JP2010500279A - 鉱物繊維の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】鉱物溶融物を製造するためのサイクロン炉の使用において、循環式燃焼室内での燃料と燃焼ガスと高温循環ガスと間の完全な混合により、最適状態での効率を達成すること。
【解決手段】循環室ガスを含有する循環式燃焼室を準備する工程；粒状燃料流れを、燃料供給管から該循環式燃焼室内に噴射する工程；燃焼ガスを該循環式燃焼室内に噴射する工程；該粒状燃料流れを、第二ガスを第二ガス入口から該循環式燃焼室内に噴射することにより、該燃焼ガス及び該循環室ガスと混合し、そのとき、該第二ガスを該粒状燃料の流れに隣接して噴射するとともに、該第二ガスの噴射速度を、該粒状燃料の噴射速度より１００ｍ／秒以上大きくする混合工程；粒状鉱物材料を該循環室ガス中に懸濁するとともに、該粒状燃料を燃焼させ、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して、鉱物溶融物と高温の排ガスを形成する工程；並びに、該鉱物溶融物から該高温の排ガスを分離して、該鉱物溶融物を回収する工程；を含む鉱物溶融物の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、無機粒子状材料の存在下で可燃性材料を燃焼させ、これによって溶融物を形成する鉱物溶融物の製造に関する。次いで、該溶融物を繊維化することにより、鉱物繊維を形成することができる。
繊維がガラス繊維の場合、典型的には、電気式または他の形式のタンク炉中で予め形成した溶融物プールに、無機粒状材料を添加することによって、溶融物を形成する。これは、例えば、酸化物重量規準で、１０％超過のＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ、３％未満のＦｅＯとしての鉄、２０％未満のＣａＯ＋ＭｇＯ、５０％超過のＳｉＯ２、５％未満のＡｌ２Ｏ３、並びに、場合によっては若干量のホウ素からなる化学分析組成を有するガラス繊維の製造における化学特性、物性及び経済性に関しては妥当である。しかし、この系は、例えば、酸化物重量規準で、１０％未満のＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ、２０％超過のＣａＯ＋ＭｇＯ、３％超過のＦｅＯとしての鉄、５０％未満のＳｉＯ２、場合により１０％超過のＡｌ２Ｏ３、並びに、最大でもごく少量のホウ素からなる化学分析組成を有するロック繊維、ストーン繊維またはスラグ繊維を製造する場合、溶融温度、その他の諸物性、及び経済性に関する限り、実際的ではなく、経済的でもない。
スラグ繊維、ストーン繊維またはロック繊維のための溶融物を製造する通常の方法では、無機粒子状材料の自立的スタック（積み重ね物）を、炉内における可燃性材料の燃焼によって加熱する高炉を使用する。該スタックは、徐々に溶融するため、上から追加供給する。溶融物は、該スタックから下降して、炉の底から排出される。この目的のための通常の炉は、キューポラ炉である。
該スタックは、自立的でなければならず、かつ、該スタック中の炭素質材料の燃焼によって一般に発生する燃焼ガスに対して透過性でなければならない。したがって、スタック中の全ての材料が（該スタックが透過性であるためには）比較的粗くなければならず、かつ、高い物理的強度をもち、燃焼または溶融が十分に進むまで崩壊してはならない。これは、現実には、炭素質材料として、コークスを使用し、粒状材料として、粗粉砕ロック、ストーン若しくはスラグまたは微細な粒状材料からのブリケット（煉瓦型豆炭）を使用することを意味する。
したがって、利用できる材料が微粉砕された形でのみ入手できる場合は、型に入れて大きなかたまりに成形（ブリケット化処理）しなければならないため、コストが高くなり、作業も難しくなる。通常、ブリケット化処理では、バインダーとして石膏含有ポルトランドセメントなどのイオウ含有材料を使用するが、これは、廃ガスが、処理しなければならないイオウを高い含有量で含むことを意味する。廃ガスは、再燃焼処理しない限り、通常、Ｈ２ＳとＣＯを含有する。
以上の理由やその他の理由から、一般的に、キューポラ炉からの廃ガスを再燃焼処理し、大気中に排出されるガスを環境上満足できるガスにする必要があり、かつ、アフターバーナーの使用を避けることが望ましい。
また、キューポラ炉装置や他の垂直炉装置は、炉内の条件では還元性が強く、鉄の一部が金属鉄に還元するという問題がある。このため、溶融物から金属鉄を分離する必要があり、鉱物ウールの生産量が低下し、鉄を浪費する上、鉄とスラグを含む領域に腐蝕が発生する危険が大きくなる。
別の問題は、この方法の熱効率が高くないことである。
これらの問題にもかかわらず、例えば、前記分析組成を有するロック繊維、ストーン繊維またはスラグ繊維を製造するために、キューポラ炉やその他の垂直炉を利用する方法が世界中で広く採用されている。
本件出願人の先願である国際公開第０３／００２４６９号には、該キューポラ方式の不利益を避けるか減少することができる鉱物溶融物の製造のための代替の全く異なる方式が開示されている。この方式は、予熱した燃焼空気中に粉末化した石炭またはその他の燃料を懸濁する工程と、循環式燃焼室内で、懸濁した粒状鉱物材料の存在下に、懸濁した燃料を燃焼させる工程を含んでいる。該循環式燃焼室は、その中で、懸濁した粒状材料と空気を、サイクロン循環方式またはそれに近い方式で循環させる燃焼室である。これは、一般的に、サイクロン炉と呼ばれている。
この方法によれば、鉱物溶融物及び高温の排ガスが形成される。懸濁した燃料は、粒状鉱物材料が加えられる噴射管を通して、予熱した燃焼空気中に導入される。排ガス中の環境流出問題、特に窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を伴う環境流出問題を確実に最小化するために、これらのガスを処理することができる。これらのガスは、粒状鉱物材料を溶融サイクロンに入れる前に、サイクロン予熱器中でＮＯｘ還元条件下に粒状鉱物材料と接触させることが望ましい。
サイクロン炉は、キューポラ炉またはその他の垂直炉に比べて顕著な利点を有している。燃料に関しては、キューポラ炉は、微細粒子を型に入れて大きなかたまりに成形する必要がなく、プラスチックを含む広範な燃料を使用することができる。溶融サイクロン炉を用いると、原鉱を鉄に還元する危険性がなく、かつ、環境上受容できる排ガスを放出する。溶融能力の柔軟性がキューポラ炉に比べてかなり良好であることは、全体の能力の例えば４０％から１００％まで、生産を容易かつ迅速に切り替えることができることを意味しており、需要の変化への応答にかかる時間が大幅に減少される。しかも、サイクロン炉での溶融は、キューポラ炉の場合よりかなり迅速であり、時間単位ではなく分単位である。
したがって、溶融サイクロン炉方式を用いることは、経済的であり、環境上も望ましく、そして、国際公開第０３／００２４６９号に開示されている方式は、具合よく作動する。しかし、この方法には、改良の余地がある。
米国特許第４，３６５，９８４号明細書も、溶融サイクロン炉を用いた鉱物ウールの製造に関するものであり、無機非可燃性成分と有機可燃性成分とを含有する粒状廃材の燃焼空気中への供給を含んでいる。この粒子流れの速度は、３０〜６０ｍ／秒の領域内にあるといわれている。粒子流れが一旦燃焼領域に入ると、燃焼が生じる。
独国特許公開第１９５００９６２号公報は、燃料と酸素を導入するバーナーノズルと、溶融する粒状材料を導入する粒子ノズルとを用いた溶融サイクロン炉中での溶融生成物の製造方法を開示している。一つの態様において、該バーナーノズルは、該粒子ノズルを同心状に囲んでいる。この独国特許公開第１９５００９６２号公報には、バーナーノズルと粒子ノズルを通過する物質の相対速度についての開示がない。粒子または燃料を含まず、かつ、バーナーノズルと粒子ノズルの速度以外の速度で進む空気の導入について開示されていない。
溶融サイクロンは、その他の分野でも知られている。例えば、米国特許第４，５６６，９０３号明細書は、非鉄金属鉱の粒子流れを第一燃焼空気と混合して、反応室内に噴射し、燃焼させる熱冶金処理に関する。粒子流れの線速度は、３５ｍ／秒以上であるとされており、そこでは、発火した材料が反応室から粒子供給装置へフラッシュバックするのを防ぐために、第二空気が１００ｍ／秒以上、例えば、１７７ｍ／秒の線速度で用いられている。第二空気は、該粒子流れの噴出点を取り巻く螺旋状ハウジングから噴出され、それによって、曲線路で供給される。第二の空気は、約１００ｍ／秒で走行するといわれており、粒子流れの速度と類似している。
米国特許第３，７５９，５０１号明細書では、銅の製造分野において、銅含有材料から粗銅を製造するために、サイクロン方式の精錬装置が使用されている。銅含有材料は、酸素を含むガスとともに、加圧流れとしてサイクロン容器内に導入される。該流れは、供給管内に具合よく配置され、かつ、銅含有材料を酸素と混合するがサイクロン容器内には何等の影響も及ぼさない酸素ランスを用いて造り出される。
サイクロン方式の燃焼室は、米国特許出願公開第２００５／００３９６５４号に開示されているように、エネルギー製造のための燃料の燃焼にも用いられており、そこでは、空気中石炭（coal-in-air）混合物が燃焼ゾーン内に噴射される。更なる第三のガスが、好ましくは、既存のサイクロン流れパターンを妨害することなく酸素を富化させる方法で、空気中酸素混合物に隣接して、未開示の速度で噴射される。
本発明は、特に鉱物溶融物を製造するためのサイクロン炉の使用に関し、このタイプの既存の方法の改良を目的としている。
第一の側面において、本発明は、
循環室ガスを含有する循環式燃焼室を準備する工程；
粒状燃料流れを、燃料供給管から該循環式燃焼室内に噴射する工程；
燃焼ガスを該循環式燃焼室内に噴射する工程；
該粒状燃料流れを、第二ガスを第二ガス入口から該循環式燃焼室内に噴射することにより、該燃焼ガス及び該循環室ガスと混合し、そのとき、該第二ガスを該粒状燃料の流れに隣接して噴射するとともに、該第二ガスの噴射速度を、該粒状燃料の噴射速度より１００ｍ／秒以上大きくする混合工程；
粒状鉱物材料を該循環室ガス中に懸濁するとともに、該粒状燃料を燃焼させ、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して、鉱物溶融物と高温の排ガスを形成する工程；並びに、
該鉱物溶融物から該高温の排ガスを分離して、該鉱物溶融物を回収する工程；
を含む鉱物溶融物の製造方法に関する。
第二の側面において、本発明は、
循環式燃焼室；
該循環式燃焼室内に通じている燃料供給管；
該燃料供給管を同心状に囲み、開口部に先細ノズルを有する第二ガス入口；
該循環式燃焼室内に燃焼ガスを噴射する手段；
該循環式燃焼室内に粒状鉱物材料を噴射する手段；
溶融した鉱物材料から高温の排ガスを分離する手段；及び
鉱物溶融物を回収する手段；
を含む、本発明の第一の側面による製造方法の実施に適した装置に関する。
循環式燃焼室内で鉱物溶融物を製造するための公知技術の方式では、該循環式燃焼室内での燃料と燃焼ガスと高温循環ガスとの間の緩慢で不完全な混合により、最適状態に及ばない効率が達成されることが見出された。これは、燃料粒子の流れが該循環式燃焼室に入るとき、分散するよりもむしろ、該燃料粒子の流れが少なくとも部分的にもとのままとなり、それによって、該循環式燃焼室内で燃料粒子の「ロッド」に似ることによるものと考えられる。これは、該燃料粒子が、該循環式燃焼室内で燃焼ガス及び高温循環ガスと完全に混合されないため、即座に燃焼しないことを意味している。
さらに、該燃料粒子は、該「ロッド」の異なる領域で該循環式燃焼室内の循環流の異なる領域に入り、それ故、該循環式燃焼室内で著しく異なる滞留時間を持つことになる。これによって、該燃料粒子のかなりの部分が、該循環式燃焼室内で、完全燃焼するには短すぎる滞留時間を持つことになる。これらの粒子は、系内から完全に排ガス中に失われるか、排出ガス出口で燃焼する。これは、非効率であり、かつ、望ましくない。この技術分野での主な関心は、サイクロン炉装置の寿命にある。というのは、諸条件が非常なストレスに満ちており、殊に粒状材料が速度を持って通過する装置の各部に非常なストレスがかかるためである。これらの各部は、特に摩耗し易い。そのため、懸濁した燃料粒子が該循環式燃料室に入るときの速度を単に増大させるだけで、より均一な混合をもたらすことができるものの、該装置の摩耗が許容できない水準にまで増大することにもなる。
本発明は、粒状燃料流れに隣接して該循環式燃焼室内に噴射され、かつ、該粒状燃料よりもかなり迅速に移動する第二ガスを供給することにより、該装置の寿命を犠牲にすることなく、低燃料効率の問題を処理するものである。また、第二ガスは、該燃焼ガスよりもかなり速く移動する（１０ｍ／秒以上）ことが好ましい。第二ガスは、局部的な乱流を引き起こし、粒状燃料と燃焼ガス及び循環室ガスとの混合をもたらす。したがって、燃料粒子は、該循環式燃焼室内に分散されて、高温の循環室ガス及び燃焼ガスの両方と直ちに混合されるため、より迅速に燃焼する。該燃料粒子は、循環式燃焼ガス中によりよく分散し、循環式燃焼室内での滞留時間がより均一になるので、高い比率の燃料粒子が、該循環式燃焼室内で完全に燃焼され、鉱物溶融物の製造に寄与する。本発明は、燃料の完全燃焼を強めることにより、形成される一酸化炭素の量を減少させる。
本発明の更なる利点は、高速を有し、多くの成分を循環式燃焼室の本体内に向ける第二ガスが、該循環式燃焼室内での循環流を維持するのを助け、循環ガスの勢いを押し上げてサイクロン効果を持続することである。
好ましい態様において、第二ガスは、噴射点でガスの速度を増大させるために働くように構成されたノズルを通して該循環式燃焼室内に噴射される。これは、ガス入口の残りにおいて、より低いガス速度が必要とされることを意味する。これにより、ノズルの使用なしに達成された同じ噴出速度より、少ない摩耗を引き起こす。また、該ノズルは、該燃料流れ内に向けられる第二ガスに横方向の分力を与える。これによって、混合効果が増大する。
第二ガスは、大気圧（１バール）より高い圧力、好ましくは２〜４バールの圧力に加圧されていることが望ましい。この態様において、該ガスは、該循環式燃焼室に入る際に膨張して、乱流並びに燃料粒子と燃焼ガス及び循環高温ガスとの混合を増大させる。したがって、重要な特徴点は、第二ガスが、通常、周囲の圧力下にあるサイクロン内の圧力よりも高い圧力にあることである。特に、第二ガスの圧力が、サイクロン内のガス圧の２倍より大きいか、２倍に等しいときに、有利な混合が生じる。
第二ガスは、好ましくは噴射される。換言すれば、第二ガスは、音速で第二ガス管から流出する。この文脈において、「音波」とは、音の速度またはそれを超える速度を意味する。ガス内の温度と圧力の周囲条件下では、これは、約３４０ｍ／秒またはそれを超える速度であるが、諸条件とガスの種類に実質的に依拠して変動する。重要なことは、第二ガスが、現存する特定の条件下で音速またはそれより速い速度で移動することである。そのような速度で噴射された第二ガスは、燃料効率に実質的に有益な効果を持つことが見出される。
本発明は、鉱物溶融物からの繊維の製造方法を含んでいる。回収された鉱物溶融物は、カスケード式紡糸機または紡糸カップ若しくは他の汎用の遠心式繊維化装置などの繊維化装置への流れと考えられ、繊維を形成するために繊維化され、次いで、例えばウェブとして回収され、そして、慣用手段によって不織または他の鉱物ウール製品に転換される。鉱物溶融物の組成は、一般に、繊維がスラグ繊維、ストーン繊維またはロック繊維と呼ばれているタイプになるものであるが、本発明は、ガラス繊維の製造にも使用することができる。
また、本発明は、回収された鉱物溶融物を、例えば、注型品の製造などの幾つかの全く異なる目的のために用いることができる。本発明の第二の側面は、鉱物溶融物を製造するための好ましい装置に関するものである。該装置は、その中へ通じている燃料供給管及び第二ガス入口を有する燃焼室を含んでおり、第二ガス入口は、該燃料供給管を同心状に囲み、その開口部に集束ノズルを備えている。
図１は、本発明の方法及び装置の一実施態様を示すフローダイアグラムである。
本発明における循環式燃焼室は、しばしばサイクロン炉と呼ばれるタイプの燃焼室である。冷却は、水冷が好ましい。適当なサイクロン炉の構成は、米国特許第３，８５５，９５１号、４，１３５，９０４号、４，５５３，９９７号、４，５４４，３９４号、４，９５７，５２７号、５，１１４，１２２号、及び５，４９４，８６３号明細書を含む多くの特許公報に記載されている。
本発明で用いられる粒状燃料は、一般に、炭素質材料であり、適度の発熱量を有する粒状炭素質材料であれば使用することができる。この発熱量は、比較的低くてよく、例えば、１００００ｋＪ／ｋｇまで低くてもよく、たとえ５０００ｋＪ／ｋｇまで低くてもよい。したがって、例えば、乾燥した下水スラッジや製紙廃棄物を使用することができる。発熱量は、高いほど好ましく、アルミニウム工業における使用済ポットライナー、石炭屑などの石炭含有廃棄物、または粉炭を使用することができる。
好ましい態様において、該燃料は、粉炭であり、若干の、通常は５０％以上、好ましくは８０％以上、通常はすべての石炭が、例えば、ボールミルを用いて石炭の小塊を粉砕して造られた微粉炭であることが望ましい。石炭は、最初に微粉炭または小塊として供給されるとしても、良質炭であるか、あるいは無機成分を高い割合、例えば、５〜５０％で含有し、残部が炭素である廃炭であればよい。石炭は、大部分が、あるいは全体が良質炭からなるものが望ましく、例えば、瀝青炭かこれに近いもの（ＡＳＴＭ Ｄ３８８ １９８４）で、点火を早める揮発成分を含むものである。
燃料粒子は、望ましくは、５０〜１０００μｍ、好ましくは約５０〜２００μｍの範囲内の粒径を有し、一般に、約７０μｍの平均粒径で、９０％が１００μｍ未満のものである。
該燃料は、慣用の方法により、供給管を通して循環式燃料室内に供給され、燃料粒子の流れをもたらす。これは、普通、燃料粒子が懸濁されるキャリアガスの使用を含む。キャリアガスは、望ましくは、周囲温度でフラッシュバックを避ける空気であるか、あるいは窒素のような活性の少ないガスであってよい。供給管は、好ましくは円筒状である。
燃焼ガスは、循環式燃焼室内に導入され、周囲温度とされるか、好ましくは予備加熱される。燃焼ガスが予備加熱される最高の望ましい温度は、６００℃付近であり、望ましい予備加熱は、好ましくは３００〜６００℃の間、最も好ましくは約５００〜５５０℃の間である。燃焼ガスは、該燃料が燃焼し得るガスであればよく、例えば、空気、酸素を富化した空気、または純粋な酸素である。それはまた、プロパンまたはメタンを含むことができるが、好ましい態様では、空気若しくは酸素である。純粋な酸素を用いる場合は、予備加熱したものであるより、周囲温度であることが望ましい。これは、その中で燃料が懸濁された供給管を通して導入することができるが、燃焼ガスが相対的に低い温度である場合に特にそうである。該燃料は、循環式燃焼室内に導入される前に、燃料管内で燃焼を開始すべきではなく（「フラッシュバック」と呼ばれる現象）、この態様では、低いガス温度が必要とされる。しかし、燃焼ガスは、該燃焼ガスを燃料と同じ領域で循環式燃焼室内に向けて、効率的な混合を行うために、燃料供給管の近くに配置することができる１つ以上の燃焼ガス入口を通して、別個に導入することが望ましい。最も望ましい態様では、該燃焼ガス入口は、下記に述べるように、該供給管と第二ガス入口を同心状に取り囲んでいる。
一緒に導入されるか否かにかかわらず、燃焼ガスと粒状燃料が循環式燃焼室内に噴射されるときの速度は、装置の摩耗を最小化するために、比較的低い（好ましくは、１〜５０ｍ／秒の間）。粒状燃料が燃焼ガス中に懸濁されている場合、該速度は、５〜４０ｍ／秒の間であることが好ましい。これらが別々に導入される場合には、粒状燃料の速度は、好ましくは２０〜４０ｍ／秒であることが望ましい。第二ガスを高速で、従って高運動量で用いることにより、燃焼ガスの噴射速度を、例えば、５〜１００ｍ／秒の広い範囲にわたって、好ましくは２０〜７５ｍ／秒の範囲内で変動させることができる。
本発明において、第二ガスは、循環式燃焼室内で燃料粒子を分散させる目的でも該循環式燃焼室内に噴射され、それによって、燃料粒子を燃焼ガス及び循環ガスと混合する。第二ガスは、燃料粒子が循環式燃焼室に入る点またはその近傍で、燃料粒子の流れに隣接して第二ガスを噴射すべく配置された第二ガス入口を通って噴射される。これにより、第二ガスを粒状燃料流れと接触させて、混合させる。
第二ガスが、燃料粒子の分散並びに燃焼ガス及び循環ガスとの混合を引き起こす主たる機構は、噴射速度の差である。第二ガスは、燃料粒子及び燃焼ガスより１００ｍ／秒以上の速度で噴射される。これにより、第二ガス流れと、それを取り囲む燃料粒子及び循環ガスの遅い動きとの間に剪断力が生じて、燃料粒子、燃焼ガス及び循環式燃焼室の循環ガスの流れを混乱させ、それによって、完全な混合がもたらされる。第二ガスは、例えば、空気、酸素を富化した空気、純酸素、プロパン、メタンまたは窒素など、混合効果を引き起こす如何なるガスであってもよい。
噴射に際し、第二ガスの主要な成分は、第二ガス入口から循環式燃焼室内へ直線的に真っ直ぐな噴射された方向を持続する。したがって、方向上の速さの殆ど（即ち速度）は、噴射方向となる。第二ガスは迅速に移動するため、その運動量（速度と質量流れの積）は、比較的低い量で用いられた場合でも、高い。この運動量は、サイクロン流れを維持するのを助ける。また、第二ガスは、燃料粒子流れの中への横方向に移動する少量成分を有することが好ましく、それが、迅速かつ広範囲の混合を助ける。
第二ガス入口は、燃料粒子の流れに隣接して第二ガスを噴射するため、供給管の近くであれば任意の箇所に設置してもよいが、混合効果を最適化するために、第二ガス入口は、該燃料供給管を同心状に取り囲むことが望ましい。燃焼ガスが該燃料供給管を通して導入されない場合は、燃焼ガス入口は、第二ガス入口を同心状に囲むことが望ましい。第二ガス及び燃焼ガスの各入口は、円筒状であることが好ましい。
混合効果を最適化するために、第二ガスの噴射速度は、該燃料及び燃焼ガスの噴射速度より２００ｍ／秒以上であることが望ましく、通常は、２５０ｍ／秒以上、好ましくは３００ｍ／秒以上である。最も好ましい態様において、第二ガスの噴射速度は、音速、即ち音の速度以上である。音速は、温度とガスの種類によって変動する（例えば、周囲空気中での音速は約３４０ｍ／秒であるが、５５０℃の空気では約５７５ｍ／秒である）。
また、第二ガスは、加圧されていることが望ましく、循環式燃焼室内の圧力の２倍以上の圧力に加圧されていることが好ましく、２〜４バールの間にあることが好ましい。この場合、第二ガスは、循環式燃焼室に入ったときに膨張して、混合効果を更に増大させる。
高い噴射速度を達成するには、先細ノズルがガス速度を増大させるため、先細ノズルを通して第二ガスを噴射することが好ましい。このことは、ガス入口の残りでは、低いガス速度が必要とされ、それによって、ガス入口の摩耗を最小化して、装置の最大の寿命を保障することを意味している。
例えば、第二ガスを超音速に増大させる「ラバルノズル」（Laval nozzles）など、如何なるノズルであっても使用することができる。
好ましいノズルは、ガスを音速の速度に増大させるように成形されており、また、該燃料流れの中に第二ガスの成分を横方向に向けるように成形されている。ノズルの内面は、２０〜４０°の間の角度、好ましくは２５〜３５°の間の角度で集束していることが望ましい。この角度は、先細ノズルが先の入口部分から外れる場所での角度である。ラバルノズルとは対照的に、ノズルの開口は、最も狭い点であることが望ましく、それは、噴射ガスの横方向成分を増大させる。
第二ガスは、予備加熱することができるが、熱効率と加圧容易性のために、予備加熱しないことが望ましい。第二ガスは、燃焼のための酸素を供給したり、メタンまたはプロパンなどの可燃ガスにしたりすることができるが、その主目的は燃焼ガスとの混合を促進することであるから、窒素などの不活性ガスを使用することができる。本発明の方法において、最適な混合を与えるために比較的少量の第二ガスのみが必要とされ、実際、第二ガスは，一般に、予備加熱されていないため、その量は低水準に保たれるので、溶融のために必要とされる循環式燃焼室内の高温は、維持される。本発明において、第二ガスは、全噴射ガス重量の４０％未満を構成することが好ましく、より好ましくは１０〜３０％の間を構成し、最も好ましくは、全噴射ガスの１５〜２０％の間である。「全噴射ガス」は、第二ガスに、循環式燃焼室内に噴射される他のガスのみならず燃焼ガスを加えたものを含んでいる。
循環式燃焼室内で溶融されて鉱物溶融物を造る粒状鉱物材料は、該室内に導入されて、その中にあるガス中に懸濁状態とされる。粒状鉱物材料が加えられる箇所は、重要ではなく、該燃料と混合して燃料供給管から噴射することができる。しかし、粒状鉱物材料を燃焼している燃料中に加えることが好ましい。これは、粒状鉱物材料を、常法に従って、例えば、循環式燃焼室の上部の入口から該室内に加えることによって達成することができる。
循環式燃焼室の中では、粉炭の燃焼が生じており、粒状鉱物材料は、ガス中で懸濁されたままで溶融物に変換される。鉱物溶融物と粒状鉱物材料は、該循環式燃焼室の内壁上に投げ出され、主として溶融物として該室を流れ落ちる。循環式燃焼室は、水平または傾斜したサイクロンであるが、しばしば垂直である。それは、鉱物溶融物を回収するためのタンク内へと下方に至る。循環式燃焼室は、多数の系で慣用のタイプの円錐形その他の制限された出口導管を通り抜けることなく、直接、該タンク内に開口することができる。何故ならば、出口として円錐形導管を設けることに何の利点もなく、該室の基部からの流れを妨害するためである。望ましくは、循環式燃焼室は、下方の回収領域に至り、そこで、鉱物溶融物は、次いで、繊維化工程での使用のために移送される。例えば、鉱物溶融物は、回収され、次いで、溝を通って排出位置まで移動し、そこから、鉱物溶融物は、繊維化紡績装置上に排出される。
該タンクは、循環式燃焼室の基部にあるか（例えば、米国特許第４，５５３，９９７号明細書で述べられているように）、あるいは、かなり高められた容積の沈降タンクである。沈降タンクは、排出ガスから鉱物溶融物の液滴が沈殿できるように十分なガス容量と、部分的に溶融しているだけであり得る粒子の溶解を強め、かつ、溶融物の均一化のために十分な溶融容積を有するべきである。例えば排ガスの温度を上げるため（特に、立ち上がりの間に）、必要に応じて、沈降タンクに余分なエネルギーを与えるためのガスバーナーや他の手段を存在させることができる。
鉱物溶融物は、例えば該タンクから流出させ、適切な場合には、流れとして溝を通って、回収され、次いで、例えば、カスケード式紡糸機または紡糸カップ若しくは他の汎用の遠心式繊維化装置などの繊維化方法を用いて、慣用手段により繊維化に付される。あるいは、注型法などの若干のその他の製造工程に流出させることができる。
高温の排ガスは、上昇し、循環式燃焼室の上部で回収される。分離した排ガス中の環境に有害なＮＯｘの水準を最小限にするのを強めるために、排ガスを処理することが好ましい。好ましい態様において、排ガスは、サイクロン式予熱器内でＮＯｘ還元条件下に粒状材料との接触により処理される。これは、排ガス中のＮＯｘの還元と、炉中でより用意に溶融するための粒状材料の予熱の両方の利点を有している。
ＮＯｘ還元条件は、予熱器内で優勢な条件下でＮＯｘを還元する窒素材料をサイクロン式予熱器内に含有させることにより作り出すことが望ましい。窒素材料は、予熱器に供給する高温の排ガス中に含有させるか、直接、予熱器に加えることができる。
予熱器サイクロン中に含有させる窒素材料は、アンモニア、アンモニウム化合物、アミン、または尿素が好ましい。尿素は、遊離の尿素であってもよいが、より好ましくは、尿素ホルムアルデヒド樹脂またはフェノール尿素ホルムアルデヒド樹脂などの樹脂製品である。ＮＯｘ還元条件は、予熱器サイクロンに供給される廃不織鉱物ウールを粒状材料中に含ませることにより作り出すことが特に好ましい。廃不織鉱物ウールは、尿素樹脂（通常、フェノール尿素樹脂）及び／またはアンモニアまたはアンモニウム化合物（例えば、廃ウール中の樹脂用緩衝剤として）を含有している。したがって、本発明によれば、同時に、廃材料を使用することと、排ガス中のかなりの量のＮＯｘを窒素に還元するように適当な条件下で廃材料を反応させることができる。
アンモニアまたはアンモニア誘導体若しくは他のＮＯｘ還元性化合物の量は、ＮＯｘ１モル当り、好ましくは１〜４モル（より好ましくは１〜２モル、特に好ましくは１〜１．７モル）であり、還元反応は、好ましくは、８００℃から１０５０℃の温度で行われる。反応滞留時間は、好ましくは０．３秒以上、最も好ましくは１秒以上である。典型的には、これは、サイクロン式予熱器及び／または導管系における粒状鉱物材料の滞留時間であり、排ガスが反応温度未満、例えば８００℃未満に冷却されるまでの時間である。これらの条件下、好ましくは８００〜１０５０℃の範囲内の温度で、実質的にすべてのＮＯｘを窒素に還元することができるが、予熱機内の雰囲気は、好ましくは酸化性である。
このように、本発明の他の好ましい特徴によれば、サイクロン式予熱器のガス状雰囲気は、過剰の酸素を含み、好ましくは、ガス状雰囲気重量に基づいて、少なくとも１容量％または２容量％、より好ましくは、少なくとも４容量％であり、例えば、最大８容量％の量で酸素を含む。該雰囲気がもつ酸化性にもかかわらず、予熱器に決められた条件下において、添加アンモニアまたはその他の窒素系化合物によってＮＯｘが還元される。
このように、予熱器は、ＮＯｘ還元装置として動作すると同時に、循環式燃焼室からの硫化水素や一酸化炭素などの汚染物質を燃焼する酸化性アフターバーナーとして動作できるものである。
溶融物から分離され、次いで、サイクロン式予熱器に送られる排ガスの酸素量については、サイクロン式予熱器に存在する酸素量よりも少ないのが好ましく、したがって、空気やその他の酸素源については、予熱器内の排ガスか、溶融物と予熱器との間にある排ガスに添加するのが好ましい。
循環式燃焼室における燃焼は、化学量論比付近の燃焼か、あるいは不足当量の燃焼が好ましい。この結果、燃焼中に発生するＮＯｘ量が最小になる。酸素の可燃性材料に対する比は、一般的には０．８対１、より好ましくは０．８５対０．９９、最適にはほぼ０．９２対０．９７である。
このように、本発明による好適な方法及び装置では、炭素質粒状材料の燃焼及び粒状鉱物材料の溶融を僅かに不足当量条件で行い、かつ、排ガスを僅かに酸化性に調節し、サイクロン式予熱器で排ガスの燃焼後酸化とＮＯｘ還元の両者を一度の処理で行う。
溶融物から分離する際の排ガスの温度は、１４００〜１７００℃が好ましく、多くの場合１５００〜１６００℃が好ましい。サイクロン式予熱器に流入するガスの温度は、一般に、１０００〜１５００℃の範囲内にある。通常のように、この温度が溶融物から分離するときのガスの温度未満である場合、この温度低下は、ガス及び／または液体、好ましくは水での希釈により達成することができる。流入排ガスと粒状鉱物材料の割合は、サイクロン式予熱器で粒状鉱物材料が所望の温度、典型的には７００℃または８００℃〜１０５０℃に予熱されるように設定する。
予熱器サイクロンからの排ガスを使用して、炭素質材料を燃焼するための空気を予熱するが、予熱器サイクロンから流出する排ガスの温度は、一般に、８００〜９００℃の範囲内である。これら排ガスは、この空気を５００℃以上、好ましくは６００〜９００℃、より好ましくは約７００〜８００℃の温度に予熱するために、流入する燃焼ガスとの熱交換に使用するのが好ましい。
本発明の好ましい態様について、本発明の好ましい態様を示すフローダイアグラムである添付の図１を参照しながら説明する。
塊炭は、サイロ５から供給され、ボールミル４を用いて粉砕される。次いで、粉砕された塊炭は、周囲温度でキャリア空気中に懸濁され、燃料供給管１を通して搬送され、該供給管１の末端で循環式燃焼室２５内に射出される。
粒状材料は、ホッパー１２及び１３から供給されるが、該ホッパー１３は、結合剤が尿素樹脂である不織材ウールなど、窒素源を含有する廃粒状材料を含有しているので、特に重要である。ホッパー１２及び１３からの各種材料は、必要に応じてボールミルや他の粉砕機で付加的に粉砕され、次いで、ブレンドされ、サイロ１４内に供給され、そして、このサイロから供給装置１１内に連続的に排出される。この供給装置から、これらの混合物は、サイクロン式予熱器２２を通って、供給装置７から循環式燃焼室２５内に供給される。
燃焼ガス（この場合は、空気）は、換気装置１７から熱交換器１６及び導管２を通って燃焼ガス入口３に供給され、この燃焼ガス入口から循環式燃焼室２５内に噴射される。
第二ガス（この場合は、空気）は、供給源２４から導管６を通ってノズル８に供給され、このノズルから循環式燃焼室２５内に音速で噴射される。
循環式燃焼室２５内で、第二ガスは、石炭と燃焼ガス及び該循環式燃焼室内を循環する高温ガスとの急速な混合を引き起こす。また、第二ガスは、該循環式燃焼室内に高速で導入されるため、該循環式燃焼室内でのサイクロン効果を維持する。
急速な混合に続いて、該燃料は燃焼し、そして、粒状鉱物材料は、空気中に懸濁されたままで溶融物に変換される。溶融物と粒状材料は、該循環式燃焼室の内壁上に投げ出され、主として溶融物として該循環式燃焼室を流れ落ちる。
溶融物は、流れとして、該循環式燃焼室から溝９を通って流出する（所望により、図示していない沈降タンクを通って）。次いで、溶融物は、慣用の方法により繊維化されるか、他の幾つかの製造工程に流出される。
溶融物を含まない排ガスは、循環式燃焼室２５から導管１０を通って取り出される。溶融されるべき殆どのまたはすべての粒状材料は、該排ガスによって予熱されるか、供給装置１１によって、導管１０内の排ガスの後続の流れの中に供給され、次いで、得られたガス中の懸濁物は、予備加熱器サイクロン２２内を通過する。
供給装置１１に近づく導管１０内の排ガスは、通常、空気及び／または水（図示せず）で希釈されて、サイクロン２２内の粒状材料を７００から１０００℃の範囲内、通常約８００℃の温度に予熱するのに適した１２００℃から１４００℃の温度に冷やされている。
これらの排ガスは、通常、８００から１０００℃の範囲内、好ましくは約９００℃の温度でサイクロン２２を出る。これらの温度で、主として窒素へのＮＯｘの選択的非触媒還元が生じ、導管１５を通って出るサイクロン２２からの排ガスは、満足すべき低ＮＯｘ含量を有することになり、好ましくは実質的にＮＯｘを含まないものとなる。
次いで、排ガスは、熱交換器１６を通り、換気装置１７からの燃焼空気と間接的に熱交換され、導管２を通る予備加熱された燃焼空気の望ましい流れを生じることになる。廃ガスは、通風機２７を通り、次いで、濾過装置１８から煙突１９へと排出される。
１：燃料供給管
２：導管
３：燃焼ガス入口
４：ボールミル
５：サイロ
６：導管
７：供給装置
８：ノズル
９：溝
１０：導管
１１：供給装置
１２：ホッパー
１３：ホッパー
１４：サイロ
１５：導管
１６：熱交換器
１７：換気装置
１８：濾過装置
１９：煙突
２２：サイクロン式予熱器
２４：第二ガス供給源
２５：循環式燃焼室
２７：通風機

Claims (13)

  1. 循環室ガスを含有する循環式燃焼室を準備する工程；
    粒状燃料流れを、燃料供給管から該循環式燃焼室内に噴射する工程；
    燃焼ガスを該循環式燃焼室内に噴射する工程；
    該粒状燃料流れを、第二ガスを第二ガス入口から該循環式燃焼室内に噴射することにより、該燃焼ガス及び該循環室ガスと混合し、そのとき、該第二ガスを該粒状燃料の流れに隣接して噴射するとともに、該第二ガスの噴射速度を、該粒状燃料の噴射速度より１００ｍ／秒以上大きくする混合工程；
    粒状鉱物材料を該循環室ガス中に懸濁するとともに、該粒状燃料を燃焼させ、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して、鉱物溶融物と高温の排ガスを形成する工程；並びに、
    該鉱物溶融物から該高温の排ガスを分離して、該鉱物溶融物を回収する工程；
    を含む鉱物溶融物の製造方法。
  2. 該第二ガス入口が、該燃料供給管を同心状に囲んでいる請求項１記載の製造方法。
  3. 該第二ガス入口が、第二ガスが噴射される末端部に先細ノズルを有する請求項１または２記載の製造方法。
  4. 該ノズルの内表面が、２０〜４０°、好ましくは２５〜３５°の角度で集束している請求項３記載の製造方法。
  5. 該粒状燃料の噴射速度が１〜５０ｍ／秒の間であり、該燃焼ガスの噴射速度が１〜１００ｍ／秒の間であり、かつ、第二ガスの噴射速度が該粒状燃料及び燃焼ガスの噴射速度より２００ｍ／秒以上大きい請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法。
  6. 該第二ガスの噴射速度が、２５０ｍ／秒以上、好ましくは３００ｍ／秒以上、最も好ましくは３５０ｍ／秒以上である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の製造方法。
  7. 該第二ガスの噴射速度が音速である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の製造方法。
  8. 該第二ガスの少量成分が、噴射方向から横方向に、該粒状燃料流れ中に進む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の製造方法。
  9. 該燃焼ガスが、第二ガス入口を同心状に囲む燃焼ガス入口を通って噴射される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の製造方法。
  10. 該燃焼ガスが、燃料供給管を通って、燃焼ガス中に懸濁している該粒状燃料と共に噴射される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の製造方法。
  11. 該第二ガスが全噴射ガス重量の４０％未満、好ましくは１０〜３０％の間、最も好ましくは１５〜２０％の間である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の製造方法。
  12. 回収した鉱物溶融物の流れを遠心式繊維化装置に流し、溶融鉱物の流れを遠心力で繊維化して鉱物繊維を形成する付加的な工程を有する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の製造方法。
  13. 循環式燃焼室；
    該循環式燃焼室内に通じている燃料供給管；
    該燃料供給管を同心状に囲み、開口部に先細ノズルを有する第二ガス入口；
    該循環式燃焼室内に燃焼ガスを噴射する手段；
    該循環式燃焼室内に粒状鉱物材料を噴射する手段；
    溶融した鉱物材料から高温の排ガスを分離する手段；及び
    鉱物溶融物を回収する手段；
    を含む請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の製造方法の実施に適した装置。
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