Projekt 24506/01

Verbundvorhaben zur Entwicklung und Demonstration einer 2. Generation von Schmelzgutvorwärmern im Einsatz an Sauerstoff-Brennstoff beheizten Glasschmelzwannen als umweltentlastende Technologie

Projektträger

Zippe Industrieanlagen GmbH Forschung und Entwicklung
Alfred Zippe Str.
97877 Wertheim
Telefon: (0 93 42) 8 04-1 65

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Firma Zippe Industrieanlagen GmbH hat sich schon zwischen 1986 und 1996 mit der Entwicklung und dem Bau von Wärmetauschern beschäftigt. Primärenergieeinsparungen im zweistelligen Prozentbereich konnten damals erzielt werden. Da dieses Thema aufgrund der weltweit steigenden Energiepreise wieder mehr und mehr an Bedeutung gewinnt, war das Ziel, basierend auf dem damals entwickelten System, einen neuen Typ von Wärmetauscher zu entwickeln, der wärmetechnisch effizienter und vor allem, das war die Hauptschwäche des existierenden Systems, betriebsicherer arbeitet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Neuentwicklung des Wärmetauschers wurde unter Zugrundelegung der mit den bereits gebauten Wärmetauschern gemachten Erfahrungen sowie den von der RWTH erarbeiteten theoretischen Grundlagen begonnen. Von der Firma ZIPPE wurde, da sich die bislang gebauten Wärmetauscher als wärmetechnisch sehr gut erwiesen haben, das Hauptaugenmerk auf eine betriebssicherere Funktion und eine Vereinfachung der bisherigen Konstruktion gelegt. Als Hauptursache der bisherigen Störungen hat sich das bei der Erwärmung von Glasgemenge frei werdende Wasser, das als Dampf abgeführt werden muss, erwiesen. Begonnen wurde somit mit statischen Aufheizversuchen zur grundlegenden Untersuchung dieses Wasserproblems. Dabei kam klar zu Tage, im Gegensatz zu Annahmen im Entwicklungszeitraum des ersten Wärmetauschers, dass selbst bei vermeintlich trockenem Gemenge erheblich größere Wassermengen in gebundener Form, vor allem im Rohstoff Soda, der mit ca. 20% eines der Hauptbestandteile der meisten Gemengerezepte ist, vorliegen. Mit Hilfe dieser neu gewonnenen Erkenntnisse wurden dann die Aufwärmversuche, jetzt mit Materialfluss, fortgesetzt. Dazu sind zwei spezielle Testtauscher gebaut und mit entsprechenden verschiedenen Entdampfungsöffnungen ausgerüstet worden.
Durch die Verlängerung der Projektlaufzeit im Jahr 2009 konnte eine große Testinstallation an einer existierenden Schmelzwanne durchgeführt werden. Nach zahlreichen Tests verliefen diese schließlich durchgehend positiv und ohne Probleme bei der Betriebssicherheit.
Im Anschluss wurden Messungen hinsichtlich möglicher Entmischungen und potentiell entstehender Dioxine durchgeführt. Die Messungen zeigten keine negativen Auswirkungen.


Ergebnisse und Diskussion

Bedingt durch die Kenntnisse der Wasserproblematik und daraus resultierender Optimierungen konnte im Praxisbetrieb der großen Testanlage schließlich Gemenge mit lediglich 14% Scherben gefahren werden. Fakt ist, dass Gemenge in dieser Zusammensetzung bzw. mit dieser Feuchte in den Wärmetauschern der ersten Generation unweigerlich zu Anbackungen und Störungen bis hin zum Anlagenstillstand geführt hätte.
Im Vergleich zur ersten Wärmetauschergeneration, wo die Rauchgase durch außerhalb des eigentlichen Tauschers gelegene Umlenkkästen mäanderförmig durch die Rauchgasschächte geführt worden sind, liegt die gesamte Rauchgasführung jetzt innerhalb des Wärmetauschers. Erstens ist dadurch mit einem höheren Wirkungsgrad zu rechnen und zweitens ist der Konstruktions- und Materialaufwand wesentlich geringer.
Als für den Erfolg maßgeblich hat sich der Praxistest der 40-Tonnen/Tag Pilotanlage herausgestellt.
Während dieses Tests konnten über einen längeren Zeitraum Erfahrungen gesammelt und noch entscheidende Verbesserungen durchgeführt werden. Reale Produktions- und Wannenbedingung und ein sehr niedriger Scherbengehalt im Gemenge stellten an das Aggregat hohe Anforderungen.
Der neu entwickelte Wärmetauscher stellte sich auch mit Scherbenanteilen von unter 10% als betriebssicher heraus und konnte ohne zusätzlichen Wartungsaufwand betrieben werden. Die Entdampfungsöffnungen im Aggregat zeigten ein zuverlässiges Herausfördern des Wasserdampfes, womit Verbackungen im Aggregat erfolgreich vermieden wurden, was gegenüber früheren Wärmetauschergenerationen eine deutliche Verbesserung darstellt. Unter diesen Betriebsbedingungen wäre ein störungsfreier Betrieb mit älteren Generationen von Wärmetauschern nicht möglich gewesen.
Bedingt durch das nunmehr völlig trockene Gemenge bzw. Gemenge- Scherbengemisch sollte durch eine Neugestaltung des Einlegbereiches einerseits, die Verstaubung vor der Schmelzwanne, vor allem aber die höhere Staubentwicklung in der Wanne durch geeignete Maßnahmen optimiert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Komplex der Gemengevorwärmung verbunden mit der Ankündigung, dass die Firma ZIPPE sich im Rahmen dieses Forschungsvorhabens mit der Entwicklung einer neuen Wärmetauschergeneration befasst, wurde im Rahmen eines Vortrages bei der Conference on Glass Problems in Columbus USA vom 30. Oktober bis 01. November 2006 der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Weiterhin bestanden in diesem Zusammenhang Kontakte zu diversen Glasherstellern (Philips, Vetropack, Ursa Insulation).
Die neusten Erkenntnisse aus den Praxistests wurden auf selbiger Konferenz im Jahr 2010 vorgestellt. Ebenfalls wurde die neue Generation von Vorheizern am 01.06.2011 auf der Jahrestagung der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft in Saarbrücken in einem Fachvortrag vorgestellt.


Fazit

Basierend auf den von der Firma ZIPPE gemachten Erfahrungen mit den bisher gebauten Scherben- und Gemengevorwärmern und unter Mithilfe der RWTH in Aachen ist eine neue Wärmetauschergeneration entwickelt worden, mit der es im Labor- und halbtechnischem Maßstab möglich war, Glasgemenge kontinuierlich und störungsfrei auf Temperaturen von über 300 °C zu erwärmen.
Durch die Verlängerung der Laufzeit des Projekts im Jahr 2009, wurde es schließlich auch ermöglicht, einen Testtauscher in größerem Maßstab zu konstruieren, zu bauen und an einer realen Glasschmelzwanne zu testen. Mit der Fa. Vetropack- ein renommierter Hohlglashersteller Europas- wurde eine Firma gefunden, die bereit war, einen Vorwärmer an einer großen Hohlglasschmelzwanne über einen längeren Zeitraum zu testen. Die Anlage war für eine Kapazität von 40 Tonnen/Tag ausgelegt. Durch diverse Testläufe und Modifikationen, konnte das Aggregat schließlich entscheidend verbessert werden, so dass es in einen sicheren und dauerhaften Betriebszustand gebracht werden konnte. Die Anlage lief über mehrere Monate bei sehr geringen Scherbenanteilen störungsfrei, was sicherlich ein Novum in der Glasindustrie darstellte. Durch die Wannenabschaltung wurde der Vorheizer schließlich heruntergefahren.
Das Projektziel eines dauerhaften und sicheren Betriebs mit geringen Scherbenanteilen an einer erdgas-befeuerten Schmelzwanne konnte erreicht werden. Messungen durch die TNO zeigten kein kritisches Entstehen von Dioxinen und eine hohe wärmetechnische Effizienz. Die Entwicklung erfreut sich in der Glasindustrie eines großen internationalen Interesses. Am 04.05.2011 wurde die Anlage während des Betriebes ausgewählten Interessenten präsentiert.