horno de fusión de vidrio

Un horno de fusión de vidrio está diseñado para fundir materias primas y convertirlas en vidrio . ^{[ 1 ]}

Según el uso previsto, existen diversos diseños de hornos de fusión de vidrio. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Utilizan diferentes fuentes de energía. Estas fuentes son principalmente combustibles fósiles o 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 introducen en el horno de fusión en lotes o de forma continua. Los componentes (el lote) se funden para formar vidrio líquido fundido. Además de los componentes básicos, el lote también contiene vidrio reciclado para ahorrar energía. El contenido de vidrio reciclado puede ser de hasta aproximadamente un 85 % - 90 % (vidrio verde), según los requisitos del color deseado. Al cambiar el color del vidrio (recoloración), todo el proceso suele durar varios días en los grandes hornos de fusión. Para un funcionamiento económico, los hornos de fusión 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 de menor envergadura, durante las cuales el horno se detiene, un ciclo de mantenimiento (campaña) hasta la reparación general (reconstrucción) puede durar hasta 16 años o más (dependiendo del 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, por encima del llamado baño de vidrio, es de aproximadamente 1550  °C. Esta temperatura está determinada por la composición de la mezcla 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 las emisiones _de CO2 necesaria para mitigar el cambio climático ha dado lugar a diversos conceptos para reducir o sustituir el uso de combustibles fósiles , así como para evitar las _emisiones de CO2 liberadas durante la fusión del lote mediante un mayor contenido reciclado.

Este tipo de tanque de fusión de vidrio, de uso histórico, produce por lotes (de forma discontinua); se utiliza para fundir vidrios que se requieren solo en pequeñas cantidades. La superficie máxima de fusión de los tanques diarios es de 10 m², y la capacidad de fusión oscila entre 0,4 y 0,8 t/m² de superficie.

El horno de crisol es un tipo de este tipo. El horno consta de una cubeta de mampostería refractaria con una profundidad de 40 a 60  cm (horno inferior), que está cubierta con una bóveda de 70 a 80  cm de diámetro (horno superior).

A principios del siglo XXI, todavía existían hornos de colada continua en algunas fábricas de vidrio y talleres artesanales, así como en algunos fabricantes de vidrio especializados, donde se fundían pequeñas cantidades de vidrio de alta calidad, por ejemplo, vidrio óptico.

Los tanques de uso diario no se desconectan al final del día; simplemente se reduce su temperatura durante la noche. Dado que el material refractario generalmente no tolera grandes cambios de temperatura, lo que provoca una mayor corrosión (consumo), un enfriamiento tan rápido no es viable. Si el tanque de uso diario se desconecta, por ejemplo, para mantenimiento, deben respetarse los tiempos de enfriamiento/calentamiento (de dos a varios días), adaptados al material refractario. Se exceptúan los hornos pequeños (hornos de taller) en talleres artesanales, donde 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 conducto o una constricción ( vidrio flotado ). En el tanque de fusión, la masa se funde y refina. El material fundido pasa luego por el conducto al tanque de trabajo y de allí al alimentador (frente). Allí se extrae el vidrio. En la producción de vidrio hueco (vidrio hueco), la máquina de vidrio inferior se alimenta con gotas de vidrio. En la producción de vidrio plano (vidrio flotado), el vidrio se alimenta por salidas anchas especiales como una cinta de vidrio sobre un llamado baño de flotación de estaño líquido (para vidrio plano sin estructura  : por ejemplo, vidrio de ventana, vidrio de automóvil) o para vidrio plano con estructura sobre un rodillo perfilado.

Los tanques de fusión están hechos de materiales refractarios y constan de grupos de alúmina (Al₂O₃ ₎ , sílice (SiO₂ ₎ , magnesia (MgO), zirconia (ZrO₂ _{) ,} así como combinaciones de estos para producir los materiales cerámicos refractarios necesarios. Al crear hornos de fusión de vidrio (tanque de fusión que incluye 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 calentamiento eléctrico suplementario . También se utilizan tanques de fusión de vidrio totalmente calentados eléctricamente.

El uso de 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 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 generalmente 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 de fusión de vidrio. Los tipos de hornos utilizados en la fabricación de vidrio incluyen los llamados hornos de "calentamiento frontal", "calentamiento lateral" y "oxi-combustible". El desarrollo más reciente es el horno híbrido. Actualmente se están construyendo varios proyectos de este tipo y algunos ya están operativos en 2023. Por lo general, el tamaño de un horno se clasifica por su capacidad de producción en toneladas métricas por día (TMPD).

Para ahorrar energía en el proceso de fusión del vidrio, además de utilizar la mayor cantidad posible de vidrio reciclado (aproximadamente un 2 % de ahorro energético por cada 10 % de vidrio reciclado), el calentamiento del aire de combustión a una temperatura lo más alta posible mediante el uso de un sistema regenerativo o recuperador es una parte fundamental del proceso.

En el regenerador más común , los gases de escape calientes (1300  °C - 1400  °C) se introducen de forma discontinua en cámaras a través de una estructura reticular de ladrillos refractarios, rectangulares o de formas especiales. Esta estructura reticular se calienta durante el proceso. Tras este periodo de calentamiento (almacenamiento de la energía térmica de los gases de escape por la estructura reticular), se invierte el flujo de gas y el aire fresco y frío necesario para la combustión fluye ahora a través de la estructura reticular previamente calentada de la cámara. De este modo, el aire de combustión se precalienta a aproximadamente 1200  °C - 1300  °C. Esto se traduce en un considerable ahorro energético. Tras la combustión, los gases de escape entran a su vez en la rejilla de otra cámara, donde recalientan la rejilla, ahora más fría. El proceso se repite periódicamente a intervalos de 20 a 30 minutos. Las cámaras funcionan, por lo tanto, de forma discontinua. El grado de recuperación es de aproximadamente el 65 %.

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 combinados con una doble carcasa metálica), un recuperador solo puede funcionar a temperaturas bajas de los gases de escape y, por lo tanto, su eficacia es menor (un 40 %). En consecuencia, solo  se alcanzan temperaturas de precalentamiento relativamente bajas (máx. 800 °C).

Un recuperador es menos costoso de instalar y requiere menos espacio e inversión. Esto se traduce en ventajas en términos de costos de inversión, las cuales, sin embargo, se ven considerablemente reducidas por su menor efectividad, que incluso puede tener un impacto negativo a largo plazo.

En 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 de mayor ahorro energético posible del sistema. ^{[ 6 ]}

Como medida adicional, para aprovechar el calor de los gases de escape (temperatura > 700  °C), es técnicamente posible, o incluso ya se ha probado a gran escala, un sistema de cogeneración aguas abajo. Sin embargo, el mantenimiento necesario de dicho sistema conlleva costes considerables, por lo que debe considerarse crítico en relación con los costes operativos asociados. Por consiguiente, este concepto de recuperación de energía aguas abajo no se suele seguir desarrollando actualmente. Las innovaciones de este concepto deben probarse en la práctica a largo plazo en un entorno productivo, lo que implica un gran desembolso. No obstante, esto requiere cierta disposición a asumir riesgos por parte de las empresas, algo que, debido a la intensa competencia en este sector, generalmente no se da.

Impulsados ​​por el debate climático, se han puesto en marcha varios proyectos de investigación y desarrollo para reducir significativamente las emisiones de CO₂ perjudiciales para el clima _en la producción. Entre otras cosas, se ha lanzado una iniciativa en Europa para establecer 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 construir una planta a escala industrial. Se prevé que la planta entre en funcionamiento en 2022 con una capacidad de fusión de 350 toneladas por día. Este horno de fusión de vidrio, denominado Horno Híbrido, funcionará con un 80 % de electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables y se espera que permita una reducción del CO₂ del ₅₀ %. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La industria, una comunidad de interés de 19 empresas europeas de vidrio para envases, 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 obtuvo puntuaciones de evaluación muy altas en términos de innovación, enfoque sectorial y escalabilidad.

Aunque las empresas participantes se ofrecieron voluntariamente a contribuir financieramente al proyecto, la subvención de la UE representó una contribución significativa a los gastos de capital (CAPEX) y operativos (OPEX) adicionales en comparación con un horno convencional. Sin la subvención de la UE, el proyecto no pudo llevarse a cabo según lo previsto inicialmente. Sin embargo, la industria está evaluando ahora cómo continuar con sus esfuerzos de descarbonización. ^{[ 11 ]} A finales de 2024 se construyó un horno del proyecto y se puso en marcha. ^{[ 12 ]}

Además, existen proyectos de investigación para calentar alternativamente los hornos de fusión de vidrio con el llamado hidrógeno verde . La combustión del hidrógeno solo produce vapor de agua. Sin embargo, este vapor de agua influye en el proceso de fusión, la composición del vidrio y las propiedades del vidrio producido. La forma de controlar y corregir esta influencia es objeto de futuras investigaciones. En agosto de 2021 se llevó a cabo con éxito una prueba industrial a gran escala. ^{[ 13 ]}

El hidrógeno, sin embargo, tiene un poder calorífico por metro cúbico considerablemente menor que el del gas natural. Este es solo aproximadamente un tercio del del gas natural. Esto conlleva nuevos requisitos para los gasoductos destinados al transporte de hidrógeno. La red de gas natural actual no se adapta fácilmente a esta necesidad. Para proporcionar la misma cantidad de energía, los gasoductos deben ser aproximadamente un 70 % más grandes o estar diseñados para una mayor presión, o bien debe lograrse 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, principalmente causadas por las instalaciones existentes en el gasoducto, lo que favorece la formación de grietas y, por lo tanto, desencadena daños importantes a largo plazo. Se sabe que, bajo ciertas condiciones, el hidrógeno puro fragiliza el material en este punto, acelerando la formación de grietas más profundas. No obstante, es posible una mezcla parcial inicial de hidrógeno con el gas natural, y esta práctica ya se ha llevado a cabo. Actualmente, se está llevando a cabo un amplio debate científico al respecto, tanto entre los proveedores de tuberías como entre los científicos.

También se probó el uso alternativo de biocombustible 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 por completo durante un período prolongado, por lo que el ensayo a gran escala se limitó a 4 días. ^{[ 14 ]}