| JP2008241214 | BAKING DEVICE |
| JP06034273 | METHOD FOR FEEDING REACTION GAS TO SMELTING FURNACE AND APPARATUS THEREFOR |
| WO/2004/113576 | NOZZLE DEVICE AND ASSOCIATED METALLURGICAL MELTING POT |
SORG, Helmut (Im Himbeergrund 27, Glattbach, 63864, DE)
SORG, Alexander (Schloßberg 4a, Aschaffenburg, 63739, DE)
LINDIG, Matthias (Oberer Schenkgarten 8, Ingelheim, 55218, DE)
SORG, Helmut (Im Himbeergrund 27, Glattbach, 63864, DE)
SORG, Alexander (Schloßberg 4a, Aschaffenburg, 63739, DE)
| Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Erzeugen von Glasschmelzen (G) aus festem Beschickungsgut (7) mit einem Schmelzschacht (1), der in seinem oberen Bereich eine Beschickungsvorrichtung (4) und eine Abgas- leitung (8) besitzt, darunter einen kühlbaren Rost (9) für die vorübergehende Auflage des Beschickungsguts (7), wobei der Schmelzschacht (1) auf einem Auffangbecken (11) angeordnet ist und sich unterhalb des Rostes (9) mindestens ein Brenner (10) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Rost (9) aus Rohren (14) besteht, die je ein Innenrohr (14a) und ein Aussenrohr (14b) besitzen, zwischen denen Abstandshalter (14c) angeordnet sind, und dass b) die Innenrohre (14a) für die Durchleitung eines gut wärmeleitenden Kühlmittels ausgebildet sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Innenrohren (14a) und den Aussenrohren (14b), auf den Umfang verteilt, mindestens drei Abstandshalter (14c) angeordnet sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14c) formschlüssig mit den Innenrohren (14a) verbunden sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14c) formschlüssig mit den Aussenrohren (14b) verbunden sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14c) fest mit den Innenrohren (14a) verbunden sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raum zwischen den Innenrohren (14a) und den Aussenrohren (14b) ein wärmedämmendes Medium angeordnet ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende Medium ein Gas ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (14) von den Eintrittsenden für das Kühlmittel in Richtung auf die Austrittsenden ansteigend angeordnet sind. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende Medium ein anorganisches, nichtmetallisches Schüttgut ist. 10. Verfahren zum Erzeugen von Glasschmelzen aus festem grobstückigem Beschickungsgut (7), das in einen Schmelzschacht (1) eingebracht und darin in Säulenform auf einem gekühlten Rost (9) abgelagert und über diesem zumindest weitgehend auf Schmelztemperatur aufgeheizt wird, wobei die Glasschmelze in einem Auffangbecken (11) unterhalb des Schmelzschachtes (1 ) aufgefangen und über einen Durchlass (13) abgeführt wird, wobei die Flamme mindestens eines Brenners (10) in den Raum unterhalb des Rostes (9) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Beschickungsgut (7) auf einem Rost (9) gelagert wird, der aus Rohren (14) besteht, die je ein Innenrohr (14a) und ein Aussenrohr (14b) besitzen, zwischen denen Abstandshalter (14c) angeordnet sind, und dass b) ein flüssiges Kühlmittel ausschliesslich durch die Innenrohre (14a) geleitet wird. ********************** |
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Glasschmelzen mit einem Schmelzschacht
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Glasschmelzen aus festem Beschickungsgut mit einem Schmelzschacht, der in seinem oberen Bereich eine Beschickungsvorrichtung und eine Abgasleitung besitzt, darunter einen kühlbaren Rost für die vorübergehende Auflage des Beschickungsguts, wobei der Schmelzschacht auf einem Auffangbecken angeordnet ist und sich unterhalb des Rostes mindestens ein Brenner befindet.
Die Technologie der Glasherstellung ist sehr komplexer Natur. Sie unterliegt Grundsätzen der Physik, der Chemie, der Thermodynamik, der Ther- mokinetik, der Statik und der Geometrie der Schmelzöfen und der Schmelzenbehälter und - nicht zuletzt - gesetzlichen Veordnungen über den Schutz der Menschen und der Umwelt gegen Schadstoffe, der Energieeinsparung und der Preisgestaltung. Die Herstellverfahren beruhen in der Regel auf einer Überschreitung einer Temperatur von 1.500 0 C, und das entspricht der Weissglut. Wichtig ist dabei, dass die Komponenten und Parameter in komplexen Wechselwirkungen zu einander zu bewerten sind und oft auch kontrovers aufeinander einwirken.
Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Verbesserung der Wärmeübertragung und der Wärmebilanz beim Schmelzen von Glas, sogenannte Kupolöfen zu verwenden, die ursprünglich zum Schmelzen von Metallen entwickelt wurden. Solche Kupolöfen mit einem Schacht sind beispielhaft in der PCT/WO 88/08411 und in der DE 20 2008 003 567 IM für die Herstellung von Mineralfasern offenbart. Hierbei wird das zunächst feste Beschickungsgut in Form einer Materialsäule auf einem gekühlten Rost gelagert und im Gegenstrom durch Brenngase aufgeheizt und aufgeschmolzen, die durch Brenner unterhalb des Rostes und oberhalb eines Schm ' elzenspie- gels erzeugt werden. Hierbei bestehen die Roste aus wassergekühlten Rohren, die durch die heissen Brenngase und die Strahlung der Schmelze und der Flammen nicht nur thermisch von unten her sehr stark belastet sind, sondern auch mechanisch von oben her durch das Gewicht des Beschickungsguts. Notwendig ist hierbei eine starke Kühlung der Roste, da die Temperatur des Kühlwassers die Siedetemperatur nicht übersteigen darf, denn Wasserdampf ist wiederum ein schlechter Wärmeleiter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rostkonstruktion und ein Betriebsverfahren hierfür anzugeben, bei denen eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit mit geringeren thermischen Verlusten verbunden ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs angegebenen Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass a) der Rost aus Rohren besteht, die je ein Innenrohr und ein Aussen- rohr besitzen, zwischen denen Abstandshalter angeordnet sind, und dass b) die Innenrohre für die Durchleitung eines gut wärmeleitenden Kühlmittels ausgebildet sind.
Dadurch wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, nämlich eine Rostkonstruktion angegeben, bei denen eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit mit geringeren thermischen Verlusten verbunden ist. Durch die beschriebene Kombination wird ein äusserst tragfähiger, mechanisch und thermisch belastbarer Rost geschaffen, der die Betriebssicherheit und den thermischen Wirkungsgrad steigert, ohne dass hierfür ein übertriebener konstruktiver Aufwand getrieben werden müsste. Eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades kompensiert über die Lebenserwartung von Glasschmelzanlagen mehr als nur alle zusätzlichen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten. Es ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination:
* zwischen den Innenrohren und den Aussenrohren,, auf den Umfang verteilt, mindestens drei Abstandshalter angeordnet sind,
* die Abstandshalter formschlύssig mit den Innenrohren verbunden sind,
* die Abstandshalter formschlüssig mit den Aussenrohren verbunden sind,
* die Abstandshalter fest mit den Innenrohren verbunden sind,
* in dem Raum zwischen den Innenrohren und den Aussenrohren ein wärmedämmendes Medium angeordnet ist,
* das wärmedämmende Medium ein Gas ist,
* die Rohre von den Eintrittsenden für das Kühlmittel in Richtung auf die Austrittsenden ansteigend angeordnet sind, und/oder, wenn:
* das wärmedämmende Medium ein anorganisches, nichtmetallisches Schüttgut ist.
Die Erfindung betriff auch ein Verfahren zum Erzeugen von Glasschmelzen aus festem grobstückigem Beschickungsgut, das in einen Schmelzschacht eingebracht und darin in Säulenform auf einem gekühlten Rost abgelagert und über diesem zumindest weitgehend auf Schmelztemperatur aufgeheizt wird, wobei die Glasschmelze in einem Auffangbecken unterhalb des Schmelzschachtes aufgefangen und über einen Durchlass abgeführt wird, wobei die Flamme mindestens eines Brenners in den Raum unterhalb des Rostes gerichtet wird * Zur Lösung der gleichen Aufgabe und Erzielung der gleichen Vorteile ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass a) das Beschickungsgut auf einem Rost gelagert wird, der aus Rohren besteht, die je ein Innenrohr und ein Aussenrohr besitzen, zwischen denen Abstandshalter angeordnet sind, und dass b) ein flüssiges Kühlmittel ausschliesslich durch die Innenrohre geleitet wird.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes mit Varianten und deren Wirkungsweisen und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der schematischen Darstellungen in den Figuren 1 bis 7 näher erläutert.,
Es zeigen:
Figur 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen Schmelzschacht mit einem Durchlass zu einem nachgeschalteten Konditionierten,
Figur 2 einen nahezu waagrechten Querschnitt durch den Schmelzschacht nach Figur 1 unmittelbar oberhalb des Rostes für die Abstützung des Beschickungsguts in vergrössertem Massstab.
Figur 3 einen senkrechten Ausschnitt aus dem Querschnitt durch den Gegenstand von Figur 2 entlang der Ebene E-E in nochmals vergrössertem Massstab,
Figur 4 einen Radialschnitt durch ein Innenrohr mit fest angeformten radialen und achsparalellen Abstandshaltern,
Figur 5 einen Radialschnitt durch ein Innenrohr mit angelegten radialen und achsparalellen Abstand shaltem,
Figur 6 einen Radialschnitt durch eine Kombination aus Innen- und Aussenrohr mit fest angeformten Abstandshaltern und
Figur 7 einen Radialschnitt durch eine Kombination aus Innen- und Aussenrohr mit eingelegten stangenförmigen Abstandshaltern. Gemäss Figur 1 besitzt der senkrechte Schmelzschacht 1 ein Mantelteil 2, auf dem ein Übergangsstück 3 mit einer Beschickungsvorrichtung 4 angeordnet ist, zu der ein Trichter 5 und eine Schleuse 6 zur dosierbaren Einspeisung von Beschickungsgut 7 gehören. Das Übergangsstück 3 ist mit einer Abgasleitung 8 versehen, die die gesamten Abgase zur Atmosphäre ieiten, ggf. über einen Saugzug 8a und eine Reinigungseinrichtung. Das Mantelteil 2 kann sowohl zylindrisch als auch polygonal ausgebildet sein.
In dem Mantelteil 2 befindet sich ein kühlbarer Rost 9, der das Beschickungsgut 7 gasdurchlässig abstützt. Unterhalb des Rostes 9 befinden sich Brenner 10, die über hier nicht gezeigte Leitungen an Quellen für fossile Brennstoffe und Oxidantien wie Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauerstoff angeschlossen sind. Auf dem Umfang des Mantelteils 2 können auch mehr als zwei Brenner 10 angeordnet sein. Durch die nach oben durch den Rost 9 strömenden Brenngase der Brenner 10 wird die Säule von Beschickungsgut 7 derart aufgeheizt, dass die Temperatur nach unten hin bis zur Schmelztemperatur zunimmt und die Glasschmelze G in ein Auffangbecken 11 abtropft, auf das der Schmelzschacht 1 aufgesetzt ist. Zwischen dem Mantelteil 2 und dem Auffangbecken 11 befindet sich eine Trennfuge 12, so dass das Mantelteil 2 mit allen An- und Einbauten zu Wartungs- und Reparaturzwecken abgenommen werden kann.
Von Bedeutung ist dabei die Charakteristik und Regelbarkeit der Brenner, die als Strahlungsbrenner ausgebildet sein sollen. Nach Möglichkeit soll dabei die gesamte Heizleistung oberhalb der Glasschmelze G zu mindestens 75 % aufgebracht werden, nach Möglichkeit vollständig, d.h. zu 100 %. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Strahlungsleitfähigkeiten von Glasschmelzen G erheblich unterscheiden können. Einige Glaszusammensetzungen verhalten sich gegenüber der Strahlung der Verbrennungsgase hochtransparent, andere absorbieren bereits an der Oberfläche einen Grossteil der Strahlungsenergie. Dabei wird durch den Rost 9 fallendes festes Beschickungsgut durch Aufschmelzen in die Glasschmelze G integriert, über einen Durchlass 13 ist das Auffangbecken 11 mit einem Konditionierten verbunden, das hier jedoch nicht näher beschrieben ist.
Hierbei ist folgendes von besonderer Bedeutung: Aus dem Aufbau und der Betriebsweise ergibt sich, dass die höchste Temperatur in dem Bereich unterhalb des Rostes 9 entsteht, und zwar durch die Verbrennungswärme und die Strahlungshitze der Brenner 10 und der Glasschmelze G. Dies führt zu einem Aufstieg der Verbrenπungsgase durch den Rost 9 und durch das Beschickungsgut 7. Nun müssen aber die aus Metall bestehenden Rohre 14 des Rostes 9 intensiv gekühlt werden, und zwar durch Wasser, das aus Sicherheitsgründen unterhalb des Siedepunktes gehalten werden muss.
Dies führt zu einem kontraproduktiven Effekt, nämlich dazu, dass der Rost 9 dem Prozess enorme Wärmemengen entzieht, die für das Aufheizen und Schmelzen des Beschickungsguts 7 wünschenswert sind. Hiergegen schafft die Erfindung Abhilfe.
Gemäss den Figuren 2 und 3, in denen die bisherigen Bezugszeichen verwendet und fortgeschrieben werden, besteht der Rost 9 aus parallelen und koaxialen Rohren 14, die zwischen einer oberen Ebene EO und einer unteren Ebene EU angeordnet sind und aus je einem Innenrohr 14a und einem Aussenrohr 14b bestehen. Zwischen den Innenrohren 14a und den Aussenrohren 14b befinden sich - auf den Umfang verteilt - mindestens drei, ggf. vier bis acht, Abstandshalter 14c. Diese sind auf die Innenrohre 14a aufgeschweisst. Die Innenrohre 14a sind mit einer Zufuhrleitung 15 und einer Abfuhrleitung 16 für Kühlwasser verbunden (Figur 2). Der Zwischenraum 14d ist mit der Umgebungsluft verbunden, die auch durch ein Gebläse umgewälzt werden kann. Dadurch ist eine Bauweise entstanden, die eine hohe mechanische Festigkeit mit einer geringen radialen Wärmeleitfähigkeit verbindet. Es versteht sich, dass der Querschnitt der Abstandshalter 14c, auf die radiale Richtung bezogen, dem notwenigen radialen Wärmestrom angepasst ist. Dennoch wird die Gestaltfestigeit des Rostes 9 in senkrechter Richtung durch die Schichtbauweise beträchtlich gesteigert und gleichzeitig der Wärmetransport zum Kühlwasser erheblich verringert. Die Praxis hat gezeigt, dass die Temperatur des Innenrohres 14a auf maximal 100 0 C gehalten werden kann, während die Temperatur des Aussenrohres 14b bis zu 500 0 C betragen kann, was durch entsprechende Auswahl der Werkstoffe ohne weiteres bewerksteliigt werden kann. Möglich ist die Verwendung von normalem Baustahl bis zur Verwendung von VA-Stählen. Es ist mit einer Halbierung der Wärmeverluste an den Rost 9 gegenüber der klassischen Bauweise zu rechnen. Der Zwischenraum 14d kann auch mit einem anorganischen, nichtmetallischen Material in Schütt- bauweise gefüllt sein. Eine Abstimmung zwischen der Partikelgrösse des Beschickungsguts 7, das ggf. auch brikettiert sein kann, und den lichten Abständen der Rohre 14 ist zweckmässig.
Die Figur 4 zeigt einen Radialschnitt durch ein Innenrohr 14a mit fest angeformten radialen und achsparallelen Abstandshaltern. Solche Querschnitte können z.B. durch Strangpressen, Strangziehen o. dgl. hergestellt werden. Figur 5 zeigt die Möglichkeit der Herstellung eines solchen Profils aus angelegten radialen und achsparallelen Abstandshaltern 14c, die mit dem Innenrohr 14a verschweisst sind.
Die Figur 6 zeigt einen Radialschnitt durch eine Kombination aus Innenrohr 14a und Aussenrohr 14b mit fest angeformten Abstandshaltern 14c, und die Figur 7 einen Radialschnitt durch eine analoge Kombination mit eingelegten stangenförmigen Abstandshaltern 14c. Auch hierbei sind Verschweissungen möglich.
Es ist besonders zweckmässig, die Verbindungsstellen zwischen den Abstand haltern 14c und den Innenrohren 14a einerseits und den Aussenrohren 14b andererseits in mindestens einem der Übergangsbereiche formschlüssig zu gestalten, und zwar in radialen Richtungen und/oder in Umfangsrichtung. Auch Verschweissungen sind denkbar. Wesentlich sind gute wärmeleitende Verbindungen.
Daraus ergibt sich, dass durch die beschriebene Kombination ein äusserst tragfähiger, mechanisch und thermisch belastbarer Rost 9 entstanden ist, der die Betriebssicherheit und den thermischen Wirkungsgrad steigert, ohne dass hierfür ein übertriebener konstruktiver Aufwand getrieben werden müsste. Eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades kompensiert über die Lebenserwartung von Glasschmelzanlagen nicht nur alle zusätzlichen Investitions- und Wartungskosten, und Glasschmelzanlagen sind nun einmal langlebige Investitionsgüter.
Es ergibt sich, dass die Einhaltung der Grenzwerte für die Betriebstemperaturen von Innen- und Aussenrohren insbesondere durch die Breite der Abstandshalter, also in Umfangsrichtung beeinflusst werden kann.
Zweckmässiqe Abmessungen:
a) Innenrohre 14a: Durchmesser 1-4", vorzugsweise 2",
Wandstärke 3-12 mm, vorzugsw. 5-8 mm, b) Aussenrohre 14b: Wandstärke 3-12 mm, c) Abstandshalt. 14c: Radiales Mass 5-20 mm, vorzugsw. 10 mm
Mass in Umfangsrichtung: 5-20 mm, vorzugsweise 10 mm.
BezuQszeichenliste:
G Glasschmelze
1 Schmelzschacht
2 Mantelteil
3 Übergangsstück
4 Beschickungsvorrichtung
5 Trichter
6 Schleuse
7 Beschickungsgut
8 Abgasleitung
8a Saugzug
9 Rost
10 Brenner
11 Auffangbecken
12 Trennfuge
13 Durchlass
14 Rohre 14a Innenrohr
14b Aussenrohr
14c Ab stand shalter
14d Zwischenraum
15 Zufuhrleitung
16 Abfuhrleitung
E-E senkrechte Schnittebene
EO obere Rostebene
EU untere Rostebene
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