JP2001165428A - 炉の加熱維持方法及び燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素の供給が一時的に減少し又は停止した場
合に酸素‐燃料燃焼系を用いて炉での燃焼を継続するた
めの方法と装置の提供。 【解決手段】 空気又は酸素を富ませた空気と燃料と
を、酸素‐燃料混合物に代えて加熱のなされる装置へ導
入して燃焼を行い、炉における加熱レベルを維持する。
炉からの排気ガスの水冷を利用して、空気様式又は酸素
を富ませた空気様式で運転しているときの排気ガスの容
積を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属、ガラス、セ
ラミック材料等のような様々な製品のための工業用融解
炉において高温を作り出すための酸素‐燃料（ｏｘｙ−
ｆｕｅｌ）燃焼方法及び装置に関する。詳しく言えば、
本発明は、燃焼と、酸素‐燃料燃焼法のための酸素の利
用可能性が削減されあるいは尽きた場合において燃焼を
継続するための方法及び装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ガラス
の融解といったような工業プロセスにおいて酸素‐燃料
バーナーを用いることは、炉の設計者が火炎運動量、ガ
ラス融解有効範囲、及び火炎輻射特性をいろいろに変え
るのを可能にする。そのようなバーナーと燃焼法の例
は、米国特許第５２５６０５８号、同第５３４６３９０
号、同第５５４７３６８号、及び同第５５７５６３７号
各明細書に記載されており、それらの開示は参照するこ
とによりここに組み入れられる。

【０００３】ガラスの製造で酸素‐燃料の燃焼を利用す
るための一つの特に有効な方法と装置はステージ式（ｓ
ｔａｇｅｄ）の燃焼に関係し、そしてそれは米国特許第
５６１１６８２号明細書に開示されており、この明細書
は参照することによりここに組み入れられる。

【０００４】１９９０年代の始めに、ガラスの製造業者
は炉を空気‐燃料の燃焼から酸素‐燃料の燃焼に転換し
始めた。一部の空気‐燃料系を酸素に富むものにするこ
とがなされており、この場合には酸素濃度を最高で約３
０％まで上昇させている。もっと高い４０〜８０％の範
囲の酸素濃度は、ＮＯ_x汚染物質を生成する可能性が増
すため、使用されていない。酸素が９０〜１００％の濃
度で存在する酸素‐燃料の燃焼を使用すると使用者にと
って経済的により好都合になることも見いだされてい
る。

【０００５】より大きな酸素‐燃料ガラス炉の多くは、
周知の低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）又は減圧スイング吸
着手法を使って現場で発生させた酸素の供給を受けてい
る。それは慣例的なものであり、そして今日まで、現場
で発生した酸素の供給をバックアップ（支援）するため
の唯一の方法は、同じ現場に液体酸素の在庫を保持する
ことである。こうして、現場の発生設備をプロセス上の
問題から又は日常の保守のためにオフラインにする場合
に、液体酸素の在庫を利用して酸素‐燃料燃焼のための
酸素を供給している。現場で発生させる酸素をバックア
ップするためのこの方法は、液体の形態の酸素の貯蔵用
に絶縁した大きなタンクと、酸素‐燃料プロセスで使用
するため液体酸素を気体の酸素に変えるのを可能にする
気化器とを必要とする。より大きな空気分離設備から現
場へと液体酸素を輸送するのには、運搬車を利用するの
が一般的である。液体酸素のバックアップを現場の酸素
発生装置とともに利用することは、使用者が酸素‐燃料
プロセスを中断なしに継続使用するのを可能にする。い
ずれの酸素‐燃料装置も、例えば先に言及した米国特許
明細書に開示されたものの一つは、バックアップ系を有
する現場での製造の恩恵を被る。

【０００６】現在まで、液体酸素の在庫を備えた酸素‐
燃料ガラス炉をバックアップすることが問題になるとは
考えられなかった。ところが、多数の炉のある現場でま
すます多くの炉が転換されるにつれ、またはるかに大き
くてより多くの酸素を使用する平板ガラス炉あるいはフ
ロートガラス炉において酸素‐燃料の燃焼が用いられる
につれて、液体酸素のバックアップは、貯蔵タンク及び
気化器の資本費が高いことから、使用者にとって重大な
関心事になってくる。経費の問題のほかに、液体酸素を
現場へ輸送することと液体酸素を製造するのに使われる
近くの空気分離設備からすぐさま利用可能な液体酸素を
十分確保することに関連して、補給業務の問題が生じ
る。液体酸素を遠隔地の使用者の現場へ輸送すること
は、より大きな困難を伴う一層大きな問題になる。

【０００７】標準的に、ガラス炉を空気‐燃料式から酸
素‐燃料式に転換する場合、空気供給装置や再生器とい
ったような熱回収装置が除去される。使用者にとって、
酸素‐燃料式に転換する動機の一つは、熱回収装置がな
くなることによる資本費の低減である。酸素‐燃料バー
ナーの設計のために、炉は現在使用中の通常の燃焼装置
において酸素の代わりに単純に空気を使用して運転する
ことはできない。酸素‐燃料バーナーで空気を使って等
量の含有酸素を供給するための圧力の必要条件は、極端
に高くなり、高価な空気供給装置を必要とする。更に、
一部の酸素‐燃料バーナーは、等しい燃焼速度で燃焼さ
せる場合音速流に制限される。

【０００８】酸素の供給が削減されあるいは中断される
酸素‐燃料燃焼を使用する場合、通常の手法は炉を「高
温保持（ｈｏｔ ｈｏｌｄ）」と呼ばれる状態に維持す
るものである。高温保持は、生産が停止されそして炉が
ガラスが凝固しないよう高温に保たれる状態である。ガ
ラスを凝固させることは炉をひどく損傷させる。いくつ
かの会社が、低温での炉の補修後に炉を昇温することを
専門にしている。かれらは、炉の温度を最初に上げるの
に特別に設計された空気‐燃料バーナーを使用する。酸
素の供給が中断する場合には、同じバーナーを使って高
温保持のために十分な加熱をすることができよう。しか
し、この処置においては、生産用の特殊な温度プロファ
イルにならおうとすることはなく、そしてこれらの装置
により到達する最高温度は約１２００℃（２２００°
Ｆ）になることができよう。この温度はガラスの生産に
とって十分ではなく、ガラス製造者が用いるのには一番
好ましくない選択である。ガラスを生産しないことの損
失は、製品の販売をのがし下流のガラス成形ラインが中
断する点から、ガラス製造者にとって非常に大きなもの
になる。

【０００９】従って、酸素の利用可能性が削減されある
いは途絶えた場合においてガラスの製造に用いられる炉
での生産を維持するための方法及び装置を提供すること
が、明らかに必要とされている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス融解炉
のような工業炉において生産を維持するため酸素を富ま
せて又は富ませずに使用することができる空気‐燃料燃
焼装置を用いて酸素‐燃料燃焼装置をバックアップする
ための方法及び装置に関する。本発明により、酸素‐燃
料様式での、及び空気‐燃料様式又は酸素を富ませた空
気‐燃料様式での運転を可能にする装置が開発された。
本発明によるバーナーは、酸素‐燃料様式を非常に低速
度で運転することに関連する独特の特徴を有するもので
あり、それが空気‐燃料様式で運転する場合のバーナー
での圧力損失を許容できるものとするのを可能にするも
のである。本発明によるバーナーは、プロセスを実施す
るのに酸素の富化を利用することができる。

【００１１】本発明によれば、例えば米国特許第５６１
１６８２号明細書に記載されたような、通常のバーナー
ブロックを、酸素‐燃料式の燃焼か又は空気‐燃料式の
燃焼のために使用して、燃焼系をこれら二つの様式の間
で速やかに転換することができる。本発明によれば、酸
素の供給について問題が生じた場合には、酸素‐燃料バ
ーナーを止め、接続を断ち、そしてバーナーブロックへ
の接続について形状が同じである空気‐燃料バックアッ
プバーナーと取り替える。この空気‐燃料バックアップ
系について言うと、使用者は融解操作で用いられていた
以前の空気‐燃料系からの空気供給系をそのまま使用
し、あるいは、空気ブロワーがバックアップ系の一部と
して支給されよう。本発明による空気‐燃料バーナー
は、酸素‐燃料バーナーよりも実質的に大きな速度で燃
焼することができるべきである。

【００１２】こうして、一つの側面において、本発明
は、酸素‐燃料の燃焼を使用する炉を高温に加熱してお
くための方法であり、火炎用及び酸化剤用の酸素の供給
がなくなりあるいは停止した場合に、炉へ火炎を導入し
そしてこの火炎の下に酸化剤を導入する、炉を高温に加
熱しておくための方法であって、火炎を、酸素が燃焼の
ための唯一の酸化剤源である場合のバーナー燃焼速度を
おおよそ維持する速度で導入される空気又は酸素を富ま
せた空気のうちの一方と取り替える工程、及び、火炎の
下に導入する酸化剤を当該燃料と取り替えて燃焼するよ
うにしそして当該炉内の温度を維持する工程、を含む方
法である。

【００１３】もう一つの側面において、本発明は、火炎
を生じさせるのに適合した酸素‐燃料バーナーであって
このバーナーに取り付けた予備燃焼器を備えた酸素‐燃
料バーナーを有するタイプの燃焼装置であり、当該予備
燃焼器が、バーナーの火炎側端部に関して流体漏れのな
い第一の端部と工業用の環境での加熱のためにバーナー
により生じる火炎を導くのに適合していて一般に平たい
扇状（ｆｌａｔ ｆａｎ）の形状をした第二の端部とを
持つ第一の通路、及び、第一の通路の下にそれと同様の
領域を占めて配置された予備燃焼器内の別個の第二の通
路であって、火炎の下で且つ一般に火炎に対し平行に酸
化用流体を導くため予備燃焼器の第二の端部においてノ
ズル端でもって終えている第二の通路を有する、酸素‐
燃料バーナーを有するタイプの燃焼装置であって、火炎
に代えて空気又は酸素を富ませた空気のうちの一方をバ
ーナーを通し予備燃焼器へ導入するための第一の手段
と、酸化用流体に代えて燃料を予備燃焼器の別個の第二
の通路へ導入し、それにより当該燃焼装置が、酸素の供
給が中断し又は減少した場合に上記の工業用環境を継続
して加熱することができるようにするための第二の手段
とを含むことを特徴とする燃焼装置である。

【００１４】好ましくは、予備燃焼器の長さは１０２〜
４５７ｍｍ（４〜１８インチ）である。好ましくは、第
一の通路及び前記第二の通路は予備燃焼器の第二の端部
において５〜３０の幅対高さ比を有する。好ましくは、
予備燃焼器の前記第一の通路及び前記第二の通路の幅を
画定する壁は当該予備燃焼器を通る中央の垂直平面の両
側に−１５°〜＋３０°の角度で配置される。好ましく
は、この角度は当該垂直平面の両側において０°〜＋１
５°である。

【００１５】なお別の側面において、本発明は、本発明
の方法と装置により加熱されている炉における排気ガス
の容積を、炉を出てくる排気ガスを液体の水で冷却する
ことにより低下させようとするものである。

【００１６】更にもう一つの側面において、本発明は、
酸素‐燃料の燃焼の代わりに空気‐燃料の燃焼を用いて
工業用環境の加熱を維持し、必要とされるレベルの加熱
を行うのに十分な容積になるようにして空気又は酸素を
富ませた空気を上記環境中へ導入することに関する。こ
の側面では、排気ガスの水冷が排気ガス容積を低下させ
るのに有益である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は、酸素‐燃料の加熱系を
空気‐燃料の加熱系でバックアップする方法と装置に関
する。本発明によれば、空気を酸素で富ませてあるいは
富ませずに、バックアップ用の空気‐燃料系を運転する
ことができる。本発明によるバーナーは、少なくとも二
つの別個の様式、例えば酸素‐燃料様式又は空気‐燃料
様式、の運転を可能にする。このバーナーのもう一つの
特徴は、酸素‐燃料様式の場合の非常に低速度での運転
であり、かくして空気を酸素で富ませあるいは富ませず
に空気‐燃料様式で運転する際のバーナーでの圧力損失
を許容可能なものにする。本発明の目的にとって、酸素
‐燃料の燃焼とは、酸素が８０〜１００体積％での燃焼
を意味するものとする。酸素を（あるいは酸素で）富ま
せるとは、酸素濃度が２２〜８０体積％であることを意
味するものとする。

【００１８】本発明によれば、酸素‐燃料での運転かあ
るいは空気‐燃料での運転の際に同じバーナーブロック
又は予備燃焼器を使用して、燃焼系を一方の様式から他
方へ素早く変えるのを可能にすることができる。運転員
が酸素の供給についての問題に遭遇した場合には、酸素
‐燃料バーナーを止め、接続を断ち、そしてバーナーブ
ロックへの接続が同じである空気‐燃料のバックアップ
バーナーと取り替える。空気‐燃料バックアップ系を用
いれば、ガラス製造者は酸素‐燃料の燃焼への転換前に
その空気供給系を存在したままにし、あるいは、ブロワ
ーがバックアップ系の一部として支給される。空気‐燃
料バックアップバーナーは、バックアップされる酸素‐
燃料バーナーの速度よりも実質的に大きい速度で燃焼で
きることが重要である。

【００１９】窒素を加熱しそして排出することにより引
き起こされる追加のエネルギー損失のために、バックア
ップ用の空気‐燃料バーナーについてはより大きな燃焼
速度が必要とされる。更に、バックアップ系での燃焼の
ために使用される空気は、典型的に予熱されることがな
く、その結果典型的な空気‐燃料炉に比べ炉の効率が低
下することになる。簡易化した熱力学的な計算から、予
熱なしの空気を燃焼に使用する場合には燃料燃焼速度を
増加させることが必要であることが説明される。この事
例のための想定は、燃料と酸素は過剰な酸素なしで且つ
中間生成物が残ることなく完全に反応すること、全ての
ガス（例えばメタン、空気、又は酸素）が２５℃（７７
°Ｆ）で炉に入ること、そして全てのガスが完全燃焼後
に１５３８℃（２８００°Ｆ）で炉を出ていくことであ
る。これらの条件の下で、利用できる同じ熱を維持する
ためには、空気での燃焼の場合１００％酸素での燃焼と
比べて２．６５倍の燃焼速度が必要とされる。利用でき
る熱は、被処理物（ｃｈａｒｇｅ）に伝えられのと炉か
らの熱の喪失に備えてのエネルギーである。

【００２０】このように、酸化剤の全体積流量は、酸素
の流量が低下するにつれ劇的に増加する。酸化剤の流れ
の容積は、窒素が加わるためために４．７６倍に増加
し、またより大きな燃焼速度が必要とされるために更に
２．６５倍増加する。これは、酸素を完全に空気と取り
替える場合には酸化剤の流れの流量が約１２．６倍（あ
るいは１２〜１３倍程度）に増加することを意味する。

【００２１】酸素‐燃料バーナーアセンブリーで空気‐
燃料の燃焼を使用する場合の主要な関心事は、必要とさ
れるより大きな容積のガスを受け入れるのに要求される
空気の供給圧力である。本発明は、低速度の酸化剤系を
使用する。こうして、たとえ空気‐燃料様式で燃焼する
場合にも、圧力損失は比較的安価な空気ブロワーの使用
を可能にするのに十分小さく、その一方で酸素‐燃料の
燃焼の場合に使用されるのと等しいか又はそれより大き
なバーナー燃焼速度を維持する。こうして、これは、使
用者、例えばガラスの融解を行う者が酸素の供給を緊急
に失いあるいは削減される際にバックアップ様式で運転
する場合に、生産の継続を可能にする。

【００２２】バーナーの任意の箇所での酸化剤の速度が
約２７．４ｍ／ｓｅｃ（９０ｆｔ／ｓｅｃ）より大きく
なる酸素‐燃料バーナーの設計は、最大限の生産量にお
いて酸化剤として空気を使用する場合の相当する燃焼速
度では音速に制限される。音速は式ａ＝（ｋＲＴ）^1/2
により定義され、ここでのｋは比熱比（空気の場合１．
４）であり、Ｒは気体定数（２８７Ｊ／ｋｇ・Ｋ）であ
り、Ｔは絶対温度である。２５℃（７７°Ｆ）の空気の
場合、音速は３４６ｍ／ｓｅｃ（１１３５ｆｔ／ｓｅ
ｃ）である。酸素速度が３０．５ｍ／ｓｅｃ（１００ｆ
ｔ／ｓｅｃ）の酸素‐燃料バーナーについては、空気を
使用しての相当する流量はその量の１２．６倍、あるい
は３８４ｍ／ｓｅｃ（１２６０ｆｔ／ｓｅｃ）となり、
これは音速よりも大きい。従って、音速の制限を避ける
ために、酸素‐燃料バーナーは、バーナーアセンブリー
のいずれの部品も変更することなしに酸素を完全に空気
と取り替えようとする場合には、酸素の速度が２７．４
ｍ／ｓｅｃ（９０ｆｔ／ｓｅｃ）未満となるように設計
されなくてはならない。あるいはまた、この制限は、運
転様式の切り換えを行う際にバーナー本体を変更する本
発明の一つの側面に従って回避することができる。バー
ナーブロックは、見掛け速度（ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が空気‐燃料での運転の際に音速
未満となるように設計されなくてはならない。

【００２３】火炎の形状も、定格の燃焼容量の２．６５
倍、とりわけ酸化剤通路を通り抜ける体積流量の１２．
６倍、で運転する慣用の酸素‐燃料バーナーにとっての
関心事である。下記に開示される本発明の態様は、酸素
‐燃料の運転と空気‐燃料の運転の両方にとって好適な
火炎形状を提供する。

【００２４】本発明によれば、酸化剤供給圧力、速度制
限、及び火炎形状に関連する関心事が克服される。本発
明の発明者らは、当業界に提供されているＣｌｅａｎｆ
ｉｒｅ（Ｒ）ＨＲ（商標）のバーナー本体を米国ペンシ
ルベニア州Ａｌｌｅｎｔｏｗｎのエア・プロダクツ・ア
ンド・ケミカルズ・インコーポレイティドで改造しては
いるが同一のバーナーブロックを使用して、使用者が酸
素‐燃料の燃焼から空気‐燃料の燃焼へと切り換えるこ
とができるようにすることが可能であることを見いだし
た。

【００２５】図１を参照すると、ステージ式（ｓｔａｇ
ｅｄ）の燃焼装置１０には酸素‐燃料バーナー１２と予
備燃焼器又はバーナーブロック１４が含まれている。酸
素‐燃料バーナー１２には、矢印１８で示されている燃
料、例えば天然ガス等を受け入れるための中央コンジッ
ト１６が含まれている。矢印２０で示された酸素源は、
燃料コンジット１６と外側の同心のコンジット２２との
間にある通路へ導入される。このバーナーは米国特許第
５６１１６８２号明細書に詳しく記載されており、この
米国特許明細書は参照することでここに組み入れられ
る。バーナー１２は、バーナーブロック１４に取り付け
られ、この予備燃焼器又はバーナーブロック１４の第一
の端部で流体漏れのない関係でもって保持される。バー
ナーブロック１４には、第一の又は中央の通路２６が含
まれていて、そしてそれはバーナーブロック１４の第一
の端部２４から排出端部２８まで達している。この通路
２６は、図示のように且つ米国特許第５６１１６８２号
明細書に記載されたように、高さよりも幅が大きく、そ
して放射状に広がる形状を持っている。ステージ式の燃
焼を行うために、矢印３０で表されるステージ用の酸素
が、バーナーブロック１４の第二の通路３２へ導入され
る。この通路３２は、図示のように且つやはり米国特許
第５６１１６８２号明細書に詳しく記載のように、上記
の中央通路の形状と相応する形状を持ち、幅が高さより
大きい。

【００２６】図２を参照すると、予備燃焼器１４の第一
の端部２４において、酸素‐燃料バーナー１２は酸素の
通路２２により取り囲まれた中央の燃料コンジット１６
を備えた排出端を有する。ステージ用の酸素は、図２に
示したように酸素‐燃料炎のための通路の下方に配置さ
れる通路３１に存在する。

【００２７】図３に、本発明による燃焼装置を示す。こ
の燃焼装置４０にはバーナーブロック１４が含まれ、そ
してこれは図１のバーナーブロック１４と同じである。
本発明によると、バーナー４２は図１の酸素‐燃料バー
ナー１２と同様であって、バーナー４２の上方の通路５
０へ空気か又は酸素を富ませた空気を導入するのを可能
にするための装置４４を備えている。バーナー４２は、
空気又は酸素を富ませた空気をバーナー４２の通路４８
により上方の通路５０へ導入するのにも適合しており、
この通路において通路４４及び４８からの酸化剤が混合
される。矢印４６は空気又は酸素を富ませた空気の装置
４４への導入を表しており、この装置がこの空気又は酸
素を富ませた空気を通路５０へ導入する。矢印５６は空
気、又は空気及び酸素の通路５０への導入を表してい
る。空気又は酸素を富ませた空気は通路５０からバーナ
ーブロックの中央通路２６へと進み、そして炉へと出て
いく。

【００２８】バーナーを酸素‐燃料燃焼でないもの又は
制限された酸素‐燃料燃焼に転換する場合には、ステー
ジ用の酸素の供給（図１で矢印３０により示される）
を、燃料又は酸素を富ませた燃料がバーナーブロック１
４の通路３２から出てゆくように、矢印５４で表される
燃料と取り替える。図４に模式的に示されているのは、
バーナーブロック１４の前方端部における通路２６と３
２であり、通路２６は空気又は酸素を富ませた空気を炉
へ導入するのに使用され、そして通路３２は燃料又は酸
素を富ませた燃料を炉へ導入するのに使用される。バー
ナー４２を空気‐燃料燃焼様式で使用する場合には、空
気又は酸素を富ませた空気が通路２６を流れ、燃料又は
酸素を富ませた燃料が通路３２を流れる。バーナーブロ
ックの設計は、二つの開口の間の再循環領域のために安
定な空気‐燃料炎ができるようにされる。

【００２９】空気‐燃料燃焼の能力に加えて、本発明の
装置は酸素に富ませる度合いを様々にするのを可能にす
る。酸素に富ませるのを利用することは、液体酸素と貯
蔵器から供給される酸素の使用を減らすことにより、バ
ックアップ様式で運転する際の融通性を向上させる。そ
れはまた、空気流に酸素を加えることにより火炎の長さ
の調整も可能にする。

【００３０】補助の酸素を様々な方法によって供給する
ことができる。例えば、空気を酸素に富ませることがで
き、予備燃焼器１４の主要通路２６あるいはステージ用
の口３２のどちらか又は両方を通して酸素ランスを供給
してもよく、あるいは予備燃焼器１４又はステージ用の
口３２から距離をおいたところに別々の酸素ランスを取
り付けてもよい。ステージ用の口を通して天然ガスとと
もに導入される酸素は、炉での被処理物へのより良好な
輻射伝熱のためにすすを作り出すための手段を提供する
ことができる。

【００３１】本発明の方法と装置を用いることは、ガラ
スの生産に必要とされる最高温度と温度分布を維持する
のを可能にする。酸素を富ませての又は酸素‐燃料の燃
焼は、好ましくは、炉のホットスポット近くで燃焼速度
が最高となるバーナーで使用すべきである。これは、こ
れらのバーナーに必要とされる空気の流量を減らし、そ
して圧力損失を低下させる。また、酸素を富ませるのは
ピーク火炎温度を上昇させ、それによりホットスポット
における伝熱を増加させる。ガラス製造炉では許容でき
る品質のガラスを製造するのに必要とされる適切な対流
セルをガラス溶融液中に作り出すためにホットスポット
が必要とされることは、よく知られている。

【００３２】高温保持の条件を維持するためには、この
ほかの空気‐燃料技術を利用してもよい。本発明は、使
用者が生産を継続するのを可能にしようとするものであ
る。空気‐燃料バックアップ系により提供される最小限
の燃焼速度は、設計生産速度の少なくとも２０％を維持
できるようなものである。この生産速度は、フロートガ
ラスの製造者がフロート浴に連続のガラスの帯を維持す
るのを可能とするのに十分であると考えられる。

【００３３】高速の酸素‐燃料バーナーは、ここに開示
された技術を使用するため一つ以上の入り口を加えるこ
とにより低速運転用に改良することができる。これらの
入り口は、通常閉じていてよく、あるいは酸素‐燃料運
転の際にステージ化するのに使用することができる。ま
た、バーナー口に近い箇所で耐火壁に孔をあけることに
より、空気‐燃料のバックアップを開始する前にフライ
（ｆｌｙ）部分に１以上の追加の入り口を加えることも
できる。

【００３４】高速バーナーを使用する炉に対するもう一
つの代わりの態様は、バーナーブロックを圧力損失を低
下させるためより大きな開口のあるブロックと取り替え
ることである。この方法の場合、取り替え作業中に、ガ
ラスの欠陥の原因になりかねない外部からの耐火材料を
ガラス溶融液中に導入する危険がある。更に、フライ部
分においてバーナーブロックを取り替えるのはかなりの
時間を要し、ことによっては長すぎて生産の中断を回避
できない。

【００３５】図５は、例えば最大生産量（生産速度）の
条件下で利用できる熱のうちの３５％が炉壁の熱損失の
ために必要とされることを仮定して、高温保持条件（生
産速度ゼロ）、２０％生産量、５０％生産量、及び最大
生産量の条件について必要とされるメタンの流量を示し
ている。炉全体の温度が低下してそれにより壁の熱損失
が減少するので、高温保持はこのグラフが示すよりも低
い燃焼速度で達成することができよう。このグラフは、
生産速度あるいは酸素の使用にかかわりなく、熱損失は
同じままであると仮定している。メタンの流量は、１０
０％の酸素‐燃料で最大生産量の場合のメタン流量を基
準として標準化されており、酸素流量は、１００％の酸
素‐燃料で最大生産量の場合の酸素流量を基準として標
準化されている。標準化した酸素流量は、燃焼用の酸化
剤の全てが酸素源（空気なし）により供給されるときに
１．０であり、燃焼用の酸化剤の全てが空気によって供
給されるときにゼロである。

【００３６】図６は、図５に示した生産速度のおのおの
について酸素濃度を標準化した酸素流量の関数として対
応してプロットしたものである。

【００３７】図５の点Ａで示したように、高温保持で燃
焼用酸化剤として空気のみを使用する（標準化した酸素
流量はゼロ）と、メタンの流量は最大生産量での１００
％酸素‐燃料（標準化した値は１に等しい）の場合に必
要とされるのとほぼ同じになる。高温保持は、最大生産
量での酸素流量の３５％において、最大生産量でのメタ
ン流量の３５％で維持することもできる（点Ｂ）。図６
を参照すれば（点Ｂ）、点Ｂにより表される運転条件は
空気希釈なしの１００％酸素‐燃料に相当している。

【００３８】図５は、酸素流量とメタン流量は最大生産
量の２０％を生産するためにはおのおの半分まで減らす
ことができることを示している。これは、生産量を最大
生産速度の２０％に制限すれば、貯蔵酸素の供給を２倍
長く続けることができることを意味している。図６によ
ると、これは１００％酸素‐燃料の燃焼に相当する。

【００３９】５０％の生産量では、酸素流量を最大生産
量の際の流量の半分に減らすことができ、メタン流量は
最大生産量の際の流量の約９５％になる。図６による
と、この運転条件の場合の酸素濃度は約３５％となる。

【００４０】酸素‐燃料炉からの排気ガスの温度は、熱
回収装置の後において対応する空気‐燃料炉からのもの
より高い。従って、ガラス製造者は、金属で製作された
煙道系の区画へガスが入る前に何らかの方法で酸素‐燃
料燃焼生成物の温度を低下させなくてはならない。現行
の大気汚染の規制のために、ガラス用の炉のための煙道
ガスの処理には一般に、粒状物を除去する装置、例えば
電気式集塵装置あるいはバッグハウス等が含まれる。こ
れらの装置の最高運転温度は、酸素‐燃料炉の排気温度
よりもかなり低く、一般的に５３８℃（１０００°Ｆ）
程度である。従って、排気ガスはこれらの装置の前で低
温（周囲温度）の希釈空気により冷却しなくてはならな
い。

【００４１】酸素‐燃料燃焼用に設計された炉において
燃焼用酸素に代えて空気を使用するとすれば、排気ガス
の体積は実質的に増加する。図７は、いくつかの生産量
（生産速度）について酸素に代えて空気を使用するにつ
れて排気ガスの流量がどのように増加するかを示してい
る。このグラフを作るのには、入口及び出口温度と熱損
失とに関して先に説明した図について使用したのと同じ
仮定を使用した。排気ガスの流量は１００％酸素‐燃料
で最大生産量の場合の排気ガス流量に関して標準化され
ている。最大生産量の場合について言うと、排気ガス流
量は、酸素を完全に空気と取り替えた場合に９倍より多
くまで増加する。空気で酸素を完全に取り替えた場合、
高温保持条件では３倍より多くの排気ガス流量を予想す
ることができる。

【００４２】高温排気ガスの流量が増加する結果とし
て、ガスが煙道系の金属製の区画に入る前に温度を同じ
レベルまで低下させるためにははるかに多くの希釈空気
を準備しなくてはならない。図８は、炉からの１５３８
℃（２８００°Ｆ）の排気ガスを２５℃（７７°Ｆ）の
空気で希釈して煙道系の金属製区画にとって適した温度
である５３８℃（１０００°Ｆ）のガス流とする熱力学
的計算の結果を示している。空気で希釈後の標準化した
排気ガス流量が標準化した酸素流量の関数としてプロッ
トされている。排気ガス流量は、１５３８℃（２８００
°Ｆ）の排気ガスを２５℃（７７°Ｆ）の空気で希釈し
て５３８℃（１０００°Ｆ）のガス流とする、１００％
酸素‐燃料、最大生産量の場合に関して標準化されてい
る。最大生産量の条件下で酸素を空気と取り替え、そし
て排気ガスを２５℃（７７°Ｆ）の空気で希釈して５３
８℃（１０００°Ｆ）のガス流にすると、結果として得
られる排気ガスの流量は最大生産量で酸素‐燃料の場合
の７．５倍より多くなる。煙道系は、圧力損失の制限か
ら、この大きく増大した処理量を取り扱うことができな
い。炉の圧力が上昇し、ことによっては構造破壊に至
る。

【００４３】増加した煙道ガス容積に対処する方法がい
くつかあり、例えば、生産量の削減、燃焼用に酸素を富
化する、煙道ガス冷却の別法（例えば水での）、煙道ガ
ス排出能力の追加、煙道ガス処理部のバイパス、あるい
はこれらの方法の二つ以上の組み合わせ等が挙げられ
る。本発明による、容積の増加した煙道ガスを処理する
好ましい方法は、水での冷却、生産量の削減を組み合わ
せ、そして必要なら、燃焼用に酸素を富化するのを組み
合わせることである。

【００４４】図９は、２５℃（７７°Ｆ）の液体の水で
蒸発作用による直接接触式の冷却を行う熱力学的計算の
結果を示している。水で希釈後の標準化した排気ガス流
量を標準化した酸素流量に対しプロットしてある。排気
ガス流量は、１５３８℃（２８００°Ｆ）の排気ガスを
２５℃（７７°Ｆ）の空気で希釈して５３８℃（１００
０°Ｆ）のガス流を作る１００％酸素‐燃料、最大生産
量の場合に関して標準化される。この図は、排気ガス流
の冷却媒体として空気に代えて水を使用する場合には排
気ガスの体積を最大生産量の酸素‐燃料運転について５
０％低下させることができることを示している。燃焼用
の酸素の代わりに空気を使用しそして排気ガスを冷却す
るのに水を使用しての最大生産量の場合について言え
ば、排気ガス流量は、基礎ケースである最大生産量で全
酸素‐燃料ケースの３．６倍になる。酸化剤として酸素
の代わりに空気を使用しての５０％生産量について言え
ば、排気ガス流の体積は、基礎ケースである最大生産量
での全酸素‐燃料ケースより約２．５倍大きくなる。

【００４５】

【表１】

【００４６】提案した発明に代わるものに、オプション
１として、酸素の貯蔵をより多くして１００％の酸素‐
燃料燃焼を継続すること、オプション２として、空気‐
燃料の加熱バーナーを用いて高温保持すること、オプシ
ョン３として、酸素の代わりに空気を用い高運動量の酸
素‐燃料バーナーで高温保持又は一部の生産を行うこ
と、がある。提案した発明とオプション１の違いは、酸
素使用量と液体酸素貯蔵費の減少である。提案した発明
とオプション２の違いは、継続しての生産と費用であ
る。提案した発明とオプション３の違いは、高圧の空気
を供給することの技術的な難しさである。

【００４７】オプション１と比べた本発明の利点は、資
本経費がより少ないこと（液体酸素貯蔵タンクが少な
い）ことである。また、現場の酸素プラントが停止して
いる時間にもよるが、液体酸素の補給と入手可能性の問
題が回避される。提案された発明のオプション１を上回
る利点は、酸素供給管路又は流量制御スキッドに関し問
題がある場合にそれが機能を果たすことができることで
ある。オプション２と比べた本発明のもう一つの利点
は、ガラスの製造に必要とされる同様の温度プロファイ
ルを用いる炉での最高温度がより高くなることである。
オプション２と比べた本発明のなおもう一つの利点は、
連続生産である。最も効果的なプロセスは、空気又は酸
素を富ませた空気を使って最大限の生産を続けるもので
ある。フロート浴にガラス帯を維持するための最小レベ
ルでの生産でさえ、極めて有益である。ガラス帯を作り
直すのは時間を浪費するものであり、生産を１日あるい
はそれ以上遅らせかねない。例えば、１日当たり６００
トンを生産し、ガラスの価格がトン当たり３００ドルの
平板ガラス炉について言うと、１日の生産は１８０，０
００ドルの価値がある。オプション２に比べた本発明の
更に別の利点は、バックアップ系が所定の箇所にあるこ
とである。オプション２は、外部の会社が当該設備まで
やってきて器具を取り付けるのを必要とする。本発明の
なお別の利点は、炉の耐火物に孔をあけ、切断し、ある
いはほかのやり方で手を加える必要がないことである。

【００４８】本発明は、使用者が空気‐燃料及び酸素‐
燃料運転用に異なるバーナーを使用し、空気‐燃料及び
酸素‐燃料バーナー用に共通の取り付け装置を使用し、
空気‐燃料加熱バーナーに比べて高い最高の炉温を使用
することができるようにする。本発明の方法は、ガラス
を加工処理するのに必要とされる炉で相似の温度分布を
生じさせることができ、酸素濃度を選択的に増加させる
ことにより炉のホットスポットでの燃焼速度をより大き
くするすることができ、空気‐燃料運転のための導入空
気と燃料用に切り離されているが接近して間隔をあけた
口の使用を可能にし、空気‐燃料及び酸素‐燃料運転用
の予備燃焼／ステージ用の口の機能を変更するのを可能
にする。酸素‐燃料運転のためには、より大きな開口
を、酸素と燃料とを用いる予備燃焼器として使用し、酸
素のステージ化のためにより小さい開口を使用する。空
気‐燃料運転のためには、より大きな開口を、空気又は
酸素を富ませた空気を流すために使用し、より小さな開
口を主として燃料用に使用する。

【００４９】空気又は酸素を富ませた空気と燃料を炉へ
導入するため炉の壁に配置された別個のバーナーブロッ
ク又は予備燃焼器を設けることは、本発明の範囲内であ
る。この様式では、酸素‐燃料バーナーを止め、そして
その別個のバーナーブロックを使って本発明の教示に従
い燃焼を行う。

【００５０】酸素‐燃料バーナーとは独立した別々のバ
ーナー又は管を通して空気と燃料を炉へ導入すること
も、空気あるいは酸素を富ませた空気と燃料を本発明の
教示に従って導入する限りは、本発明の範囲内である。

【００５１】以上のように本発明を説明したが、特許に
より保護されるべきものは特許請求の範囲に記載されて
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のステージ式燃焼装置の概要斜視図であ
る。

【図２】図１の２‐２線に沿って見た図である。

【図３】本発明による装置の概要斜視図である。

【図４】図３の装置のバーナーブロック又は予備燃焼器
の正面図である。

【図５】ゼロの生産量から最大生産量までの条件につい
て標準化した酸素流量に対し標準化したメタン流量をプ
ロットしたグラフである。

【図６】図５の生産速度について標準化した酸素流量に
対し酸素濃度をプロットしたグラフである。

【図７】いくつかの生産速度について標準化した酸素流
量に対し標準化した排気ガス流量をプロットしたグラフ
である。

【図８】ゼロから最大生産量までの炉の生産量について
標準化した酸素流量に対し空気で希釈後の標準化した排
気ガス流量をプロットしたグラフである。

【図９】ゼロから最大生産量までの炉の生産量について
標準化した酸素流量に対し水で希釈後の標準化した排気
ガス流量をプロットしたグラフである。

【符号の説明】

１０…ステージ式燃焼装置 １２…酸素‐燃料バーナー １４…予備燃焼器又はバーナーブロック ２４…第一の端部 ２６…第一の通路 ２８…排出端部 ３２…第二の通路 ４０…燃焼装置 ４２…バーナー ４４、４８、５０…通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブライアン クレア ホーク，ジュニア アメリカ合衆国，ペンシルベニア 18020, ベスリアム，ロングウッド ドライブ 234 (72)発明者 アレクサンダー ジョージ サラベジコブ アメリカ合衆国，ペンシルベニア 18104, アレンタウン，ムーレイ ドライブ 216 (72)発明者 マーク ダニエル ダゴスティーニ アメリカ合衆国，ペンシルベニア 18104, アレンタウン，ホワイト オーク ロード 1469 (72)発明者 ケビン アラン リーブル アメリカ合衆国，ペンシルベニア 18103, アレンタウン，グリーンリーフ サークル 1115 (72)発明者 ジョセフ マイケル パイトラントニオ アメリカ合衆国，ペンシルベニア 18051, フォゲルスビル，サミット サークル 8797

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素‐燃料の燃焼を使用する炉を高温に
   加熱しておくための方法であり、火炎用及び酸化剤用の
   酸素の供給がなくなりあるいは停止した場合に、炉へ酸
   素‐燃料の火炎を導入しそしてこの火炎の下に酸化剤を
   導入する方法であって、 当該酸素‐燃料の火炎を、空気又は酸素を富ませた空気
   のうちの一方と取り替え、そしてこの空気又は酸素を富
   ませた空気のうちの一方を上記の炉へ導入する工程、及
   び当該酸化剤を当該燃料と取り替え、そしてこの燃料を
   上記の炉へ導入して燃焼するようにしそして当該炉内の
   温度を維持する工程、を含む方法。
2. 【請求項２】 前記バーナーの排出端部での空気又は酸
   素を富ませた空気のうちの前記一方の速度が約７６．２
   ｍ／ｓ（２５０ｆｔ／ｓ）未満である、請求項１記載の
   方法。
3. 【請求項３】 空気又は酸素を富ませた空気のうちの前
   記一方と燃料とをバーナーブロックを通して導入するこ
   とを含む、請求項１又は２記載の方法。
4. 【請求項４】 火炎を生じさせるのに適合した酸素‐燃
   料バーナーであってこのバーナーに取り付けた予備燃焼
   器を備えた酸素‐燃料バーナーを有するタイプの燃焼装
   置であり、当該予備燃焼器が、当該バーナーの火炎側端
   部に関して流体漏れのない第一の端部と工業用の環境で
   の加熱のために当該バーナーにより生じる火炎を導くの
   に適合していて一般に平たい扇状の形状をした第二の端
   部とを持つ第一の通路、及び、この第一の通路の下にそ
   れと同様の領域を占めて配置された当該バーナーブロッ
   ク内の別個の第二の通路であって、火炎の下で且つ一般
   に火炎に対し平行に酸化用流体を導くため当該予備燃焼
   器の第二の端部においてノズル端でもって終えている第
   二の通路を有する、酸素‐燃料バーナーを有するタイプ
   の燃焼装置であって、 火炎に代えて空気又は酸素を富ませた空気のうちの一方
   を上記のバーナーを通し上記の予備燃焼器へ導入するた
   めの第一の手段、及び上記の酸化用流体に代えて燃料を
   上記予備燃焼器の上記別個の第二の通路へ導入し、それ
   により当該燃焼装置が、酸素の供給が中断し又は減少し
   た場合に上記の工業用環境を継続して加熱することがで
   きるようにするための第二の手段、を含むことを特徴と
   する燃焼装置。
5. 【請求項５】 前記予備燃焼器の長さが１０２〜４５７
   ｍｍ（４〜１８インチ）である、請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 前記第一の通路及び前記第二の通路が、
   前記予備燃焼器の前記第二の端部において５〜３０の幅
   対高さ比を有する、請求項４又は５記載の装置。
7. 【請求項７】 前記予備燃焼器の前記第一の通路及び前
   記第二の通路の幅を画定する壁が、当該予備燃焼器を通
   る中央の垂直平面の両側に−１５°〜＋３０°の角度で
   配置されている、請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】 前記角度が前記垂直平面の両側において
   ０°〜＋１５°である、請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 前記予備燃焼器に前記燃料へ酸素を導入
   するための手段が含まれている、請求項４から８までの
   いずれか一つに記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記バーナーの使用時に前記炉から発
    生する排気ガスを水で冷却するための手段を備えた加熱
    炉において利用される、請求項４から９までのいずれか
    一つに記載の装置。
11. 【請求項１１】 酸素‐燃料の燃焼を使用して炉を高温
    に加熱しておくための方法であり、火炎用の酸素の供給
    がなくなりあるいは停止した場合に、炉へ酸素‐燃料の
    火炎を導入する方法であって、 空気又は酸素を富ませた空気のうちの一方の流れを当該
    炉へ導入する工程、及び上記燃料の別個の流れを当該炉
    へ導入して燃焼するようにし且つ当該炉内の温度を維持
    する工程、を含む方法。
12. 【請求項１２】 前記炉が、酸素を富ませた空気での燃
    焼を使用する当該炉のホットスポットの近くのバーナー
    を除いて、空気‐燃料燃焼を使用することにより当該炉
    内に維持される温度分布を有するガラス融解炉である、
    請求項１又は１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記酸素‐燃料の火炎を、酸素‐燃料
    の燃焼のみを使用する場合の酸素‐燃料又は酸素のうち
    の一方の流量より約１２．６倍大きい流量で導入される
    空気と取り替えることを含む、請求項１，２，３，１１
    又は１２記載の方法。
14. 【請求項１４】 空気又は酸素を富ませた空気のうちの
    前記一方の、前記炉へ空気又は酸素を富ませた空気のう
    ちの当該一方を導入するのに使用されるバーナーの排出
    端部での速度が、約７６．２ｍ／ｓ（２５０ｆｔ／ｓ）
    未満である、請求項１１記載の方法。
15. 【請求項１５】 酸素を前記燃料とともに導入して当該
    炉内で加熱される被処理物への輻射伝熱を増進する工程
    を含む、請求項１〜３及び１１〜１４のいずれか一つに
    記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記炉から出てくる排気ガスを液体の
    水で冷却して、当該排気ガスの容積を当該排気ガスを空
    気で冷却するのと比較して減少させる工程を含む、請求
    項１〜３及び１１〜１５のいずれか一つに記載の方法。