Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI

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1 AiF-Forschungsvorhaben Nr N Spektral 2: Verbesserung des direkten Wärmeeintrages in die Glasschmelze durch Optimierung der Verbrennungsparameter bei unterschiedlichen Befeuerungsarten Abschlussbericht Laufzeit: 1. November Oktober 2008 Erstellt von: B. Fleischmann, HVG, Offenbach am Main A. Giese, GWI, Essen - 1 -

2 Verbesserung des direkten Wärmeeintrages in die Glasschmelze durch Optimierung der Verbrennungsparameter bei unterschiedlichen Befeuerungsarten (Spektral 2) AiF-Nr N Zusammenfassung Im Gegensatz zu Querbrennerwannen ist bei sog. U-Flammenwannen oder stirnseitig beheizten Wannen eine Regelung der Verbrennungsstrecke entlang der Wannenlängsachse bisher nur schwer umsetzbar. Im Rahmen des Forschungsvorhabens Spektral 1 (AiF-Nr. 80ZN) wurden zwei Methoden, Sekundärgas und Hidden Jet, entwickelt und bei einem Kurzzeitversuch von jeweils 6 Stunden an einer Glasschmelzwanne umgesetzt und getestet. Im aktuellen Forschungsvorhaben Spektral 2 (AiF Nr N) wurde die Brennstoffstufung mittels Sekundärgas als die vielversprechendere Methode über Monate in zwei unterschiedlichen Anordnungen an einer industriellen Glasschmelzanlage eingesetzt. Alle relevanten Betriebsdaten wurden aufgenommen und ausgewertet. Beim Einsatz der Brennstoffstufung konnte eine lastabhängige Energieersparnis von bis zu 2 % nachgewiesen werden. Eine Minderung der NO x -Emission war an diesem bereits optimierten Glasschmelzofen kaum nachweisbar (max. 50 mg/m³ N ), dürfte aber an Glasschmelzwannen, an denen entsprechende Primärmaßnahmen zur Minderung der NO x - Bildung noch nicht eingesetzt werden, wesentlich deutlicher ausfallen. Um das Prinzip der Brennstoffstufung an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne umzusetzen, wurden entsprechende Voruntersuchungen an einer ölbefeuerten Weißglaswanne für Behälterglas durchgeführt. Diese Ausgangsdaten wurden genutzt, um mit Hilfe von CFD- Berechnungen Aussagen zur Umsetzung der Sekundärgaseindüsung an einer Ölwanne zu machen. Es wurden Aussagen herausgearbeitet, wie die Positionierung der Eindüsungsstelle zu wählen ist, welche Anteile der Brennstoffmenge als Sekundärgas dem Verbrennungsraum zugeführt werden können und mit welcher Geschwindigkeit die Eindüsung erfolgen sollte, um optimale Ergebnisse für den verbesserten direkten Energieeintrag in die Glasschmelze zu erzielen. Die Mitglieder der projektbegleitenden Arbeitsgruppe entschieden, dass im Gegensatz zum Antrag und zum Votum der Gutachter, eine Betrachtung von Oxy-Fuel-Wannen in Deutschland kaum von praktischem Interesse ist, da nur ein geringer Bruchteil des in Deutschland erzeugten Glases mit Hilfe dieser Technik erzeugt wird und es sich dabei um Spezial- oder Faserglas handelt. Daher wurden die Arbeiten auf U-Flammenwannen mit Luft als Sauerstoffträger begrenzt. Die Forschungsarbeiten wurden durchgeführt mit freundlicher Unterstützung der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), Köln, (AiF-Nr N). Finanziert wurde das Projekt mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, Berlin. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht

3 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... 2 Anmerkung Problemstellung Forschungsziel Physikalische und chemische Grundlagen sowie technische Konzepte Energiebedarf einzelner Prozessschritte und Temperaturprofil der Wanne Lokale Erhöhung des Emissionsgrades Transmissionseigenschaften der Glasschmelze Stickoxidbildung Ergebnisse Langzeittest mit Gas CFD-Berechnungen Simulation der Positionierung Abschätzung des Einflusses auf Produktionsparameter Vorarbereitende Arbeiten für den Langzeittest an einer gasbefeuerten Weißglaswanne Beobachtung der produktionsrelevanten Parameter Überwachung der Glaschemie Wannenführung und Glasfehler Temperaturen der feuerfesten Begrenzung des Verbrennungsraumes Ergebnisse der Brennstoffstufung Stickoxidbildung Energieverbrauch Temperaturen Hinweise vom Wannenbetreiber Heizöl Weißglas Erfassen der Ausgangssituation an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Ergebnisse der CFD-Berechnungen der Brennstoffstufung an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Umsetzung an einer Glasschmelzwanne Sauerstoffbeheizte Wanne Untersuchungen von Gläsern Gegenüberstellung von Forschungszielen und erzielten Ergebnissen Nutzen der Forschungsergebnisse Wissenschaftlich-technischer Nutzen Wirtschaftlicher Nutzen für KMU Veröffentlichungen Danksagung

4 Anmerkung Auf einigen Bildern sind an den Achsen keine absoluten Werte aufgetragen. Dies ist zum Schutz des Know-How der Firma SGO nötig, die der Auswertung und Darstellung von Betriebsdaten im Rahmen des Forschungsvorhabens zustimmte. 1. Problemstellung Ziel der Forschungsvorhaben Spektral 1 und 2 ist eine Verbesserung der bestehenden Feuerungskonzepte für Glasschmelzöfen, wenn möglich durch optimale Nutzung und Einstellung der vorhandenen Anlagenelemente. Dazu soll die spektrale Strahlung der Flammen so angepasst werden, dass ihre Energie nicht bereits in oberflächennahen Schichten vollständig absorbiert wird, sondern tiefer in die Glasschmelze eindringen kann, und die direkte Energieabgabe der Flamme den Erfordernissen des Schmelzprozesses entsprechend geschieht. D. h. unter anderem, dass der Temperaturschwerpunkt der Flamme so nahe wie möglich in den Bereich der Schmelzwanne verschoben werden soll, an dem die Glasschmelze die höchsten Temperaturen benötigt, um ein fehlerfreies Produkt zu erzeugen. Zusätzliches Ziel der Forschungsvorhaben ist es also auch, die Qualität des Produktes und damit die Ausbeute des Prozesses zu verbessern. Dabei werden sowohl eine Minimierung des Energieeinsatzes und damit verbunden des CO 2 -Ausstosses als auch eine Verminderung von ökologisch relevanten Abgaskomponenten (z.b. NO x ) als weitere Ziele der Optimierungsmaßnahmen mit berücksichtigt. Im durchgeführten Forschungsvorhaben Spektral 2 wurde vermehrt auf die Auswirkungen der Maßnahmen auf die Glaschemie geachtet. Denn beim Praxistest an einer Glasschmelzwanne im Rahmen von Spektral 1 deutete sich in sehr geringem Maße das mögliche Auftreten von Schaumstreifen an. Ziel des Forschungsvorhabens Spektral 2 ist daher auch, Redoxreaktionen der Glasschmelze mit den Gasen im Verbrennungsraum und daraus eventuell entstehende Fehlerpotentiale zu erkennen und durch entsprechende Einstellung der Parameter zu vermeiden. Das Forschungsvorhaben Spektral 1 behandelte speziell gasbefeuerte, regenerativ beheizte U-Flammenwannen, da diese U-Flammenwannen anders als querbefeuerte Wannen keine Einzelbrennerreglung entlang der Wannenlängsachse zulassen. Im Folgevorhaben Spektral 2 soll das Konzept der Brennstoffstufung für ölbefeuerte Wannen, querbeheizte Wannen und unterschiedliche Sauerstoffträger (Luft und fast reiner Sauerstoff) umgesetzt und für die weitere Optimierung genutzt werden. Außerdem wurden im Forschungsvorhaben Spektral 1 alternative Wege (Brennstoffstufung) aufgezeigt, um das Ziel des Vorhabens zu erreichen, die jedoch Umbauten und konstruktive Ergänzungen an laufenden Anlagen erfordern und daher im Rahmen des ersten Vorhabens zu Testzwecken nur mit kurzlebigen Hilfskonstruktionen für sehr eng begrenzte Zeiträume erprobt werden konnten. Das Interesse der Glaswannenbetreiber an den im Forschungsvorhaben Spektral 1 gewonnenen Erkenntnissen ist groß. Für eine dauerhafte industrielle Anwendung sind jedoch noch weitergehende und ergänzende Untersuchungen sowie Optimierungsarbeiten nötig, da die verwendeten Hilfskonstruktionen nach der mehrstündigen Versuchszeit nicht länger funktionsfähig waren. Daher sind im durchgeführten Fortsetzungsvorhaben Spektral 2 entsprechende Entwicklungsarbeiten zur endgültigen industriellen Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen von Nöten

5 2. Forschungsziel Nachdem im Hinblick auf die Feuerung im Forschungsvorhaben Spektral 1 ermittelt wurde, wie sich die von den Gasflammen im Ofen emittierte Strahlungsenergie auf die verschiedenen Wellenlängen verteilt und welche Möglichkeiten der Einflussnahme existieren, richtete sich das besondere Interesse auf die lokale Rußbildung und eine Vergleichmäßigung der Verbrennung, so dass der Temperaturschwerpunkt der Flamme sich etwas stromabwärts verlagert und die Spitzentemperatur der Flamme gesenkt wird. Letzteres ist auch wichtig, um die NO x -Emission zu vermindern. Die dazu nötigen Maßnahmen zur Modulation der Flamme sind nach Abschluss des Forschungsvorhabens Spektral 1 prinzipiell verstanden, jedoch müssen zur dauerhaften industriellen Umsetzung noch Untersuchungen zu Optimierungsmaßnahmen vorgenommen werden, um die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln, um einen störungsfreien Betrieb sicher zu stellen, um die konstruktive Auslegung von Bauteilen den neuen Betriebsparametern anzupassen und einen extremen Verschleiß zu vermeiden. Dies alles soll eine dauerhafte Anwendung der ermittelten Maßnahmen bei der Glasherstellung sicherstellen. Die Grundidee ist vorhanden und hat sich im Industrietest als praktikabel erwiesen, jedoch müssen für die Umsetzung in die industrielle Praxis und den Dauereinsatz noch grundlegende technische Details untersucht und Teilaufgaben gelöst werden, vor allem in Bezug auf die Dauerstandsfestigkeit der dazu nötigen Anlagenteile. Auch die optimalen Betriebsparameter wie Düsendurchmesser, Gas- und Luftgeschwindigkeiten, konstruktive Auslegung von Brennersteinen müssen in der industriellen Praxis noch ermittelt werden. Da bisher nur der Brennstoff Erdgas bei den Untersuchungen zu Einsatz kam, soll jetzt erforscht werden, inwieweit sich auch die Wärmeübertragung bei einer Feuerung mit Heizöl mit den ermittelten Maßnahmen optimieren lässt. Da eine anerkannte und bei Spezialgläsern angewandte Methode zur primären NO x - Minderung und Energieeinsparung der Einsatz von reinem Sauerstoff zur Verbrennung fossiler Brennstoffe ist, soll auch hier das Optimierungspotential zur verbesserten und gezielten Wärmeübertragung mit Hilfe der Ergebnisse aus Spektral 1 untersucht werden. In der ersten Sitzung der projektbegleitenden Arbeitsgruppe sprachen sich die anwesenden Industrievertreter jedoch dafür aus, dass Untersuchungen von sauerstoffbeheizten Wannen von geringerem Interesse sind, da ihre Zahl in Deutschland sehr gering ist und sie eigentlich nur im Spezialglasbereich eingesetzt werden. Die verfügbaren spektralen Fenster weiterer Gläser, die im Forschungsvorhaben Spektral 1 nicht untersucht wurden (z.b. Braunglasschmelze), sollen durch entsprechende Untersuchungen identifiziert werden. Das daraus resultierende Anforderungsprofil muss anschließend mit dem verfügbaren Repertoire an Brennerkonfigurationen abgeglichen werden, um die optimalen Einstellungen zu ermitteln und deren Praxistauglichkeit an industriellen Anlagen auch für weitere Brennstoff-/Oxidator-Kombinationen zu demonstrieren. Dafür kann die CFD-Simulation der Verbrennungsvorgänge durch das GWI eingesetzt werden

6 3. Physikalische und chemische Grundlagen sowie technische Konzepte 3.1 Energiebedarf einzelner Prozessschritte und Temperaturprofil der Wanne Die einzelnen Prozessschritte der Glasschmelze und konditionierung laufen in einer U- Flammenwanne nebeneinander ab. Wobei die einzelnen Bereiche nicht scharf voneinander getrennt sind, sondern durch die Glasströmungen und das dabei erreichte Temperaturniveau bestimmt sind. Generell und sehr vereinfacht kann man die Temperatur in der Flamme und an der Glasbadoberfläche wie in Bild 1 skizziert darstellen. Der Energieeintrag in das zu erwärmende Gut, das Gemenge und die Glasschmelze, ist dabei proportional dem Temperaturunterschied zw. Flamme und Glasbad. Man darf allerdings nicht vergessen, dass das Gemenge vor allem von unten abgeschmolzen wird, da die heiße Rückströmung dem Gemenge von unten die entsprechende Energie zuführt, während die schlechte Temperaturleitfähigkeit des Gemenges dieses gegen den Energieeintrag von oben in gewissem Maße "schützt". Bild 1 demonstriert auch, dass an der Stelle an der die Glasschmelze die höchsten Temperaturen erreichen soll (Hot Spot, Quellpunkt, Läuterzone) auf Grund der doch schon verminderten "Flammen"-Temperatur, der direkte Energieeintrag der Flamme recht gering ist. Um mehr Energie an dieser Stelle ins Glasbad einzubringen müsste entweder der indirekte Energieeintrag durch Anhebung der Gewölbetemperatur erhöht oder der direkte Energieeintrag durch eine veränderte Flammenführung verbessert werden. Eine Erhöhung der Gewölbetemperatur kommt bei vielen Wannen aber nicht in Frage, da sonst Materialgrenzwerte überschritten würden und die Haltbarkeit des Schmelzaggregates extrem gefährdet wäre. Energieeintrag T V -T S Verbrennungsraum Glasschmelze Temperaturverlauf im Verbrennungsraum Temperaturverlauf im Glasbad Bild 1: Vereinfachter Temperaturverlauf in einer Glasschmelzwanne und Höhe des Energieeintrages in die Glasschmelze. 3.2 Lokale Erhöhung des Emissionsgrades Das Konzept der Forschungsvorhaben Spektral 1 und 2 zielt daher auf einen erhöhten direkten Energieeintrag durch die Flammenstrahlung in die Schmelze ab. Durch Veränderungen in der Verbrennungsführung soll der Emissionsgrad der "Flamme" (Reaktionsvolumen der Verbrennung) lokal erhöht und die Flammentemperaturen sollen vergleichmäßigt werden (geringere Temperaturen am Beginn der Verbrennungsstrecke und erhöhte Temperaturen am Ende). Durch die Vermeidung bzw. Verminderung der Temperaturspitzen soll auch die Bildung von thermischem NO x vermindert werden, das einen wesentlichen Anteil an der NO x -Emission der Wannen hat. Der prinzipielle Effekt einer - 6 -

7 Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI Emissionsgraderhöhung auf die spezifische spektrale Ausstrahlung ist in Bild 2 veranschaulicht. Mit Hilfe der Flammenführung (Unterschießen oder Sekundärgas) wird im hinteren Teil des Verbrennungsraumes lokal der Emissionsgrad mit Hilfe von räumlich begrenzter Rußbildung erhöht. Dieser Ruß wird bis zum Eintritt der Abgase in den Regenerator verbrannt, so dass keine Schädigung der Kammern eintreten kann. Durch die Vergleichmäßigung der Temperatur in der Reaktionszone und Verschieben des Temperaturschwerpunktes stromabwärts wird ebenfalls der direkte Energieeintrag in der Läuterzone erhöht, ohne dass das Gewölbe an dieser Stelle einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt wird. 110 Einfluß des Emissionskoeffizienten auf die Strahlungsintensität Flamme 1700 C, = 0,25 Flamme 1650 C, = 0,25 Flamme 1650 C, = 0, Wellenlänge in nm Bild 2: Spektrale spezifische Ausstrahlung eines "grauen Strahlers" mit unterschiedlichem Emissionsgrad und bei unterschiedlicher Temperatur

8 Spektrale spezifische Ausstrahlung in W/(µm m²) Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI Flamme links, Sekundärgas Flamme links, Istzustand Wellenlänge in nm Bild 3: Vergleich der "reinen" Flammenspektren einer "normalen" und einer Sekundärgasflamme (Ergebnis aus Spektral 1) Bild 3 zeigt die gemessenen Spektren der Erdgasflamme, die den Ist-Zustand bei den Versuchen im Forschungsvorhaben Spektral 1 beschreibt und die die Sekundärgasflamme am selben Messort charakterisiert. Es ist vor allem zwischen 1 und 1,5 µm ein erhöhter Rußstrahlungsanteil (Festkörperstrahlung: grauer Strahler) zu erkennen. Die bei fast allen Wellenlängen erhöhte Flammenstrahlung der Sekundärgasflammen ist auf den erhöhten Emissionsgrad im beobachteten Volumen durch die Brennstoffstufung zurückzuführen. 3.3 Transmissionseigenschaften der Glasschmelze Die optischen Eigenschaften einer Weißglasschmelze wurden im ersten Forschungsprojekt bereits messtechnisch ermittelt. Da der Langzeitversuch an derselben Wanne durchgeführt wurde und das Gemenge nicht verändert worden war, konnten die Messwerte für die optischen Eigenschaften der Glasschmelze bei der CFD-Berechnung weiter verwendet werden. Bild 4 zeigt die Extinktion der Weißglasschmelze als Funktion der Wellenlänge und der Temperatur

9 Extinction in 1/cm Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI Absorption of flint glass C 1200 C 1300 C 0,1 0, Bild 4: Extinktion der Glasschmelze als Funktion der Wellenlänge und der Temperatur Die Flammenstrahlung der Sekundärgasflamme wird in den Wellenlängenbereichen von 1000 nm bis ca nm durch die Festkörperstrahlung des Rußes verstärkt. In diesen Wellenlängenbereichen erlaubt die Glasschmelze das Eindringen der Wärmestrahlung auf Grund der geringeren Absorption in die Tiefe, so dass eine Überhitzung der Glasbadoberfläche und damit einhergehend eine höhere Verdampfung nicht zu erwarten ist. Die zusätzlich eingebrachte Wärmestrahlung durch den direkten Energieeintrag der Flammenstrahlung kann zur Erwärmung der Glasschmelze bis mehrere cm unterhalb der Glasbadoberfläche genutzt werden und trägt damit zur Qualitätsverbesserung und/oder zur Energieersparnis bei. 3.4 Stickoxidbildung Wavelength in nm Zwei Effekte sollen zur Verminderung der NO x -Emissionen beitragen. Zum einen wird durch die Vermeidung von Temperaturspitzen bzw. durch die Senkung der Spitzentemperatur das thermische NO x vermindert. Zum anderen wird durch die lokal überstöchiometrische bzw. lokal unterstöchiometrische Verbrennungsführung und die damit verbundene Temperaturvergleichmäßigung bzw. erniedrigung die NO x -Bildung verringert. Bild 5 demonstriert den Einfluss der stationären -Ungleichgewichte am Beginn der Brennstrecke (lokaler Sauerstoffüberschuss) und nach der Eindüsung des Sekundärgases (lokaler Brennstoffüberschuss) auf die Flammentemperatur und die thermische NO x -Bildungsrate. In Bild 5 wird auch der Einfluss der Sekundärgasmenge auf den Minderungseffekt verdeutlicht. Um eine NO x -Minderung zu erhalten, muss außerdem der Übergang von überstöchiometrischer zu unterstöchiometrischer Verbrennung schnell durchfahren werden, ohne dass größere Bereiche mit einer nahstöchiometrischen Verbrennung entstehen, da sonst keine Minderungseffekte erkennbar sein werden

10 Adiabatische Flammentemperatur Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI 10% 20% 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Luftzahl Bild 5: Zusammenhang zwischen Luftzahl, adiabater Flammentemperatur und NO-Bildung abhängig von der Sekundärgasmenge. 4. Ergebnisse 4.1 Langzeittest mit Gas Zwei Arbeitspakete waren für den Langzeittest abzuarbeiten: Die CFD-Berechnung der Vorgänge im Verbrennungsraum der ausgesuchten Glasschmelzwanne unter den Bedingungen des Langzeitversuches (Brennstoffstufung = Sekundärgas), um die optimalen Versuchsparameter zu ermitteln (Ort der Sekundärgaseindüsung, Durchmesser der Brennerdüse, Eindüswinkel) und um vor allem sicher zu stellen, dass während des Versuches keine vorhersehbare Behinderung des Produktionsablaufes eintritt. Durchführung des Langzeittestes und Aufnahme der Betriebsparameter zur Auswertung sowie Beurteilung der Ergebnisse CFD-Berechnungen Vor der CFD-Berechnung der Verbrennung durch das GWI ist eine Erfassung der geometrischen Daten und einiger Messdaten nötig, damit eine detailierte Abbildung der Vorgänge möglich ist. Außerdem kann so der Ausgangspunkt der Versuche klar definiert werden und die Ergebnisse der Versuche können besser dokumentiert werden. Da die Langzeitversuche an derselben Wanne durchgeführt werden sollten, an der im Forschungsvorhaben Spektral 1 (AiF-Nr. 80ZN) die Industrietests vorgenommen wurden,

11 entfiel das zeitaufwendige Erfassen der geometrischen Daten als Grundgerüst der Modellierungsberechnung. Die Ausgangssituation wurde messtechnisch von der HVG neu aufgenommen und so die aktuelle Ist-Situation festgestellt, um eine gute Vergleichbarkeit vor, während und nach der Versuchsperiode zu gewährleisten. Außerdem wurden die aktualisierten Daten bei der CFD- Berechnung berücksichtigt. Die Glasschmelzwanne wurde mit folgenden Vereinfachungen simuliert: Die Regeneratoren wurden nur ansatzweise dargestellt, um die Ein- bzw. Ausströmverhältnisse der Luft bzw. des Abgases nachzuvollziehen. Es wurde keine Wärmeübertragung innerhalb der Regeneratoren simuliert, sondern von einer konstanten Lufteintrittstemperatur ausgegangen, wie sie im Kammerkopf messtechnisch erfasst wird. Die Grenze der Wanne zur Schmelze wird durch die Glasbadoberfläche definiert. Hierbei werden die in der Glasschmelze ablaufenden Vorgänge (Aufschmelzen, Läutern, etc) nicht berücksichtigt und die zu übertragene Wärme nur durch festgelegte "Wand"-Temperaturen, die vorher vom Wannenbetreiber geliefert bzw. bei der Messung ermittelt wurden, bestimmt. Diese Vereinfachungen sind aufgrund der im Feuerraum zu betrachtenden Vorgänge und die daraus resultierenden Ableitungen zulässig und durch zahlreiche Erfahrungen in Spektral 1 belegt Simulation der Positionierung Um die Auswirkungen auf die Wärmeübertragung abzuschätzen, wurde die Temperatur an den Grenzen des Verbrennungsraumes und im Verbrennungsraum berechnet. Die CO- Verteilung im Verbrennungsraum der Wanne wurde modelliert. CO wird dabei als Marker eingesetzt, um die Reaktionszonen zu markieren, in denen auf Grund der Rußbildung eine entsprechende Festkörperstrahlung mit einem lokal erhöhten Emissionsgrad entsteht. Beide Kenngrößen werden dazu herangezogen, um die Veränderungen des direkten Wärmeeintrages in das Glasbad beurteilen zu können. Bild 6: Rand- und Eingabeparameter der CFD-Berechnungen Istzustand Sekundärgas Bild 6 nennt die wichtigsten Rand- und Eingabeparamter, die bei der Messung zur Beschreibung der Verbrennungsvorgänge ermittelt wurden. Dabei ist die Aufteilung der Gasmengen auf die jeweiligen Brennerlanzen der beiden Underportbrenner zu beachten. Die ersten Berechnungen gehen außerdem von einer Sekundärgasmenge von 18 Vol.% aus. Bild 7 skizziert die abgebildete Geometrie der Wanne

12 Bild 7: Skizze der industriellen Glasschmelzanlage, an der im Rahmen des Forschungsvorhabens die Langzeittests durchgeführt wurden. Bild 8 zeigt die Varianten, die für die Bestimmung der Eindüsestelle mit Hilfe der CFD- Simulation durchgerechnet wurden. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Varianten 1 und 2 bei der CFD-Berechnung die besten Ergebnisse bezüglich des Energieeintrages in das Glasbad zeigten, ohne dass bestehende Strömungsverhältnisse in der Wanne gestört werden und ohne einen negativen Einfluss auf die Glasqualität. Bei Variante 8 ist der Ausbrand bei Eintritt der Abgase in den Regenerator noch nicht abgeschlossen, was an den CO- Spuren zu erkennen ist. Variante 3 und 6 bürgen die Gefahr in sich, dass die durchlassseitige Stirnwand und/oder das Gewölbe überhitzt werden und Schäden am feuerfesten Material auftreten, die zu Glasfehlern und damit zu Produktionsausfällen führen. Variante 4 und 5 verändern bestehende Zirkulationswalzen so stark, dass dies negative Auswirkungen auf die Wärmeübertragung haben könnte. Variante 1 Variante 2 (45 gegen Strom) Variante 3 (45 mit Strom) Variante 4 (600 mm oberhalb) Variante 5 (300 mm unterhalb) Variante 6 (3000 mm nach hinten) Variante 7 (3000 mm nach vorn) Variante 8 (Gegenüber von Variante 6) 540 Bild 8: Berechnete Varianten für die Suche nach der optimalen Lage der Eindüsestelle des Sekundärgases

13 b) a) d) c) e) f) Bild 9: exemplarische Ergebnisse der CFD-Berechnung für Variante 1, die für die Beurteilung der einzelnen Varianten herangezogen wurden. a) Temperaturverteilung in der Ebene der Sekundärgaseindüsung; b) CO-Konzentration in der Ebene der Sekundärgaseindüsung; c) Temperaturverteilung 100 mm über dem Glasbad; d) CO-Konzentration 100 mm über dem Glasbad; e) CO Isosurface (6000 ppm); f) Pfadlinien des Brennstoffes eingefärbt mit der Geschwindigkeit (Strömungskennlinien). Bild 9 zeigt an Hand der exemplarischen Ergebnisse für Variante 1, welche CFD-Ergebnisse für die Beurteilung der einzelnen Varianten hauptsächlich als Entscheidungshilfe herangezogen wurden. Bild 10 vergleicht beispielhaft die Ergebnisse der CFD-Simulation bezüg

14 lich des Wärmeeintrages in die Schmelze für alle Varianten. Variante 9 entspricht Variante 1 mit den genannten Änderungen. Referenzfall Variante 2 (45 gegen Strom) q in [w/m²] Variante 1 Variante 3 (45 mit Strom) Variante 4 (600 mm oberhalb) Variante 6 (3000 mm nach hinten) Variante 5 (300mm unterhalb) Variante 7 (3000mm nach vorn) Variante 8 (gegenüber Variante 6) Variante 9 (Ø 30 mm) 10 % Sekundärgas Bild 10: Vergleich der Ergebnisse der CFD-Simulation aller Varianten am Beispiel des Wärmeeintrages in die Glasschmelze

15 Referenzfall Variante 2 (45 gegen Strom) Variante 1 Variante 3 (45 mit Strom) Variante 4 (600 mm oberhalb) Variante 6 (3000 mm nach hinten) Variante 5 (300mm unterhalb) Variante 7 (3000mm nach vorn) Variante 8 (gegenüber Variante 6) Variante 9 (Ø 30 mm) 10 % Sekundärgas Bild 11: Vergleich der Ergebnisse der CFD-Simulation für alle Varianten am Beispiel der Strömungskennlinien im Verbrennungsraum

16 Bild 11 dokumentiert die Ergebnisse für die Berechnung der Strömungskennlinien im Verbrennungsraum für alle Varianten als weiteres Beispiel für eine Kenngröße, die zur Ermittlung der optimalen Betriebsparameter genutzt wurde Abschätzung des Einflusses auf Produktionsparameter In einem zweiten Schritt wurden dann weitere Kenngrößen betrachtet, die vor allem sicher stellen sollten, dass beim Einsatz der Brennstoffstufung keine Produktionsausfälle zu erwarten sind. Dazu wurden für alle Varianten folgende Simulationen durchgeführt: Temperaturen der Seitenwände und des Gewölbes Temperaturverteilung auf der Glasbadoberfläche Wärmeeintrag ins Glasbad durch konvektive Wärmeübertragung Wärmeeintrag ins Glasbad durch Wärmestrahlung Gesamter Wärmeeintrag Geschwindigkeitsverteilung über dem Glasbad Bild 12 zeigt wieder am Beispiel der Variante 1 die Ergebnisse dieser Berechnungen. Nach all diesen Simulationsberechnungen wurde letztendlich Variante 1 ausgewählt, da eine Anbringung der Sekundärgasbrennerlanze senkrecht zur Seitenwand einfacher zu bewerkstelligen war. Als Brennerdüsendurchmesser wurden 30 und 50 mm ausgewählt, wobei bei der Berechnung mit der größeren Düse die besseren Ergebnisse vorhergesagt wurden. Bei der Variation der Gasmenge, die durch die Sekundärgasdüse dem Verbrennungsraum zugeführt wird, wurden je nach Düsendurchmesser unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Ausschlaggebend ist hier der Impuls, der sich aus der Geschwindigkeit des Gases beim Eintritt in den Verbrennungsraum und der Gasmenge zusammensetzt. Die Geschwindigkeit ist jedoch vom Brennerdüsendurchmesser bzw. der Durchtrittsfläche abhängig. Dies bedeutet, dass je nach Gasmenge der Durchmesser angepasst werden muss bzw. je nach Durchmesser es eine optimale Gasmenge gibt, mit welcher der maximale Effekt erzielt werden kann Vorarbereitende Arbeiten für den Langzeittest an einer gasbefeuerten Weißglaswanne Basierend auf den Ergebnissen der CFD-Berechnungen wurden links und rechts in der Seitenwand des Verbrennungsraumes im laufenden Betrieb ohne Unterbrechung oder Störung der Produktion von einem Glasofenhersteller Löcher gebohrt. Dabei wurde der Verlauf des Durchmessers des Loches so ausgelegt, dass ein eigens dafür hergestellter Brennerstein aufgenommen werden kann und sowohl 30 als auch 50 mm Düsendurchmesser der Sekundärgasbrennerlanzen genutzt werden können. Die Bohrungen wurden von der Firma Nikolaus Sorg GmbH & CoKG im Auftrag ausführt, die auch die ersten Brennerabschlusssteine dankenswerter Weise zur Verfügung stellte. Vom GWI wurden flexible Gasleitungen für die Versuchszeit von mehreren Monaten kostenfrei zur Verfügung gestellt. Die Herstellung der Brennerlanzen sowie die Integration in die bestehende Regelungs- und Steuerungstechnik wurden von Saint-Gobain-Oberland selbst vorgenommen. Zur Kontrolle der Glaschemie, vor allem des Schwefelhaushaltes, wurde von der HVG ein Voltammetriesensor im einem der Feeder der Wanne eingebaut. Damit ist es möglich on-line und in-situ den Sauerstoffpartialdruck sowie den Schwefel- und Eisengehalt der Glasschmelze zu beobachten. So können Veränderungen der Glaschemie, die Entstehung von Schaum in der Glaswanne und damit verbundene mögliche Glasfehler (Blasen im Glas), die

17 auf Redoxreaktionen zurückzuführen sind, rechtzeitig erkannt werden und so frühzeitig eingegriffen werden, dass es, wenn überhaupt, zu minimierten Ausfallzeiten kommt

18 a) b) c) d) e) f) Bild 12: Weitere Berechnungsergebnisse zur Beurteilung der Produktionssicherheit am Beispiel der Variante 1. a) Wandtemperaturen; b) Temperaturverteilung der Glasbadoberfläche bei Feuer links; c) Wärmestrom durch Konvektion; d) Wärmestrom durch Strahlung; e) Gesamtwärmestrom (c, d und e jeweils auf der Glasbadoberfläche); f) Geschwindigkeitsverteilung über dem Glasbad

19 In den ersten Wochen des Langzeitversuches wurde von Seiten der HVG auch die Abgaszusammensetzung im Kammerkopf überprüft, so dass bei Beginn der Versuche sichergestellt werden konnte, dass keine unverbrannten Gase in die Regeneratorkammern geraten und dort zu Schäden des feuerfesten Materials führen. Außerdem konnte so die Stickoxidfracht der Verbrennung kontrolliert und eventuelle Minderungserfolge dokumentiert werden Beobachtung der produktionsrelevanten Parameter Die Brennstoffstufung wurde an einer Behälterglaswanne für Weißglas in zwei Zeiträumen eingesetzt. Vom 31. Januar 2008 bis 18. Februar 2008 wurden 10 Vol.% des Brennstoffes durch die Sekundärgasdüse von 30 mm Durchmesser in den Verbrennungsraum eingebracht. Die entsprechende Brennstoffmenge wurde primärseitig in der Underportzuführung reduziert. Wegen Undichtigkeiten am Brennerstein der rechten Seite wurde der Versuch am abgebrochen. Im Versuchszeitraum vom 10. März bis 12. Juni 2008 wurden ca. 12 Vol.% des Brennstoffes durch eine Düse mit dem Durchmesser von 50 mm eingedüst. Die Eindüsung findet immer auf der Feuerseite statt und der Wechsel wird mit dem normalen Seitenwechsel mit geregelt Überwachung der Glaschemie Bild 13 zeigt die Voltammetriesonde nach dem Ausbau, die genutzt wurde, um den Redoxzustand der Glasschmelze vor allem während der Umstellungsphase und auch während der gesamten Versuchsdauer zu überwachen. Bild 14 zeigt den Verlauf des Schwefeloxidgehalts des Glases und des Eisengehaltes. Dabei sind neben den Ergebnissen der Voltammetriesonde auch die Resultate der RFA-Untersuchungen und anderer nasschemischer Testmethoden eingetragen. Die RFA-Ergebnisse liegen mit mehrtägiger Verzögerung vor, während die nasschemischen Methoden bis zu einer Woche Nachlauf benötigen. Daher war die Voltammetriesonde auch die einzige Möglichkeit eventuelle Fehlentwicklungen frühzeitig zu erkennen. Wie in Bild 14 zu erkennen ist, hat die Brennstoffstufung und Eindüsung von Sekundärgas an der Seite des Verbrennungsraumes, so wie sie durchgeführt wurde, keinen Einfluss auf die Glaschemie, Schaumbildung oder den Redoxzustand des Glases, was auch an den ermittelten Sauerstoffpartialdrücken zu erkennen ist, die in Bild 15 dargestellt sind. Bild 13: Voltammetriesonde zur on-line und in-situ Beobachtung der Glaschemie nach dem Ausbau

20 Log(Sauerstoffpartialdruck in bar) Elektrodenfläche in mm² Gehalt des Oxids in Gew.% Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI 0,1800 0,1600 0,1400 0,1200 0,1000 0,0800 0,0600 0,0400 0,0200 0, VM SO3 in Gew.% ICP SO3 in Gew.% RFA SO3 in Gew.% VM Fe2O3 in Gew.% ICP Fe2O3 in Gew.% L12 Fe2O3 in Gew.% PM Fe2O3 in Gew.% RFA Fe2O3 in Gew.% Sekundärgas geht in Betrieb (10%) wg. Schaden an Brennerstein ausser Betrieb Sekundärgas wieder in Betrieb (18%) Sensor zu kurz, absenken Sonde aus Glasbad, abgesenkt am 12. Bild 14: Eisenoxid- und Schwefeloxidmonitoring mit Hilfe der Voltammetriesonde der HVG und anderen Messmethoden sowie Angabe zur zeitlichen Abfolge von Ereignissen. Bild 15 gibt auch einen Kontrollparameter für die Voltammetriemessung wieder, die Elektrodenfläche, die es erlaubt, die Funktionstüchtigkeit der Sonde zu beurteilen , , , , ,0 25-3, Datum po2 Fläche 0 Bild 15: Sauerstoffpartialdruck der Glasschmelze, im Feeder mit Hilfe der Voltammetriesonde der HVG gemessen, und Elektrodenoberfläche der Platinarbeitselektrode

21 Es waren während der Versuchszeit keine unüblichen Schwankungen des Eisen- und Schwefelgehaltes der Glasschmelze zu beobachten. Die großen Schwankungen der Zeiträume in der zweiten Aprilhälfte und im Juni 2008 sind dadurch bedingt, dass der Zirkoniumoxidsensor durch die Glasschmelze korrodiert wird und den Glaskontakt verliert. Während im April sehr schnell nachgeführt wurde, geschah dies im zweiten Fall urlaubsbedingt erst mit einiger Verspätung. Die Änderungen der Arbeitselektrodenoberfläche aus Platin sind im Kleinen durch Glasstandsänderungen bedingt und gehen im Großen auf das Nachführen der Voltammetriesonde zurück, um die Korrosion des Zirkoniumoxidsensors zu kompensieren. Die von der Korrosion nicht betroffenen Platinteile tauchen so immer tiefer ein und führen zu der erhöhten Elektrodenoberfläche Wannenführung und Glasfehler Während der gesamten Versuchszeit gab es keine Probleme mit der Wannenführung oder mit einem vermehrten oder ungewöhnlichen Auftreten von Glasfehlern. Die Brennstoffstufung war so installiert worden, dass der Seitenwechsel der Sekundärgaseindüsung automatisch mit dem halbstündigen Feuerwechsel erfolgte. Es waren keine zusätzlichen Handgriffe von Seiten des Messwartenpersonals nötig. Die Inbetriebnahme bzw. das Abschalten der Sekundärgasflamme erfolgte im Bedarfsfall problemlos durch einige wenige Handgriffe. Zu Beginn der ersten Phase der Brennstoffstufung wurden stündlich Glasproben zurückgestellt. Es zeigten sich keine Blasen oder andere Glasfehler. Dies gilt für die gesamte Versuchszeit, in der keine ungewöhnlichen Glasfehlerhäufungen auftraten Temperaturen der feuerfesten Begrenzung des Verbrennungsraumes Wie in Kapitel 3 beschrieben, ist eine Veränderung des Temperaturprofils im Verbrennungsraum ein Ziel der Brennstoffstufung. Dabei ist darauf zu achten, dass die Gebrauchsgrenzen der feuerfesten Materialien nicht überschritten werden und keine Schädigung der Werkstoffe auftritt. Da bei der Anwendung der Brennstoffstufung ein Anstieg der Temperaturen um 5 25 K für das Gewölbe und die durchlassseitige Stirnwand bei der CFD-Berechnung ermittelt wurde, wurden die entsprechenden Bauteile und ihre Temperaturen stets überwacht. Auch visuelle Kontrollen mit Hilfe des Ofenperiskopes der HVG wurden zu Anfang der Versuche und nach einer gewissen Laufzeit durchgeführt. Die Temperaturen der Thermoelemente im Gewölbe sowie eines Thermoelements im Bereich Durchlass/Riser sind in Bild 16 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die obere Anwendungsgrenze für das feuerfeste Material während der Versuchszeiten nicht überschritten wurde und auch ansonsten keine erhöhten Temperaturen gemessen wurden. Die Schwankungen der Temperatur der Glasschmelze im Durchlassbereich unterschieden sich auch während der Anwendung der Brennstoffstufung nicht von denen aus Zeiten ohne Sekundärgas

22 Temperatur in C Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI Anwendungsgrenze Gewölbethermoelemente Brennstoffstufung Temperatur der Glasschmelze im Bereich Durchlaß/Riser Datum Bild 16: Temperatur im Gewölbe und im Durchlass Ergebnisse der Brennstoffstufung Stickoxidbildung Zu Beginn des Versuchszeitraumes wurde die Stickoxidkonzentration im Kammerkopf von der HVG gemessen. Damit ist eine direkte Zuordnung der gemessenen Werte zu den Vorgängen im Verbrennungsraum möglich. Außerdem wurden die Stickoxidkonzentrationen an der kontinuierlichen Messeinheit im Abgaskanal aufgezeichnet. An dieser Messeinheit liegt jedoch auch das Abgas einer zweiten Glasschmelzanlage mit an. Daher ist eine eindeutige Zuordnung nicht immer möglich. Im beobachteten Zeitraum von ca. 14 Tagen, in denen die HVG-Messgeräte mit der Kalibrierung zu Anfang des Messeinsatzes verlässliche Werte erzeugten, verlaufen die Stickoxidkonzentrationen im Kammerkopf und im Abgaskanal jedoch parallel. Beim Abschalten der Sekundärgaseindüsung, auf Grund der Undichtigkeit des Brennersteines auf der rechten Seite, stieg die NO x -Konzentration im Abgaskanal um ca. 50 mg/m³ N an. Da dies zu diesem Zeitpunkt die einzige Änderung an den beiden Schmelzanlagen war, kann dies recht sicher der Abschaltung der Brennstoffstufung zugeordnet werden. Während des zweiten Versuchszeitraumes konnte keine Veränderung der Stickoxidemission beobachtet werden. Das bedeutet, dass an der schon vor den Versuchen hinsichtlich der Stickoxidemission optimal eingestellten Wanne, durch den Einsatz der Sekundärgaseindüsung nur geringfügige bis keine Minderung der Stickoxidfracht, abhängig von den Versuchsparametern, erreicht wurde. An Glasschmelzwannen, die mit Hilfe primärer Maßnahmen bezüglich Stickoxidemissionen noch nicht optimal eingestellt sind, ist eine deutlichere Minderung der Stickoxide zu erwarten. Sowohl die Versuche am Laborofen des GWI in den beiden Forschungsvorhaben als auch die CFD-Berechnungen unterstreichen dies recht deutlich. Bild 17 zeigt die Ergebnisse der NO x -Messung im Kammerkopf und im Abgaskanal der untersuchten Weißglaswanne

23 NOx in mg/m³ Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI HVG-Messgeräte im Kammerkopf laufen aus der Kalibrierung Bild 17: gemessene Stickoxidkonzentration in mg/m³ N im linken und rechten Kammerkopf der Wanne 4 und im Abgassammelkanal der Wannen 4 und Energieverbrauch Der Energieverbrauch zum Schmelzen von Glas wird durch viele Betriebsparameter beeinflusst. Dies sind u.a.: Datum Beginn Sek.-Gas 30 mm am um 9: wg. Undichtigkeit aus Beginn Sek.-Gas 50 mm rechte Kammer linke Kammer Wanne HVG-Kalibriermessung W Scherbengehalt des Gemenges Tonnage Verbrennungsführung Korrosionszustand bzw. Verschleiß der Wanne Daher ist der Nachweis einer Minderung des Energieverbrauchs nur bei genauerer Betrachtungsweise und über größere Zeiträume wirklich aussagekräftig, wenn eine "statistische" Auswertung möglich ist. Um das Einsparpotential zu dokumentieren wurden daher die Energieverbräuche aus den beiden Jahren 2007 und 2008 herangezogen. Im Jahr 2007 wurde keine Brennstoffstufung eingesetzt, so dass mit den Zeiträumen aus 2008, in denen die Brennstoffstufung aus unterschiedlichsten Gründen abgeschaltet war, eine breite Basis zum Vergleich zur Verfügung stand. Da während der Brennstoffstufung ein bestimmter Gesamtscherbengehalt nicht unterschritten wurde, wurden auch bei der Betrachtung der Zeiträume ohne Sekundärgas nur die Daten berücksichtigt, bei denen dieser Grenzwert (xx in Bild 18) an Gesamtscherben überschritten wurde. Bild 18 zeigt die Energieverbräuche als Funktion der Tagestonnage für Scherbengehalte über dem Grenzwert. Dabei wird der Betrieb ohne und mit Brennstoffstufung unterschieden. Außerdem wurden zwei Geraden für die beiden Sekundärgasfälle, die sich in der Gasmenge und dem Düsendurchmesser unterscheiden, eingezeichnet. Diese Geraden kennzeichnen den maximalen Energieverbrauch mit Sekundärgas und dokumentieren so das Einsparpotential

24 Energieverbrauch in kwh/t Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI nur Energiewerte für Gesamtscherben grösser xx % berücksichtigt 2007 normaler Betreib 2008 normaler Betrieb Sek.-Gas 30 mm Sek.-Gas 50 mm Tagestonnage in t/d Bild 18: Energieverbrauch bei Gesamtscherbengehalten oberhalb eines definierten Wertes als Funktion der Tagestonnage für Zeiträume ohne Brennstoffstufung und Zeiträume mit Sekundärgas. Die Tonnageabhängigkeit der Energieersparnis ist in Bild 18 ebenfalls zu erkennen. Die Abhängigkeit der Energieeinsparung von der Tonnage ist zum einen in der sich verändernden Gemengebedeckung mit variierender Tonnage zu finden und zum anderen durch die sich verändernde Verbrennungsführung und dem damit verbundenen Temperaturverlauf im Verbrennungsraum (Gewölbe) bei unterschiedlichen Tonnagen zu erklären. Eine völlig andere Herangehensweise an die Betrachtung des Energieverbrauchs liefert für das Jahr 2008 folgende Ergebnisse (Bild 19). Es wurde der mittlere Energieverbrauch für Tonnagebereiche von jeweils 10 t/d ermittelt und dann der Mittelwert mit Brennstoffstufung vom Mittelwert ohne Brennstoffstufung für den jeweiligen Tonnagebereich abgezogen. Die positiven Ergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch mit Sekundärgas um ca. 15 kwh/kg Glas kleiner ist, wobei Einflüsse der Tonnage und des Scherbengehaltes erkennbar sind. Der mittlere Scherbengehalt für die jeweiligen Tonnagebereiche ist ebenfalls in Bild 19 ausgewiesen. Bei Tonnagebereichen mit gleichen mittleren Scherbengehalten ist gut zu erkennen, dass die Energieersparnis bei ca kwh/kg Glas liegt. Außerdem ist an Hand des Bildes 19 der Einfluss des Scherbengehaltes auf den Energiebedarf beim Schmelzen gut zu erkennen

25 Temperatur in C (10 K pro Achsenabschnitt) mittlerer Gesamtscherbengehalt in % (D zw. zwei Teilstrichen = 5%) bzw. Energiedifferenz in kwh/kg Glas Spektral 2 AIF-Nr N HVG-GWI mittlere Tonnage in 10-er Gruppen Gesamtscherben 2007, ohne Brennstoffstufung Gesamtscherben 2008, ohne Brennstoffstufung Gesamtscherben 2008, mit Sekundärgas Diff. Energieverbrauch, 2008 ohne mit Diff. Energieverbrauch, 2007 ohne mit Bild 19: Mittlerer Gesamtscherbengehalt und Differenz des mittleren Energieverbrauchs für Tonnagegruppen von 10 t/d Temperaturen Schon bei der CFD-Berechnung wurde darauf geachtet, wie sich die Wand- und Gewölbetemperaturen durch den Einsatz der Brennstoffstufung verändern. Diese wurden auch messtechnisch erfasst und mit dem Spektralradiometer der HVG gemessen. Sowohl die mit der spektralradiometrischen Messung der Seitenwand errechnete als auch vom Wannenpersonal mit Hilfe eines Pyrometers ermittelte Wandtemperatur verzeichneten mit dem Einsatz von Sekundärgas einen Anstieg von K im letzten Drittel der Wanne. Beim Vergleich der Gewölbetemperatur im letzten Drittel kann bei der Mittelung der Gewölbetemperatur über Tonnagepakete von 10 t/d kein relevanter Unterschied zw. dem Einsatz der Brennstoffstufung und ohne erkannt werden. Vergleicht man die Abgastemperatur im Kammerkopf so erhält man das in Bild 20 für die linke Kammer exemplarisch gezeigte Ergebnis. Die Abgastemperatur ist mit Brennstoffstufung um ca. 10 K kleiner als ohne Sekundärgas. Da die Gewölbetemperaturen gleich geblieben sind und das Abgas, das die Wanne verlässt, kälter wurde, wird auch anhand der Energiebilanz bekräftigt, dass der Wärmeeintrag in das Glasbad gesteigert wurde. ohne mit Tonnage in t/d Bild 20: Gemittelte Temperatur im Kammerkopf für Tonnagegruppen von 10 t/d mit und ohne Brennstoffstufung

26 Hinweise vom Wannenbetreiber Bei der Diskussion der Ergebnisse in der abschließenden Sitzung der projektbegleitenden Arbeitsgruppe wurde vom Wannenbetreiber auf folgende Erfahrung beim Einsatz der Brennstoffstufung hingewiesen: Es konnten ohne den Einsatz der Elektrozusatzheizung (EZH) Tonnagen gefahren werden, die normalerweise, d.h. ohne Sekundärgas, den Einsatz der EZH erfordern. Auch dies ist ein Indiz, dass der Energieeintrag ins Glasbad verbessert wurde. 4.2 Heizöl Weißglas Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens ist auch die Übertragbarkeit der Brennstoffstufung bei weiteren Brennstoffen (Öl) nachzuweisen. Folgende Schritte sind dafür vorgesehen: Erfassen der Ausgangssituation an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Modellierung der Brennstoffstufung Umsetzung an einer industriellen Glasschmelzanlage Erfassen der Ausgangssituation an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Im ersten Jahr des Forschungsvorhabens wurde bei Weck Glas, Bonn, die Ausgangssituation für eine ölbefeuerte Behälterglaswanne für Weißglas von der HVG messtechnisch erfasst. Es wurden die geometrischen Daten aufgenommen, wärmetechnische Untersuchungen durchgeführt und die Strahlungsverhältnisse im Verbrennungsraum mit Hilfe des Spektralradiometers gemessen. Vertreter des GWI waren bei der Messkampagne anwesend und unterstützten die Arbeiten. Diese Messungen bilden die Ausgangsbasis für die anschließenden CFD-Berechnungen des GWI Ergebnisse der CFD-Berechnungen der Brennstoffstufung an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Die folgenden Bilder zeigen die Ergebnisse der CFD-Berechnungen für die ölbefeuerte U- Flammenwanne und die Einflüsse der Brennstoffstufung. 0. Referenzfall: Basisfall nur Ölbefeuerung 1. Variante: 10 % der thermischen Leistung als Sekundärgas (100 % Methan; entsprechende Reduzierung der Ölmenge), Düsendurchmesser: 30 mm 2. Variante: 20 % der thermischen Leistung als Sekundärgas (100 % Methan; entsprechende Reduzierung der Ölmenge), Düsendurchmesser: 30 mm 3. Variante: 20 % der thermischen Leistung als Sekundärgas (100 % Methan; entsprechende Reduzierung der Ölmenge), Düsendurchmesser: 42 mm Bild 21 zeigt die Geometrie der Wanne und erläutert die einzelnen Varianten, die berechnet wurden. Die Position der Sekundärgaszuführung wurde ausgehend von den Ergebnissen der Simulation und den praktischen Erfahrungen an der gasbefeuerten Glasschmelzwanne gewählt. Die Bilder 22 bis 25 zeigen die Ergebnisse der CFD-Berechnungen über die Einsatzvarianten der Sekundärgasbefeuerung an einer ölbeheizten U-Flammenwanne zur Erzeugung von Weißglasbehältern

27 Variante 1 und 2 (w Gas ca. 40 m/s) Variante 3 (w Gas ca. 60 m/s) Bild 21: Wannengeometrie der ölbefeuerten Weißglaswanne CO in [ppm] Referenzfall Variante 1 Variante 2 Variante 3 Bild 22: CO-Konzentration in der Sekundärgasebene einer ölbefeuerten U-Flammenwanne beim Einsatz einer Brennstoffstufung

28 T in [ C] Referenzfall Variante 1 Variante 2 Variante 3 Bild 23: Temperaturverteilung ca. 100 mm über der Glasbadoberfläche (DT pro Farbstufe ca. 60 K) an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne beim Einsatz einer Brennstoffstufung. T in [ C] Referenzfall Variante 1 Variante 2 Variante 3 Bild 24: Wandtemperaturen (DT pro Farbstufe ca. 14 K) bei Anwendung einer Brennstoffstufung an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne

29 Referenzfall Variante 1 Variante 2 Variante 3 Bild 25: Gesamtwärmestromverteilung bei der Verwendung einer Brennstoffstufung an einer ölbefeuerten U-Flammenwanne Betrachtet man die CO-Verteilung in der Sekundärgasebene, die Temperaturen 100 mm über dem Glasbad, die Wandtemperaturen und die Wärmestromverteilung, so deutet alles darauf hin, dass die Variante 2 die besten Ergebnisse bezüglich des Energieeinsparpotentials und der NO x -Minderung bieten dürfte. Es ergibt sich beim Ersatz von ca. 20% der benötigten Energie durch das Sekundärgas die flächenmäßig günstigste Verteilung der lokal rußenden Flamme, die Temperaturen an den Wänden werden kaum erhöht und der Energieeintrag ins Glasbad am günstigsten beeinflusst. Der hohe Eintrittsimpuls des Sekundärgases garantiert, dass der Verbrennungsschwerpunkt über dem Glasbad liegt und es nicht an den Wänden (Seiten- oder Stirnwand) zur Überhitzung der feuerfesten Materialien kommt. Außerdem sorgt der hohe Eintrittsimpuls dafür, dass eine größere Fläche des Glasbades unter der lokal höher emittierenden Gasflamme liegt. Ölflammen besitzen an sich zwar schon einen höheren Emissionsgrad als Gasflammen, durch die Brennstoffstufung mit Hilfe des Sekundärgases wird jedoch der Bereich mit einem Emissionsgrad um 0,27 bis 0,3 deutlich vergrößert. Damit dürfte sich der direkte Energieeintrag in die Schmelze auch bei ölbefeuerten Wannen verbessern lassen Umsetzung an einer Glasschmelzwanne Die Wannenreparatur an der Behälterglaswanne der Firma Weck Glas in Bonn wurde aus produktionstechnischen Gründen verschoben und eine andere Firma mit den Arbeiten beauftragt, als bei den vorbereitenden Gesprächen von HVG, GWI und dem Glashersteller (kmu) anwesend. All dies führte dazu, dass eine Umsetzung an der ausgesuchten Wanne nicht im vorhandenen Zeitrahmen möglich war. Um eine Anwendung der Brennstoffstufung bei einer ölbefeuerten Wanne trotzdem zu ermöglichen, wurden Kontakte zu anderen Glasherstellern aufgenommen und es konnte eine Wanne bei Saint Gobain Oberland, Bad Wurzach, ermittelt werden, an der die Umsetzung erfolgen sollte. Der HVG-Voltammetriesensor wurde eingebaut, um eine zügige Umsetzung der Sekundärgasanwendung zu ermöglichen. Jedoch verhinderten produktionstechnische Anforderungen und Gegebenheiten (Farbwechsel, andere Umbauten), dass eine längere Anwendung der Brennstoffstufung, auch bei einer kostenneutralen Laufzeitverlängerung, durchgeführt werden kann und verwertbare Ergebnisse vorliegen

30 4.3 Sauerstoffbeheizte Wanne Ziel des Forschungsvorhabens ist auch, die Übertragbarkeit der Brennstoffstufung bei anderen Verbrennungskonzepten (Sauerstoffbeheizung) nachzuweisen. Schon in der ersten Sitzung der projektbegleitenden Arbeitsgruppe sprachen sich die anwesenden Vertreter der Industrie jedoch dafür aus, die sauerstoffbeheizten Wannen hinten anzustellen, da sie nur im Spezialglasbereich von Bedeutung sind und die Mehrzahl der Wannen in Deutschland den konventionellen Sauerstoffträger Luft einsetzen. 4.4 Untersuchungen von Gläsern Da die Umsetzung der Brennstoffstufung bei gasbefeuerten Wannen an der selben Wanne durchgeführt wurde, an der auch schon die Vorversuche im Rahmen des AiF-Vorhabens Nr. 80ZN vorgenommen wurden, lagen die Ergebnisse zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Glasschmelze bereits vor und konnten bei der CFD-Berechnung genutzt werden. Die ölbefeuerte Behälterglaswanne, an der die Umsetzung zuerst erfolgen sollte, wird zu Schmelze eines sehr ähnlichen Weißglases genutzt, so dass die optischen Daten nicht neu ermittelt werden mussten, um die CFD-Berechnung vornehmen zu können. Eine Messung der optischen Eigenschaften der Glasschmelze durch Glass Service, wie im Antrag vorgesehen, war daher nicht nötig