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Un horno de fusión de vidrio está diseñado para fundir materias primas y obtener vidrio . [1]
Dependiendo del uso previsto, existen diferentes diseños de hornos de fusión de vidrio. [2] [3] [4] Utilizan diferentes fuentes de energía. Estas fuentes provienen principalmente de combustibles fósiles o de energía totalmente eléctrica. También se realiza una combinación de ambas fuentes de energía. Un horno de fusión de vidrio está hecho de un material refractario . [5]
Las materias primas de vidrio se alimentan al tanque de fusión de vidrio en lotes o de forma continua. Los componentes (el lote) se funden para formar una masa fundida de vidrio líquido. Además de los componentes básicos, el lote también contiene vidrio reciclado para ahorrar energía. El contenido de vidrio desecho puede alcanzar hasta aprox. 85% - 90% (vidrio verde), dependiendo de los requisitos del color de vidrio deseado. Cuando se cambia el color del vidrio (cambio de color), todo el proceso suele tardar varios días en grandes hornos de fusión de vidrio. Para un funcionamiento económico, los hornos de fusión de vidrio funcionan las 24 horas del día durante todo el año para el llamado vidrio en masa (vidrio hueco, vidrio plano). Aparte de uno hasta máx. dos reparaciones intermedias planificadas más pequeñas, durante las cuales el horno se pone fuera de servicio, el llamado viaje del horno (campaña) hasta la reparación general (reconstrucción) puede durar hasta 16 años o más (según el grupo de productos). La capacidad puede variar desde aproximadamente una tonelada hasta más de 2000 toneladas y el rendimiento diario puede variar desde unos pocos kilogramos hasta más de 1000 toneladas. La temperatura de funcionamiento dentro del horno, encima del llamado baño de vidrio, es de unos 1550 °C. Esta temperatura está determinada por la composición del lote y por la cantidad necesaria de vidrio fundido (la producción diaria), así como por las pérdidas de energía relacionadas con el diseño.
Los hornos de vidrio funcionan con un sistema de recuperación de calor de los gases de combustión para aumentar la eficiencia energética.
La reducción de emisiones de CO 2 requerida, debido a la mitigación del cambio climático, ha dado lugar a diversos conceptos para reducir o sustituir el uso de combustibles fósiles , así como evitar el CO 2 liberado durante la fusión del lote mediante un mayor contenido de reciclaje. .
Este tipo histórico de tanque de fusión de vidrio se produce por lotes (de forma discontinua); se utiliza para derretir vasos que sólo se necesitan en pequeñas cantidades. El área máxima de fusión de los tanques diurnos es de 10 m2, y la capacidad de fusión está entre 0,4 y 0,8 t/m2 de área de fusión.
El horno de olla es un tipo de esto. El horno consta de una cubeta de mampostería refractaria con una profundidad de 40 a 60 cm (horno inferior), que se cubre con una bóveda de un diámetro de 70 a 80 cm (horno superior).
A principios del siglo XXI todavía existían tanques diurnos en algunas fábricas de vidrio de boca y talleres artesanales, así como en algunos fabricantes de vidrio especial, donde se fundían pequeñas cantidades de vidrio de alta calidad, por ejemplo vidrio óptico.
Los tanques diurnos no se ponen fuera de servicio al final del día; la temperatura simplemente se baja durante la noche. Dado que el material refractario normalmente no puede tolerar grandes cambios de temperatura y esto conduce a una mayor corrosión (consumo) del mismo, de todos modos no puede producirse un enfriamiento tan rápido. Si el tanque diurno se pone fuera de servicio, por ejemplo para mantenimiento, se deben respetar tiempos de enfriamiento/calentamiento (de dos a varios días) adaptados al material refractario. Se exceptúan los hornos más pequeños (hornos de estudio) en talleres artesanales. Allí se diseña correspondientemente el revestimiento refractario.
Los hornos de funcionamiento continuo constan de dos secciones, el tanque de fusión y el tanque de trabajo. Estos están separados por un paso o un estrechamiento (vidrio flotado). En el tanque de fusión, la tanda se funde y se refina. A continuación, la masa fundida pasa por el conducto al tanque de trabajo y de allí al alimentador (antecriadero). Allí se retira el cristal. En la producción de vidrio hueco (vidrio hueco), la máquina de vidrio que se encuentra debajo se alimenta con gotas de vidrio. En la producción de vidrio plano (vidrio flotado), el vidrio se alimenta a través de salidas anchas especiales como cinta de vidrio sobre un llamado baño flotador de estaño líquido (para vidrio plano sin estructura: p. ej. vidrio de ventana, vidrio de automóvil) o para vidrio plano con Estructura sobre rodillo perfilado.
Los tanques de fusión están fabricados de materiales refractarios y constan de grupos de alúmina (Al2O3), sílice (SiO2), magnesia (MgO), circonio (ZrO2) así como combinaciones de ellos para producir los materiales cerámicos refractarios necesarios. En la creación de hornos de fusión de vidrio (tanque de fusión con cámaras regenerativas) se pueden utilizar hasta 2.000 t de material refractario para el sector del vidrio hueco y hasta 9.000 t para el sector del vidrio plano. La fuente de calor en 2021 suele ser gas natural, petróleo pesado y ligero y corriente eléctrica alimentada directamente al baño de vidrio mediante electrodos. La calefacción con combustibles fósiles suele combinarse con calefacción eléctrica suplementaria. También se utilizan tanques de fusión de vidrio calentados totalmente eléctricamente.
Usar oxígeno puro en lugar de aire para quemar combustibles fósiles (preferiblemente gas) ahorra energía y, en el mejor de los casos, reduce los costos operativos. La temperatura de combustión, y por tanto la transferencia de calor, es mayor y el volumen de gas a calentar es menor. Sin embargo, los hornos de vidrio alimentados con oxígeno normalmente no son viables para la producción de vidrio a granel, como vidrio hueco y plano, debido al alto costo de producción de oxígeno. Existen muchos tipos diferentes de hornos para fundir vidrio. Los tipos de hornos utilizados en la fabricación de vidrio incluyen los llamados hornos "de fuego lateral", "de fuego lateral" y "oxi-combustible". El último desarrollo es el horno híbrido. Actualmente se están construyendo varios proyectos para este tipo y algunos ya estarán operativos en 2023. Normalmente, el tamaño de un horno se clasifica según su capacidad de producción en toneladas métricas por día (MTPD).
Para ahorrar energía en el proceso de fusión del vidrio, además de utilizar la mayor cantidad de vidrio reciclado posible (aprox. 2% de ahorro de energía por cada 10% de vidrio reciclado), es necesario calentar el aire de combustión a una temperatura lo más alta posible mediante La utilización de un sistema regenerativo o recuperador es parte fundamental del proceso.
En el regenerador más comúnmente utilizado , los gases de escape calientes (1300 °C - 1400 °C) se alimentan de forma discontinua en cámaras a través de una red de ladrillos refractarios, rectangulares o de formas especiales. En este caso, la denominada celosía se calienta. Después de este período de calentamiento (almacenamiento de la energía térmica de los gases de escape a través de la red), se invierte la dirección del flujo de gas y el aire fresco y frío necesario para la combustión fluye ahora a través de la red de la cámara, previamente calentada. De este modo el aire de combustión se precalienta a aprox. 1200°C - 1300°C. Esto se traduce en un considerable ahorro de energía. Después de la combustión, los gases de escape entran a su vez en la rejilla de otra cámara, donde recalientan la rejilla, ahora más enfriada. El proceso se repite periódicamente a intervalos de 20 a 30 minutos. De este modo, las cámaras funcionan de forma discontinua. El grado de recuperación es de aprox. sesenta y cinco%
Un recuperador funciona de forma continua y consta de un intercambiador de calor metálico entre los gases de escape y el aire fresco. Debido a la superficie metálica del intercambiador (tubos de acero de alta aleación resistentes al calor en combinación con una doble carcasa metálica), un recuperador sólo puede funcionar a temperaturas más bajas de los gases de escape y, por tanto, su funcionamiento es menos eficaz (40%). Por lo tanto, aquí sólo se alcanzan temperaturas de precalentamiento relativamente más bajas (máx. 800 °C).
Un recuperador es menos costoso de instalar y requiere menos espacio e inversión. De ello resultan ventajas económicas en términos de costes de inversión, que sin embargo se reducen considerablemente debido a la menor eficacia o incluso pueden tener un impacto negativo durante un largo periodo de funcionamiento.
En el caso de restricciones estructurales para la instalación de un regenerador, también se han desarrollado e implementado combinaciones de regenerador y recuperador para lograr el mayor ahorro de energía o operación más eficiente posible del sistema [6]
Como medida adicional, para aprovechar el contenido calorífico de los gases de escape (temperatura > 700 °C), es técnicamente posible o ya se ha probado a gran escala un acoplamiento de calor/energía posterior. Sin embargo, el necesario esfuerzo de mantenimiento de un sistema de este tipo conlleva costes considerables y, por lo tanto, debe considerarse crítico en relación con los costes operativos asociados. Por lo tanto, este concepto particular de recuperación de energía aguas abajo generalmente no se desarrolla más en la actualidad. Las revisiones innovadoras de este concepto deben probarse en la práctica en el entorno productivo a largo plazo y con un gran coste. Sin embargo, esto requiere cierta voluntad por parte de las empresas de asumir riesgos que, debido a la feroz competencia en este sector, generalmente no se asumen.
A raíz del debate sobre el clima, se han puesto en marcha varios desarrollos y proyectos de investigación para reducir significativamente el CO 2 perjudicial para el clima en la producción. Entre otras cosas, en Europa se ha lanzado una iniciativa para construir un nuevo tipo de horno de fusión de vidrio. [7] Varios fabricantes de vidrio europeos están trabajando en este proyecto junto con proveedores de tecnología con el objetivo de realizar una planta correspondiente a escala industrial. Se pretende poner en funcionamiento la planta en 2022 con una capacidad de fusión de 350 toneladas diarias. Este horno de fusión de vidrio, llamado horno híbrido, funcionará con un 80% de electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables y se espera que permita una reducción de CO 2 en un 50%. [8] [9]
La industria, una comunidad de intereses de 19 empresas europeas de vidrio para envases, intentó recibir apoyo financiero del Fondo de Innovación de la UE. [10] Sin embargo, no logró obtener una subvención del Fondo de Innovación de la UE, a pesar de que el proyecto obtuvo puntuaciones de evaluación muy altas en términos de innovación, enfoque sectorial y escalabilidad.
Aunque las empresas involucradas se ofrecieron voluntariamente a contribuir financieramente al proyecto, la subvención de la UE seguía representando una contribución significativa al CAPEX y OPEX adicionales en comparación con un horno convencional. Sin la subvención de la UE, el proyecto no podría llevarse a cabo como se planeó inicialmente. Sin embargo, la industria ahora está evaluando cómo proceder con sus esfuerzos de descarbonización. [11]
Además, existen proyectos de investigación para calentar hornos de fusión de vidrio alternativamente con el llamado hidrógeno verde . La combustión del hidrógeno sólo produce vapor de agua. Sin embargo, el vapor de agua influye en el proceso de fusión y en la composición del vidrio, así como en las propiedades del vidrio producido. La forma en que se puede controlar y corregir esta influencia es objeto de más investigaciones. En agosto de 2021 se llevó a cabo con éxito una prueba industrial a gran escala. [12]
Sin embargo, el hidrógeno tiene un poder calorífico por metro cúbico considerablemente menor en comparación con el gas natural. Esto es sólo alrededor de un tercio del del gas natural. Esto da como resultado nuevos requisitos para los gasoductos para transportar hidrógeno. La red de gas natural actualmente existente no es fácil de diseñar para esto. Para proporcionar la misma cantidad de energía, las tuberías deben tener una longitud de aprox. 70% más grande o diseñado para una presión más alta, o se debe lograr un caudal tres veces mayor a la misma presión. Esta última medida podría aplicarse en las redes de gasoductos existentes. Sin embargo, esto puede provocar un aumento de las vibraciones, causadas principalmente por las instalaciones existentes en la tubería, que favorecen la formación de grietas y, con ello, provocan daños importantes a largo plazo. Se sabe que bajo ciertas condiciones, el 100% de hidrógeno fragilizará el material en este punto, acelerando la formación de grietas más profundas. Sin embargo, es posible y ya se ha realizado una mezcla inicialmente parcial de hidrógeno con el gas natural. Actualmente se está llevando a cabo un amplio debate científico al respecto, así como por parte de los proveedores de tubos.
También se probó el uso alternativo de biocombustibles en una prueba industrial a gran escala. Se logró una reducción de CO 2 del 80%. Sin embargo, las cantidades de gas necesarias no estuvieron disponibles en su totalidad durante un período de tiempo más largo, por lo que la prueba a gran escala se limitó a 4 días. [13]