-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schmelzwanne,
insbesondere einer solchen für
Glas oder Glaskeramik.
-
Zur
Gewinnung größerer Mengen
an Glas oder Glaskeramik, insbesondere bei maschineller Herstellung,
werden Wannenöfen
verwendet. Sie bestehen in der Regel aus einem Unter- und einem Oberofen,
sowie Kammern, in denen Brennluft vorgewärmt wird. Der Unterofen ist
das eigentliche Schmelzgefäß für das Gemenge,
und besitzt die Form einer Wanne mit einem Wannenboden und etwa
einem Meter hohen Wannenwänden.
Der Unterofen wird von einem Oberofen überwölbt.
-
Überwiegend
verwendet man heute zweiräumige
Wannen, bei denen der Unterofen deutlich zweigeteilt ist, und zwar
in eine Schmelzwanne und eine Arbeitswanne, die durch einen bodennahen
Kanal, den so genannten Durchlass, miteinander verbunden sind. Der
Oberofen kann ebenfalls mehrräumig
ausgebildet sein.
-
In
der Schmelzwanne für
Glas wird das Gemenge zum Glas aufgeschmolzen, und das Glas erhitzt
und geläutert.
Die Energiezufuhr erfolgt hierbei überwiegend von oberhalb der
Gemenge- bzw. Glasbadoberfläche
unter Zuhilfenahme von Brennern, deren Flamme das Gemenge und das
Glas erhitzen. In der Regel werden hierbei die Brenner in einem
Brennerstein gehaltert, der Bestandteil eines Brennerblocks ist.
Der Brennerblock ist hierbei in der Wand der Schmelzwanne eingelassen.
-
Für die Schmelzwannenbeheizung
sind im wesentlichen zwei Brennertypen gebräuchlich.
-
Ein
Brennertyp ist der luftbefeuerte Brenner. Für dessen Betrieb ist in der
Schmelzwannenwand eine große Öffnung,
das so genannte Brennermaul, eingelassen, über das dem Oberofen vorgewärmte Luft
zugeführt
wird. Über
den im Brennerblock gehalterten Brenner wird das Brennmittel zugeführt, beispielsweise Öl und/oder
Gas. Zum Verbrennen des entsprechenden Brennmittels müssen sich
der Brennmittelstrom und der Luftstrom auf geeignete Weise treffen,
und müssen
insofern hinsichtlich ihrer Ausrichtung aufeinander abgestimmt werden.
In der Praxis wird dies dadurch realisiert, dass das Brennermaul
feststehend ist, und der Brennmittelstrom nach den Erfordernissen
des Einzelfalles angepasst wird.
-
Eine
Schmelzwanne mit einem luftbefeuertem Brenner offenbart die
EP 0 513 426 A1 ,
welche das Ziel verfolgt, sowohl mit gasförmigen als auch mit flüssigen Brennstoffen
arbeiten zu können.
Um den Aufwand für
die Umstellung der Befeuerung von gasförmigen Brennstoffen auf flüssige Brennstoffe
oder umgekehrt zu vermindern, ist ein austauschbarer Brennerstein
vorgesehen, welcher ein nach allen Richtungen schwenkbares und auch
auswechselbares Einsatzteil aufnimmt, welchem die Brennerlanze zugeordnet
ist.
-
Die
DE 32 18 392 A1 offenbart
eine Brennerhalterung, der ein Brennerstein zugeordnet ist. Ein luftbefeuerter
und auswechselbarer Brenner ist hierbei horizontal und vertikal
schwenkbar angeordnet. Die Verschwenkbarkeit soll hierbei dem Zweck
einer optimalen Befeuerung des Ofenraumes dienen.
-
Die
EP 0 496 963 A1 lehrt
den Einsatz eines luftbefeuerten Ofens mit einem fest eingebauten Brennerstein.
Um den Brennmittelstrahl hinsichtlich seiner Richtung zu variieren,
ist die Dichtung zwischen Düse
und Brennerstein so ausgebildet, dass die Düse des Brenners noch in gewissen
Grenzen veränderbar
ausgerichtet werden kann. Dadurch soll ein Ansetzen von Brennstoff
und dessen Verkokung an der Innenwand des Brennstoffdurchlasses
an den Düsenstein
vermieden werden.
-
Die
DE 42 33 045 C2 zeigt
einen Brennerstein mit vertikal verstellbarer Lanze für einen
luftbefeuerten Brenner. Die Vertikalverstellbarkeit dient hierbei
zur Verminderung der NO
x-Bildung bei der Verbrennung.
-
Die
DE 195 20 649 A1 offenbart
eine Schmelzwanne, bei der die luftbefeuerten Brenner auf beiden
Seiten der Längsachse
angeordnet sind. Die Brenner sind hierbei in einer Richtung senkrecht zur
Längsachse
paarweise gegenüberliegend
positioniert, und werden zeitlich abwechselnd zu- bzw. abgeschaltet.
Um die Gewölbetemperatur
zu senken und darüber
eine NO
x–Entstehung zu unterdrücken, werden
die Flammen in der Horizontalen schräg zur besagten Richtung senkrecht
zur Längsachse
ausgerichtet.
-
Ein
zweiter für
Schmelzwannen eingesetzter Brennertyp ist der Sauerstoffbrenner,
der durch eine koaxiale Zufuhr von Sauerstoff und Brennmitteln bestimmt
ist. Durch die Wahl von Sauerstoff wird verhindert, dass bei der
Verbrennung auch Stickstoff zugeführt wird, so dass sich die
bei luftbefeuerten Anlagen einstellenden Probleme von NOx-Gasen bei dieser Art der Befeuerung nicht
in diesem Maße
stellen können.
-
Bei
der
US 6,079,229 sind
Sauerstoffbrenner nicht paarweise gegenüberliegend auf einer Achse senkrecht
zur Längsachse
der Schmelzwanne angeordnet, sondern sind bezüglich der Längsachse mit Versatz angeordnet.
Der Versatz soll dazu dienen, die Gewölbetemperatur in örtlicher
Hinsicht zu vergleichmäßigen.
-
Die
EP 1 243 565 A2 lehrt
ein Verfahren zum Erschmelzen von Glas mit Sauerstoffbrennern, wobei Sauerstoffbrenner
auf beiden Seiten der Längsachse der
Wanne angeordnet sind. Die Brenner sind hierbei bezogen auf eine
Richtung senkrecht zur Längsachse
paarweise zueinander versetzt angeordnet. Um Schaum auf der Glasoberfläche zu zerstören, werden
die Brenner auf die Glasoberfläche,
d. h. gegenüber
der Vertikalen, geneigt.
-
Die
EP 0 573 075 B1 lehrt
den Einsatz von Sauerstoffbrennern auf beiden Seiten der Längsachse
und zueinander gegenüberliegend
angeordnet und ist befasst mit der Herstellung von Gläsern welche
einen geringen Alkaligehalt aufweisen.
-
In
der
EP 0 115 863 A1 wird
versucht Flammenüberlappungen
bei den darin beschriebenen Sauerstoffbrennern zu vermeiden, um
Temperaturüberhöhungen auszuschließen dadurch,
dass die Brennerflammen in der xy-Ebene schräg zur y-Achse ausgerichtet
werden. Dies geschieht jeweils in dieselbe Richtung, also entweder
in die x- oder in die (-x)-Richtung. Hierdurch ist kein maximaler
Energieeintrag möglich.
-
Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem es möglich
ist, pro Zeiteinheit einen größeren Energieeintrag
in das Gemenge oder das Glas realisieren zu können.
-
Die
Lösung
dieses technischen Problems erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
-
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der maximal mögliche Energieeintrag
in das Gemenge bislang dadurch begrenzt war, dass durch die Flammenüberlappung
bei Sauerstoffbrennern lokale Temperaturspitzen auftraten. Speziell
beim Einsatz von Sauerstoffbrennern kommt es in den Überlappungsbereichen
der Flammen zu überhöhten Temperaturen.
Diese Temperaturüberhöhung ist
im Vergleich zu eingesetzten luftbefeuerten Brennern wegen der unterschiedlichen
Flammencharakteristika ungleich stärker ausgeprägt und kann
ohne Einleitung von Gegenmaßnahmen
zu einer Überhitzung der
Glasoberfläche
oder des keramischen Materials des Wannengewölbes führen, und damit zu einer geminderten
Qualität
des aus der Schmelze hergestellten Produktes oder zu einer Verminderung
der Lebensdauer der Schmelzwanne.
-
Die
vorstehend genannte Problematik des begrenzten Energieeintrages
stellt sich hierbei insbesondere bei kleineren Schmelzwannen, worunter Schmelzwannen
mit einer Längserstreckung
von maximal 20 m verstanden werden. Bei kleineren Schmelzwannen
müssen
die Brenner, und damit auch die Brennerflammen, dicht nebeneinander
positioniert werden, wodurch es in besonderem Maße zu den vorstehend genannten
Flammenüberlappungen kommen
kann.
-
Aufbauend
auf dieser Erkenntnis besteht die Lösung in einem Verfahren zum
Betrieb einer Schmelzwanne, bei dem ein Gemenge durch Befeuerung über Sauerstoffbrenner
aufgeschmolzen und/oder gleichzeitig erhitzt wird, bei dem in einer Aufsicht
auf die Schmelzwanne die Brenner auf beiden Seiten der als x-Achse
bezeichneten Längsachse,
und bezogen auf die hierzu senkrechte, als y-Achse bezeichnet Achse
einander paarweise gegenüberliegend
angeordnet sind, und bei dem die Brennerflammen in der xy-Ebene
schräg
zur y-Achse ausgerichtet werden, darin dass von jedem einander gegenüberliegenden
Brennerpaar die eine Brennerflamme in x-Richtung und die andere
Brennerflamme in (-x)-Richtung ausgerichtet werden.
-
Durch
die dergestalt vorgenommene Querflammenanordnung werden Flammenüberlappungen vermieden,
darüber
lokale Temperaturüberhöhungen,
was es wiederum ermöglicht,
den Energieeintrag zu steigern. Alternativ aber auch kumulativ ist
es möglich,
wegen der Vermeidung der Flammenüberlappungen
auch die Qualität
der Schmelze zu verbessern oder die durchgesetzte Menge an Glasschmelze
zu steigern.
-
Durch
eine Befeuerung mit einander gegenüberliegenden Brennern ergibt
sich der Vorteil, dass der Aufwand für die Verspannung der Schmelzwanne gering
gehalten werden kann. Bezogen auf die Längsachse befinden sich nämlich auf
beiden Seiten der Schmelzwanne zwischen benachbarten Brennern senkrechte
Halterungen, beispielsweise Doppel-T-Träger. Bei einander gegenüberliegenden Brennern
laufen Verspannstreben senkrecht zur Längsachse von einer Halterung
zur jeweils gegenüberliegenden
Halterung. Die Halterungen bedürfen daher
nicht, wie es bei einer versetzten Brenneranordnung der Fall sein
kann, aufwändiger
Verstärkungen
zur Kompensation von Kräften
parallel zur Längsachse.
Diese Verstärkungen
erfordern jedoch einen zusätzlichen
Platzbedarf bei der Anordnung der Brenner der bei kleineren Schmelzwannen
nicht ohne weiteres vorhanden ist. Die Lösung ist insofern konstruktiv
einfach und damit preiswert.
-
Aus
dem Vorstehenden ergibt sich, dass der Energieeintrag in das Gemenge
bzw. der Schmelze dann gesteigert werden kann, wenn es ansonsten
zu Flammenüberlappungen
kommt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Brenner eines
sich auf der y-Achse einander gegenüberliegenden Brennerpaares
das Gemenge gleichzeitig aufschmelzen bzw. die Schmelze gleichzeitig
erhitzen. In diesem Fall kann bezogen auf die x-Achse das Gemenge
von beiden Seiten über
Brenner erwärmt
werden, und es ist ein hoher Energieeintrag im Vergleich zu einer Fallgestaltung
möglich,
bei der einander gegenüberliegende
Brenner eines Brennerpaares lediglich abwechselnd das Gemenge erwärmen.
-
Bei
einer im Sinne des vorstehenden Absatzes beidseitigen Befeuerung
des Gemenges kommt ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere
dann in Betracht, wenn Brennmittel- und Sauerstoffmenge so eingestellt
wird, dass die addierten Flammenlängen einander sich auf der
y-Achse gegenüberliegender
Brenner, deren gegenseitigen Abstand überschreiten. Bei dieser Fallkonstellation liegt
insofern eine kleine Schmelzwanne vor, bzw. eine solche mit geringer
Erstreckung in y-Richtung, bei der die Wahrscheinlichkeit einer
Flammenüberlappung
wegen des Verhältnisses
von Wannenbreite zu Flammenlänge
ungünstig
ist. Demgemäß wird zur Vermeidung
von Flammenüberlappungen
nicht etwa eine kürzere
Flamme, sondern im Gegenteil eine besonders lange, zur Vermeidung
von Flammenüberlappungen
jedoch partiell parallel zueinander ausgerichteter Flammen gewählt, welche
es ermöglicht, großflächig Energie
einzubringen.
-
Eigene
Versuche haben ergeben, dass die Ausrichtung der Brennerflammen
um einen Winkel von ca. 3° bis
ca. 10° gegenüber der
y-Achse erfolgen kann, um befriedigende Ergebnisse hinsichtlich der
Vermeidung von Flammenüberlappungen
zu gewährleisten.
-
Zusätzlich zu
der Horizontalverstellung der Flammen im Sinne der vorstehenden
Ausführungen ist
es auch möglich,
die Brennerflammen schräg
zur xy-Ebene auszurichten. In diesem Fall haben die Brennerflammen
auch eine Geschwindigkeitskomponente in der dazu senkrechten Richtung,
die als z-Richtung bezeichnet sein möge. Die zusätzliche Vertikalverstellung
bzw. Neigung in z-Richtung erlaubt es, die Flammen z. B. zur Schaumzerstörung nutzen
zu können.
-
Da
bei der Vertikalverstellung der Brennerflammen die Geschwindigkeitskomponenten
der Sauerstoff- und Brennmittelstrahlen in x- bzw. y-Richtung tendenziell
kleiner ausfallen, führt
dies dazu, dass die ohnehin überraschend
schwach ausgeprägten
Oberflächenturbulenzen
durch die räumlich
eher scharf konturierten brennstrahlähnlichen Flammen der Sauerstoffbrenner
noch geringer ausfallen.
-
Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
1a zeigt
in einer Seitenansicht einen Brennerstein 6 mit mittiger
Bohrung 8 für
eine aufzunehmende Brennerlanze. 1b zeigt
denselben Brennerstein mit einem Blick entlang der Längsachse der
Bohrung 8 mit kreisrunder Öffnung 5.
-
2 zeigt
das Einsatzteil 7 mit zentrischer Bohrung 8 zur
Aufnahme einer Brennerlanze. In 3 ist dieses
Einsatzteil 7 in den Brennerstein 6 eingebaut,
so dass die Brennerlanze 9 in die Öffnung 8 hineingeschoben
werden kann. Die schräg
zur horizontalen Achse verlaufenden gestrichelten Linien deuten
die Neigungsverstellbarkeit der Brennerlanze im Einsatzteil 7 an.
Dreht man das Einsatzteil um die horizontal verlaufende Längsachse,
so können
nacheinander kontinuierlich alle denkbaren Neigungen der Flammenrichtung
gegenüber
der Längsachse realisiert
werden.
-
4 zeigt
die gesamte Schmelzwanne 1 mit Sauerstoffbrennern 2,
wobei der jeweilige Brennerblock aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt
ist. Die Brenner sind in der Wand 4 eingelassen und erzeugen
die Flammen 3. Einander gegenüberliegende Brenner erhitzen
das Gemenge bzw. Glas 10 gleichzeitig, so dass ihre Flammen
bei einer Ausrichtung parallel zur y-Achse überlappen würden. Um die Flammenüberlappung
zu vermeiden sind die Flammen schräg zur y-Achse ausgerichtet.
-
- 1
- Schmelzwanne
- 2
- Brenner
- 3
- Brennerflamme
- 4
- Wand
der Schmelzwanne
- 5
- Öffnung
- 6
- Brennerstein
- 7
- Einsatzteil
- 8
- Bohrung
- 9
- Brennerlanze
- 10
- Gemenge,
Glas