DE3486208T2

DE3486208T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Gemenge in zwei Stufen.

Info

Publication number: DE3486208T2
Application number: DE84107897T
Authority: DE
Inventors: Henry Martin Demarest; Gerald Erasmus Kunkle; Joseph Michael Matesa
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 1983-07-25
Filing date: 1984-07-06
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2004-07-07
Also published as: TR22256A; PL145964B1; PT78927B; MX162743A; FI842893A0; IL72325A; EP0132654A1; RO90956A; IE61835B1; DK361784D0; YU45637B; KR920003939B1; NO842957L; IN161524B; KR850001125A; DK361784A; YU128884A; ES8504637A1; NO159486B; FI76776B

Description

Die Erfindung betrifft das Überführen pulverförmiger Rohstoffe in einen flüssigen Zustand als ersten Schritt in einem Schmelzverfahren. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zum Schmelzen von Glas einschließlich Flachglas, Hohlglas, Glas für Fasern und Natriumsilikatglas. Die Erfindung ist jedoch auch verwendbar für andere Verfahren, bei denen die Überführung eines im allgemeinen fließfähigen, im wesentlichem in festem Zustand zugeführtes Material in eine Schmelze erforderlich ist. Diese anderen Verfahren können metallurgische Schmelzverfahren und das Verschmelzen von Ein- oder Mehrkomponentenstoffen wie Keramiken, Metalle oder von anderen Materialien einschließen.
Es ist seit langem bekannt, daß Abgas aus den Brennern zum Erwärmen eines Glasschmelzofens oder anderen Schmelzöfen große Mengen von Wärmeenergie enthält, die zurückgewonnen werden kann, um die Gesamtwirtschaftlichkeit des Verfahrens zu verbessern. Üblicherweise wurden Regeneratoren und Rekuperatoren zum Rückgewinnen von Wärme aus Schmelzöfen verwendet, jedoch ist ihre Wirksamkeit geringer als erwünscht. Weiterhin sind Regeneratoren und Rekuperatoren groß, teuer und empfindlich gegenüber Korrosion. Anstelle des Vorwärmens der Verbrennungsluft durch Regeneratoren oder Rekuperatoren wurde vorgeschlagen, die Abwärme durch das zugeführte Material zurückzugewinnen. Die Verwertung dieser Vorschläge war durch die Tatsache verhindert, daß einige teilchenförmige zugeführte Stoffe die Tendenz aufweisen, vom Abgasstrom aufgenommen zu werden. Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, die feinen zugeführten Materialien zu agglomerieren (beispielsweise zu granulieren) und die agglomerierten zugeführten Stoffe mit dem Abgasstrom in Kontakt zu bringen. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Kosten zum Agglomerieren der zugeführten Stoffe die wirtschaftlichen Vorteile der Wärmerückgewinnung signifikant verringern können , und in einigen Fällen wird das Austragen von teilchenförmigem Material durch Verwendung von agglomerierten Gemengematerialien nicht vollständig verhindert.
Dementsprechend richtet sich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf die Rückgewinnung von Abwärme durch Vorwärmen von Gemengematerialien unter Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile.
Stauben von trockenen pulverförmigen Gemengematerialien ist auch ein Problem beim Zuführen von Gemengematerialien zu konventionellen Schmelzöfen. Dieses Problem wird häufig durch Befeuchten des Gemenges, beispielsweise mit Wasser, gelöst. Das erhebliche Vorwärmen des Gemenges schließt jedoch das Aufrechterhalten des feuchten Zustandes des Gemenges aus.
Obwohl Abwärme aus Schmelzöfen häufig mit Temperaturen anfällt, bei denen brauchbare Reaktionen in den Gemengematerialien ausgelöst werden können, ist das Vorerwärmen von Gemengematerialien häufig auf tiefere Temperaturen beschränkt, weil bei höheren Temperaturen das beginnende Schmelzen einiger Gemengematerialien zum Verklumpen des Materials und Verstopfen der Vorheizvorrichtung führen kann. So wäre es beispielsweise erwünscht, Carbonat-Gemengematerialien, die üblicherweise beim industriellen Glasschmelzen verwendet werden, in die entsprechenden Oxide zu überführen durch Vorheizen des Gemenges auf die Kalzinierungstemperatur dieser Stoffe, es wurde jedoch bisher davon ausgegangen, daß Vorheizen im allgemeinen begrenzt ist auf die realtiv niedrige Schmelztemperatur von Kaliumkarbonat-Bestandteilen des Gemenges, so daß Kalzinierung der Kalziumcarbonat- und Magnesiumcarbonat- Bestandteile ausgeschlossen ist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung richtet sich auf die Überwindung dieses Problems.
In EP-A-071 110 bzw. der entsprechenden US-A-4,381,934 von Kunkle und Matesa ist ein intensives Verfahren zur Verflüssigung von Gemengen beschrieben, bei dem große Volumina von Gemenge wirksam verflüssigt werden in einem relativ kleinen Raum. Diese Verfahrensweise, insbesondere wenn starke Wärmequellen verwendet werden, erzeugen relativ geringe Volumina von Abgasen. Es ist ferner erwähnt, daß bei dem Verfahren vorgewärmtes Gemengematerial eingesetzt werden kann und erhebliche Energieersparnisse erhalten werden können, wenn das Gemenge durch Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom vorerwärmt wird.
US-A-3,607,190 richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorerwärmen von Glasgemengematerial in einem Drehrohrofen durch Einbringen des Abgases auf einem Schmelzofen in den Vorheizer und Kombinieren mit der Verbrennungswärme eines Gasbrenners, der am Ausgangsende des Drehrohrofens angeordnet ist. In US-A-3,508,742 ist das direkte Vorheizen von Glasgemengematerialien beschrieben, wobei die Temperaturen unterhalb der gehalten werden, bei der Kalzinierung eintritt.
In US-A-3,082,102 ist das Vorreagieren von granuliertem Glasgemenge beschrieben, und es ist angegeben, daß die Temperaturen unterhalb von denen gehalten werden sollen, bei denen Sintern der Stoffe eintritt.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Umwandeln pulverförmigen Rohstoffes in einen flüssigen Zustand zu schaffen, das wirksamer ist als das in US-A-4,381,934 beschriebene Verfahren und bei dem Gase vom pulverförmigen Gemenge entfernt werden, so daß diese Gase anschließend nicht in der Schmelze eingeschlossen sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Verflüssigen pulverförmiger Gemengematerialien in einem Verflüssigungsbehälter durch Ablagern durch eine Öffnung in einem den Verflüssigungsbehälter abdeckenden Deckel von mittels Wärmerückgewinnung und aus einem Abgasstrom vorerwärmter Gemengematerialien auf einer stabilen Schicht von Gemenge, die einen Hohlraum im Verflüssigungsbehälter umgibt, Erzeugen von Verbrennungswärme im Hohlraum des Verflüssigungsbehälters durch Verbrennen von im wesentlichen stickstofffreiem Brennstoff mit Sauerstoff, um die abgelagerten Gemengematerialien zu verflüssigen und es dem verflüssigten Gemenge zu ermöglichen, über die stabile Gemengeschicht zu einer Auslaßöffnung des Verflüssigungsbehälters zu fließen, Steuern der Zuführgeschwindigkeit der Gemengematerialien in den Verflüssigungsbehälter, um die stabile Gemengeschicht im wesentlichen konstant zu halten, gekennzeichnet durch Einbringen pulverförmiger Gemengematerialien in einen Vorwärmkessel, direktes Aussetzen der Gemengematerialien dem Abgasstrom im Vorwärmkessel, während die Gemengematerialien zum Erwärmen gerührt werden, Überführen der erwärmten Gemengematerialien aus dem Vorwärmkessel durch eine Gemengezuführrinne, die in der Öffnung angeordnet ist, in den Verflüssigungsbehälter, sobald das Schmelzen des Gemenges begonnen hat, jedoch ehe sich eine wesentliche Haftung zwischen den Gemengeteilchen entwickelt hat, und Überführen des Abgasstromes aus dem Verflüssigungsbehalter in den Vorwärmkessel durch einen Abgasschacht, der sich von der Öffnung aus erstreckt und der ein Nasenteil aufweist, das das Abgas in einen oberen Teil des Vorwärmkessels weg von den Gemengematerialien lenkt und den Vorwärmkessel gegen Übertragung von Strahlungswärme aus dem Verflüssigungsbehälter abschirmt, und Verwenden aller Hochtemperaturprodukte der Verbrennung, die vom Verflüssigungsbehälter zu dem Vorwärmkessel überführt werden, als alleinige Wärmequelle zum Vorwärmen mittels des Abgases mit einer relativ geringen Geschwindigkeit, um den Wärmeübergang vom Abgas auf die Gemengematerialien zu maximieren, und Abziehen des Abgases aus dem Vorwärmkessel. Die Erfindung schließt weiterhin eine Vorrichtung zum Verflüssigen von pulverförmigen Gemengematerialien zum Ausführen des zuvor beschriebenen Verfahrens ein, enthaltend als Verflüssigungsbehälter einen beheizten Hohlraum, der von einer stabilen Schicht von Gemengematerialien umgeben ist und der eine obere Einlaßöffnung in einen stationären Deckel, der den Verflüssigungsbehälter abdeckt, aufweist, um Gemengematerialien auf der stabilen Gemengeschicht abzulagern, und eine untere Auslaßöffnung zum Abziehen des verflüssigten Gemenges aus dem Verflüssigungsbehälter aufweist, der drehbar um eine im wesentlichen senkrechte Achse montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin als Vorwärmkessel einen Drehrohrofen aufweist mit einem langgestreckten, geneigten, zylindrischen Kessel, der drehbar um seine zylindrische Achse montiert ist, Einrichtungen zum Zuführen von Gemengematerial am ersten Ende des Drehrohrofens vorhanden sind und daß der Gemenge-Verflüssigungsbehälter am gegenüberliegenden Ende des Drehrohrofens angeordnet ist, um Gemengematerialien aus dem Drehrohrofen in den Verflüssigungsbehälter abzulagern und ein Übergang zwischen dem Drehrohrofen und dem Verflüssigungsbehälter vorhanden ist, mit einer Gemengezuführrinne, die in der Öffnung angeordnet ist und die am Ausgangsende der Rinne eine schwenkbare Prallplatte aufweist und mit einer Nasenteilverlängerung an einem Abgasschacht, wobei das Nasenteil so angeordnet ist, daß es die Abgase in einen oberen Teil des Drehrohrofens ablenkt, weg von den Gemengematerialien, und das den Drehrohrofen gegen die Übertragung von Strahlungswärme aus dem Verflüssigungsbehälter abschirmt und der Abgasschacht sich von der Öffnung im Deckel aus erstreckt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der Abgasschacht einen einstellbaren Schieber im Abgasdurchgang des Übergangsbereiches. Vorzugsweise ist am Eingang der Gemengezuführrinne eine schwenkbare Umleitungsklappe vorhanden, um Gemengematerialien in eine Auslaßrinne umzuleiten.
Bei der vorliegenden Erfindung wird insbesondere Abwärme aus einem durch Verbrennung im beheizten Schmelzverfahren gewonnen durch direktes Inberührungbringen des Abgasstromes mit losen Gemengematerialien, die dem Schmelzverfahren zugeführt werden. Die pulverförmigen Gemengematerialien werden einem Vorwärmkessel in im wesentlichen trockenem, freifließendem Zustand zugeführt und vorerwärmt während Rührens der Materialien durch Taumeln der Gemengematerialien durch das Innere eines geneigten, sich drehenden Drehrohrofens.
Vorzugsweise wird das Abgas aus dem Vorwärmkessel abgezogen, nachdem die Abgastemperatur unter dem Taupunkt des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes ist.
Der Drehrohrofen ist unter einem spitzen Winkel zur Horizontalen geneigt, und die Gemengematerialien werden anschließend auf der stabilen Schicht von Gemenge in einem Verflüssigungsbehälter abgelagert und zumindest anfänglich unter einem spitzen Winkel zur Senkrechten getragen. Die stabile Schicht ist eine sich drehende Oberfläche, die sich um den Hohlraum des Verflüssigungsbehälters dreht.
Das Gemengematerial wird im Vorwärmkessel gerührt durch Drehen des Vorwärmkessels mit einer Geschwindigkeit, die das Gemengematerial mit Zentrifugalkraft beaufschlagt, die nicht ausreichend ist, die Schwerkraft zu überwinden. Der Verflüssigungsbehälter wird mit einer ausreichenden Geschwindigkeit gedreht, um eine Auskleidung von Gemengematerialien auf den Innenwänden des Verflüssigungsbehälters durch Zentrifugalkraft zu halten.
Das Gemengematerial kann Bruchglas enthalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die carbonathaltigen Gemengematerialien auf Kalzinierungstemperatur vorerwärmt, um die Carbonate in die Oxide zu zersetzen, in Abwesenheit von bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzenden Bestandteilen des Gemenges, die dem Schmelzbehälter als separater Strom zugeführt werden. Beim Schmelzen eines Soda-Kalk-Glases enthalten die der kalzinierenden Vorerwärmung ausgesetzten Materialien Kalkstein und/oder Dolomit, während die Natriumquelle wie Soda-Asche und/oder Netznatron an der kalzinierenden Vorerwärmung vorbeigeleitet werden. Sand kann ebenfalls in dem Anteil des Gemenges enthalten sein, der auf Kalzinierungstemperaturen vorerwärmt wird. Bei den bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Vereinigung der Gemengeanteile im Schmelzgefäß, das ein aktives Mischen der separaten Zuführströme ergibt.
Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht in der Lösung des Problems des Einschlusses von teilchenförmigen Gemengematerialien in den Abgasstrom, wenn die Wärme direkt durch Kontakt zwischen dem Abgas und dem Gemengematerial zurückgewonnen wird. Durch einen ausreichenden Gegenstromkontakt zwischen Abgas und Gemengematerialien kann die Temperatur des Abgases unter den Taupunkt von Wasser in den Verbrennungsprodukten gesenkt werden, so daß am kalten Ende des Wärmerückgewinnungsbehälters feuchte Bedingungen herrschen. Es wurde gefunden, daß die feuchten Bedingungen den Einschluß eines wesentlichen Teils von Teilchen in den Abgasstrom zur Folge haben. Dies schließt Teilchen ein, aus dem Schmelzgefäß ebenso wie Teilchen, die aus dem Gemenge während des Vorerwärmens aufgenommen werden. Es ist bevorzugt, Sauerstoff anstelle oder teilweise anstelle von Luft in den Verbrennungseinrichtungen zum Erwärmen des Schmelzbehälters zu verwenden, um dadurch das Volumen des Abgasstromes zu verringern. Das niedrige Abgasvolumen gibt eine größere Konzentration von Wasserdampf pro Volumeneinheit Abgas, geringere Einschlußmengen des Gemenges aufgrund niedrigerer Geschwindigkeit des Abgasstromes und eine wirksamere Befeuchtung des Gemenges aufgrund des höheren Taupunktes bei der höheren Wasserdampfkonzentration.
Die Brenner des Schmelzbehälters werden mit Sauerstoff anstelle von Luft betrieben, so daß das Abgas im wesentlichen keinen Stickstoff enthält. Weil Stickstoffblasen relativ schwer aus geschmolzenem Glas zu entfernen sind, stellt das Vermeiden von Stickstoff im Schmelzbehälter einen Vorteil dar. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung schließt einen weiteren Vorteil ein aufgrund eines im wesentlichen stickstofffreien Gasstromes, so daß beim Vorerwärmen von Gemengematerialien in direktem Kontakt mit dem im wesentlichen stickstofffreien Abgasstrom Luft aus den Gemengematerialien entfernt wird und auf diese Weise das Einbringen von eingeschlossenem Stickstoff in den Schmelzer verhindert wird.
Das erfindungsgemäße Vorerwärmen von Gemengematerialien ist insbesondere vorteilhaft in Kombination mit den durch Ablaufen Gemenge verflüssigenden Einrichtungen wie sie in der bereits erwähnten US-A-4,381,934 beschrieben sind. Das Vorerwärmen des Gemenges verringert die zum Verflüssigen des Gemenges erforderliche Wärmemenge, so daß theoretisch ein größerer Durchsatz des Schmelzers erreichbar ist. Dieser theoretische Vorteil kann jedoch nicht vollständig in konventionellen Schmelzern erreicht werdend denn es wurde gefunden, daß das Abfließen verflüssigten Gemenges aus der Masse des zu schmelzenden Gemenges ein den Gesamtdurchsatz begrenzender Schritt ist. Die Gemengeverflüssigungseinrichtungen von US-A-4,381,934 sind angepaßt, das Ausfließen oder den Abfluß verflüssigten Gemenges zu unterstützen durch Schaffen einer geneigten Schmelzoberfläche und schnelles Abziehen des verflüssigten Materials. Deshalb sind diese Vorrichtungen insbesondere geeignet, Vorteil aus dem höheren Durchsatz zu ziehen, der durch Vorheizen des Gemenges erreicht wird. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt Verbrennung in Sauerstoff in Gemengeverflüssigungseinrichtungen gemäß US-A-4,381,934. Insbesondere sind diese Ausführungsformen, bei denen eine Schicht von Gemenge die Wärmequelle umgibt, besonders geeignet zur Verwendung bei hohen Temperaturen, die durch Verbrennung mit Sauerstoff erreicht werden. Verbrennung mit Sauerstoff in solchen Vorrichtungen ergibt ein relativ kleines Volumen eines Abgasstromes mit hoher Temperatur im Vergleich zu konventionellen Glasschmelzöfen. Dieses kleine Volumen Abgasstrom mit hoher Temperatur ist insbesondere brauchbar zur Wärmerückgewinnung und Immissionssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung. Andere Hochtemperatur-Wärmequellen, die im wesentlichen das Volumen von Stickstoff aus dem Abgasstrom verringern, können erfindungsgemäß ebenfalls verwendet werden. Die Gemengeverflüssigungsvorrichtungen von US-A-4,381,934 sind in der Lage, trockene pulverförmige Gemengematerialien aufzunehmen. Erfindungsgemäß wird deshalb trockenes vorerwärmtes Gemenge direkt der Verflüssigungsstufe zugeführt.
Die Erfindung kann auch beschrieben werden als zweistufiges Gemengeverflüssigungsverfahren, bei dem Gemenge relativ langsam in eine erste Zone geführt wird, wo es auf eine Temperatur erwärmt wird, die sich beginnender Verflüssigung nähert und das Gemenge dann in eine zweite Zone überführt wird, wo das vorerwärmte Gemenge auf einer geneigten Oberfläche abgelagert wird und schnell durch intensives Erwärmen verflüssigt wird, so daß das verflüssigte Gemenge aus der zweiten Zone ausfließt. Dieses Verfahren teilt die Gemengeverflüssigung in eine Vorverflüssigungsstufe und eine Verflüssigungsstufe und schafft in jeder Stufe Bedingungen, die die Wirksamkeit jeder Stufe maximieren. In der ersten Zone gibt es keine wesentlichen zeitlichen Beschränkungen für den Wärmeübergang auf das Gemenge, solange das Gemenge frei fließend bleibt. Daher kann die erste Zone relativ groß sein und kann relativ niedrige Wärme verwenden, und dabei wird das Gemenge vorzugsweise gerührt, um die Wärme in dem Gemenge zu verteilen. Die zweite Stufe ist ausgelegt zum Aufbringen intensiver Wärme auf das Gemenge auf kleinem Raume um das Gemenge schnell in einen flüssigen Zustand zu überführen. Die Stützfläche für das Gemenge ist in der zweiten Stufe stark geneigt, um das schnelle Auslaufen zu unterstützen und hohen Durchsatz zu schaffen, so daß die Größe der intensiv beheizten Zone minimiert ist. Auf der anderen Seite wird in der ersten Zone die Abwärme der zweiten Zone verwendet, und deshalb wird das Gemenge durch die erste Zone vorzugsweise mit relativ niedriger Geschwindigkeit bewegt, um den Wärmeübergang aus dem Abgas auf das Gemenge zu maximieren. Der relativ langsame Materialtransport in der ersten Stufe kann nur so lange aufrechterhalten werden, als das Gemenge frei fließend bleibt, weil dann, wenn die Gemengetemperatur den Schmelzpunkt eines der Bestandteile erreicht, eine flüssige Phase gebildet wird, die zum Haften von Gemengeteilchen aneinander führt, das seinerseits zu nicht erwünschter Agglomerierung des Gemenges führt, das Verstopfen der ersten Zone und ungleichmäßiges Schmelzen in der zweiten Zone verursachen kann. Deshalb wird das Gemenge, wenn es sich diesem Zustand annähert, auf eine stark geneigte Stützfläche in der zweiten Zone überführt und schnell verflüssigt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen beide Stufen drehbare Behälter auf. Die zweite Stufe ist gekennzeichnet durch ausreichende Rotationsgeschwindigkeit, um das Gemenge mit Zentrifugalkraft zu beaufschlagen, so daß eine Gemengeauskleidung an der Innenwand des Behälters für die zweite Stufe verbleibt. Andererseits ist die Rotationsgeschwindigkeit des Vorwärmbehälters des ersten Schrittes so niedrig, daß auf das Gemenge keine wesentlichen Zentrifugalkräfte einwirken, sondern es nur durch den Ofen taumelt. Weitere abgrenzende Eigenschaften der zwei Stufen in mindestens einigen Ausführungsformen bestehen darin, daß in der ersten Stufe hauptsächlich durch Konvektion erwärmt wird und in der zweiten Stufe das Erwärmen hauptsächlich durch Strahlung erfolgt.

Zeichnungen

Abb. 1 ist eine Seitenansicht, bei der Teile weggelassen sind, einer bevorzugten Ausführungsform der Zweistufen- Gemenge-Verflüssigungseinrichtung gemäß der Erfindung.
Abb. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Abb. 1.
Abb. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Übergangsvorrichtung zwischen erstem und zweitem Schritt, der in Abb. 1 wiedergegebenen Vorrichtung.
Abb. 4 ist eine Aufsicht auf die Vorrichtung von Abb. 3, bei der zur Klarheit Teile weggelassen wurden.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird eine bevorzugte Ausführungsform detailliert beschrieben, die einen Drehrohrofen als Vorheizer in Verbindung mit einem sich drehenden Verflüssigungsbehälter aufweist. Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Konzept nicht auf die spezielle beschriebene Vorrichtung begrenzt ist und andere Vorheizeinrichtungen und Verflüssigungseinrichtungen verwendet werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft für das Schmelzen von Glas ist und detailliert im Zusammenhang mit dem Schmelzen von Glas beschrieben wird, kann die Erfindung auch für andere Materialien verwendet werden, bei denen pulverförmiges zugeführtes Material durch Wärme verflüssigt wird.
Abb. 1 zeigt einen Drehrohrofen 10, durch den Gemenge und Abgas im Gegenstrom geführt werden, und das Überführen des vorerwärmten Gemenges in einen Verflüssigungsbehälter 12. Gemengematerialien werden dem Eingang oder kalten Ende des Drehrohrofens 10 aus einer kontinuierlich wiegenden und messenden Vorrichtung 13 durch ein Zuführrohr 14 zugeführt. Ein einziger Strom vorgemischten Gemenges kann der Meßeinrichtung 13 zugeführt werden, oder es können einzelne Bestandteile getrennt gemessen und das Einlaßende des Drehrohrofens damit beschickt werden, weil der Drehrohrofen selbst als Gemengemischer fungiert. Ein Beispiel für ein Gemenge, das bei der kommerziellen Herstellung von Flachglas verwendet wird, hat folgende Zusammensetzung:
Sand 1000 Gewichtsteile
Sodaasche 313,5
Kalkstein 84
Dolomit 242
Englisch Rot 0,75
Andere Mineralquellen werden zeitweilig verwendet als Alternativen oder weitere Zusätze. Üblicherweise enthält das Gemenge eine wesentliche Menge von Glasbruch, üblicherweise in der Größenordnung von 20 bis 40%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemenges. Jedoch können das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung jede Menge von Glasbruch verarbeiten, einschl. 100% Glasbruch. Die zuvor angegebene Gemengeformulierung ergibt etwa folgendes Glas:
SiO&sub2; 73,10 Gewichtsprozent
Na&sub2;O 13,75 Prozent
CaO 8,85 Prozent
MgO 3,85 Prozent
Al&sub2;O&sub3; 0,10 Prozent
Fe²O&sub3; 0,10 Prozent
Das offene Ende des Drehrohrofens am kalten Ende weist eine Abgaskammer 15 auf, die das den Drehrohrofen verlassende Gas in einen Schornstein 16 leitet. Der Schornstein 16 kann ein nicht gezeigtes Gebläse aufweisen, das eine Saugwirkung erzeugt zum Durchziehen der Abgase durch den Drehrohrofen und zum freisetzen der Abgase in die Atmosphäre durch den Kamin.
Bei den Ausführungsformen, bei denen Kalzinierung im Drehrohrofen erfolgt, werden Gemengebestandteile, die bei relativ niedriger Temperatur schmelzen, wie Sodaasche und Glasbruch, nicht durch den Drehrohrofen geschickt, sondern direkt in den Verflüssigungsbehälter 12 eingeführt. Kommerziell erhältlicher Kalkstein und Dolomit sind nicht chemisch rein oder gleichmäßig, deshalb tritt Kalzinieren von Kalkstein in einem Temperaturbereich ein, es wurde jedoch gefunden, daß eine Temperatur über 870ºC (1600ºF) ausreichende Kalzinierung bewirkt. Sodaasche mit einer Schmelztemperatur von 851ºC (1564ºF) wird aus den durch den Drehrohrofen geleiteten Materialien weggelassen, wenn die Kalzinierung betrieben wird, um das Schmelzen von Soda-Asche zu vermeiden, das zu einem Haften der Gemengeteilchen aneinander führen würde. Ätznatron, das in einigen Fällen Soda-Asche ersetzt als Natriumquelle bei der Glasherstellung, hat gleichermaßen eine Schmelztemperatur unter den bevorzugten Kalzinierungstemperaturen und wird deshalb in den Materialien, die durch den Drehrohrofen geschickt werden, nicht verwendet, um das Formen einer flüssigen Phase am heißen Ende des Drehrohrofens beim Kalzinieren zu vermeiden. Kalzinieren hat den Vorteil, daß die Wärmebelastung im Verflüssigungsbehälter verringert wird, hat aber auch den Vorteil, daß es chemisch enthaltenes Kohlendioxid aus den zu schmelzenden Materialien entfernt, bevor die Gemengematerialien verflüssigt werden, so daß die Entwicklung von Kohlendioxidblasen im geschmolzenen Glas vermieden wird. Wenn das Natriumquellenmaterial getrennt dem Verflüssigungsbehälter zugeführt wird, ist es demgemäß bevorzugt, kohlendioxidfreies Ätznatron anstelle von Soda-Asche zu verwenden. Flachglasbruch beginnt bei etwa 650ºC (1200ºF) zu erweichen, und deshalb soll es ebenfalls am Kalzinierungsverfahren vorbeigeleitet werden. Auf der anderen Seite kann Sand, der Hauptbestandteil der Gemenge-Rohmaterialien, Kalkstein und Dolomit durch den Drehrohrofen bei Kalziniertemperaturen begleiten. Es wurde gefunden, daß Sand zusätzlich zu seinem Vorerwärmen das Erhalten des frei fließenden Zustandes von Kalkstein und Dolomit unterstützt. In Abwesenheit der Natriumquelle kann ein Glasgemenge bis auf etwa 1300ºC (2400ºF) ohne Agglomerierung des Gemenges erwärmt werden.
Der Drehrohrofen 10 weist im allgemeinen die übliche Konstruktion auf und besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Stahlmantel 20, der für Rotation um die Zylinderachse ausgebildet ist, unter einem leicht von der Horizontalen abweichenden Winkel, um dadurch das Gemengematerial vom kalten Ende zum heißen Ende durch Schwerkraft und Taumeln zu befördern. Die Aufenthaltszeit des Materials im Drehrohrofen in Abhängigkeit von den Grundparametern des Drehrohrofens genügt folgender empirischer Gleichung:
t = 9,3 L/NDS (t = 2,28 L/NDS in dem Falle, in dem Durchmesser und Länge in Fuß angegeben werden und die Neigung in Inch/Fuß angegeben ist).
Dabei bedeuten
t = Aufenthaltszeit in Minuten
D = Durchmesser in m
L = Länge in m
N = Umdrehungsgeschwindigkeit in UpM
S = Neigung in cm/m.
Die Aufenthaltszeit im Drehrohrofen hängt vom gewünschten Durchsatz des Schmelzbetriebes und der Wärmemenge, die aus den Abgasen auf die festen Stoffe übertragen werden soll, ab. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen und der zuvor angegebenen Gleichung ist es möglich, einen Drehrohrofen für die Erfindung zu konstruieren.
Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist der Drehrohrofen 10 vorzugsweise isoliert. Die Isolierung kann eine feuerfeste Wolldecke sein, die auf der Außenoberfläche des Stahlmantels 20 angeordnet ist, oder die Isolierung kann die Form einer keramischen Auskleidung auf der Innenseite des Mantels 20 haben, wie es auf einem Teil des in Abb. 1 wiedergegebenen Drehrohrofens gezeigt ist. Es wird gezeigt, daß der Abschnitt des Drehrohrofens in der Nähe des heißen Endes mit einer feuerfesten Auskleidung 21 versehen ist. Dies ist bevorzugt, um hohe Temperaturbeständigkeit in den heißen Bereichen des Drehrohrofens zu schaffen, insbesondere wenn dieser bei Kalzinierungstemperaturen betrieben werden soll. Andernfalls ist es bevorzugt, eine Isolierschicht 22 zwischen dem äußeren Stahlmantel 20 und einer inneren Stahlauskleidung 23 anzuordnen, wie es im Mittelteil des Drehrohrofens von Abb. 1 wiedergegeben ist. Wenn die thermische Stabilität keine Rolle spielt, ist die Stahlauskleidung für die Glasherstellung bevorzugt, weil sie eine geringere Tendenz hat, verunreinigende Stoffe in den durchgesetzten Materialstrom durch Erosion abzugeben als eine feuerfeste Auskleidung.
Der Wärmeübergang im Drehrohrofen wird beeinflußt durch Rühren der Gemengematerialien, die ihrerseits eine Funktion der Drehgeschwindigkeit des Drehrohrofens ist und die unterstützt werden kann durch die konstruktive Gestaltung des Inneren des Drehrohrofens. Eine breite Vielzahl von den Wärmeübergang verbessernden Ablenkblechen sind dem Fachmann für Drehrohröfen bekannt und können vorteilhafterweise für die Erfindung verwendet werden. Verschiedene Beispiele sind in Abb. 1 wiedergegeben. In Spiralform auf der Innenseite des Drehrohrofens in der Nähe des heißen Endes sind eine Vielzahl von Nocken 25 angeordnet, die keramische Vorsprünge sind (im Falle von Metall ausgekleideter Sektion aus Metall), die sich radial nach innen von der Innenseite der Wände des Drehrohrofens erstrecken und die dazu dienen, Gemengematerial anzuheben und es durch die heißen Gase fallenzulassen. Ein anderes Beispiel eines Kontaktbereiches ist im Zentralbereich des Drehrohrofens 10 gezeigt, wo eine Vielzahl von Metallblechen 26 angeordnet ist, die sich radial zwischen der Metallauskleidung 23 und einem Zentralrohr 27 erstrecken, wie es im Querschnitt von Abb. 2 gezeigt ist. Das kalte Ende des Drehrohrofens ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von Ketten 28 ausgerüstet, die dazu dienen, alle Aggglomerationen des Gemenges aufzubrechen, die sich in diesem Teil durch Kondensation von Wasserdampf bilden können, um die Fläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern und die als feuchte Sammler für mitgerissenes Material dienen. Die Rührung, die durch Leitbleche oder die Umdrehungsgeschwindigkeit erzeugt wird, soll nicht so groß sein, daß große Mengen des Gemenges vom Abgasstrom aufgenommen werden. Ein anderer Gesichtspunkt zum Minimieren der Austragung durch den Gasstrom ist der Durchmesser des Drehrohrofens, der ausreichend groß sein soll, um unerwünschte Gasgeschwindigkeiten zu vermeiden, die sich bei gegebener Betriebsweise aus dem Abgasvolumen ergeben.
Die Verflüssigungsstufe 12 ist von dem Typ, der in US-A- 4,381,934 beschrieben ist.
Die bevorzugte Ausführungsform ist die, in der eine stabile Schicht von Gemengematerial um einen beheizten Zentralraum rotiert, um eine im wesentlichen senkrechte Drehachse. Die in den Abbildungen gezeigte Verflüssigungseinrichtung 12 ist eine verbesserte Version. Der Verflüssigungsbehälter weist eine Stahltrommel 35 auf, die in Abb. 3 gezeigt ist und seitliche Stufen aufweisen kann, um die zu drehende Masse zu verringern. Die Trommel kann jedoch auch gerade zylindrische Seiten aufweisen oder konisch sein. Die Trommel wird von einem kreisförmigen Rahmen 36 gestützt, der seinerseits drehbar um eine im allgemeinen senkrechte Achse, die mit der Mittellinie der Trommel übereinstimmt, montiert ist, mit einer Vielzahl von Stützrollen 37 und Richtrollen 38. Ein Bodenbereich 39 umgibt eine Auslaßeinrichtung, die von der übrigen Trommel abtrennbar ist. Dieses Gehäuse 39 kann ausgekleidet sein mit einem Ring aus feuerfestem Material 40, wie gießfähigem, feuerfestem Zement, in den eine ringförmige Düse 41 aus erosionsbeständigem, feuerfestem Material eingefügt ist. Die Düse 41 kann aus einer Vielzahl von geschnittenen keramischen Blöcken bestehen. Das offene Zentrum 42 in der Düse 41 weist eine Auslaßöffnung aus der Verflüssigungskammer auf. Ein nach oben gewölbter feuerfester Deckel 43 weist einen stationären Träger auf in form eines ringförmigen Rahmenteils 44. Der Deckel weist eine Öffnung 45 zum Einbringen des Brenners 46 auf. Der Brenner 46 ist vorzugsweise ein Breitwinkelbrenner mit vielen Öffnungen und wird vorzugsweise betrieben mit Sauerstoff und gasförmigem Brennstoff wie Methan. Um Kohlendioxid im System zu vermeiden, kann der Brenner 46 mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben werden.
Abgase entweichen nach oben durch eine Öffnung 47 durch den Deckel in den Abgasschacht 48. Gemengematerialien werden in den Verflüssigungsbehälter durch die Öffnung 47 eingegeben und eine Zuführrinne 50 ist für diesen Zweck vorhanden. Obere und untere Wasserverschlüsse 51 und 52 können dazu dienen, das Innere der Verflüssigungskammer von äußeren Umgebungsbedingungen zu isolieren und jeglichen Staub und Dämpfe, die aus dem Behälter austreten, einzufangen.
Im Verflüssigungsbehälter wird eine stabile Schicht ungeschmolzenen Gemenges 53 auf den Wänden der Trommel 35 aufrechterhalten, die den Zentralraum umgibt, in dem die Verbrennung stattfindet. Die stabile Schicht 53 kann anfänglich hergestellt werden mit der gewünschten paraboloiden Form durch Zuführen von Gemenge in die sich drehende Trommel 35 ohne Erwärmung. Dieses anfängliche Gemenge kann mit Wasser befeuchtet werden, um das Ausbilden einer stabilen Schicht zu unterstützen. Während des Schmelzens wird kontinuierlich Gemengematerial durch die Zuführrinne 50 zugeführt, so daß das Gemenge über die Oberfläche der stabilen Schicht während der Rotation der Trommel verteilt wird. Die Wärme vom Brenner 46 erzeugt eine vorübergehende Schicht 54 von Gemenge, das sich verflüssigt und auf der stabilen Schicht 53 nach unten fließt, durch die Bodenöffnung 42. Das verflüssigte Gemengematerial fließt dann aus dem Verflüssigungsbehälter aus und kann in einem Behälter 55 unterhalb der Verflüssigungskammer gesammelt werden zur erforderlichen Weiterbearbeitung. Mindestens in den oberen Teilen des Verflüssigungsbehälters wird die vorübergehende Schicht vom schmelzendem Gemenge unter einem spitzen Winkel zur Senkrechten getragen. Das teilchenförmige Gemengematerial weist einen Reibungswiderstand gegenüber dem Herunterfließen auf der Schräge auf, jedoch ist dieser Widerstand substantiell verringert, sobald das Material durch die Wärmeenergie verflüssigt wird, so daß das verflüssigte Material sofort nach unten fließt und frisch zugeführtes Gemengematerial seinen Platz in der Übergangsschicht einnimmt. Die Rotation des Verflüssigungsbehälters unterstützt die Aufrechterhaltung der geneigten schmelzenden Oberflächen. Die Kontur der Oberfläche der stabilen Schicht 53 kann bestimmt werden durch die theoretische Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Form, die loses, trockenes Gemenge einnimmt. Es gilt die folgende Gleichung:
H = uR + (2π²O²R²)/g
mit folgenden Bedeutungen
H = Höhe eines Punktes auf der Gemengeoberfläche in Richtung parallel zur Drehachse;
R = radialer Abstand dieses Punktes von der Drehachse;
u = ein Reibungsfaktor;
Q = Winkelgeschwindigkeit; und
g = Erdbeschleunigung.
Der Reibungsfaktor kann angenommen werden als Tangente des Schüttwinkels, der für trockenes Glasgemenge üblicherweise etwa 35º beträgt. Die zuvor angegebene Gleichung kann verwendet werden, um geeignete Dimensionierung des Rotationsbehälters bei einer gewählten Umdrehungsgeschwindigkeit zu wählen, oder umgekehrt die geeignete Drehgeschwindigkeit für einen vorgegebenen Behälter zu bestimmen.
Das verflüssigte Gemengematerial der vorübergehenden Schicht 54 fließt auf der tragenden Oberfläche, die im wesentlichen nur aus zusätzlichen Gemengematerialien besteht, so daß Verunreinigung mit feuerfesten Materialien vermieden ist. Weil Glasgemenge ein guter Wärmeisolator ist, wird weiterhin durch die stabile Schicht 53 mit ausreichender Dicke die darunterliegende Stützkonstruktion gegenüber thermischer Zerstörung geschützt. Weil der Behälter dadurch gegenüber thermischer Belastung geschützt ist, ebenso wie gegenüber Kontakt mit korrosiven geschmolzenen Stoffen, sind die Materialerfordernisse stark verringert und erlauben sogar die Verwendung von Weichstahl für die Trommel 35. Dadurch wird eine substantielle Wirtschaftlichkeit bei der Ofenkonstruktion erreicht. Weil die Trommel 35 weiterhin durch die isolierende Wirkung der stabilen Gemengeschicht geschützt ist, muß die Außenseite nicht gekühlt werden, so daß der Entzug von verwendbarer Wärme aus dem Schmelzverfahren vermieden wird. Weil außerdem die isolierende, nicht verunreinigende Gemengeauskleidung den erwärmten Hohlraum umgibt, können Wärmequellen verwendet werden, die bei wesentlich höheren Temperaturen arbeiten als solche die in konventionellen feuerfesten Schmelzöfen verwendet werden können, beispielsweise mit Sauerstoff arbeitende Verbrennungsbrenner, Plasmabrenner oder Lichtbogen.
Die Temperatur, bei der das Gemenge fließfähig wird, hängt von der speziellen Gemengeformulierung ab, insbesondere der Menge und der Schmelztemperatur des Bestandteils mit der niedrigsten Schmelztemperatur. Ein konventionelles Flachglasgemenge mit Soda-Asche verflüssigt sich bei etwa 1090ºC (2000ºF) bis 1150ºC (2100ºF). Das verflüssigte Material fließt aus dem Verflüssigungsbehälter aus, sobald es einen fließfähigen Zustand erreicht hat, und deshalb weist die aus der Verflüssigungszone abgezogene Flüssigkeit nahezu gleichmäßige Temperatur auf, die dicht an der Verflüssigungstemperatur des teilchenförmigen Gemengematerials liegt. Es wird üblicherweise etwas zusätzliche Wärme auf das verflüssigte Material aufgegeben, während es aus dem Behälter ausfließt, so daß konventionelles Flachglasgemenge üblicherweise aus dem Behälter mit einer Temperatur von etwa 1150ºC (2100ºF) bis etwa 1260ºC (2300ºF) ausfließt. Weil Wärme aus dem Verflüssigungsbehälter bei Verflüssigungstemperatur abgeführt wird bei bemerkenswert niedrigeren Temperaturen als in konventionellen Glasschmelzern, kann die Temperatur des Verflüssigungsbehälters relativ niedrig gehalten werden, unabhängig von der Temperatur der Wärmequelle. Der Vorteil des größeren Wärmeflusses aufgrund höherer Temperatur der Wärmequellen ermöglicht es, diesen Vorteil auszunutzen, ohne daß exotische Gehäuse erforderlich sind. Die Verwendung der zuvor beschriebenen Hochtemperaturwärmequellen hat auch den Vorteil, daß das Volumen der Abgase verringert wird durch Vermeiden von Luftstickstoff. Die Abwesenheit von Stickstoff ist ebenso vorteilhaft für das Vermeiden von Stickstoffblasen im Glas. Gegebenenfalls kann die Verwendung eines Plasmabrenners mit einem geeigneten Trägergas eine kohlendioxidfreie Umgebung in der Verflüssigungskammer schaffen, insbesondere in Verbindung mit kalziniertem Gemenge. Eine kohlendioxidfreie Umgebung kann auch geschaffen werden durch Verbrennen von Sauerstoff und Wasserstoff. Ein anderer Vorteil des Ausschlusses von Stickstoff liegt in dem Abstrahlvermögen (das ist die Wirksamkeit, mit der ein Gas Wärmestrahlung überträgt) von Stickstoff, die erheblich niedriger ist als das Wärmeabstrahlvermögen von Kohlendioxid und Wasser. Deshalb vermeidet der Ausschluß von Wasserstoff die Verdünnung des Kohlendioxids und/oder Wassers, das bei der Verbrennung entsteht, und verstärkt das Freiwerden der Energie. Es ist klar, daß die Vorteile des Stickstoffausschlusses schrittweise erreicht werden können und teilweiser Ausschluß zu brauchbaren Verbesserungen führen kann.
Es ist erwünscht, daß die thermische Leitfähigkeit des Materials, das für die stabile Schicht 53 verwendet wird, relativ niedrig ist, so daß die tatsächlich zu verwendenden Schichtdicken auch die nachteilige starke Kühlung der Behälteraußenseite vermeidet. Im allgemeinen ergeben granulierte oder pulverförmige Mineralrohstoffe gute Wärmeisolierung, jedoch in einigen Fällen kann es möglich sein, Zwischenprodukte oder Produkte des Schmelzverfahrens als nicht verunreinigende stabile Schicht zu verwenden. Beispielsweise kann bei der Glasherstellung pulverisierter Glasbruch oder Scherben die stabile Schicht bilden, obwohl dabei eine dickere Schicht erforderlich ist aufgrund der höheren Leitfähigkeit von Glas im Vergleich zu Glasgemenge. Bei metallurgischen Verfahren würde andererseits die Verwendung eines metallischen Produktes als stabile Schicht zu unerwünscht großen Schichtdicken führen, um den Behälter ausreichend gegenüber thermischer Belastung zu schützen, jedoch können einige Erzmaterialien zufriedenstellende isolierende Schichten bilden. Vorzugsweise hat die stabile Schicht im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das zu verarbeitende Material. Es ist jedoch klar, daß Vorläufer oder abgeleitete Stoffe als im wesentlichen gleiche Zusammensetzung aufweisend angesehen werden. Anders ausgedrückt, die stabile Schicht kann das Rohmaterial, das Produktmaterial, ein Zwischenprodukt oder eine unterschiedliche Form oder Mischung desselben sein, solange als sie schmilzt oder reagiert zu einem Stoff, der keine wesentlichen Mengen von Fremdstoffen in den durchgesetzten Produktstrom einbringt. Es ist klar, daß diese Erfordernisse bezüglich der Zusammensetzung der stabilen Schicht nur für die Oberflächenteile bestehen, die tatsächlich in Berührung mit dem durchgesetzten Materialstrom kommen und für Teile unmittelbar unter der Oberfläche, die gegebenenfalls in den Materialstrom erodieren können. Deshalb kann bei einer äquivalenten Anordnung ein unterschiedliches Material in Teilen der stabilen Schicht unterhalb dem Niveau, bei der Erosion unwahrscheinlich ist, verwendet werden. Weil dieser unter der Oberfläche liegende Teil hauptsächlich als Isolierung zum Schutz des Behälters dient, kann er aus Materialien zusammengesetzt sein, die wegen ihrer Wärmeisolier-Eigenschaften ausgewählt werden, beispielsweise Sand oder Keramikteilchen, obwohl dieses Material ausreichend verträglich mit der Zusammensetzung sein muß, um die Oberflächenschicht bei den auftretenden Temperaturen nicht zu verunreinigen.
Es ist klar, daß die Bezeichnung "vorübergehende Schicht" und "stabile Schicht" relativ sind und eine klare physikalische Grenze zwischen vorübergehender Schicht und stabiler Schicht nicht immer identifizierbar ist. Die Verwendung der Ausdrücke "vorübergehend" und "stabil" soll nicht die Möglichkeit von geringen Schwankungen der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten ausschließen. Die grundsätzliche Abgrenzung besteht darin, daß der Bereich, der als vorübergehende Schicht beschrieben wird, gekennzeichnet ist durch Schmelzen und Fließen, während der Bereich, der als stabile Schicht bezeichnet wird, zumindest mit seinem Hauptteil nicht am Schmelzen und Fließen des durchgesetzten Produktstromes teilnimmt. Obwohl die vorübergehende Schicht auf der stabilen Schicht angeordnet ist, kann man theoretisch eine Zwischenschicht zwischen den beiden Schichten definieren, und es ist klar, daß diese Möglichkeit eingeschlossen sein soll.
Die in Abb. 3 wiedergegebene Anordnung, bei der der Drehrohrofen und der Verflüssigungsbehälter etwas voneinander getrennt sind, wird verwendet. Unmittelbares Zusammenführen des Endes des Drehrohrofens in direkter Verbindung der Öffnung 47 des Verflüssigungsbehälters hat sich als ungeeignet erwiesen, weil Verbacken des Gemenges im Drehrohrofen festgestellt wurde, wahrscheinlich durch Strahlungsenergie aus dem Verflüssigungsbehälter, die die Gemengematerialien im Drehrohrofen zu stark erwärmt. Dieses Problem wird gelöst durch Anordnen einer Übergangsvorrichtung zwischen dem Drehrohrofen und dem Verflüssigungsbehälter, die eine Zuführrinne 50 enthält, um das Gemenge zu überführen, und die eine Nasenteilverlängerung 61 an einem Abgasschacht 48 aufweist. Die Nasenteilverlängerung 61 leitet die Abgase in den oberen Teil des Drehrohrofens, weg vom Glasgemenge 60, und schirmt den Drehrohrofen gegen Strahlungswärmeübergang aus dem Verflüssigungsbehälter ab. Ein einstellbarer Schieber 62 kann im Übergangsbereich für das Abgas vorhanden sein, um den Druck in dem Verflüssigungsbehälter zu steuern. In dem Falle, in dem eine Erhöhung der Temperatur des Abgases erforderlich ist, zum Kalzinieren der Gemengematerialien im Drehrohrofen, kann das Nasenteil 61 mit Öffnungen 63 versehen werden, die in Abb. 3 angedeutet sind, um Hilfsbrenner 64 einzusetzen, wie es in Abb. 4 gezeigt wird.
Die Gemengezuführrinne 50 kann mit einer gekühlten Stirnplatte 70 versehen sein, die das Gemenge gegen den Abgasstrom abschirmt, um zu verhindern, daß das Gemenge in der Rinne überhitzt wird und sich zusammenballt. Andere Merkmale der Gemengezuführrinne 50 sind ein schwenkbares, wassergekühltes Leitblech 71 am Ausgangsende der Rinne, das dazu dient, daß das herabfallende Gemenge auf den gewünschten Teil der stabilen Gemengeschicht 53 im Verflüssigungsbehälter gerichtet wird. Eine keramische Platte 72 kann auch am Ausgangsende der Rinne 50 angeordnet werden, um direkt herabfallendes Gemenge vom oberen Randbereich der Trommel 35 abzuleiten. Um im Notfall die Zufuhr von Gemengematerial in den Verflüssigungsbehälter zu stoppen, ist eine schwenkbare Umleitungsklappe 73 am Eingangsende der Gemengezuführrinne 50 angeordnet, die dazu verwendet werden kann, das aus dem Drehrohrofen kommende Gemenge in eine Auslaßrinne 74 umzuleiten. Eine Dichtung zwischen dem Drehrohrofen und dem Übergangsbereich kann aus Teflon oder Graphitdichtungen 75 bestehen, in die ein ringförmiger Finger 76 eingreift, der sich radial von der Außenwand 20 des Drehrohrofens erstreckt. Diese Dichtungsanordnung kann umschlossen sein von einem ringförmigen Gehäuse 77.
In Abb. 4 ist eine Hilfszuführeinrichtung 80 wiedergegeben, die vorhanden sein kann, um Materialien dem Verflüssigungsbehälter 12 zuzuführen, die nicht vorerwärmt wurden oder unabhängig vom Gemenge, das im Drehrohrofen vorerwärmt wurde, aufgeheizt wurden. Beispielsweise kann die Hilfszuführeinrichtung 80 dazu verwendet werden, Sodaasche, Ätzkali oder Glasbruch in den Verflüssigungsbehälter einzubringen, insbesondere, wenn der Drehrohrofen dazu verwendet wird, Kalzium und/oder Magnesiumcarbonat zu kalzinieren. Die Hilfszuführeinrichtung 80 kann ein konventioneller Schneckenförderer sein mit einem Trichter 81, Motor 82 und einem Schneckenzylinder 83 und kann die Materialien durch die Öffnung 47 im Deckel des Verflüssigungsbehälters auf der oberen Kante der stabilen Gemengeschicht 53 ablagern. Es kann auch eine Vielzahl von Hilfsfördereinrichtungen, die mit der Einrichtung 80 übereinstimmen, verwendet werden, wenn es erwünscht ist, eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien getrennt dem Eingang des Verflüssigungsbehälters zuzuführen.
Die Neigung des Drehrohrofens kann in Obereinstimmung mit der gewünschten Aufenthaltszeit des Materials im Drehrohrofen gewählt werden. Geeignete Stützeinrichtungen können vorhanden sein, um den Neigungswinkel variabel zu gestalten. Es ist jedoch bevorzugt, eine feste Neigung von etwa 2º (1º bis 5º) zur Horizontalen vorzusehen und die Aufenthaltszeit durch Verändern der Drehgeschwindigkeit des Drehrohrofens zu steuern. Die Drehgeschwindigkeit des Drehrohrofens liegt in dem Bereich, bei dem Gemengematerial in den unteren Teil des Drehrohrofens taumelt, ohne daß wesentliche Teile des Gemenges durch Zentrifugalkraft an die Innenseite des Ofens gedrückt werden.
Glasgemenge nimmt beim Vorheizen auf etwa 480ºC (900ºF) am heißen Ende des Drehrohrofens einen klebrigen Zustand an, der Stauben vermeidet. Bis zu einer Temperatur von etwa 760ºC (1400ºF) führt diese Klebrigkeit nicht zu unerwünschtem Agglomerieren oder Klumpen. Glasgemenge ohne Soda-Asche oder vergleichbare Natriumquelle erreichen einen vergleichbaren Zustand, wenn sie in die Nähe der Kalziniertemperatur von Kalkstein und Dolomit erwärmt werden. Dieser klebrige Zustand ist vorteilhaft zum Einführen des Gemenges in den Verflüssigungsbehälter mit sehr geringem Stauben. Es ist ebenfalls vorteilhaft, daß der Beginn des klebrigen Zustandes mit dem Übergang des Gemenges aus einem im wesentlichen horizontalen Transport im Drehrohrofen mit einer nahezu senkrechten Lage in dem Verflüssigungsbehälter korrespondiert, so daß ein kontinuierlicher gleichmäßiger Materialfluß durch das System gesichert ist.
Das nachfolgende Beispiel zeigt eine Anordnung, die im wesentlichen den Abbildungen und der Beschreibung entspricht bei einem Standard-Flachglasgemenge mit Soda-Asche mit einem Durchsatz von 30 to/Tag (27 metrische to pro Tag) verarbeitet wird. Der Drehrohrofen war 15 m (49 Fuß) lang und wies einen Innendurchmesser von 76 cm (2,5 Fuß) auf. Die Innenfläche des Drehrohrofens betrug 46,6 m² (502 Quadratfuß). Der Drehrohrofen wurde mit etwa 3 UpM gedreht und wies eine Neigung von 2º auf. Der Verflüssigungsbehälter wies einen Innendurchmesser von 130 cm (51 Inch) auf und wurde mit etwa 32 UpM gedreht. Der Verflüssigungsbehälter wurde mit einem Brenner erwärmt, der mit Methan und Sauerstoff betrieben wurde, um etwa 3 Millionen BTU pro Stunde (0,878 Millionen Watt) Wärmeenergie zuzuführen und erzeugte ein Abgasvolumen bei Standardtemperatur und Druck von 957 m³/Stunde (33,792 Kubikfuß/Stunde). Das Abgas trat in den Drehrohrofen mit 888ºC (1631ºF) ein und verließ den Drehrohrofen mit 246ºC (474ºF). Das Glasgemenge wurde in den Drehrohrofen mit einer Temperatur von 16ºC (60ºF) eingegeben und wurde im Drehrohrofen auf 593ºC (1100ºF) erwärmt. Das verflüssigte Gemenge, das aus dem Verflüssigungsbehälter auslief, hatte eine Temperatur von 1236ºC (2257ºF).

Claims

1. Verfahren zum Verflüssigen pulverförmiger Gemengematerialien in einem Verflüssigungsbehälter (12) durch Ablagern durch eine Öffnung (47) in einem den Verflüssigungsbehälter (12) abdeckenden Deckel (43) von mittels Wärmerückgewinnung aus einem Abgasstrom vorerwärmter Gemengematerialien auf einer stabilen Schicht (53) von Gemenge, die einen Hohlraum im Verflüssigungsbehälter (12) umgibt, Erzeugen von Verbrennungswärme im Hohlraum des Verflüssigungsbehälters (12) durch Verbrennen von im wesentlichen stickstofffreiem Brennstoff mit Sauerstoff, um die abgelagerten Gemengematerialien zu verflüssigen und es dem verflüssigten Gemenge zu ermöglichen, über die stabile Gemengeschicht (53) zu einer Auslaßöffnung (41, 42) des Verflüssigungsbehälters (12) zu fließen, Steuern der Zuführgeschwindigkeit der Gemengematerialien in den Verflüssigungsbehälter (12), um die stabile Gemengeschicht im wesentlichen konstant zu halten, gekennzeichnet durch Einbringen pulverförmiger Gemengematerialien in einen Vorwärmkessel (10), direktes Aussetzen der Gemengematerialien dem Abgasstrom im Vorwärmkessel (10), während die Gemengematerialien zum Erwärmen gerührt werden, Überführen der erwärmten Gemengematerialien aus dem Vorwärmkessel (10) durch eine Gemengezuführrinne (50), die in der Öffnung (47) angeordnet ist, in den Verflüssigungsbehälter (12), sobald das Schmelzen des Gemenges begonnen hat, jedoch ehe sich eine wesentliche Haftung zwischen den Gemengeteilchen entwickelt hat, und Überführen des Abgasstromes aus dem Verflüssigungsbehälter (12) in den Vorwärmkessel (10) durch einen Abgasschacht (48), der sich von der Öffnung (47) aus erstreckt und der ein Nasenteil (61) aufweist, das das Abgas in einen oberen Teil des Vorwärmkessels (10) weg von den Gemengematerialien lenkt und den Vorwärmkessel (10) gegen Übertragung von Strahlungswärme aus dem Verflüssigungsbehälter (12) abschirmt, und Verwenden aller Hochtemperaturprodukte der Verbrennung, die vom Verflüssigungsbehälter (12) zu dem Vorwärmkessel (10) überführt werden, als alleinige Wärmequelle zum Vorwärmen mittels des Abgases mit einer relativ geringen Geschwindigkeit, um den Wärmeübergang vom Abgas auf die Gemengematerialien zu maximieren, und Abziehen des Abgases aus dem Vorwärmkessel (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas, nachdem die Abgastemperatur unter dem Taupunkt des darin enthaltenen Wasserdampfes ist, aus dem Vorwärmkessel (10) abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Gemengematerialien Glasgemengematerialien sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Vorwärmkessel (10) hindurchgeleiteten Gase im wesentlichen frei von Stickstoff sind und den in den Materialien, die durch den Vorwärmkessel (10) hindurchgeleitet werden, eingeschlossenen Stickstoff aus dem Material spülen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemengematerialien durch den Vorwärmkessel (10) unter einem spitzen Winkel zur Horizontalen mit einer gesteuerten Geschwindigkeit hindurchgefördert werdend so daß die Gemengematerialien, die bis unter eine Temperatur erhitzt wurden, bei der eine geschmolzene Phase das Aneinanderhaften der Gemengeteilchen verursacht, aus dem Vorwärmkessel (10) entfernt und unter einem spitzen Winkel zur Senkrechten auf der stabilen Gemengeschicht (53) im Verflüssigungsbehälter (12) abgelagert werden, wobei die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges auf das Gemenge erhöht wird, um dessen Temperatur zu erhöhen, um die Gemengematerialien in einen flüssigen Zustand zu überführen, so daß das verflüssigte Gemenge aus dem Verflüssigungsbehälter (12) herausfließt.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gemengematerialien, enthaltend ein Kieselsäurequellenmaterial und ein Natriumquellenmaterial, dem Verflüssigungsbehälter (12) zugeführt wird und ein anderer Teil, enthaltend ein Carbonatquellenmaterial, dem Vorwärmkessel (10) zugeführt wird, in dem das Carbonatquellenmaterial zum Kalzinieren mindestens eines Teils des Carbonats erwärmt wird, daß das heiße kalzinierte Material aus dem Vorwärmkessel (10) in den Verflüssigungsbehälter (12) überführt wird und das kalzinierte Material mit dem Kieselsäurequellenmaterial und dem Natriumquellenmaterial im Verflüssigungsbehälter (12) erwärmt wird, um die Gemengematerialien zu verflüssigen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsäurequellenmaterial dem Verflüssigungsbehälter (12) nicht direkt zugeführt wird, sondern durch den Vorwärmkessel (10) hindurchgeleitet wird, um es zusammen mit dem Carbonatquellenmaterial zu erwärmen.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien im Vorwärmkessel auf mindestens 870ºC (1600ºF) erwärmt werden.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasgemengematerialien Rohsoda enthalten und der Übergang vom Vorwärmkessel (10) in den Verflüssigungsbehälter (12) stattfindet, wenn das Gemenge eine Temperatur von etwa 480ºC (900ºF) bis 760ºC (1400ºF) erreicht hat.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß geschmolzenes Ätznatron dem Verflüssigungsbehälter (12) zugeführt wird.

11. Vorrichtung zum Verflüssigen von pulverförmigen Gemengematerialien zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend als Verflüssigungsbehälter (12) einen beheizten Hohlraum, der von einer stabilen Schicht (53) von Gemengematerialien umgeben ist und der eine obere Einlaßöffnung (47) in einem stationären Deckel (43), der den Verflüssigungsbehälter (12) abdeckt, aufweist, um Gemengematerialien auf der stabilen Gemengeschicht (53) abzulagern, und eine untere Auslaßöffnung (42) zum Abziehen verflüssigten Gemenges aus dem Verflüssigungsbehälter (12) aufweist, der drehbar um eine im wesentlichen senkrechte Achse montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin als Vorwärmkessel einen Drehrohrofen (10) aufweist mit einem langgestreckten, geneigten, zylindrischen Kessel, der drehbar um seine zylindrische Achse montiert ist, Einrichtungen (13, 14) zum Zuführen von Gemengematerial dem ersten Ende des Drehrohrofens (10) vorhanden sind und daß der Gemengeverflüssigungsbehälter (12) am gegenüberliegenden Ende des Drehrohrofens (10) angeordnet ist, um Gemengematerialien aus dem Drehrohrofen (10) in dem Verflüssigungsbehälter (12) abzulagern, und ein Übergang zwischen dem Drehrohrofen (10) und dem Verflüssigungsbehälter (12) vorhanden ist mit einer Gemengezuführrinne (50), die in der Öffnung (47) angeordnet ist und die am Ausgangsende der Rinne (50) eine schwenkbare Prallplatte (71) aufweist, und mit einer Nasenteilverlängerung (61) an einem Abgasschacht (48), wobei das Nasenteil (61) so angeordnet ist, daß es die Abgase in einen oberen Teil des Drehrohrofens (10) ablenkt, weg von den Gemengematerialien (60) und das den Drehrohrofen (10) gegenüber Übertragung von Strahlungswärme aus dem Verflüssigungsbehälter (12) abschirmt, und der Abgasschacht (48) sich von der Öffnung (47) im Deckel (43) aus erstreckt

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasschacht (48) einen einstellbaren Schieber (62) im Abgasdurchgang des Übergangsbereiches aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Gemengezuführrinne (50) eine schwenkbare Umleitungsklappe (73) vorhanden ist, um Gemengematerialien in eine Auslaßrinne (74) umzuleiten.