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Un horno de fusión de vidrio está diseñado para fundir materias primas y convertirlas en vidrio . [1]
Dependiendo del uso previsto, existen varios diseños de hornos de fusión de vidrio disponibles. [2] [3] [4] Utilizan diferentes fuentes de energía. Estas fuentes son principalmente de combustibles fósiles o de energía completamente 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 introducen en el tanque de fundición 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 reciclado puede ser de hasta aproximadamente el 85% - 90% (vidrio verde), según los requisitos del color de vidrio deseado. Para cambiar el color del vidrio (recoloración), el proceso completo suele durar varios días en grandes hornos de fundición de vidrio. Para un funcionamiento económico, los hornos de fundición de vidrio funcionan las 24 horas del día durante todo el año para el llamado vidrio en masa (vidrio hueco, vidrio plano). Aparte de una o dos reparaciones intermedias planificadas más pequeñas, durante las cuales el horno se pone fuera de servicio, un 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 de aproximadamente una tonelada a más de 2000 toneladas y el rendimiento diario puede variar de unos pocos kilogramos a más de 1000 toneladas. La temperatura de funcionamiento en el interior del horno, por encima del llamado baño de vidrio, es de unos 1550 °C. Esta temperatura está determinada por la composición de la mezcla y por la cantidad de vidrio fundido necesaria (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 gases de combustión para aumentar la eficiencia energética.
La reducción de las emisiones de CO2 requerida , debido a la mitigación del cambio climático , ha llevado a diversos conceptos para reducir o reemplazar el uso de combustibles fósiles , así como evitar el CO2 liberado durante la fusión del lote a través de un mayor contenido de reciclaje.
Este tipo histórico de tanque de fusión de vidrio produce en lotes (de forma discontinua); se utiliza para fundir vidrios que solo se necesitan en pequeñas cantidades. La superficie máxima de fusión de los tanques de día es de 10 m2 y la capacidad de fusión está entre 0,4 y 0,8 t/m2 de superficie de fusión.
El horno de caldero es uno de estos hornos. El horno está formado por una cubeta de mampostería refractaria de una profundidad de 40 a 60 cm (horno inferior), que está cubierta por una bóveda de un diámetro de 70 a 80 cm (horno superior).
A principios del siglo XXI todavía existían tanques de día en algunas vidrierías y talleres artesanales, así como en algunas fábricas de vidrio especial, donde se fundían pequeñas cantidades de vidrio de alta calidad, por ejemplo, vidrio óptico.
Los hornos de día no se ponen fuera de servicio al final del día, sino que simplemente se baja la temperatura durante la noche. Como el material refractario no suele tolerar grandes cambios de temperatura y esto provoca una mayor corrosión (consumo) del mismo, de todos modos no se puede producir un enfriamiento tan rápido. Si el horno de día se pone fuera de servicio, por ejemplo para realizar tareas de 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 taller) en talleres de artesanos, en los que el revestimiento refractario se diseña en consecuencia.
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 una constricción (vidrio flotado). En el tanque de fusión, la mezcla se funde y se refina. A continuación, la masa fundida pasa por el paso al tanque de trabajo y de allí al alimentador (precrisol). Desde allí se extrae el vidrio. En la producción de vidrio hueco (vidrio hueco), la máquina de vidrio situada debajo se alimenta con gotas de vidrio. En la producción de vidrio plano (vidrio flotado), el vidrio se alimenta en salidas anchas especiales como una cinta de vidrio sobre un llamado baño de flotación de estaño líquido (para vidrio plano sin estructura: p. ej. vidrio de ventana, vidrio de automóvil) o para vidrio plano con estructura sobre un rodillo perfilado.
Los hornos de fusión están hechos de materiales refractarios y están compuestos por 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 (horno de fusión con cámaras regenerativas), se pueden utilizar hasta 2000 t de material refractario para el sector del vidrio hueco y hasta 9000 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. El calentamiento con combustibles fósiles se combina a menudo con un calentamiento eléctrico complementario. También se utilizan hornos de fusión de vidrio calentados completamente con electricidad.
El uso de oxígeno puro en lugar de aire para quemar combustibles fósiles (preferentemente gas) ahorra energía y, en el mejor de los casos, reduce los costos operativos. La temperatura de combustión, y por lo 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 no suelen ser viables para la producción de vidrio a granel, como el vidrio hueco y plano, debido al alto costo de producción de oxígeno. Existen muchos tipos diferentes de hornos de fusión de vidrio. Los tipos de hornos utilizados en la fabricación de vidrio incluyen los llamados hornos de "encendido frontal", "encendido lateral" y "oxicombustible". El último desarrollo es el horno híbrido. Actualmente se están construyendo varios proyectos para este tipo y algunos estarán operativos ya en 2023. Por lo general, el tamaño de un horno se clasifica por 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 posible de vidrio reciclado (aprox. un 2% de ahorro energético por cada 10% de vidrio molido), el calentamiento del aire de combustión a un nivel de temperatura lo más alto posible mediante el uso de un sistema regenerativo o recuperador es una parte fundamental del proceso.
En el regenerador más utilizado , los gases de escape calientes (1300 °C - 1400 °C) se introducen de forma discontinua en cámaras a través de una rejilla de ladrillos refractarios, rectangulares o de forma especial. Esta rejilla se calienta durante el proceso. Después de este tiempo de calentamiento (almacenamiento de la energía térmica de los gases de escape por la rejilla), se invierte la dirección del flujo de gases y el aire fresco y frío necesario para la combustión fluye ahora a través de la rejilla de la cámara previamente calentada. De este modo, el aire de combustión se precalienta a aproximadamente 1200 °C - 1300 °C. Esto produce 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 previamente. 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 aproximadamente el 65 %.
Un recuperador funciona de forma continua y está formado por 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 solo puede funcionar a temperaturas de gases de escape más bajas y, por lo tanto, funciona con menor eficacia (40 %). Por lo tanto, aquí solo se alcanzan temperaturas de precalentamiento relativamente más bajas (máximo 800 °C).
Un recuperador es más económico de instalar y requiere menos espacio e inversión, lo que se traduce en ventajas 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 con el fin de lograr el funcionamiento más eficiente o ahorrador de energía posible del sistema [6].
Como medida adicional, para aprovechar el contenido de calor de los gases de escape (temperatura > 700 °C), es técnicamente posible o ya se ha probado a gran escala un acoplamiento térmico/eléctrico posterior. Sin embargo, el esfuerzo de mantenimiento necesario para un sistema de este tipo está asociado con costos considerables y, por lo tanto, se debe evaluar como crítico en relación con los costos operativos asociados. Por lo tanto, este concepto particular de recuperación de energía posterior generalmente no se sigue desarrollando en la actualidad. Las revisiones innovadoras de este concepto deben probarse en la práctica en el entorno productivo a largo plazo con un alto costo. Sin embargo, esto requiere una cierta disposición a asumir riesgos por parte de las empresas, que, debido a la feroz competencia en este sector, generalmente no se asume.
El debate sobre el cambio climático ha impulsado varios proyectos de investigación y desarrollo para reducir significativamente el CO2 perjudicial para el clima en la producción. Entre otras cosas, se ha lanzado una iniciativa en Europa para crear 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. Está previsto poner en funcionamiento la planta en 2022 con una capacidad de fusión de 350 toneladas por día. Este horno híbrido de fusión de vidrio funcionará con un 80% de electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables y se espera que permita una reducción de CO2 del 50%. [8] [9]
La industria, una comunidad de intereses de 19 empresas europeas de envases de vidrio, intentó obtener 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 logró puntuaciones de evaluación muy altas en términos de innovación, enfoque sectorial y escalabilidad.
Aunque las empresas implicadas se ofrecieron voluntariamente a contribuir económicamente al proyecto, la subvención de la UE seguía representando una contribución significativa a los gastos de capital y operativos adicionales en comparación con un horno convencional. Sin la subvención de la UE, el proyecto no podría llevarse a cabo como se había planeado inicialmente. Sin embargo, la industria está evaluando ahora cómo proceder con sus esfuerzos de descarbonización. [11] A finales de 2024 se construyó un horno de proyecto y se puso en funcionamiento. [12]
Además, existen proyectos de investigación para calentar hornos de fusión de vidrio alternativamente con el llamado hidrógeno verde . La combustión del hidrógeno solo 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 un ensayo industrial a gran escala. [13]
El hidrógeno, sin embargo, tiene un poder calorífico por metro cúbico considerablemente inferior al del gas natural, que es solo un tercio del del gas natural. Esto genera nuevos requisitos para los gasoductos que transportan hidrógeno. La red de gas natural existente actualmente no es fácil de diseñar para esto. Para proporcionar la misma cantidad de energía, las tuberías deben ser aproximadamente un 70% más grandes o estar diseñadas para una presión más alta, o bien se debe lograr un caudal tres veces mayor a la misma presión. Esta última medida podría aplicarse en las redes de tuberías existentes. Sin embargo, esto puede provocar un aumento de las vibraciones, causadas principalmente por las instalaciones existentes en la tubería, que promueven la formación de grietas y, por lo tanto, desencadenan eventos de daños importantes a largo plazo. Se sabe que, en determinadas condiciones, el 100% de hidrógeno hace que el material se vuelva frágil en este punto, acelerando la formación de grietas más profundas. Sin embargo, es posible una mezcla parcial inicial de hidrógeno con el gas natural y ya se ha implementado. En la actualidad, se está llevando a cabo un amplio debate científico sobre esto, así como por parte de los proveedores de tuberías.
El uso alternativo de biocombustibles también se probó en un ensayo industrial a gran escala. Se logró una reducción de CO2 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. [14]