DE69815755T2

DE69815755T2 - Reduktion von NOx-Emissionen bei Glasschmelzöfen

Info

Publication number: DE69815755T2
Application number: DE69815755T
Authority: DE
Inventors: Yih-Wan Pittsburgh Tsai
Original assignee: PPG Industries Ohio Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JPH10338527A; KR19980086747A; EP0882488A2; KR100275395B1; EP0882488A3; US5893940A; DE69815755D1; EP0882488B1; JP3359284B2; CA2230600C; CA2230600A1

Description

Diese Erfindung betrifft die Reduktion von in einem Massen-Glasschmelzofen erzeugten NO_x-Emissionen durch Steuern der Schmelzofen-Abgastemperatur.
Massenschmelzen von Glas erfordert die Verbrennung von großen Mengen Brennstoff in einem Schmelzofen, um die erforderlichen Schmelztemperaturen durch direktes Erhitzen zu erzeugen. Der Brennstoff (im Allgemeinen Erdgas oder Heizöl) wird für gewöhnlich mit einem höheren Überschuss an Luft gemischt als theoretisch für die vollständige Verbrennung erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die vollständige Verbrennung des Brennstoffs tatsächlich innerhalb des Schmelzofens stattfindet, und um insbesondere im Fall von Flachglas-Schmelzvorgängen sicherzustellen, dass Oxidationsbedingungen im Schmelzofen aufrechterhalten werden. Diese Kombination von Bedingungen in einem Glasschmelzofen führt zur Oxidation von Stickstoff in der Verbrennungsluft zu NOX.
NO_x ist eine Kurzschriftbezeichnung für NO und/oder NO₂. Unter den hohen Temperaturbedingungen eines Glasschmelzofens ist das gebildete Oxid des Stickstoffs meistens NO mit einer kleinen Menge von NO₂, aber nachdem das NO enthaltende Abgas in die Atmosphäre freigesetzt wird, wird ein Großteil des NO in NO₂ umgewandelt, was als zu beanstandender Schadstoff in der Luft betrachtet wird und an den chemischen Vorgängen der Smogbildung beteiligt sein soll. Daher unterliegen großvolumige Verbrennungsquellen, wie beispielsweise Glasschmelzöfen, behördlichen Vorschriften, die den Betrieb streng einschränken können.
Ein nicht-katalytischer Prozess für die selektive Reduktion von NO in Stickstoff und Wasser durch Einspritzen von Ammoniak in den Abgasstrom ist in US-A-3,900,554 an Lyon offenbart. Dieser Prozess kann für Abgasströme aus Glasschmelzöfen verwendet werden, wie in US-A-4,328,020 an Hughes offenbart. Dieses Patent lehrt, dass eine effektive Ammoniakreduktion von NO_x eintritt, wenn das Abgas aus dem Schmelzofen eine Temperatur im Bereich von 870°C bis 1090°C aufweist, (700°C bis 1090°C, wenn das Ammoniak von Wasserstoff begleitet wird), und des Weiteren, dass solche Temperaturbedingungen innerhalb des Rohres, das die primäre und sekundäre Regenerator kammer des Wärmerückgewinnungssystems des Schmelzofens verbindet, für einen wesentlichen Abschnitt des Feuerungszyklus in einem Glasschmelzofen vorhanden sind oder geschaffen werden können. Das Patent lehrt des Weiteren, dass die Ammoniak-Einspritzung unterbrochen wird, sobald die Temperatur des Schmelzofenabgases, das durch das Rohr gelangt, aus diesem bevorzugten Betriebsbereich herausfällt. Obwohl mit diesem Verfahren ein großer Anteil des NO_x aus dem Schmelzofenabgas entfernt werden kann, wird seine Gesamteffizienz durch die Ineffizienz der Technik der Ammoniakreduktion während gewählter Abschnitte jedes Feuerungszyklus des Schmelzofens gemindert, wenn die Abgastemperaturen ungeeignet sind.
Um die effektive Betriebszeit eines Ammoniak-Einspritzungssystems zu verlängern, offenbart US-A-4,372,770 an Krummwiede et al. einen Glasschmelzofen, wobei zusätzlicher Brennstoff in das Schmelzofenabgas eingespritzt und mit überschüssigem Sauerstoff in dem Schmelzofenabgas verbrannt wird, wenn es während ausgewählter Abschnitte des Glasschmelzprozesses in die primären Regeneratoren eintritt, um die Schmelzofen-Abgastemperatur zu so erhöhen, dass sie in dem gewünschten Temperaturbereich für eine effektive No_x-Reduktion durch Ammoniak-Einspritzung liegt.
Obwohl diese Arten von Systemen zur Reduktion der No_x-Emissionen dienen, gibt es trotzdem Zeitpunkte während des Feuerungszyklus des Glasschmelzofens, zu denen No_x-Emissionen nicht durch den Einsatz des Ammoniak-Einspritzsystems reduziert werden.
Es wäre vorteilhaft, eine Anordnung eines Glasschmelzofens zu haben, die sowohl einen erhöhten Einsatz als auch effizienteren Einsatz des Ammoniak-Einspritzsystems zum weiteren Reduzieren der No_x-Emissionen bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern der No_x-Emissionen aus einem Glasschmelzverfahren bereit, bei dem Verbrennung von Brennstoff No_x-Verbindungen enthaltendes Abgas in einem Schmelzofen erzeugt und das Schmelzofenabgas vom Schmelzofen durch einen Regenerator in eine Zone stromabwärts von dem Regenerator gelangt, wobei das Schmelzofenabgas sich in der stromabwärts gelegenen Zone in einem vorbestimmten Temperaturbereich befindet, und zum Einspritzen von Ammoniak in das Schmelzofenabgas in der stromabwärts gelegenen Zone, während sich das Schmelzofenabgas im vorbestimmten Temperaturbereich befindet, um die Menge der No_x-Verbindungen zu verringern, sobald das Schmelzofenabgas in der stromabwärts gelegenen Zone eine Temperatur außerhalb des vorbestimmten Bereiches aufweist, zusätzlich Gas in das Schmelzofenabgas eingebracht wird, während es sich vom Regenerator in die stromabwärts gelegene Zone bewegt, um die Temperatur des Schmelzofenabgases zu verändern, so dass das Schmelzofenabgas und das zusätzliche Gas eine gemeinsame Temperatur im vorbestimmten Temperaturbereich aufweisen, wenn Schmelzofenabgas die stromabwärts gelegene Zone erreicht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens schwankt der vorbestimmte Temperaturbereich des Schmelzofenabgases in einem ersten Temperaturbereich, und das Ammoniak wird in das Schmelzofenabgas in der stromabwärts gelegenen Zone eingespritzt, während sich das Schmelzofenabgas in einem zweiten Temperaturbereich befindet, der innerhalb des ersten Temperaturbereichs liegt, um die Menge der No_x-Verbindungen zu verringern, und zusätzliches Gas in das Schmelzofenabgas eingebracht wird, während es sich vom Regenerator in die stromabwärts gelegene Zone bewegt, um die Temperatur des Schmelzofenabgases so zu verändern, dass das Schmelzofenabgas und das zusätzliche Gas eine gemeinsame Temperatur im zweiten Temperaturbereich aufweisen, wenn Schmelzofenabgas die stromabwärts gelegene Zone erreicht.
Vorzugsweise wird zusätzliches Gas eingespritzt, indem das Abgas von mindestens einem mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner mit einer gewünschten Temperatur in das Schmelzofenabgas gelenkt wird in einer Zone zwischen dem Regenerator und der stromabwärts gelegenen Zone.
Der gewünschte Temperaturbereich ist ein vorbestimmter Temperaturbereich, der ein zweiter Temperaturbereich sein kann. Wobei ein erster Temperaturbereich definiert ist, der breiter als der zweite Bereich ist, so dass der zweite Temperaturbereich innerhalb des ersten Bereichs liegt.
In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist das zusätzliche Gas das Abgas von einem mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner, das in das Schmelzofenabgas eingespritzt wird mit einer solchen Temperatur, dass das Schmelzofenabgas und das eingespritzte Gas in der stromabwärts gelegenen Zone eine gemeinsame Temperatur zwischen 927°C und 1010°C aufweisen, vorzugsweise zwischen 870°C und 1090°C.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Schmelzofen-Abgastemperatur überwacht, wenn sie vom Regenerator in die stromabwärts gelegene Zone gelangt, und die Brenner-Abgastemperatur des zusätzlichen, in das Schmelzofenabgas eingebrachten Gases wird in Abhängigkeit von den Veränderungen der Schmelzofen-Abgastemperatur so verändert, dass das Schmelzofenabgas und das zusätzliche Gas eine gemeinsame Temperatur aufweisen, die innerhalb des zweiten Temperaturbereichs liegt, wenn die stromabwärts gelegene Zone erreicht wird. Vorzugsweise wird das Brennerabgas in einen Verteilungsraum unter dem Regenerator gelenkt.
Im Fall, dass die Schmelzofen-Abgastemperatur unter dem vorbestimmten Temperaturbereich oder unter dem zweiten Temperaturbereich liegt, ist die Brenner-Abgastemperatur höher als die Schmelzofen-Abgastemperatur, und wenn die Schmelzofen-Abgastemperatur über dem vorbestimmten Temperaturbereich oder über dem zweiten Temperaturbereich liegt, ist die Brenner-Abgastemperatur niedriger als die Schmelzofen-Abgastemperatur.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Einspritzens von Wasserstoff in das Schmelzofenabgas während der Ammoniak-Einspritzung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Brennstoff in das Schmelzofenabgas in einer Zone eingespritzt, die zwischen der Schmelzkammer und dem Regenerator liegt, um somit durch Verbrennen des eingespritzten Brennstoffs in dem Schmelzofenabgas Sauerstoff zu verbrauchen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Schmelzofen zum Schmelzen von Glas bereit, umfassend: eine Schmelzkammer; einen Regenerator, wobei Schmelzofenabgas von der Schmelzkammer durch den Regenerator und zu einer stromabwärts vom Regenerator gelegenen Zone gelangt, wobei Ammoniak-Einspritzeinrichtungen in der stromabwärts gelegenen Zone positioniert sind, um Ammoniak in das Schmelzofenabgas einzuspritzen, wenn das Schmelzofenabgas, das durch die stromabwärts gelegene Zone gelangt, einen vorbestimmten Temperaturbereich aufweist, um die No_x-Verbindungen zu verringern; und Gas-Einspritzvorrichtungen zum Einbringen von Gas mit einer vorbestimmten Temperatur in das Schmelzofenabgas zwischen dem Regenerator und der stromabwärts gelegenen Zone, so dass das Schmelzofenabgas und das eingespritzte Gas in der stromabwärts gelegenen Zone eine gemeinsame Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs aufweisen.
In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Gas-Einspritzeinrichtungen mindestens einen mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Flachglas-Schmelzofens entlang eines Längsquerschnitts durch das Regeneratorsystem. Der Regenerator umfasst einen primären und sekundären Regenerator und ein Ammoniak-Einspritzgitter, das in einem Rohr zwischen den Regeneratoren positioniert ist.
2 ist eine Ansicht des Glasschmelzofens aus 1, gesehen entlang der Linie 2-2 in 1.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang einer Öffnung und des oberen Abschnitts eines Regenerators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird hier in Verbindung mit einem typischen Flachglas-Schmelzofen beschrieben, wie beispielsweise in US-A-4,372,770 offenbart. Die Grundsätze der vorliegenden Erfindung können jedoch auf alle Arten von Glasschmelzöfen angewendet werden, in denen die gleichen oder ähnliche Bedingungen vorgefunden werden.
1 und 2 stellen einen herkömmlichen Flachglas-Schmelzofen 10 dar, der eine Schmelzkammer 12 besitzt. Die Einsatzrohstoffe zur Glasherstellung werden von einem Trichter 14 in eine Einlassverlängerung 16 des Schmelzofens eingespeist und in einem Becken mit geschmolzenem Glas 18 abgeladen, das in der Schmelzkammer 12 enthalten ist. Der Schmelzofen 10 ist von der bekannten Kreuzbrenner-Regenerator-Art, wobei die Schmelzkammer 12 von einem Paar von primären Regeneratoren 20 und 22 mit gleicher Konstruktion flankiert ist. Jeder Regenerator umfasst ein feuerfestes Gehäuse 24, das eine Kammerausgitterung 26 (regenerator packing) enthält, die eine Gitterstruktur aus feuerfesten Ziegeln umfasst, die es gestattet, dass Luft und Abgas hindurchgelangen. Jeder der primären Regeneratoren 20 und 22 steht mit der Schmelzkammer 12 mittels einer Vielzahl von Öffnungen 28 in Verbindung, die entlang der Seiten der Schmelzkammer 12 beabstandet angeordnet sind. Jede Öffnung 28 öffnet sich an einem Ende zum Inneren der Schmelzkammer 12 und am anderen Ende zu einer Sammelkammer 30 über der Kammerausgitterung 26 des primären Regenerators. Unter der Kammerausgitterung 26 in jedem Regenerator befindet sich eine Verteilungskammer 32, die an einem Ende mit einem Rohr 34 in Verbindung steht. In der in 1 gezeigten Ausführungsform führt das Rohr 34 zu einem sekundären Regenerator 36, der eine erste Durchgangsausgitterung 38 und eine zweite Durchgangsausgitterung 40 umfassen kann. Vom sekundären Regenerator fließt das Abgas durch einen Umschaltmechanismus 42 und anschließend zu einem Schornstein 44.
Gasströme durch den Schmelzofen 10 werden periodisch umgekehrt (beispielsweise etwa alle 10 Minuten). In dem Betriebsmodus, der in den Zeichnungen dargestellt ist, bewegen sich die Gasströme von links nach rechts (wie in 2 gezeigt), wobei die eintretende Verbrennungsluft durch den linken Regenerator 20 eintritt und Abgas aus der Schmelzkammer 12 durch den rechten Regenerator 22 austritt. Die eintretende Verbrennungsluft wird vorerwärmt durch die Kammerausgitterungen von Regenerator 20, und Brennstoff (Erdgas oder Öl) wird mit der vorerwärmten Luft mittels Düsenbrennern 46 in den linken Öffnungen 28 gemischt, wobei die daraus resultierenden Flammen sich von links nach rechts über das geschmolzene Glas 18 in der Schmelzkammer 12 erstrecken. Während dieser Phase des Feuerungszyklus bleiben die Brennerdüsen 46 in der rechten Öffnung 28 inaktiv. Das Abgas verlässt die Schmelzkammer 12 durch die rechten Öffnungen 28 und durchquert den primären Regenerator 22, wo die Wärme von dem Abgas auf die Kammerausgitterung 26 übertragen wird. In der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird die Rückgewinnung der Abwärme durch das Regeneratorsystem nur teilweise durch den primären Regenerator 22 ausgeführt. Zusätzliche Wärmerückgewinnung erfolgt weiter stromabwärts in dem sekundären Regenerator 36.
Nach einer vorbestimmten Zeitlänge wird die Feuerung der Düsen 46 umgekehrt. Insbesondere werden die Brennerdüsen an der linken Seite des Schmelzofens 10 abgeschaltet und die Brennerdüsen an der rechten Seite werden eingeschaltet, und eintretende Verbrennungsluft durchquert den rechten Regenerator 22 und das Abgas verlässt die Schmelzkammer 12 durch den linken Regenerator 20.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 und 2 wird eine Anordnung zur selektiven nichtkatalytischen Reduktion von NO_x gezeigt. Insbesondere ist eine Ammoniak-Einspritzeinrichtung 48, 48' in jedem Rohr 34, 34' zwischen jedem primären Regenerator 20, 22 und dem entsprechenden sekundären Regenerator 36 positioniert. Obwohl nicht einschränkend in der vorliegenden Erfindung, umfasst das Ammoniak-Einsprtzsystem 48, 48', wie es in 2 dargestellt ist, ein Gitter, das aus einer Vielzahl von Röhren 52 aus einem hitzebeständigen Material besteht, die sich in das Rohr 34 erstrecken. Jede Röhre 52 steht mit einem Sammelrohr 54 in Verbindung, das wiederum mit dem Zufuhrrohr 56 in Verbindung steht. Eine Vielzahl von Öffnungen bzw. Düsen entlang jeder Röhre 52 ist angeordnet, um eine gründliche Mischung von Ammoniak mit im Wesentlichen dem gesamten Strom des Abgases zu fördern, das durch das Rohr 34 fließt. Eine identische Gitteranordnung kann in dem Rohr 34' auf der gegenüberliegenden Seite des Schmelzofens 10 bereitgestellt werden. Bei einem Glasschmelzofen dieses Typs wurde festgestellt, dass die Temperaturen der Abgase, die durch das Rohr 34 gelangen, während eines Abschnitts der Abgasphase des Feuerungszyklus innerhalb des bevorzugten NO_x-Reduktionsbereichs von 870°C bis 1090°C (1598°F bis 1994°F) liegen. Dieser Bereich kann auf 700°C bis 1090°C (1292°F bis 1994°F) erweitert werden, wenn das Ammoniak mit Wasserstoff kombiniert wird, wie in US-A-4,372,770 offenbart. Der Betrag der Zeit, in der sich das Schmelzofenabgas innerhalb dieses Bereichs befindet, hängt von Feuerungsrate, Feuerungsdauer, Ausgitterungsdichte und Ausgitterungsvolumen ab.
In dem in den Figuren dargestellten Feuerungsmodus findet das Einspritzen von Ammoniak im rechten Ammoniak-Einspritzsystem 48 statt, während das linke System 48' abgeschaltet ist. Typischerweise verlässt das Abgas die Schmelzkammer 12 und tritt in den Regenerator 20, 22 bei einer Temperatur von 1537°C bis 1704°C (2800°F bis 3100°F) ein. Wenn das Abgas den Regenerator 20, 22 durchquert, überträgt es Wärme auf die Kammerausgitterung 26 und wird gekühlt. Unmittelbar nach der Feuerungsum kehr lässt sich feststellen, dass die Temperatur des Abgases, welches das Rohr 34 auf der Auslassseite durchquert, im Allgemeinen unter dem gewünschten NO_x-Reduktionsbereich liegt, aber innerhalb von 1 bis 3 Minuten auf den gewünschten Bereich ansteigt, wonach das Einspritzen von Ammoniak ausgelöst werden kann. Die Ammoniak-Einspritzung wird fortgesetzt, während sich die Temperatur des Schmelzofenabgases in dem Rohr weiterhin erhöht, bis seine Temperatur den gewünschten No_x-Reduktionstemperaturbereich überschreitet, worauf die Ammoniak-Einspritzung unterbrochen werden kann. Es sollte jedoch verstanden werden, dass sich das Schmelzofenabgas in Abhängigkeit von Feuerungsrate, Feuerungsdauer, Ausgitterungsdichte und Ausgitterungsvolumen unmittelbar nach der Feuerungsumkehr in dem gewünschten Temperaturbereich befinden kann. In einer solchen Situation wird davon ausgegangen, dass das Schmelzofenabgas in dem Feuerungszyklus zu einem früheren Zeitpunkt zu heiß wird, um NO_x durch Ammoniak-Einspritzung effektiv zu reduzieren.
Zum weiteren Reduzieren von NO_x-Emissionen kann eine Nachverbrennung in den Schmelzprozess integriert werden, wie in US-A-4,373,770 offenbart. Die Nachverbrennung ist ein Prozess zum Einspritzen von Brennstoff in das Schmelzofenabgas und zu dessen Verbrennen zusammen mit dem Schmelzofenabgas, während es die primären Regeneratoren 20 und 22 durchquert. Die Nachverbrennung dient zum Unterdrücken einer NO_x-Bildung durch Verbrauchen von Sauerstoff in dem Schmelzofenabgas, der andernfalls zur NO_x-Bildung zur Verfügung stehen würde. Man geht auch davon aus, dass das Fehlen von Sauerstoff verursacht, dass sich NO_x in dem Schmelzofenabgas zersetzt, und dass das Vorhandensein von verbrennbarem Brennstoff eine chemische Reduktion von NO_x verursacht. Alle der vorgenannten Mechanismen erfordern, dass eine Nachverbrennung bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der eine NO_x Bildung wahrscheinlich ist. Man geht davon aus, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn der verbrennbare Brennstoff mit Schmelzofenabgas gemischt wird, das eine Temperatur von mindestens 1420°C (2600°F) aufweist. In der besonderen Ausführungsform der Erfindung, die in 2 und 3 dargestellt ist, wird Brennstoff mit dem Schmelzofenabgas am oberen Ende des primären Regenerators 20, 22 kombiniert. Insbesondere ist eine Brennstoffdüse 58 positioniert, um sich in den Halsabschnitt einer Öffnung 28 von oben her zu erstrecken. Die Düse 58 ist angewinkelt entgegen der Richtung des Abgasflusses, und es wird erwartet, dass der Brennstoff in das Abgas mit etwa 15 bis 150 Meter pro Sekunde (50 bis 500 Fuß pro Sekunde STP)) eingespritzt werden kann, um sich effektiv mit dem Schmelzofenabgas zu mischen. Die Brennstoff-Einspritzdüsen 60 und 62, die in 3 in gestrichelten Linien dargestellt sind, zeigen alternative, aber weniger effektive Positionen für die Brennstoff-Einspritzung im Bereich des oberen Sammelraums 30 in annähernder Fluchtung mit der jeweiligen Öffnung 28. Brennstoff kann von einer Vielzahl von Düsen eingespritzt werden, die mit jeder Öffnung verbunden sind, um das Mischen weiter zu verbessern. Die Brennstoff-Einspritzung kann auch leicht innerhalb der Schmelzkammer 12 vor einer Öffnungsmündung stattfinden. Es sollte verstanden werden, dass es nicht immer erforderlich ist, Brennstoff an jeder Öffnung 28 einzuspritzen, und teilweise Vorteile können erreicht werden, indem nur ein Abschnitt der Öffnungen mit Nachverbrennungs-Möglichkeiten ausgestattet wird. Es ist nicht unüblich in einem Mehrfachöffnungs-Schmelzofen, dass verschiedene Öffnungen mit unterschiedlichen Raten und mit unterschiedlichen Brennstoff/Luft-Verhältnissen befeuert werden. Es könnte daher in einigen Fällen am produktivsten sein, die Nachverbrennung auf diejenigen Öffnungen zu beschränken, die höhere Feuerungsraten und/oder die höchsten Mengen an überschüssigem Sauerstoff im Abgas aufweisen.
Der für die Nachverbrennung verwendete Brennstoff kann jeder verbrennbare Kohlenwasserstoff sein, der im Allgemeinen als ein Schmelzofen-Brennstoff verwendet wird, und am besten der gleiche Brennstoff, der in der Schmelzkammer 12 verwendet wird, der in den meisten Fällen Erdgas (Methan) ist. Die Menge des eingespritzten Brennstoffs entspricht vorzugsweise der Menge, die stöchiometrisch für den vollständigen Verbrauch von Sauerstoff in dem Abgasstrom am Ort der Einspritzung erforderlich ist. Die maximale Nachverbrennung des Abgasstroms vom Schmelzofen 10 erfordert den Einsatz von zusätzlichem Brennstoff in einer Menge von bis zu 15 Prozent des Brennstoffs, der in der Schmelzkammer 12 verbraucht wird, was von der Menge an überschüssiger Luft im Abgas abhängt. Geringere Mengen von Brennstoff sind erforderlich, wenn das Abgas geringere Mengen Luft enthält. Dieser zusätzliche Brennstoff kann auf nur einige Öffnungen konzentriert sein, wo die größten Mengen an überschüssigem Sauerstoff vorgefunden werden, da es üblich ist, wie vorher erläutert, einen Glasschmelzofen mit einem von einer Öffnung zu nächsten unterschiedlichen Sauerstoffpotenzial zu betreiben. Diese mit den höchsten Luft-zu-Brennstoff-Verhältnissen befeuerten Öffnungen können für einen größeren Anteil der NO_x-Bildung verantwortlich sein, und daher können Nachverbrennungsvorgänge auf die Auslassseite dieser Öffnungen konzentriert sein.
Es sollte verstanden werden, dass die Nachverbrennung auch die Temperatur des Schmelzofenabgases rascher ansteigen lässt, so dass die NO_x-Reduktion über das Ammoniak-Einsprtzsystem 48 zu einem früheren Zeitpunkt im Feuerungszyklus ausgelöst werden kann. Es sollte des Weiteren verstanden werden, dass sich herausgestellt hat, dass die Nachverbrennung eine Erhöhung der Temperatur der Kammerausgitterung 26 in den Regeneratoren 20, 22 erzeugt, z. B. in der Größenordnung von 40°C bis 45°C (70°F bis 80°F). Infolgedessen kann es in den Fällen, in denen Halte-Elemente für die Kammerausgitterung 26 sich ihren Temperaturobergrenzen nähern, wünschenswert sein, ihre Temperatur zu überwachen und das Maß der Nachverbrennung entsprechend einzuschränken.
Die Temperatur des Schmelzofenabgases schwankt, wenn es die primären Regeneratoren 20 und 22 verlässt und in den Verteilungsraum 32 eintritt. Wie vorher erläutert, kann beispielsweise eine Zeitperiode vorhanden sein, die unmittelbar auf die Feuerungsumkehr folgt, in der das Abgas, das die primären Regeneratoren 20 und 22 in den Verteilungsraum 32 verlässt, unter dem bevorzugten Bereich für eine effektive NO_x-Reduktion durch das Ammoniak-Einspritzsystem 48 liegt. Außerdem kann das Abgas, abhängig von der Länge jedes Feuerungszyklus, eine Temperatur über dem gewünschten Bereich erreichen, so dass das Einspritzsystem 48 nicht so effektiv beim Beseitigen von NO_x Emissionen ist. Zum Steuern der Temperatur von Schmelzofenabgas, wenn es den Verteilungsraum 32 und das Rohr 34 während des Feuerungszyklus zum Ammoniak-Einspritzsystem 48 durchquert, verwendet die vorliegende Erfindung einen mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner 64. Ein mit überschüssiger Luft betriebener Brenner 64 ist ein Brenner, der Brennstoff (beispielsweise Erdgas, Öl oder anderes verbrennbares Kohlenwasserstoffmaterial) mit überschüssiger umgebender oder vorerwärmter Luft kombiniert, d. h. mit mehr Luft als die stöchiometrische Menge an Luft, die zum Verbrennen des Brennstoffs erforderlich ist. Die Menge der überschüssigen Luft, die dem Brenner zugeführt wird, wird zum Steuern der Menge an Hitze verwendet, die vom Brenner 64 erzeugt wird. Insbesondere, wenn das Abgas vom Brenner 64 sich mit dem Schmelzofenabgas vereint, wird die Temperatur des Schmelzofenabgases steigen oder fallen und damit die Schmelzofen-Abgastemperatur im Verteilungsraum 32 und Rohr 34 ändern. Durch Steuern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses und der Menge an Brennstoff, die vom Brenner 64 verbrannt wird, kann die Temperatur des Schmelzofenabgases gesteu ert werden. Der mit überschüssiger Luft betriebene Brenner 64 verbrennt auch zusätzlich Brennstoffe, sofern solche in dem Abgas vorhanden sind, wenn es den Verteilungsraums 32 durchquert.
In der besonderen Ausführungsform der Erfindung, die in 1 dargestellt ist, ist der Brenner 64 am unteren Abschnitt der Wand 66 des primären Regenerators 20, 22 positioniert, um seine Abgase direkt in den Verteilungsraum 32 zu lenken. Als Alternative können mehrere Brenner entlang des Raums 32 positioniert sein. Eine Regeleinrichtung 68 ist mit dem Brenner 64 verbunden, um die Menge an Brennstoff und Luft zu steuern, die vom Brenner 64 verbrannt wird, und damit die Schmelzofen-Abgastemperatur im Verteilungsraum 32 zu steuern. Falls gewünscht, kann ein Temperaturanzeiger 70 in dem Raum 32 und/oder dem Rohr 43 positioniert werden, um die Temperatur des Schmelzofenabgases von den primären Regeneratoren 20 und 22 zu überwachen. Dieser Anzeiger 70 kann mit der Regeleinrichtung 68 zum Steuern des Brennstoff/Luft-Gemischs des Brenners 64 verbunden sein und zum Sicherstellen, dass der gemeinsame Fluss von Schmelzofenabgas und Brennergas innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs für eine effektive NO_x-Reduktion aus dem Schmelzofenabgas liegt, wenn er das Gitter des Ammoniak-Einspritzsystems 48 durchquert. Es sollte verstanden werden, dass, wenn die Temperatur-Überwachungseinrichtung 70 im Rohr 34 positioniert wird, bevor das Abgas des mit überschüssiger Luft betriebenen Brenners in den Verteilungsraum 32 eingebracht wird, die Überwachungseinrichtung 70 nur die Temperatur des Schmelzofenabgases überwacht, während nach dem Einbringen des Abgases des mit überschüssiger Luft betriebenen Brenners 64 die Temperatur-Überwachungseinrichtung 70 die gemeinsame Temperatur des Schmelzofenabgases und des Brennerabgases überwacht. Wenn die Anzeigeeinrichtung in oder am Boden einer Kammerausgitterung 26 positioniert ist, überwacht sie nur die Temperatur des Schmelzofenabgases.
Als eine Alternative zur Verwendung eines mit überschüssiger Luft betriebenen Brenners 64 kann Umgebungsluft in das Schmelzofenabgas eingespritzt werden, während es den Verteilungsraum 32 durchquert, um die Schmelzofen-Abgastemperatur zu steuern und die NO_x-Reduktion am Ammoniak-Einspritzsystem 48 zu optimieren. Es wird jedoch bevorzugt, dass ein mit überschüssiger Luft betriebener Brenner 64, wie vorher beschrieben, verwendet wird, weil der Brenner über einen großen Temperaturbereich brennen und eine bessere Temperatursteuerung für das Abgas bereitstellen kann.
Der mit überschüssiger Luft betriebene Brenner 64, wie hier offenbart, reduziert NO_x- Emissionen auf zwei Arten. Erstens verlängert er die Zeit, während der das Ammoniak-Einspritzsystem 48 effektiv betrieben wird, durch Ändern der Schmelzofen-Abgastemperatur, so dass sie sich während einer längeren Zeitperiode in einem vorbestimmten Betriebsbereich befindet. Insbesondere kann der Brenner 64 befeuert werden, um Abgas mit einer höheren Temperatur als das Schmelzofenabgas zu liefern und zusätzliche Hitze bereitzustellen und die Temperatur des Schmelzofenabgases im Feuerungszyklus frühzeitig zu erhöhen. Der Brenner 64 kann auch befeuert werden, um eine Abgastemperatur zu erzeugen, die niedriger als die Schmelzofen-Abgastemperatur ist, um die Temperatur des Schmelzofenabgases zu reduzieren, falls dies zu einem späteren Zeitpunkt im Feuerungszyklus erforderlich ist. Zweitens kann der Brenner 64, falls gewünscht, zur weiteren Steuerung der Schmelzofen-Abgastemperatur innerhalb eines engeren Temperaturbereichs verwendet werden, so dass das Ammoniak-Einspritzsystem 48 mit höchster Effizienz betrieben werden kann. Wie vorher erläutert, wird bevorzugt, dass das Abgas die Temperatur in dem Bereich von 870°C bis 1090°C aufweist, aber man geht davon aus, dass sich die Effizienz des Einspritzsystems 48 verbessern würde, wenn das Schmelzofenabgas dem System 48 in einem Temperaturbereich von 927°C bis 1010°C (1700°F bis 1850°F) zugeführt würde.

Claims

Verfahren zum Steuern von NO_x-Emissionen aus einem Glasschmelzverfahren, bei dem Verbrennung von Brennstoff NO_x-Verbindungen enthaltendes Abgas in einem Schmelzofen (10) erzeugt und das Schmelzofenabgas vom Schmelzofen (10) durch einen Regenerator (20, 22) in eine Zone (32, 34) stromabwärts von dem Regenerator (20, 22) gelangt, wobei das Schmelzofenabgas sich in der stromabwärts gelegenen Zone in einem vorbestimmten Temperaturbereich befindet, und Einspritzen von Ammoniak in das Schmelzofenabgas in der stromabwärts gelegenen Zone, während sich das Schmelzofenabgas im vorbestimmten Temperaturbereich befindet, um die Menge der NO_x-Verbindungen zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Schmelzofenabgas in der stromabwärts gelegenen Zone eine Temperatur außerhalb des vorbestimmten Bereiches aufweist, zusätzlich Gas (64) in das Schmelzofenabgas eingebracht wird, während es sich vom Regenerator (20, 22) in die stromabwärts gelegenen Zone bewegt, um die Temperatur des Schmelzofenabgases zu verändern, so dass das Schmelzofenabgas und das zusätzliche Gas eine gemeinsame Temperatur im vorbestimmten Temperaturbereich aufweisen, wenn Schmelzofenabgas die stromabwärts gelegene Zone erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Temperaturbereich des Schmelzofenabgases in einem ersten Temperaturbereich schwankt und Ammoniak in der stromabwärts gelegenen Zone in das Schmelzofenabgas eingespritzt wird, während sich das Schmelzofenabgas in einem zweiten Temperaturbereich innerhalb des ersten Temperaturbereiches befindet, um die Menge von NO_x-Verbindungen zu verringern, und Einbringen von zusätzlichem Gas in das Schmelzofenabgas, während es sich vom Regenerator (20, 22) in die stromabwärts gelegene Zone bewegt, um die Schmelzofenabgastemperatur so zu verändern, dass das Schmelzofenabgas und das zusätzliche Gas eine gemeinsame Temperatur innerhalb des zweiten Temperaturbereichs aufweisen, wenn Schmelzofenabgas die stromabwärts gelegene Zone erreicht.
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Gas mit einer Temperatur eingespritzt wird, so dass das Schmelzofenabgas und das eingespritzte Gas in der stromabwärts gelegenen Zone eine gemeinsame Temperatur zwischen 870° und 1090°C aufweisen.
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Gas mit einer Temperatur eingespritzt wird, so dass das Schmelzofenabgas und das eingespritzte Gas in der stromabwärts gelegenen Zone eine gemeinsame Temperatur zwischen 927° und 1010°C aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Gas eingespritzt wird durch Lenken von Abgas von mindestens einem mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner (64) mit einer gewünschten Temperatur in das Schmelzofenabgas in einer Zone zwischen dem Regenerator (20, 22) und der stromabwärts gelegenen Zone.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Schmelzofenabgases, während es sich vom Regenerator (20, 22) in die stromabwärts gelegene Zone bewegt, überwacht wird und die Brennerabgastemperatur in Abhängigkeit von Änderungen der Schmelzofenabgastemperatur verändert wird, so dass das Schmelz- Ofenabgas und das Brennerabgas beim Erreichen der stromabwärts gelegenen Zone eine gemeinsame Temperatur aufweisen, die im vorbestimmten Temperaturbereich oder im zweiten Temperaturbereich liegt.
Verfahren nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Schmelzofenabgastemperatur unter dem vorbestimmten Temperaturbereich oder unter dem zweiten Temperaturbereich liegt, die Brennerabgastemperatur höher ist als die Schmelzofenabgastemperatur, und dass dann, wenn die Schmelzofenabgastemperatur über dem vorbestimmten Temperaturbereich oder über dem zweiten Temperaturbereich liegt, die Brennerabgastemperatur niedriger als die Schmelzofenabgastemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerabgas in einen Verteilungsraum (32) unter dem Regenerator (20, 22) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff in das Schmelzofenabgas in einer Zone zwischen der Schmelzkammer (12) und dem Regenerator (20, 22) eingespritzt wird, um Sauerstoff im Schmelzofenabgas durch Verbrennen des eingespritzten Brennstoffes zu verbrauchen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Einspritzens von Wasserstoff in das Schmelzofenabgas während des Einspritzens von Ammoniak.
Schmelzofen (10) zum Schmelzen von Glas, enthaltend: eine Schmelzkammer (12), einen Regenerator (20, 22), wobei das Schmelzofenabgas von der Schmelzkammer (12) durch den Regenerator (20, 22) und in eine stromabwärts vom Regenerator (20, 22) gelegene Zone (32, 34) gelangt, Ammoniakeinspritzeinrichtungen (48), die in der stromabwärts gelegenen Zone (32, 34) angeordnet sind, zum Einspritzen von Ammoniak in das Schmelzofenabgas, wenn das Schmelzofenabgas, das die stromabwärts gelegene Zone passiert, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches ist, um NO_x-Verbindungen zu reduzieren, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: Gaseinspritzeinrichtungen (64), um Gas mit einer vorbestimmten Temperatur in das Schmelzofenabgas zwischen dem Regenerator (20, 22) und der stromabwärts gelegenen Zone (32, 34) einzubringen, so dass das Schmelzofenabgas und das eingespritzte Gas eine gemeinsame Temperatur im vorbestimmten Temperaturbereich in der stromabwärts gelegenen Zone aufweisen.
Schmelzofen (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinspritzeinrichtung (64) mindestens einen mit überschüssiger Luft betriebenen Brenner aufweist.
Schmelzofen (10) nach Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen unter dem Regenerator (20, 22) angeordneten Verteilungsraum (32) aufweist und die Gaseinspritzeinrichtung(en) (64) so angeordnet ist (sind), um Abgas in das Schmelzofenabgas in den Verteilungsraum (32) einzubringen.
Schmelzofen (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Temperaturanzeige (70) aufweist, die so angeordnet ist, um die Schmelzofenabgastemperatur zu überwachen.
Schmelzofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin Brennstoffeinspritzeinrichtungen (58, 60, 62) aufweist, um Brennstoff in das Schmelzofenabgas einzuspritzen, während das Schmelzofenabgas durch den Regenerator (20, 22) geleitet wird.