EP4665691A1

EP4665691A1 - Verfahren zum beheizen eines glasschmelzofens und brenneranordnung dazu

Info

Publication number: EP4665691A1
Application number: EP24700199.3A
Authority: EP
Inventors: Martin Demuth; Christian Erich Gaber; Gyula PALMAI; Philipp SCHINDLER; Florian Toth
Original assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Current assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2024-01-03
Publication date: 2025-12-24
Also published as: WO2024170153A1; DE102023103719A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Durchführen einer gestuften Verbrennung in einem Glasschmelzofen wird zwischen Brennerebene und Glasschmelze ein sauerstoffarmer Bereich mit hoher Kohlenmonoxid-Konzentration gebildet. Erfindungsgemäß werden in diesem Bereich gezielt zeitliche und/oder räumliche Fluktuationen der Kohlenmonoxid-Konzentration herbeigeführt. Durch die kontinuierliche Veränderung der Kohlenmonoxid-Konzentration wird die Bekämpfung der Schaumbildung in der Glasschmelze verbessert.

Description

Verfahren zum Beheizen eines Glasschmelzofens und Brenneranordnung dazu

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Glasschmelzofens. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brenneranordnung.

Eine bekannte Methode zum Reduzieren von NOx - Emissionen in Verbrennungsprozessen besteht in der Stufung der Verbrennungsluft. Hierbei wird die Verbrennungsluft der Flamme in zwei oder mehr Teilströmen aus räumlich weit auseinanderliegenden Positionen zugeführt. Ein Teil der Verbrennungsluft wird somit der Hauptbrennzone vorenthalten, was in der Regel dort zu einer unterstöchiometrischen Verbrennungsreaktion und somit zu einer starken Kohlenmonoxid (CO) - Produktion führt. Die dadurch in der Hauptbrennzone vergleichsweise niedrige adiabate Verbrennungstemperatur mindert die Bildung von thermischem NOx. Außerdem wird durch das erzeugte Kohlenmonoxid lokal vorhandenes NOx auch direkt reduziert. Die nicht verbrannten Bestandteile des Brennstoffs werden in einer gewissen Entfernung zur Hauptbrennzone durch einen Sekundärluftstrom nachverbrannt. Prominenteste Beispiele für diese Art der Verbrennung sind Boxer-Feuerungen in Kraftwerken, bei denen die Aufteilung der Verbrennungsluft sogar in Primär-, Sekundär und Tertiärluft erfolgt.

Da bei dieser Art der gestuften Verbrennung ein hoher Platzbedarf besteht, kommen hierfür nur große Brennräume (z.B. Dampfkessel in Kraftwerken) in Frage, für den Einsatz beispielsweise in Glasschmelzöfen sind sie in der Regel ungeeignet. Zudem ist die lokale Produktion von großen Mengen an Kohlenmonoxid aus Gründen der Sicherheit, aber auch wegen damit verbundener Nachteile auf die Produkteigenschaften nicht immer gewünscht.

Sauerstoffbrenner (Oxyfuel-Brenner) nutzen im Gegensatz zu Luftbrennern technisch hochreinen Sauerstoff als Oxidator. Speziell im Fall von Hochtemperatur- Sauerstoffbrennern, wie sie in Glasschmelzöfen zum Einsatz kommen, in denen Brennraumtemperaturen von 1450°C und höher gefordert werden, entstehen jedoch auch hier aufgrund von vorhandenem Reststickstoff im Oxidator bzw. durch den Eintrag von Falschluft in den Ofenraum sehr hohe Konzentrationen an Stickoxiden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, das Prinzip der gestuften Verbrennung auch auf derartige Verbrennungsprozesse zu übertragen. Aufgrund der erheblich reduzierten Volumenströme sind Sauerstoffbrenner allerdings deutlich kleiner und kompakter gebaut als Luftbrenner, was die Unterbringung bzw. den nachträglichen Einbau komplexer Gasverteilungssysteme zur Stufung des Sauerstoffs deutlich erschwert.

Aus der EP 0 762 050 A1 und der EP 3 366 994 A1 sind Verfahren zum Durchführen einer gestuften Verbrennung unter Verwendung von Oxyfuel-Brenneranordnungen bekannt. Die dort beschriebenen Brenneranordnungen weisen einen Flachflammenbrenner mit ovaler Austrittsöffnung auf, von dem vertikal beabstandet wenigstens eine weitere, gleichfalls ovale geformte Austrittslanze für sekundären Sauerstoff angeordnet ist. Eine solche, multiple Sauerstoffzuführung erlaubt es einerseits, den insgesamt eingetragenen Sauerstoffstrom auf Brenner und Austrittslanze(n) zu verteilen und so den Sauerstoffeintrag vom Zentrum des Ofenraums fort in Richtung des Außenbereichs zu leiten, und andererseits, eine Sauerstoffkonzentration im Ofenraum in einem Bereich unterhalb bzw. unter- und/oder oberhalb der Flamme einzustellen. Insbesondere in der Glasproduktion erweist sich eine reduzierte Sauerstoffkonzentration unterhalb der Flamme als vorteilhaft, da sich dort lokal eine an Kohlenmonoxid reiche Atmosphäre ausbildet, die einer Schaumbildung in der Glasschmelze entgegenwirkt und darüber hinaus bereits entstandenen Schaum zurückzubilden vermag.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Beheizen eines Glasschmelzofens anzugeben, bei dem wenig NOx erzeugt wird und das die Schaumbildung einer Glasschmelze weiter reduziert.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Verfahren zum Beheizen eines Glasschmelzofens erfolgt erfindungsgemäß unter Einsatz einer gestuften Verbrennung in einem Ofenraum, indem mittels einer Brenneranordnung ein kohlenstoffhaltiger Brennstoffstrom, wie Erdgas, Kohlenstaub oder Öl, und ein zum Brennstoffstrom unterstöchiometrischer primärer Sauerstoffstrom in den Ofenraum eingetragen und dort unter Ausbildung einer Flamme miteinander verbrannt werden, und gleichfalls mittels der Brenneranordnung ein sekundärer Sauerstoffstrom in den Ofenraum derart eingetragen wird, dass sich in einem oberen Bereich des Ofenraums eine sauerstoffreiche Atmosphäre und in einem unteren, einer im Ofenraum befindlichen Glasschmelze benachbarten Bereich des Ofenraums eine sauerstoffarme und kohlenmonoxidreiche Atmosphäre erzeugt wird, wobei der Kohlenmonoxidanteil in zumindest einem Teilbereich der im unteren Bereich des Ofenraums erzeugten sauerstoffarmen und kohlenmonoxidreichen Atmosphäre kontinuierlich variiert wird.

Als „Brenneranordnung“ soll hier eine Einrichtung zum Beheizen eines Glasschmelzofens verstanden werden, der im Ofenraum des Glasschmelzofens eine gestufte Verbrennung ermöglicht. Hierzu sind in der Regel neben mindestens einer Brennstoffzuführung mindestens zwei Sauerstoffzuführungen zum Einträgen von primärem sowie sekundärem Sauerstoff erforderlich. Die Sauerstoffzuführungen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammen mit wenigstens einer Brennstoffzuführung, beispielsweise koaxial zu dieser, angeordnet sein und somit mit der Brennstoffzuführung bzw. den Brennstoffzuführungen einen Brenner bilden, und/oder die Sauerstoffzuführungen oder zumindest eine Sauerstoffzuführung liegt räumlich getrennt von der oder den Brennstoffzuführung(en) in Gestalt von in den Ofenraum ausmündenden Lanzen vor. Der Sauerstoff kann dabei auch in Form eines sauerstoffhaltigen Gases, wie Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft (mit einem Sauerstoffanteil >21 Vol.-%), in den Ofenraum eingetragen werden.

Als „Sauerstoffbrenner“ soll hier ein Brenner verstanden werden, der bestimmt und geeignet ist, einen festen, gasförmigen oder flüssigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, Öl oder Kohlenstaub, mit einem Oxidanten zu verbrennen, dessen Sauerstoffanteil mindestens 90 Vol.-% beträgt. Ein Gas mit einem O2-Anteil von mindestens 90 Vol.-% wird im Folgenden auch als „reiner Sauerstoff“ bezeichnet. Bevorzugt kommt beim erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ein Sauerstoffbrenner zum Einsatz, in welchem der primäre Sauerstoff als Oxidant zum Einsatz kommt. Als „Hochimpulsbrenner“ soll hier ein Sauerstoffbrenner bezeichnet werden, der so ausgelegt ist, dass der Brennstoff und/oder der Sauerstoff mit einer Austrittsgeschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s aus einem in den Ofenraum einmündenden Brennermund des Hochimpulsbrenners ausströmen. Die Ausbildung des Brenners als Hochimpulsbrenner führt im Ofenraum zu einer intensiven Rezirkulation, die die Flammentemperatur senkt und damit die Bildung von NOx hemmt. Weiterhin begünstigen die hohen Austrittsgeschwindigkeiten Strömungsverhältnisse, die zu zeitlich und räumlich fluktuierenden Konzentrationen bestimmte Gase im Umfeld der Flamme führen. Wie unten näher erläutert, erweist sich dieser Umstand für das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft.

Als „Sauerstofflanze“, soll hier eine Apparatur verstanden werden, mittels der Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas strahlförmig in den Ofenraum eingetragen werden kann. Bevorzugt sind auch die Sauerstofflanzen als Hochimpulslanzen ausgelegt, aus denen der Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s ausgestoßen wird.

Erfindungsgemäß erfolgt eine gestufte Verbrennung, indem Brennstoffstrom und primärer Sauerstoffstrom in einem unterstöchiometrischen Verhältnis zueinander stehen und eine zum Brenn stoffstrom stöchiometrische Menge an Sauerstoff erst durch die Zuführung des sekundären Sauerstoffs eingetragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren folgt dabei zunächst dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz, wonach eine durch eine gestufte Verbrennung herbeigeführte sauerstoffarme, kohlenmonoxidreiche Atmosphäre in einem unterem, also der Glasschmelze benachbartem Bereich des Ofenraums die Schaumbildung in der Glasschmelze unterdrückt bzw. bereits entstandenen Schaum reduziert.

Beispielsweise erweist sich ein Kohlenmonoxidgehalt von über 100 vpm, bevorzugt von über 1000 vpm als vorteilhaft für die Reduzierung der Schaumbildung. Überraschend hat sich nun herausgestellt, dass die Unterdrückung der Schaumbildung und/oder die Reduzierung bereits in der Glasschmelze entstandenen Schaumes weiter dadurch verbessert werden kann, dass der Kohlenmonoxidgehalt zumindest in einem Teilbereich dieser Atmosphäre kontinuierlich verändert wird, also kontinuierlich ansteigt, abnimmt, oder räumlich und/oder zeitlich fluktuiert. Ausgehend von den zuvor genannten Werten eines Kohlenmonoxidgehalts von mindestens 100 vpm, bevorzugt mindestens 1000 vpm, sollte sich der Kohlenmonoxidgehalt dabei in einem gegebenen Raumbereich innerhalb einer Zeitdauer von höchstens 10 min, bevorzugt weniger als 1 min, um mindestens 10% bis 100% verändern. Im Falle, dass turbulente Strömungen zu Schwankungen des Kohlenmonoxidgehalts führen, kann eine Änderung in dieser Größenordnung auch sehr rasch, innerhalb weniger Sekunden erfolgen, wobei die Stärke und Schwankungsbreite von den jeweiligen Verhältnissen des Ofenraums und der eingesetzten Brenneranordnung abhängen.

Bevorzugt erfolgt die Änderung des Kohlenmonoxidanteils in zumindest einem Teilbereich der im unteren Bereich des Ofenraums erzeugten Atmosphäre dadurch, dass eine zeitliche und/oder räumliche Variation des/der in den Ofenraum eingetragenen Mengenstroms/ Mengenströme an Brennstoff und/oder primärem Sauerstoff und/oder sekundärem Sauerstoff herbeigeführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der insgesamt dem Ofenraum zugeführte Sauerstoffstrom variiert wird oder ein insgesamt konstanter Sauerstoffstrom zeitlich variierend auf die Zuführungen für primären und sekundären Sauerstoff (und/oder auf unterschiedliche Zuführungen für sekundären Sauerstoff) aufgeteilt wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Änderung des Kohlenmonoxidanteils durch Verschwenken oder Rotieren einer im Ofenraum erzeugten Flamme und/oder durch einen pulsweisen oder in sonstiger Weise sich zeitlich ändernden Eintrag eines oder mehrerer der in den Ofenraum eingetragenen Gasströme (Brennstoff, und/oder primäres und/oder sekundäres Oxidationsmittel) erfolgen. In all diesen Fällen ergibt sich eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre in einem gegebenen Raumbereich, wodurch sich in der Regel zugleich auch der Kohlenmonoxidgehalt in diesem Bereich ändert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Brennstoffstrom und/oder der primäre Sauerstoffstrom und/oder der sekundäre Sauerstoffstrom mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 150 m/s, besonders bevorzugt mindestens 250 m/s in den Ofenraum eingetragen wird/werden. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer intensiven Rezirkulation der im Ofenraum befindlichen Brenngase. Dabei kommt es aus noch nicht völlig geklärter Ursache zu turbulenten Strömungsphänomenen, die dazu führen, dass sich im unteren Bereich des Ofenraums keine in ihrer Zusammensetzung stationäre, also räumlich und zeitlich im Wesentlichen konstante Atmosphäre ausbildet; vielmehr ist dieser Bereich fortwährend zeitlichen und räumlichen Schwankungen insbesondere in seinem Kohlenmonoxidgehalt unterworfen. Es ist somit bei dieser Ausgestaltung möglich, eine kontinuierliche Änderung des Kohlenmonoxidgehalts in einem Raumbereich des Ofenraums zu bewirken, ohne dass die in den Ofenraum eingetragenen Gasströme zeitlich oder räumlich variiert werden müssen; vielmehr kann bei dieser Ausgestaltung der Erfindung auch ein gleichmäßiger Eintrag von Brennstoff, primärem und sekundärem Sauerstoff erfolgen, sofern der Eintrag mit einer hinreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.

Eine bevorzugte Brenneranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 5 auf. Die Brenneranordnung ist mit einem Brennstoffkanal zum Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in einen Ofenraum eines Glasschmelzofens, einer Sauerstoffzuführung zum Zuführen von primärem Sauerstoff in den Ofenraum und einer Sauerstoffzuführung zum Zuführung von sekundärem Sauerstoff in einem oberen Bereich des Ofenraums, sowie mit Mitteln zum kontinuierlichen Ändern des Kohlenmonoxidgehalts einer sich unterhalb einer durch den Brennermund definierten horizontalen Brennerebene sich ausbildenden Atmosphäre ausgerüstet.

Die Zuführung des sekundären Sauerstoffs in einen oberen Bereich des Ofenraums ermöglicht eine gestufte Verbrennung, wobei sich, bei insgesamt stöchiometrischen Verhältnissen, in einem unteren Bereich des Ofenraums eine sauerstoffarme, kohlenmonoxidreiche Atmosphäre ausbildet. Durch die kontinuierliche Änderung des Kohlenmonoxidgehalts erfolgt eines besonders effiziente Reduzierung einer Schaumbildung auf der Glasschmelze. Bei dem in der erfindungsgemäßen Brenneranordnung eingesetzten Oxidanten handelt es sich bevorzugt um reinen Sauerstoff. Die erfindungsgemäße Brenneranordnung umfasst bevorzugt einen Brenner, bei dem der Brennstoffkanal und die Sauerstoffzuführung für primären Sauerstoff koaxial zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, welches an einem Brennermund in den Ofenraum ausmündet. Die Sauerstoffzuführung für sekundären Sauerstoff ist dabei bevorzugt als Sauerstofflanze ausgebildet, die oberhalb einer durch eine sich vor dem Brennermund ausbildenden Flamme verlaufenden horizontalen Ebene („Brennerebene“) des Brenners in den Ofenraum ausmündet.

Beispielsweise umfassen die Mittel zum kontinuierlichen Ändern der sich unterhalb der Brennerebene sich ausbildenden, kohlenmonoxidreichen Atmosphäre Mittel zum zeitlichen oder räumlichen Ändern des/der in den Ofenraum eingetragenen Mengenstroms bzw. der Mengenströme an Brennstoff und/oder primärem Sauerstoff und/oder sekundärem Sauerstoff, wie beispielsweise entsprechende Regeleinrichtungen zum Regeln des entsprechenden Gasstroms und/oder eine Verteileinrichtung, mittels der ein insgesamt konstanter, dem Ofenraum zugeführter Sauerstoffstrom auf die primären und sekundären Sauerstoffzuführungen mit zeitlich variierenden Anteilen aufgeteilt wird.

Alternativ oder ergänzend dazu können Mittel zum Verschwenken und/oder Rotieren der Flamme zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise aus der EP 1 821 036 A1 bekannt sind. Durch Rotieren oder Verschwenken der Flamme verändert sich in der Regel auch die Kohlenmonoxidkonzentration in einem gegebenen Raumbereich.

In einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich es sich beim Brenner der Brenneranordnung um einen Hochimpulsbrenner und/oder bei der wenigstens einen Sauerstoffzuführung für sekundären Sauerstoff um eine Hochimpulslanze entsprechend der obigen Definition, bei der bzw. bei denen der Eintrag des zugeführten Gases mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s erfolgt. Durch die hohe Rezirkulation von Ofengasen im Ofenraum beim Einsatz derartiger Hochimpulsbrenner bzw. Hochimpulslanzen kommt es, wie oben bereits ausgeführt, aufgrund von turbulenten Strömungen zu einer fortwährenden Änderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre unterhalb einer durch die Flamme definierten Brennerebene, und damit zu einer kontinuierlichen Änderung des Kohlenmonoxidgehalts in diesem Bereich.

Der Brennstoffkanal und die Sauerstoffzuführung des Hochimpulsbrenners sind dabei bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch geformt und koaxial zueinander angeordnet, wobei der Brennstoffkanal innerhalb der Sauerstoffzuführung oder umgekehrt, die Sauerstoffzuführung innerhalb der Brennstoffzuführung angeordnet sein kann. Zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit kann der Brennstoffkanal und/oder die Sauerstoffzuführung an ihrer jeweiligen Austrittsöffnung am Brennermund konisch zugeformt sein. Der Hochimpulsbrenner ist bevorzugt waagerecht oder in einer Neigung von weniger als 10° gegenüber der Horizontalen durch den Brennerstein geführt. Die bevorzugt achsparallel zum Hochimpulsbrenner durch den Brennerstein geführte, wenigstens eine Sauerstofflanze mündet geodätisch gesehen oberhalb vom Hochimpulsbrenner aus dem Brennerstein aus, d.h. in den Ofenraum ein und können gegenüber der Achse des Hochimpulsbrenners um einen flachen Winkel von weniger als 15° (aufsteigend oder absteigend) geneigt durch den Brennerstein geführt sein. Ebenso wie der Hochimpulsbrenner weist auch die wenigstens eine Sauerstofflanze bevorzugt einen kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt auf.

Eine zweckmäßige Weiterbeildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine zusätzliche Sauerstoffzuführung für sekundären Sauerstoff, die vertikal unterhalb des Brennermundes in den Ofenraum ausmündet. Dadurch kann die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre unterhalb der Flamme direkt beeinflusst werden.

Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Brenneranordnung im Längsschnitt,

Fig. 2: Die Brenneranordnung aus Fig. 1 in einer Vorderansicht, gesehen aus

Richtung B in Fig. 1 ,

Fig. 3: Einen mit der Brenneranordnung aus den Fig. 1 , 2 bestückten

Glasschmelzofen. Die in Fig. 1 dargestellte Brenneranordnung 1 weist einen Hochimpulsbrenner 2 auf, der in einer Durchführung 3 eines Brennersteins 4 aufgenommen ist. Der Hochimpulsbrenner 2 weist im hier gezeigten Beispiel einen zentralen Brennstoffkanal 5 zum Zuführen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und eine koaxial um diesen herum angeordnete Sauerstoffzuführung 6 zum Zuführen von primärem Sauerstoff auf. Brennstoffkanal 5 und Sauerstoffzuführung 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet, das an einem Brennermund 9 in einen Ofenraum 8 ausmünden. Der Hochimpulsbrenner 2 ist so konzipiert, dass Brennstoff und primärer Sauerstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s in den Ofenraum eingetragen werden. Bei einem derartigen Hochimpulsbrenner 2 führt die hohe Strömungsgeschwindigkeit der eingetragenen Gase zu einer intensiven Rezirkulation der im Ofenraum anwesenden Verbrennungsgase, die u.a. zu einer Reduktion der Temperatur einer sich im Ofenraum 8 ausbildenden Flamme (hier nicht gezeigt) führt.

Um eine gestufte Verbrennung zu ermöglichen, weist die Brenneranordnung 1 Sauerstofflanzen 10, 11 zum Einbringen von sekundärem Sauerstoff auf, die im Ausführungsbeispiel achsparallel zur Brennerachse 12 des Hochimpulsbrenners 2 und beabstandet von diesem angeordnet sind. Die Sauerstofflanze 10 ist dabei vertikal oberhalb einer durch die Achse des Hochimpulsbrenners 2 verlaufenden horizontalen Ebene (Brennerebene 13) angeordnet, während die Sauerstofflanze 11 vertikal unterhalb der Brennerebene 13 angeordnet ist. Der vertikale Abstand der Sauerstofflanzen 10, 11 vom Hochimpulsbrenner 2 (gemessen von den jeweiligen Achsen) sollte dabei jeweils mindestens das 1 ,8-fache, bevorzugt mindestens das 2,5-fache des Durchmessers des Hochimpulsbrenners 2 am Brennermund 9 betragen.

Bei den Sauerstofflanzen 10, 11 handelt es sich im Ausführungsbeispiel gleichfalls um Hochimpuls-Eintragssysteme, d.h. der mit den Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8 eingetragene Sauerstoffstrom hat eine Geschwindigkeit von gleichfalls wenigstens 50 m/s, bevorzugt von wenigstens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sauerstofflanzen 10, 11 und der Hochimpulsbrenner 2 in einer vertikalen Ebene 14 übereinander angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, dass eine Mehrzahl von Sauerstofflanzen 10, 11 (hier nicht gezeigt) oberhalb und/oder unterhalb des Brenners 2 vorgesehen sind; diese können dabei beispielsweise entlang einer horizontalen Linie oder in anderer Weise, beispielsweise ringförmig um den Hochimpulsbrenner 2 herum, in den Ofenraum 8 ausmünden.

Der Brennstoffkanal 5 steht über eine Brennstoffleitung 15 mit einer hier nicht gezeigten Quelle für einen Brennstoff in Strömungsverbindung. Die Sauerstoffzuführung 6 sowie die Sauerstofflanzen 10, 11 , stehen über Verbindungsleitungen 16, 17, 18 mit einer Sauerstoffleitung 19 in Strömungsverbindung, die wiederum an einer hier gleichfalls nicht gezeigten Quelle für einen Oxidanten, beispielsweise reiner Sauerstoff mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 90 Vol.-%, angeschlossen ist.

In der Sauerstoffleitung 19 ist eine Verteileinrichtung 20 vorgesehen, mittels der die Verteilung eines über die Sauerstoffleitung 19 herangeführten Sauerstoffstroms auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 und damit auf die Sauerstoffzuführung 6 und die Sauerstofflanzen 10, 11 gesteuert werden kann. Diese Verteileinrichtung 20 besteht unabhängig von einer her nicht gezeigten, gleichwohl vorhandenen Regeleinrichtung, mittels der die insgesamt dem Ofenraum 8 über die Brennstoffleitung 15 bzw. die Sauerstoffleitung 19 zugeführten Ströme von Brennstoff und Sauerstoff geregelt werden können. Die Verteilereinrichtung 20 kann mittels einer Steuerung 21 , bei der es sich um eine mechanische oder elektronische Steuerung handeln kann, gesteuert werden, wie beispielhaft unten näher erläutert.

In Fig. 3 ist ein mit der erfindungsgemäßen Brenneranordnung 1 bestückter Glasschmelzofen 23 gezeigt. Die Brenneranordnung 1 mündet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an einer Seitenwand 24 des Glasschmelzofens 23, oberhalb einer im Glasschmelzofen 23 vorhandenen Glasschmelze 25, in den Ofenraum 8 des Glasschmelzofens 23 ein. Weiterhin verfügt der Glasschmelzofen 23 über einen Rauchabzug 26, über den die im Glasschmelzofen 23 erzeugten Rauchgase entweichen können.

Im Betrieb der Brenneranordnung 1 wird ein Strom eines Brennstoffs über die Brennstoffleitung 15 und den Brennstoffkanal 5 in den Ofenraum 8 mit der zuvor beschriebenen hohen Geschwindigkeit eingetragen. Als Brennstoff kommt beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie Erdgas, zum Einsatz. Gleichzeitig wird über die Sauerstoffleitung 19 ein Sauerstoffstrom herangeführt, der bevorzugt zum Brennstoffstrom stöchiometrisch oder geringfügig überstöchiometrisch ist. Der zugeführte Sauerstoffstrom wird in der Verteileinrichtung 20 vollständig auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 in der unten näher beschriebenen Weise aufgeteilt und gelangt über die Sauerstoffzuführung 6 bzw. die Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8. Dort wird er mit dem Brennstoffstrom zur Zündung gebracht, worauf sich im Ofenraum 8 eine Flamme 27 ausbildet.

Dabei sind folgende Betriebsmodi bevorzugt: a) Der Großteil des Sauerstoffs wird zur Sauerstoffzuführung 6 geleitet. Die am Brennermund 9 des Hochimpulsbrenners 2 in den Ofenraum 8 eingetragenen Ströme aus Brennstoff und primären Sauerstoff sind also zumindest nahezu stöchiometrisch zueinander. Über die Sauerstofflanzen 10, 11 wird kein Sauerstoff eingetragen oder allenfalls ein geringer Sauerstoffstrom, der lediglich der Kühlung der Sauerstofflanzen 10, 11 dient und der zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofenraum 8 nicht wesentlich beiträgt. Dieser Betriebsmodus ist beispielsweise beim Starten des Hochimpulsbrenners 2 oder zum Aufheizen des Ofenraums 2 bevorzugt. b) Mindestens ein Großteil des Sauerstoffs wird gleichmäßig über beide Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8 eingetragen (zweifach gestufte Verbrennung). Ein etwaiger, kleiner Reststrom wird über die Sauerstoffzuführung 6 lediglich zu dem Zweck geleitet, um die sich vor dem Brennermund 9 ausbildende Flamme zu stabilisieren und den Hochimpulsbrenner 2 zu kühlen. Bei geeigneten geometrischen Verhältnissen im Glasschmelzofen 25 kann die Zuführung von Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung sogar vollständig entfallen. In diesem Betriebsmodus wird der Hochimpulsbrenner 2 also deutlich unterstöchiometrisch betrieben, der Großteil des zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs wird als sekundärer Sauerstoff eingetragen. Der Verbrennungsvorgang erfolgt somit zu wesentlichen Teilen an den Außenrändern der Flamme, wodurch insgesamt die Temperatur der Flamme gesenkt und die Bildung von NOx-Verbindungen reduziert wird. c) Ein Großteil des Sauerstoffs wird über die obere Sauerstofflanze 10 in den Ofenraum 8 eingetragen (einfach gestufte Verbrennung). Ein kleinerer Reststrom wird über die Sauerstoffzuführung 6 lediglich zu dem Zweck eingeleitet, um eine sich vor dem Brennermund 9 ausbildende Flamme zu stabilisieren und den Hochimpulsbrenner zu kühlen. Über die Sauerstofflanzen 11 wird kein Sauerstoff eingetragen oder allenfalls ein geringer Sauerstoffstrom, der vorwiegend der Kühlung der Sauerstofflanze 11 dient und der zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofenraum 8 nicht wesentlich beiträgt. In diesem Betriebsmodus bildet sich im Bereich oberhalb der Brennerebene 13 eine Atmosphäre 28 mit einem deutlichen Sauerstoffüberschuss aus. Dagegen ist die Verbrennung unterhalb der Brennerebene 13 insgesamt unterstöchiometrisch. Die sich in diesen Bereich ausbildende Atmosphäre 29 ist stark sauerstoffarm. Daher wird in diesem Bereich verstärkt Kohlenmonoxid gebildet, das im Einsatz der Brenneranordnung 1 die Bildung von Schaum auf der Glasschmelze 25 unterdrückt bzw. bereits gebildeten Schaum rückbildet.

Überraschend hat sich herausgestellt, dass in diesem Betriebsmodus c) mit den oben genannten hohen Austrittsgeschwindigkeiten von Brennstoff und Sauerstoff der sich unterhalb der Brennerebene 32 einstellende Kohlenmonoxid-Überschuss in der dort vorliegenden Atmosphäre 29 auch bei einem gleichmäßigen Eintrag von Brennstoff und Sauerstoff keine stationäre Formation ausbildet, sondern zeitlich und räumlich schwankt. Dieser Effekt, der - ohne dass dadurch die Erfindung in irgendeiner Weise beschränkt werden soll - möglicherweise auf turbulente Strömungsprozesse in den Grenzflächen zwischen den eingetragenen Strömen von Sauerstoff und Brennstoff sowie den stark rezirkulierenden Ofengasen im Ofenraum 8 zurückzuführen ist, ist umso stärker ausgeprägt, je höher die Geschwindigkeit der in den Ofenraum 8 eingetragenen Gase ist. Die zeitliche und räumliche Schwankung des Kohlenmonoxidgehalts im Ofenraum 8 unterhalb der Brennerebene 12 aber führt zu einer verbesserten Reduzierung der Schaumbildung in einer sich im Ofenraum 8 befindlichen Glasschmelze 25.

Bezuqszeichenliste

1 Brenneranordnung

2 Hochimpulsbrenner

3 Durchführung

4 Brennerstein

5 Brennstoffkanal

6 Sauerstoffzuführung

7 Gehäuse

8 Ofenraum

9 Brennermund

10 Sauerstofflanze

11 Sauerstofflanze

12 Brennerachse

13 Brennerebene

14 Vertikale Ebene

15 Brennstoffleitung

16 Verbindungsleitung

17 Verbindungsleitung

18 Verbindungsleitung

19 Sauerstoffleitung

20 Verteileinrichtung

21 Steuerung

22 -

23 Glasschmelzofen

24 Seitenwand

25 Glasschmelze

26 Rauchabzug

27 Flamme

28 Atmosphäre

29 Atmosphäre

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Beheizen eines Glasschmelzofens unter Einsatz einer gestuften Verbrennung in einem Ofenraum (8), bei dem mittels einer Brenneranordnung (1 ) ein kohlenstoffhaltiger Brennstoffstrom und ein zum Brennstoffstrom unterstöchiometrischer primärer Sauerstoffstrom in den Ofenraum (8) eingetragen und dort unter Ausbildung einer Flamme (27) miteinander verbrannt werden, und bei dem mittels der Brenneranordnung (1 ) ein sekundärer Sauerstoffstrom in den Ofenraum (8) derart eingetragen wird, dass sich in einem oberen Bereich des Ofenraums (8) eine sauerstoffreiche Atmosphäre (28) und in einem unteren Bereich des Ofenraums (8) eine sauerstoffarme und kohlenmonoxidreiche Atmosphäre (29) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxidanteil in zumindest einem Teilbereich der im unteren Teil des Ofenraums (8) erzeugten sauerstoffarmen und kohlenmonoxidreichen Atmosphäre (29) kontinuierlich variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Kohlenmonoxidanteils in zumindest einem Teilbereich der im unteren Bereich des Ofenraums (8) erzeugten Atmosphäre (29) durch eine zeitliche und/oder räumliche Variation des/der in den Ofenraum (8) eingetragenen Mengenstroms/ Mengenströme an Brennstoff und/oder primärem Sauerstoff und/oder sekundärem Sauerstoffs herbeigeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche und/oder räumliche Variation des/der in den Ofenraum (8) eingetragenen Mengenstroms/ Mengenströme an Brennstoff und/oder primärem Sauerstoff und/oder sekundärem Sauerstoffs durch Verschwenken oder Rotieren der Flamme (27) und/oder durch einen pulsweisen Eintrag des Brennstoffstroms, des primären Sauerstoffstrom, und/oder des sekundären Sauerstoffstroms herbeigeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Kohlenmonoxidanteils in zumindest einem Teilbereich der im unteren Bereich des Ofenraums (8) erzeugten Atmosphäre (29) dadurch hervorgerufen wird, dass der Brennstoffstrom und/oder der primäre Sauerstoffstrom und/oder der sekundäre Sauerstoffstrom mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 150 m/s, besonders bevorzugt mindestens 250 m/s in den Ofenraum (8) eingetragen wird/werden.

5. Brenneranordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Brennstoffkanal (5) zum Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in einen Ofenraum (8), einer Sauerstoffzuführung (6) zum Zuführen von primärem Sauerstoff in den Ofenraum (8) und einer Sauerstoffzuführung zum Zuführung von sekundärem Sauerstoff in einem oberen Bereich des Ofenraums (8), sowie mit Mitteln zum kontinuierlichen Ändern des Kohlenmonoxidgehalts einer sich in einem unteren Bereich des Ofenraums (8) sich ausbildenden Atmosphäre (29).

6. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (5) und die Sauerstoffzuführung (6) für primären Sauerstoff in einem Gehäuse (7) eines Brenners angeordnet sind, der an einem Brennermund (9) in den Ofenraum (8) ausmündet, und die Sauerstoffzuführung für sekundären Sauerstoff als Sauerstofflanze (10) ausgebildet ist, die vertikal oberhalb einer Brennerebene (13) des Brenners in den Ofenraum (8) einmündet.

7. Brenneranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum kontinuierlichen Ändern der sich im unteren Bereich des Ofenraums (8) sich ausbildenden, kohlenmonoxidreichen Atmosphäre (29) Mittel zum zeitlichen oder räumlichen Ändern des/der in den Ofenraum (8) eingetragenen Mengenstroms/ der Mengenströme an Brennstoff und/oder primärem Sauerstoff und/oder sekundärem Sauerstoff umfassen.

8. Brenneranordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Mittel zum kontinuierlichen Ändern des Kohlenmonoxidgehalts der sich unterhalb der Brennerebene sich ausbildenden Atmosphäre (29) Mittel zum Verschwenken und/oder Rotieren der Flamme (27) umfassen.

9. Brenneranordnung nacheinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner um einen Hochimpulsbrenner (2) und/oder bei der wenigstens einen Sauerstofflanze (10, 11 ) um eine Hochimpulslanze handelt, bei der bzw. bei denen der Eintrag des zugeführten Gases mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s erfolgt.

10. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens eine Sauerstoffzuführung für sekundären Sauerstoff, die vertikal unterhalb des Brennermundes (9) in den Ofenraum (8) ausmündet.