Gasanalyse in der Glasindustrie & ihre Herausforderungen

Der feste, durchsichtige Werkstoff Glas begleitet uns tagtäglich und findet sich an vielerlei Stellen und in unterschiedlichen Formen wieder. Ob wir es als Wasserflasche oder Verpackung von Medikamenten in der Hand halten oder durch eine Fenster- oder Autoscheibe sehen – Glas ist überall. Doch wie entstehen die verschiedenen Glasarten? Und wie können Gase – trotz der sehr hohen Herstellungstemperaturen – gemessen und analysiert werden? Hierzu zunächst ein kurzer Blick auf den Herstellungsprozess:

Wie wird Glas hergestellt?

Glas wird aus flüssigem Sand hergestellt und besteht hauptsächlich aus Siliciumdioxid (SiO2). Die verbreitetste Glasart in unserem Umfeld ist das Kalk-Natron-Silikatglas. Dieses entsteht durch die Zusammenführung von Sand, Kalkstein und Sodaasche. Für die Herstellung von Glas müssen die Rohstoffe im richtigen Verhältnis gemischt und angepasst werden. Anschließend werden die Rohstoffe bei sehr hohen Temperaturen geschmolzen.

Die Temperatur der Schmelze ist dabei abhängig von der Glasart und liegt in der Regel zwischen 1.400 und 1.600 °C. Das geschmolzene Glas wird anschließend geläutert, portioniert und geformt. Erst beim Abkühlen wandelt es sich in eine erstarrte Flüssigkeit und weist eine kristalline Struktur auf.

Damit Glas für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann, verändern kommerzielle Glashersteller die Eigenschaften und das Aussehen des Werkstoffs. Durch das Hinzufügen von Chemikalien sorgen sie unter anderem für Farbveränderungen, Verhinderung von Blasen im Glas und verändern die Härte des Glases.

Glasprodukte können in die folgenden Kategorien unterteilt werden:

  • Verpackungsstandard (Flaschen, Töpfe)
  • Verpackungsspezifisch (Pharmazeutika, Parfüms)
  • Floatglas (Flaches Glas, z.B. Fensterglas, Autoscheiben)
  • Glasfaser
  • Optisches Glas (z.B. Linsen, Prismen, Spiegel)
  • Spezielle technische Gläser
Porträt eines Technikers mit Schutzhelm in einer Gießerei

Wieso ist in der Glasindustrie eine Gasanalyse von Bedeutung?

Für die kontinuierliche Gasanalyse in der Glasindustrie gibt es viele wirtschaftliche und technische Gründe. Die häufigsten sind:

  • Erhöhung der Lebensdauer des Ofens
  • Sicherstellung von hoher und konstanter Produktqualität
  • Reduzierung des Energieverbrauchs
  • Gewährleistung einer kontrollierten Zugabe von Chemikalien
     

Die Gasanalytik liefert einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung aller betrieblichen Prozesse und deren Überwachung und trägt so zur Erreichung der gesetzten Ziele bei.

M&C-Gasanalysetechnik in der Glasindustrie

Die Installation von Gasanalysetechnik ist in der Glasindustrie besonders herausfordernd – M&C hat dabei für Kundenunternehmen dieser Branche schon vielfach individualisierte Projekte umgesetzt. Als Beispiel gehen wir hier von einer extraktiven Messung an einer Schmelzwanne mit U-Flammen-Gasbrenner und Brennluft-Vorwärmung (Regeneratoren) aus.

Durch die extremen Prozessbedingungen herrschen dort nicht selten Temperaturen von +1.500 °C und zusätzlich eine hohe Staubbeladung. Doch auch am Installationsort außerhalb des Prozesses herrschen sehr hohe Temperaturen, und die Strahlungswärme aus dem Schmelzbetrieb ist enorm.

Bei diesem Prozess werden zwei Brenner und zwei Regeneratoren aufgrund der sehr hohen Temperaturen im Wechsel betrieben. Das Messgas wird dabei abwechselnd an den Messpunkten MP1 und MP2 abgesaugt (siehe Grafik) und einem Gasanalysator zur Konzentrationsbestimmung zugeleitet. Hierbei werden Kohlenmonoxid, Stickoxide und Sauerstoff gemessen. Beide Messpunkte wurden vorab an allen Anlagen fest definiert, um eine hohe Vergleichbarkeit zu erzielen.

Der M&C-Lösungsweg

Zur Gasentnahme und Messgas-Filterung wird in beiden Brennerhälsen (MP1/MP2) ein wassergekühltes und pneumatisch-verfahrbares Entnahmesystem installiert.

Das System, in dem eine SP180-H Sonde verbaut wird, weist aufgrund der schwierigen Bedingungen besondere Funktionen auf:

Verfahr-Vorrichtung für das Entnahmesystem

Um eine Zerstörung bei Versorgungsausfall zu vermeiden, verfügt das Entnahmesystem über eine „Not-Rückzug-Einrichtung“. Das System ist pneumatisch verfahrbar, und die Ansteuerung erfolgt synchron zur Brennersteuerung der Glaswanne.
Das Entnahmesystem wird automatisch aus dem Prozess gefahren, sobald eines der folgenden Limits überschritten wird:

  • Druckluft < 4 bar
  • Wasserdurchfluss < 14 Nl/min
  • Kühlwassertemperatur > 60 °C
     

Zur Abschirmung der Strahlungswärme beim Herausziehen der Sonde wird eine sich automatisch schließende Schnellverschlusskappe verwendet.

Kühlung der Applikation

Um das metallische Entnahmerohr vor thermischer Zerstörung zu schützen und eine katalytische Oxidation der zu messenden Gaskomponenten zu verhindern, ist eine zusätzliche Kühlung des Entnahmerohres unverzichtbar.

Die Kühlung ergibt sich durch zwei Ringspalte in einem Doppelmantelrohr mit einem Wasserzu- und -rücklauf. Kaltes Wasser wird hierbei durch den Wasserzulauf zugeführt und kühlt das Entnahmerohr, um ein Schmelzen im Prozess zu vermeiden. Beim Durchlauf erwärmt sich das zugeführte Wasser an der Spitze des Entnahmerohrs aufgrund der hohen Temperaturen im Prozess. Hierbei darf es jedoch nicht heißer als 60 °C werden – sonst wird die Sonde zum Schutz automatisch herausgefahren. Auch ein zu geringer Druck der Druckluftversorgung sowie ein zu niedriger Wasserdurchfluss lösen das Herausziehen aus.

Der Ablauf im Gasanalysesystem

Frontalansicht eines geöffneten Systemschranks

Das aus den Messpunkten entnommene Gas wird über zwei Messgasleitungen zum Gasanalysenschrank geführt.

Beide Messgaswege werden hierbei zunächst durch den Kompressor-Gaskühler ECS-4G geführt, um das Messgas zu trocknen.

Die Messstellen-Umschaltung (MP1/MP2) erfolgt durch ein im System verbautes 3/2-Wege-Magnetventil.

Darüber hinaus ist der eingebaute Feuchtesensor LA/LA1.4 für die Funktionsüberwachung des Kühlers verantwortlich.

Die anschließende Filterung des Messgases wird in diesem Fall von dem Universalfilter FP-2T übernommen.

Für eine kontinuierliche und zuverlässige Messgasförderung wird von uns die Faltenbalgpumpe MP-F05 in das System integriert.

Außerdem sorgen die Durchflussmesser FM40/150 für eine dauerhafte Durchflussüberwachung, indem sie den Messgasfluss zum Analysator und den Bypass überwachen. Durch ein weiteres Magnetventil wird Umgebungsluft über den Raumluft-Ansaugfilter SP52 angesaugt. Die gefilterte Luft kann danach als Nullgas verwendet und dem Analysator für seine tägliche Justierung zur Verfügung gestellt werden.

Da im Wechsel immer nur an einer Messstelle gemessen wird, kommt das System mit nur einem Gasanalysator zur Messung von CO, NO und O2 aus.

Unser Fazit:

Diese Lösung ist nun seit mehreren Jahren bei unserem Kunden im Dauereinsatz und hat sich technisch und wirtschaftlich bewährt. Trotz der speziellen Anforderungen funktioniert die Gasanalyse aufgrund der individualisierten Produktlösung einwandfrei.

Sie haben ebenfalls spezielle Anforderungen und benötigen ein individuelles System zur Gasanalyse? Oder haben Sie besondere Fragestellungen, bei denen wir Ihnen helfen können? Unsere Experten beraten Sie gerne und finden mit Ihnen die für Sie geeignete Lösung. Wählen Sie Ihren passenden Ansprechpartner direkt in der Karte aus:

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