DE69312228T2

DE69312228T2 - Glasschmelzofen

Info

Publication number: DE69312228T2
Application number: DE69312228T
Authority: DE
Inventors: David Alan Bird; Robin Maxwell Mcintosh; Richard Quirk; Ian Nigel William Shulver
Original assignee: Pilkington Glass Ltd
Current assignee: Pilkington United Kingdom Ltd
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2013-11-19
Also published as: AU667977B2; GR3024758T3; ATE181717T1; NO934262L; HU215813B; EP0599547B1; US5820651A; CN1039899C; AU5073093A; CN1092388A; HUT65984A; ES2106290T3; FI935241A; JPH06239617A; DK0599547T3; PL301224A1; TR27074A; DE599547T1; FI935241A0; JP3313856B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern des NOx-Gehalts in den die Regeneratoren eines regenerativen Ofens zum Schmelzen von Glas für die Herstellung von geformten Glasartikeln verlassenden Abgasen. NOx ist eine Kurzbezeichnung für Stickoxide, wie NO und NO&sub2;.
Es ist seit langem bekannt, daß ein substöchiometrisch (d.h. bei einem geringeren Luft:Brennstoff-Verhältnis, als es zum Bewirken einer vollständigen Verbrennung notwendig ist) arbeitender Brennstoffbrenner weniger NOx erzeugt als bei einem Betrieb unter stöchiometrischen Bedingungen, und es sind Brenner, die fur einen Betrieb in dieser Weise bestimmt sind, z.B. in US-A-4878830 beschrieben, die auch den Stand der Technik auf diesem Gebiet wiedergibt. JP-A-55-8361 (geprüft 48134/84) beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Glasofens mit Verwendung von Nachbrennern zur Einleitung zusätzlichen Brennstoffs in den Ofen in der Nachbarschaft einer Öffnung, eines Regenerators, einer Wärmeaustauschkammer oder eines Feuerzuges. US-A-4347072 diskutiert diese Beschreibung und weist auf Probleme beim Betrieb eines Glasofens in der in JP-A-55-8361 beschriebenen Weise hin. US-A- 4347072 beschreibt ein anderes Verfahren zum Betrieb mit Zuführung von Kohlenwasserstoffen in die Abgase aus der Brennstoffverbrennung oberhalb der Glasschmelze und nachfolgendem Verbrennen dieses überschüssigen Brennstoffs im Ofen, um Wärmeenergie für den Schmelzvorgang zu erzeugen.
Es wurde stets angenommen, daß ein mit den reduzierenden, d.h. substöchiometrischen, Schmelzbedingungen arbeitender Glasofen Glas geringer Qualität erzeugt.
US-A-4559100 im Namen des großen Glasherstellers PPG beschreibt ein Verfahren, bei dem verhindert wird, daß die Bedingungen in der Umgebung des schmelzenden Glases substöchiometrisch werden, um die Erzeugung von Glas von geringer Qualität zu vermeiden. Das Verfahren erfordert, daß zusätzlicher Brennstoff in die Schmelzkammer mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit und ausreichendem Volumen in die Schmelzkammer eingespritzt wird, um einen O&sub2;-reichen Bereich oberhalb des Glases und einen Brennstoff-reichen Bereich darüber zu erzeugen, und ferner eine verhältnismäßig geringe Gesamtmenge an überschüssiger Luft und eine wenigstens im wesentlichen vollständige Verbrennung im Zeitpunkt des Austritts der Verbrennungsgase aus der Schmelzkammer hervorzurufen. Substöchiometrische Bedingungen sind natürlich von Zeit zu Zeit in Glasbehältern aufgetreten, und da sie zu schlechtem Glas führten, wurden die Leute dadurch abgehalten, im Ofen kontinuierlich mit reduzierten Bedingungen zu arbeiten.
US-A-4372770 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Ofens sowie eines regenerativen Glasofens, welche die Merkmale der Oberbegriffe der Ansprüche 1 bzw. 22 aufweisen.
Es hat sich nun gezeigt, daß eine Verringerung des Anteils von NOx in den einen Feuer- oder Rauchzug eines Glasschmelzbehälters verlassenden Abgasen erreicht werden kann, indem sichergestellt wird, daß die den Ofen verlassenden und in den Regenerator eintretenden Abgase Brennstoff enthalten, der keiner vollständigen Verbrennung unterzogen wurde. Alle früheren Vorschläge, unter nicht-stöchiometrischen Bedingungen zu arbeiten, betreffen die Schmelzkammer und die Gewährleistung, daß oxidierende Bedingungen in der Schmelzkammer jederzeit aufrechterhalten werden, wobei bei der Zuführung von überschüssigem Brennstoff gewährleistet wird, daß er verbrannt wird, bevor er in das Regeneratorsystem eintritt, oder daß beim Durchleiten des Brennstoffs durch den Regenerator die Bedingungen im wesentlichen oxidierend bleiben. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß es möglich ist, die Menge von NOx in den aus einem regenerativen Glasschmelzbehälter austretenden Abgasen minimal zu machen, indem gewährleistet wird, daß brennbare Stoffe in den Abgasen vorhanden sind, wenn diese durch die Regeneratoren strömen. Dieses brennbare Material ist eine Mischung von unverbranntem Brennstoff, durch die Wirkung von Wärme auf den Brennstoff erzeugtem brennbarem Material und anderen in dieser Pyrolyse erzeugten Radikalen. Ein Teil dieses Materials kann mit NOx in den Abgasen reagieren und dasselbe in unschädliches Material umwandeln. Es ist wesentlich, mit einem abgedichteten Regenerator zu arbeiten, so daß der Eintritt von Luft in die Regeneratoren derart ist, daß eine unkontrollierte Verbrennung innerhalb der hitzefesten Packung oder Gitterwerkanordnung vermieden wird, welche die Wirksamkeit des Verfahrens zur Beseitigung von NOx aus den Abgasen verringert. Insbesondere sind die Brenner zu den Brennerblock-/Mischraumauskleidungen der Regeneratoren abgedichtet. Es ist gewährleistet, daß keine überschüssige Luft in der Gitterwerkanordnung vorhanden ist, welche eine unkontrollierte Verbrennung des Brennstoffs innerhalb der Gitterwerkanordnung verursachen würde, wodurch die Packung infolge Überhitzung beschädigt würde. Das brennbare Material wird durch Zugabe von Luft verbrannt, vorzugsweise nach dem Verlassen der Gitterwerkanordnung der Regeneratoren oder an Stellen innerhalb der Gitterwerkanordnung in Abhängigkeit von der im Regeneratorsystem herrschenden Temperatur.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines regenerativen Glasofens zum Schmelzen von Glas derart, daß die Emission von NOx in den Ofen verlassenden Abgasen minimal ist, wobei der Ofen eine Schmelzkammer und Regeneratoren aufweist, die als Wärmeaustauscher wirken, wobei das Verfahren umfaßt: Einleiten von Luft und Zuführen von Brennstoff zur Schmelzkammer des Ofens, um zu gewährleisten, daß Glas einer erforderlichen Qualtität bei der erforderlichen Produktionsgeschwindigkeit erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen zum Schmelzen von Glas für die Herstellung von geformten Glasartikeln dient, die Regeneratoren abgedichtet sind und Brennstoff im Überschuß bezüglich desjenigen, der für die Gewährleistung der Glasqualität und der Produktionsgeschwindigkeit erforderlich ist, wenigstens der Schmelzkammer oder den abgedichteten Regeneratoren derart zugeführt wird, daß die Abgase in den abgedichteten Regeneratoren brennbares Material enthalten, das mit NOx in den Abgasen reagieren kann, und daß sodann das brennbare Material mit ausreichend Luft zur Reaktion gebracht wird, um zu gewährleisten, daß die den Ofen durch die Regeneratoren verlassenden und an Atmosphäre austretenden Abgase zulässige Werte des brennbaren Materials und zulässige Werte von NOx enthalten.
Der Ofen kann ein mit U-Flammenwanne (end-fired) oder mit Kreuzbrenner (cross-fired) befeuerter Ofen sein. Beispiele für geformte Glasartikel sind Behälter, wie Flaschen oder Gefäße und Töpfe, Trinkgläser, Haushaltsgeschirr, Pressglaswaren und dergl.
Eine Art der Ausführung der Erfindung (nachfolgend als Betrieb "Typ 1" bezeichnet) besteht darin, unter im wesentlichen substöchiometrischen Bedingungen im Schmelzbereich des Ofens zu arbeiten, indem überschüssiger Brennstoff zum Schmelzbereich zugeführt und ermöglicht wird, daß brennbares Material den Ofen durch die abgedichteten Regeneratoren vermischt mit den Abgasen verläßt. Bei einer anderen Durchführung der Erfindung (nachfolgend als Betrieb "Typ 2" bezeichnet) wird der Schmelzofen mit einer begrenzten Menge von Verbrennungsluft betrieben, so daß sie im wesentlichen stöchiometrisch ist und Brennstoff zu den Abgasen zugeführt wird, wenn diese den Schmelzbereich verlassen und in den abgedichteten Regeneratoraufbau eintreten. Bei dieser Anordnung kann entweder überschüssige Luft oder überschüssiger Brennstoff im Schmelzofen anwesend sein. Dieser Nachofen- Brennstoff wird durch die vorhandenen Brenner oder durch zusätzliche getrennte "Brennstoffbrenner" im Brennermaulbereich zugegeben. In beiden Fällen wird Luft zu den Abgasen hinzugefügt, wenn diese die Gitterwerkanordnung der Regeneratoren verlassen, um im wesentlichen alles brennbare Material durch Verbrennen desselben mit der zugegebenen Luft zu beseitigen.
In einem typischen gasbefeuerten Glasschmelzofen wird der Schmelzvorgang mit rund 5% überschüssiger Luft durchgeführt, die normalerweise einen NOx-Gehalt in den Kaminabgasen von rund 2500 mg/m³ erzeugt. In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die angegebenen Konzentrationen (z.B. mg/m³) auf die Bedingungen der TALuft, d.h. bei 80% O&sub2; trocken gemessen, in einem trockenen Abgasvolumen, und die NOx-Emissionen sind als NO&sub2;-Emissionen ausgedrückt. Volumetrische Messungen beziehen sich alle auf 760 mmHg und 0ºC, und Teile je Million (ppm) sind in volumetrischen Ausdrücken wiedergegeben. Wir haben gefunden, daß ein Betrieb mit verringerten Mengen von überschüssiger Luft gegenüber bekannten Öfen, d.h. bei Anwendung stöchiometrischer oder substöchiometrischer Bedingungen, nicht nur weniger NOx innerhalb der Schmelzkammer erzeugt wird, sondern auch der restliche Brennstoff das vorhandene NOx in den Regeneratoren zu N&sub2; reduziert. Diese Doppelwirkung verursacht eine wesentliche Verringerung der Menge von NOx, die in den Kaminabgasen freigesetzt wird. Die Erfindung kann NOx-Kaminemissionen von weniger als 500 mg/m³ erzielen.
Wir haben gefunden, daß trotz der früheren Annahme, daß der Betrieb eines Glasofens oder -behälters unter im wesentlichen reduzierenden Bedingungen zu Glas geringer Qualtität führen würde, ein Betrieb möglich ist, bei dem die dem Behälter zugeführten Mengen von Brennstoff und Verbrennungsluft derart sind, daß die Reaktionsbedingungen ohne nachteilige Wirkungen im wesentlichen substöchiometrisch sind. Wir glauben, daß dies nur möglich ist, wenn eine sehr sorgfältige Kontrolle der Stöchiometrie innerhalb des Ofens erfolgt und wenn die substöchiometrischen Bedingungen durch Anwendung von überschüssigem Brennstoff statt ungenügender Luft oder auch Zuführung unzureichender Energie zum Schmelzvorgang, wodurch sich Glasqualtität und/oder Herstellungsgeschwindigkeit verschlechtern, erzeugt wird. Es wird bevorzugt, nicht nur den Sauerstoffgehalt am Auslaßmaul, sondern auch die Menge von unverbranntem brennbarem Material an dieser Stelle zu überwachen. Es muß sichergestellt werden, wenn die Bedingungen im Ofen im wesentlichen substöchiometrisch sind, daß ausreichend Brennstoff verbrannt wird, um die Menge der für die Erzeugung von geschmolzenem Glas in ausreichender Menge und Qualität erforderliche Wärmemenge zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren des NOx-Gehalts in Abgasen, die durch die Verbrennung von Brennstoff in einem regenerativen Ofen zum Schmelzen von Glas für die Herstellung von geformten Glasartikeln erzeugt werden, wobei der Ofen eine Schmelzkammer und abgedichtete Regeneratoren aufweist und das Verfahren die Schritte umfaßt: Messen der brennbaren Stoffe und des Sauerstoffs in den Gasen an mindestens einer Stelle in der Schmelzkammer und Regeln der Zuführung von Brennstoff von Verbrennungsluft in Abhängigkeit von diesen Maßnahmen, um sicherzustellen, daß innerhalb der Schmelzkammer das durchschnittliche stöchiometrische Verhältnis im wesentlichen unterhalb desjenigen liegt, das zum Bewirken einer vollständigen Verbrennung erforderlich ist, während gewährleistet bleibt, daß der tatsächlich verbrannte Anteil des Brennstoffs nicht geringer ist als derjenige, der durch die Wärmeeingabeerfordernisse des Schmelz- und Läuterungsverfahrens bedingt wird, die in der Schmelzkammer auftreten, und Zuführen von zusätzlicher Verbrennungsluft zu den Abgasen, nachdem diese die Schmelzkammer (manchmal als Schmelz- und Läuterungskammer bezeichnet) verlassen haben und bevor sie an die Atmosphäre austreten, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung aller in den Abgasen verbleibenden brennbaren Stoffe zu gewährleisten.
Der Ofen kann mit U-Flammenwanne (end-fired) oder mit Kreuzbrenner (cross-fired) befeuert werden. Der bevorzugte Flammenwannenofen weist ein Paar von Öffnungen oder Mäulern längs eines Endes der Schmelz- und Läuterungskammer sowie ein Paar der abgedichteten Regeneratoren auf, deren jeder jeweils mit einer der Öffnungen oder Mäuler in Verbindung steht.
Der beim bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Flammenwannenofen wird normalerweise zur Herstellung von geschmolzenem Glas für die Erzeugung von Behältern angewendet.
Erfindungsgemäß können sowohl Sauerstoff als auch die Brennstoffe in den Gasen gemessen werden. Die Messung wird an den die Schmelz- und Läuterungskammer verlassenden Abgasen, z.B. am Ofenmaul, durchgeführt.
Wie oben angegeben, besteht ein anderes Verfahren zur Gewährleistung, daß brennbares Material durch die Regeneratoren mit den Abgasen hindurchströmt, darin, daß Brennstoff den Abgasen zugeführt wird, wenn sie durch das Ofenmaul austreten. Dies kann durch Anordnen von Brennstoffzuführeinrichtungen an den Stellen der Nachbrenner erfolgen. Nachbrenner können im Weg der austretenden Abgase angeordnet werden. Der Brennstoff kann in die Abgase in der gleichen Strömungsrichtung oder im Gegenstrom eingeleitet werden. Nachbrenner können eine getrennte Einrichtung zum Zuführen von Brennstoff in die Abgasströmung sein, oder es können die nicht befeuernden Brenner auf der Abgasauslaßseite des Ofens zum Einleiten von Brennstoff in die Abgasströmung verwendet werden. Die Bedingungen innerhalb der Schmelzkammer werden vorzugsweise auf einem stöchiometrischen Wert oder darunter gehalten, um die Verbrennung von mehr Brennstoff, als es für den NOx-Reduktionsvorgang erforderlich ist, zu vermeiden.
Sekundärluft wird an Stellen innerhalb des Regenerator-/Feuerzugsystems eingeleitet, wo die Temperaturen eine Zündung der brennbaren Stoffe ermöglichen, um die Verbrennung zu beenden und sicherzustellen, daß die an die Atmosphäre austretenden Gase im wesentlichen frei von brennbaren Materialien sind. Es ist wesentlich, daß das Regeneratorsystem gegen das Eintreten von Luft im wesentlichen abgedichtet ist, so daß die Einleitung von Sekundärluft gesteuert werden kann und eine Verbrennung hauptsächlich nur außerhalb der Regeneratorpackung/Gitterwerkanordnung stattfindet.
Die Menge des brennbaren Materials und Sauerstoffs, die am Auslaßmaul vorhanden ist, kann an Ort und Stelle gemessen werden oder durch extraktive Analyse unter Verwendung von zur Verfügung stehenden Geräten. Solche Geräte können eine Zirkondioxidsonde zur Messung von Sauerstoff und eine katalytische Zelle zur Messung der Brennstoffe aufweisen. Der Gasanalysator Teledyne 980 ist für diesen Zweck zufriedenstellend. NOx kann durch Verwendung eines tragbaren Abgasanalysators Lancom 6500 oder eines Chemoluminiszenzanalysators Signal gemessen werden.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren ferner die Beseitigung von CO aus den Abgasen im Regenerator durch Verbrennung von CO in rund 8% überschüssiger Luft, bezogen auf die Verbrennungsluft für den zugeführten Brennstoff bei einer Temperatur von mehr als 650ºC.
Die Erfindung schafft ferner einen regenerativen Glasofen zum Schmelzen von Glas, wobei der Ofen aufweist: eine Schmelzkammer und Regeneratoren, die Gitterwerkanordnungen enthalten, die als Wärmeaustauscher wirken, ferner eine Vorrichtung zum Verringern der Emission von NOx in den Ofen verlassenden Abgasen, wobei die Vorrichtung Einrichtungen zur Zuführung von zusätzlichem Brennstoff in die Abgase aufweist, wenn diese die Schmelzkammer des Ofens verlassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen der Herstellung von geformten Glasartikeln dient, die Regeneratoren abgedichtet sind, der Ofen so betreibbar ist, daß NOx-Emissionen in irgendwelchen an die Atmosphäre austretenden Abgasen auf weniger als 500 mg/m³ verringert werden, gemessen unter den Bedingungen der TALuft, und der Ofen ferner Warmbearbeitungsbrenner für die Zuführung von heißer Luft unterhalb der Gitterwerkanordnungen aufweist, die Brenner eine Temperatur von wenigstens 650ºC unterhalb der Gitterwerkanordnungen aufrechterhalten können, so daß CO durch die heiße Luft oxidiert wird, wodurch CO-Emissionen in allen an die Atmosphäre austretenden Abgasen auf weniger als mg/m³, gemessen unter den Bedingungen der TALuft, verringert werden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines regenerativen Flammenwannenofens;
Figur 2 einen schematischen Querschnitt des in Fig.1 gezeigten Ofens; und
Figuren 3 bis 7 graphische Darstellungen, welche die Änderung der Sorten in den Abgasen, wie NOx und CO, bei verschiedenen Betriebsparametern unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellen.
Figuren 1 und 2 zeigen einen regenerativen Glasschmelzofen 2, der mit U-Flammenwanne befeuert ist und normalerweise zum Schmelzen von Glas für die Verwendung zum Herstellen von Behältern angewendet wird. Statt dessen könnte jedoch auch ein Kreuzbrennerofen angewendet werden. Der Kreuzbrennerofen kann ein Mehrfachmaulofen sein.
Der Ofen 2 gemäß der dargestellten Ausführungsform ist ein U-Flammenwannenofen, der ein Paar von abgedichteten Regeneratoren 4,6 enthält, die nebeneinander angeordnet sind. Die Regeneratoren 4,6 können mit zu öffnenden Zugangslöchern versehen sein, um Inspektion, Einleiten von Luft zum Ausbrennen von Brennstoffen, Meßinstrumenten und dergleichen zu ermöglichen. Jeder Regenerator 4,6 hat eine untere Kammer 8, eine feuerfeste Gitterwerkanordnung 10 oberhalb der unteren Kammer 8 und eine obere Kammer 12 oberhalb der Gitterwerkanordnung 10. Jeder Regenerator 4,6 hat jeweils eine Öffnung oder einen Durchlaß 14,16, der die entsprechende obere Kammer 12 mit einer Schmelz- und Läuterungskammer 18 des Ofens 2 verbindet, sowie jeweils einen Verbrennungslufteinlaß 20,22, welcher jeweils mit der entsprechenden unteren Kammer 8 des Regenerators 4,6 verbunden ist. Die Verbrennungslufteinlässe 20,22 können sowohl an eine Verbrennungsluftquelle als auch an einen (nicht gezeigten) Kamin für die Abgase angeschlossen werden. Ein oder mehrere Brenner 24,26, von denen nur einer gezeigt ist, ist in einem Halsabschnitt 28,30 des jeweiligen Durchlasses 14,16 angeordnet. Die Brenner 24,26 sind so ausgebildet, daß sie Brennstoff, wie Erdgas, flüssiges Petroleumgas, Brennstofföl oder andere gasformige oder flüssige Brennstoffe verbrennen können, die für die Verwendung in einem Glasschmelzofen geeignet sind und daher Wärme zum Schmelzen und Läutern der Glasherstellungsmaterialien in der Kammer 18 liefern. Die Schmelz- und Läuterungskammer 18 wird mit Glasherstellungsmaterialien an einem Ende 32 derselben beschickt, an welchem ein Einlegevorbau 33 angeordnet ist, und weist an ihrem anderen Ende 34 einen Schmelzglasverteiler 36 auf, der aus einer Reihe von Mäulern 38 besteht, durch welche geschmolzenes Glas aus der Schmelz- und Läuterungskammer 18 entnommen werden kann. Das Glas kann von der Schmelz/Läuterungskammer zum Verteiler 36 durch eine Verengung fließen.
Bei Betrieb werden die Regeneratoren 4,6 zyklisch abwechselnd zwischen Verbrennungsluft- und Abgaszyklen betrieben. So wird beispielsweise in einem Zyklus Verbrennungsluft durch den Einlaß 20 und in die untere Kammer 8 des Regenerators 4 geleitet. Die Verbrennungsluft strömt sodann durch die Gitterwerkanordnung 10 des Regenerators 4, wo sie vorerhitzt wird, und sodann strömt die Verbrennungsluft durch die obere Kammer 12, durch den Durchlaß 14 und durch die Verengung 28, wo die Verbrennungsluft in die Schmelz- und Läuterungskammer 18 geleitet wird. Der Brenner 24 wird in Betrieb gesetzt. Die Abgase aus der Schmelz- und Läuterungskammer 18 strömen durch den Durchlaß 16 des anderen Regenerators 6 und nach unten durch diesen anderen Regenerator 6, wo die Abgase durch die Leitung 22 abgezogen werden. Beim nächsten Zyklus erfolgen die Gasströme in der entgegengesetzten Richtung, und der Brenner 26 wird statt dem Brenner 24 in Betrieb genommen.
Die Brenner 24,26 können in einer Anzahl von möglichen Ausformungen angebracht werden, z.B. einer Durchlaßform, einer Seitenöffnungsform oder einer Unteröffnungsform. Brennstoff, z.B. Erdgas, wird vom Brenner 24 (die bei der vorliegenden Ausführungsform Unteröffnungsbrenner sind) in den ankommenden Strom der vom Regenerator 4 während des Brennzyklus kommenden vorerhitzten Luft geleitet, und die erhaltene Flamme und die in dieser Flamme erzeugten Verbrennungsprodukte strömen von dem Durchlaß 14 überdie Oberfläche des schmelzenden Glases und übertragen Wärme auf dieses Glas in der Schmelz- und Läuterungskammer 18.
Es sind Einrichtungen zum Messen sowohl von Brennstoffen als auch Sauerstoff in den die Schmelz- und Läuterungskammer 18 an jedem Ofenmaul und an den Auslässen aus den Regeneratoren 4,6 sowie an der Basis des Kamins vorgesehen. Meßpunkte längs des Weges des Abgases sind in Fig.1 mit [1] bezeichnet. Der Schmelzofen 2 wird so betrieben, daß unverbranntes/teilweise verbranntes/pyrolysiertes Material in den Regenerator auf der Abgasseite des Ofens eintritt, so daß Einrichtungen für die Zugabe von zusätzlicher Luft zu den Abgasen, nachdem sie die Schmelz- und Läuterungskammer 18 verlassen, erforderlich sind, um sicherzustellen, daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung stattgefunden hat und kein oder sehr wenig brennbares Material durch den Kamin an die Atmosphäre austritt. Luft kann wahlweise durch Löcher im Feuerzug zugegeben werden, oder es kann Luft durch natürliches Eindringen eintreten, welche etwa 10% der gesamten Luftanforderung des Ofens betragen kann. Zusätzliche Luft kann bei [2] in Fig.1 zugegeben werden. Die endgültige Verbrennung aller zurückbleibenden Brennstoffe wird sodann so bewirkt, daß sie an den mit [3] bezeichneten Stellen stattfindet. Etwa 70% des brennbaren Materials in den Abgasen ist Kohlenmonoxid, und der Rest ist hauptsächlich Wasserstoff.
Bei Betrieb des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Glasschmelzofens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, (d.h. Betrieb Typ 1) wird der zu den Brennern zugeführte Brennstoff und die zugeführte Verbrennungsluft gesteuert, indem an dem Brennermaul und den Gitteroberseiten die Menge des vorhandenen Sauerstoffs und brennbaren Materials gemessen wird, um sicherzustellen, daß innerhalb der Schmelzkammer oder an Stellen längs der Schmelzkammer die Verbrennungsluftzuführung geringer ist, als es für eine vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffs erforderlich wäre. Normalerweise wird jede Zulieferung von Verbrennungsluft, die größer ist als die stöchiometrische Luftanforderung des zugeführten Brennstoffs, als Prozentsatz überschüssiger Luft bezeichnet, und in dieser Situation ist dies ein positiver Ausdruck. Bei dem vorliegenden Beispiel, bei dem die Luftmenge geringer ist als die für eine vollständige Verbrennung erforderliche, wird es zur leichteren Kontrolle in der gleichen Weise, jedoch als negativer Ausdruck dargestellt. Dies bedeutet, daß die Änderungen in der Menge an überschüssiger Luft in gleicher Weise überwacht und aufgezeichnet werden können, ob die zugeführte Luftmenge größer oder kleiner ist als die für eine vollständige Verbrennung erforderliche. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der an jeder Öffnung zugeführte Brennstoff und die Menge von Verbrennungsluft entsprechend den durchgeführten Messungen geregelt, so daß die Menge an überschüssiger Luft in der Schmelzkammer des Ofens im Bereich von -3% bis -10% der stöchiometrischen Verbrennungsluft, vorzugsweise zwischen -8% und -10% der Verbrennungsluft liegt. Für einen Mehrfachöffnungs- oder Mehrfachmaul-Ofen steigt vorzugsweise die Menge der überschüssigen Luft von Maul zu Maul von -15% am ersten Maul bis 0% am letzten Maul an. Die den dazwischenliegenden Mäulern zwischen dem ersten Maul und dem letzten Maul zugeführte Luf tmenge kann auf dem gleichen Wert von -15% liegen oder stufenweise abfallen, so daß sich ein Durchschnittswert von -9% ergibt.
Figur 3 zeigt, wie die NOx-Emissionen auf die überschüssigen Luftwerte an den Ofenmäulern in Beziehung stehen. Die ausgezogene Linie stellt die NOx-Konzentration am Ofenmaul dar, und die gestrichelte Linie stellt die NOx-Konzentration im Kamin dar. Es ist ersichtlich, daß bei geringen Mengen unterhalb -2% der überschüssigen Luft am Ofenmaul die NOx-Konzentration im Kamin relativ zu derjenigen im Ofenmaul verringert ist, und dies zeigt an, daß eine NOx-Reduktion im Regenerator zwischen dem Ofenmaul und dem Kamin stattgefunden hat. Die NOx verringernde Reaktion hat hauptsächlich in der Gitterwerkanordnung als Ergebnis des die NOx-Sorte darin reduzierenden überschüssigen Brennstoffs stattgefunden. Der negative überschüssige Luftwert ist äquivalent zum entsprechenden positiven überschussigen Brennstoffwert. Für den Betrieb Typ 1 sollte ein Mangel an Luft von mindestens -3% bezüglich des stöchiometrischen Werts bestehen, d.h. mindestens etwa -3% überschüssiger Luft am Ofenmaul zur Auslösung der NOx verringernden Reaktion, was zu rund höchstens -3% überschüssiger Luft an der Gitteroberseite führt, was wiederum zu überschüssigem Brennstoff in der Gitterwerkanordnung führt, welcher eine Reduktion des darin enthaltenen NOx bewirkt. Bei größeren Mengen negativer überschüssiger Luft, d.h. bei größeren Luftmengen, haben wir gefunden, daß einige Verringerung an NOx in der oberen Kammer des Regenerators stattfindet.
Wir haben für einen Mehrfachmaul-Ofen gefunden, daß, solange das letzte Maul auf weniger reduzierenden/mehr oxidierenden Bedingungen gehalten wird als das vorangehende Maul, keine nachteilige Wirkung auf die Glasqualität ausgeübt wird. Der für die überschüssige Luftmenge gewählte Wert steht nicht nur in Beziehung zu den erforderlichen Emissionsgrenzen für NOx, sondern auch zum Wärmeverlust infolge von die Schmelzkammer verlassendem unverbranntem Material, und sie ändert sich mit der Form des jeweiligen Schmelzofens und den örtlichen Erfordernissen bezüglich der Emissionen. In bestimmten Fällen kann es gut möglich sein, mit überschüssigen Luftwerten zu arbeiten, die an den stromaufwärts gelegenen Mäulern in der Grössenordnung von -4% gehalten werden und auf etwa -1 bis 0% am letzten Maul ansteigen. Die Überwachung auf regulärer Basis der Abgase (sowohl Sauerstoff als auch Brennstoffe) ermöglicht eine Einstellung der Zuführung sowohl von Brennstoff als auch Verbrennungsluft, wenn erforderlich, um eine enge Kontrolle der überschüssigen Luft an jedem Ofenmaul aufrechtzuerhalten und so jeden unzulässigen Anstieg der NOx-Emission oder jede Verschlechterung der Glasqualität zu vermeiden. Optimale Luft- und Brennstoffwerte müssen für jedes Maul erzeugt werden, um die angestrebten Emissionen zu erreichen. Dies ist erforderlich, da die genauen Mengen von den jeweiligen Charakteristiken jedes Mauls abhängen. Für eine Optimierung von Maul zu Maul werden die NOx-Konzentrationen an dem überbrückenden Feuer- oder Rauchzug gemessen, wobei unter Verwendung von tragbaren Meßgeräten Prüfungen am Kamin vorgenommen werden.
Beim Betrieb Typ 2 wird der Schmelzofen unter im wesentlichen stöchiometrischen Bedingungen betrieben, d.h. bei rund 0% überschüssiger Luft, und überschüssiger Brennstoff wird den Abgasen außerhalb der Ofenkammer zugegeben. Dies ist eine Brennstoffzugabe zur Nachofenverbrennung. Der Brennstoff kann zweckmäßigerweise durch die Brenner auf der Nichtfeuerungsseite zugegeben werden. Für einen guten Wirkungsgrad und die Sicherheit des Gitterwerks sollte Nachofenbrennstoff nur zugegeben werden, wenn die überschüssige Luft am Ofenmaul eng am stöchiometrischen Wert liegt, oder besser bei einem substöchiometrischen Wert. Infolge des Vorhandenseins von überschüssiger Luft in den Abgasen am Brennermaul wird ein Teil des zugegebenen Brennstoffs verbraucht, was einen Anstieg der Temperatur der Abgase in der oberen Kammer und in der Gitterwerkanordnung und einen entsprechenden Anstieg der Gitterwerktemperatur hervorruft.
Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen der NOx-Konzentration am Brennermaul (ausgezogene Linie) und am Kamin (gestrichelte Linie) und der überschüssigen Luft am Brennermaul. Es ist ersichtlich, daß beim Arbeiten mit stöchiometrischen Bedingungen die NOx-Konzentration im Kamin durch Zugeben steigender Mengen von Nachverbrennungs-Brennstoff verringert werden kann, was eine NOx-Reduktion in der Gitterwerkanordnung hervorruft, die zu verringerten NOx-Konzentrationen in den Kamingasen führt. Um die NOx verringernde Reaktion über den Regeneratoren auszulösen, wird mindestens 3% überschüssiger Brennstoff, als Prozentsatz der Hauptbrennstoffzuführung, zugegeben, und vorzugsweise werden rund 8 bis 10% überschüssiger Brennstoff zugegeben. Der Vorteil des Betriebes Typ 2 besteht darin, daß keine wesentlichen Änderungen des Glasofens erforderlich sind, außer daß zusätzliche Einrichtungen für das Einspritzen des zugegebenen Brennstoffs auf der Nichtfeuerungsseite vorgesehen werden müssen. Darüber hinaus ist der Betrieb vom Typ 2 allgemein geeignet für Gläser, bei denen es nicht zweckmäßig ist, mit substöchiometrischen Bedingungen im Schmelzbehälter zu arbeiten.
Es ist ferner möglich, den Ofen so zu betreiben, daß NOx-Reduktion durch Anwendung von hybriden Bedingungen vom Typ 1 und Typ 2 erzielt wird. Bei einem solchen Betrieb wird der Ofen unter substöchiometrischen Bedingungen mit beispielsweise höchstens -2% überschüssiger Luft am Auslaßmaul betrieben, und überschüssiger Brennstoff, beispielsweise wenigstens 3% überschüssiger Brennstoff, wird in die Abgase auf der Nichtfeuerungsseite eingespritzt. Figur 5 zeigt die Beziehung zwischen der NOx-Konzentration im Kaminabgas bezüglich der überschüssigen Luft an der Gitteroberseite mit einer Brennstoffzugabe auf der Nichtfeuerungsseite. Es ist ersichtlich, daß bei rund -2% überschüssiger Luft und mit einer Brennstoffzugabe die NOx-Konzentration stark verringert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Glasschmelzofen so ausgebildet, daß die thermische Feuerung des Ofens zur Erzeugung von Wärme durch elektrothermische Einrichtungen innerhalb des Ofens verringert wird.
Beim Betrieb sowohl nach Typ 1 als auch Typ 2 und auch beim hybriden Betrieb von Typ1/2 liegen die erhöhten Werte der für die Reduzierung von NOx erforderlichen Rohbrennstoffeingabe normalerweise 5 bis 15% über den normalerweise für die Erzeugung von Glas mit der gewünschten Geschwindigkeit und Qualität angewendeten Werten.
Um die finanziellen Verluste aufgrund der Erhöhung des im Glasschmelzofen zur Reduzierung von NOx erforderlichen Brennstoffs minimal zu machen, können wir in solcher Weise arbeiten, daß die erhöhten Brennstoffkosten durch Verbesserung des gesamten thermischen Wirkungsgrades des Glasschmelzofens beispielsweise durch Zugabe von Dampf zu der dem Ofen zugeführten Verbrennungsluft ausgeglichen werden.
Die Zugabe von Dampf normalerweise mit einem Wert von etwa 6 Vol.-% des stöchiometrischen Werts der dem Ofen für die Verbrennung zugeführten Luft (alle Volumina sind auf die Normalwerte von 0ºC und 760 mm Hg bezogen) kann den thermischen Wirkungsgrad des Glasschmelzofens um 5% verbessern. Die Luftvorheizung wird durch Erhöhung der Strahlungswärmeübertragung zwischen dem Gitterwerk und, noch wichtiger, der oberen Kammer des Regeneratoraufbaus durch Erhöhung der Menge der in der Verbrennungsluft enthaltenen Gasarten, die Strahlungswärme aufnehmen, verbessert.
Der Anstieg des verfügbaren Wärmeinhalts der Abgase, der auf der 5-15%igen Erhöhung des im Ofen für die Reduzierung von NOx verbrannten Brennstoffs beruht, kann direkt zur Erzeugung von Dampf für diesen oder andere Zwecke verwendet werden.
Die Wirkung der NOx verringenden Vorgänge gemäß der Erfindung beim Ofenbetrieb und bei anderen Emissionen wurde ebenfalls untersucht. Die Zugabe des Nachofenbrennstoffs hatte keine langdauernde Wirkung auf die SO&sub2;-Emission aus dem Ofen, und es konnten keine Spuren von H&sub2;S, HCN oder NH&sub3; in den im Kamin gemessenen Abgasen entdeckt werden.
Ferner beeinflußte die Zugabe von Nachofenbrennstoff die Zusammensetzung des Staubes nicht nachteilig, der aus dem elektrostatischen Ausfällgerät gewonnen wurde, das mit dem Kaminzug verbunden ist.
Die Erfinder überwachten auch die Kohlenmonoxid-Emissionen aus dem Kamin des Glasschmelzofens. Bei Verwendung von abgedichteten Regeneratoren, die wenig Eindringen von Luft in die obere Kammer oder die Gitterwerkanordnungen ergaben, und bei stöchiometrischem oder substöchiometrischem Betrieb des Ofens ist noch ein Teil des am Ofenmaul zugeführten Brennstoffs am Gitterrost des Ofens, d.h. stromabwärts des Regenerators, als unverbrannte Gase vorhanden. Die unverbrannten Gase müssen verbrannt werden, bevor sie aus dem Kamin austreten, und die unverbrannten Gase sind eine komplexe Mischung von Sorten, von denen normalerweise etwa 70% als Kohlenmonoxid vorhanden sind, wobei der Rest hauptsächlich Wasserstoff ist. Zusätzlich kann der zugegebene Brennstoff bis zu 30% oder mehr Brennstoffe, wie Kohlenmonoxid, erzeugen, als man aus dessen einfachem Aufbrechen durch Verbrennung erwarten würde. Es ist notwendig, daß ausreichend Luft zu den Abgasen stromabwärts der Gitterwerkanordnung zugegeben wird, um eine vollständige Verbrennung eintreten zu lassen, so daß das Kohlenmonoxid und andere brennbare Stoffe oxidiert werden. Diese Luft kann infolge eines natürlichen Eindringens vorhanden sein, oder sie kann den Abgasen stromabwärts der Gitterwerkanordnung zugegeben werden. Es ist notwendig, wenn die erforderliche Luft anwesend ist, daß die Temperatur für das Eintreten der Oxidation in vernünftiger Größenordnung hoch genug ist. Das Verbrennen von Kohlenmonoxid oder anderer brennbarer Stoffe in der Regeneratorbasis und den Feuerzügen ist von der Freisetzung von Wärme begleitet, was erhöhte Abgastemperaturen ergibt, wobei angenommen wird, daß das Eindringen von kalter Luft nicht übermäßig stark ist. Als erläuterndes Beispiel wird angegeben, daß die Erfinder entdeckt haben, daß Kohlenmonoxid-Emissionen in den Kamingasen auf normale oder unternormale Werte reduziert waren, vorausgesetzt, daß die Temperatur in der Regeneratorbasis und den Feuerzugbereichen oberhalb etwa 650ºC betrug und ausreichend Luft für eine vollständige Verbrennung der brennbaren Stoffe vorhanden war. Die Erfinder haben überraschenderweise gefunden, daß unter der Voraussetzung, daß die Temperatur in der Regeneratorbasis und den Feuerzugbereichen oberhalb 650ºC betrug, die CO verringernde Reaktion ausgelöst und sodann im Mittelzug des Ofens fortgesetzt wurde, in welchem eine lange Verweilzeit der Gase besteht, die eine vollständige CO-Beseitigung sicherstellt. Annehmbar niedrige CO-Werte in den Kaminemissionen konten durch Verwendung eines Brenners oder von Brennern für die Zuführung von erhitzter Luft in die Regeneratorbasis erreicht werden, was die Temperaturen bis auf etwa 700ºC anhob. Es wurde gefunden, daß die einfache Zugabe von zusätzlicher unerhitzter Luft am Gitterrost (rider arch) oder auch an Stellen höher am Gitterwerk nicht ausreichte, um ein wirksames Ausbrennen des Kohlenmonoxids in der unteren Regeneratorkammer und den überbrückenden Feuerzügen zu erreichen, da die Temperaturen zu niedrig lagen, d.h. unterhalb des Schweliwertes von etwa 650ºC. Wenn der Ofen mit Nachbrenner- Brennstoff an allen Öffnungen oder Mäulern betrieben wurde, wurden niedrige CO-Werte von etwa 180 ppm im Kamin infolge der starken Verbrennung im Hauptzug erreicht, wodurch gewährleistet wurde, daß alle Abgase die kritische Temperatur von etwa 650ºC erreichten, da die angegebene Hauptzugtemperatur auf 680ºC anstieg. Solche höheren Feuer- oder Rauchzugtemperaturen können im Schmelzofen leicht erreicht werden, vorausgesetzt, daß die feuerfeste Auskleidung des Hauptzuges eine Temperaturauslegungsgrenze besitzt, die höher liegt als die durch die CO-Verbrennung im Hauptzug erreichte. Wenn darüber hinaus ein Abwärmeboiler im Kaminzug vorgesehen ist, muß möglicherweise die voreingestellte Boilereinlaßtemperatur angehoben oder der Boilereinlaß überbrückt werden, so daß die Wärmekapazität des Boilers nicht überschritten wird. Ferner kann es notwendig sein, die Abgase vor deren Durchleitung durch die Verunreinigungsbehandlungsanlage und das elektrostatische Ausfällgerät abzukühlen. Dies kann durch Wasserbesprühen und/oder Verdünnung mit zusätzlicher Luft erreicht werden. Um sicherzustellen, daß ausreichend Luft für die vollständige Verbrennung des CO im Bereich der Regeneratorbasis und des Rauchzugs vorhanden ist, kann ein willkürliches Eintreten von Luft an einer geeigneten Stelle vorgesehen werden.
Die Erfinder haben bestimmt, daß die ideale Lage im Regeneratorsystem zur Erzielung des Ausbrennens von CO und anderer brennbarer Stoffe in der unteren Kammer unterhalb des Gitterrostes liegt. Die Erfinder haben bestimmt, daß ein maximales Ausbrennen von CO bei rund 8% eintretender Luft auftrat, was den CO-Wert auf etwa 2000 ppm verringerte. Fig.6 zeigt die Beziehung zwischen dem CO-Wert in Bezug auf die Luftzugabe (ausgezogene Linie) und zwischen der Temperatur und der Luftzugabe (gestrichelte Linie) am Gitterrost des Durchlasses 2 des Ofens, wie in Fig.1 und 2 dargestellt, wobei der CO- Wert und die Temperatur im wesentlichen in der Mitte des überbrückenden Zuges an Stelle B gemessen wurde. Vor dem Eintreten von Luft waren etwa 3 bis 6% unverbrannte Gase am Gitterrost, und die Temperatur der Abgase war niedriger als 650ºC, so daß die Temperatur und der Sauerstoffgehalt zu niedrig waren, um eine CO-Beseitigung auszulösen. Es wurde das Eintreten von Luft in die untere Kammer am Durchlaß 2 durch die Reinigungslöcher direkt oberhalb des Gitterrostes zugelassen, und dies verringerte die Konzentration von CO am Gitterrost, die etwa 25000 - 30000 ppm mit etwa 5000 ppm CO an der Stelle B des Überbrückungszuges betrug, auf etwa 2000 ppm an der Stelle B des Überbrückungszuges. Wie aus Fig.6 ersichtlich, erhöhte ein Anstieg der eintretenden Luft das Verbrennen des CO, bis die maximale CO-Verringerung bei etwa 8% Luftzugabe eintrat, was eine CO-Menge von etwa 2000 ppm ergab. Oberhalb dieses Wertes der eintretenden Luft wurde ein weiteres Ausbrennen von Kohlenmonoxid nicht erreicht. Mit ansteigender Luftzugabe erhöhte sich die Temperatur auf ein Maximum von etwa 650ºC, wie bei einer prozentualenluftzugabe von etwa 8%. Die Abgastemperaturen stiegen bis zu etwa diesem Prozentsatz der Luftzugabe an, fielen aber sodann allmählich mit höheren Werten der Luftzugabe ab. Dies zeigt, daß oberhalb eines bestimmten Wertes der Luftzugabe diese die Abgase wirksam abkühlten, was die Oxidation von CO verhinderte. Eine visuelle Inspektion des Zuges zeigte blaßblaue dünne Flammen, welche CO-Oxidation anzeigten und an oder direkt unterhalb der Gitterroste begannen und sich in den Zug und an den Reinigungslöchern fortsetzten, wo die eintretende Luft auf die Abgase traf. Die in Fig.6 dargestellten Resultate zeigen an, daß eine wirksame Kohlenmonoxidverbrennung bei Werten des Lufteintretens von etwa 8% und einer Temperatur oberhalb etwa 650ºC erreicht werden konnte.
Um ein verbessertes Ausbrennen von Kohlenmonoxid zu erreichen, wurde die Temperatur der Luft/CO-Mischung unterhalb des Gitterrostes durch Zugabe von Wärme an dieser Stelle erhöht. Die Temperatur kann auch durch Bewegen der Zugschieber im Regeneratorsystem erhöht werden. Ein mit Erdgas befeuerter und mit hohem Luftüberschuß arbeitender Brenner, der Luft bei einer Temperatur von bis zu 900ºC liefern konnte, wurde bei diesem Beispiel nur an einer Öffnung oder einem Durchlaß des Ofens angeordnet. Dieser Brenner lieferte Luft mit etwas mehr als 800ºC und mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 m³/h des Brennergases, was etwa 6% des Brennstoffs an der Öffnung oder am Maul entsprach. Die Temperatur der Abgase wurde um etwa 20 bis 30ºC erhöht. Dies ermöglichte die Erzielung eines CO-Werts von weniger als 300 mg/m³ an der Stelle B des Überbrückungszuges gemäß Fig.1 infolge der erhöhten CO-Beseitigung.
Fig.7 zeigt die Beziehung zwischen der CO-Menge und der Erdgaseingabe des Brenners (ausgezogene Linie) und die Beziehung zwischen der Temperatur an den Überbrückungsstellen A und B (gestrichelte Linien) und der Erdgaseingabe. Es ist ersichtlich, daß bei Erhöhung der Gaszuführung des Brenners die Temperatur an den Stellen A bzw. B ansteigt und die CO-Konzentration schnell sinkt. Zusätzlich steigt mit der Erhöhung der Gaszuführung die überschüssige Luft unterhalb des Gitterrostes ebenfalls, da der Brenner erhitzte Luft liefert. Es ist ersichtlich, daß an der Stelle A bei einer Temperatur von etwa 650ºC der CO-Wert auf etwa 800 mg/m³ verringert wird.
Beim Betrieb Typ 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem Nachofen-Brennstoff zu den Öffnungen oder Mäulern zugegeben wird, wurde ein Anstieg der Abgastemperaturen festgestellt, und dieser war begleitet vom Vorhandensein von Flammen am Gitterrost, was eine spontane Verbrennung mit der überschüssigen, jedoch natürlich eintretenden oder hereinleckenden Luft anzeigte. Diese Verbrennung kann eine gewisse Oxidation des in den Verbrennungsprodukten vorhandenen Kohlenmonoxids verursachen. Wenn die Abgastemperatur im Hauptzug eine Temperatur von mehr als 650ºC erreichte, wurde eine extrem gute Verringerung an CO erreicht, und es wurde festgestellt, daß die Verbrennung im Hauptzug nach dem Meßpunkt fortgesetzt wurde. Bei natürlichem Eintreten von Luft betrug die Menge CO im Hauptzug etwa 500 ppm, die auf etwa 180 ppm CO im Kamin verringert wurde. Dies kann mit einer ursprünglichen Kaminkonzentration an CO von 250 ppm unter normalen Betriebsbedingungen verglichen werden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Verringerung der CO-Emissionen aus einem Glasschmelzofen erreichen.
Es wird angenommen, daß die oxidative Beseitigung von CO bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von etwa 650ºC und darüber durch die Anwesenheit von H&sub2;O in den Abgasen unterstützt wird, welches ein Verbrennungsprodukt des verbrannten Brennstoffs ist, insbesondere, wenn der Brennstoff Methan ist. Es wird angenommen, daß die Anwesenheit von H&sub2;O in den Gasen die Temperatur, bei der die CO-Oxidation eintreten kann, sowie die Temperatur herabsetzt, bei der eine maximale CO-Oxidation auftritt.
Die Erfindung kann beträchtliche technische Vorteile erzeugen, indem NOx-Emissionen aus Glasöfen für die Herstellung von geformten Glasartikeln auf weniger als 500 mg/m³ ohne wesentliche Änderungen des Ofenbetriebs und -aufbaus und ohne negative Beeinflussung der Glasqualität wesentlich verringert werden. Andere Emissionen lassen sich leicht steuern, z.B. kann die Emission von CO bis auf weniger als 300 mg/m³ gesteuert werden, und die Staubrezyklierung und elektrostatische Ausfällung werden nicht nachteilig beeinflußt. Es ist eine Verringerung des thermischen Wirkungsgrades infolge der erhöhten Brennstoffanforderung von bis zu 15% vorhanden, um die Qualität und Produktionsgeschwindigkeit des Glases aufrechtzuerhalten, jedoch mit verringerten NOx-Emissionen. Da jedoch keine kostspieligen NOx-verringernden katalytischen Systeme angewendet werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren bequem und kostengünstig in existierende Glasschmelzöfen eingebracht werden. Die Erfindung kann daher geringeren Kapitalaufwand und niedrigere Betriebskosten als Alternative zu anderen NOx-Steuerverfahren, wie selektive katalytische Reduktion (SCR), selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR) und Oxi-Brennstoffverfahren gemäß dem Stand der Technik, bieten.
Die Erfindung wird mit Bezugnahme auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Ein stirnseitig oder mit Flammenwanne befeuerter (end-fired) regenerativer Ofen mit "Hufeisen"-Form ähnlich der in den Figuren 1 und 2 gezeigten und mit abgedichteten Dreifachdurchlaß-Regeneratoren wurde mit einem Ausstoß von 75 Tonnen geschmolzenen Glases pro Tag betrieben. Das Ausgangsmaterial bestand aus 55 Gew.-% Glasbruch und die Brenner waren Unteröffnungs-Brenner und wurden mit Schwerölbrennstoff beschickt. Der Ofen erzeugte Glas für Qualitätspressware bei einer Schmelzmenge von 2 Tonnen/m²/Tag. Bei Betrieb dieses Ofens betrug die Abgastemperatur am Brennermaul durchschnittlich 1430ºC. Die Menge an überschüssiger Luft am Auslaßbrennermaul betrug +15%, was Werte von NOx von 1000 mg/m³ in den Abgasen ergab.
In Übereinstimmung mit dem Beispiel wurde die Verbrennung so abgeändert, daß der Wert der überschüssigen Luft am Auslaßbrennermaul auf -5% abfiel. Dies verursachte ein Abfallen des Werts von NOx im Abgas an der Kaminbasis auf 250 mg/m³. So ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung des NOx in den Abgasen von rund 75% durch Betreiben des Ofens bei substöchiometrischen Bedingungen.

Beispiel 2

Ein regenerativer Ofen mit einem Aufbau, der ähnlich demjenigen in Beispiel 1 war, wurde mit überschüssigen Luftwerten am Auslaßmaul von etwa -7% betrieben, und dies ergab Werte von NOx an der Kaminbasis von etwa 275 mg/m³. Handelsübliches Propangas wurde im Gegenstrom zum Abgasstrom über wassergekühlte Durchlaßbrenner eingeleitet. Die Strömung von Propangas entsprach etwa 15% der Wärmeeingabe in den Ofen für den Schmelzvorgang. Die Werte an NOx an der Kaminbasis wurden gemessen und zeigten sich auf etwa 100 mg/m³ verringert.
In dieser Beschreibung sind die Mengen an überschüssiger Luft und die Mengen an NOx auf Normalwerte von 0ºC und 760 mm Hg bezogen. In den Beispielen 1 und 2 wird die NOx-Konzentration als die äquivalente Masse an NO&sub2; in den feuchten Abgasen ausgedrückt, obwohl für Beispiel 3 die äquivalente Masse diejenige von NO&sub2; in den trockenen Abgasen ist. Das Volumen ist ebenfalls auf einen Sauerstoffgehalt von 8%, berechnet für eine trockene Probe, genormt.

Beispiel 3

Dieses NOx-Reduzierungsverfahren wurde auf einen Kreuzbrennerofen mit vier Öffnungen oder Mäulern zur Erzeugung von Behälterwaren angewendet. Ein klares Soda-Kalk-Silikat-Glas wurde geschmolzen, um Flaschen und Töpfe herzustellen. Der Ofen wurde mit Schwerölbrennstoff durch Unteröffnungsbrenner befeuert. Elektrische Verstärkung wurde eingebaut, und die Höhe der angewendeten Verstärkung war im Durchschnitt etwa 650 kW. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Die NOx-Emissionen wurden durch die Anwendung von Nachbrennern von einem Ausgangswert von 1785 mg/m³ auf weniger als 500 mg/m³ verringert. Die Brennölströmung zum Ofen betrug im Durchschnitt etwa 1550 l/h.
Spalte 1 zeigt die grundsätzlichen Bedingungen mit NOx-Emissionen auf einem Durchschnittswert von 1785 mg/m³, gemessen am Auslaßmaul. Die durchschnittliche Überschußluft am Ofenmaul betrug 24%. Die entsprechende NOx-Emission am Kamin betrug 1765 mg/m³. Die Überschußluft wurde auf 0%, effektiv stöchiometrisch, vor der Zugabe von Erdgas zu dem Abgasstrom in den Auslaßmäulern über Nachbrenner reduziert. Unter stöchiometrischen Bedingungen fiel die am Ofenmaul gemessene NOx-Emission auf 1300 mg/m³ (1270 mg/m³ am Kamin) ab.
Erdgas wurde über Nachbrenner zu den Abgasströmen aller vier Mäuler oder Öffnungen in Stufen bis zu einem Wert von 8,6 % der dem Schmelzofen zugeführten fossilen Brennstoffenergie zugegeben.
Die Ergebnisse zeigten, daß bei dieser Anwendung der Wert des erforderlichen Nachbrenner-Brennstoffs betrug:
4% für die Auslösung der Verringerung an NOx
6% für wesentliche Verringerungen an NOx
8% zur Erzielung von < 500 mg/m³.
Erdgas wurde mit einer Gesamtzuführung zu den Ofenabgasen von 123 m³/h durch Seitenöffnungs-Gasbrenner, die als die Nachbrenner wirkten, zugeführt.
Bei Verwendung der Nachbrenner fielen die NOx-Werte im Ofenmaul auf einen Durchschnittswert von 1175 mg/m³ ab, aber am Kamin wurde infolge der Reduzierung des NOx im abgedichteten Regenerator die Emission von NOx auf < 500 mg/m³ verringert. Einige NOx-Verringerung trat auch in der oberen Kammer des Regenerators auf, und dabei betrug der Wert an NOx an der Gitteroberseite 865 mg/m³.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, stiegen während der in den Spalten 1 bis 3 der Tabelle beschriebenen Veränderungen die CO-Emissionen stetig an. Die CO-Emissionen betrugen 1200 ppm, wenn die Ofen-Luftüberschußwerte auf stöchiometrische Werte reduziert wurden.
Da Brennstoff durch die Nachbrenner zugegeben wurde, stieg der Wert von CO am Kamin auf 1830 ppm. Bei einem Versuch, das CO aus den Abgasen zu beseitigen, wurden kontrollierte Mengen von Kaltluft in die Regeneratorbasis eingeleitet. Die Temperaturen in der Regeneratorbasis waren jedoch unzureichend, um den erforderlichen Wert an CO-Verringerung zu ergeben, wobei mit diesem Verfahren nur geringe Reduktionen auf 1200 ppm erreicht wurden.
Die Einführung eines Brenners mit hohem Luftüberschuß, der Heißluft bei etwa 900ºC lieferte, mit einer Brennstoffzuführung zum Brenner von 4% des Schmelzofenverbrauchs (ausschließlich der Verstärkung), hob die Temperatur des Abgases in der Regeneratorbasis an. Infolge der begrenzten Verweilzeit im kleinen Zugsystem wurde die erforderliche Ausbrenntemperatur von rund 650ºC in den Hauptzug ausgedehnt, so daß der erforderliche Wert der CO-Verringerung erreicht werden konnte. Unter diesen Bedingungen stiegen die Temperaturen in der Regeneratorbasis auf etwa 800ºC an, und die Emission von CO fiel auf 165 ppm.
Bei allen diesen Abänderungen des Ofenbetriebs für die NOx- Verringerung wurden Glasqualität und Farbe ausreichend aufrechterhalten.
Es wird angenommen, das die erfindungsgemäßen Verfahren auf alle Behälterglas-Öfen anwendbar sind. Wir glauben, daß die Qualität des erzeugten Glases durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nachteilig beeinflußt wird.
Obwohl gezeigt wurde, daß die erfindungsgemäßen Verfahren die NOx-Emissionen auf niedrige Werte, sogar unterhalb 500 mg/m³, reduzieren, wurde dies nur auf einer Versuchsbasis erreicht.
Es ist ersichtlich, daß keine genormte Definition der Qualität des geformten Glases existiert. Verschiedene Hersteller und Endverbraucher stellen unterschiedliche Qualitätsansprüche für ihre Produkte. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren wird, so wird angenommen, keine nachteilige Wirkung auf irgendwelche solche Qualitätsanforderungen haben.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines regenerativen Glasofens (2) zum Schmelzen von Glas derart, daß die Emission von NOx in den Ofen (2) verlassenden Abgasen minimal ist, wobei der Ofen (2) eine Schmelzkammer (18) und Regeneratoren (4,6) aufweist, die als Wärmeaustauscher wirken, wobei das Verfahren umfaßt: Einleiten von Luft und Zuführen von Brennstoff zur Schmelzkammer (18) des Ofens (2), um zu gewährleisten, daß Glas einer erforderlichen Qualität bei der erforderlichen Produktionsgeschwindigkeit erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen zum Schmelzen von Glas für die Herstellung von geformten Glasartikeln dient, die Regeneratoren (4,6) abgedichtet sind und Brennstoff im Überschuß bezüglich desjenigen, der für die Gewährleistung der Glasqualität und der Produktionsgeschwindigkeit erforderlich ist, wenigstens der Schmelzkammer (18) oder den abgedichteten Regeneratoren (4,6) derart zugeführt wird, daß die Abgase in den abgedichteten Regeneratoren (4,6) brennbares Material enthalten, das mit NOx in den Abgasen reagieren kann, und daß sodann das brennbare Material mit ausreichend Luft zur Reaktion gebracht wird, um zu gewährleisten, daß die den Ofen (2) durch die Regeneratoren (4,6) verlassenden und an Atmosphäre austretenden Abgase zulässige Werte des brennbaren Materials und zulässige Werte von NOx enthalten.

2, Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die abgedichteten Regeneratoren (4,6) Gitterwerkanordnungen (10) enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Glas in der Schmelzkammer (18) geschmolzen wird, die unter substöchiometrischen Bedingungen betrieben wird, wobei brennbares Material die Schmelzkammer (18) mit den Abgasen verläßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem in der Schmelzkammer (18) die Menge an überschüssiger Luft wenigstens -3% beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem in der Schmelzkammer (18) die Menge an überschüssiger Luft im Bereich von -8 bis -10% liegt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Ofen (2) ein Mehrfachmaul-Ofen (multi-port furnace) ist und die Stöchiometrie im allgemeinen vom ersten zum letzten Maul längs des Ofens (2) ansteigt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Verbrennungsbedingungen am letzten Maul weniger reduzierend sind als an dem von diesem unmittelbar stromaufwärts liegenden Maul.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Glas in einer Schmelzkammer (18) unter im wesentlichen stöchiometrischen Bedingungen geschmolzen wird und überschüssiger Brennstoff den Abgasen zugegeben wird, wenn sie die Schmelzkammer (18) verlassen und in die abgedichteten Regeneratoren (4,6) eintreten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der den Abgasen beigegebene überschüssige Brennstoff wenigstens 3% der Menge des der Schmelzkammer (18) zugeführten Brennstoffs beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der den Abgasen beigegebene überschüssige Brennstoff im Bereich von 8 bis 10% der Menge des der Schmelzkammer (18) zugeführten Brennstoffs liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welchem der überschüssige Brennstoff den Abgasen durch zusätzliche dazu bestimmte Brenner zugeführt wird, welche in den Brennermäulern des Ofens (2) angeordnet sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welchem der überschüssige Brennstoff den Abgasen durch Brenner (24,26) zugeführt wird, welche im Umkehrzyklus Betriebsbrennstoff der Schmelzkammer (18) des Ofens (2) zuführen.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Glas in der Schmelzkammer (18) geschmolzen wird, die unter substöchiometrischen Bedingungen betrieben wird, wobei brennbares Material die Schmelzkammer (18) mit den Abgasen verläßt und zusätzlicher Brennstoff den Abgasen zugeführt wird, wenn sie die Schmelzkammer (18) verlassen und in die abgedichteten Regeneratoren (4,6) eintreten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem in der Schmelzkammer (18) die Menge an überschüssiger Luft höchstens -2% beträgt, und wenigstens 3% überschüssiger Brennstoff, bezogen auf den der Schmelzkammer (18) zugeführten Brennstoff, den Abgasen zugeführt wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Regeneratoren (4,6) eine Gitterwerkanordnung (10) enthalten und überschüssige Luft in die Regeneratoren (4,6) stromabwärts der Gitterwerkanordnung (10) eintreten kann, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu gewährleisten, der bezüglich der für die stöchiometrische Verbrennung in den Abgasen erforderlichen Menge im Uberschuß vorhanden ist.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die NOx-Emissionen in allen an die Atmosphäre austretenden Abgasen weniger als 500 mg/m³ betragen, gemessen unter den Bedingungen der TALuft.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Regeneratoren (4,6) eine Gitterwerkanordnung (10) enthalten und bei welchem CO aus den Abgasen in den Regeneratoren (4,6) durch Verbrennen von CO stromabwärts der Gitterwerkanordnung (10) der Regeneratoren (4,6) bei einer Temperatur von mehr als etwa 650ºC entfernt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem Luft stromabwärts der Gitterwerkanordnung (10) in einer ausreichenden Menge vorhanden ist, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Kohlenmonoxids in Abhängigkeit von der Menge des anwesenden unverbrannten Brennstoffs und von der angewendeten Kohlenmonoxid-Verbrennungstemperatur zu bewirken.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem die Luft in die Regeneratoren (4,6) unterhalb der Gitterwerkanordnung (10) zugeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei welchem die CO-Emissionen in allen an die Atmosphäre austretenden Abgasen weniger als 300 mg/m³ betragen, gemessen unter den Bedingungen der TALuft.

21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem CO aus den Abgasen in den Regeneratoren (4,6) entfernt wird, indem CO in etwa 8% überschussiger Luft, bezogen auf die Verbrennungsluft für den zugeführten Brennstoff, bei einer Temperatur von mehr als 650ºC verbrannt wird.

22. Regenerativer Glasofen zum Schmelzen von Glas, wobei der Ofen (2) eine Schmelzkammer (18) und Regeneratoren (4,6) aufweist, welche Gitterwerkanordnungen (10) enthalten, die als Wärmeaustauscher wirken, der Ofen (2) ferner eine Vorrichtung zum Reduzieren der Emission von NOx in den den Ofen (2) verlassenden Abgasen aufweist, die Vorrichtung eine Einrichtung zum Zuführen von zusätzlichem Brennstoff in die Abgase aufweist, wenn diese die Schmelzkammer (18) des Ofens (2) verlassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen zur Herstellung von geformten Glasartikeln dient, die Regeneratoren (4,6) abgedichtet sind, der Ofen (2) so betreibbar ist, daß NOx- Emissionen in allen an die Atmosphäre austretenden Abgasen auf weniger als 500 mg/m³ verringert sind, gemessen unter den Bedingungen der TALuft, und daß der Ofen (2) ferner Warmbearbeitungsbrenner (hotwork burners) zum Zuführen von heißer Luft unterhalb die Gitterwerkanordnungen (10) aufweist, wobei die Brenner in der Lage sind, eine Temperatur von wenigstens 650ºC unterhalb den Gitterwerkanordnungen (10) aufrechtzuerhalten, so daß CO durch die heiße Luft oxidiert wird, wodurch CO-Emissionen in allen an die Atmosphäre austretenden Gasen auf weniger als 300 mg/m³ verringert werden, gemessen unter den Bedingungen der TALuft.