DE69700170T3

DE69700170T3 - Verfahren zur Rückgewinnung von Energie in mit Sauerstoff befeuerten Glasschmelzöfen

Info

Publication number: DE69700170T3
Application number: DE69700170T
Authority: DE
Inventors: Ray Paul Chamberland; Hisashi Putnam Valley Kobayashi
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: EP0808806B2; DE69700170T2; JPH1087333A; ES2129996T5; DE69700170D1; ES2129996T3; CN1121352C; CN1172081A; EP0808806A1; KR970074699A; CA2205721C; KR100303991B1; BR9703296A; US5807418A; EP0808806B1; CA2205721A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Verbessern der Energieausnutzung in sauerstoffbefeuerten Glasschmelzöfen. Genauer bezieht sich die Erfindung auf die Gewinnung der Energie von heißen Verbrennungsprodukten und darauf, diese zum Vorwärmen sowohl des Verbrennungsoxidationsmittels wie der in dem Ofen zu schmelzenden Glas bildenden Materialien zu verwenden.
Hintergrund der Erfindung
Konventionelle Glasschmelzöfen verwenden luftbefeuerte Brenner, um Glas bildende Materialien wie Sand, wasserfreie Soda, Kalkstein, Dolomit, Feldspat, Polierrot und weiteres, die gemeinsam als Glasgemenge bezeichnet werden, zu schmelzen. Die Glas bildenden Materialien können auch gebrochenes Glas wie wiederzuverwertendes Ausschussglas oder Bruchglas aufweisen. Aufgrund der zum Schmelzen von Glas bildenden Materialien notwendigen hohen Temperaturen werden Glasschmelzöfen bei Temperaturen betrieben, die die höchsten unter sämtlichen industrieller Öfen sind. Es werden heiße Verbrennungsprodukte in diesen Öfen erzeugt; und potentiell können große Mengen an Wärme verlorengehen, wenn die Verbrennungsprodukte im Rauchabzug des Ofens hochsteigen.
Die Gewinnung von Energie aus den heißen Rauchgasen in konventionellen, auf Luft basierenden Glasschmelzöfen ist bekannt. Beispielsweise ist die Verwendung dieser Energie bekannt, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Ebenfalls ist bekannt, die in den Schmelzofen einzuleitenden Glas bildenden Materialien vorzuwärmen.
Jüngere Entwicklungen in der Brennertechnologie haben gemeinsam mit trenger werdenden Luftverunreinigungsstandards zu einer zunehmenden Verwendung von auf Sauerstoff basierenden Verbrennungssystemen geführt, bei welchen die Verbrennungsluft durch reinen Sauerstoff oder durch sauerstoffangereicherte Luft ersetzt wird. Die auf Sauerstoff basierende Verbrennung stellt der Glasindustrie viele Vorteile bereit, u. a. eine höhere Flammentemperatur, ein reduziertes Rauchgasvolumen und geringere Emissionen an Stickoxiden oder NO_x. Der Bedarf nach einer höheren Ofeneffizienz verbleibt jedoch unvermindert bestehen.
Es ist bekannt, die Enthalpie von den Rauchgasen zum Vorwärmen der Glas bildenden Materialien aus Glasgemenge und/oder Bruchglas zu verwenden. Das auf Sauerstoff basierende Glasschmelzen erzeugt jedoch Verbrennungsprodukte, deren Temperatur 1093°C (2000°F) übersteigen kann und typischerweise zwischen 1316°C und 1538°C (2400°F und 2800°F) liegt. Die Durchführung des Vorwärmens des Glasgemenges und/oder des Bruchglases bei solchen hohen Temperaturen ist jedoch unpraktisch, weil die Glas bildenden Materialien sich aufweichen und an den Vorwärmeroberflächen anhaften würden.
Es sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, um die Temperatur des Rauchgasstroms vorgängig vor dem Vorerwärmschritt des Glasgemenges und/oder Bruchglases abzusenken: Hinzufügen von Luft zu den Ofenrauchgasen, Umwälzen der abgekühlten Rauchgase, die von dem Vorwärmer des Glasgemenges und/oder Bruchglases zu dem Ofenrauchgasstrom austreten, oder Extrahieren der Wärme durch Aussetzen der Rauchgase an nicht isolierte Oberflächen. Diese Techniken gehen allerdings mit Energieverlusten einher. Im allgemeinen ist es nicht als sicher oder energieeffizent betrachtet worden, das Verbrennungsoxidationsmittel mit hohem Sauerstoffgehalt, wie z. B. reiner oder nahezu reiner Sauerstoff, vorzuwärmen.
Aus US-A-5 057 133 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Energieausnutzung in sauerstoffbefeuerten Glasschmelzöfen bekannt, wobei im Zuge des Verfahrens:

(A) erwärmte Glas bildende Materialien in einen Schmelzbehälter eingebracht werden;
(B) Brennstoff und Oxidationsmittel verbrannt werden, um heiße Verbrennungsprodukte zu erzeugen und Wärme zum Schmelzen der erwärmten Glas bildenden Materialien in dem Schmelzbehälter zu liefern;
(C) die heißen Verbrennungsprodukte von dem Schmelzbehälter abgezogen werden;
(D) Wärme von den heißen Verbrennungsprodukten übertragen wird, um teilweise abgekühlte Verbrennungsprodukte zu erzeugen; und
(E) Wärme von den teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukten übertragen wird, um gekühlte Verbrennungsprodukte zu erzeugen

Die heißen Verbrennungsprodukte werden dazu verwendet, Kohlenwasserstoff Brennstoff in ein Synthesegas zu reformieren. Dies erfordert eine vorgängige schnelle starke Abkühlung der heißen Verbrennungsgase, bevor der Kohlenwasserstoff-Brennstoff reformiert wird. Diese stromaufwärtige schnelle starke Abkühlung zerstreut die Wärme in dem Verbrennungsgas, ohne die Effizienz des Verfahrens wesentlich zu verbessern.
Der Artikel „The LoNOx, an Alternative to Oxy-Fuel or an Enhancement?" von Piper et al, 55. Konferenz zu Glasproblemen, Ohio State University, Ohio, veröffentlicht durch die American Ceramic Society, 8. bis 9. November 1994 betrifft ein Glasherstellungsverfahren, bei welchem erwärmtes Bruchglasmaterial in einem Schmelzofen eingebracht wird und Brennstoff und erwärmte Luft verbrannt werden, um heiße Verbrennungsprodukte zu erzeugen und Wärme für das Schmelzen des erwärmten Bruchglasmaterials in dem Verbrennungsofen zu erzeugen, wobei die heißen Verbrennungsprodukte, welche die Verbrennungszone bei einer Temperatur von 1480°C verlassen, im Gegenstrom zu dem Bruchglasmaterial in eine große Vorwärmzone strömen, wodurch das Bruchglasmaterial auf bis zu 1100°C vorgewärmt wird. Die heißen Verbrennungsprodukte werden dadurch gekühlt und werden bei einer Temperatur von 1050°C in Rekuperatoren eingeleitet, in welchen die Verbrennungsluft auf bis zu 650°C erwärmt wird. Nach dem Verlassen der Rekuperatoren werden die weiter gekühlten Verbrennungsprodukte in ein optionales Bruchglasvorwärmsystem eingebracht. In dem Artikel wird ferner erwähnt, dass eine Konversion eines Luft/Brennstoff-LoNOx zu einem Sauerstoff/Brennstoff-LoNOx ohne Geometrie des Ofens vorgenommen werden kann.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Verbessern der Energieausnutzung von sauerstoffbefeuerten Glasschmelzöfen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung der Ausschussenergie aus den heißen Verbrennungsprodukten, um den reinen Verbrennungssauerstoff oder die sauerstoffangereicherte Luft sicher zu erwärmen und um ebenfalls die in den Ofen eingespeisten Glas bildenden Materialien vorzuwärmen.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung des erwärmten Oxidationsmittels, um Brennstoff ohne eine Zunahme der Brennertemperatur und ohne die Erzeugung überschüssiger Mengen an NO_x zu verbrennen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung der Ausschussenergie von den heißen Verbrennungsprodukten, um ebenfalls den Verbrennungsbrennstoff zu erwärmen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obigen und weitere Aufgaben, die sich dem Fachmann durch eine Lektüre dieser Offenbarung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ist.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "direkt befeuerter Ofen" auf einen Ofen, der zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel einen oder mehrere Brenner verwendet, um in dem Ofen Wärme zum Zwecke des Erwärmens der Ofenbeschickung bereitzustellen.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" auf einen Wärmeaustausch, der zwischen zwei Fluiden stattfindet, die ohne jeden physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander in eine Wärmeaustauschbeziehung verbracht werden.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "direkter Wärmeaustausch" auf das Verbringen von zwei Fluiden oder eines Fluids und eines Feststoffes in eine Wärmeaustauschbeziehung, wobei zwischen den beiden ein physikalischer Kontakt erfolgt.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "Wärmegewinnung" und "Energiegewinnung" auf das Einfangen der Ausschussenergie oder -wärme und auf deren Bereitstellung für das gesamte Verfahren.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "Stickoxide" oder "NOx" auf eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe von Distickstoffoxid (N₂O), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstofftrioxid (N₂O₃), Distickstofftetraoxid (N₂O₄), Stickstoffdioxid (NO₂), Tristickstofftetraoxid (N₃O₃) und Stickstofftrioxid (NO₃).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Glasschmelzbehälters, Vorwärmbehälters und Wärmetauschers, bei welchen das Verfahren dieser Erfindung angewendet werden kann.
2 ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmetauschers, der bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden kann.
3 ist eine Darstellung ähnlich zur 1, die einen zusätzlichen Wärmetauscher zum Erwärmen des Brennstoffes zeigt.
4 ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht des Schmelzbehälters und zeigt eine Schattenwand.
5 ist eine graphische Darstellung und zeigt die minimalen Auswirkungen des Erwärmens des Verbrennungsoxidationsmittels auf die NO_x Erzeugung.
In den Figuren werden für die gemeinsamen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Verbessern der Energieausnutzung von Verfahren, die in direkt-befeuerten Glasöfen stattfinden, welche durch das Verbrennen von Brennstoff mit sauerstoffangereicherten Oxidationsmitteln erwärmt werden. Eine auf Sauerstoff basierende Verbrennung erzeugt sehr heiße Rauchgase oder Verbrennungsprodukte, wobei die beobachteten Temperaturen im allgemeinen weit größer als die bei der konventionellen, auf Luft basierenden Verbrennung auftretenden Temperaturen ausfallen. Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung der Wärme von diesen heißen Verbrennungsprodukten, um mindestens einen Teil des Verbrennungsoxidationsmittels und gleichfalls einen Teil der bzw. sämtliche der in den Ofen eingespeisten Glas bildenden Materialien zu erwärmen. Oxidationsmittel, welche durch die Anwendung der Erfindung erwärmt werden können, beinhalten mit Sauerstoff angereicherte Luft und Sauerstoff aus nicht kryogenen sowie aus kryogenen Luftzerlegungsverfahren. Die bei der Anwendung dieser Erfindung nützliche Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels liegt im Bereich von etwa 50 bis etwa 99,9 Gewichtsprozent. Die Erfindung erweist sich beim Erwärmen von Oxidationsmitteln mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 90 Gewichtsprozent als besonders nützlich.
Das Erwärmen mindestens eines Teils des Verbrennungsoxidationsmittels ist in den Fällen vorteilhaft, in denen die Temperatur der heißen Verbrennungsprodukte zum Vorwärmen der Glas bildenden Materialien zu hoch ausfällt. Das Erwärmen des Verbrennungssauerstoffs kühlt nicht nur die heißen Verbrennungsprodukte ab und bereitet sie für das Vorwärmen der Glas bildenden Materialien vor, sondern führt dem Verfahren ebenfalls wieder Wärme zu, indem dem Ofen erwärmtes Verbrennungsoxidationsmittel zugeführt wird, wodurch die Brennstoff- und Sauerstoffanforderungen und die gesamten Betriebskosten reduziert werden. Weiterhin kann das Abkühlen der heißen Verbrennungsprodukte durch das Erwärmen des Verbrennungsoxidationsmittels den Bedarf an Verdünnungsluft und/oder an dem Zurückführen der kalten Rauchgase zu dem Vorwärmer reduzieren oder beseitigen.
Allerdings müssen verschiedene technische Belange berücksichtigt werden, wenn es erwünscht ist, den Brennstoff mit einem erwärmten, sauerstoffangereicherten Oxidationsmittel zu verbrennen. So ist bekannt, dass die Flammentemperaturen für auf Sauerstoff basierende Verbrennungsverfahren dazu neigen, beträchtlich höher als die bei konventionellen, auf Luft basierenden Verbrennungen beobachteten Flammentemperaturen auszufallen. Ein typischerweise mit diesen hohen Flammentemperaturen verbundener Umstand besteht in der Möglichkeit einer durch Wärme hervorgerufenen Beschädigung des Brenners, wobei nicht mit Wasser gekühlte Brenner dieser Art von Beschädigung besonders ausgesetzt sind. Weiterhin tendieren hohe Flammentemperaturen dazu, die Ausbildung von Stickoxiden zu begünstigen. Sowohl die durch Wärme hervorgerufene Beschädigung des Brenners wie die gesteigerten NO_x-Pegel können deutlicher auftreten, wenn das Verbrennungsoxidationsmittel zusätzliche Wärme mit sich führt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in der Injektion eines erwärmten Oxidationsmittels zur Verbrennung in dem Glasschmelzbehälter getrennt von dem Brennstoff. Dementsprechend ist die Injektionsstelle für den Brennstoff in Abstand von der Injektionsstelle für das erwärmte Oxidationsmittel angeordnet. Ein Verfahren zur Bewerkstelligung dieser Anordnung ist in US-A-5 076 779 offenbart bzw. beansprucht. Eine Anzahl von kommerziell verfügbaren oder beim Stand der Technik bekannten Lanzen kann verwendet werden, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel getrennt zu injizieren. Ein Beispiel eines Lanzen- und Gasinjektionssystems, welches zum Injizieren von erwärmtem Oxidationsmittel und wahlweise von Brennstoff in den Schmelzbehälter zur Verbrennung verwendet werden kann, ist in US-A-5 266 025 offenbart bzw. beansprucht.
US-A-5 267 850 und US-A-5 411 395 offenbaren bzw. beanspruchen ein Brennstoffstrahl-Brennersystem und ein Verbrennungsverfahren, welche einen zentralen Brennstoffstrom mit hoher Geschwindigkeit verwenden, der durch einen ringförmigen koaxialen Oxidationsmittelstrom mit niedriger Geschwindigkeit umgeben ist, und welche in der Praxis dieser Erfindung zur Anwendung kommen können. Bei der Verwendung dieses Systems ist es bevorzugt, bis zu 30% des erwärmten Oxidationsmittels als den oben genannten ringförmigen koaxialen Strom mit niedriger Geschwindigkeit zu verwenden. Das restliche erwärmte Oxidationsmittel kann an einer Stelle zugeführt werden, die, wie oben erläutert, mit Abstand von dem Brennstoffstrahl-Brenner angeordnet ist, indem eine Lanzen- oder ein Injektionssystem verwendet wird. Der Sauerstoffgehalt des als der ringförmige koaxiale Oxidationsmittelstrom zugeführten Oxidationsmittels kann der gleiche wie der Sauerstoffgehalt des erwärmten Oxidationsmittels oder verschieden von diesem sein.
Die Erfindung kann auch angewendet werden, indem die Verbrennung in Stufen durchgeführt wird. So kann beispielsweise Brennstoff in den Schmelzbehälter zusammen mit einem primären Oxidationsmittel injiziert werden, welches bis zu 30% des stöchiometrischen Sauerstoffs bereitstellt, welcher zur Vervollständigung der Verbrennung notwendig ist. Ein sekundäres Oxidationsmittel, das an einer Stelle zugeführt wird, die entfernt von dem Ort angeordnet ist, an dem der Brennstoff und das primäre Oxidationsmittel injiziert werden, wird zur Vervollständigung des Verbrennungsverfahrens verwendet. Um Brennerbeschädigungen und die Ausbildung von NO_x zu minimieren, wird bevorzugt, dass von etwa 70% bis etwa 100% des erwärmten Oxidationsmittels als das sekundäre Oxidationsmittel in diesem abgestuften Verbrennungsverfahren zugeführt werden. Obwohl der Sauerstoffgehalt des primären und des sekundären Oxidationsmittels der gleiche sein kann, ist dies nicht notwendig. Somit ist es möglich, Luft, angereicherte Luft oder reinen bzw. nahezu reinen Sauerstoff als das primäre Oxidationsmittel zu verwenden.
Die Erfindung kann sowohl in kleinen wie großen Glasschmelzsystemen verwendet werden, deren Kapazitäten im allgemeinen im Bereich von 4,5 t bis 544 t pro Tag (5 short-tons pro Tag (TPD) bis 600 short-tons pro Tag) liegen. Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.
1 zeigt, nicht maßstabsgerecht, einen Vorwärmbehälter 11, der zur Glasherstellung notwendige Glas bildende Materialien 21 aufnimmt. Diese Materialien können, ohne darauf beschränkt zu sein, Sand, Kalkstein, Dolomit, Feldspat, wasserfreie Soda, Zusätze, Farbstoffe, Klärmittel und Bruchglas sein. Es ist in der Industrie üblich, Glas bildende Materialien als Glasgemenge oder Bruchglas zu bezeichnen. Die Glas bildenden Materialien können gekörnt oder pelletisiert sein und können Bruchglas in jeder Menge bis zu 100% enthalten.
Glas bildende Materialien können beim Vorwärmen verschiedene Eigenschaften aufweisen, und einige können leichter aufweichen als andere. Es kann daher erwünscht sein, einen zusätzlichen Vorwärmbehälter ähnlich zu dem Behälter 11 bereitzustellen, um eine unabhängige Kontrolle der Vorerwärmungsparameter (Zieltemperatur, Rate des Erwärmens, usw.) für einige der Glas bildenden Materialien zu ermöglichen. Beispielsweise kann es erwünscht sein, das Bruchglas getrennt von den anderen Glas bildenden Materialien vorzuwärmen. Weiterhin kann es erwünscht sein, nur einige der Glas bildenden Materialien vorzuwärmen, wobei die anderen Glas bildenden Materialien, wie die bei 29 dargestellten, in den Glasschmelzbehälter weitergeleitet und dort geschmolzen werden, ohne den Vorwärmbehälter 11 durchlaufen zu haben.
Die Glas bildenden Materialien treten aus dem Vorwärmbehälter 11 als erwärmte Glas bildende Materialien 23 mit einer Temperatur aus, die im allgemeinen im Bereich von 204°C bis 482°C (400°F bis 900°F) liegt. Dann werden sie zusammen mit jeglichen anderen Glas bildenden Materialien 29, welche nicht vorgewärmt sein können, in einen Schmelzbehälter 17 eingeleitet.
Der Schmelzbehälter 17 ist beispielsweise ein direkt befeuerter Glasschmelzofen, der mit einem oder mehreren Brennern 19 ausgerüstet ist. Vorzugsweise sind die Brenner 19 vom Typ, welcher in US-A-5 266 025 und/oder in US-A-5 267 850 und US-A-5 411 395 offenbart bzw. beansprucht ist. Die Brenner 19 werden zur Verbrennung von Brennstoff 31 mit erwärmtem Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 50 Gewichtsprozent verwendet. Die Brenner 19 können jegliche geeigneten Brennstoffe 31 verwenden, u. a. Erdgas, Propan, Leicht- oder Schweröle.
Die Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel erzeugt ausreichend Wärme, um die Glas bildenden Materialien zu schmelzen, welche anschließend aus dem Schmelzbehälter 17 als geschmolzenes Glas 25 austreten. Die Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel erzeugt weiterhin heiße Rauchgase oder heiße Verbrennungsprodukte, deren Temperatur im allgemeinen im Bereich von 1316°C bis 1538°C (2400°F bis 2800°F) liegt. Typischerweise können die heißen Verbrennungsprodukte Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und/oder andere Komponenten beinhalten.
Die heißen Verbrennungsprodukte werden von dem Schmelzbehälter 17 in einem Strom 41 abgezogen und zu einem Wärmetauscher 15 weitergeleitet. Vorzugsweise findet keine wesentliche andere Temperaturreduzierung der heißen Verbrennungsprodukte bei ihrer Überleitung von dem Behälter 17 zu dem Wärmetauscher 15 als diejenige statt, die durch den Wärmeverlust durch die Wände der von dem Schmelzofen 17 zu dem Wärmetauscher 15 verlaufenden Leitung verursacht wird. Der Wärmetauscher 15 nimmt ebenfalls ein Oxidationsmittel mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 50 Gewichtsprozent, dargestellt als Oxidationsmittelstrom 33, auf. Der Oxidationsmittelstrom liegt bei einer Temperatur vor, die geringer als die Temperatur der heißen Verbrennungsprodukte ist. Üblicherweise wird der Oxidationsmittelstrom 33 dem Wärmetauscher 15 bei Umgebungstemperatur zugeführt.
Vorzugsweise stellt der Wärmetauscher 15 einen indirekten Wärmeaustausch bereit. Dabei können verschiedene Wärmetauscherentwürfe bei der Praxis der Erfindung verwendet werden. Eine Ausführungsform für einen Wärmetauscher 15 ist in der nicht maßstabsgerechten 2 dargestellt. Der Wärmetauscher 15 weist mindestens eine innere Kammer 62 auf, die von einer äußeren Kammer 64 umschlossen ist. Eine Wand 66 trennt die innere Kammer 62 von der äußeren Kammer 64 ab. Ein innerer Durchflussweg wird durch die innere Kammer 62 und ein äußerer Durchflussweg wird durch die äußere Kammer 64 erzeugt. Vorzugsweise werden heiße Verbrennungsprodukte 41 zu der inneren Kammer 62 als der innere Durchflussweg zugeführt, während ein Oxidationsmittelstrom 33 zu der äußeren Kammer 64 als der äußere Durchflussweg zugeführt wird.
Es können sowohl Gleichstrom- wie Gegenstromdurchfluss-Wärmetauscher in der Praxis der Erfindung verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das. indirekte Wärmeaustauschverfahren im Wärmetauscher 15 unter Gleichstrom-Durchflussbedingungen durchgeführt, wobei dementsprechend sowohl die heißen Verbrennungsprodukte 41 wie der Oxidationsmittelstrom 33 den Wärmetauscher 15 in der gleichen Richtung durchlaufen. Dies erweist sich als vorteilhaft, da die heißen Verbrennungsprodukte, die bei ihrer höchsten Temperatur in den Wärmetauscher 15 eintreten, durch die Wand 66 zuerst in indirekten Kontakt mit dem Oxidationsmittelstrom 33 kommen, welcher sich beim Eintritt in den Wärmetauscher 15 bei seinem geringsten Temperaturpegel befindet. Somit werden die heißen Verbrennungsprodukte 41 sofort abgekühlt und können durch die innere Kammer 62 fortschreiten, ohne den Wärmetauscher über die praktischen Begrenzungen hinaus zu erwärmen.
Der Wärmetauscher 15 ist für die Verwendung der entsprechenden Materialien und weiterhin derart ausgelegt, dass er kompatibel zu den sauerstoffreichen Oxidationsmitteln und den hohen Temperaturen ist und diese Mittel betriebssicher verarbeiten kann. Ein Vorteil des Wärmetauschers 15 besteht in seiner kompakten Auslegung. Dies wird durch die Verwendung von für diese Erfindung nützlichen Oxidationsmitteln möglich, welche relativ geringe Mengen an Stickstoff enthalten und daher ein geringeres Volumen als ein System benötigen, das Luft als das Oxidationsmittel verwendet.
Bei ihrem Fortschreiten durch den Wärmetauscher 15 werden die heißen Verbrennungsprodukte teilweise abgekühlt und treten als teilweise abgekühlte Verbrennungsprodukte 43 mit einer Temperatur aus, die im allgemeinen im Bereich von 1093°C bis 1316°C (2000°F bis 2400°F) liegt, während das Oxidationsmittel erwärmt wird und aus dem Wärmetauscher 15 als erwärmtes Oxidationsmittel 35 mit einer Temperatur austritt, die im allgemeinen im Bereich von 427°C bis 816°C (800°F bis 1500°F) liegt. Durch die Anwendung der Erfindung kann ebenfalls ein mäßigeres Erwärmen des Oxidationsmittelstroms 33 erreicht werden, und, falls notwendig, kann das erwärmte Oxidationsmittel 35 dem Verbrennungsverfahren bei Temperaturen zugeführt werden, die so niedrig wie beispielsweise 93°C (200°F) ausfallen.
Das erwärmte Oxidationsmittel 35 wird zu dem Schmelzbehälter 17 übergeleitet, wo es wie oben erläutert zusammen mit Brennstoff verbrannt wird. Um die NO_x Erzeugung und die Brennertemperatur innerhalb akzeptabler Pegel beizubehalten, ist es bevorzugt, dass das erwärmte Oxidationsmittel unter Verwendung der oben erläuterten Brenner und/oder der Verbrennungsverfahren verbrannt wird. In einigen Fällen kann das erwärmte Oxidationsmittel die gesamte Menge an Oxidationsmittel sein, die notwendig ist, um den Brennstoff vollständig zu verbrennen. Wie oben ausgeführt, kann die Verbrennung jedoch auch zusätzliches Oxidationsmittel erfordern, das üblicherweise bei einer geringeren Temperatur als die des erwärmten Oxidationsmittels 35 vorliegt. In der 1 ist das zusätzliche Verbrennungsoxidationsmittel als ein Teil 90 des Oxidationsmittelstroms 33 dargestellt. Weiterhin ist es möglich, Oxidationsmittel hinzuzufügen, welches einen von dem des erwärmten Oxidationsmittels 35 unterschiedlichen Sauerstoffgehalt aufweist. Falls erwünscht, kann das zusätzliche Oxidationsmittel Luft sein.
Von dem Wärmetauscher 15 werden die teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukte 43 zu dem Vorwärmbehälter 11 weitergeleitet, wo sie durch den Wärmeaustausch mit den Glas bildenden Materialien 21 weiter abgekühlt werden und dann aus dem Vorwärmbehälter als abgekühlte Verbrennungsprodukte 45 austreten.
Bei der Verwendung von mehr als einem Vorwärmbehälter 11 können die teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukte 43 in zwei oder mehrere Ströme aufgeteilt und unabhängig voneinander zu derartigen, parallel zu dem Behälter 11 angeordneten Vorwärmbehältern eingeleitet werden. In einigen Fällen können die von einem ersten Vorwärmbehälter 11 austretenden abgekühlten Verbrennungsprodukte immer noch über ausreichend Energie verfügen, um die Glas bildenden Materialien in einem oder mehreren, in Reihe mit dem Behälter 11 angeordneten, zusätzlichen Vorwärmbehältern vorzuwärmen, bevor sie das System als abgekühlte Verbrennungsprodukte verlassen.
Es ist möglich, Kohlendioxid von den abgekühlten Verbrennungsprodukten 45 in einem wahlweisen Rückgewinnungssystem 55 unter Verwendung von jeglichen bekannten Verfahren für die Abtrennung von CO₂ aus den während der Verbrennung erzeugten Rauchgasen zu gewinnen. Die CO₂-Gewinnung ist im Zusammenhang mit der auf Sauerstoff basierenden Verbrennung besonders attraktiv, da die zu bearbeitende Stickstoffmenge relativ klein ist.
Ein weiterer Nutzen kommt durch den Umstand zustande, dass es möglich ist, die Glas bildenden Materialien in dem Vorwärmbehälter 11 als ein Filtermedium zu verwenden. Somit sind die aus dem Vorwärmbehälter 11 austretenden und in das wahlweise Rückgewinnungssystem 55 eingespeisten abgekühlten Verbrennungsprodukte 45 relativ frei von Partikelverunreinigungen.
Da die spezifische Wärme des Oxidationsmittels geringer als die der Verbrennungsprodukte ausfällt, und weil das Gesamtvolumen des Oxidationsmittels ebenfalls relativ gering ist, kann es sich in einigen Fällen ergeben, dass die teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukte 43 (deren Temperatur im allgemeinen im Bereich von 1093°C bis 1316°C (2000°F bis 2400°F) liegt) immer noch zu heiß sind, um direkt in den Vorwärmbehälter 11 eingeleitet werden zu können. Viele kommerzielle Glasgemenge/Bruchglas-Vorwärmeinheiten werden bei Temperaturen betrieben, die im allgemeinen im Bereich von etwa 204°C bis 482°C (400°F bis 900°F) liegen. Die obere Temperaturgrenze des Einlassrauchgases beträgt für Glasgemenge-, Bruchglas- oder Glasgemenge/Bruchglas-Vorwärmer etwa 760°C (1400°F).
Dementsprechend kann das hier offenbarte Energiegewinnungsverfahren eine oder mehrere zusätzliche Anordnungen zur weiteren Abkühlung der Verbrennungsprodukte vor ihrer Einspeisung in den Vorwärmbehälter 11 aufweisen.
So ist es beispielsweise möglich, eine Lufteinblasanordnung 13 zum Hinzufügen von Verdünnungsluft 51 zu verwenden, damit sich diese mit den teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukten 43 vor der Verwendung in dem Vorwärmbehälter 11 zu vermischen und sie weiter abzukühlen. Ähnlich dazu können die abgekühlten Verbrennungsprodukte 45, oder ein Teil davon, umgewälzt werden, damit diese sich mit den teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukten 43 vermischen und deren Temperatur weiter absenken.
Es ist jedoch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die Verbrennungsprodukte vorgängig vor ihrer Verwendung in dem Vorwärmbehälter 11 auf eine energieeffiziente Weise weiter abzukühlen, indem soviel ihrer Wärme wie möglich wieder zurück zu dem Glasschmelzverfahren geführt wird. Um das Verfahren zu vereinfachen und dessen Energieausnutzung zu erhöhen, ist es de facto erwünscht, die Verwendung von Verdünnungsluft 51 und/oder die Umwälzung von abgekühlten Verbrennungsprodukten 45 zu vermeiden. Wenn CO₂ in dem wahlweisen Rückgewinnungssystem 55 gewonnen wird, wird die hohe Konzentration an CO₂ in den abgekühlten Verbrennungsprodukten 45 am besten unter einem Nichtvorhandensein von Verdünnungsluft beibehalten.
Dementsprechend kann zusätzlich zu dem Erwärmen des Oxidationsmittelstroms 33 ein Teil der heißen Verbrennungsprodukte 41, oder einige bzw. alle teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukte 43 zum Erwärmen des Brennstoffs 31 verwendet werden, wodurch zusätzliche Wärme zu dem Schmelzbehälter 17 zurückgeführt und eine weitere Abkühlung der zu dem Vorwärmbehälter 11 übergeleiteten Verbrennungsprodukte bereitgestellt wird. Das Erwärmen des Brennstoffs 31 kann beispielsweise durch einen indirekten Wärmeaustausch bewerkstelligt werden.
Ein bevorzugte derartige Ausführungsform ist in der 3 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 3 werden teilweise abgekühlte Verbrennungsprodukte 43 von dem Wärmetauscher 15 zu einem zusätzlichen Wärmetauscher 57 übergeleitet, wo sie durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Brennstoff 31 weiter auf eine Temperatur abgekühlt werden, die im allgemeinen im Bereich von 927°C bis 1204°C (1700°F bis 2200°F) liegt. Der Brennstoff 31 wird dem zusätzlichen Wärmetauscher 57 bei einer Temperatur zugeführt, die geringer als die der teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukte 43 ausfällt, wobei der Brennstoff 31 dem zusätzlichen Wärmetauscher 57 bei Umgebungstemperatur zugeführt und auf eine Temperatur erwärmt werden kann, die im allgemeinen im Bereich von 204°C bis 538°C (400°F bis 1000°F) liegt. Von dem zusätzlichen Wärmetauscher 57 wird der erwärmte Brennstoff 32 zu den Brennern 19 geleitet, während die zusätzlich abgekühlten Verbrennungsprodukte 44 in den Vorwärmbehälter eingespeist werden, von welchem sie als abgekühlte Verbrennungsprodukte 45 austreten.
In einer anderen nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform kann ein Wärmetauscher dazu ausgelegt sein, sowohl den Oxidationsmittelstrom 33 wie den Brennstoff 31 mittels indirektem Kontakt mit den heißen Verbrennungsprodukten 41 getrennt zu erwärmen. Dies kann beispielsweise durch die Bereitstellung von getrennten Abteilungen für die Durchflüsse an Brennstoff und Oxidationsmittel bewerkstelligt werden, wodurch jeder direkte Kontakt zwischen ihnen innerhalb des Wärmetauschers verhindert wird.
Die innerhalb des Ofens stattfindende Vorkühlung der heißen Verbrennungsprodukte, bei der es sich nicht um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, ist insbesondere in denjenigen Fällen nützlich, in denen nur einige der Glas bildende Materialien, beispielsweise Bruchglas, in dem Vorwärmbehälter 11 vorgewärmt werden, während andere Glas bildende Materialien, beispielsweise Glasgemenge dem Schmelzbehälter 17 ohne eine Vorwärmung in dem Vorwärmbehälter 11 direkt zugeführt werden.
4, bei der es sich nicht um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, stellt nicht maßstabsgerecht eine bevorzugte Ausführungsform zum Vorkühlen der heißen Verbrennungsprodukte innerhalb des Ofens dar. Die 4 zeigt den Schmelzbehälter 17, in dem die Glas bildenden Materialien, dargestellt als schraffierte Fläche 84, kontinuierlich bei einer Beschickungswand 89 eingeleitet werden. Der Schmelzbehälter 17 ist mit einer Strahlungsbamere oder Schattenwand 81 versehen, die sich von der Oberseite des Ofens zu einer Glasoberfläche 83 hin erstreckt, wobei ein Spalt zwischen der Spitze der Schattenwand 81 und der Glasoberfläche 83 ausgebildet ist.
Die Schattenwand 81 dient zur Unterteilung des Behälters 17 in zwei Zonen über der Glasoberfläche 83: Eine Aufnahmezone A zwischen der Beschickungswand 89 und der Schattenwand 81, und eine Verbrennungszone B, in der die Brenner 19 angeordnet sind und wo die Verbrennung stattfindet, welche heiße Verbrennungsprodukte erzeugt und die Glas bildenden Materialien erwärmt, um diese zu schmelzen.
Ein besonderer Vorteil der Durchführung der Verbrennung zusammen mit Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft besteht in dem relativ kleinen Volumen an ausgebildeten heißen Verbrennungsprodukten. Verglichen mit einem auf Luft basierendem Ofen ist eine signifikant geringere Glasoberfläche notwendig, um eine innerhalb des Ofens stattfindende Abkühlung für dieses kleine Volumen an heißen Verbrennungsprodukten bereitzustellen. Dementsprechend kann die Schattenwand 81 relativ nahe zu der Beschickungswand 89 angeordnet werden. Möglich ist auch, die Schattenwand 81 mit einem Abstand von der Beschickungswand 89 anzuordnen, der weniger als ein Drittel der Länge des Schmelzbehälters 17 beträgt. In der Praxis dieser Erfindung ist mit oder ohne Verwendung des in der 4 dargestellten Schmelzofens kein zusätzliches Erwärmen, wie z. B. durch Bodenelektroden, notwendig, um das Schmelzen durchzuführen. Dies stellt einen wichtigen Vorteil dieser Erfindung dar. Die Schattenwand 81 fungiert als eine Barriere dar, um dem Wärmestrahlungsaustausch zwischen der Zone A und der Zone B zu reduzieren, wodurch die Aufnahmezone A bei einer Temperatur betrieben wird, die geringer als die in der Verbrennungszone B vorliegende Temperatur ist. Die durch die Verbrennung in der Zone B ausgebildeten heißen Verbrennungsprodukte laufen durch den Spalt unterhalb der Schattenwand 81 in die Zone A und treffen dort auf geringere Betriebstemperaturen und übertragen Energien auf die Glas bildenden Materialien, die in den Schmelzbehälter 17 beschickt worden sind. Die Glas bildenden Materialien werden dadurch in der Aufnahmezone A vorgewärmt, bevor sie in der Verbrennungszone B geschmolzen werden, während die heißen Verbrennungsprodukte einem gewissen Ausmaß an Vorkühlung unterliegen, bevor sie von dem Schmelzbehälter 17 durch eine Auslassöffnung 87 extrahiert werden. Von dort werden die vorgekühlten heißen Verbrennungsprodukte auf eine Weise zu dem Wärmetauscher 15 und anschließend zu dem Vorwärmbehälter 11 übergeleitet, die im wesentlichen im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde.
Durch das Vorkühlen der heißen Verbrennungsprodukte in dem Schmelzbehälter 17, wobei es sich nicht um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, ist zu erwarten, dass die Temperatur der in den Wärmetauscher 15 eintretenden Verbrennungsprodukte geringer als 1316°C (2400°F) ausfällt und im allgemeinen im Bereich von etwa 871°C bis etwa 1149°C (etwa 1600°F bis etwa 2100°F) liegt. Die nachfolgende Abkühlung in dem Wärmetauscher 15 erzeugt teilweise abgekühlte Verbrennungsprodukte mit Temperaturen, die näher an den für den Vorwärmbehälter 11 erforderlichen Temperaturen liegen.
Die verschiedenen Anordnungen zur Bereitstellung einer weiteren Abkühlung der Verbrennungsprodukte vor deren Einleitung in den Vorwärmbehälter 11 können alleine oder in jeder Kombination, die den Energie- und Ausrüstungsanforderungen des Glasschmelzverfahrens entspricht, verwendet werden.
Die folgenden Beispiele dienen illustrativen Zwecken, beabsichtigen jedoch nicht, die Erfindung einzugrenzen.
Beispiel 1
Die Ergebnisse des Beispiels 1 sind in der 5 dargestellt und zeigen, dass die Verwendung von erwärmtem Sauerstoff die Erzeugung von NO_x. nicht signifikant steigert. In diesem Beispiel wurde ein Testofen mit einem Durchmesser von 91,4 cm (3 Fuß) und einer Höhe von 3,27 m (10 Fuß 7 inch) bei einer Temperatur von etwa 1538°C (2800°F) betrieben. Der Ofen wurde zum Verbrennen von Erdgas mit Oxidationsmittel verwendet, wobei die durchschnittliche Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels etwa 95,3 Gewichtsprozent betrug. Der Sauerstoff wurde bei einer Rate zugeführt, die 2 Prozent der stöchiometrischen Rate übertraf, womit etwas Sauerstoff in dem Rauchgas vorhanden war. Zur Simulation tatsächlicher industrieller Ofenbedingungen wurde ein Pegel von 5 oder 10 Prozent (pro volumetrischer Feuchtbasis) an Stickstoff in dem Ofen aufrechterhalten. Für einen Ofenstickstoffpegel von beispielsweise 5 Prozent wurde dem Ofen Stickstoff bei einer Durchflussrate von 4,64 m³/h (164 SCFH (Standard ft³/h)) zugeführt, und Erdgas und Oxidationsmittel wurden in den Ofen bei 28,3 m³/h bzw. 61,4 m³/h (1000 SCFH bzw. 2170 SCFH) injiziert. Die diesen Raten entsprechenden Verbrennungsprodukte wurden als etwa 29,28 m³/h (1034 SCFH) an Kohlendioxid, 58,56 m³/h (2068 SCFH) an Wasser, 1,90 m³/h (67 SCFH) an Sauerstoff und 4,64 m³/h (164 SCFH) an Stickstoff ermittelt.
Die Verbrennung wurde in Stufen durchgeführt: 20% (Punkte in der 5 durch Rhomben oder Dreiecke dargestellt) oder 30% (Punkte durch Rechtecke oder Kreise dargestellt) der stöchiometrischen Menge des zur vollständigen Verbrennung notwendigen Sauerstoffs wurde als primäres Oxidationsmittel bei Umgebungstemperatur durch einen Brenner der An zugeführt, wie er in US-A-5 267 850 und US-A-5 411 395 offenbart bzw. beansprucht ist. Der restliche zur Vervollständigung der Verbrennung notwendige Sauerstoff wurde als sekundärer Sauerstoff durch ein Injektionssystem gemäß der in US-A-5 266 025 offenbarten bzw. beanspruchten Art zugeführt. Die Geschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels durch die Lanze betrug 59,4 bis 73,2 m/s (195 bis 240 Fuß/s) und hing von dem tatsächlichen Volumen des vorgewärmten Oxidationsmittels ab. Die Geschwindigkeit des Erdgases betrug 97,2 m/s (319 Fuß/s). Das sekundäre Oxidationsmittel wurde durch Verbrennen einer kleinen Menge an Brennstoff mit Sauerstoff erwärmt.
Die 5 zeigt die Auswirkung auf die NO₂ Erzeugung (an der vertikalen Achse in Pfund an NO₂ pro Million BTU dargestellt) als eine Funktion des Erwärmens des sekundären Oxidationsmittels von Umgebungstemperatur auf etwa 704°C (1300°F). Es ist ersichtlich, dass ein Anheben der Temperatur des sekundären Oxidationsmittels auf etwa 649°C (1200°F) im allgemeinen einen nur sehr kleinen Effekt auf die Erzeugung von NO_x bewirkt. So ergibt sich beispielsweise anhand der Daten, die durch Dreiecke symbolisierte Punkte dargestellt sind, dass bei der Erwärmung des Oxidationsmittels von Umgebungstemperatur auf 649°C (1200°F) eine Zunahme der NO_x-Erzeugung um nur 5,5% beobachtet wird.
Beispiel 2
Dieses Beispiel, bei dem es sich nicht um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, demonstriert eine Energiegewinnungsanordnung, in welcher mit Ausnahme der Wärmeverluste an Oberflächen die Ausschussenergie der bei der Verbrennung erzeugten heißen Rauchgase zu dem Glasschmelzverfahren zurückgeführt wird. Hier besteht kein Bedarf an Verwendung von Luftverdünnung und/oder an Umwälzen der abgekühlten Rauchgase.
Dieser dargestellte Fall wird für einen direkt befeuerten Glasschmelzofen mit einer Behälterkapazität von 272 t (300 short-tons) pro Tag modelliert, der vorgewärmtes Oxidationsmittel, vorgewärmten Brennstoff, vorgewärmtes Bruchglas und ein innerhalb des Ofens stattfindendes Vorwärmen des Glasgemenges verwendet. Der Glasschmelzofen ist, wie oben beschrieben, mit einer Schattenwand versehen, und sowohl das Oxidationsmittel wie der Brennstoff werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in getrennten Abteilungen des gleichen Wärmetauschers oder Rekuperators erwärmt. Das Bruchglas wird in einem Wärmeaustausch-Vorwärmer in Gegenstromdurchfluss und direktem Kontakt vorgewärmt. 1718,9 m³/h (60702 SCFH) an hochreinem Sauerstoff (99,9 Gewichtsprozent) bei etwa 649°C (1200°F) und 855,2 m³/h (30200 SCFH) an Erdgas bei etwa 538°C (1000°F) werden der Verbrennungszone des Ofens zugeführt. Die Aufnahmezone des Ofens wird mit 6215 kg/h (13702 lbs/h) an nassem Glasgemenge (3% Feuchtigkeitsgehalt) bei 25°C (77°F) und 6122 kg/h (13497 lbs/h) an nahezu trockenem Bruchglas bei etwa 427°C (800°F). beschickt Unter Berücksichtigung der Zündungsverluste, des Eindringens von Luft und der von den Glas bildenden Materialien erzeugten Feuchtigkeit werden etwa 3589,8 m³/h (126772 SCFH) an heißen Rauchgasen mit einer Zusammensetzung von 37,4% CO₂, 54,5% H₂O, 6,2% N₂, 1,8% O₂ und 0,1% Ar in der Verbrennungszone des Ofens erzeugt. Von der Verbrennungszone laufen die heißen Rauchgase durch den Spalt unterhalb der Schattenwand zu der Aufnahmezone, wo sie etwas Energie auf die Glas bildenden Materialien übertragen und aus dem Ofen mit etwa 1149°C (2100°F) austreten. Die Rauchgase werden von dem Glasschmelzofen zu dem Rekuperator durch einen feuerfest ausgekleideten Schacht weitergeleitet. Die Wärmeverluste an die Schachtwände reduzieren die Temperatur der heißen Rauchgase weiter, welche mit 1099°C (2100°F) in den Rekuperator eintreten.
Der Rekuperator nimmt ebenfalls in getrennten Abteilungen hochreinen Sauerstoff und Erdgas auf, wobei beides 25°C (77°F) warm ist. Durch den indirekten Wärmeaustausch mit den heißen Rauchgasen tritt der Sauerstoff aus dem Rekuperator bei etwa 649°C (1200°F) und Erdgas bei etwa 538°C (1000°F) aus. Der erwärmte Sauerstoff und das erwärmte Erdgas werden getrennt zu der Verbrennungszone des Glasschmelzofens unter Verwendung von gut isolierten Rohrleitungen übergeleitet, die nur minimale Wärmeverluste sicherstellen. Die aus dem Rekuperator austretenden Rauchgase sind etwa 747°C (1376°F) warm.
Ein feuerfest ausgekleideter Schacht führt die Rauchgase von dem Rekuperator zu dem Bruchglas-Vorwärmer mit direktem Kontakt. Zusätzliche Wärmeverluste innerhalb des Schachts senken die Temperatur der Rauchgase bis auf etwa 739°C (1362°F) ab, was niedriger als die typische obere Grenze von etwa 760°C (1400°F) für den Bruchglas-Vorwärmer ist.
Der Bruchglas-Vorwärmer wird mit 6215 kg/h (13702 lbs/h) an Bruchglas (Feuchtigkeitsgehalt 1,5 Gewichtsprozent) bei 25°C (77°F) beschickt. Das Bruchglas wird durch direkten Kontakt mit den Rauchgasen vorgewärmt. 6122 kg/h (13497 lbs/h) an vorgewärmten und nahezu trockenem Bruchglas tritt mit 427°C (800°F) aus dem Vorwärmer aus und wird in den Glasschmelzofen beschickt. Etwa 3712,5 m³/h (131106 SCFH) an Rauchgasen treten ebenfalls aus dem Bruchglas-Vorwärmer bei etwa 304°C (580°F) (eine ausreichend hohe Temperatur, um die Kondensierung von Wasser innerhalb des Auslassrauchgaskanals zu verhindern) mit einer Zusammensetzung von 36,2% CO₂, 56% H₂O, 6% N₂ 1,8% O₂ und 0,1% Ar aus.
Die Zufuhrenergie für diesen Glaserzeugungsofen mit der innerhalb des Ofens stattfindenden Vorwärmung, der Sauerstoff Vorwärmung, der Erdgas-Vorwärmung, und der Bruchglas-Vorwärmung ist wie folgt: Brennstoff: 2,85 PJ/t (2,45 MMBtu/short-ton) an Glas; Oxidationsmittel-Vorwärmung: 0,13 PJ/t (0,11 MMBtu/short-ton) an Glas; Erdgas-Vorwärmung 0,08 PJ/t (0,07 MMBtu/short-ton) an Glas; und Bruchglas-Vorwärmung: 0,22 PJ/t (0,19 MMBtu/short-ton) an Glas.
Beispiel 3
Dieses Beispiel wird dargelegt, um die ökonomischen Vorteile darzustellen, die durch die Anwendung der Erfindung erreicht werden können. In der Tabelle 1 ist die Zusammenfassung einer Modellstudie für einen Glasofen mit einer Behälterkapazität von 272 t (300 short-tons) pro Tag dargestellt, der durch technisch reinen Sauerstoff (99,9 Gewichtsprozent) befeuert ist. Die Tabelle stellt einen Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten zum Gewinnen von Wärme bereit. Der Ausgangsfall für den sauerstoffbefeuerten Glasschmelzofen ohne Wärmegewinnung ist in der Spalte A angegeben. Die Spalten B, C und D zeigen die Energie- und Einrichtungsanforderungen für diejenigen Fälle, bei denen die Ausschussenergie von den Rauchgasen verwendet wird, um den Verbrennungssauerstoff bzw. das Glasgemenge/Bruchglas bzw. sowohl den Verbrennungssauerstoff wie das Glasgemenge/Bruchglas vorzuwärmen.
Die Spalte E illustriert die ökonomischen Vorteile einer Energiegewinnungsanordnung, wie sie im Beispiel 2 beschrieben worden ist.
Im Vergleich zum Vorwärmen von Glasgemenge/Bruchglas (Spalte C) bietet das Vorwärmen von Sauerstoff/Glasgemenge/Bruchglas (Spalte D) eine Reduktion von annähernd 5% bezüglich der Brennstoff- und Sauerstoffeinrichtungen, was zu niedrigeren Betriebskosten für den Glashersteller führt.
Das innerhalb des Ofens stattfindende Vorwärmen des Glasgemenges, bei dem es sich nicht um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, in Kombination mit dem Vorwärmen von Bruchglas, Sauerstoff und Erdgas (Spalte E) reduziert die Brennstoff und Sauerstoffanforderungen weiter, und eine Reduzierung dieser Betriebsmittel um 13,5% kann mit Bezug auf das Vorwärmen von Glasgemenge/Bruchglas erreicht werden (Spalte C).
Tabelle 1
Unter Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung ist die Durchführung des Glasschmelzens mit einer hohen Energieausnutzung und verringerten NO_x-Erzeugung möglich. Obgleich die Erfindung ausführlich mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, dass weitere Ausführungsformen der Erfindung im Rahmen der Ansprüche liegen.

Claims

Verfahren zum Verbessern der Energieausnutzung in sauerstoffbefeuerten Glasschmelzöfen, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) erwärmte Glas bildende Materialien (23) in einen Schmelzbehälter (17) eingebracht werden; (B) Brennstoff (31) und erwärmtes Oxidationsmittel verbrannt werden, um heiße Verbrennungsprodukte zu erzeugen und Wärme zum Schmelzen der erwärmten Glas bildenden Materialien in dem Schmelzbehälter zu liefern; (C) die heißen Verbrennungsprodukte von dem Schmelzbehälter bei einer Temperatur zwischen 1316°C und 1538°C (2400°F und 2800°F) abgezogen werden; (D) Wärme von den heißen Verbrennungsprodukten (41) auf ein Oxidationsmittel (33) übertragen wird, wobei das Oxidationsmittel sich bei einer Temperatur befindet, die niedriger ist als diejenige der heißen Verbrennungsprodukte, und eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 50 Gewichtsprozent aufweist, um teilweise abgekühlte Verbrennungsprodukte (43) mit einer Temperatur zwischen 1093°C und 1316°C (2000°F und 2400°F) und das erwärmte Oxidationsmittel (35) zu erzeugen; und (E) Wärme von den teilweise abgekühlten Verbrennungsprodukten (43) auf Glas bildende Materialien (21) übertragen wird, um die erwärmten Glas bildenden Materialien (23) und gekühlte Verbrennungsprodukte (45) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 90 Gewichtsprozent aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff (31) und zwischen 70 und 100 Prozent des erwärmten Oxidationsmittels (35) vor ihrer Verbrennung getrennt und in Abstand voneinander befindlich in den Schmelzbehälter (17) injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des erwärmten Oxidationsmittels (35) im Bereich von etwa 93°C bis 816°C (etwa 200°F bis 1500°F) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übertragen von Wärme von den heißen Verbrennungsprodukten (41) auf das Oxidationsmittel (33) mittels indirektem Wärmeaustausch geschieht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der indirekte Wärmeaustausch im Gleichstrom durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schmelzbehälter (17) mittels einer Schattenwand (81) in eine erste Zone (A) zur Aufnahme von Glas bildenden Materialien (23, 29) und eine zweite Zone (B) zum Schmelzen der Glas bildenden Materialien und zum Erzeugen der heißen Verbrennungs produkte unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff (31) mittels Wärmeaustausch mit einem Teil der heißen Verbrennungsprodukte (41) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff mittels Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der teilweise gekühlten Verbrennungsprodukte (43) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Luft (51), die eine Temperatur aufweist, die geringer ist als diejenige der teilweise gekühlten Verbrennungsprodukte, mit den teilweise gekühlten Verbrennungsprodukten (43) gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der gekühlten Verbrennungsprodukte (45) vor dem Transfer zu den Glas bildenden Materialien zu den teilweise gekühlten Verbrennungsprodukten (43) umgewälzt und mit diesen gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsprodukte Kohlendioxid aufweisen und ferner Kohlendioxid von mindestens einem Teil der gekühlten Verbrennungsprodukte w(45) gewonnen wird.