EP1531313A1 - Schmelzvorrichtung - Google Patents

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EP1531313A1
EP1531313A1 EP04026394A EP04026394A EP1531313A1 EP 1531313 A1 EP1531313 A1 EP 1531313A1 EP 04026394 A EP04026394 A EP 04026394A EP 04026394 A EP04026394 A EP 04026394A EP 1531313 A1 EP1531313 A1 EP 1531313A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
melting
fuel
chamber
oxidant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04026394A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Gehres
Friedel Theissen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Group GmbH
Original Assignee
Messer Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer Group GmbH filed Critical Messer Group GmbH
Publication of EP1531313A1 publication Critical patent/EP1531313A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/14—Arrangements of heating devices
    • F27B14/143—Heating of the crucible by convection of combustion gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B2014/008—Continuous casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/10—Crucibles
    • F27B2014/102—Form of the crucibles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/14—Arrangements of heating devices
    • F27B2014/146—Recuperation of lost heat, e.g. regenerators

Definitions

  • the invention relates to a melting device for continuous melting of material.
  • Pure oxygen used for stoichiometric combustion has a higher flame temperature than the stoichiometric combustion thereof Fuel when air is used as the oxidizing agent. Consequently, at a Burning with pure oxygen to be particularly careful that no local overheating occurs.
  • NOX incineration related pollutants
  • US-A-4,453,913 a recuperative burner is described, wherein a rich Mixture of fuel and air a central burner pipe and a lean Mixture of fuel and air is fed to an outer burner tube.
  • the US-A-4,801,261 describes an apparatus and method for the delivery of Combustion air in several zones, the combustion air of an inflammatory zone supplied and additional air is supplied to the outer, supplementary zone, where the main combustion takes place.
  • GB-A-135247 discloses a combustion chamber inside which a melting chamber is mounted for the batchwise melting of aluminum, wherein the Aluminum discharged either from the bottom or the top of the melting chamber becomes.
  • the combustion chamber is heated at its bottom by means of fuel.
  • For the supply of combustion air is a series of openings perpendicular to each other arranged, which can be selectively closed with plugs.
  • EP 0 840 877 B1 describes a melting apparatus in which a continuous inside the melting chamber which can be charged with materials to be melted a combustion chamber is included.
  • the melting chamber has in her upper area an inlet opening for the material to be melted and in her lower area on an outlet opening for the molten material.
  • the Combustion chamber includes an inlet port for fuel in the lower region the combustion chamber and a number of inlet ports for Oxiatiosffen (Oxygen), along the longitudinal extent of the melting chamber in predetermined Distances are arranged.
  • the resulting fuel gases rise in the Countercurrent to the material to be melted in the combustion chamber upwards and are discharged through an outlet opening, which is near the inlet opening of the Melting chamber is arranged.
  • the object of this invention is to provide a continuously operable one To provide a melting device in which a temperature profile over the longitudinal extent the melting chamber are maintained with great reliability can.
  • the device according to the invention accordingly differs from the known Melting device of EP 0 840 877 B1 firstly characterized in that the outlet opening of the exhaust gas is disposed in a lower portion of the combustion chamber is, therefore, at least over a part of the longitudinal extent of the melting chamber a parallel guidance of fuel gas and material to be melted takes place, and on the other hand, in that at least that of the inlet opening of the melting chamber adjacent fuel or oxidant inlet ports with a heater fluidly connected to preheat the fuel or the oxidant is.
  • the at least partially parallel guidance of Congressschmelzendem Material and exhaust gases reduce those caused by turbulent flows Disturbances of the temperature profile inside the combustion chamber.
  • the targeted preheating of the fuel or the oxidant is the firing Efficiency significantly improved.
  • the heating device used for this purpose it is preferably a heat exchanger in which a hot Process gas used to heat the fuel, or the oxidant becomes.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the amount of by the inlet openings of guided fuel and / or oxidant is variable and via a control device arranged with in the combustion chamber Sensors connected, can be adjusted.
  • the amount of inflowing Fuel or oxidant is thus targeted for setting a temperature profile used, the respectively to be melted material or the respective Melting task or the phase in which the melting process is currently taking place, is adjusted.
  • the total taking place in the combustion chamber Incineration may be less than or more than stoichiometric in some cases or in sections.
  • the sensors inside the combustion chamber allow regulation Combustion according to a predetermined program, for example, each was empirically created for a material to be melted down.
  • the incoming fuel and / or the oxidizing agent in whole or in part in a heat exchanger preheated the exhaust gas.
  • a particularly expedient embodiment of the invention provides that the Melting chamber an at least partially funnel-shaped extending cross-section , wherein the cross section in the direction of the outlet opening of rejuvenated molten material.
  • the opposite in the area of the molten bath the melting zone reduced radius of the melting chamber allows in this Area a more homogeneous temperature distribution within the melt and thus a more homogeneous material.
  • such a design takes into account those occurring during the melting of solids, such as shards Volume reduction.
  • the exact shape of the cross section of the melting chamber may vary depending on the application and / or material to be melted be.
  • linear cross-sectional tapers are also within the scope of the invention imaginable parabolic or gradual courses that the Melting chamber into separate sections, each with a different diameter divide.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a heated melting device with a surrounding combustion chamber in accordance with the present invention.
  • the apparatus 10 comprises a melting chamber 11, which is from a combustion chamber 12 is surrounded.
  • the the cylinder jacket of the melting chamber 11 forming Outer walls 13 are formed by inner walls of the combustion chamber 12.
  • the melting chamber 11 further comprises an inlet opening 16 for melting Material 15 and an outlet opening 17 for molten material 18.
  • the melting chamber 11 is funnel-shaped in the embodiment, to the Outlet opening 17 formed tapering, but it can also be a cylindrical or otherwise shaped cross-section.
  • the respective cross-sectional shape depends in particular on the melting characteristics of fusible material 15.
  • fusible materials For example, non-metals including glass, ferrous metals and non-ferrous metals Metals such as aluminum and either new or recycled Materials into consideration.
  • the melting chamber 11 is heated by the surrounding combustion chamber 12, which controls the melting chamber 11 as described below Way along its length with an adjustable thermal profile of combustion heats up and over the length of the melting chamber 11 a uniform or variable Ensures heat profile.
  • the fuel such as natural gas
  • a control valve 26 for the fuel Through the primary inlet nozzle 23, part of the oxidizing agent is added to react with the fuel, and in a substoichiometric ratio that is sufficient to one To generate reaction gas, which is composed of carbon monoxide and hydrogen.
  • the reaction gas thus generated is along the sides 13 and 14 of the chamber 12 from the primary feed section 19 into the secondary feed section 20, where it reacts further with oxidant, which in the secondary Feed area 20 is injected.
  • combustion can be within the Combustion chamber 12 stoichiometric or superstoichiometric.
  • a plurality of secondary nozzles 27 for the supply of oxidant radially and vertically spaced from each other arranged, each of which is equipped with a control valve 28.
  • the nozzles 27 are fluidly connected to the main supply line 34 and can oxygen, Air or a mixture of air and oxygen in the combustion chamber respectively.
  • Air oxygen
  • the atmosphere in the combustion chamber preheated to a temperature of T> 750 ° C, whereby upon injection of the fuel-oxidizer mixture whose ignition is triggered.
  • heating burner 29 is, for example, a fuel-air burner.
  • Both the fuel and the oxidizer may be under a tangential Angle to enter the circumference, so that they are around the center of the chamber 12 turn.
  • the fuel and / or the oxidant may enter the combustion chamber 12 also at an angle to the vertical oblique enter.
  • a control unit 35 serves to control the control valves 26,28, with their help the required amount of fuel and oxidant after an input Program or depending on measurement parameters, such as the amount or melting temperature of the molten material or Temperature in the combustion chamber, can be supplied.
  • the Temperature sensors 41 are also in communication with the control unit 35. The temperatures measured on them can be used to the valves 26, 28 to control to a predetermined thermal profile over the Ensure length of the combustion chamber 12 and a predefined heating in the melting chamber 11 along the melting chamber walls 14 to allow. For example, it proves useful in the region of the melting zone, So the upper portion of the melting chamber 11, a strong, for example, on 700 ° C preheated oxidant to use, as a high temperature difference between the combustion chamber 12 and the melting chamber 11 the high Heat requirement during melting takes into account. In contrast, it recommends in the lower pool located a not or only slightly preheated Use oxidizing agent, as too high a temperature of the melt in In this area regulation of outflow by means of a temperature control of Outlet opening 17 impaired.
  • the combustion chamber 12 has an outlet opening 37 for flue gas, which in the Near the outlet opening 17 for the molten material 18 is arranged.
  • the outlet opening 37 is via an exhaust gas line 36 with a heat exchanger 38 fluidly connected, in which the heat of the flue gas to preheat the oxidant or -in not shown here- also the fuel can be used can.
  • all nozzles are for the sake of simplicity 27 fluidly connected to the heat exchanger; However, it is also possible that only for a part of the nozzles 27, for example for the nozzles of the upper area, certain oxidizing agent is preheated in the heat exchanger 38. The strenght the preheating depends in particular on the exhaust gas temperature, the used Fuel and the respective melting process.
  • the exhaust gas of the combustion chamber 12 is used for the heat exchanger 38, However, it is also possible within the scope of the invention, the heat exchanger 38 to operate with other process gases, the heat exchanger 38 by appropriate Supply lines are supplied.
  • a heat exchanger 39 In Fig. 1 is located in the region of the outlet opening 17, a heat exchanger 39, the in the embodiment has both a cooling and a heating function.
  • the heat exchanger has a cooling tube through which a cold liquid or gaseous medium, for example, cold, gaseous nitrogen, is performed.
  • a cold liquid or gaseous medium for example, cold, gaseous nitrogen
  • the Heat exchanger 39 is also equipped with an electric heater, by means of which the outlet opening can be actively heated. That's the way it is with the aid of the heat exchanger 39 connected to a control unit 40, to control the temperature of the glass flowing out of the melting chamber.
  • the device 10 allows the use of gaseous, liquid and solid Fuels and of existing oxidizing streams with fluctuating concentrations of oxygen.
  • the invention can be preheated Use streams of oxidant or fuel even in the case where 100% Oxygen is used for the oxidant jet.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Schmelzvorrichtug (10), in der eine Schmelzkammer (11) von einer Verbrennungskammer (12) umgeben ist. Innerhalb der Verbrennungskammer sind eine Brennstoffzuführung (25) sowie in regelmäßigen vertikalen Abständen Zuführungen (23,27) für Oxidationsmittel vorgesehen, mit deren Hilfe ein vorgegebenes Temperaturprofil innerhalb der Verbrennungskammer erzeugt wird. Die Verbrennungsgase werden innerhalb der Verbrennungskammer zumindest abschnittsweise parallel zum aufzuschmelzenden Material im Innern der Schmelzkammer geführt. Die Zuführungen für Brennstoff (25) und/oder für Oxidationsmittel ist/sind mit einer Heizeinrichtung (38) strömungsverbunden, mittels derer der zugeführte Brennstof bzw. das zugeführte Oxidationsmittel vorheizbar ist. Auf diese Weise werden turbulente Strömungen im Innern der Verbrennungskammer (12) unterdrückt und es kann gezielt ein gewünschtes Temperaturprofil über die Längserstreckung der Schmelzkammer eingestellt und mit großer Zuverlässigkeit aufrecht erhalten werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzvorrichtung zum kontinuierlichen Aufschmelzen von Material.
Es ist bekannt, dass die Flammentemperatur, die sich aus der Verbrennung eines Oxidationsmittels und Brennstoffs ergibt, umso höher ist, je höher die Konzentration des Sauerstoffs in dem Strahl des Oxidationsmittels ist.
Reiner Sauerstoff, der für eine stöchiometrische Verbrennung verwendet wird, hat eine höhere Flammentemperatur als die stöchiometrische Verbrennung desselben Brennstoffs, wenn Luft als Oxidationsmittel verwendet wird. Folglich muss bei einer Verbrennung mit reinem Sauerstoff besonders darauf geachtet werden, dass keine lokale Überhitzung auftritt.
Bei der Verbrennung von Sauerstoff und Brennstoff sind hochtemperaturbeständige, feuerfeste Isoliermaterialien zu verwenden. Das unmittelbare Auftreffen einer Brennstoff/Sauerstoff-Flamme auf Metalle oder Metall-Legierungen ist zu vermeiden; dies gilt jedoch auch für Brennstoff/Luft-Flammen.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Verbrennung von Brennstoff und Luft zu einer Erzeugung von mit der Verbrennung in Verbindung stehenden Schadstoffen (NOX) führt. Dies ist bei der Verbrennung von Brennstoff mit reinem Sauerstoff nicht der Fall, wenn auch der Brennstoff keinen Stickstoff bzw. keine Stickstoffverbindungen enthält. Bei einer Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff besteht die Gefahr, dass die NOX-Bildung gegenüber einer Verbrennung mit Luft verstärkt wird, bedingt durch die höhere Flammentemperatur des sauerstoffangereicherten Oxidationsmittels. Dies kann allerdings durch konstruktive Maßnahmen bei der Auslegung der/des Brenner(s) vermieden werden.
In der US-A-4.453.913 wird ein rekuperativer Brenner beschrieben, wobei ein sattes Gemisch aus Brennstoff und Luft einem zentralen Brennerrohr und ein mageres Gemisch aus Brennstoff und Luft einem äußeren Brennerrohr zugeführt wird. Die US-A-4.801.261 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Zuführung von Verbrennungsluft in mehrere Zonen, wobei die Verbrennungsluft einer Entzündungszone zugeführt und zusätzliche Luft der äußeren, ergänzenden Zone zugeführt wird, wo die Hauptverbrennung stattfindet.
Die GB-A-135247 offenbart eine Brennkammer, in deren Innerem eine Schmelzkammer für das chargenweise Schmelzen von Aluminium montiert ist, wobei das Aluminium entweder von dem Boden oder dem Oberteil der Schmelzkammer abgeführt wird. Die Brennkammer wird an ihrem Boden mittels Brennstoff erwärmt. Für die Zuführung von Verbrennungsluft ist eine Reihe von Öffnungen senkrecht übereinander angeordnet, wobei diese selektiv mit Stopfen verschlossen werden können.
In der EP 0 840 877 B1 wird eine Schmelzvorrichtung beschrieben, bei der ein kontinuierlich mit zu schmelzenden Materialien beschickbare Schmelzkammer im Innern einer Verbrennungskammer aufgenommen ist. Die Schmelzkammer weist in ihrem oberen Bereich eine Eintrittsöffnung für das aufzuschmelzende Material und in ihrem unteren Bereich eine Austrittsöffnung für das aufgeschmolzene Material auf. Die Verbrennungskammer umfasst eine Einlassöffnung für Brennstoff im unteren Bereich der Verbrennungskammer sowie eine Anzahl von Einlassöffnungen für Oxiatiosmittel (Sauerstoff), die entlang der Längserstreckung der Schmelzkammer in vorbestimmten Abständen angeordnet sind. Die entstehenden Brenngase steigen im Gegenstrom zum aufzuschmelzenden Material in der Brennkammer nach oben und werden durch eine Auslassöffnung abgeführt, die in der Nähe der Eintrittsöffnung der Schmelzkammer angeordnet ist. Es ist bekannt, dass eine unterstöchiometrische oder überstöchiometrische Verbrennung bei wesentlich geringeren Temperaturen abläuft als eine stöchiometrische Verbrennung. Daher werden primärer Brennstoff und Oxidationsmittel im oberen Bereich des in der EP 0 840 877 B1 beschriebenen Aggregats in einem unterstöchiometrischen Verhältnis injiziert, um eine Überhitzung der oberen Anlagenteile zu vermeiden. In den tieferen Ebenen des Aggregats wird anschließend die zur vollständigen stöchiometrischen Verbrennung des Brennstoffs erforderliche Oxidationsmittelmenge eingedüst, wobei durch Variieren der Oxidationsmittelmenge in den verschiedenen Ebenen das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Anlage gesteuert werden kann.
Problematisch bei der letztgenannten Vorrichtung ist, dass sich die Einstellung eines für das Aufschmelzen des Materials optimalen Temperaturprofils in der Praxis als außerordentlich schwierig erweist. Hierzu tragen nicht zuletzt die im Innern der Verbrennungskammer aufsteigenden Brenngase bei, deren teilweise turbulente Strömung die Erzeugung eines stationären Temperaturprofils in der gewünschten Genauigkeit nicht zulässt.
Das Ziel dieser Erfindung besteht daher darin, eine kontinuierlich betreibbare Schmelzvorrichtung zu schaffen, bei der ein Temperaturprofil über die Längserstreckung der Schmelzkammer mit großer Zuverlässigkeit aufrecht erhalten werden kann.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit einer Schmelzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich demgemäß von der bekannten Schmelzvorrichtung der EP 0 840 877 B1 zum einen dadurch, dass die Austrittsöffnung des Abgases in einem unteren Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, mithin zumindest über einen Teil der Längserstreckung der Schmelzkammer eine Parallelführung von Brenngas und aufzuschmelzenden Material erfolgt, und zum anderen dadurch, dass zumindest die der Eintrittsöffnung der Schmelzkammer benachbarten Einlassöffnungen für Brennstoff bzw. Oxidationsmittel mit einer Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels strömungsverbunden ist. Die zumindest abschnittsweise Parallelführung von aufzuschmelzendem Material und Abgasen verringert die durch turbulente Strömungen auftretenden Störungen des Temperaturprofils im Innern der Verbrennungskammer. Durch das gezielte Vorwärmen des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels wird der feuerungstechnische Wirkungsgrad wesentlich verbessert. Bei der hierzu eingesetzten Heizeinrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Wärmetauscher, in dem ein heißes Prozessgas zur Erwärmung des Brennstoffs, bzw. des Oxidationsmittels eingesetzt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Menge des durch die Einlassöffnungen geführten Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels variabel ist und über eine Regeleinrichtung, die mit in der Verbrennungskammer angeordneten Sensoren verbunden ist, eingestellt werden kann. Die Menge des zuströmenden Brennstoffs bzw. Oxidationsmittels wird also gezielt zur Einstellung eines Temperaturprofils eingesetzt, die dem jeweils aufzuschmelzenden Material bzw. der jeweiligen Schmelzaufgabe oder der Phase, in der sich der Schmelzvorgang gerade befindet, angepasst ist. Dabei kann die insgesamt in der Verbrennungskammer erfolgende Verbrennung fall- oder abschnittsweise unter- oder überstöchiometrisch sein. Die innerhalb der Verbrennungskammer vorliegenden Sensoren ermöglichen die Regelung der Verbrennung nach einem vorgegebenen Programm, das beispielsweise jeweils empirisch für ein aufzuschmelzendes Material erstellt wurde.
Um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen, wird der einströmende Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel ganz oder teilweise in einem Wärmetauscher durch das Abgas vorgewärmt.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schmelzkammer einen zumindest abschnittsweise trichterförmig verlaufenden Querschnitt aufweist, wobei sich der Querschnitt in Richtung auf die Austrittsöffnung des aufgeschmolzenen Materials verjüngt. Der im Bereich des Schmelzbades gegenüber der Aufschmelzzone verkleinerte Radius der Schmelzkammer ermöglicht in diesem Bereich eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze und damit ein in sich homogeneres Material. Zudem berücksichtigt eine derartige Ausgestaltung die beim Aufschmelzen von Feststoffen, wie beispielsweise Scherben, auftretende Volumenverringerung. Die genaue Form des Querschnitts der Schmelzkammer kann je nach Anwendung und/oder aufzuschmelzendem Material unterschiedlich sein. So sind lineare Querschnittsverjüngungen im Rahmen der Erfindung ebenso vorstellbar wir parabolisch verlaufende oder aber stufenweise Verläufe, die die Schmelzkammer in getrennte Abschnitte mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser unterteilen.
Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer beheizten Schmelzvorrichtung mit einer umgebenden Verbrennungskammer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Schmelzkammer 11, die von einer Verbrennungskammer 12 umgeben ist. Die den Zylindermantel der Schmelzkammer 11 bildenden Außenwände 13 werden dabei von Innenwänden der Verbrennungskammer 12 gebildet. Die Schmelzkammer 11 umfasst ferner eine Einlassöffnung 16 für aufzuschmelzendes Material 15 und eine Austrittsöffnung 17 für aufgeschmolzenes Material 18. Die Schmelzkammer 11 ist im Ausführungsbeispiel trichterförmig, sich zur Austrittsöffnung 17 hin verjüngend ausgebildet, sie kann jedoch auch einen zylindrischen oder in anderer Weise geformten Querschnitt aufweisen. Die jeweilige Querschnittsform richtet sich dabei insbesondere nach der Schmelzcharakteristik des aufzuschmelzenden Materials 15. Als in der Vorrichtung 10 schmelzbare Materialien kommen zum Beispiel Nichtmetalle einschließlich Glas, Eisenmetalle und nichteisenhaltige Metalle wie zum Beispiel Aluminium und entweder Neu- oder wiederaufbereitete Materialien in Betracht.
Die Schmelzkammer 11 wird durch die umgebende Verbrennungskammer 12 beheizt, welche die Schmelzkammer 11 in einer wie folgt beschrieben, gesteuerten Weise über ihre Länge mit einem einstellbaren thermischen Profil der Verbrennung aufheizt und über die Länge der Schmelzkammer 11 ein gleichförmiges oder variables Wärmeprofil sicherstellt.
Der Brennstoff, wie zum Beispiel Erdgas, tritt von einer Brennstoffzuführung 25, die mit einem Steuerventil 26 für den Brennstoff versehen ist, durch eine Brennstoffeinlassöffnung 24 in die Verbrennungskammer 12 ein. Durch die primäre Einlassdüse 23 wird ein Teil des Oxidationsmittels hinzu gegeben, um mit dem Brennstoff zu reagieren, und zwar in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, das ausreicht, um ein Reaktionsgas zu erzeugen, das sich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt. Das so erzeugte Reaktionsgas wird längs der Seiten 13 und 14 der Kammer 12 vom primären Zuführungsbereich 19 in den sekundären Zuführungsbereich 20 hinuntergeführt, wo es weiter mit Oxidationsmittel reagiert, das in den sekundären Zuführungsbereich 20 injiziert wird. Insgesamt kann die Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer 12 dabei stöchiometrisch oder überstöchiometrisch erfolgen.
Im sekundären Zuführungsbereich 20 sind eine Vielzahl von sekundären Düsen 27 für das Zuführen von Oxidationsmittel radial und vertikal voneinander beabstandet angeordnet, von denen jede mit einem Steuerventil 28 ausgerüstet ist. Die Düsen 27 sind mit der Hauptversorgungsleitung 34 strömungsverbunden und können Sauerstoff, Luft oder ein Gemisch von Luft und Sauerstoff in die Verbrennungskammer zuführen. Mit einem Aufheizbrenner 29 wird die Atmosphäre im Verbrennungsraum auf eine Temperatur von T>750°C vorgewärmt, wodurch bei der Injektion des Brennstoff-Oxidationsmittelgemisches dessen Zündung ausgelöst wird. Beim Aufheizbrenner 29 handelt es sich beispielsweise um einen Brennstoff-Luft-Brenner.
Sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel können unter einem tangentialen Winkel zu dem Umfang eintreten, so dass sie sich um das Zentrum der Kammer 12 drehen. Der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel können in die Verbrennungskammer 12 auch unter einem gegenüber der Senkrechten schrägen Winkel eintreten.
Eine Regeleinheit 35 dient der Ansteuerung der Steuerventile 26,28, mit deren Hilfe die jeweils erforderliche Brennstoff- und Oxidationsmittelmenge nach einem eingegebenen Programm oder in Abhängigkeit von Messparametern, wie beispielsweise der Menge oder der Schmelztemperatur des aufgeschmolzenen Materials oder der Temperatur in der Verbrennungskammer, zugeführt werden kann.
Um die Temperatur in den verschiedenen Abschnitten der Verbrennungskammer bestimmen zu können, sind in den Wänden 14 der Verbrennungskammer 12 eine Vielzahl von Temperatursensoren 41 in bestimmten Abständen angeordnet. Die Temperatursensoren 41 stehen gleichfalls mit der Regeleinheit 35 in Datenverbindung. Die an ihnen gemessenen Temperaturen können so dazu eingesetzt werden, die Ventile 26, 28 anzusteuern, um ein vorgegebenes thermisches Profil über die Länge der Verbrennungskammer 12 sicherzustellen und eine vordefinierte Aufheizung in der Schmelzkammer 11 längs die Schmelzkammerwände 14 zu ermöglichen. Beispielsweise erweist es sich als zweckmäßig, im Bereich der Aufschmelzzone, also dem oberen Bereich der Schmelzkammer 11, ein stark, beispielsweise auf 700°C vorgeheiztes Oxidationsmittel zu verwenden, da eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der Verbrennungskammer 12 und der Schmelzkammer 11 dem hohen Wärmebedarf beim Aufschmelzen Rechnung trägt. Demgegenüber empfiehlt es sich in dem weiter unten gelegenen Schmelzbad ein nicht oder nur schwach vorgeheiztes Oxidationsmittel einzusetzen, da eine zu hohe Temperatur der Schmelze in diesem Bereich die Regulierung des Ausflusses mit Hilfe einer Temperierung der Austrittsöffnung 17 beeinträchtigt.
Die Verbrennungskammer 12 hat eine Auslassöffnung 37 für Rauchgas, die in der Nähe der Austrittsöffnung 17 für das aufgeschmolzene Material 18 angeordnet ist. Die Auslassöffnung 37 ist über eine Abgasleitung 36 mit einem Wärmetauscher 38 strömungsverbunden, in dem die Wärme des Rauchgases zur Vorwärmung des Oxidationsmittels oder -in hier nicht gezeigter Weise- auch des Brennstoffs genutzt werden kann. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der Einfachheit halber alle Düsen 27 mit dem Wärmetauscher strömungsverbunden; es ist jedoch auch möglich, dass nur das für einen Teil der Düsen 27, beispielsweise für die Düsen des oberen Bereiches, bestimmte Oxidationsmittel im Wärmetauscher 38 vorgewärmt wird. Die Stärke der Vorerwärmung hängt insbesondere von der Abgastemperatur, dem eingesetzten Brennstoff und dem jeweiligen Schmelzprozess ab. Im Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 wird das Abgas der Verbrennungskammer 12 für den Wärmetauscher 38 eingesetzt, es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, den Wärmetauscher 38 mit anderen Prozessgasen zu betreiben, die dem Wärmetauscher 38 durch entsprechende Zuleitungen zugeführt werden.
In Fig. 1 befindet sich im Bereich der Auslassöffnung 17 ein Wärmetauscher 39, der im Ausführungsbeispiel sowohl eine Kühl- als auch eine Heizfunktion hat. Zur Kühlung weist der Wärmetauscher eine Kühlröhre auf, durch die ein kaltes flüssiges oder gasförmiges Medium, beispielsweise kalter, gasförmiger Stickstoff, geführt wird. Der Wärmetauscher 39 ist zudem mit einer elektrischen Heizeinrichtung ausgerüstet, mittels dessen die Auslassöffnung aktiv beheizt werden kann. Auf diese Weise ist es mit Hilfe des mit einer Regeleinheit 40 verbundenen Wärmetauschers 39 möglich, die Temperatur des Glases, das aus der Schmelzkammer fließt, zu steuern.
Die Vorrichtung 10 ermöglicht die Verwendung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen sowie von aus Oxidationsmitteln bestehenden Strömen mit schwankenden Konzentrationen von Sauerstoff. Die Erfindung kann vorgewärmte Ströme aus Oxidationsmittel oder Brennstoff sogar in dem Fall nutzen, wo 100%iger Sauerstoff für den Oxidationsmittelstrahl verwendet wird.
Bezugszeichenliste
10.
Vorrichtung
11.
Schmelzkammer
12.
Verbrennungskammer
13.
Außenwände (der Schmelzkammer)
14.
Außenwände (der Verbrennungskammer)
15.
aufzuschmelzendes Material
16.
Einlassöffnung
17.
Austrittsöffnung
18.
aufgeschmolzenes Material
19.
primärer Zuführungsbereich
20.
sekundärer Zuführungsbereich
21.
-
22.
-
23.
primäre Einlassöffnung (für Oxidationsmittel)
24.
Brennstoffeinlass
25.
Brennstoffzuführung
26.
Steuerventil
27.
Düse
28.
Steuerventil
29.
Aufheizbrenner
30.
-
31.
-
32.
-
33.
-
34.
Hauptversorgungsleitung (für Oxidationsmittel)
35.
Regeleinheit
36.
Abgasleitung
37.
Auslassöffnung
38.
Wärmetauscher
39.
Wärmetauscher
40.
Regeleinheit für Auslauftemperatur
41.
Sensor

Claims (4)

  1. Schmelzvorrichtung zur kontinuierlichen Aufheizung von Material mit einer Schmelzkammer (11) und einer die Schmelzkammer zumindest teilweise umgebenden Verbrennungskammer (12) sowie mit Mitteln (25, 27) zur Erzeugung eines vorgegebenen Temperaturprofils in der Verbrennungskammer, wobei
    die im wesentlichen senkrecht angeordnete Schmelzkammer (11) in ihrem oberen Bereich eine Eintrittsöffnung (16) und in ihrem unteren Bereich eine Austrittsöffnung (17) für den kontinuierlichen Durchlauf von Material aufweist,
    die Verbrennungskammer (12) zur Herstellung eines vorgegebenen Temperaturprofils wenigstens eine Auslassöffnung (37) für Rauchgas sowie wenigstens eine Einlassöffnung (24) für Brennstoff und eine Vielzahl von Einlassdüsen (27) für Oxidationsmittel aufweist, um Brennstoff beziehungsweise Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer (12) zu injizieren, um darin eine Verbrennung zu bewirken,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die in einem oberen Bereich der Verbrennungskammer (12) angeordneten Einlassöffnungen (23, 27) für das Oxidationsmittel mit einer Heizeinrichtung (38) zum Vorwärmen des Oxidationsmittels verbunden sind und die Auslassöffnung (37) der Verbrennungskammer (12) derart angeordnet ist, dass zumindest über einen Teilabschnitt der Längserstreckung der Schmelzkammer (11) eine Parallelführung von Material und Abgas erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des durch die Einlassöffnungen (24, 23, 27) geführten Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels variabel ist und über eine Regelungseinrichtung (35), die mit in der Verbrennungskammer (12) angeordneten Sensoren (41) verbunden ist, einstellbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel vor der Zuführung in die Verbrennungskammer (12) ganz oder teilweise in einem mit der Auslassöffnung (37) für Rauchgas strömungsverbundenen Wärmetauscher (38) vorgewärmt wird.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkammer (11) im Querschnitt einen zumindest abschnittsweise konischen, sich zur Austrittsöffnung (17) hin verjüngenden Verlauf aufweist.
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