-
Verfahren und Ofen zum Schmelzen von Glas u. d91. Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas und ähnlichen Stoffen
und bezweckt eine Verbesserung der Ausnutzung der zum Schmelzen zugeführten Wärme.
Als dem Glas ähnliche Stoffe gelten im folgenden Schmelze, Silikate, Basalte und
im allgemeinen die Stoffe, welche bei hoher Temperatur allmählich in einen halbflüssigen
Zustand übergehen.
-
In den gegenwärtig gebräuchlichen Glasschmelzöfen strömen die Heizgase
unter einem Druck, welcher dem atmosphärischen Druck sehr nahe liegt und von ihm
nur um wenige Millimeter Wassersäule in der einen oder anderen Richtung abweicht.
Die auf gewöhnliche Temperatur -und Druck berechnete Umlaufgeschwindigkeit der Gase
beträgt meist etwa 3 m/s und erreicht nur ausnahmsweise 8 m/s. Höhere Geschwindigkeiten
können nicht ohne weiteres in Aussicht genommen werden, da die unter hohem Druck
und mit großer Geschwindigkeit in einen freien Raum eintretenden Flammen die Wände
des Raumes auf eine Temperatur bringen, welche eine rasche Zerstörung der Wände
zur Folge hat.
-
Infolgedessen müssen, in den üblichen Öfen die Zu- und Ableitungskanäle
einen der Gasmenge entsprechenden großen Querschnitt aufweisen. Infolge des geringen
Wärmeübertragungskoeffizienten bei den bestehenden Betriebsverhältnissen müssen
auch die Wärmeaustauschflächen sowohl im Ofen selbst wie auch in den Wärmeaustauschern
sehr groß sein. Es kommt schließlich noch hinzu, daß bei dem großen Umfang und Gewicht
und den großen Oberflächen des Ofens und der zugehörigen Vorrichtungen die Wärmeverluste
sehr erheblich sind.
Es ergibt sich aus den genannten Gründen, daß
der thermische Wirkungsgrad beim Schmelzen des Glases sehr gering ist, und zwar
nur etwa 2o % beträgt. Die Bedienung der Vorrichtungen ist wegen ihres großen,
Umfanges und der erheblichen Massenschwierig, wobei auch der Bau und der Betrieb
der Vorrichtungen erhebliche Kosten verursachen.
-
Es ist bereits vorgeschlagen worden, das Glas in einem der Bessernerbirne
ähnlichen Schachtofen zu schmelzen, indem Luft und Heizgas in das Schmelzbad von
unten eingeblasen werden; dabei sollten das Gas und die Luft sich vor dein Entzünden
in. Berührung mit dem geschmolzenen Glas vorwärrnen. Auf solche Art konnte aber
schon deshalb allein kein guter Erfolg erzielt werden, weil die Schmelze von den
kalt eingeblasenen Gasen abgekühlt und infolgedessen zähflüssig wird und nicht gut
durchgewirbelt werden kann.
-
Gemäß einem anderen Vorschlage sollten zwar auch schon brennende Gase
in die Glasschmelze eingeblasen werden. Wenn nun auch dieses Verfahren ohne praktische
Anwendung blieb, so liegt dafür der Grund darin, daß die bisher als einzig möglich
angesehenen Betriebsverhältnisse ganz unbefriedigend waren. Man suchte nämlich Druck
und Geschwindigkeit der Heizgase nicht über das Mindestmaß hinaus zu steigern, welches
zum Verhindern eines Verstopfens der Düsen gerade ausreichend war, um nicht das
als schädlich befundene Fortschleudern von Glasklumpen zu begünstigen.
-
Die Erfindung beruht auf der Feststellung der überraschenden Tatsache,
daß es in der Praxis möglich ist, in das geschmolzene Glas Luft und Gas mit weit
höheren als den bisher üblichen Geschwindigkeiten einzublasen, wobei das Fortblasen
des geschmolzenen Glases nicht mir den Betrieb der Vorrichtungen unbehindert läßt,
sondern die Verbrennung viel regelmäßiger vor sich geht und der thermische Wirkungsgrad
des-Verfahrens in unerwartetem Maße ansteigt.
-
Erfindungsgemäß wird unmittelbar in die Schmelze ein Gemisch von Luft
und Brennstoff eingeblasen, welches vorerst auf einen Druck von mindestens 2ooo
rnrn Wassersäule gebracht «-orden ist und dessen Druck auch mehrere Atmosphären
erreichen kann, während seine auf gewöhnliche Temperatur und Druck umgerechnete
Geschwindigkeit nicht weniger als 30 m/s beträgt, aber auch mehrere hundert
-Meter erreichen kann. Unter solchen Betriebsbedingungen ist der Wärmestrahl auf
eine geringe Zone beschränkt. wodurch der Gebrauch von Vorrichtungen -:leinen Umtanges
ermöglicht wird. Infolge des hohen Druckes und der großen Geschwindigkeit «-erden
die Wärmeiibertragungskoeffizienten wesentlich erhöht.
-
Diese Wirkung äußert sieh nicht nur irn Ofen selbst, sondern auch
in den Wä rrne-@äiiStauschern, welche bei dem neuen Verfahren sowohl von den Abgasen
wie auch von den vorzuwärmenden Gasen unter hohem Druck und mit großer Geschwindigkeit
durchströmt werden können.
-
Inn Ofen kommen die -Nachteile der unregelmäßigen Verbrennung und
der Zerstörung der Wände zum Fortfall. Es wird nämlich beobachtet, daß bei einer
30 m/s übersteigenden Einblasegeschwindigkeit der Gase in die Schmelze
die höchste Temperatur nicht mehr in der Nähe der Düsen auftritt, sondern in einiger
Entfernung von der Einblasestelle, d. h. mitten in der Schmelze. Die Düsen und die
benachbarten Wände sind somit gegen eine übermäßige Erhitzung gesichert, und die
"'ä rrneausnutzung ist ausgezeichnet, weil die Flamme ganz von der Schmelze umgeben
ist, «-elche die größtmögliche Wärmeaustauschfläche bietet.
-
Andererseits wird infolge ;leg grollen Geschwindigkeit der Flamme
die Schmelze in eine lebhafte Wirbelung versetzt. Die der Wirkung der Flammen dargebotene
Fläche erneuert sich daher ständig. wodurch die Wärrireübertragung noch «-eiter
wesentlich erhöht wird. Das Durchwirbeln der Schmelze sichert auch Gleichartigkeit
des Enderzeugnisses.
-
Auch der Gasdruck trägt zur Beschleunigung der Verbrennung bei, so
daß diese schnell vor sich geht und die Abgase ihre nutzbare Wärme vor dem Abzug
an die Schmelze übertragen können, um so mehr, als infolge der großen Verbrennungsgeschwindigkeit
die Flamme sehr heiß ist und die theoretische Verbrennungstemperatur nahezu erreicht.
-
Weiterhin ist das Schmelzen unter hohem Druck dazu geeignet, durch
Entspannung der im Glase enthaltenen Gase die Vermehrung und Vergrößerung der eingeschlossenen
Blasen herbeizuführen. Bekanntlich ist nun die Anwesenheit zahlreicher großer Blasen
in der Schmelze für das Läutern des Glases vorteilhaft. Das Verfahren gibt ein blasenreiches
Glas, welches als solches für Spezialzwecke gebraucht oder in einem besonderen Ofen
oder einer dazu hergerichteten Ruhezone des Schmelzofens selbst geläutert werden
kann.
-
Der Druck und die Geschwindigkeit der Flammen in Verbindung mit der
hohen Wirksamkeit der Wärmeübertragung auf die wirbelnde Schmelze gestatten es,
in einem geringen Raum eine sehr große Wärrnemenge
zu entwickeln.
Im Vergleich zu den bisherigen Bauarten erhöht sich die Wärmeübertragung je Quadratmeter
der freien Oberfläche der Schmelze von 4o.ca1/qm/s auf mehr als 6oo cal/qm/s. Dementsprechend
können auch die Ausmessungen der Anlagen nahezu auf 1/1o herabgesetzt werden, und
die durch die Wände verursachten Verluste werden ebenfalls auf ein sehr geringes
Maß herabgesetzt.
-
Dank den im neuen Verfahren geschaffenen Betriebsbedingungen und insbesondere
der innigen Berührung zwischen der Schmelze und den unter Druck eingeblasenen Gasen
hat man erfindungsgemäß ein besonders wirksames Mittel in der Hand, um die Beschaffenheit
und das Aussehen des Enderzeugnisses zu verändern, indem dem eingeblasenen Gemisch
eine bestimmte chemische Zusammensetzung gegeben wird. Wenn beispielsweise die Schmelze
solche Bestandteile enthält, welche je nach ihrem Oxydationsgrad das Glas verschieden
färben, so kann die Färbung dadurch beeinflußt werden, daß die Flamme mehr oder
weniger oxydierend oder reduzierend gemacht wird. Es kann z. B. bei einer eisenhaltigen
Schmelze durch Erhöhung des Verhältnisses Gas/Luft im Heizgas eine reduzierende
Flamme erzielt werden, welche das Gas bläulich tönt, während die Verringerung des
Verhältnisses Gas/Luft zu einer oxydierenden Flamme und infolgedessen zu einer weniger
ausgesprochenen und grünlichen Färbung des Glases führt. Es können auch dem Brennstoff
oder der Verbrennungsluft Reagenzien beigefügt «erden, wie beispielsweise gasförmige
Farbstoffe oder feste Stoffe, welche fein gepulvert mit dem Brennstoff oder der
Luft eingeblasen werden.
-
Wird z. B. als Brennstoff nicht entschwefeltes Koksofengas gebraucht,
so kann man bei einer reduzierenden Atmosphäre ein durch die Sulfide gelb gefärbtes
Glas erzeugen.
-
Die Abgase werden flach dem Austritt aus der Schmelze vorzugsweise
unter verhältnismäßig hohem Druck gehalten und mit großer Geschwindigkeit fortgeleitet,
um den Wärmeaustausch mit den frischen Rohstoffen und/oder dem Heizstoff und der
Verbrennungsluft zu begünstigen oder für sonstige Zwecke ihre Wärme abzugeben. Indem
die Abgase in einer geeigneten Vorrichtung entspannt werden, kann man die zum Komprimieren
der Heizgase erforderliche Energie ganz oder teilweise wiedergewinnen.
-
Die Rohstoffe werden zweckmäßig vorgewärmt, indem man sie auf die
Schmelze im Gegenstrom zu den vor der Schmelze kommenden Abgasen durch eine Streuvorrichtung
herabfallen läßt. Ein zur Durchführung des neuen Verfahrens geeigneter Ofen kann
beispielsweise aus einem senkrechten Rohr oder Schacht bestehen, dessen unterer
Teil eine Schmelzkammer bildet, in welcher sich eine mehr oder weniger tiefe Schicht
des Schmelzgutes befindet. In diese' Schicht werden die zur Verbrennung nötigen
Stoffe oder der größte Teil derselben an. geeigneten Stellen und in geeigneter Richtung
eingeblasen. Die Stoffe werden vorerst in bekannten Vorrichtungen komprimiert und
gegebenenfalls vorgewärmt. Ihr Gemisch entzündet sich und gibt einen Teil seiner
Wärme der Schmelze ab.
-
Nachdem die Verbrennungsgase das Schmelzgut durchsetzt haben, ziehen
sie durch den Schacht und durchströmen dabei die frischen Rohstoffe, welche .dauernd
ins Rohr oben eingebracht werden und frei herabfallen. Diese Stoffe werden vorzugsweise
in festem Zustande, aber mehr oder weniger fein zerkleinert, eingefüllt und durch
eine Verteilungsvorrichtung über den ganzen Querschnitt des Schachtes gleichmäßig
verteiit.
-
Der Zerkleinerungsgrad der Rohstoffe und ihr spezifisches Gewicht
einerseits sowie die Aufstieggeschwindigkeit der Abgase andererseits bestimmen die
Fallgeschwindigkeit der Rohstoffteilchen und die Dauer ihrer Berührung mit den Abgasen,
bevor sie die Oberfläche der Schmelze erreichen. Vorteilhaft wird daffir gesorgt,
daß die Rohstoffe beim Erreichen der Schmelze auf eine Temperatur vorgewärmt werden,
die derjenigen der aufsteigenden Abgase nahekommt.
-
Der Boden des die Schmelzkammer bilden-,den unteren Teiles des Schachtes
ist von Einspritzdüsen für die Flammen durchsetzt; der obere Teil des Schachtes
dient zum Vorwärmen der herabfallenden Rohstoffe und ist vom unteren Teil durch
eine Verengung abgegrenzt, beiderseits welcher der Schacht sich nach oben und nach
unten hin erweitert.
-
Die aus dem Schmelzofen austretenden Abgase können in einem zum Vorwärmen
der Brennstoffe und der Verbrennungsluft dienenden Wärmeaustauscher eingeleitet
werden. Beim Eintritt in den Austauscher wird zweckmäßig ihre Geschwindigkeit erhöht
unter gleichzeitiger entsprechender Verminderung ihres Druckes. Nachdem die Abgase
teilweise abgekühlt sind, können sie in einer mechanischen Vorrichtung, wie etwa
einer Gasturbine, entspannt werden, um die zum Komprimieren der Brennstoffe und
der Verbrennungsluft erforderliche Energie ganz oder teilweise zu liefern.
-
In der Zeichnung ist beispielsweise eine zur Durchführung des beschriebenen
Verfahrens geeignete Anlage dargestellt.
a ist ein Schachtofen,
dessen unterer Teil einen Schmelzraum b bildet, in welchem das Schmelzgut von den
Flammen durchsetzt wird. Die Flammen werden unter starkem Druck und mit großer Geschwindigkeit
durch die Düsen c eingeblasen, welche aus je zwei konzentrischen Röhren für die
Verbrennungsluft bzw. für den Brennstoff bestehen.
-
Nachdem die Brenngase einen Teil ihrer Wärme an die Schmelze abgegeben
haben, steigen die Abgase im Gegenstrom zu den im Schacht a herabfallenden zerkleinerten
Rohstoffen, welche auf diese Weise erhitzt werden.
-
Am unteren Teil des Schachtes spielt die Verengung d eine doppelte
Rolle. Einerseits vermindert sie die Strahlungsverluste an der Oberfläche der Schmelze,
und andrerseits sichert sie den Abgasen eine große Geschwindigkeit, so daß die herabsinkenden
Rohstoffe oberhalb der Verengung d schwebend gehalten w exden.
-
Indem die Zufuhr der Brennstoffe und der Verbrennungsluft momentan
verringert wird, verursacht man das Herabfallen einer gewissen Menge Rohstoffe auf
die Oberfläche des Schmelzbades. Periodische Änderungen in der Zufuhr der Heizstoffe
und der Luft können dadurch erzielt werden, daß in die entsprechenden Zuleitungen.
mechanisch betätigte Drosselklappen eingesetzt werden, welche in bestimmten Zeitabständen
den Durchgangsquerschnitt der Zuleitungen verringern. Eine solche durch einen Daumen
v betätigte Drosselklappe ist auf der Zeichnung bei tc dargestellt. Auf diese Weise
kann die Berührungsdauer der Rohstoffe mit den Abgasen, vor ihrem Herabfallen in
die Schmelze, nach Belieben geregelt werden.
-
Die Rohstoffe werden durch einen Aufgabetrichter e in einen drehbaren
Verteiler f gebracht, durch welchen sie in den Ofen trotz des dort herrschenden
Überdruckes eingeführt werden. Eine Schraube g bringt die Rohstoffe in .das axiale
Speiserohr h. Beim Austritt aus diesem Rohr werden die Stoffe mittels der aus dein
Rohr i kommenden Druckluft zerstreut.
-
Oberhalb der Verengung d erweitert sich der Schacht nach oben hin,
so daß die Geschwindigkeit der Abgase nach oben zu abnimmt und an der Austrittsstelle
genügend klein wird, damit keine Rohstoffteilchen mit den Abgasen nach dem Wärmeaustauscher
mitgerissen werden.
-
Nach Verlassen des Ofens treten die Abgase in einen Wärmeaustauscher
j ein, in welchem ihr Druck und ihre Geschwindigkeit noch genügend hoch sind und
einen wirksamen Wärmeaustausch mit der Verbrennungsluft sichern. Die Abgase entspannen
sich darauf in der Gasturbine k, die den Luftkompressor na und den Gaskompres-sor
I antreibt. Beim Austritt aus der Gasturbine durchziehen die Abgase einen zweiten
Wä rmeaustauscher tt und ziehen dann bei o ab.
-
Die durch den Turbokompressor »t konipromierte Verbrennungsluft durchströmt
nacheinander die Wärmeaustauscher 3t und j
und erreicht, stark erhitzt, den
Windkasten der Düsen c. Ein luftdichter Verteilers ermöglicht es, in die Luftleitung
Reagenzien in feiner Pulverform einzubringen.
-
Der im Turbokompressor L komprimierte Brennstoff wird ebenfalls über
einen Druckraum den Düsen c zugeführt.
-
Das im Ofen geschmolzene Glas tritt unter der Schwelle p in die Ruhezone
q ein, wo es sich von den Blasen befreit; darauf wird das Glas bei r entnommen
und zur weiteren Verwendung abgeführt.
-
Beim Ingangsetzen der beschriebenen Anlage wird allem zuvor 'das Gas
in den Düsen c angezündet, ohne Preßluft einzublasen. Die Flamme brennt frei in
Berührung mit der im Ofen enthaltenen Luft. Darauf wird allmählich die erforderliche
Menge Preßluft eingeleitet. Es wird eine angemessene Menge Bruchglas aufgegeben,
welche rasch schmilzt, und dann beginnt die Einleitung des Rohstoffes.
-
Obwohl das Verfahren nur mit Bezug auf Glas beschrieben worden ist,
ist es auch, wie bereits erwähnt, zum Schmelzen ähnlicher Stoffe anwendbar.