DE69305528T2

DE69305528T2 - Industrieofen und methode, ihn zu betreiben

Info

Publication number: DE69305528T2
Application number: DE69305528T
Authority: DE
Inventors: Keith Russell Mcneill
Original assignee: Vert Investments Ltd
Current assignee: Vert Investments Ltd
Priority date: 1992-06-13
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2013-06-09
Also published as: HU9403564D0; SG49145A1; HUT69899A; CN1081761A; AU665258B2; EP0662071B1; GB9212581D0; ZA934089B; CZ312594A3; JPH07507759A; RU2109697C1; WO1993025486A1; EP0662071A1; ES2092828T3; AU4343393A; US5488915A; DE69305528D1; RU94046421A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Industrieofen und ein Verfahren, ihn zu Betreiben. Ein Industrieofen ist eine Anlage oder eine Vorrichtung für einen industriellen Prozeß, bei dem ein Schritt Teil des Prozesses ist, in dem eine Verbrennung mit Sauerstoff erfolgt. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich auf Glasschmelzöfen gerichtet.

Hintergrund der Erfindung

Auf dem Gebiet des Glasschmelzens wird man zunehmend auf das Erfordernis aufmerksam, die Schadstoffemissionen zu begrenzen. Diese Aufmerksamkeit wird durch die ständig zunehmende Anzahl und Schärfe der Vorschriften über solche Emissionen noch erhöht. In diesen Vorschriften wird die Schadstoffmenge im zugeführten Gas mit der des abgegebenen Gases verglichen, das in die Atmosphäre entlassen wird. Der Prozeß selbst wird zwischen diesen Eingangs- und Ausgangswerten als "Black Box" behandelt.
Zum Beispiel beschreibt die britische Patentanmeldung Nr. GB 2 243 674 ein Verfahren zum Zuführen eines Gemenges zu einem Glasschmelzofen, bei dem ein Strom von Umgebungsluft direkt durch einen Wärmetauscher angesaugt wird, der durch Abgas aus dem Ofen aufgeheizt wird. Der erwärmte Luftstrom passiert einen zweiten Wärmetauscher, der wiederum durch Abgas geheizt wird. In den aufgeheizten Luftstrom wird bei dessen Bewegung vertikal nach unten zum Glasschmelzbereich des Ofens hin pulverisiertes Gemenge eingegeben. Infraschall mit einer Frequenz von weniger als etwa 20 Hertz wird auf den sich vertikal bewegenden, aufgeheizten Luftstrom gerichtet, in den das pulverisierte Gemenge eingegeben wurde. Der Infraschall versetzt den aufgeheizten Luftstrom in Schwingungen und bewirkt einen Wärmeübergang vom Luftstrom auf die Teilchen des Gemenges, so daß sich die Teilchen des Gemenges aufheizen und die Temperatur des erwärmten Luftstroms auf eine Temperatur unter 700ºC verringert. Dadurch wird die Neigung der Luft verringert, NOx zu erzeugen. Bei der Bewegung der aufgeheizten Gemengeteilchen und des abgekühlten Luftstroms nach unten auf die Ofendecke zu wird noch Brennstoff zugegeben. Das Abgas des Prozesses wird regenerativ dem Wärmetauscher zugeführt, um das Aufheizen des eingeführten Luftstroms zu bewirken.
Es ist jedoch immer noch wünschenswert, die Schadstoffmenge, die vom Ofen emittiert wird, relativ zu der Menge an Schadstoffen in der in den Ofen gesaugten Umgebungsluft (die der Standard bei den oben erwähnten Vorschriften ist) zu verringern.
Es wurde ein Verfahren geschaffen, einen solchen Ofen zu betreiben, das generell bei Industrieöfen anwendbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Industrieofens geschaffen, das die Schritte
(a) des Einsaugens eines ersten Gasstromes aus Umgebungsluft in den Ofen;
(b) des Entfernens von Bestandteilen des ersten Gasstromes, um den relativen Sauerstoffgehalt des ersten Gasstromes zu erhöhen, wobei die aus dem ersten Gasstrom entfernten Bestandteile einen zweiten Gasstrom bilden;
(c) des Betreibens des Ofens mit wenigstens einem Teil des verbleibenden ersten Gasstromes als oxidierendes Medium;
(d) des Abziehens von Abgas aus dem Ofen in einem dritten Gasstrom;
(e) des Zusammenführens des zweiten Gasstroms und des dritten Gasstroms; und
(f) des Abgebens der zusammengeführten zweiten und dritten Gasströme aus dem Ofen umfaßt.
Ein Industrieofen, der nach diesem Verfahren betrieben wird, weist im Vergleich vom eingeführten zum abgegebenen Gas eine Verringerung der emittierten Schadstoffmenge auf, da die Rückführung des zweiten Gasstroms zum dritten Gasstrom die relative Schadstoffmenge verdünnt. Auch wird die Reinigungsfähigkeit des Industrieofensystems nicht an Gas verschwendet, das gar keine Behandlung benötigt.
Das in dieser Beschreibung genannte Gas kann ein Gas aus einem einzigen Bestandteil oder ein Gasgemisch sein.
Der erhöhte Sauerstoffgehalt des oxidierenden Mediums bewirkt höhere Flammentemperaturen, wodurch der Wirkungsgrad des Ofens ansteigt. Auch werden die Abgase weniger, wodurch weniger Abgasreinigung erforderlich ist.
Vorzugsweise hat der mit Sauerstoff angereicherte verbleibende erste Gasstrom, der zum Heizen des Ofens verwendet wird, einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 40 Vol.-%, wobei 40 Vol.-% am meisten bevorzugt werden.
Der dritte Gasstrom wird vorzugsweise in einen Wärmetauscher eingeführt, um dessen thermische Energie auszunutzen. Die thermische Energie kann in einem kombinierten Wärme- Heiz-System in einer Fabrik- oder Büroumgebung verwendet werden.
Alternativ wird der zweite Gasstrom zum Beispiel mittels eines Kugelbett-Wärmetauschers mit der thermischen Energie des dritten Gasstromes (des Abgases) aufgeheizt, bevor er in den dritten Gasstrom eingeführt wird. Der aufgeheizte Stickstoff läßt die thermische Energie der zusammengeführten zweiten und dritten Gasströme ansteigen, was deren Verteilung in der Atmosphäre begünstigt. Es ist anzumerken, daß wegen der verwendeten Technik der dritte Gasstrom gekühlt werden muß, bevor er effektiv gereinigt werden kann, wodurch es nicht möglich ist, die thermische Energie des dritten Gasstromes direkt zur Verbesserung der Verteilung des Abgases zu verwenden.
In einer zweiten Ausführungsform umfaßt die vorliegende Erfindung einen Industrieofen
(a) mit einem ersten Gaseinlaß, durch den ein erster Gasstrom aus Umgebungsluft in einen ersten Gasweg gesaugt wird;
(b) mit einem Separator im ersten Gasweg in Strömungsrichtung unterhalb des Einlasses, um den Gasstrom in zwei Gasströme aufzuteilen, einen verbleibenden Gasstrom mit erhöhtem Sauerstoffgehalt und einen zweiten Gasstrom, wobei der verbleibende Gasstrom in den verbleibenden Gasweg eingeführt wird und der zweite Gasstrom in einen zweiten Gasweg;
(c) wobei sich der verbleibende Gasweg zu einem Ofeneinlaß erstreckt, damit der verbleibende Gasstrom als oxidierender Strom dem Ofen zu dessen Betreiben zugeführt wird;
(d) mit einem Ofenauslaß, durch den das Abgas des Ofens in einen dritten Gasweg abgezogen wird; und
(e) mit einer Zusammenführung, die mit dem zweiten und dritten Gasweg verbunden ist, um den zweiten und den dritten Gasstrom zusammenzuführen und um die zusammengeführten Gase für das Abgeben der zusammengeführten Gase aus der Vorrichtung zu einem Gasauslaß zu führen.
Die vorliegende Erfindung hat sich besonders vorteilhaft als Verfahren zum Betreiben eines Glasschmelzofens nach dem ersten Aspekt der Erfindung herausgestellt, bei dem der Ofen zum Schmelzen von Glas verwendet wird.
Der mit Sauerstoff angereicherte erste Gasstrom wird vorzugsweise zusammen mit dem Gemenge als Strom eingegeben, der beim Passieren der Ofendecke nach unten von brennendem Brennstoff umgeben ist. Dadurch können Gläser mit hohem Schmelzpunkt erzeugt werden.
Das Vermischen des Gemenges, des Brennstoffs und des verbleibenden ersten Gasstromes kann durch Infraschall verbessert werden, der auf den verbleibenden ersten Gasstrom mit dem Gemenge und/oder dem Brennstoff gerichtet wird.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch einen Glasschmelzofen, der gemäß dem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung betrieben wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit einem Ofen zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf den Ofen der Fig. 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist ein Glasschmelzofen 1 mit einer Decke 2 gezeigt, der geschmolzenes Glas 3 enthält. Die Decke 2 des Ofens 1 trägt einen Zylinder 4, durch den aufgeheiztes Gemenge und eine Flamme in das Innere des Ofen geführt werden.
Ein erster Gasstrom (schematisch bei A dargestellt) aus Luft aus der umgebenden Atmosphäre wird von einem Gebläse 5 durch einen Separator 6 angesaugt. Der Separator 6 ist eine bekannte Schwingabsorptionseinheit. Der Separator 6 entfernt Bestandteile des ersten Gasstromes A, um den relativen Sauerstoffgehalt im Rest des ersten Gasstromes (schematisch bei A' gezeigt) zu erhöhen. Die entfernten Bestandteile des ersten Gasstromes bilden einen zweiten Gasstrom (schematisch bei B gezeigt). Zum Beispiel ist das Verhältnis von Sauerstoff zu Nicht-Sauerstoff-Gasen (hauptsächlich Stickstoff) in der Luft etwa 1:4. Wenn 50% der Nicht-Sauerstoff-Gase entfernt werden, wird das Verhältnis etwa zu 1:2. Der zweite Gasstrom B wird von einem Gebläse 8 durch eine Rohrleitung 7 abgesaugt.
Der verbleibende erste Gasstrom A' wird vom Separator 6 durch die Rohrleitung 9 und durch einen vertikalen Zylinder 10 nach unten zur Decke 2 geführt, wobei der Zylinder 10 konzentrisch zu dem Zylinder 4 über der Decke des Ofens 1 angeordnet ist.
Von einem Vorratsbehälter 12 wird durch einen Kanal 13 Gemenge 11 in Pulverform in einem erweiterten Zylinder 14, der mit dem Zylinder 10 in Fluidverbindung steht, in den verbleibenden ersten Gasstrom A' eingeführt.
Ein Infraschallgenerator 27 erzeugt Schallwellen mit einer Frequenz von 15-20 Hertz und etwa 140 Dezibel. Diese Schallwellen laufen direkt den Zylinder 10 hinab, durch den erweiterten Zylinder 14 und weiter durch den Zylinder 4 bis in das Innere des Ofens 1, in dem die Schallwellen von der Oberfläche des geschmolzenen Glases 3 reflektiert werden.
Der Infraschall unterstützt das Vermischen des verbleibenden ersten Gasstromes A' mit dem Gemenge 11 und dem Brennstoff. Die Anwendung des Infraschalls entspricht der Beschreibung in der veröffentlichten britischen Patentanmeldung Nr. GB 2 243 674. Bei der vorliegenden Erfindung darf wegen der Gefahren durch den höheren Sauerstoffgehalt der verbleibende erste Gasstrom A' jedoch nicht wie in der GB 2 243 674 beschrieben überhitzt werden.
Der Strom des Gemenges 11 und des verbleibenden ersten Gasstroms A' läuft vom Zylinder 10 nach unten zum Zylinder 4, in dem Brennstoff, zum Beispiel Gas oder Öl, in einem Teil 15, das das untere Ende des Zylinders 10 umgibt, durch vertikale Einlässe vertikal nach unten eingespritzt wird, so daß sich der eingespritzte Brennstoff mit dem verbleibenden ersten Gasstrom A' und dem Gemenge 11, das den Zylinder 4 passiert, vermischen kann. Der Brennstoff entzündet sich, wie es in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 90/13 522 beschrieben ist. Beim Durchlaufen des Zylinders 4 erhöht der brennende Brennstoff im Zylinder 4 die Temperatur des Gemenges 11 im wesentlichen bis zur Schmelztemperatur der Komponenten des Gemenges, und sowohl die Flamme als auch das aufgeheizte Gemenge kommen mit der Oberfläche des geschmolzenen Glases 3 im Ofen 1 in Kontakt. Der direkte Flammenkontakt auf dem dünn verteilten Gemenge auf der heißen geschmolzenen Oberfläche im Ofen 1 begünstigt das Schmelzen und das Umwandeln des Gemenges in heißes geschmolzenes Glas.
Die Abgase, die einen dritten Gasstrom bilden (schematisch bei C gezeigt), verlassen den Ofen 1 durch eine vertikale Rohrleitung 16 und werden von einem Gebläse 21 durch den oberen Teil eines Wärmetauschers 17, eine Rohrleitung 18, den oberen Teil eines Wärmetauschers 19 und eine weitere Rohrleitung 20 zur Basis eines Kaminschachts 22 befördert, in dem ein Ausfiltern der übriggebliebenen Schadstoffe erfolgt.
Die Wärmetauscher 17 und 19 umfassen jeweils einen sich bewegenden Kugelbettregenerator auf der Basis des Kugelbett-Wärmetauschers, der von C.L. Norton Jr. im Journal der American Ceramic Society, Band 29, (1946), Nr. 7, Seiten 187- 193 beschrieben ist. Die Kugelbettregeneratoren 17 und 19 können zusätzlich auch dazu verwendet werden, mittels eines Zusatzes von ammonikhaltigem Wasser bzw. Alkali Stickoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOx) zu beseitigen, wie es in der veröffentlichten britischen Patentanmeldung Nr. GB 2 243 674 beschrieben ist. Bei dem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die bei der Verbrennung erzeugten Mengen an NOx jedoch so gering, daß eine spezielle Behandlung mit ammoniakhaltigem Wasser zum Entfernen von NOx aus dem Abgas nicht erforderlich ist.
Der zweite Gasstrom B (aus den aus dem ersten eingegebenen Gas A entfernten Bestandteilen) wird durch die Rohrleitung 7 durch den unteren Teil des Kugelbettregenerators 19 und danach durch den unteren Teil des Kugelbettregenerators 17 gesaugt, so daß sich der zweite Gasstrom B in den Kugelbettregeneratoren 19 und 17 aufheizt. Der zweite Gasstrom B wird dadurch beim Passieren der Kugelbettregeneratoren 19 und 17 aufgeheizt, daß er von den erhitzten Kugeln Wärme aufnimmt, die sich unter der Einwirkung der Schwerkraft so in den Kugelbettregeneratoren bewegen, daß der zweite Gasstrom B auf eine Temperatur im Bereich von 1200ºC aufgeheizt wird. Der aufgeheizte zweite Gasstrom B wird dann durch Rohrleitungen 25 und 26 geführt und in den dritten Gasstrom C (das Abgas aus dem Ofen) eingeführt, nachdem dieser gefiltert wurde.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt die Erfindung somit ein Verfahren zum Betreiben eines Industrieofens 1 mit den Schritten des Einsaugens eines ersten Gasstromes A aus Umgebungsluft in den Ofen 1. Um den relativen Sauerstoffgehalt des ersten Gasstromes A zu erhöhen, werden Bestandteile daraus entfernt. Die aus dem ersten Gasstrom A entfernten Bestandteile bilden einen zweiten Gasstrom B. Der Ofen 1 wird mit wenigstens einem Teil des verbleibenden ersten Gasstromes A' als oxidierendem Medium betrieben. Das Abgas wird dem Ofen in einem dritten Gasstrom C entzogen. Der zweite Gasstrom B und der dritte Gasstrom C werden zusammengeführt und aus dem Ofen abgeführt.
Wenn der dritte Gasstrom C sofort nach dem Filtern aus dem Kaminschacht 22 ausgestoßen wird, hat er eine Temperatur von etwa 60ºC. Der thermische Auftrieb, der die Verteilung der Abgase bewirkt, ist dabei sehr gering, insbesondere da das ausgestoßene Gas mit Wasser übersättigt ist, so daß die Schadstoffe lokal sehr stark konzentriert sein können.
Das Abgeben der zusammengeführten zweiten und dritten Gasströme B und C ermöglicht es, die Abgaswärme im dritten Gasstrom C dazu zu verwenden, die Verteilung durch zusätzlichen thermischen Auftrieb zu verbessern.
Die Rückführung des zweiten Gasstromes B verdünnt den dritten Gasstrom C, wodurch sich die Schadstoffmenge (pro Volumen) verringert, die vom Kamin 22 abgegeben wird, so daß die Einhaltung von Schadstoffobergrenzen im Vergleich zur Umgebungsluft in der Nähe möglich ist.
Alternativ kann die thermische Energie im dritten Gasstrom C dazu verwendet werden, eine Turbine und/oder ein kombiniertes Heiz-Wärme-System in einer Fabrik oder einem Büro zu betreiben. Wenn der dritte Gasstrom C in einem Heiz- Wärme-System verwendet wird, ist das andere Gas, das in die Kugelbett-Wärmetauscher 17 und 19 eingeführt wird, ein zusätzlicher Gasstrom, der an die zu beheizende Stelle gepumpt wird. Wenn der dritte Gasstrom C zum Erzeugen von Energie verwendet wird, können die Wärmetauscher 17 und 19 durch eine Dampfturbine ersetzt werden, um für die Fabrik oder eine andere Stelle Elektrizität zu erzeugen. In beiden Fällen wird der zweite Gasstrom B mit dem dritten Gasstrom C zusammengeführt, ohne daß von der thermischen Energie Gebrauch gemacht wird, die ursprünglich im dritten Gasstrom C enthalten ist. Die Verdünnung des dritten Gasstromes C durch den zweiten Gasstrom B wird nach wie vor erreicht, sie wird als sehr vorteilhaft betrachtet.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Industrieofens (1), mit den Schritten

(a) des Einsaugens eines ersten Gasstromes (A) aus Umgebungsluft in den Ofen (1);

(b) des Entfernens von Bestandteilen des ersten Gasstromes, um den relativen Sauerstoffgehalt des ersten Gasstromes (A) zu erhöhen, wobei die aus dem ersten Gasstrom entfernten Bestandteile einen zweiten Gasstrom (B) bilden;

(c) des Betreibens des Ofens (1) mit wenigstens einem Teil des verbleibenden ersten Gasstromes (A') als oxidierendes Medium;

(d) des Abziehens von Abgas aus dem Ofen in einem dritten Gasstrom (C);

(e) des Zusammenführens des zweiten Gasstroms (B) und des dritten Gasstroms (C); und

(f) des Abgebens der zusammengeführten zweiten und dritten Gasströme (B, C) aus dem Ofen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit Sauerstoff angereicherte verbleibende erste Gasstrom (A'), der zum Betreiben des Ofens (1) verwendet wird, einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 40 Vol.-% hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mit Sauerstoff angereicherte verbleibende erste Gasstrom (A'), der zum Betreiben des Ofens (1) verwendet wird, einen Sauerstoffgehalt von 40 Vol.-% hat.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dritte Gasstrom (C) in einen Wärmetauscher (17, 19) eingeführt wird, um dessen thermische Energie auszunutzen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Gasstrom (B) mit der thermischen Energie des dritten Gasstromes (C) aufgeheizt wird, bevor er in den dritten Gasstrom (C) eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite Gasstrom (B) mittels eines Kugelbett-Wärmetauschers (17, 19) aufgeheizt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ofen (1) ein Glasschmelzofen ist, der zum Schmelzen von Glas (3) betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der mit Sauerstoff angereicherte erste Gasstrom (A') zusammen mit dem Gemenge (11) in einem Strom eingeführt wird, der beim Passieren der Decke (2) des Ofens (1) nach unten von brennendem Brennstoff umgeben ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei das Vermischen des Gemenges (11), des Brennstoffs und des verbleibenden ersten Gasstroms (A') durch Infraschall gefördert wird, der auf den verbleibenden ersten Gasstrom (A') gerichtet wird, der das Gemenge (11) und/oder den Brennstoff enthält.

10. Industrieofenvorrichtung (1)

(a) mit einem ersten Gaseinlaß, durch den ein erster Gasstrom (A) aus Umgebungsluft in einen ersten Gasweg gesaugt wird;

(b) mit einem Separator (6) im ersten Gasweg in Strömungsrichtung unterhalb des Einlasses, um den Gasstrom in zwei Gasströme aufzuteilen, einen verbleibenden Gasstrom (A')

mit erhöhtem Sauerstoffgehalt und einen zweiten Gasstrom (B), wobei der verbleibende Gasstrom (A') in den verbleibenden Gasweg eingeführt wird und der zweite Gasstrom in einen zweiten Gasweg;

(c) wobei sich der verbleibende Gasweg zu einem Ofeneinlaß (4, 15) erstreckt, damit der verbleibende Gasstrom als oxidierender Strom dem Ofen (1) zu dessen Betreiben zugeführt werden kann;

(d) mit einem Ofenauslaß (16), durch den das Abgas des Ofens (1) in einen dritten Gasweg abgezogen wird; und

(e) mit einer Zusammenführung, die mit dem zweiten und dritten Gasweg verbunden ist, um den zweiten und den dritten Gasstrom zusammenzuführen und um die zusammengeführten Gase für das Abgeben der zusammengeführten Gase aus der Vorrichtung (1) zu einem Gasauslaß zu führen.

11. Ofenvorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei der Ofen ein Glasschmelzofen ist.