DE60101011T2

DE60101011T2 - Glasschmelzverfahren und Ofen dafür mit Sauerstoff-Brennstoffverbrennung in der Schmelzzone und Luft-Brennstoffverbrennung in der Lauterzone

Info

Publication number: DE60101011T2
Application number: DE60101011T
Authority: DE
Inventors: Bryan Clair Hoke; Kevin Alan Lievre; Aleksandar Georgi Slavejkov; Julian Leonard Nantwich Inskip; Robert Dean Marchiando; Robert Michael Eng
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: ATE252520T1; KR100441314B1; CA2340866C; CA2340866A1; MXPA01002930A; US6519973B1; KR20010090506A; DE60101011D1; EP1136451A2; ES2204809T3; BR0101132A; EP1136451A3; CZ301478B6; JP2001316121A; EP1136451B1; JP3677217B2; CZ20011060A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Ofen zum Schmelzen von glasbildenden Bestandteilen. In dem typischen Glasschmelzofen oder einer Glaswanne, wie sie allgemein genannt wird, werden die Glasherstellungsrohmaterialien, genannt Gemenge (batch), in die Schmelzzone des Ofens eingegeben. Glaswannen werden kontinuierlich betrieben, weshalb darin ein Bad aus geschmolzenem Glas, Schmelze genannt, in der Schmelzzone besteht, auf das die Rohmaterialien aufgebracht werden. Das geschmolzene Glas und die ungeschmolzenen Bestandteile werden gemeinsam als Charge bezeichnet. Die Rohstoffe können in die Wanne durch jegliche der gut bekannten mechanischen Chargiervorrichtungen eingeführt werden. In der Praxis schwimmen die Rohmaterialien auf der Oberfläche des geschmolzenen Bades und bilden eine halb untergetauchte Schicht, enthaltend ungeschmolzene, feste Bestandteile, welche als Rohstoffteppich bezeichnet wird. Der Teppich bricht manchmal auf und bildet separate Rohstoffhaufen oder Rohstoffkissen (auch als Flöße (rafts) oder Klötze (logs) bezeichnet). Für die Zwecke dieser Offenbarung wird der Abschnitt des Ofens, welcher signifikante, ungeschmolzene Chargenfeststoffe enthält, die auf der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades schwimmen bzw. floaten als die Schmelzzone bezeichnet.
Die Glaswanne besteht üblichennreise aus der Schmelzzone und der Läuterzone. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist die Läuterzone definiert als der Abschnitt des Ofens, welcher keine signifikanten, ungeschmolzenen Chargenfeststoffe enthält, welche auf der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades schwimmen. Schaum kann auf der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades in der Läuterzone vorhanden sein, oder es kann klar sein, genannt "Spiegeloberflächen"-Glas. In der Läuterzone wird das Glas homogenisiert und Defekte wie Blasen oder Körnchen ausgetrieben. Glas wird aus der Läuterzone kontinuierlich abgezogen. Die Schmelzzone und die Läuterzone einer Glaswanne können in einem einzigen Raum vorhanden sein, oder die Glaswanne kann aus zwei oder mehr miteinander verbundenen unterschiedlichen Räumen bestehen.
Glas wurde historisch in Luft- Brennstofföfen geschmolzen, bei denen die Brenner die Flammen direkt über das geschmolzene Glas werfen und das Abgas der Flammen durch Wärmerückgewinnungsvorrichtungen abgezogen wird, um die gesamte Ofeneffektivität zu erhöhen, wodurch der Brennstoffverbrauch verringert wird. Rekuperatoren und Regeneratoren sind gebräuchliche Wärmerückgewinnungsvorrichtungen, welche in der Gasindustrie verwendet werden. Ein Rekuperator ist typischerweise ein metallischer Hülle- und Röhre-Typ-Wärmeaustauscher, welcher indirekt die Verbrennungsluft mit der Wärme aufheizt, welche aus dem Abgas abgezogen wird. Im Fall von Regeneratoren strömt das Abgas durch die Regeneratoren und überträgt seine Wärme auf die Kammergitterung oder andere Wärmespeichermedien innerhalb des Regenerators. Die Kammergitterung ist im Allgemeinen aus feuerfestem Material hergestellt. Der Regenerator kann eine übliche Kammer auf jeder Seite des Ofens, eine Anzahl von separaten und getrennten Kammern, welche an dem Ofen angeordnet sind, oder kann in die Brennerversorgungsleitungen integriert sein. Die erwärmte Kammergitterung wird verwendet, um Verbrennungsluft vorzuheizen, welche mit Brennstoff kombiniert wird, um die Flammen während des Feuerungszyklusses der Aufheizoperation zu bilden. Diese Wärmerückgewinnungsvorrichtungen sind teuer und begrenzen manchmal das Ofenleben aufgrund von Beschränkungen der Konstruktion, Ausfällen, welche durch Thermoschock des feuerfesten Materials ausgelöst wird, Korrosion oder das Zusetzen. Gelegentlich wird Glas in einem "Unit melter" aufgeschmolzen, welcher ein Ofen ohne eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung ist, um die Verbrennungsluft vorzuheizen.
Im Fall von Regeneratoren setzt sich das thermische Speichermedium, d.h. die Kammergitterung, mit kondensierten, flüchtigen Stoffen und Partikeln aus dem Glasschmelzprozess zu, was zu einem nicht ausreichenden Verbrennungsluftstrom zu den Austritten führt. Entsprechend säubern Glashersteller routinemäßig die Kammergitterungen, um den Luftstrom aufrecht zu erhalten. Das Problem des Zusetzens ist erkennbar am schlimmsten für die Ausgänge, welche mit der Schmelzzone des Ofens verbunden sind. Der Ansatz in der Regeneratorgitterung, welcher mit Gasen aus der Schmelzzone des Ofens in Kontakt gerät, ist häufig viskos und schwer zu entfernen. Die Steuerung des Ansatzes von Material auf den Kammergitterungen eines Regenerators ist Gegenstand der US-A-5,840,093. Der Ansatz in den stromabwärtigen Kammergitterungen, welcher durch Gase aus der Läuterzone des Ofens kontaktiert wird, ist trockener und pulveriger, was zu einem leichteren Entfernen des Ansatzes führt. Wegen der weniger aggressiven Angriffe wurden stromabwärtige Kammergitterungen für mehr als eine Ofen-Kampagne verwendet.
Am Ende einer Ofen-Kampagne tritt manchmal der Fall ein, dass die Kammergitterung so stark nachlässt wird, manchmal sogar zusammenbricht und ein ausreichender Luftstrom nicht möglich ist, selbst nach einer Reinigung. Das Problem manifestiert sich üblicherweise in dem Regeneratorabschnitt welcher Gase aus der Schmelzzone des Ofens erhält. Mit Sauerstoff verbesserte Verbrennungstechnologien wurden in diesen verschlechterten Luftbrennstofföfen verwendet, um die Ofenlebensdauer zu verlängern. Während die mit Sauerstoff verbesserten Verbrennungstechnologien das Problem des Zusetzens der Kammergitterungen nicht lösen, schaffen sie eine Methode, den Ofenbetrieb fortzusetzen, wenngleich manchmal auch mit höheren Betriebskosten.
Industrieller Sauerstoff wird seit einigen Jahrzehnten in der Glasindustrie verwendet, um die Verbrennung zu verbessern. Sauerstoff-Verbesserte Verbrennung kann erreicht werden durch

(i) zusätzliche Oxy-(Sauerstoff)-Brenner,
(ii) vorgemischte Sauerstoffstoffanreicherung der Verbrennungsluft oder
(iii) das Zuführen von Sauerstoff mit einer Lanze zum Brenneraustritt.

Zusätzlicher Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff ist das Verfahren des Installierens eines oder mehreren Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner in einem Luft-Brennstoffofen. Vorgemischte Sauerstoffanreicherung ist das Verfahren des Einführens von Sauerstoff in die Verbrennungsluft, üblicherweise bis zu einem Grad von bis zu 30% gesamt enthaltenden Sauerstoffs (d.h. 9% Sauerstoffanreicherung). Die Größe der Sauerstoffanreicherung wird begrenzt durch die Materialkompatibilitätsprobleme in höchstoxidierenden Umgebungen. Das Lancieren ist die Praxis des strategischen Injizierens von Sauerstoff durch eine Lanze in die Verbrennungszone. Diese Sauerstoffanreicherungstechniken werden angewandt auf Öfen mit Brennern mit einer Standard-Luft-Brennstoff-Konstruktion. Das grundsätzliche Luft-Brennstoff-Ofenkonzept wurde nicht signifikant modifiziert, um die oben genannten Sauerstofftechnologien anzuwenden.
Zusätzliche Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverbrennung wurde angewandt auf Luft-Brennstoff-Glasöfen und zeigte Vorteile. Eine Form der zusätzlichen Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung wird üblicherweise als "Oxy-fuel-boosting" bezeichnet. Oxy-fuel-boosting ist eine Technologie, bei der Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner zu einem Luft-Brennstoffofen hinzugefügt werden. Zwei Stellen für die Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner wurden vorgeschlagen, und zwar nahe der "hot spot"-Position und in der Null-Öffnung-Position. Typischerweise feuern die Oxy(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner konstant, selbst während des umgekehrten Zyklusses eines regenerativen Ofens.
Der Grund für das Anordnen der Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner an der "hot spot"-Position ist, den heißesten Punkt mit zusätzlicher Wärme zu verstärken, um die konvektiven Flussmuster in der Glasschmelze positiv zu beeinflussen und, wie dies in einigen Patenten beschrieben wird, die Position der Gemenge-Linie zu beeinflussen. Das gesamte Glasflussmuster wird stark beeinflusst durch den Auftriebsstrom, und das Temperaturprofil im Ofen ist wichtig für den Auftriebsstrom. Letztlich wird die Glasqualität beeinflusst. Dies ist der Grund, warum Glashersteller das Temperaturprofil in einem Ofen steuern und überwachen.
Ähnlich wie bei der "Hot Spot"-Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverstärkung offenbart die US-A-3,592,623 ein Verfahren und einen Ofen, bei dem zumindest ein Teil der Ofenbeheizung durch eine Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffflamme stromabwärts des "Hot-spots" zur Verfügung gestellt wird. Die Verbrennungsprodukte der Flamme treffen auf die ungeschmolzenen Glasherstellungsmaterialien (d.h. das Gemenge) welches die ungeschmolzenen Materialien dazu veranlasst, nahe des Beschickungsendes der Wanne zu verbleiben, bis sie geschmolzen sind. Ein Ziel ist es, die Position des ungeschmolzenen Chargenfeststoffmaterials (Chargenfeststoff-Linie) in der Glaswanne zu steuern. Die verbleibende Beheizung wird durch Luft-Brennstoffverbrennung, wie dies in den Figuren der US-A-3592,623 gezeigt ist, zur Verfügung gestellt.
Die US-A-4,473,388 offenbart einen Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverstärkungsverfahren, bei dem die Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffflammen im wesentlichen die gesamte Breite des Ofens bedecken und auf die Gemenge-Linie gerichtet sind.
Die US-A-5,139,558 offenbart ein Verfahren, bei dem zumindest ein Teil der Ofenbeheizung vorgesehen ist durch zumindest eine Flamme von zumindest einem Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner, welcher in dem Dach des Ofens angeordnet ist, wobei die Position des Brenners so ist, dass die Spitze seiner Flamme angenähert auf die Gemenge-Linie gerichtet ist. Ein Ziel sowohl der US-A-3,592,623 als auch der US-A-5,1396,558 ist es, die Schmelzrate der festen glasbildenden Materialien zu erhöhen und die Position der Gemenge-Linie zu steuern.
Oxy-(Sauerstoff)-Brennstofffeuern über das geschmolzene Glas im unteren Glaswannenbereich in einem regenerativen oder rekuperativen Luft-Brennstoffofen ist Gegenstand der US-A-5,116,399. Ziel dieser Offenbarung ist es, eine Oxy(Sauerstoff)-Brennstoffflamme mit Geschwindigkeiten größer als 100 m/s zu verwenden, um ungeschmolzene glasbildende Zutaten, welche auf der Oberfläche der Schmelze in der Nähe des Glasauslasses treiben, wegzudrücken, um zu verhindern, dass jegliche ungeschmolzene glasbildende Bestandteile in den Glasausgang gelangen. Zudem ist die Verwendung von zusätzlichen Oxy(Sauerstoff)-Brennstoffbrennern, kombiniert mit dem Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrenner zum Wegdrücken ungeschmolzener glasbildender Bestandteile innerhalb der Luft-Brennstoffofen-Konfiguration, offenbart.
Zusätzliche Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverstärkung eines Luft-Brennstoff-Regenerativofens ist in der US-A-5,147,438 offenbart, bei der der Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffhilfsbrenner gebogen, gewinkelt oder geneigt ist, um seine Flamme auf die Chargenfeststofflinie oder in die Nähe der Chargenfeststofflinie zu richten.
Als Alternative zur "Hot Spot"-Position kann die Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverstärkung am Beschickungsende des Ofens angeordnet sein. Bei einem seitlich befeuerten Ofen bezeichnet man dieses üblicherweise als die Null-Öffnungs- Position. Dies ist der Bereich zwischen Beschickungsendenwandung und dem ersten Luft-Brennstoffzugang. Der Grund für diese Anordnung ist die höhere Wärmeübertragungsrate von der heißen Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffbrennstoffflamme auf die kalten Chargenfeststoffe. Null-Öffnungs-Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-verstärkung ist ein allgemeines Verfahren, welches in der Industrie verwendet wird; es wurde beschrieben in Hope und Schemberg (1997). Diese Schrift lehrt, dass als ein Ergebnis der intensiveren Strahlungswärme-Übertragung auf das kalte Gemenge von der Oxy-(Sauerstoff)-Verstärkerflamme ein früheres fritten des Gemenges und Aufschmelzen erscheint, als es nur mit Luftbrennstoff-Schmelzen möglich ist. Der Prozentsatz des Oxy-(Sauerstoff)-Brennstofffeuerns für den Null-Zugang-Verstärkungstechnologie war angenähert bis etwa 15% der totalen Feuerungsrate und ist häufig begrenzt durch die maximal erlaubte Temperatur der Feuerfestwerkstoffe des Überbaus. Unter Verwendung von Null-Zugangs- Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoffverstärkung konnte die Produktivität im Bereich von 5 bis 10% gesteigert werden, wobei simultan Verbesserungen der Glasqualität erzielt wurden.
Die US-A-4,531,960 (korrespondierend zur EP-A-0127513) lehrt Null-Öffnungs-Oxy-Brennstoffverstärkung, wobei die zusätzlichen (Hilfs) Oxy-Brennstoffflammen von einem Strom von Hilfsgas umgeben sind, wobei das Hilfsgas vorzugsweise Luft ist und das Hilfsgas auf Gemengeklumpen (ungeschmolzene Gemengehaufen oder -inseln) gerichtet wird. Eine der Ziele des Hilfsgases ist es, die Verwendung einer Wasserkühlung des Oxy-Brennstoffbrenners zu eliminieren, welches ein übliches Merkmal von Oxy-Brennstoffbrennern zur Zeit der Patentanmeldung war. Der Fachmann im Bereich der NOx-Technologien wird ohne weiteres erkennen, dass die Praxis dieser Lehre zu gesteigerten NOx-Bildungen führt, da der Stickstoff aus der Luft sich mit der Hoch-Temperatur- Oxy-Brennstoffflamme mischt.
Die Anwendung dieser zusätzlichen Oxy-Brennstoff-Technologien ohne große NOx-Bildungsraten erfordert spezielle Verfahren.
Eine Erweiterung der zusätzlichen Oxy-Brennstoff-Technologien wäre die Kombination der Null-Öffnung und der "Hot Spots"- Oxy-Brennstoffverstärkung, um die Vorteile eines verbesserten Schmelzens in der Schmelzzone und der Gemenge- Liniensteuerung zu erhalten. Dieser Prozess wird jedoch eher besondere Besorgnis erzeugen, und zwar bzgl. eines Anstiegs in der Neigung NOx zu bilden, da mehr der heißeren Oxy-Brennstoffflammen zugänglich sind, um mit dem von den Luft-Brennstoffverbrennungsabschnitten einwanderndem Stickstoff NOx zu bilden. Entsprechend wäre ein Prozess, welcher sowohl Luft-Brennstoff- als auch Oxy-Brennstoffverbrennung im gleichen Ofen verwendet, ohne das Problem der NOx-Bildung zu berücksichtigen, eine unvollständige Lösung.
Um die Bildung von NOx, verbunden mit Erhöhung zusätzlicher Oxy-Brennstoffverbrennung in Luft-Brennstofföfen minimal zu machen, besteht ein allgemeiner Trend in der Glasindustrie, von Luft-Brennstofffeuerung auf vollständige Oxy-Brennstofffeurung zu wechseln. In dieser Weise wird der NOx-bildende Stickstoff als Teil der Brennzufuhr eliminiert. Wegen dieses NOx-Problems und anderer Probleme ist der Wechsel auf vollständige Oxy-Brennstoffverbrennung die naheliegende Wahl, wenn die steigende Verwendung von Oxy-Brennstoffverbrennung gewünscht ist, speziell bei Werten, die für eine vor-Ort-Sauerstoffversorgung geeignet sind. Im Gegensatz zu sauerstoffverbesserten Verbrennungstechnologien wurden signifikanten Veränderungen in Öfen vorgenommen, um die vollständige Oxy-Brennstoffverbrennung in Öfen anzuwenden. In vollständigen Oxy-Brennstoffverbrennungsöfen wird die Verbrennungsluft durch industriellen Sauerstoff mit einer Reinheit typischerweise zwischen 90 und 100% ersetzt. Wärmerückgewinnungsvorrichtungen, welche in Luft-Brennstofföfen verwendet werden, wie Regeneratoren und Rekuperatoren, werden grundsätzlich nicht verwendet, nachdem der Ofen auf Oxy-Brennstoff umgestellt wurde. Unterschiedliche Brenner und Strömungssysteme werden verwendet, und die generelle Konstruktion der Brenner und Abzüge ist nahezu immer unterschiedlich als vorherige Luft-Brennstoffofen-Konstruktionen.
Vollständige Oxy-Brennstofffeuerung in Glasöfen ist eine bewiesene und bewährte Technologie. Eleazer und Hoke berichten im mit "Glas" titulierten Kapitel 7 der Veröffentlichung "Oxygen-Enhanced Combustion"; Charles, E. Baukal, Jr., Editor, 1998, Seiten 215-236 110 Umwandlungen in vollständigen Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung in Nordamerika. Die Einführung einer vollständigen Oxy-Brennstoffverbrennung in Glasöfen ist Gegenstand der US-A-5,417,732 und der US- A-5,655,464. Einige der Vorzüge, welche für den Oxy-Brennstoffbetrieb berichtet werden, waren Brennstoffeinsparungen aufgrund der verbesserten Ofeneffizienz, Erhöhung der Produktivität als Ergebnis des verbesserten Wärmeübergangs, verminderte Elektrizitätskosten durch Ersatz der elektrischen Verstärkungsenergie durch Verbrennungsenergie, verlängertes Ofenleben durch die Überwindung der Verbrennungsluftdurchgangseinschränkung, welche durch zugesetzte Kammergitterung oder einen ausgefallenen Rekuperator verursacht wurde, verlängerte Ofenlebensdauer durch den Ersatz der elektrischen Verstärkerenergie durch Verbrennungsenergie, wodurch Feuerfestverschleiß durch die elektrische Verstärkung vermindert wurde, verminderte verschmutzende Emissionen wie NOx, Teilchen und Kohlendioxid, verbesserte Glasqualität, welche aus dem verbesserten Ofentemperaturprofil resultiert, niedrigere Verdampfungen, bessere Chargenfeststoffliniensteuerung und verminderte Kapitalkosten durch die Reduzierung oder Eliminierung von Nachbehandlungssystemen und/oder Wärmerückgewinnungssystemen.
Die Verwendung von vollständigen Oxy-Brennstoffverbrennungen ist jedoch nicht ohne Probleme oder Bedenken. Es wurde herausgefunden, dass die Atmosphäre, die durch Oxy-Brennstofffeuerung über einer Glasschmelze erzeugt wurde, aggressiver zum feuerfesten Überbau ist, als eine Luft-Brennstoffatmosphäre. Einige Artikel der "57. Konferenz über Glasprobleme", 1996 diskutierten die erhöhte Korrosion des feuerfesten Überbaus, resultierend aus der Oxy-Brennstofffeuerung. Hieraus folgend wurden neue Konstruktionstechniken und neue Konstruktionsmaterialen für oxy-brennstoffbefeuerte Öfen vorgeschlagen, welche häufig teurer sind. Zusätzlich zu dem offensichtlichen Bedürfnis der Unversehrtheit des Ofens kann Feuerfestkorrosion nachteilig für die Qualität des Glases sein, wenn verflüssigter Feuerfestüberbau in das Glas gerät.
Betreiber von Oxy-Brennstoffglasöfen berichteten über ein ansteigen von Schaum auf der Glasoberfläche im Vergleich mit Luft-Brennstoffbetrieb. Man nimmt an, dass Schaum einen negativen Einfluss auf die Wärmeübertragung und auf die Glasqualität hat. Die Wärmeübertragung wird beeinflusst, da Schaum geringe leitende Eigenschaften hat. Die US-A-3,350,185 betrifft das Problem der Schaumbildung und der Eliminierung desselben.
Die erhöhte Wärmeübertragung bei der Verwendung von Oxy-Brennstoff ist Gegenstand der WO-A-9931021, welche ein dachmontiertes Oxy-Brennstoff-Brennerverfahren beschreibt und einen Ofen zur Herstellung von geläutertem Glas, ohne die Verwendung von Regeneratoren oder Rekuperatoren. Diese Anmeldung beschreibt die hochgradige Verwendung von Oxy-Brennstoffverbrennung mit Einwirkung auf die Chargenfeststoffoberfläche in der Schmelzzone des Ofens für einen erhöhten Wärmeübergang. Diese Anmeldung lehrt die Verwendung von zumindest einem dachmontierten Oxy-Brennstoffbrenner in der Läuterzone für die Verbrennung nahe der an der oberen Oberfläche geschmolzenen glasbildenden Rohmaterialien, um die Schaumschicht auf der geschmolzenen Glasoberfläche zu reduzieren, um das Läutern des geschmolzenen Glases zu unterstützen. Zumindest ein dachmontierter Oxy-Brennstoffbrenner in der Läuterzone soll eine Verbesserung der Qualität des Glases ergeben, welches sich in dem Formgebungsbereich bewegt, und zwar durch die Entfernung von Oberflächedefekten, wie unvollständig regierten, glasbildenden Rohmaterialien oder unzureichend gemischten Oberflächenmaterialien durch im wesentlichen das Anheben der Oberflächenglastemperatur, was das Schmelzen und Mischen begünstigt. Zudem schafft zumindest ein stromabwärts angeordneter Oxy-Brennstoffbrenner eine Sperre für den Vorwärtsfluss des Materials, unterstützt die natürliche Konvektionsströmung innerhalb des geschmolzenen Glases, welches verursacht, dass heißeres Glas unter die glasbildende Rohmaterialien zurückfließt, wodurch ein Vorwärtschub des geschmolzenen Glases verhindert wird, was den Schmelzeffekt erhöht und die Glastemperatur in der Läuterzone erhöht. Da es sich hierbei um eine vollständige Oxy-Brennstoffofen-Technologie handelt, stellt diese Patentanmeldung fest, dass die NOx-Emmissionen verglichen mit einer reinen Luft-Brennstoffofen-Technologie reduziert sind.
Der Betrieb eines reine Oxy-Brennstoffofens hängt von der permanenten Erhältlichkeit von Sauerstoff ab. Viele der größeren Oxy-Brennstoffglasöfen werden mit Sauerstoff beliefert, der vor Ort unter Verwendung an sich bekannter Tieftemperaturdestillations- oder Vakuum-Wechseladsorption-Techniken hergestellt ist. Es ist üblich und zur Zeit das einzige Verfahren zur Sicherstellung der Versorgung von vor Ort hergestellten Sauerstoff durch das Vorsehen eines Lagerbestands von flüssigem Sauerstoff am gleichen Ort. D.h., dass, wenn die Vor-Ort-Erzeugungsmöglichkeit aufgrund von Prozessproblemen oder aus Routinegründen abgeschaltet wird, der Lagerbestand von flüssigem Sauerstoff verwendet wird, um den Sauerstoff für die Sauerstoff-Brennstoffverbrennung zu liefern. Dieses Verfahren der Bevorratung von vor Ort hergestellten Sauerstoff benötigt große, isolierte Tanks für das Speichern des Sauerstoffs in flüssiger Form und Verdampfer, um es dem flüssigen Sauerstoff zu ermöglichen, in gasförmigen Sauerstoff für die Verwendung im Oxy-Brennstoff-Prozess umgewandelt zu werden,. Es ist üblich Lastkraftwagen zu verwenden, um flüssigen Sauerstoff von größeren Lufttrennungsanlagen zur Fabrik zu liefern. Die Verwendung von flüssigen Sauerstoffvorräten mit einem vor Ort gebildeten Sauerstoffsystem erlaubt es dem Verwender, einen Oxy-Brennstoffprozess ohne Unterbrechung fortzuführen. Eine Alternative Technologie, bei der Luft-Brennstoffverbrennung mit und ohne Sauerstoffanreicherung, um einen Oxy-Brennstoffofen aufrecht zu erhalten, verwendet wird, wird in der EP-A-1094273, eingereicht am 16. 01. 2000, veröffentlicht am 25. 04. 2001 und unter Beanspruchung der Priorität der US-Patentanmeldung S.N. 09/420,215, eingereicht am 14. 10. 1999 und deshalb in dem Bereich des Art. 54(3) EPÜ fallend, beschrieben.
Da die Ofeneffizienz sich über das Leben des Ofens, der vollständige Oxy-Brennstoffverbrennung nutzt verändert, und die Glasproduktionsrate über die Ofen-Kampagne variiert, ist der verbundene Sauerstoffgenerator typischer Weise für die maximale geplante Nutzrate ausgelegt. Dies führt zu einem ungenutzten Sauerstoffgenerator für einen großen Prozentsatz der Ofen-Kampagne.
McMahon et al. (nachfolgend "McMahon") lehren in einem Artikel überschrieben mit "Can Partial Conversion to Oxy-Fuel Cumbustion be a Solution to Furnace Problems" (Glas Industrie, Dezember 1994) eine teilweise Umwandlung eines Luft-Brennstoffofens vor und als Teil eines kompletten Neuaufbaus in ein Oxy-Brennstoffofen. Ein Schlüssel bei McMahon ist, dass die Öffnungen in dem vormaligen Wärmerückgewinnungssystem in dem umgewandelten Abschnitt des Ofens in seinem teilweise umgewandelten Status offengelassen werden, und zwar ungeachtet der Tatsache, das Sauerstoff- Brennstoffverbrennung keine Wärmerückgewinnung benötigt. Oxy-Brennstoffverbrennung, welche heißer brennt als Luft-Brennstoffverbrennung, benötigt keine Wärmerückgewinnung aus den Verbrennungsprodukten, welche aus dem Ofen austreten, um die Verbrennungsreaktanten vorzuwärmen und die Verbrennungstemperaturen zu verstärken.
Das Offenlassen der Zugänge bei McMahon im umgewandelten Abschnitt bezog sich auf die Steuerung von NOx-Emmissionen. Insbesondere erlaubte dieses der Luft, in den umgewandelten Abschnitt einzutreten, welches das Ansaugprinzip erleichtert, wobei die eintretende Luft und die Ofengase mit dem Oxy-Brennstoffbrenner so integriert werden, dass der Sauerstoff und der Brennstoff nur in niedriger Konzentration in Kontakt kommen, wodurch Spitzenflammtemperaturen erreicht werden, welche gleich oder niedriger sind als die von regenerativen Luft-/Brennstoffflammen, wodurch NOx reduziert wird. Die in den umgewandelten Abschnitt eintretende Luft wirft allerdings die Frage auf, ob Oxy-Brennstoffverbrennung (in der Anmeldung definiert als Verbrennung, bei der der Oxidanz-Strom zwischen 50 und 100% Sauerstoff vorzugsweise zwischen 90 und 100% Sauerstoff beträgt) in dem umgewandelten Abschnitt stattfand oder, wie dies wahrscheinlicher erscheint, bzgl. Berechnungen der Erfinder, lediglich "sauerstoffangereicherte" Verbrennung in dem umgewandelten Abschnitt stattfand.
Das Offenlassen der Zugänge nach McMahon in dem abgewandelten Abschnitt setzt die Wanderung von Verbrennungsprodukten von dem abgewandelten Abschnitt zum nicht abgewandelten Abschnitt herab, wodurch die Chargenfeststoff-Verdampfungsprodukte (welche mit den Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukten aus dem abgewandelten Abschnitt vermischt sind) daran gehindert werden, in den nicht abgewandelten Abschnitt einzutreten und aus dem nicht abgewandelten Abschnitt auszutreten und nach und nach das Wärmerückgewinnungssystem, welches für den nicht abgewandelten Abschnitt benötigt wird, zuzusetzen oder zu korrodieren. Das Offenlassen der Zugänge im abgewandelten Abschnitt erlaubt es jedoch auch Verbrennungsprodukten aus dem nicht abgewandelten Abschnitt, aus dem abgewandelten Abschnitt auszutreten, wodurch es dem Stickstoff, welcher in der Luft für die Luft-Brennstoffverbrennung enthalten ist, erlaubt wird, im nicht abgewandelten Abschnitt in den abgewandelten Abschnitt einzutreten und sich mit Sauerstoff zu mischen und nachfolgend NOx zu bilden.
Keine der oben diskutierten Schriften lehrt ein Verfahren oder einen Ofen mit überwiegender Oxy-Brennstoffverbrennungsheizung in der Schmelzzone und überwiegender Luft-Brennstoffverbrennungs-Heizung in der Läuterzone.
Die EP-A-1077201, veröffentlicht am 21. 02. 2001, eingereicht am 15. 08. 2000 die ein Prioritätsdatum vom 16. 08. 1999 beansprucht und entsprechend in die Bestimmungen von Art. 54(3) EPÜ fällt, offenbart einen Glasofen, umfassend einen Rekuperator, Regenerator, elektrische Verstärkungsbeheizung oder andere Vorrichtungen zur Beaufschlagung des Gemenges mit Wärme und mit zumindest einen Oxy-Brennstoffbrenner, der im Dach des Ofens montiert ist, um zusätzliche Wärme zum Schmelzen des Chargenfeststoffmaterials zu liefern. Der Winkel der Oxy-Brennstoffverbrennungsflamme kann von der senkrechten bzgl. der abströmenden Richtung bis zu 30° abweichen, weicht vorzugsweise aber weniger als 10° ab.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und ein Ofen zum Schmelzen von Glas, wobei die Mehrheit der Verbrennungsenergie über der Schmelzzone des Ofens durch Oxy-Brennstoffverbrennung geliefert wird, wobei eine Oxy-Brennstoffverbrennungflamme geschaffen wird, welche auf die glasbildenden Bestandteile mit einem Winkel zwischen 0 und 30°, bezogen auf die Horizontale, gerichtet wird, während ein Großteil der Verbrennungsenergie über der Läuterzone des Ofens durch Luft-Brennstoffverbrennung geliefert wird. In vielen Fällen wird es bevorzugt sein, mehr als 70% und bis zu und umfassend 100% der Verbrennungsenergie über der Schmelzzone durch Oxy-Brennstoffverbrennung von mehr als 70% und bis zu und umfassend 100% der Verbrennungsenergie über der Läuterzone durch Luft-Brennstoffverbrennung zu liefern. Bei geeignetem Zuschnitt der Verbrennungsraumatmosphäre durch Oxy-Brennstoff- und Luft-Brennstofffeuerung kann die Erfindung zu einer Verbesserung der Glasproduktivität und Qualität führen. Die vorliegende Erfindung kann angewandt werden, bei der Konstruktion eines neuen Ofens oder kann angewandt werden auf existierende Luft-Brennstofföfen.
Für die Zwecke dieser Offenbarung ist Oxy-Brennstoffverbrennung definiert als die Verbrennung, bei der der Strom des Oxidationsmittel zwischen 50 und 100% Sauerstoff beinhaltet und vorzugsweise zwischen 90 und 100% Sauerstoff beinhaltet. Luft-Brennstoffverbrennung wird definiert als eine Verbrennung, bei der der Oxidationsmittelstrom zwischen 21 % und 30% Sauerstoff enthält. Die Verbrennungsenergie ist definiert als der Brennstoffbrennwert, typischerweise ausgedrückt in Btu/Ib oder gleichwertiger, umgewandelter Maßeinheiten, multipliziert mit dem Massenstrom des Brennstoffs, typischerweise ausgedrückt in Ib/h oder äquivalent umgewandelten Maßeinheiten. Volumetrische Strömungsraten können verwendet werden mit entsprechender Einheitenumwandlung unter Verwendung der Dichte des Brennstoffgases.
Der gemischte Luft-Brennstoff- und Oxy-Brennstoff-Ansatz nach der vorliegenden Erfindung läuft der herkömmlichen Denkweise zuwider, nach der eine Erhöhung der Oxy-Brennstofffeuerung in dem Luft-Brennstoffofen zu einer Erhöhung der Neigung, NOx zu bilden, und den dazugehörigen Problemen führt. Wie dies bei der Diskussion des Standes der Technik dargelegt wurde, wird die Neigung für die NOx-Bildung erhöht, da mehr der heißen Oxy-Brennstoffflammen erhältlich ist, um NOx mit der Wanderung von Stickstoff von der Luft-Brennstoffverbrennung zu liefern. Daher ist es auch ein Hauptanliegen der US-A-5,655,464, welche zuvor zitiert wurde, Luft daran zu hindern, in den Schmelz-/Läuterraum (Schmelz- und Läuterzone) eines Oxy-Brennstoftofens zu gelangen. Die vorliegenden Erfinder haben überraschender Weise herausgefunden, dass jedoch zuvor nicht bemerkte Vorzüge eines gemischten Luft-Brennstoff und Oxy-Brennstoffverbrennungssystems bestehen und mit einem geeigneten Management der gestiegenen Neigung der NOx-Bildung diese Vorzüge die Neigung zur NOx-Bildung übertreffen können.
Im Vergleich mit vollständigen Oxy-Brennstofffechnologien schafft die vorliegende Erfindung das Glasschmelzen mit reduzierten oder eliminierten Problemen der vollständigen Oxy-Brennstoffverbrennung, wie Feuerfestverschleiß, Sauerstoffbevorratung, Schäumen des Glases und vollständige Verwendbarkeit eines vor Ort hergestellten Sauerstoffs.
Im Vergleich mit Luft-Brennstofftechnologien schafft die vorliegende Erfindung ein Glasschmelzen mit reduzierten oder eliminierten Luft-Brennstoffproblemen, wie der Lebensdauer vom Wärmerückgewinnungsvorrichtungen, Chargenfeststoffstabilität, und Emmission von Verschmutzungen durch die Verwendung von gut angeordneten Oxy-Brennstoffflammen und Abzügen.
Zusätzlich glauben die Erfinder, dass mit der vorliegenden Erfindung eine höhere Produktivität und verbessertes Schmelzen der Chargenrohstoffe erreichbar ist hinsichtlich der begrenzten Daten durch A. Dietzel, Dietzel, in Kapitel 22 mit dem Titel "Speeding Glass up Melting" der Veröffentlichung "The Melting Process in the Glass Industry" (Alexis G. Pincus, Editor, 1980, S. 138–139), welche 1943 gezeigt haben und zurückgemeldet haben, dass Wasserdampf die Temperatur, bei das Gemenge anfängt zu schmelzen, reduziert, und deshalb den Gemengeschmelzprozess beschleunigt. Flussmittel, in diesem Fall Wasser, werden typischerweise zugegeben zu den Chargenfeststoffen, um die Temperatur abzusenken, bei der die erste Schmelze gebildet wird. Verbesserter Stoffübergang und chemische Reaktionsraten resultieren aus der frühen Flüssigphasenbildung. Dieses verbessert den gesamten Glasschmelzprozess und verbessert die Glasqualität.
Während Luft-Brennstoffverbrennung mehr Gesamt-Wassermoleküle im Verbrennungsraum aufgrund einer höheren benötigten äquivalenten Feuerungsrate für die Energieübertragung auf eine Charge liefert, liefert die Oxy-Brennstoffverbrennung eine höhere Konzentration von Wasser im Verbrennungsraum. Obwohl eine erhöhte Wasserkonzentration in der Nähe der Chargenfeststoffe auch durch das Benässen der hereinkommenden Chargenfeststoffe mit Wasser oder das Eindüsen von Dampf in den Verbrennungsraum erreicht werden kann, führen diese Techniken zu einer verminderten Brennstoffeffizienz im Vergleich mit dem Oxy-Brennstoffverbrennungsansatz.
Das Nachfolgende ist eine Beschreibung lediglich in beispielhafter Form und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen von derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren sind:
1 eine schematische Draufsicht auf einen Ofen nach dem Stand der Technik, unter Verwendung von Luft-Brennstoffverbrennung mit Oxy-Brennstoffverbrennungsverstärkung an der "Hot Spot"-Position;
2 eine schematische Draufsicht auf einen Ofen nach dem Stand der Technik, verwendend Luft-Brennstoffverbrennung mit Oxy-Brennstoffverbrennungsverstärkung an der Null-Ausgang-Position;
3 eine schematische Draufsicht auf einen Ofen nach dem Stand der Technik, der nur Oxy-Brennstoffverbrennung verwendet;
4 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Ofens nach der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Ofens nach der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung;
7 eine schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung;
8 eine schematische Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung;
9 eine Querschnittsansicht, zeigend eine Technik zum Schützen des Scheitels oder der Decke des Ofens nach der vorliegenden Erfindung;
10 eine Querschnittsansicht, zeigend die Verwendung von gestuften Sauerstoffverbrennung in einem Ofen nach der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Draufsicht, zeigend die Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft in der Ausführungsform nach 6 des Ofens nach der vorliegenden Erfindung; und
12 eine schematische Draufsicht, zeigend das Eindüsen von Sauerstoff mit einer Lanze der Luft-Brennstoffflamme in der Ausführungsform nach 6 des Ofens nach der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung kann am besten verstanden werden im Vergleich mit dem Stand der Technik, der durch die 1 bis 3 repräsentiert wird. Bezogen auf 1 umfasst ein Glasschmelzofen 10 einen Hauptofenabschnitt 12 mit einem ersten oder Beschickungsende 14 mit einer Gemengechargiervorrichtung 16 und einem zweiten oder Glasentnahmeende 18. Der gesamte Fluss von Gemenge und Glas durch den Ofen ist durch den Pfeil 20 angezeigt. Der Ofen besitzt eine Schmelzzone enthaltend das Gemenge 22 und eine Läuterzone enthaltend das geschmolzene Glas 24. Es besteht ein Bedarf nach Verbrennungsenergie über sowohl der Schmelzzone als auch der Läuterzone.
Der Ofen 10 ist des Typs mit seitlichen Öffnungen und einer regenerativen Beheizung mit Regeneratoren 26 und 28 auf jeder Seite des Ofenkörpers 12, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Regeneratoren sind mit Öffnungen 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50 und 52 verbunden, welche Luft-Brennstoffbrenner oder Luft-Brennstoffverbrennungsvorrichtungen enthalten, um Luft-Verbrennungsflammen 54, 56, 58, 60, 62 und 64 zu erzeugen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Beim Befeuern des Ofens verwenden die Luft-Brennstoffflammen 54, 56, 58, 60, 62 und 64 Luft 66, welche im Regenerator 26 vorgeheizt ist. Nach einer Zeitperiode, wie sie durch die Ofenwärmespeicherkapazität ermittelt wird, werden die Flammen 54, 56, 58, 60, 62 und 64 gelöscht und gleichartige Luft-Brennstoffflammen in den Ausgängen 42, 44, 46, 48, 50 und 52 unter Verwendung von Luft, welche durch den Regenerator 28 eingeführt wird, erzeugt. Der Regenerator 28 wurde durch Gase 68 aufgeheizt, welche aus dem Ofen abgezogen wurden. Wie dies im Stand der Technik bekannt ist, beheizt der reversierende Strom die Regeneratorkammergitterungen 26, 28, um vorgeheizte Luft zu liefern. Im Stand der Technik ist es bekannt, Oxy- Brennstoffflammen 70, 72 in der Mitte des Ofens einzuführen, um die Wärmekapazität des Ofens zu verstärken oder zu erhöhen, und die Gemengebahn zu kontrollieren. Die Oxy-Brennstoffverstärkung unter Verwendung von Flammen 70, 72 findet statt, in einer Position, die die "Hot-Spot-Position" des Ofens 10 genannt wird.
Bezugnehmend auf 2 ist 2 identisch zu 1 (wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen) außer der Oxy-Brennstoffverstärkung die die Flammen 74 und 76 verwendet, welche bei der Null-Ausgangposition (d.h. dem Raum zwischen der Beschickungsendwand und dem ersten Luft-Brennstoffausgang 30) angeordnet ist, anstelle der "Hot-Spot"-Position.
Bezugnehmend auf 3 zeigt 3 einen Glasschmelzofen unter Verwendung vollständiger Oxy-Brennstoffverbrennung, um den Ofen von einem Beschickungsende 110 zu einem Entnahmeende 112 aufzuheizen. Wie dies durch den Pfeil 121 gezeigt ist, beginnt der gesamte Fluss des Gemenges und Glas durch den Ofen beim Beschickungsende 110 und endet am Entnahmeende 112. Jede der Flammen, welche durch die Bezugszeichen 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132 dargestellt werden, wird, unter Verwendung von Oxy-Brennstoffverbrennung hergestellt verwendend bekannte Oxy-Brennstoffbrenner. Die Produkte der Oxy-Brennstoffverbrennung werden durch Auslässe 131 und 133 geführt.
Bezugnehmend auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach 4 umfasst ein Ofen 440 einen Ofenkörper 142, ein Beschickungs- oder Gemengeende 144 und eine Entnahme oder geschmolzenes Glasende 146. Der Gesamtstrom des Gemenges und des Glases durch den Ofen wird durch den Pfeil 151 gezeigt. Der Ofen kann Regeneratoren 148, 150 besitzen, welche mit den Ausgängen 152, 154, 156 und 158, 160 und 162 verbunden sind. Der Regenerator 148 erhält Luft 76 und heizt sie für die Luft-Brennstoffverbrennungsflammen 146, 166, 168 jeweils vor. Der Regenerator 150 wird durch Gase 77 vorgeheizt, welche aus dem Ofen abgezogen werden. Die Luft-Brennstoffverbrennungsflammen 164, 166 und 168 sind über dem geschmolzene Glas in der Läuterzone 170 des Ofens 140 angeordnet und liefern die gesamte Verbrennungsenergie über der Läuterzone. Die Oxy-Brennstoffflammen 172, 174, 176, 178, 180 und 182 sind über den Chargenfeststoffmaterialien in der Schmelzzone 184 des Ofens 140 angeordnet und liefern die gesamte Verbrennungsenergie über die Schmelzzone.
Bezugnehmend auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach 5 ist 5 ähnlich zu 4, mit der Ausnahme, dass der Ofen 200 keine regenerative Heizkapazität besitzt. Ein derartiger Ofen 200 ist vorgesehen für die Verwendung von rekuperativer Wärmerückgewinnung, wobei die Abgase 233 aus dem Ofen über einen Auslass 220, welche am Gemengeende 222 des Ofens 200 angeordnet ist, abgezogen werden. Die Abgase werden zu einem Rekuperator geleitet, welcher beheizt ist und Luft erhält und aufheizt, welche für die Luft-Brennstoffflammen 224, 226, 228, 230, 232 und 234 verwendet wird, welche über der Läuterzone 270 des Ofens 200 angeordnet sind und die gesamte Verbrennungsenergie für diese Zone liefern. Oxy-Brennstoffflammen 238, 240, 242, 244, 246 und 248 werden über der Schmelzzone 236 des Ofens 200 verwendet und liefern die gesamte Verbrennungsenergie über diese Zone. Der Gesamte Strom des Gemenges und Glases durch den Ofen ist durch den Pfeil 221 gezeigt.
Bezugnehmend auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach 6 ist 6 identisch zu 4 (gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen) ausgenommen separate Hilfsauslässe 141 und 143 (d.h. separat von dem Auslassregenerator 150 aus dem Gase 78 austreten), welche zum Auslassen von im wesentlichen Oxy-Brennstoffverbrennungs-produkten 145 und 147 aus der Schmelzzone verwendet werden. Dies wird getan, um die flüchtigen Bestandteile des Gemenges, welches mit den Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukten vermischt sind, daran zu verhindern die Wärmerückgewinnungsvorrichtung zu verwenden und zuzusetzen oder zu korrodieren. In 6 sind die Hilfsauslässe als näher an der Mitte der Läuterzone liegend gezeigt. Alternativ können die Hilfsauslässe zu einem einzigen Hilfsauslass zusammengefasst werden, der an dem Chargenende des Ofens angeordnet ist.
Bezugnehmend auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach 7 ist 7 identisch zu 6 (gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen), mit Ausnahme der separaten Hilfsauslässe 141 und 143, die an dem Ende der Schmelzzone, welche benachbart zur Läuterzone ist, angeordnet sind, um Produkte der Luft-Brennstoffverbrennung daran zu hindern, in die Schmelzzone einzudringen.
Bezugnehmend auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach 8, ist 8 identisch zu 5 (gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen), ausgenommen (i) einen separaten Hilfsauslass 223, welcher am Beschickungsende des Ofens angeordnet ist und verwendet wird Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukte 231 aus dem Ofen austreten zu lassen und (ii) das zwei Auslässe für die rekuperative Wärmerückgewinnungsvorrichtung vorhanden sind, nämlich Auslässe 201 und 203, wobei die Auslässe verwendet werden, um Luft-Brennstoffverbrennungsprodukte 241 und 243 aus dem Ofen herauszulassen. In 8 ist der Hilfsauslass als am Beschickungsende des Ofens liegend gezeigt. Alternativ kann dieser Hilfsauslass in zwei Hilfsauslässe unterteilt werden, welche auf jeder Seite der Schmelzzone angeordnet sind. Und analog zu dem Feuertestsystem von 7 kann solch ein Hilfsauslass in diesem rekuperativen System am Ende der Schmelzzone angeordnet werden, welches benachbart zur Läuterzone ist, um zu verhindern, dass Produkte der Luft-Brennstoffverbrennung in die Schmelzzone gelangen.
In 6, 7 und 8 werden die Austrittsdrücke der vielen Auslässe gesteuert, um den Stickstoffstrom, welcher in der Luft enthaften ist, die für Luft-Brennstoffverbrennung in der Läuterzone verwendet wird, daran zu hindern in die Schmelzzone zu gelangen. Eine weitere Möglichkeit den Stickstoffstrom zu hindern, könnte es sein, eine physikalische Barriere zwischen der Schmelzzone und der Läuterzone anzuordnen. Die Hilfsauslässe 141 und 143 in den 6 und 7 und der Hilfsauslass 223 in 8 können mit einem Wärmerückgewinnungssystem verbunden werden, welches dem Fachmann bekannt ist.
Der Fachmann erkennt, dass feuerfeste Werkstoffe mit einer höheren Korrosionsfestigkeit nur im Oxy-Brennstoffabschnitt des Ofens nach der vorliegenden Erfindung benötigt werden, wodurch die Kapitalkosten verringert werden. 9 zeigt eine Alternative zur Verwendung von korrosionsfesteren Feuerfestwerkstoffen im Oxy-Brennstoffabschnitt des Ofens der vorliegenden Erfindung. 9 ist eine Querschnittsansicht, zeigend eine Technik zum Schutz des Scheitels oder Decke eines jeglichen Ofens nach der vorliegenden Erfindung 140, 200, wobei ein Verdünnungsgas durch eine obere Leitung 300 unterhalb eines Scheitelabschnitts 302 des Ofens eingeführt wird. Diese Ansicht von Öfen 140, 200 zeigt zudem einer Schicht von Chargenfeststoffmaterial 308 über eine Schicht von geschmolzenem Glas 309. Dort befindet sich eine geringere Konzentration von Verbrennungsprodukten der Oxy-Brennstoffflamme 304 (welche durch das Einführen von Sauerstoff und Brennstoff durch die Leitung 306 erzeugt wird), was die korrosiven Effekte einer Oxy-Brennstoffatmosphäre in der Nähe der Ofendecke reduziert. Verdünnungsgas kann aus Luft, vorgeheizter Luft, Stickstoff, Luft-Brennstoffverbrennungsprodukten oder Mischungen hieraus bestehen. Luft-Brennstoffverbrennungsprodukte können aus der Einführung von Abgasen aus dem Luft-Brennstoffabschnitt des Ofens stammen oder in-situ im Ofen gebildet werden. Wie der Prozess, welcher in US-A-5,755,818 offenbart ist, wird eine geschichtete Atmosphäre gebildet.
Im Gegensatz zur US-A-5,755,818 wird in 8 eine Atmosphäre die reich an Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukten ist nahe der Charge und eine verdünnte Atmosphäre in der Nähe des Scheitels vorgesehen. Der Prozess nach der US-A-5,755,818 verwendet eine gestufte Verbrennungsmethode um eine mehr oxidierende oder mehr reduzierende Atmosphäre in der Nähe der Chargenoberfläche auszubilden, als dies der Fall wäre mit einer homogenen Ofenatmosphäre.
10 ist eine Querschnittsansicht, zeigend die Verwendung von sauerstoffgestufter Verbrennung mit jedem Ofen (140, 200). Oxy-Brennstoffbrenner mit Sauerstoffstufung, wie dies in der US-A-5,611,682 beschrieben wird, sind bevorzugt für das gerichtete Heizen auf das Gemenge anstelle des Scheitels. Bezugnehmend auf 10 wird eine Oxy-Brennstoffflamme 304 durch das Einführen von Sauerstoff und Brennstoff durch die Leitung 306 hergestellt und eine untere Leitung 310 verwendet, um Sauerstoff in den Ofen 140, 200 einzuführen, wobei der Sauerstoff unter die Flamme 304 geleitet wird. Durch die Verwendung von Sauerstoffstufung mit Sauerstoff zwischen der Flamme und der Charge, wie dies in 10 gezeigt wird, wird eine Region von höherer Flammentemperatur 312 in der Flammenumgebung dicht an dem Gemenge erzielt, was in einer gerichteten Aufheizung auf das Gemenge resultiert. Die NOx-Bildungsraten wurden als niedrig gefunden, wenn der Oxy-Brennstoffbrenner, welcher in der US-A-5,611,682 beschrieben ist, verwendet wird, selbst in Öfen mit signifikanten Stickstoffkonzentrationen.
Der Luftbrennstoffabschnitt des Ofen nach der vorliegenden Erfindung kann sauerstoffverstärkte Verbrennungstechnologien umfassen, die dem Fachmann bekannt sind. Der Sauerstoff kann verwendet werden, um jeglichen Sauerstoffdefizit in einem Luft-Brennstoffzugang durch den Zusatz von Sauerstoff auszugleichen, die gesamte Ofeneffizienz zu erhöhen oder für NOx-Reduktionstechniken, welche dem Fachmann bekannt sind. Eine allgemeine. Sauerstoffanreicherung bis zu 30% oder höher, abhängig von Wärmerückgewinnungssystem kann direkt in den Verbrennungsluftstrom injiziert werden oder strategisch angeordnet werden, um einen spezifischen Einlass mit Sauerstoff anzureichern. Das Lancieren von Sauerstoff kann verwendet werden, um höhere Sauerstoffanreicherungsgrade in der Flamme zu erreichen, wenn dies gewünscht ist. Sauerstoff kann zudem in einer Zahl von neuen Technologien für verbesserte Energieeffizienz oder NOx-Reduktion, wie dies in der US-A-5,725,366 offenbart ist, verwendet werden.
11 ist eine schematische Draufsicht, zeigend die Sauerstoffanreicherung von Verbrennungsluft in der Ausführungsform nach 6 des Ofens nach der vorliegenden Erfindung. Sauerstoff 320 wird in die Verbrennungsluft 76 vor dem Einführen der Luft in den Regenerator 148 zur Sauerstoffanreicherung der Luft-Brennstoffflammen 164, 166 und 168 eingeführt. Obwohl dies in Verbindung mit der Ausführungsform nach 6 gezeigt ist, welche regenerative Wärmerückgewinnung verwendet, ist dem Fachmann klar, dass Sauerstoffanreicherung in gleicher Weise anwendbar ist auf die Ausführungsform nach 5, welche rekuperative Wärmerückgewinnung verwendet.
12 ist eine schematische Draufsicht, zeigend, dass Sauerstofflancieren der Luft-Brennstoffflamme in der Ausführungsform nach 6 des Ofens nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Einführung des Sauerstoffs über eine Sauerstofflanze 330 benutzt wird, um die Luft-Brennstoffflamme 164 im Ofen 140 anzureichern. Obwohl dies in Verbindung mit der Ausführungsform nach 6 gezeigt wird, welche regenerative Wärmerückgewinnung benutzt, ist dem Fachmann klar, dass Sauerstofflancieren in gleicher Weise anwendbar, auf die Ausführungsform nach 5 ist, welche rekuperative Wärmerückgewinnung verwendet.
Die Oxy-Brennstoffflammen sind gewinkelt auf das Gemenge gerichtet, bei zwischen 0° und 30° aus der Horizontalen. Diese Technik wird ebenso für das gerichtete Aufheizen auf das Gemenge anstelle des Scheitels angewendet und die Anordnung der Oxy-Brennstoffverbrennungsatmosphäre in der Nähe der Chargenfeststoffe speziell im Falle der Verdünnung der Oxy-Brennstoffatmosphäre in der Nähe des Scheitels mit Luft, vorgewärmter Luft, Stickstoff, Luftbrennstoffverbrennungsprodukten und Mischungen hieraus.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird es erwogen ein weiter entwickeltes Steuersystem zum Managen und Optimieren der Sauerstoffverwendung im Ofen aufzunehmen. Das weiterentwickelte Steuersystem würde die Verwendung von Sauerstoff überwachen und Steuern, abhängig von z.B. den Anforderungen bzgl. verschmutzenden Emmissionen, Variabilität in der Reinheit und Produktionsrate des Sauerstoffgenerators und der Glasproduktionsrate.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird es erwogen einen Prozess und einen Ofen zum Schmelzen von Glas mit niedrigen NOx-Emmissionen durch die Begrenzung des Stromes von stickstoffenthaltenen Gasen von dem Luft-Brennstoffabschnitt in den Oxy-Brennstoffabschnitt vorzusehen. Die bevorzugte Methode den Strom aus dem Luft-Brennstoffabschnitt zum Oxy-Brennstoffabschnitt zu reduzieren ist durch die Ofenkonstruktion, wobei eine niedrigere Deckenhöhe in dem Oxy-Brennstoffabschnitt verwendet wird. Andere Methoden zur Reduzierung des Stromes aus dem Luft-Brennstoffabschnitt zum Oxy-Brennstoffabschnitt sind das Vorsehen einer Trennwand zwischen den Luft-Brennnstoff- und Oxy-Brennstoffabschnitten oder genauer Anzahl, Größe und Anordnungs- und Drucksteuerung der Ofenausgänge. 6 zeigt eine Austrittsanordnung bei der Züge zum Abführen im wesentlichen der, Produkte der Oxy-Brennstoffverbrennung und flüchtiger Bestandteile des Gemenges zwischen dem Oxy-Brennstoffabschnitt und dem Luft-Brennstoffabschnitt angeordnet sind. Luft-Brennstoffverbrennungsprodukte werden vorzugsweise durch diese Auslässe abgeführt, anstelle in den Oxy-Brennstoffabschnitt einzudringen. Alternativ kann die Konfiguration, die in 4 gezeigt ist, ohne separate Ausgänge für die Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukte und flüchtigen Bestandteile des Gemenges verwendet werden, um einen höheren Druck in dem Oxy-Brennstoffabschnitt zur erzeugen und den Strom aus dem Oxy-Brennstoffabschnitt in den Luft-Brennstoffabschnitt zu zwingen, wodurch Stickstoffkonzentrationen im Oxy-Brennstoffabschnitt verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird es erwogen, durch Betriebstechniken niedrige NOx-Emmissionen zu erreichen. Die bevorzugte Methode ist es die zwei Oxy-Brennstoffbrenner dichtest an dem Luft-Brennstoffabschnitt mit brennstoffreicher Verbrennung (d.h. mit einem unterstöchiometrischen Betrag von Oxidantien) zu betreiben, eine Bedingung die dem Fachmann dafür bekannt ist, dass sie wenig NOx bildet. Andere Brenner werden mit magerem Brennstoff betrieben oder die Verwendung von Sauerstofflanzen erlaubt es dem Ofen gesamt stoichömetrisch betrieben zu werden. Andere Betriebstechniken, welche geeignet für die NOx-Reduktion sind, sind das extreme Sauerstoffstufen des Oxy-Brennstoffbrenners. Extreme Stufung ist die Praxis bei der mehr als 50% des Sauerstoffs für die Verbrennung eines einzigen Brenners durch einen Stufungszugang zugeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegende Erfindung wird es erwogen, Luft-Brennstoff-Rückfallmöglichkeiten des Oxy-Brennstoffabschnitts des Ofens vorzusehen, für den Fall einer Sauerstoffversorgungsunterbrechung vorzusehen. Im Falle einer Sauerstoffsversorgungsunterbrechung können die Oxy-Brennstoffbrenner durch geeignete Luft-Brennstoffbrenner ersetzt werden, erhältlich von Air Products and Chemicals Inc., Allentown, PA. Verbrennungsluft kann vorzugsweise von der Vorheizluftquelle zugeführt werden, welche im Luft-Brennstoffabschnitt des Ofens verwendet wird oder übe eine separate Luftversorgung mit oder ohne Vorheizung.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, die Oxy-Brennstoffbrenner, Abzüge und Luft-Brennstoffzugänge und Brenner anzuordnen, um negative Wechselwirkungen zwischen den Flammen zur verhindern. Da die Oxy-Brennstoffflammen im Ofen typischerweise einen geringeren Impuls haben als die Luft-Brennstoffflammen, haben die Oxy-Brennstoffflammen ein größeres Risiko von den Luft-Brennstoffflammen gestört zu werden. Die Störung der Flammen kann die Flammeneigenschaften negativ beeinflussen (Flammenstabilität, Flammengeometrie, Glasbereich der durch die Flammen bedeckt wird, etc.) was zu einer verringerten Schmelzeffektivität des Ofens und möglicherweise physikalischen Schäden am Ofen führen kann. Eine geeignete Ofengeometriekonstruktion kann durch Experimente, Erfahrung oder vorzugsweise durch die Verwendung von berechneten Fluid-Dynamischem Modellen vervollständigt werden. Für den Fall eines Regenerativofens müssen der Oxy-Brennstoffbrenner, optionale Oxy-Brennstoffaustrittsöffnungen und Luft-Brennstofföffnungskonfigurationen geeignet sein, für die gewünschten Betriebsbedingungen, bei denen die Luft-Brennstoffverbrennung von links nach rechts und von rechts nach links feuern. Berechnete fluiddynamische Modelle können verwendet werden, um geeignete Konfigurationen zu ermitteln.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, die Oxy-Brennstoffbrenner mit Geschwindigkeiten von größer als 100 ft/s (30 m/s) beim Verlassen des Brennerblock zu betreiben. Der Impuls der Oxy-Brennstoffflammen muss ausreichend sein, um negative Einflüsse des höheren Impulses der Luft-Brennstoffflammen zu minimieren.
Die vermehrte Benutzung von stetigen konstanten Oxy-Brennstofffeuerung nach der Erfindung schafft eine größere Stabilität der Chargenfeststoffposition und Ausmaße speziell in regenerativen Öfen, welches zu einer besseren Glasqualität führt. Wegen des reversiblen Zyklusses in einem regenerativen Luft-Brennstoffofen variiert der Wärmestrom von den Luft-Brennstoffflammen und kann die Bewegung des Gemenges beeinflussen. Relative hohe Geschwindigkeiten der Luft-Brennstoffflammen können ebenfalls die Bewegung des Gemenges beeinflussen. Stabilere und gesteuerte Gemengeabmessungen sind wichtig für die konvektiven Strömungsmuster der Glasschmelze und beeinflussen deshalb die Glasqualität. Die Bewegung der Chargenfeststoffe ist so wichtig, dass Flachglasöfen häufig mechanische Mittel zur Steuerung der Chargenfeststoffebewegung verwenden.
Für Glasöfen bei denen Ansatz oder das Zusetzen von Wärmerückgewinnungsvorrichtungen ein Problem ist, kann der Ofen nach der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere separate Abzüge mit limitierten oder keiner Wärmerückgewinnung für die Oxy-Brennstoffverbrennungsprodukte und flüchtigen Bestandteile die aus dem Gemenge austretend vorhanden sein. Wenn die Verflüchtigungsrate des geschmolzenen Glases hoch ist, sollten ein oder mehrere Züge die nicht mit den Luft-Brennstoffwärmerückgewinnungsvorrichtungen verbunden sind, in dem Oxy-Brennstoffabschnitt des Ofens installiert werden, um im wesentlichen Produkte der Oxy-Brennstoffverbrennung und flüchtige Bestandteile der Chargenfeststoffe abzuführen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verminderung von Ansatz oder Zusätzen von Wärmerückgewinnungsvorrichtungen.
Sauerstoff für oxy-brennstoffverstärkte Öfen wird typischerweise durch eine Flüssigmassenvorsorgung (LOX) geliefert, wobei der Ofen nach der vorliegenden Erfindung am ehesten durch vor Ort hergestellten Sauerstoff versorgt wird, wegen der höheren Sauerstoffverbrauchsrate. Vor-Ort-Sauerstoffgeneratoren werden typischerweise abhängig von der maximalen Erfordernis ausgelegt, welche während der gesamten Ofenreise erwartet wird und/oder standardisiert konstruierten Ausstattungskonstruktionen des Sauerstofflieferanten. Aus historischer Sicht haben die Verwender von Oxy-Brennstoffverstärkungstechnologien nur Sauerstoff in den Oxy-Brennstoffbrennern verwendet, da LOX teurer ist als vor Ort gebildeter Sauerstoff und der größte Vorteil erreicht wird durch die Verwendung von Sauerstoff in dieser Weise. Durch die niedrigeren Sauerstoffkosten des vor Ort hergestellten Sauerstoffs und erwarteter Überproduktion von Sauerstoff, wird Sauerstoff in dem Luft-Brennstoffabschnitt des Ofen nach der vorliegenden Erfindung verwendet, um jegliches Sauerstoffdeffizit für einen Luft-Brennstöffzugang durch den Zusatz von Sauerstoff auszugleichen. Dies verbessert die Ofentemperatursteuerung, da es erlaubt, die Brennstoffverteilung besser zuzuschneiden, verbessert die Ofeneffektivität oder schafft NOx-Reduktion durch Techniken die dem Fachmann bekannt sind. Die Sauerstofflieferung für die vorliegende Erfindung ist nicht durch Luftstömungsraten oder Verteilung begrenzt, da der Sauerstoff für jeden Zugang durch die Verwendung von Sauerstoff gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung verwendet sowohl Oxy-Brennstoffverbrennung und Luft-Brennstoffverbrennung vorzugsweise mit konventioneller Wärmerückgewinnung, wobei vollständige Oxy-Brennstoffverbrennungen nur Oxy-Brennstoffverbrennung verwendet. Luft-Brennstoffverbrennung wird in dem Abschnitt des Ofens aus dem Aufschäumungen berichtet werden angewandt, als ein Problem in vollständigen Oxy-Brennstofföfen, wodurch die Menge von Schaum auf der Glasoberfläche verringert wird und die Glasqualität verbessert wird.
Feuerfeste Standardmaterialien, welche in Luft-Brennstofföfen verwendet werden, können in dem Luft-Brennstoffabschnitt des Ofens nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein Vorteil der Verwendung von Standard-Luft-Brennstoff-Feuerfestwerkstoffen in dem Luft-Brennstoffabschnitt ist, dass sie nachweisbare Erfolge bzgl. der Minimierung der Zufügung von Glasdefekten haben. Dadurch, dass die alternativen feuerfesten Werkstoffe, welche für Oxy-Brennstoffe vorgeschlagen sind, korrosionsresistenter sind, ist es auch schwerer sie im Glas auszuschmelzen, wenn Stücke der alternativen Feuerfestwerkstoffe in das Glas, sowohl als Flüssigkeit oder auch als Feststoff eintreten. In der flüssigen Form können Defekte als Schnüre und Schlieren im Endprodukt auftreten. Die alternativen Feuerfeststoffe, welche für Oxy-Brennstoffverbrennung vorgeschlagen wurden, können Defekte im Glas erzeugen, welche schwieriger im Glasschmelzprozess zu entfernen sind. Der Luft-Brennstoffabschnitt nach der vorliegenden Erfindung ist dichter am Glasschmelzenausgang des Ofens, weshalb geringe zusätzliche Prozesszeit erhältlich ist, um jegliche Defekte zu entfernen, welche durch feuerfeste Werkstoffe in der stromabwärtigen Wanne (Läuterzone) eingetragen werden.
Der Sauerstoff, der sowohl zum Ofen nach der Erfindung und einem vollständigen Oxy-Brennstoffofen zugeführt wird, ist wahrscheinlich von einem Vor-Ort-Sauerstoffgenerator. Vor-Ort-Sauerstoffgeneratoren werden typischerweise ausgelegt auf die maximalen Anforderungen, welche während der gesamten Ofenreise und/oder standardkonstruierten Ausrüstungskonstruktionen des Sauerstofflieferanten. Für einen vollständigen Oxy-Brennstoffofen führt dies oft zu unvollständiger Nutzung des Sauerstoffs, der während eines Teils oder der ganzen Ofenreise hergestellt wurde. Zusätzlicher Sauerstoff, der von einem vor Ort Sauerstoffgenerator hergestellt wurde, ist häufig ungenutzt im Falle eines vollständigen Oxy-Brennstoffofens, was zu Kostennachteilen führt. Zusätzlicher Sauerstoff, der vor Ort hergestellt wurde, kann in einer Vielzahl von Wegen genutzt werden. Er kann im Ofen nach der Erfindung verwendet werden, um die Ofentemperatursteuerung zu verbessern, da der Ofenbediener das Brennstoffverteilungsprofil besser anpassen kann und jeglichen Sauerstoffdefizit für einen Luft-Brennstoffzugang durch den Zusatz von Sauerstoff ausgleichen kann. Die Sauerstoffzufuhr für einen Luft-Brennstoffzugang ist nicht durch die Luftströmungsraten oder Verteilung begrenzt, da die Sauerstoffkonzentration für jeden Zugang durch die Verwendung von Sauerstoff gesteuert werden kann. Zusätzlich kann Sauerstoff für die Erhöhung der Ofeneffizienz für NOx-Reduktionstechniken verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Der Vorteil ist die bessere Verwendung von vor Ort hergestellten Sauerstoff über die gesamte Ofenreise für einen Ofen im Vergleich mit einem vollständigen Oxy-Brennstoffofen.
Wie dies im Bereich des Standes der Technik beschrieben wurde, wird die Pufferung von vor Ort hergestellten Sauerstoffversorgung als Besorgnis für große, vollständige Oxy-Brennstofföfen und Fabriken mit vielen Oxy-Brennstofföfen erkannt. Im Falle der Lieferunterbrechung von vor Ort hergestelltem Sauerstoff hängt der fortgeführte Betrieb eines vollständigen Oxy-Brennstoffofens vom gespeicherten, flüssigen Sauerstoff ab, der von LKWs geliefert werden muss, die flüssigen Sauerstoff von einer benachbarten Lufttrennungsvorrichtung herbeischaffen. Ein Vorteil der Ofentechnologie nach der vorliegenden Erfindung ist eine verminderter Abhängigkeit von der Sauerstoffversorgung, verglichen mit einem vollständigen Oxy-Brennstoffofen. Im Falle von Sauerstoffversorgungsunterbrechungen werden die Oxy-Brennstoffbrenner durch geeignet Luft-Brennstoffbrenner ersetzt. Der Ofen nach der Erfindung ist eine Quelle für vorgeheizte Verbrennungsluft, was ein vollständiger Oxy-Brennstoffofen typischerweise nicht hat. Verbrennungsluft kann vorzugsweise von der vorgeheizten Luftquelle, welche in dem Luft-Brennstoffabschnitt des Ofens verwendet wird, oder durch eine separate Luftversorgung geliefert werden. Wegen des Wärmerückgewinnungssystems ist eine höhere Ofenproduktionsfähigkeit im Luft-Brennstoffpuffermodus möglich, im Vergleich zu einem Luft-Brennstoffpufferbetrieb eines vollständigen Oxy-Brennstoffofens.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren und ein Ofen zum Schmelzen von Glas mit niedrigen NOx-Emmissionen vorzusehen, durch die Limitierung des Stromes von stickstoffenthaltenden Gasen aus dem Luft-Brennstoffabschnitt in den Oxy-Brennstoffabschnitt. Wie zuvor diskutiert, umfassen Lösungen zum Begrenzen der Wanderung von stickstoffenthaltenden Gasen aus der Läuterzone in die Schmelzzone das Vorsehen physikalischen Barrieren zwischen der Schmelzzone und der Läuterzone wie physikalisch Barrieren, die aus der Ofenkonstruktion herrühren, wobei (i) im Vergleich mit der Läuterzone, in der Schmelzzone eine geringere Decken- oder Scheitelhöhe verwendet wird, und (ii) eine Trennwandung verwendet wird, um die zwei Zonen zu trennen. Bzgl. (i) zuvor sollte angemerkt werden, dass die Lösung mit der niedrigeren Scheitelhöhe alleine oder vorteilhafterweise in Kombination mit einer Lösung verwendet werden kann, bei der in der Schmelzzone eine kleinere Ofenbreite verwendet wird, im Vergleich mit der Läuterzone. Berechnete Fluidbewegungen haben gezeigt, dass die Kombination eines niedrigeren Scheitels oder Decke in der Schmelzzone mit einer kleinen Ofenweite in der Schmelzzone besonders effektiv ist und fast vollständig die Wanderung von Stickstoff aus der Luft-Brennstoffverbrennung in der Läuterzone in die Oxy-Brennstoffverbrennung in der Schmelzzone verhindern kann. In dieser Kombinationslösung ist die Ofenkonstruktion im wesentlichen die, dass der Querschnitt des Ofens in der Schmelzzone kleiner ist als der Querschnitt des Ofens in der Läuterzone. Bzgl. (ii) zuvor, soll angemerkt werden, dass die Trennwand die Schmelzzone von der Läuterzone nur teilweise trennen muss.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf eine Anzahl von Ausführungsformen hiervon beschrieben. Diese Ausführungsformen sollen nicht als Beschränkungen der vorliegenden Erfindung gesehen werden, deren Bereich sich ermittelt aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Claims

Verfahren zum Schmelzen von glasbildenden Bestandteilen in einem Ofen (140; 200) mit einem Beschickungsende (144), einem Entnahmeende (142), einer Schmelzzone (184; 236) in der Nähe des Beschickungsendes (144), die signifikante, ungeschmolzene Gemenge- bzw. Chargenfeststoffe enthält, die auf der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades schwimmen, und mit einer Läuterzone (170; 270) in der Nähe des Entnahmeendes (142), die keine signifikanten, ungeschmolzenen Gemenge- bzw. Chargenfeststoffe enthält, die auf der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades schwimmen, wobei die glasbildenden Bestandteile in die Schmelzzone (184; 236) eingeführt werden, sich längs einer Bahn von der Schmelzzone (184; 236) zu der Läuterzone (170; 270) fortbewegen und als geschmolzenes Glas aus der Läuterzone (170; 270) abgezogen werden, und wobei Verbrennungsenergie nach Bedarf über sowohl der Schmelzzone (184; 236) als auch der Läuterzone (170; 270) zur Verfügung gestellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass: (i) der größere Teil der Verbrennungsenergie über der Schmelzzone (184; 236) wird durch Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung zur Verfügung gestellt, wobei der Oxidationsmittel-Strom zwischen 50 und 100 % Sauerstoff liegt, wodurch eine Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsflamme (172–184; 238–248) geliefert wird, die unter einem Winkel zwischen 0° und 30° zur Horizontalen auf die glasbildenden Bestandteile gerichtet wird; und (ii) der größere Teil der Verbrennungsenergie (164–168; 224–234) über der Läuterzone (170; 270) wird durch Luft-Brennstoff-Verbrennung zur Verfügung gestellt, wobei der Oxidationsmittel-Strom zwischen 21 % und 30 % Sauerstoff liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehr als 70 % und bis zu und einschließlich 100 % der Verbrennungsenergie (172–184; 238–248) über der Schmelzzone (184; 236) durch Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei mehr als 70 % und bis zu und einschließlich 100 % der Verbrennungsenergie (164–168; 224–234) über der Läuterzone (170; 270) durch Luft-Brennstoff-Verbrennung zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Hilfs-Auslass bzw. -Abzug (141; 143; 220; 223; 201; 203) in der Schmelzzone (184; 236) vorgesehen ist, um in der Hauptsache Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsprodukte (145; 147; 231; 233; 241; 243) aus der Schmelzzone (184; 236) nach außen abzulassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine Hilfs-Auslass (141; 143; 201; 203) in der Nähe der Läuterzone (170; 270) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luft für die Luft-Brennstoff-Verbrennung durch eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung (148; 150) mit einem Auslass bzw. einem Abzug (77; 78) vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 5, wobei die individuellen Auslassdrücke des Auslasses (77; 78) der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung und des wenigstens einen Hilfs-Auslasses (141; 143; 201; 203) gesteuert bzw. geregelt werden, um die Strömung des Stickstoffs, der in der für die Luft-Brennstoff-Verbrennung verwendeten Luft in der Läuterzone (170; 270) enthalten ist, daran zu hindern, in die Schmelzzone (184; 236) einzudringen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ofen eine physikalische Sperre zwischen der Schmelzzone (184; 236) und der Läuterzone (170; 270) hat, um die Strömung des Stickstoffs, der in der für die Luft-Brennstoff- Verbrennung verwendeten Luft in der Läuterzone (170; 270) enthalten ist, daran zu hindern, in die Schmelzzone (184; 236) einzudringen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die physikalische Sperre ausgewählt wird aus (i) der Sperre, die sich aus der Verwendung eines niedrigeren Dachs oder einer niedrigeren Scheitelhöhe in der Schmelzzone (184; 236) im Vergleich mit der Läuterzone (170; 270) und/oder der Verwendung einer kleineren Ofenbreite in der Schmelzzone (184; 236) im Vergleich mit der Läuterzone (170; 272) ergibt; und (ii) einer Trennwand, die wenigstens teilweise die Schmelzzone (184; 236) von der Läuterzone (170; 270) trennt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung durch mehrere Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner zur Verfügung gestellt wird, und wobei eine unterstoichiometrische Menge an Oxidationsmittel in wenigstens einen der Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner in der Nähe irgendeiner Luft-Brennstoff-Verbrennungsflamme (164–168; 224–243) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Hilfsgas zwischen eine Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Flamme (304) und dem Dach (302) des Ofens (140; 200) eingeführt wird (300), um die Ofenatmosphäre, die Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsprodukte in der Nähe des Ofensdachs (302) enthält, zu verdünnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung durch wenigstens einen Sauerstoff-Brennstoff-Brenner mit Sauerstoff-Abstufung (oxygen staging) zur Verfügung gestellt und wenigstens 50 % des Sauerstoffs für den wenigstens einen Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner mit Sauerstoff-Stufenbildung durch eine Stufenbildungsöffung (310) in den Brenner gerichtet wird.,
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luft für die Verbrennungsflamme (164-168; 224-234) mit bis zu 50-Volumen-% Sauerstoff angereichert wird (320).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lanze (330) dazu verwendet wird, Sauerstoff in die Luft-Brennstoff-Flamme (164-168; 224- 234) einzuführen, um die Luft-Brennstoff-Flamme (164-168; 224-234) zu verbessern bzw. zu verstärken.
Ofen zum Schmelzen von glasbildenden Bestandteilen durch ein Verfahren nach Anspruch 1 mit: (a) einem. Beschickungsende (144), einem Entnahmeende (142), einer Schmelzzone (184; 236) in der Nähe des Beschickungsendes (144) und einer Läuterzone (170; 270) in der Nähe des Entnahmeendes (142); (b) einer Anordnung zur Einführung der glasbildenden Bestandteile in die Schmelzzone (184; 236); (c) einer Anordnung zum Entnehmen der glasbildenden Bestandteile als geschmolzenes Glas aus der Läuterzone (170; 270); (d) einer Anordnung, um Verbrennungsenergie (172–184; 238–248) über der Schmelzzone (184; 236) zur Verfügung zu stellen; (e) eine Anordnung, um Verbrennungsenergie (164–168; 224–234) über der Läuterzone (170; 270) zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass: (i) die Anordnung, um Verbrennungsenergie über der Schmelzzone (184; 236) zur Verfügung zu stellen, den größeren Teil der Verbrennungsenergie (172–184; 238–248) durch Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung liefert, indem die Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsflamme (172–184; 238–248) unter einem Winkel zwischen 0° und 30° zur Horizontalen auf die glasbildenden Bestandteile gerichtet wird; und (ii) die Anordnung, um Verbrennungsenergie über der Läuterzone (170; 270) zur Verfügung zu stellen, den größeren Teil der Verbrennungsenergie (164–168; 224–234) durch Luft-Brennstoff-Verbrennung liefert.
Ofen nach Anspruch 15, weiterhin mit einer Wärme-Wiedergewinnungsvorrichtung (148; 150) zur Vorwärmung der Luft für die Luft-Brennstoff-Verbrennung mit einem Abzug bzw. Auslass (77; 78).
Ofen nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin mit wenigstens einem Hilfs-Auslass bzw. -Abzug (141; 143; 220; 223; 201; 203) in der Schmelzzone (184; 236), um in der Hauptsache Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsprodukte (145; 147; 231; 233; 241; 243) aus der Schmelzzone (184; 236) abzulassen.
Ofen nach Anspruch 17, wobei der wenigstens eine Hilfs-Abzug (141; 143; 201; 203) in der Nähe der Läuterzone (170; 270) angeordnet ist.
Ofen nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, weiterhin mit einer Wärme-Wiedergewinnungsvorrichtung (148; 150) zur Vorwärmung der Luft für die Luft-Brennstoff-Verbrennung mit einem Abzug bzw. Auslass (77; 78) und mit einer Anordnung zur Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Auslassdrücke des Auslasses (77; 78) der Wärme-Wiedergewinnungsvorrichtung und des wenigstens einen Hilfs-Auslasses (141; 143; 201; 203), um die Strömung des Stickstoffes, der in der für die Luft-Brennstoff-Verbrennung verwendeten Luft in der Läuterzone (170; 270) enthalten ist, daran zu hindern, in die Schmelzzone (184; 236) einzudringen.
Ofen nach einem der Ansprüche 15 bis 19, weiterhin mit einer physikalischen Sperre zwischen der Schmelzzone (184; 236) und der Läuterzone (170; 270), um die Strömung des Stickstoffs, der in der für die Luft-Brennstoff-Verbrennung verwendeten Luft in der Läuterzone (170; 270) enthalten ist, daran zu hindern, in die Schmelzzone (184; 236) einzudringen.
Ofen nach Anspruch 20, wobei die physikalische Sperre ausgewählt wird aus (i) der Sperre, die sich aus der Verwendung eines niedrigeren Daches oder einer niedrigeren Scheitelhöhe in der Schmelzzone (184; 236) im Vergleich mit der Läuterzone (170; 270) und/oder der Verwendung einer kleineren Ofenbreite in der Schmelzzone (184; 236) im Vergleich mit der Läuterzone (170; 270) ergibt, und (ii) einer Trennwand, die wenigstens teilweise die Schmelzzone (184; 236) von der Läuterzone (170; 270) trennt.
Ofen nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Anordnung, um die Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung zur Verfügung zu stellen, mehrere Oxy(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner aufweist, wobei wenigstens einer der Sauerstoff-Brennstoff-Brenner in der Nähe irgendeiner Luft-Brennstoff-Verbrennungsflamme (164–168; 224–234) eine unterstoichiometrische Menge an Oxidationsmittel empfängt.
Ofen nach einem der Ansprüche 15 bis 22, weiterhin mit einer Anordnung (300), um ein Hilfsgas zwischen der Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Flamme (304) und dem Dach (302) des Ofens (140; 200) einzuführen, um die Ofenatmosphäre, die in der Nähe des Ofendachs (302) Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennungsprodukte enthält, zu verdünnen.
Ofen nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei das Dach (302) des Ofens (140; 200) über der Schmelzzone (184; 236) niedriger als das Dach des Ofens (140; 200) über der Läuterzone (170; 270) ist.
Ofen nach Anspruch 15, wobei die Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Verbrennung durch wenigstens einen Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner mit Sauerstoff-Stufenbildung (oxygen staging) zur Verfügung gestellt wird, wodurch wenigstens 50 % des Sauerstoffs für den wenigstens einen Oxy-(Sauerstoff)-Brennstoff-Brenner mit Sauerstoff-Stufenbildung durch eine Stufenbildungs-Öffnung (310) in den Brenner gerichtet werden kann.