstoffe, des Gemenges, beachtliche Mengen an Gasen. Eine grobe Schätzung besagt, daß man aus 1.2 kg Gemenge etwa 1 kg Glas erschmilzt, d.h. während des Einschmelzens ≈ 1/5 des Gemengegewichts in Form von Gas freigesetzt werden. Andere Gase werden körperlich durch das Gemenge mitgeführt oder durch die Verbrennungs-Wärmequellen in das schmelzende Glas eingebracht.

Das meiste Gas entweicht zwar während des anfänglichen Aufschmelzens des Glases, jedoch wird ein beachtlicher Teil des Gases in der Schmelze eingefangen. Ein Teil des eingefangenen Gases wird in der Glasschmelze gelöst, der andere Teil verbleibt als örtliche Gaseinschlüsse, als sogenannte Blasen, in der Schmelze. Dabei wachsen oder schrumpfen die Blasen, wenn der Blaseninnendruck höher oder niedriger ist als der Gleichgewichtsdruck der gelösten Gase. Die Gasblasen haben dabei eine unterschiedliche Größe.

Da diese Gasblasen die Qualität eines aus der Glasschmelze hergestellten Glas- bzw. Glaskeramikkörpers nachteilig beeinträchtigen würden, wird die Glasschmelze von dem Gas geläutert.

Unter dem Läutern von Glas versteht man daher einen dem "eigentlichen" Aufschmelzvorgang in sogenannten Läuterbereichen nachgeschalteten Schmelzverfahrensschritt, der

– eine weitgehende Beseitigung von Gasblasen definierter Größenklassen und
– eine gezielte Einstellung des Gasgehalts der Glaschmelze sicherstellt und dabei gleichzeitig
– in eine komplexe Abfolge von Schmelzprozeßschritten zu integrieren ist.

Dabei ist in der Regel eine scharfe Trennung dieser Verfahrensschritte nicht möglich.

Die Läuterung des Glases ist demnach von höchster Bedeutung für die Qualität des am Ende des Schmelzprozesses vorliegenden Produkts. Der durch den Läuterprozeß eingestellte Zustand der Schmelze ist insbesondere für den nächsten Prozeßschritt des Konditionierens wichtig, da dort die Abläufe wie Resorption von Blasen im Glas als auch Neuentstehen von Blasen im Glas auftreten können.

Für das Läutern haben sich in bekannter Weise verschiedene Methoden herausgebildet.

Die Gasblasen haben von Hause aus durch ihren statischen Auftrieb das Bestreben, in der Schmelze aufzusteigen und dann ins Freie zu entweichen. Dieser Vorgang braucht ohne äußere Einflüsse jedoch eine beträchtliche Zeit, die den Produktionsprozeß wegen langer Standzeiten verteuern würde. Es ist daher bekannt, in der Läuterungszone höhere Temperaturen zu erzeugen, um so die Viskosität der Schmelze und damit die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen zu erhöhen, sowie den Blasendurchmesser zu vergrößern. Diese zusätzliche Temperaturerhöhung erfordert allerdings eine beachtliche Energie, was ebenfalls den Produktionsprozeß kostenmäßig stark belastet.

Bewährt und weitgehend optimiert ist auch die Methode des chemischen Läuterns von Glas mit Oxiden mit temperaturabhängigen Oxidationsstufen. Hierbei kommen insbesondere als Läutermittel Sb(V)-Oxid, As(V)-Oxid und Sn(IV)-Oxid in Frage. Auch ist die NaCl- oder die Sulfatläuterung bekannt. Daneben gibt es exotische Läutermittel sowie ein Mix aus verschiedenen Läutermitteln. Hierbei sollte auch immer der Umweltaspekt berücksichtigt werden. Bei der chemischen Läuterung werden die Aufstiegsgeschwindigkeiten kleiner Blasen dadurch erhöht, indem man sie mit dem Läutergas, z.B. mit O₂ aufpumpt, das aus den Läutermitteln entsteht.

Das chemische Läutern besteht letztlich aus einer Abfolge zeitlich und räumlich miteinander verwobener Elementarschritte. Zunächst werden die in der Rauhschmelze fein dispergierten Blasen durch das Läutergas, z.B. O₂ so stark aufgebläht, daß eine drastische Verkürzung der Aufstiegszeiten eintritt. Gleichzeitig extrahieren die Läuterblasen die im Glas gelösten Gase. In abschließenden Abkühlschritten findet eine möglichst vollständige Resorption der unvermeidlichen Restblasen statt. Als Zielgrößen für eine gelungene Einstellung des Gasgehalts im Glas gelten u.a. Farbe, Wassergehalt und die Reboilbedingungen im wesentlichen von O₂ und SO₂. Eine einmal erreichte befriedigende Blasenqualität darf sich im Absteh- oder Formgebungsprozeß nicht wieder verschlechtern.

Das chemische Läutern hat einige prinzipbedingte Nachteile:

– die Methode funktioniert nicht für jedes Glassystem in befriedigender Weise oder nur bei hoher Temperatur,
– der Läutervorgang benötigt viel Zeit, da die Gasdiffusion in der Schmelze sehr langsam verläuft. Dadurch müssen die Läuterbereiche eine relativ große Ausdehnung haben, was die Produktionskosten erhöht,
– die Läutermittel ändern die Chemie des Glases und damit dessen Eigenschaften; sie sind darüber hinaus z.T. toxisch (Arsen, Antimon).

Wegen dieser Nachteile sind auch sog. physikalische Läuterverfahren bekannt geworden, die die Chemie des Glases weitgehend unbeeinträchtigt lassen. Das physikalische Läutern einer Glasschmelze beruht darauf, daß Blasen mit physikalischen Methoden "gezwungen" werden, an die Oberfläche der Schmelze aufzusteigen, die dann dort zerplatzen und ihren Gasinhalt freigeben oder sich in der Schmelze auflösen.

Ein weitverbreitetes physikalisches Läuterverfahren stellt dabei das sogenannte Unterdruckläutern dar, bei dem das Glas einem Absolutdruck ausgesetzt wird, der zwischen 50 und 500 mbar liegt. Beim Unterdruckläutern wachsen ebenfalls die in der Schmelze vorhandenen Blasen. Das Blasenwachstum ist einmal bedingt durch das Boyle-Mariottesche Gesetz "p·V = const.", d.h. fällt der Druck p ab, so steigt das Volumen V und zum anderen dadurch, daß der Partialdruck der in den Blasen vorhandenen Gase unter den Partialdruck der Gase in der Schmelze erniedrigt wird. Ferner findet eine Diffusion der Gase aus der Schmelze in die Blasen statt. Die Blasen werden durch diese Effekte größer, steigen schneller an die Oberfläche der Schmelze auf, zerplatzen dort oder werden "abgeschröpft". Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß eine spontane Neublasenbildung der gelösten Gase an sogenannten Keimen (Wandung, Miniblasen) stattfindet, was in der Regel zu Schaum führt, der mit geeigneten Methoden bekämpft werden kann.

Das Unterdruckläuterverfahren ist beispielsweise durch die US 1 598 308 bekannt geworden, die das sogenannte Pike-Verfahren beschreibt, bei dem das Glas zunächst in einer Wanne geschmolzen und dann über einen Vorbau einer Unterdruck-Läuterkammer zugeführt wird. Das geschmolzene Glas gelangt dabei über einen Steigschacht zu einer horizontalen Läuterbank der Läuterkammer, auf der die Glasschmelze durch den Unterdruck von den Blasen "befreit" wird. Nach der Läuterung wird das geschmolzene Glas über einen getrennten, zum Steigschacht beabstandet angeordneten Fallschacht wieder auf Normaldruck zurückgebracht und der Weiterverarbeitung zugeführt.

Die Wände der Läuterkammer sind typischerweise mit FF-Materialien zugestellt. Über die Außenwände wird Wärme abgeführt. Hierdurch kühlt sich das Glas ab. Für eine effiziente Läuterung und Entgasung des Glases muß ein glas- und anlagenspezifisches Prozeßfenster eingehalten werden. Kühlt sich das Glas in der Anlage zu stark ab, werden die Prozesse (Blasenaufstieg, Entgasung) verlangsamt und die Läuterung wird behindert. Hierdurch wird die Glasqualität vermindert.

Die Abkühlung des Glases ist besonders kritisch bei

a) kleinen Anlagen mit großer spezifischer Außenfläche und
b) geringen Anlagendurchsätzen.

Um eine zu starke Abkühlung des Glases zu vermeiden, ist es daher ggf. notwendig, Wärmeenergie in den vertikalen Strömungsschächten und/oder in der horizontalen Läuterbank zuzuführen. Dieser zusätzliche Wärmeeintrag wird beispielsweise in der JP (A) 2 – 221 129 beschrieben. Die daraus bekannte Läuterkammer besitzt als Kontaktflächen zu dem Glas eine Platin-Rhodium-Legierung mit einem Rhodium Anteil von 5 bis 20 %. Sowohl der Steigschacht als auch der Fallschacht werden mittels einer äußeren elektrischen Energiequelle im Sinne einer Widerstandsheizung beheizt. In der Läuterbank ist eine Strahlungsheizung in Form von Strahlungsheizkörper aus SiC und MoSi vorgesehen, durch welche die Temperatur des Glases in der Läuterbank auf dem gewünschten Wert gehalten wird.

Die Beheizung über Edelmetall im Steigschacht und im Fallschacht ist sehr aufwendig und teuer. Strahlungsheizkörper in der Läuterbank sind nicht langzeitstabil und müssen während der Anlagenlaufzeit häufig ausgewechselt werden. Für den Austausch der Heizelemente muß die Anlage geöffnet werden. Dies führt zu einer erheblichen Störung des Unterdruckprozesses und zu Anlagenstillständen.

In den Druckschriften US 3,519,412 und US 3,429,684 werden Molybdänelektroden zur direkten Widerstandsbeheizung des Glases unter Unterdruck beschrieben. Die direkte Beheizung über Molybdänelektroden ist nur für Gläser möglich, die eine ausreichende Leitfähigkeit besitzen. Außerdem muß das Molybdän immer von Schmelze umgeben sein, da es sonst von der Ofenatmosphäre oxidiert würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so zu führen bzw. die zugehörige Vorrichtung so auszubilden, daß auf wirtschaftliche Weise und langzeitstabil ein Wärmeeintrag in das Glas in der Läuterbank möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung bei einem Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze in einer Unterdruck-Läuterkammer, bei dem über einen Steigschacht die zu läuternde Glasschmelze einer waagrechten Läuterbank zugeführt wird, sowie über einen Fallschacht die geläuterte Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung ausgetragen wird, sowie bei dem zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, gemäß der Erfindung dadurch, daß die Läuterbank durch mindestens einen Gasbrenner von der Seite her beheizt wird und die Abgase aus der Läuterbank seitlich abgeführt werden.

In entsprechender Weise gelingt die Lösung dieser Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer, bestehend aus einer waagrechten Läuterbank, einem Steigschacht für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze zu der Läuterbank und einem Fallschacht für den Austrag der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung sowie einer Heizeinrichtung für einen zusätzlichen Wärmeeintrag zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer gemäß der Erfindung dadurch, daß in der Läuterbank im Raum oberhalb der Glasschmelze, der als Oberofen ausgebildet ist, seitlich mindestens ein Gasbrenner und seitlich mindestens ein Abzug für die Abgase angeordnet ist.

Das Aufheizen des Glases in der Läuterbank mit Gasbrenner kann wirksam auf wirtschaftliche Weise und langzeitstabil erfolgen, da der Markt entsprechende Gasbrenner zur Verfügung hat.

Die Anwendung von Gasbrennern in einer Unterdruck-Läuterkammer ist an sich bekannt. So wird in der US 4,704,153 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Brenner auf den Schaum in der Läuterbank brennt, mit dem Ziel, den Schaum zu bekämpfen. Der Brenner soll dabei vorzugsweise mit Sauerstoff betrieben werden, um das Abgasvolumen möglichst klein zu halten.

Eine ähnliche Schaumbekämpfungs-Methode hinsichtlich des Blasenschaumes in der Läuterbank zeigt die EP 0 967 180 A1 , gemäß der von oben auf den Schaum bestimmte metallische Verbindungen aufgebracht werden, entweder direkt durch Aufsprühen oder indirekt mittels einer Brennerflamme als Träger. In beiden Fällen können die Brenner jedoch keinen Wärmeeintrag zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer liefern.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet und ergeben sich auch aus der Figurenbeschreibung.

Anhand von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung den Grundaufbau einer Unterdruckläuterkammer mit der erfindungsgemäßen Zusatz-Beheizung der zugehörigen Läuterbank mittels eines Gasbrenners,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gasbrenners nach 1 in einer schematisierten Längsschnitt-Darstellung, bestehend aus einem fossilen Brenner, bei dem die Gasströme auf mehrere Austritts-Düsen aufgeteilt werden,
3 eine Draufsicht auf die Düsen-Austrittsseite des Brenners nach 2,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gasbrenners nach 1 in einer schematisierten Längsschnitt-Darstellung, bestehend aus einem fossilen Brenner, mit Ringspalten als Düsen für Brenngas und Oxydator, und
5 eine Draufsicht auf die Düsen-Austrittsseite des Brenners nach 4.
Die 1 zeigt in einer schematisierten Schnitt-Darstellung eine Unterdruck-Läuterkammer einer Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze, mit einer waagrechten Läuterbank 1, einem Steigschacht 2 für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze zu der Läuterbank und einem Fallschacht 3 für das Austragen der geläuterten Schmelze, die in der Läuterbank 1 ein Glasbad 4 bildet, aus der Läuterkammer zwecks Weiterverarbeitung. Sowohl die Läuterbank 1 als auch die Schächte 2, 3 sind mit einer Umkleidung 5 aus feuerfesten Materialien und einem äußeren Stahlmantel umgeben. An den Raum oberhalb des Glasbades, der einen Ofenraum 6 bildet, ist an der einen Stirnseite der Läuterkammer erfindungsgemäß ein Gasbrenner 7 angeschlossen, wogegen an der gegenüberliegenden Stirnseite ein Abzug 8 für die Verbrennungsgase angebracht ist.
Der Gasbrenner 7 dient dazu, durch einen entsprechenden Wärmeeintrag in den Oberofen 6 über die Flammen, eine zu starke Abkühlung des Glases im Glasbad 4 zu vermeiden.
Die Länge 1 der Läuterkammer beträgt ca. 2 m, bei einer Glasstandshöhe h_G von ca. 200 mm und einer Oberofenhöhe h_O von ca. 400 mm. Die Breite b beträgt ca. 300 mm. Die Läuterkammer ist aus FF-Material aufgebaut. Das Glaskontaktmaterial und das Oberofen-Innenmaterial ist beispielsweise jeweils mit Isoliersteinen hinterlegt, die wiederum mit einem Metallgehäuse zur Druckisolierung versehen sind. Die Druckisolierung kann aber auch direkt hinter dem Oberofenmaterial und dem Glaskontaktmaterial erfolgen.
Für diesen gut isolierten Aufbau liegen die Wärmeverluste in der Läuterkammer bei ca. 15 – 25 kW Um diese Wärmeverluste abzudecken, benötigt man eine Feuerungsleistung bei Oxy-Fuel-Befeuerung von ca. 30 – 40 kW Die überschüssige Leistung geht durch das Abgas verloren.
Der Abstand h_B des Brenners 7 von der Glasbadoberfläche sollte mindestens 150 mm betragen. Optimal ist ein Mindestabstand von ca. 250 mm. Bei Flammen mit einem großen Flammendurchmesser muß der Abstand noch weiter vergrößert werden. Hierfür ist ein größerer Oberofenaufbau notwendig.
An die Ausbildung des Gasbrenners 7, auch Fossil-Brenner genannt, in welchem ein fossiles Brenngas, insbesondere Erdgas, zusammen mit einem Oxydator, bevorzugt Sauerstoff, verbrannt wird, sind eine Reihe von Randbedingungen bei der Beheizung des Ofenraumes in einer horizontalen Läuterbank zu berücksichtigen. So muß darauf geachtet werden, daß der Energieeintrag in den Ofenraum 6 möglichst homogen ist. Sonst können Überhitzungen des FF-Materials 5 oder des Glasbades 4 auftreten. Außerdem sollten hohe Gasgeschwindigkeiten über der Glasbadoberflöche vermieden werden, um die Verdampfung von leichtflüchtigen Glaskomponenten zu verhindern. Dies würde zu Inhomogenitäten in der Schmelze führen und hätte somit Glasfehler im Produkt zur Folge.
Beim Einsatz von Brennern im Unterdruck-Ofenraum sind gegenüber Normaldruck besondere Randbedingungen zu beachten:

a) das spezifische Volumen des Brenngases nimmt umgekehrt proportional zum Druck zu. Dies führt dazu, daß die Austrittsgeschwindigkeiten (bei gleicher Brennergeometrie und gleicher Leistung) umgekehrt proportional mit sinkendem Druck ansteigen. Die Brennergeometrie kann daher nicht beliebig verkleinert werden, da bei kleineren Geometrien und gleichem Durchsatz die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit stark ansteigt, kann sie in die Größenordnung der Schallgeschwindigkeit kommen und starke Lärmbelästigung erzeugen.
b) Der Strahlungswärmeübergang von der Flamme an die Wände und die Schmelzoberfläche wird mit abnehmendem Druck wesentlich schlechter, da sich deutlich weniger strahlende Teilchen im Volumen befinden. Der Strahlungswärmeübergang wird im wesentlichen durch das Produkt von strahlender Schichtdicke und Partialdruck der strahlenden Komponenten beeinflußt.

Als Brenner 7 können beispielsweise "Rohr – im – Rohr" – Brenner verwendet werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser konzentrisch zueinander angeordnet sind. Über das zentrale Rohr wird das Brenngas und über das umgebende Rohr der Oxydator zugegeben.
Die Austritsseite der Rohre ist düsenförmig ausgebildet.
Derartige Brenner sind in vielfältigen Ausführungen von verschiedenen Firmen auf dem Markt und werden mit großem Erfolg auch für die Beheizung von Schmelzwannen in der Glasindustrie eingesetzt (HVG-Mitteilung Nr. 1847, "Sauerstoff-Erdgasbefeuerung für Glasschmelzöfen, Erfahrungen aus der Praxis" von R. Beerkens, Eindhoven).
Die Austrittsflächen des Innen- und Außenrohres, die beide jeweils typischerweise durch Metallrohre gebildet sind, legen über die pro Zeiteinheit austretenden Mengen an fossilem Brenngas, typischerweise Erdgas, die Brennerleistung fest. Die Flammenform und hier insbesondere die Flammenlänge, werden typischerweise durch die Durchmesser der beiden Rohre festgelegt. Sie sind bei herkömmlichen Brennern konstant.
Für die nachfolgende Brennergeometrie wurde eine Beispielrechnung zur Flammenlänge durchgeführt:

Innenrohr: Innendurchmesser = 35 mm, Wandstärke 2,5 mm

Außenrohr: Innendurchmesser = 65 mm.
Für Erdgas und Sauerstoff ergibt sich etwa eine Geschwindigkeit von 10 m/s. Am Düsenaustritt (Temperatur ca. 25 ° C) beträgt die kinematische Viskosität 150·10^–6 m²/s. Hieraus berechnet sich die Reynoldszahl am Düsenaustritt zu Re = 4200. Die Strömung am Düsenaustritt ist somit nahezu laminar (vollkommene Turbulenz gilt erst für Reynoldszahlen Re > ca. 20 000).
Erhöht man die Geschwindigkeit am Brenneraustritt durch Verkleinerung der Düsendurchmesser auf 40 m/s, so ergibt sich eine Reynoldszahl am Düsenaustritt von lediglich Re = 8500. Auch für diesen Fall ist die Strömung am Düsenaustritt nur schwach turbulent. Spätestens nach dem Eintritt in den Ofenraum 6 nimmt die Temperatur im Strahl sehr stark zu, das Gas wird zäher und die Reynoldszahl fällt stark ab. Dies führt dazu, daß sofort nach Eintritt in den Ofenraum eine Laminarisierung eintritt. Die Stoffaustauschvorgänge beruhen somit allein auf dem molekularen Stofftransport. Dieser ist im Vergleich zum turbulenten Stofftransport deutlich langsamer. Die Mischung von Sauerstoff und Erdgas, die im wesentlichen für die Flammenlänge verantwortlich ist, verlangsamt sich hierdurch. Der Ausbrand wird verzögert und die Flamme verlängert sich.
Auf Basis des laminaren Stofftransports wurden abschätzende Rechnungen für Flammenlängen bei einem Absolutdruck von 100 mbar gemacht. Die Flammenlängen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengetragen:
Es zeigt sich deutlich, daß ein vollständiger Ausbrand mit einem konventionellen "Rohr – im – Rohr" – Brenner in einem Ofenraum einer Läuterbank von ca. 2 m nicht möglich ist. Hierbei sollte die Ausbrandlänge nicht größer als 1,5 m sein, um eine Überhitzung der gegenüberliegenden Wand oder des Abgaskanals zu vermeiden. Ein konventioneller "Rohr – im – Rohr" – Brenner wäre daher nur bei langen Läuterbänken sinnvoll einsetzbar.
Um einen Einsatz von "Rohr – im – Rohr" – Brennern in Läuterkammern mit einer Länge im Bereich von 2 m zu ermöglichen, wäre eine Verkürzung der Flammenlänge notwendig, was konstruktiv bei den herrschenden Unterdruckbedingungen zumindest nicht ohne weiteres möglich ist.
Eine Flammenverkürzung kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die Gasströme auf mehrere Düsen aufgeteilt werden. Hierdurch werden die Diffusionswege und somit die Ausbrandlänge verkürzt. Eine mögliche Düsenanordnung zeigen die 2 und 3.
Der dort gezeigte Brenner besitzt eine große Austritts-Düse 9 mit dem Durchmesser Di am Ende eines Rohres 10. Die Düse 9 und das Rohr 10 sind von einem Kühlmantel 11 konzentrisch umgeben. Das Rohr 10 dient der Zufuhr des Oxydators. Im Rohr 10 ist konzentrisch ein Rohr 12 angeordnet, das der Zufuhr des Brenngases dient. Dieses Rohr 12 weist eine innere Kühlanordnung 13 auf und besitzt mehrere, im dargestellten Beispiel sechs kleine Austrittsdüsen 14 mit dem Durchmesser di, die in einem Kreis mit dem Radius a um die zentrische Längsachse angeordnet sind. Der Durchmesser dieses Kreises sollte etwa 2/3 des Durchmessers der Oxydatordüse 9 entsprechen. So ist gewährleistet, daß jeder Brenngasstrahl eine ausreichende Oxydatormenge zur Verfügung hat.
Die Geschwindigkeiten von Brenngas und Oxydator sollten so gewählt werden, daß die Schergeschwindigkeiten zwischen dem Brenngas- und Oxydatorstrom möglichst groß sind. Große Geschwindigkeitsunterschiede fördern die Mischung und verkürzen die Ausbrandlänge. Die Mindestgeschwindigkeit des Oxydators ergibt sich dabei aus der Rückzündgeschwindigkeit des Brenngas/Oxydators. Diese sollte auf jeden Fall überschritten werden, um die Rückzündung des Gemischs im Brennerkopf zu vermeiden.
Für die Flammenverkürzung kann alternativ dazu auch der Oxydatorstrahl aufgeteilt werden. Dies kann insbesondere bei niederkalorischen Brenngasen von Vorteil sein, bei denen der Brenngasstrom größer ist als der Oxydatorstrom.
Der in den 2 und 3 dargestellte Brenner ist typischerweise für eine Leistung von 30 – 60 kW für Erdgas/Sauerstoff bei 100 – 200 mbar ausgelegt. Er kann allerdings auch für kürzere Zeit auch bei höheren Drücken bis Normaldruck betrieben werden, ohne daß große Schädigungen auftreten. Der Brenngasstrom wird auf sechs Einzelstrahlen aufgeteilt, die einen Innendurchmesser di von je 8 mm haben. Der Abstand a der Einzelstrahlen zur Zentralachse beträgt ca. 20 mm. Der Innendurchmesser der Sauerstoffdüse Di beträgt 60 mm. Die Geschwindigkeit des Sauerstoffs sollte in jedem Fall oberhalb der Rückzündgeschwindigkeit des Gasgemisches liegen. So können überhöhte Flammenwurzeltemperaturen vermieden werden, die zur Schädigung des Feuerfestmaterials führen. Für die zuvor beschriebenen Fälle liegt die Ausbrandlänge unter 1,5 m.
Die dargestellte Kühlung 11, vorzugsweise eine Wasserkühlung, soll verhindern, daß der Brenner durch die hohen Temperaturen im Ofenraum beschädigt wird. Falls der Brenner vorübergehend nicht zur Beheizung benötigt wird, sollte er mit einem kleinen Anteil von Sauerstoff durchströmt werden. Ansonsten können Glasverdampfungsprodukte in den Brenner gelangen, die kondensieren und Anbackungen im Brenner bilden. Dies hätte zur Folge, daß der Brenner verstopfen kann oder die Strömung und die Flamme behindert wird. Teile des Brenners können beispielsweise auch aus hochtemperaturfester Keramik bestehen, die somit nicht direkt gekühlt werden müssen. Dies ist insbesondere für die Stirnseite des Brenners sinnvoll. Hierdurch kann der Energieverlust über die Brennerkühlung deutlich verringert werden.
Eine weitere Möglichkeit mittels der Brennergeometrie die Flamme zu verkürzen, ist eine Ringspaltanordnung für die Zufuhr von Brenngas und Oxydator. Diese Anordnung ist in den 4 und 5 dargestellt. Der dort gezeigte Rohr – im – Rohr – Brenner besitzt ein inneres Rohr 15 für die Zufuhr des Oxydators, mit der Austrittsdüse 15a, die einen Durchmesser di aufweist. Ferner ist ein äußeres, konzentrisches Rohr 16 für eine weitere Zufuhr des Oxydators mit der Austrittsdüse 16a, die einen größeren Durchmesser Di aufweist, vorgesehen.
Zwischen diesen beiden Rohren 15 und 16 ist ein konzentrisches Rohr 17 für die Zufuhr des Brenngases angeordnet, das zu dem inneren Rohr 15 einen Ringspalt mit der Spaltbreite "s" bildet. Außen ist, wie im Fall der Konstruktion nach 2, eine Kühlung 11 vorgesehen. Bei dieser Brennerkonzeption wird somit der Brenngasstrom in einem Ringspalt zugeführt, der innen und außen von Oxydator umgeben ist. Gegenüber der einfachen Rohr – im – Rohr – Anordnung wird der Diffusionsweg und somit die Flammenlänge deutlich verkürzt.
Der Oxidatorstrom kann dabei variabel zwischen Innen- und Außenrohr aufgeteilt werden. Hierdurch kann die Strömung und somit die Flammenlänge während des Betriebs variiert werden.
Bei niederkalorischen Brenngasen kann es auch hier sinnvoll sein, den Oxydator im Ringspalt und das Brenngas innen und außen aufzugeben.
Der Sauerstoff/Erdgasbrenner nach den 4 und 5 ist ebenfalls für eine Leistung von 30 – 60 kW ausgelegt. Der Druckbereich dieses Brenners liegt auch bei ca. 100 – 200 mbar. Der Sauerstoff strömt durch das Innenrohr 15 mit einem Durchmesser di von ca. 35 mm und das Außenrohr 16 mit einem Durchmesser Di von ca. 60 mm. Durch den mittleren Spalt strömt Erdgas in den Brennraum. Die Spaltbreite s beträgt ca. 3 mm. Die Ausbrandlänge liegt auch für diese Anordnung unter 1,5 m.
Die Brenner 7 sind bevorzugt, wie in 1 dargestellt, an der Stirnseite der Läuterbank 1 angebracht. Es ist allerdings auch möglich, sie seitlich quer oder in einem angestellten Winkel zur Glasströmung anzubringen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Energieverteilung über die Länge gezielt eingestellt werden muß.
Die Abgase können, wie dargestellt, über einen Abzug 8 abgeführt werden, der sich insbesondere bei kleinen Anlagen auf der gegenüberliegenden Seite des Brenners befindet. Bei großen Anlagen können auch mehrere Abzüge sinnvoll sein. Der Abzug befindet sich wenn möglich auf gleicher Höhe wie die Brenner, um Auftriebseffekten entgegenzuwirken. Außerdem sind die Abzüge ausreichend groß dimensioniert, um große Abgasgeschwindigkeiten zu vermeiden.
Eine weitere Möglichkeit, die Wärme effizient an das Glas zu übertragen, ist die Anwendung von Non-transfened-Arc Plasmabrennern. Hierbei strömt ein Trägergas durch einen Lichtbogen und wird ionisiert. Das ionisierte Gas gibt über Strahlung und Konvektion die Wärme an die Wände und das Glas ab. Plasmabrenner haben bei niedrigen Drücken ebenfalls kurze Flammen. Hierdurch kann die Überhitzung an den Wänden oder im Abzug vermieden werden.
Das Wärmeübertragungsverhalten des Plasmabrenners kann verbessert werden, indem beispielsweise H₂O oder CO₂ als Trägergas verwendet wird. Diese haben gegenüber den üblichen Trägergasen (N₂, Luft) den Vorteil, daß sie auch Wärme über Strahlung übertragen können.
Bei der Verwendung von Plasmabrennern ergibt sich außerdem der Vorteil, daß die Ofenatmosphäre exakt eingestellt werden und an das Glas angepaßt werden kann. Dies ist von Vorteil, wenn Abgaskomponenten durch Reduktionsreaktionen die Glasqualität beeinträchtigen. Außerdem kann ein hoher Wasseranteil in der Atmosphäre dazu führen, daß der Wassergehalt im Glas steigt und somit die optischen und/oder die chemischen Eigenschaften verändert werden. Für diesen Fall eignen sich beispielsweise Plasmabrenner, die mit Argon oder Stickstoff betrieben werden.
Die zuvor beschriebenen Beheizungsmethoden eignen sich gegebenenfalls auch zur Beheizung von Unterdruckschmelzaggregaten. Hier sind insbesondere kleine diskontinuierliche Anlagen zu nennen. Durch den Einsatz der zuvor beschriebenen speziellen Beheizungssysteme im Unterdruck wird ein homogener Energieeintrag erreicht. Dies führt zu einem gleichmäßigen Aufschmelzen des Gemenges. Überhitzung des Glases und des FF-Materials wird vermieden. Darüber hinaus kann durch niedrige Gasgeschwindigkeiten über der Glasoberfläche und der Gemengedecke die Verstaubung durch Carry-Over und Verdampfung von Glasbestandteilen vermindert werden.

Claims

Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze in einer Unterdruck-Läuterkammer, bei dem über einen Steigschacht (2) die zu läuternde Glasschmelze einer waagrechten Läuterbank (1) zugeführt wird, sowie über einen Fallschacht (3) die geläuterte Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung ausgetragen wird, sowie bei dem zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuterbank (1) im Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4) durch mindestens einen Gasbrenner (7) von der Seite her beheizt wird und die Abgase aus diesem Raum (6) der Läuterbank seitlich abgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4) durch mindestens einen fossilen Gasbrenner (7) unter Zufuhr von fossilem Brenngas und einem Oxydator beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Oxydator und/oder das Brenngas durch mehr als je eine Öffnung in den Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Oxydator einen Sauerstoffanteil größer 21 Vol.-% enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, bei dem als Brenngas, Erdgas, H₂, Acetylen, Methan, sonstige Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung aus diesen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4) durch mindestens einen "Non-transferred Arc"-Plasmabrenner unter Zufuhr eines Trägergases beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Trägergas N₂, Luft, Argon, O₂, ein Edelgas, 2CO₂, oder, H₂O, oder eine Mischung dieser Gase verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Trägergas angefeuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Abführen der Abgase aus dem Raum (6) oberhalb der Läuterbank auf der Seite der Läuterbank erfolgt, die der Zufuhr der heißen Brennergase gegenüber liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Abführen der Abgase auf derselben Höhe oberhalb des Glasbades wie die Zufuhr der heißen Brennergase erfolgt.
Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer, bestehend aus einer waagrechten Läuterbank (1), einem Steigschacht (2) für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze (4) zu der Läuterbank und einem Fallschacht (3) für den Austrag der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung, sowie einer Heizeinrichtung für einen zusätzlichen Wärmeeintrag zum Ausgleich von Wärmeverlusten in der Läuterkammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Läuterbank (1) im Raum (6) oberhalb der Glasschmelze (4), der als Oberofen ausgebildet ist, seitlich mindestens ein Gasbrenner (7) und seitlich mindestens ein Abzug (8) für die Abgase angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (7) als fossiler Gasbrenner, dem ein fossiles Brenngas und ein gasförmiger Oxydator zugeführt ist, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (7) als Rohr – im – Rohr – Brenner ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (7) ein äußeres Rohr (10) mit großer Austrittsdüse (9) zum Zuführen des einen Gases und ein inneres Rohr (12) mit mehreren, innerhalb der großen Austrittsdüse (9) angeordneten kleinen Austrittsdüsen (14) zum Zuführen des anderen Gases besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Austrittsdüsen (9) auf einem Kreisbogen mit der zentrischen Brennerachse als Mittelpunkt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (7) neben einem äußeren und einem inneren Rohr (15, 16) ein Zwischen-Rohr (17) aufweist, welches das innere Rohr (15) unter Bildung eines Ringspaltes (s) konzentrisch umschließt, und daß das eine Gas im Ringraum zwischen dem äußeren Rohr (16) und dem Zwischenrohr (17) sowie im inneren Rohr (15) und das andere Gas im Ringraum zwischen dem Innenrohr (15) und dem Zwischenrohr (17) zugeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner als "Non-transferred Arc"-Plasmabrenner, dem ein zu ionisierendes Trägergas zuführbar ist, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug (8) an der Seite der Läuterbank (1) angebracht ist, welche der Seite, an welcher der Brenner (7) angebracht ist, gegenüber liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abzug (8) auf derselben Höhe oberhalb des Glasbades (4) wie der Gasbrenner (7) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, mit einer rechteckförmigen Läuterbank (1), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gasbrenner (7) an der Schmalseite der Läuterbank angeordnet ist.