DE69103051T2

DE69103051T2 - Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren eines Gemenges.

Info

Publication number: DE69103051T2
Application number: DE69103051T
Authority: DE
Inventors: Bernard Genies; Dominique Jouvaud; Louis Pascarel
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-03-08
Also published as: BR9101033A; JP3297693B2; AU644630B2; ZA911949B; AR246604A1; EP0447300A1; CS66991A2; EP0447300B1; CA2038270C; JPH06293522A; DE69103051D1; ES2059072T3; CA2038270A1; FR2659729B1; US5158590A; FR2659729A1; AU7295291A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer kontinuierlich im unbearbeiteten Zustand in den Kopf eines Ofens eingeleiteten und im raffinierten Zustand vom Boden des Ofens entnommenen Charge unter Übertragung von Wärme auf zumindest einen wesentlichen Teil der Charge mittels wandseitigen Brennern mit auf die Charge gerichteten Flammen, bei dem zumindest ein Teil der Flammen aus der Verbrennung eines Industriesauerstoff/-brennstoffgemisches herrühren.
In der bei dieser Art von Verfahren im allgemeinen angewandten Technik, den kontinuierlich arbeitenden Öfen, werden die Flammen gleichfalls kontinuierlich emittiert unter Regulierung der an die Charge übertragenen Leistung, die automatisch durch an einen leistungsoptimierenden Regler gekoppelte thermische Sonden erfolgen kann.
Die unter Luft brennenden Brennerflammen erhitzen im wesentlichen durch Konvektion und Strahlung, wobei jedoch bekannt ist, daß die unter Sauerstoff brennenden Flammen sehr viel stärker strahlen als sie konvektieren. Zusätzlich zu diesen beiden komplementären Wirkungen empfiehlt es sich, die mechanische Auswirkung zu berücksichigen, die auf den Impuls der Flamme auf die Oberfläche der Charge zurückzuführen ist. In Abhängigkeit des Impulses und der Neigung des Brenners können mehr oder weniger wichtige Oberflächenwirkungen auf auf der Oberfläche schwimmende Ansammlungen, Schollen oder Schaumstellen erzielt werden. Darüber hinaus erzeugen sowohl die unter Luft brennenden Flammen als auch die unter Sauerstoff brennenden Flammen eine bestimmte Menge an Schmutzgasen, die eine Funktion der Konzentrationen von Stickstoff, Sauerstoff und anderer Verunreinigungen und der Temperatur, sowie schwer zu beschreibender aerodynamischer Erscheinungen, deren Wirkungen jedoch bekannt sind, ist.
Unter Betrachtung des besonderen Falles der Glaserzeugung kann auf die Existenz eine oder mehrerer Brenner verwiesen werden, die die Ummantelung des Ofens auf Temperatur halten und das Schmelzen des in den Ofen eingesetzten Materials mit einer Schmelzzone, die drei Viertel der Länge des Ofens einnimmt, und mit einer sich am Boden des Ofens befindenden Raffinationszone, die im allgemeinen flüssiges, homogenes Glas enthält, gewährleistet. In der Schmelzzone wird das Material am Kopf des Ofens beschickt und schwimmt auf einem Bad flüssigen Glases. Je nach ihrem Vorrücken in dem Ofen zerfällt die kompakte Masse, schmilzt und bricht auseinander, um kleine Inseln oder Schollen zu bilden, die langsam in Richtung der Raffinationszone zu treiben beginnen. Allgemein anerkannt ist, daß die Qualität des Glases sehr oft von einer reinen und sehr homogenen Raffinationszone abhängt. Das gute Funktionieren des Ganzen bildet indessen ein schwieriges Gleichgewicht zwischen einer geeigneten Flammenleistung, einer maximalen Gewölbetemperatur und einer freien Raffinationszone. Jegliche Abnormalität verletzt das Gleichgewicht und überträgt sich durch ein Eindringen von Schollen in die Raffinationszone, was die Qualität des Glases verschlechtert. Einer festgelegten Qualität und einer Gewölbetemperatur nahe bei der kritischen Schwelle entspricht eine maximale Produktion, die man unter den derzeitigen Bedingungen nicht überschreiten kann, ohne die Raffinationszone zu verstopfen.
Der Erfindung liegen als Aufgaben zugrunde, die Produktivität des vorgenannten Verfahrens zu verbessern durch:
- Halten der Schollen außerhalb der Raffinationszone;
- Erhöhen des thermischen Wirkungsgrads des Verfahrens;
- durch Vermeiden des Überschreitens der kritischen, für das Gewölbe zulässigen Temperaturschwelle,
als auch so, daß man Herr über die folgenden Auswahlmöglichkeiten wird:
* entweder einer Erhöhung der Produktion bei gleicher Qualität,
* oder einer Verbesserung der Qualität bei konstanter Produktion,
* oder eine Verringerung der Leistung bei gleicher Produktion und gieicher Qualität,
wobei diese Ziele der Erfindung dadurch erreicht werden, daß für eine oder mehrere der im wesentlichen in der Raffinationszone wirksamen Flammen eine pulsierende Verbrennung mit zyklisch abwechselnder Sauerstoff- und Brennstoffzuführung vorgesehen wird, die von Ruhepausen stark verminderter bis vollständig abgebauter Wärmeleistung unterbrochene Phasen maximaler Flammenaktivität hoher Wärmeleistung umfaßt.
Dank der pulsierenden Verbrennung kann das Raffinieren der Charge unter optimalen Bedingungen bewirkt werden. Denn:
- einerseits steigt konvektive Übertragung an, wenn man frühzeitig von räumlichen Veränderungen Gebrauch macht, was die Ausflüsse anbelangt. Die Verwendung von Pulsationen verändert beträchtlich die seitlichen Spannungen und steigert infolgedessen die Konvektion an der Oberfläche der Charge. Gleichzeitig erlauben, da die auf dem zu erhitzenden Material auftreffenden Flüssigkeitsstöße unregelmäßig sind, die durch die Pulsationen erzeugten Bewegungen ein schnelleres Schmelzen des Materials (mit auf der Oberfläche vorhandenen Ansammlungen) durch Verlängern der Kontaktzeit mit der Flamme. Bei Vorhandensein von Schaumstellen, die weggedrängt werden, besitzen die Pulsationen infolgedessen die Eigenschaft, die "saubere" Oberfläche zu vergrößern und die durch Strahlung in die Charge eintretende Energiemenge zu vergrößern. Auf diese Weise wird eine Steigerung der konvektiven und strahlenden Übertragungen erzielt, die zu einer Verringerung der Viskositäten der im Schmelzen befindlichen Materialien führt, und die eine Steigerung der Oberflächenbewegungen induziert;
- andererseits erzeugt die pulsierende Verbrennung gleichfalls Veränderungen der Brennstoflkonzentrationen, Oxydationsmittel und Verbrennungsprodukte. Diese Konzentrationsänderungen haben einen direkten Einfluß auf die Bildung von Schadstoffen wie die Stickoxide, und durch Frequenz-Änderungen und -Verschiebungen wird eine Reduktion dieser Stickoxide erreicht;
- ferner bedient man sich, nachdem man die mechanische Wirkung der pulsierenden Flammen einreguliert hat, einer zeitlichen Regulierung der Leistung, um die auf die Charge zu übertragende Energie zu dosieren, wobei dies durch ein abwechselndes Arbeiten der Brenner erzielt wird, das bei der Umkehrung mit Zeiten der Unterbrechung verbunden ist, die erlauben, die in Wärme umgesetzte Energie mit einem vorteilhafterweise verbesserten thermischen Wirkungsgrad und daher mit einer, bei konstanter Produktion, Reduktion der zugeführten fossilen Energie, sehr fein zu dosieren.
Gemäß einer Ausführungsform wird für eine Mehrzahl benachbarter, gegebenenfalls gekreuzt übereinander liegender Flammen eine Pulsation einer Flamme durchgeführt, die eine länger als eine maximale Flammenaktivität hoher Wärmeleistung dauernde Ruhephase stark verminderter bis vollständig abgebauter Wärmeleistung umfaßt, bei der auf eine aktive Phase einer beliebigen der Flammen eine Ruhephase sämtlicher der Mehrzahl von Flammen folgt. Auf diese Weise ist es bei bestimmten Öfen, beispielsweise bei den Öfen mit U-Flammenwanne, vorteilhaft, das Zusammentreffen der beiden Flammen zu bewirken, wobei die unter Luft brennende einen beträchtlichen Stickstoff-Ballast transportiert und die andere, unter Sauerstoff brennende deutlich höhere Temperaturen aufweist. Der Bereich des Zusammentreffens dieser beiden Flammen ermöglicht aufgrund der Verdünnung, die die unter Luft brennende Flamme erzeugt, daß keine zu großen Gewölbetemperaturen erreicht werden, obwohl der Charge eine bedeutende Energie zugeführt wird. Es ist unter diesen Umständen vorteilhaft, eine unter Luft brennende Flamme, die zu einer unter Sauerstoff brennenden Flamme benachbart oder zu dieser gekreuzt übereinanderliegend ist, auf einem höheren Niveau als die unter Sauerstoff brennende, heißere Flamme azzuordnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die einer pulsierenden Verbrennung unterworfenen Flammen solche mit Vorverbrennung im Innern des Brenners, und es wird vorteilhafterweise ein Brenner der Art, wie er in der Patentanmeldung FR-A-2 644 558 der Anmelderin beschrieben ist. Denn es wurde, da das begehrte Ziel die Erzeugung maximaler, mit einem ausgezeichneten thermischen Wirkungsgrad verbundene Impulse ist, eine Brennergeometrie in Betracht gezogen, die erlaubt, die mit der Temperatur verbundenen physikalischen Grenzen (insbesondere die Schallgeschwindigkeiten der Fluide) zu überschreiten, und zu diesem Zweck wurde, um eine durch den Impuls und die Leistung gestützte mechanische Wirkung mit einer durch das Oxidationsmittel-Brennstoffgemisch verbrennungsproduktfrei gestützten thermischen Wirkung zu verbinden, ein solcher Brenner konstruiert und verwendet, bei dem eine Vorverbrennung im Innern einer Brennerkammer eingeleitet wird, um gleichzeitig eine Vorerhitzung der Oxidationsmittel und Brennstoffe zum Anheben der Schallgeschwindigkeit und zum Gewahrleisten einer Blockierung von Radialgeschwindigkeiten, was dadurch eine Erhöhung der Longitudinalgeschwindigkeiten zur Folge hat. Dieser Aufbau hat darüber hinaus der Vorteil, daß die Verbrennung ohne jegliche Verschmutzung eingeleitet wird, was eine maximale schnelle Verbrennung und eine maximale Flammentemperatur garantiert.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die einer pulsierenden Verbrennung unterworfenen Flammen zur Oberfläche der geschmolzenen Charge während des Raffiniervorgangs unter einem Winkel geneigt, und sind gleichermaßen stromaufwärts in Bezug auf die Richtung, in die sich die Charge während des Schmelz- und Raffiniervorgangs bewegt, unter einem Winkel geneigt. Gleichfalls kann der Brenner mehr oder weniger stark längs seiner Längsachse vorgeschoben sein. Auf diese Weise gewährleistet man gleichzeitig:
- eine Raumung der Oberfläche des Bades;
- ein Blockieren ungeschmolzenen Materials in der Schmelzzone;
- eine maximale thermische Übertragung in Richtung der Charge mit minimaler Reflexion in Richtung des Gewölbes;
- und einen Betrieb der Brenner unter akzeptablen Bedingungen, um vor allem den Vorwärmeofen nicht zu beschädigen..
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die in schematischer Form einen Glaserzeugungsofen mit U-Flammenwanne darstellt, näher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 umfaßt ein Glaserzeugungsofen 1 mit rechteckiger Form eine Chargen-Beschickungsklappe, die oberhalb in der Nähe der stromaufwärtigen Zone 2 angeordnet ist, und eine Bodenöffnung zur Entnahme von raffiniertem Glas auf der stromabwärtigen Seite 3. Große Vorwärmeöfen 4 und 5 sind auf der stromaufwärtigen Seite 2 vorgesehen mit in Position gebrachten, nicht gezeigten unter Luft brennenden Brennern, die unter Einlaß von Verbrennungsluft Heizflammen durch die Vorwärmeöfen 4 und 5 hindurch bewirken, als auch auf alternative Weise zuerst nur in dem Vorwärmeofen 4 (Rauchströmung entlang der Kontur 6-6' in Richtung des als Auslaß und Wärmeaustauscher dienenden Vorwärmeofens 5), und dann nur in dem Vorwärmeofen 5 (Rauchströmung entlang derselben Kontur 6-6' in Richtung des dann als Auslaß-Wärmeaustauscher dienenden Vorwärmeofens 4). In der stromabwärtigen Zone 3 sind zwei unter Sauerstoff brennende Brenner 11 und 12 durch zwei wandseitige Öfthungen 13 und 14 hindurch angeordnet, wobei jeder Brenner stromaufwärts unter einem Winkel A und in Richtung der Oberfläche des Bades unter einem Winkel B geneigt ist.
Auf diese Weise baut sich in dem Ofen stromaufwärts eine große Schmelzzone 16 auf, die von einer stromabwärtigen Raffinationszone 17 durch eine kleine sogenannte Siedezone 18 getrennt ist.
Die beiden Brenner 11 und 12 arbeiten mit wechselweise pulsierender Verbrennung derart, daß eine einzige Flamme 15 aufgebaut wird, die abwechselnd aus dem Brenner 11 und dann als 15' aus dem Brenner 12 kommt, mit einer Ruhephase ab dem Erlöschen einer beliebigen der Flammen 15-15'. Beispielsweise emittiert der Brenner 11 eine Flamme während einer Phase von 20 bis 40 Sekunden, erzeugt dann eine Unterbrechungs- oder Ruhephase von 10 bis 20 Sekunden, worauf dann der Brenner 12 eine Flamme während einer Phase von 20 bis 40 Sekunden emittiert, und so weiter. Mit der beschriebenen Anordnung erzielt man die folgenden Vorteile:
- eine Vergrößerung der Auftrefffläche mit besserem Strahlungsübergang (thermische Einwirkung);
- einen Anstieg der Aufenthaltsdauer von auf der Oberfläche schwimmendem, ungeschmolzenem Material durch Verringerung dessen Durchlaufgeschwindigkeit (mechanische Einwirkung der Flamme);
- eine bemerkenswerte Verringerung der abgestrahlten Wärmeleistung in Bezug auf die Brennertechnik mit kontinuierlicher Leistungsabgabe, während die gleichen thermischen und mechanischen Wirkungen erhalten werden.
Zu bemerken ist, daß diese Verbesserungen erzielt werden, ohne die für das Funktionieren des Verfahrens kritischen thermischen Werte (insbesondere die Gewölbetemperatur) zu überschreiten.
Darüber hinaus wurde bewiesen, daß die aufgrund thermischer Wirkung gebildeten Mengen an Stickoxiden durch Steuern der Frequenzen und Verschiebungen der Flüssigkeiten stark herabgesetzt werden, wobei sämtliche anderen Bedingungen (Leistung, thermische Verluste und zugeführte Luft) gleich bleiben.

INDUSTRIELLES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG:

Das industrielle Ausführungsbeispiel wird bei einem Glasofen mit U-Flammenwanne mit einem Ausstoß von 220 t/d verwirklicht.
Typ des Ofens : U-Flammenwanne mit Umkehrfrequenz der Luft/Gas- Brenner von 20 Minuten
Luft/Heizöl-Leistung : 10,1 MW
Elektrische Leistung : 1027 Kwh (Taucherhitzer)
Oberfläche : 60m²
Glasart : weiß
Nennkapazität : 220 t/d
In diesen herkömmlichen Ofen wurden in der Höhe der Raffinationszone zwei zur Schmelzzone hin ausgerichtete Brenner eingesetzt, wie in der Zeichnung dargestellt;
Eigenschaften der unter Sauerstoff brennenden Brenner:
* Einstellbare Vorverbrennungskammer;
* Leistung auf die Abreißgrenze der Flammen geregelt;
* Schallgeschwindigkeit in der Vorverbrennungskammer nahe bei 400 m/s
* Abwechselnder Betrieb der Brenner mit Periode der Unterbrechung zur Dosierung der zugeführten Leistung
Die Erfindung ist auf verschiedene Bereiche anwendbar wie im besonderen:
Rotorofen: Zement, Eisenguß, Keramik, Zink, Abfälle, etc., zum örtlichen Verändern der Schmelzgeschwindigkeit und der Bewegungen der Materialien an der Oberfläche; Glasofen mit U-Flammenwanne Typ "Unit melter" mit querliegenden Brennern zum örtlichen Verändern der Schmelzgeschwindigkeit und der Bewegungen der Materialien an der Oberfläche;
Lichtbogenofen: Die Bedeutung dieser Technik für diesen Typ ist unmittelbar, da man bei dieser Anwendung im Hinblick auf eine Senkung der wirtschaftlichen Kosten starke, modulierbare Impulse mit kontrollierter thermischer Übertragung zu verbinden sucht;
Flachbad-Herdofen: Möglichkeit der Verwendung dieser Technik bei Öfen für Aluminium, Eisenguß, Spezialstähle, Kupfer, etc., zum lokalen Verändern der Konzentrationen und thermischen Profile;
Rotorofen für Abfalle: Man profitiert von den starken Impulsen, um thermisch aus der Ferne einzuwirken im Hinblick auf ein Verändern der Axialtemperaturkurve, ohne dem Ofen zuviel Energie zuzuführen.
Thermisches Verfahren der Homogenisierung einer Atmosphäre oder der Veränderung von Zusammensetzungen aus der Ferne.

Claims

1. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer kontinuierlich im unbearbeiteten Zustand in den Kopf eines Ofens (1) eingeleiteten und im raffinierten Zustand vom Boden des Ofens entnommen Charge unter Übertragung von Wärme auf zumindest einen wesentlichen Teil der Charge mittels wandseitigen Brennern (11, 12) mit auf die Charge gerichteten Flammen, bei dem zumindest ein Teil der Flammen aus der Verbrennung eines Indu-Striesauerstoff/-brennstoffgemisches herrühren, dadurch gekennzeichnet, daß für eine oder mehrere der im wesentlichen in der Raffinationszone (3) wirksamen Flammen (15, 15') eine pulsierende Verbrennung mit zyklisch abwechselnder Sauerstoff- und Brennstoff zuführung vorgesehen wird, die von Ruhephasen stark verminderter bis vollständig abgebauter Wärmeleistung unterbrochene Phasen maximaler Flammenaktivität hoher Wärmeleistung umfaßt.

2. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsationsperiode einer Flamme (15, 15') in der Größenordnung von einer Minute liegt und eine aktive Flammenemissionsphase hoher Wärmeleistung umfaßt, die länger dauert als eine Ruhephase stark verminderter bis vollständig abgebauter Wärmeleistung.

3. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Mehrzahl benachbarter, ggf. gekreuzt übereinander liegender Flammen (15, 15') eine Pulsation einer Flamme durchgeführt wird, die eine länger als eine maximale Flammenaktivität hoher Wärmeleistung dauernde Ruhephase stark verminderter bis vollständig abgebauter Wärmeleistung umfaßt, bei der auf eine aktive Phase einer beliebigen der Flammen eine Ruhephase sämtlicher der Mehrzahl von Flammen folgt.

4. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Flamme (15) der Nehrzahl von Flammen (15, 15') eine unter Luft brennende und zumindest eine weitere Flamme (15') der Nehrzahl von Flammen eine unter Sauerstoff brennende Flamme ist.

5. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart gekreuzt übereinanderliegend eine unter Sauerstoff brennende Flamme (15) und eine unter Luft brennende Flamme (15') vorgesehen sind, die auf einem höheren Niveau als die unter Sauerstoff brennende, heißere Flamme angeordnet ist.

6. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einer pulsierenden Verbrennung unterworfenen Flammen (15, 15') zur Oberfläche der geschmolzenen Charge während des Raffiniervorgangs unter einem Winkel (B) geneigt sind.

7. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach einern der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einer pulsierenden Verbrennung unterworfenen Flammen (15, 15') stromaufwärts in Bezug auf die Richtung, in die sich die Charge während des Schmelz- und Raff iniervorgangs bewegt, unter einem Winkel (A) geneigt sind.

8. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einer pulsierenden Verbrennung unterworfenen Flammen (15, 15') solche mit Vorverbrennung im Innern des Brenners (11, 12) sind.

9. Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren einer Charge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einer pulsierenden Verbrennung unterworf ene Flamme (15, 15') mehr oder weniger stark längs der Achse des Ofens (1) vorgeschoben sein kann.