JP2002211940A - 縦型ガラス炉において球状ガラス粒子の生産を向上させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

縦型ガラス炉において球状ガラス粒子の生産を向上させるためのシステムおよび方法

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John Foss
ジョン・フォス
Mahendra L Joshi
マヘンドラ・エル・ジョシ
Harley A Borders
ハーレイ・エー・ボーダーズ
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ガラスの品質を維持しながら、縦型ガラス炉の
生産レベルを向上させる。 【解決手段】 空気−燃料燃焼式縦型ガラス炉を用いて
ガラス球を製造するに際し、炉の生産能を向上させるた
めに当該プロセスに追加の熱を提供するように、酸素燃
焼または増強を行う。酸素を用いる追加の燃焼は、全プ
ロセスに悪影響を与えないように、球状化プロセスのた
めに酸素からの増大した放射を可能とするように制御さ
れる。適切な実施により、許容し得る製品品質を維持し
ながら、ガラス球のサイズに依存して、５０％〜２００
％の生産性の向上が達成される。本方法は、酸素増強の
ための種々の方法を用いて実施され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、球状（spheroida
l）ガラス粒子を生産するために有用な縦型配置された
ガラス炉に、およびかかるガラス炉の操作方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】商業的ガラス粒子は、典型的に、１０マ
イクロメーター〜５０マイクロメーターのサイズで入手
できる。これらガラス粒子は、広範な用途を有し、例え
ばエレクトロニクスの分野において、また塗料に使用さ
れる反射材料（例えば、道路の標識、道路のマーキン
グ）として、滑走路用建築材料（夜間着陸帯）として、
研磨／サンドブラスト用に、あるいはプラスチックの射
出成形用に使用されている。
【０００３】これらガラスビーズは、種々の方法により
製造されている（例えば米国特許第４，９６１，７７０
号参照）。いくつかの場合において、溶融ガラス流を大
きな粒子に離解し、ついでこれら粒子をバーナー火炎の
芯部内に射出させるために電場および磁場が使用され
る。高温の火炎ゾーン内の軟化ガラスビーズは、反応
し、表面張力により非常に小さいサイズ（１０〜５０マ
イクロメーター）のガラス球となる。
【０００４】多くの場合、ガラスビーズの生産には、非
常に大型の炉（例えば、水冷または空冷式縦型反応炉）
が使用される（例えば米国特許第４，０４６，５４８号
参照）。図１に示すように、破砕ガラスまたは粉末状カ
レットを含み得る原料Ｒは、原料ホッパー１０８から、
装置１１０により、典型的な縦型ガラス炉１００の縦型
反応炉１０２の空気−燃料バーナー火炎領域の上に供給
される。上方に移動する燃焼ガス流は、すぐさま原料を
連行する。高温の燃焼ゾーン中の懸濁粒子は、軟化し、
ガラス表面上の表面張力により、微小球となる。得られ
るガラス粒子の平均サイズは、粒子の実効終端速度（従
って、滞留時間）および周囲の燃焼ガスの温度により決
定される。最終ガラス製品について所要のサイズ分布を
得るためには、ガラス炉において均一な温度プロファイ
ルを維持することが非常に重要である。
【０００５】火炎ガス、および典型的に床または地面１
２４の上にある開放底１２２からの連行された空気Ａi
は、ガラス粒子を上方に運び、球状化プロセスが完了す
ると、ガラス粒子は大きな炉部分１０４に沈降する。つ
いで、最終製品Ｐは、製品排出路１２０に沿って分粒プ
ロセスに運ばれ、そこで適正なサイズの製品が輸送のた
めにパックされる。多くの場合、約１０％〜１５％の製
品が、煙道を通る炉廃ガスとともに残り、これには、一
般的に１１４で示されるサイクロン分離、バッグハウス
または電気集塵器（ＥＳＰ）のような追加の分離プロセ
スが必要である。浄化された煙道ガスは、スタック１１
８で分離器を出る。
【０００６】図１に示されているように、バッグハウス
等１１４から回収された製品ＰRは、典型的に、経路１
１６に沿って反応炉１０２に再循環される。炉は、サイ
ズに依存して、典型的に、１０００ｌｂ／時（４５３．
６ｋｇ／時）から１０，０００ｌｂ／時（４，５３６ｋ
ｇ／時）の製品を処理し得る。空気−燃料バーナー１１
２は、一般に、十分に混合された青みがかった火炎を発
生し、かりにあったとしても多くの可視放射を持たな
い。この火炎は、また、図１に示すように、外部空気の
侵入Ａiを生じさせる。この周囲空気による希釈は、平
均火炎ガス温度を低下させるが、全燃焼ガス体積を増加
させる。この空気侵入は、本方法に関する限り、次の２
つの効果を生じさせる。
【０００７】（１）ガラス粒子の連行と以後の球状化プ
ロセスに必要な燃焼ガス体積の増加。より高い体積は、
より高い連行を意味する。
【０００８】（２）炉で処理され得る原料の量を制限す
る、平均火炎ガス温度の低下。
【０００９】ほとんどの場合、炉は、最大原料供給能が
炉の直径、全長、全バーナー燃焼速度、および外部空気
の連行に基づいて到達されるところの性能のネックに達
する。追加の原料が加えられると、球状化プロセスが悪
影響を受け、製品の品質が低下し、問題となる。従っ
て、ほとんどの炉の作業者は、品質の点から、炉の生産
能を超えることがない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、ガ
ラスの品質を維持しながら、縦型ガラス炉の生産レベル
を向上させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の側面によ
れば、底が開放しているシャフト、原料添加装置、およ
び空気−燃料バーナーを備える縦型ガラスビーズ炉の操
作方法は、空気−燃料バーナーを点火燃焼させ、それに
よりシャフトの開放底を介して空気を炉内に連行する工
程、および炉内に原料を添加する工程を含み、かつ
（ａ）単一のランスを用いて、シャフトの底に隣接して
オキシダント（oxidant）をシャフト中に射出する工
程、（ｂ）該シャフトの底に隣接して該シャフト内に設
けられたオキシ−燃料バーナーを動作させる工程、
（ｃ）多重ランスを用いて、シャフトの底に隣接してオ
キシダントをシャフト中に射出する工程、（ｄ）空気−
燃料バーナー中に組み込まれたランスを用いて、オキシ
ダントをシャフト中に射出する工程、および（ｅ）オキ
シダント射出リングを用いて、シャフトの底に隣接して
オキシダントをシャフト中に射出する工程からなる群の
中から選ばれる１の追加の工程を包含する。
【００１２】本発明の他の側面によれば、縦型ガラス炉
は、内部空間を有し、底が開放しているシャフト、シャ
フトの内部に原料を添加するための原料添加装置、空気
−燃料バーナー、並びに（ａ）シャフトの底に隣接して
設けられた、オキシダントをシャフト中に射出するため
に有用な単一のオキシダント射出ランス、（ｂ）シャフ
ト中にシャフトの底に隣接して設けられたオキシ−燃料
バーナー、（ｃ）シャフトの底に隣接して設けられた、
オキシダントをシャフト中に射出するために有用な多重
オキシダント射出ランス（ｄ）空気−燃料バーナー中に
組み込まれたランス、および（ｅ）シャフトの底に隣接
してオキシダントをシャフト中に射出するように設けら
れたオキシダント射出リングからなる１の追加の装置を
備える。
【００１３】本発明の他の目的、特徴および付随する利
点は、以下の実施の形態の記述および図面から当業者に
明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明をより詳しく説明するが、全図にわたり、同様の参照
符号は同一または対応する要素を示す。
【００１５】本発明において、用語「酸素」および「オ
キシダント」は、２１％を超える酸素含有率を有するオ
キシダントを含むがこれに限定されない非純粋酸素、酸
素富化空気、酸素富化ガスであって当該ガスが純空気以
外のものを含むが、これらに限定されない。
【００１６】本発明の１つの側面は、球状粒子（種々の
サイズのガラスビーズを伴う）を生産するための空気−
燃料燃焼式縦型ガラス炉に適用され得るいくつかの酸素
増強（oxygen boost）技術に関する。縦型炉は、約２０
００°Ｆ〜３０００°Ｆの温度で炉の底から上昇する熱
い燃焼ガスを生産するために空気−燃料燃焼バーナーを
使用する。原料（例えば、粉末状のガラス）は、バーナ
ー位置の上で供給され、上方に動く燃焼ガス流中に連行
される。燃焼ガスの温度は、表面張力により後に粒子を
球状化させ得るようにガラスの軟化点よりも十分に高
い。この球状化プロセス中に、ガラス粒子は伝導（他の
粒子とのランダムな衝突および融合による）によりおよ
び熱い燃焼ガスからの放射により熱エネルギーを交換す
る。
【００１７】第１の方法において、本発明は、炉におけ
る底開口からの非常に高速のオキシダントまたは酸素噴
出を使用する。この高速のオキシダントまたは酸素射出
は、イジェクター（ejector）効果を生み出し、射出さ
れる酸素の体積の１００倍〜３００倍までという多量の
周囲空気を炉の底開口から連行する。この酸素富化空気
は、空気−ガスバーナー可燃物と混合し、やや高い温度
の火炎ガスを形成する。この空気−ガス火炎温度の上昇
と底からの追加の周囲空気の連行は、より迅速な球状化
プロセスを生じさせる。
【００１８】第２の方法において、燃料リッチの高温オ
キシ−燃料輝炎を生じさせるために、酸素ランスと同じ
底位置でオキシ−燃料バーナーが上方に燃焼される。オ
キシ−燃料バーナーの燃焼率は、全炉燃焼率（total fu
rnace firing rate）の約５％〜６０％までに調節され
得る。
【００１９】第３の方法において、本発明は、空気−燃
料バーナーの上流で多重酸素ランスを使用する。（オキ
シ−燃料）火炎の増加した放射とその後のオキシ−燃料
燃焼生成物の、空気−燃料燃焼生成物ガスとの混合によ
り、最終ガス温度が上昇する。得られる燃焼ガスの温度
の均一性は、増加した球状化速度、従って増大した生産
性をもたらす。従来の空気燃焼式システムに対し、５０
％から２００％の生産向上が達成され得る。
【００２０】本発明の他の側面は、プロセスに追加の熱
を提供するために酸素燃焼または増強用の空気−燃料燃
焼式縦型ガラス炉に改装（retrofit）技術を提供するこ
とを含む。酸素を使用する追加の燃焼は、プロセス全体
に悪影響を与えることなく、球状化プロセスのために酸
素火炎からの増大した放射を可能とすべく戦略的に制御
される。適切な実施により、球のサイズに依存して、５
０％から２００％までの増加した生産性が、許容し得る
製品品質を維持しながら、達成され得る。本発明に従う
方法は、多数の酸素増強方法の１またはそれ以上を用い
て行うことができ、その例を以下に示す。
【００２１】Ｉ．単一酸素ランス射出：単一の酸素ラン
ス射出は、空気−燃料バーナー１１２（図２参照）の上
流で行われる。酸素ランス２０２は、高速の酸素を縦型
炉２００の中央に射出するために用いられる。ランス
は、配管の便利さのために潜望鏡（periscope）（すな
わち、約９０°の角度）の形状に作られるが、他の同様
の形状も本発明の範囲内である。限定ではなく単なる例
として、ランス２０２の出口ノズルは、約０．５インチ
（１．２７ｃｍ）〜約２．０インチ（５．０８ｃｍ）の
内径を有することができるが、より小さな径またはより
大きな径も本発明で使用することができる。空気−燃料
バーナー火炎化学量論（当量比、Ｅ）は、それが常にリ
ッチな側にあるように調節される。好ましい比の範囲
は、約０．７≦Ｅ≦１．００である。リッチな燃焼は、
多量の一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼燃料、すす、および
他の炭化水素を発生させる。ランス２０２からの酸素ジ
ェット（噴出）ＪO2と連行された周囲空気Ａiとを用い
た上記生成物の後の燃焼は、高輝度の火炎を生じさせ
る。可視火炎放射は、ホットスポットを生じさせること
なくガラス粒子へのより均一な熱伝達を提供する。
【００２２】酸素ランス２０２の位置は、全プロセスの
観点から非常に重要であり得る。ランスは、戦略的に炉
の底部において炉の中央に配置される。ランスの位置
は、炉ガス中への酸素ジェットの貫通に依存する。図２
に示すように、酸素ジェットＪ O2は、中央に位置され、
空気−燃料燃焼の燃焼生成物と徐々に合流する。この漸
次的混合は、均一な様式で火炎ガス温度の上昇をもたら
す。得られる火炎ガスは、増加した放射性を持って上方
に移行する。この火炎の可視放射は、ガラス粒子球状化
プロセスに追加の熱フラックスを利用させることを可能
とする。生産性は追加の放射とともに増加し得る。
【００２３】本発明の１つの側面は、酸素射出を単一の
（例えば、ＳＳ−３０４ステンレス鋼）ランス２０２を
用いて行うことを含む。ランスは、射出距離を数フィー
ト変化させるフレキシビリティーを有する支持部材を用
いて炉の下側に支持される。特に好ましい射出位置は、
空気−燃料バーナーの下約２フィート（０．６１ｍ）〜
１２フィート（３．６６ｍ）である。これは、全３
（ｘ、ｙ、ｚ）方向において調節機構を有する支持部材
を用いて行うことができる。酸素は、好ましくは、約５
００ｆｔ／ｓ（秒）（１５２．５ｍ／ｓ）〜約８００ｆ
ｔ／ｓ（２４３．９ｍ／ｓ）の速度で射出される。炉の
底および／または側部からの周囲空気の連行は、オキシ
燃焼を伴うより高い反応速度により増大する。調節機構
の具体的な構成は、当業者に明らかであろう。
【００２４】射出される酸素の量は、炉の操作パラメー
ターを調整するように変化させることができる。例え
ば、流量は、炉のサイズ、全燃焼率および生産速度に依
存して、約２００ｓｃｆｈ（１時間当たりの標準立方フ
ィート）〜約３０，０００ｓｃｆｈであり得る。射出さ
れる酸素の割合は、空気−燃料バーナーに必要な理論オ
キシダント量の約５％〜約３０％であり得る。酸素流
は、所望のビーズ品質および生産速度のために全火炎ガ
ス温度を上昇させるか、低下させるように調節される。
当業者は、これら炉のパラメーターの調節に与えられる
考慮について熟知しており、その詳述はここでは必要で
ないであろう。
【００２５】典型的にそのいくつかが炉壁の周りに配置
される空気−燃料バーナー１１２は、一般に、一定の燃
焼速度で燃焼され、ランス２０２から射出される酸素流
の量は、ビーズ品質を最適化するように調節される。ビ
ーズ品質は、一般に、製品Ｐの球形状により評価または
表現される。これらのビーズは、一般に、転動球試験
（rolling sphere test）を通る。転動したビーズ対非
球状（転動困難）ビーズの相対重量百分率を測定してビ
ーズ品質を評価する。第２の試験は、種々の篩を用いて
ビーズのメッシュ数（mesh number）を測定することを
含む。ビーズは、典型的に、特定の篩数（４０、６０
等）を求めて作られる。
【００２６】ＩＩ．オキシ−燃料バーナー燃焼：本発明
の他の側面は、図３に示すように、空気−燃料バーナー
１１２の上流で行われるオキシ−燃料燃焼を含む。オキ
シ−燃料バーナー火炎ＦOF化学量論（オキシダント／燃
料比、Ｒ）は、それが常にリッチ側にあるように調節さ
れる。好ましい比の範囲は、０．５≦Ｒ≦２．００であ
る。このリッチな燃焼は、多量の一酸化炭素（ＣＯ）、
未燃焼燃料、すす、および他の炭化水素を発生させる。
これら生成物の後の燃焼は、高輝度の火炎を生じさせ
る。可視火炎放射は、ホットスポットを生じさせること
なくガラス粒子への均一な熱伝達を提供する。
【００２７】１またはそれ以上のオキシ−燃料バーナー
３０２の位置も、また、全プロセスの観点から非常に重
要であり得る。バーナーは、炉底において炉３００の中
央に戦略的に配置され、バーナーの位置は、オキシ−燃
料火炎の長さに依存する。図３に示すように、オキシ−
燃料火炎ＦOFは、中央に位置され、空気−燃料燃焼の燃
焼生成物と徐々に合流する。この漸次的混合は、均一な
様式で火炎ガス温度の上昇をもたらす。得られる火炎ガ
スは、増加した放射性を持って上方に移動する。この火
炎の可視放射は、ガラス粒子球状化プロセスに追加の熱
フラックスを利用させることを可能とする。生産性は追
加の放射とともに増加し得る。
【００２８】図４は、本発明に使用し得るオキシ−燃料
バーナー３０２の例を示している。バーナー３０２は、
オキシダント入口３０４、二次燃料入口３０６を含み、
これらはバーナー本体３０８と連通する。バーナーブロ
ック３１０は、フランジ３１４においてエルボー３１２
に接続されている。エルボー３１２の角度はおよそ９０
°として示されているが、当業者には、いくつかの状況
では、火炎ＦOFを他の方向に向けることが望ましく、そ
のためにはエルボー３１２を異なる方向に配置するか、
バーナー３０２を炉シャフトの縦軸に対して異なる方向
に設置することが望ましいということが明らかであろ
う。図４に示唆されているように、バーナー本体３０８
は、オキシダントおよび燃料を別の同軸流れ通路に導く
ように構成することができる。しかしながら、バーナー
本体３０８を通る流れ通路（図示せず）は、また、非同
軸平行通路または当該分野でよく知られている他の構造
であり得る。さらに、オキシダントと燃料の入口は逆で
あってもよい。
【００２９】ＩＩＩ．空気−燃料バーナーの上流の多重
酸素ランス：本発明のさらに他の側面は、空気−燃料バ
ーナーの上流の多重酸素ランスを含む。本発明のこの側
面によれば、多重ランス４０２は、酸素流を空気−燃料
バーナー火炎中に射出するために、連行空気中において
流体的に空気−燃料バーナーの前に位置される。そのよ
うな酸素射出システムおよび方法４００の１つの態様が
図５および６に示されている。
【００３０】本射出方法は、酸素を徐々に（非常に遅い
射出速度、例えば約１ｆｔ／ｓ（０．３０ｍ／ｓ）〜約
１００ｆｔ／ｓ（３０．５ｍ／ｓ）で）火炎の根元に分
配するために非常に特異的である。この比較的遅い射出
速度は、空気−燃料火炎芯部における酸素の即座の混合
とホットスポットの発生を防止するために、好ましく用
いられる。この漸次的酸素射出は、より遅い混合と、よ
り均一な後の火炎ガス温度プロファイルを可能とする。
この酸素射出の目的は、追加のガラス粒子処理のために
平均火炎ガス温度（および熱放散速度）を上昇させるこ
とである。酸素射出の量は、炉の生産能に依存して、約
１０００ｓｃｈｆ〜５０，０００ｓｃｆｈであり得る。
こうして、空気−燃料バーナーに必要な燃焼空気の２
１．５％〜６０％富化が生じえる。
【００３１】ここで記述する技術を単独でまたは組み合
わせて実施することにより、ガラス粒子を処理する炉の
能力が向上し得る。特定の範囲に限定するものではない
が、本発明の技術を用いることにより、生産性が５０％
〜２００％向上すると見積もられる。上記技術のさらな
る利点は、長期にわたって炉の運転を停止することな
く、酸素バーナーおよびランスを改装し得ることであ
る。上記装置の資本経費もまた、大規模に再構築される
炉に比べて非常に低い。
【００３２】ＩＶ．空気−燃料バーナー中に挿入された
ランス：本発明のさらなる側面は、図８に概略的に示す
ように、空気−燃料バーナー中に挿入された少なくとも
１つ、好ましくは多重（複数）のランスを含む。この射
出システム５００および方法は、酸素を直接空気−燃料
火炎ＦAF中に射出してその温度を上昇させるものであ
る。この射出は、ホットスポットを回避して火炎内に均
質な酸素分布を生じさせるために、オキシダントランス
５０２を用いて各バーナーに対して行われる。射出は、
上に述べた理由と同様の理由から、低速、例えば約３０
ｆｔ／ｓ（９．１５ｍ／ｓ）〜約１００ｆｔ／ｓ（３
０．４９ｍ／ｓ）で行われる。当業者は、空気−燃料バ
ーナー中のランスの種々の形態に熟知しており、その詳
細はここでは述べない。
【００３３】Ｖ．射出リングを用いる酸素射出：本発明
のさらに他の側面は、酸素を空気−燃料火炎の下に射出
するために、図９に示されているような酸素射出リング
６０２を利用することを含む。酸素は、炉の底で連行さ
れた空気と混合し、燃焼に参加する。空気−燃料バーナ
ー１１２を流通する空気は、より高い火炎温度を達成す
るために減少させ得る。このシステムおよび方法は、空
気の酸素との混合を容易にし、均質な火炎温度を生じさ
せる。酸素射出速度は、好ましくは、３０ｆｔ／ｓ
（９．１５ｍ／ｓ）〜約２０ｆｔ／ｓ（６１ｍ／ｓ）で
ある。図９に示すように、オキシダントは、適切な供給
器６０４を介してリング６０２に供給される。
【００３４】射出リングは、有利には、空気−燃料バー
ナーの中心軸から垂直距離Ｈ（図７参照）のところに配
置される。Ｈは、炉６００のサイズに依存して、好まし
くは、約６インチ（１５．２５ｃｍ）〜３６インチ
（０．９１ｍ）である。酸素射出リング６０２の外径
は、炉の幾何学形状に合せるべきである。例えば、比Ｄ
R／ＤF（ＤRは、酸素射出リングの外径、ＤFは、炉シャ
フト１０２の内径）は、０．２〜０．９である。
【００３５】本発明のさらなる側面によれば、酸素ラン
スおよび酸素−燃料バーナーは、好ましくは、金属材料
で作られる。それらはバーナー部品（例えば、酸素およ
び燃料入口）が熱放射にさらされることを少なくし、バ
ーナーの組立てを容易にするために、潜望鏡形状（９０
°出口）を有する。これは、好ましくは、構造フレーム
部材上に設置され、従って、簡単なスライド機構を用い
て燃焼または射出位置から引き出すことができる。
【００３６】単一の酸素ランスの操作中または多重酸素
ランスの操作中に、空気−燃料バーナーの当量比は、約
０．７〜約１．００（すなわち、燃料リッチ）に調整さ
れ、燃焼用の残りのオキシダントは、酸素ランスを介し
て供給され、炉の底から周囲空気を連行する。
【００３７】オキシ−燃料バーナーの燃焼中、オキシ−
燃料バーナー燃焼の化学量論は、約０．５〜約２．００
（オキシダント／燃料比）に調節される。オキシ−燃料
バーナー速度は、非常に長く、不活発な（lazy）輝炎を
与えるように調節される。オキシ−燃料バーナーの燃焼
生成物は、空気−燃料バーナーの燃焼生成物と混合され
る。得られる混合物は、非常に高度に可視の放射を有
し、連行ガラス粒子に対しより高い全熱伝達を提供す
る。
【００３８】オキシ−燃料バーナーの燃焼は、炉の底か
らの連行空気の量をも増加させる。従って、全燃焼ガス
体積は、火炎ガス温度の上昇にマッチするように増加さ
れる。その総合効果は、炉ガスのより高いガラス粒子連
行能力である。加えて、オキシ−燃料バーナーの燃焼生
成物（水、ＣＯ2、ＣＯ、すす粒子、未燃焼燃料および
他の炭化水素）により、空気−燃料バーナーにより発生
する青味がかったまたは非輝炎と対照的に、非常に輝度
の高い火炎が得られる。オキシ−燃料燃焼による水およ
びＣＯ2成分は、また、ガラス粒子へのより効果的な熱
伝達を提供する。
【００３９】単一酸素ランス、オキシ−燃料バーナーま
たはその両者は、空気−燃料バーナーの下約２フィート
（０．６１ｍ）〜１２フィート（３．６６ｍ）の所で炉
シャフト内に組み込まれる。酸素ランス／オキシ−燃料
バーナーと空気−燃料バーナーとの間の距離は、酸素射
出速度、オキシ−燃料バーナー燃焼速度またはその両者
に依存する。単一酸素ランスの目的は、炉の下での周囲
空気の良好な連行を生じさせ、また空気−燃料バーナー
からの可燃物との良好な混合を生じさせることである。
オキシ−燃料火炎の目的は、水平に燃焼する空気−燃料
バーナー火炎中への過剰な貫通を抑制することである。
【００４０】オキシ−燃料バーナーは、例えば、二次燃
料の入手性および経済性に依存して、オキシ−ガス（例
えば、酸素−天然ガス）燃焼式または酸素−燃料油（例
えば、ジーゼル、バンカー−Ｃ等）燃焼式であり得る。
オキシ−燃料油燃焼の場合、得られる火炎は、オキシ−
ガス燃焼に比べて、より高度に可視的な放射のものであ
る。これは、ガラス粒子を処理するためのさらに高い能
力をもたらす。
【００４１】本発明の酸素ランス側面は、オキシ−燃料
バーナー燃焼と一致する様式に従う。ランスアプローチ
は、オキシ−燃料バーナーアプローチと同時に利用され
得る。酸素ランスの例が図６に示されている。
【００４２】図６に示すように、酸素ランス４０２は、
耐高温合金、耐火材料、または他の同様の耐高温材料か
ら作ることができる。ランスの挿入長（Ｌ）は、適切な
火炎温度の達成のために最適な半径方向射出点を得るよ
うに調節可能である。ランス出口４１６は、約１ｆｔ／
ｓ（０．３ｍ／ｓ）〜約１００ｆｔ／ｓ（３０．５ｍ／
ｓ）の平均射出速度を与えるように選択された内径
（Ｄ）を有する。
【００４３】酸素射出速度は、燃焼を遅延させ、空気−
燃料火炎構造におけるホットスポットを防止するために
低く保たれる。これは、図７に示され、射出された酸素
流Ｊ O2は、空気−燃料火炎Ｆの下側に流れることによ
り、半径方向外側に移動する。酸素は、半径方向外側に
移動するについて、消費される（空気−燃料火炎中の可
燃物との反応により）。酸素ジェットの貫通は、適切な
ノズル直径（Ｄ）を選択することにより防止される。こ
の低い速度の酸素は、空気−燃料火炎の根元で射出さ
れ、空気−燃料バーナーの半径方法の運動量（radial m
omentum）により火炎先端に向って即座に引き込まれ
る。低い速度の酸素射出の利点は、燃焼を遅延させ、ま
たは酸素の存在による制御された燃料を可能とすること
である。この制御された燃焼は、過剰の空気−燃料火炎
温度を防止し、図７に示すように定量的に、均一な火炎
温度プロファイルを提供し得る。
【００４４】垂直高さ（Ｈ）およびランス挿入長（Ｌ）
は、空気−燃料バーナー燃焼速度および火炎特性を考慮
して調節される。図７に示すように、高さ（Ｈ）は、約
６インチ（１５．２５ｃｍ）〜約３６インチ（０．９１
ｍ）であり得、ランス挿入長（Ｌ）は、炉の内径に依存
して、約２インチ（５．０８ｃｍ）〜約４８インチ
（１．２２ｍ）であり得る。
【００４５】酸素射出は、９０°以外の軸ＹOで行うこ
とができる（図６参照）。射出角度αは、エルボー４０
８を含むランス４０２の幾何学的形状・配置の対応する
変更または炉に対するランスの再配置により、空気−燃
料バーナー火炎特性に適合するように、約０°〜約８０
°の間で変化させ得る。酸素ランスの数は、本発明のさ
らに他の側面に従って空気−燃料バーナーの数と同じで
あるか、または追加の酸素ガス射出に対応するようにそ
れよりも多くすることができる。酸素は、図５に示すよ
うに酸素ヘッダーまたはマニホールド４０４から供給さ
れ得る。ヘッダー４０４から、酸素は柔軟なホース接続
を用いてすべての個々のランスに均一に分配される。柔
軟なホース４１２は、ランスを炉壁１２６に組込みまた
はそれから取り外すために迅速接続外し装置（quick di
sconnect device）４１０により接続されている。
【００４６】本発明の種々の側面は、縦型ガラス炉にお
いて多くの利益を提供し得る。ランス、バーナーまたは
その両者による酸素増強は、現存している空冷式または
水冷式を含む空気−燃料燃焼式反応チャンバー中に改装
組込みすることができる。
【００４７】完全燃焼に必要な理論量の５％〜６０％に
相当する酸素により燃焼プロセスを増強することによ
り、炉の生産性が５０％〜２００％増大し得る。不良品
率は、５０％減少し得、球状対非球状製品率は、９０％
を超えて増加し得る。
【００４８】以上本発明をその好ましい態様に関して詳
述したが、当業者には、本発明の範囲を逸脱することな
く種々の変更を行うことができ、均等物を採用すること
ができることが明らかであろう。以上言及した文献は、
すべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な縦型ガラス炉を示す図。
【図２】本発明の第１の態様による縦型ガラス炉を示す
図。
【図３】本発明の第２の態様による縦型ガラス炉を示す
図。
【図４】図４に示す本発明の第２の態様による縦型ガラ
ス炉の部分を示す図。
【図５】本発明の第３の態様による縦型ガラス炉を示す
図。
【図６】図５に示す本発明の第３の態様による縦型ガラ
ス炉の部分を示す図。
【図７】図５に示す本発明の第３の態様による縦型ガラ
ス炉の部分を示す図。
【図８】本発明の第４の態様による縦型ガラス炉を示す
図。
【図９】本発明の第５の態様による縦型ガラス炉を示す
図。
【符号の説明】
１０２…ガラス炉シャフト １２６…炉壁 １１２…空気−燃料バーナー ２００，３００，６００…縦型ガラス炉 ２０２…酸素ランス ３０２…オキシ−燃料バーナー ３０４…オキシダント入口 ３０６…二次燃料入り口 ３０８…バーナー本体 ３１０…バーナーブロック ３１２…エルボー ３１４…フランジ ４０２…多重ランス ４０４…酸素ヘッダー（マニホールド） ４１０…迅速接続外し装置 ４１２…柔軟ホース ５００…射出システム ５０２…オキシダントランス ６０２…射出リング ６０４…オキシダント供給器
フロントページの続き (72)発明者 ジョン・フォス アメリカ合衆国、イリノイ州 60565、ナ パービル、イースト・ベイリー・ロード 932 (72)発明者 マヘンドラ・エル・ジョシ アメリカ合衆国、ペンシルバニア州 18104−8522、アレンタウン、ナタリー・ ドライブ 369 (72)発明者 ハーレイ・エー・ボーダーズ アメリカ合衆国、コロラド州 80126、ハ イランズ・ランチ、サウス・ベルモア・プ レイス 9687 Ｆターム(参考） 3K023 JA01

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 底が開放しているシャフト、原料添加装
    置、および空気−燃料バーナーを備える縦型ガラスビー
    ズ炉の操作方法であって、 該空気−燃料バーナーを燃焼させ、それにより該シャフ
    トの開放底を介して空気を該炉内に連行する工程、 炉内に原料を添加する工程、並びに（ａ）単一のランス
    を用いて、該シャフトの底に隣接してオキシダントを該
    シャフト中に射出する工程、 （ｂ）該シャフトの底に隣接して該シャフト内に設けら
    れたオキシ−燃料バーナーを動作させる工程、 （ｃ）多重ランスを用いて、シャフトの底に隣接してオ
    キシダントをシャフト中に射出する工程、 （ｄ）空気−燃料バーナー中に組み込まれたランスを用
    いて、オキシダントをシャフト中に射出する工程、およ
    び（ｅ）オキシダント射出リングを用いて、シャフトの
    底に隣接してオキシダントをシャフト中に射出する工程
    からなる群の中から選ばれる１の追加の工程を包含する
    該方法。
  2. 【請求項２】 該追加の工程が、単一のランスを用い
    て、該シャフトの底に隣接してオキシダントを該シャフ
    ト中に射出する工程を包含する請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 単一のランスを用いてオキシダントを射
    出する工程が、該炉の中方に沿って上方にオキシダント
    を射出することを含む請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 空気−燃焼バーナーを燃焼させる工程
    が、０．７≦Ｅ≦１．０の当量比Ｅをもって燃焼させる
    ことを含む請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 単一のランスを用いてオキシダントを射
    出する工程が、約５００ｆｔ／ｓ〜約８００ｆｔ／ｓの
    速度でオキシダントを射出することを含む請求項２に記
    載の方法。
  6. 【請求項６】 追加の工程が、シャフト底に隣接してシ
    ャフト内に設けられたオキシ−燃料バーナーを動作させ
    ることを含む請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 シャフト底に隣接してシャフト内に設け
    られたオキシ−燃料バーナーを動作させる工程が、０．
    ５≦Ｒ≦２．０の火炎化学量論Ｒをもってオキシ−燃料
    バーナーを動作させることを含む請求項６に記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 シャフト底に隣接してシャフト内に設け
    られたオキシ−燃料バーナーを動作させる工程が、炉の
    中央に沿って上方に向けてオキシ−燃料バーナーを動作
    させることを含む請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 追加の工程が、多重ランスを用いてシャ
    フトの底に隣接してオキシダントをシャフト中に射出す
    ることを含む請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 多重ランスを用いてシャフトの底に隣
    接してオキシダントをシャフト中に射出する工程が、約
    １ｆｔ／ｓ〜約１００ｆｔ／ｓの速度でオキシダントを
    射出することを含む請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 多重ランスを用いてシャフトの底に隣
    接してオキシダントをシャフト中に射出する工程が、炉
    の縦軸に対して０°≦α≦８０°の角度で射出すること
    を含む請求項９に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 追加の工程が、空気−燃料バーナー中
    に組み込まれたランスを用いて、オキシダントをシャフ
    ト中に射出することを含む請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 空気−燃料バーナー中に組み込まれた
    ランスを用いて、オキシダントをシャフト中に射出する
    工程が、約３０ｆｔ／ｓ〜約１００ｆｔ／ｓの速度でオ
    キシダントを射出することを含む請求項１２に記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】 追加の工程が、オキシダント射出リン
    グを用いて、シャフトの底に隣接してオキシダントをシ
    ャフト中に射出することを含む請求項１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 オキシダント射出リングを用いて、シ
    ャフトの底に隣接してオキシダントをシャフト中に射出
    する工程が、約３０ｆｔ／ｓ〜約２００ｆｔ／ｓの速度
    でオキシダントを射出することを含む請求項１４に記載
    の方法。
  16. 【請求項１６】 炉が内径ＤFを有し、射出リングを用
    いて射出する工程が、外径ＤRを有する射出リングを用
    いて射出することを含み，０．２≦ＤR／ＤF≦０．９で
    ある請求項１４に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 内部空間を有し、底が開放しているシ
    ャフト、 シャフトの内部に原料を添加するための原料添加装置、 空気−燃料バーナー、並びに（ａ）シャフトの底に隣接
    して設けられた、オキシダントをシャフト中に射出する
    ために有用な単一のオキシダント射出ランス、 （ｂ）シャフト中にシャフトの底に隣接して設けられた
    オキシ−燃料バーナー、 （ｃ）シャフトの底に隣接して設けられた、オキシダン
    トをシャフト中に射出するために有用な多重オキシダン
    ト射出ランス、 （ｄ）空気−燃料バーナー中に組み込まれたランス、お
    よび（ｅ）シャフトの底に隣接してオキシダントをシャ
    フト中に射出するように設けられたオキシダント射出リ
    ングからなる１の追加の装置を備える縦型ガラス炉。
  18. 【請求項１８】 追加の装置が、シャフトの底に隣接し
    て設けられた、オキシダントをシャフト中に射出するた
    めに有用な単一のオキシダント射出ランスを含む請求項
    １７に記載の縦型ガラス炉。
  19. 【請求項１９】 炉が、中心を有し、単一のランスが炉
    の中心に沿って上方に向けられている請求項１８に記載
    の縦型ガラス炉。
  20. 【請求項２０】 追加の装置が、シャフト中にシャフト
    の底に隣接して設けられたオキシ−燃料バーナーを含む
    請求項１７に記載の縦型ガラス炉。
  21. 【請求項２１】 炉が、中心を有し、オキシ−燃料バー
    ナーが炉の中心に沿って上方に向けられている請求項１
    ８に記載の縦型ガラス炉。
  22. 【請求項２２】 追加の装置が、シャフトの底に隣接し
    て設けられた、オキシダントをシャフト中に射出するた
    めに有用な多重オキシダント射出ランスを含む請求項１
    ７に記載の縦型ガラス炉。
  23. 【請求項２３】 炉が、中心を有し、多重ランスが、そ
    れぞれ、炉の縦軸に対して０°≦α≦８０°の角度αで
    射出するように配置されている請求項２２に記載の縦型
    ガラス炉。
  24. 【請求項２４】 追加の装置が、空気−燃料バーナー中
    に組み込まれたランスを含む請求項１７に記載の縦型ガ
    ラス炉。
  25. 【請求項２５】 追加の装置が、シャフトの底に隣接し
    てオキシダントをシャフト中に射出するように設けられ
    たオキシダント射出リングを含む請求項１７に記載の縦
    型ガラス炉。
  26. 【請求項２６】 炉が内径ＤFを有し、射出リングが外
    径ＤRを有し、０．２≦ＤR／ＤF≦０．９である請求項
    ２５に記載の縦型ガラス炉。
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