JP2010515875A - 鉱物溶融物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融サイクロン炉方式を使用した鉱物繊維の製造方法において、鉱物溶融物の品質を確実に高くしながら、エネルギー効率を高めること。
【解決手段】
本発明は、上部帯域（２）、下部帯域（３）、及び基部帯域（４）を含む循環式燃焼室（１）を準備する工程；粒状燃料、粒状鉱物材料、及び任意に２５容量％以上の酸素濃度を有する第一の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の上部帯域内に噴射して、該上部帯域内で該粒状燃料を熱分解させて炭素質残渣を製造し、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成し、かつ、排ガスを生成させる工程；任意に２５容量％以上の酸素濃度を有する第二の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の下部帯域内に噴射して、該炭素質残渣を燃焼し、それによって、該粒状燃料の燃焼を完了させる工程；並びに熱い排ガスから鉱物溶融物を分離し、熱い排ガスを該循環式燃焼室内の出口を通過させ、かつ、該基部帯域内で鉱物溶融物を収集する工程；を含む鉱物溶融物の製造方法に関する。鉱物溶融物は、任意に繊維化される。また、本発明は、該方法に用いるのに適した装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無機粒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。該溶融物は、次に繊維化して鉱物繊維を形成するか、あるいは他の工業プロセスに使用することができる。

慣用的に、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、無機粒状材料として、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、利用できる無機粒状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、排出物が、処理しなければならないイオウを高い含有量で含有しやすいことを意味する。

また、キューポラ炉や他の垂直炉方式では、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、鉄くずが発生する上、鉄とスラグを含む領域に腐蝕が発生する危険性が大きくなる。

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、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、あるいは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。

予熱した空気中の石炭の懸濁物、及び粒状鉱物材料は、該循環式燃焼室の頂部または頂部近傍を通って導入される。該循環式燃焼室内では、粒状石炭の燃焼が起こり、粒状鉱物材料が溶融物に変換される。該溶融物と未だ溶融していない粒状鉱物材料は、循環ガスによって循環式燃焼室の壁上に投げ出され、該循環式燃焼室を流れ落ちる。

国際公開第０３／００２４６９号では、該循環式燃焼室は、好ましくは、かなり広い体積を持つ大きな沈殿槽内へと下方向に通じている。排ガス温度を高めるために、該沈殿槽に追加のエネルギーを供給するためのガスバーナーまたはその他の手段を存在させてもよい。該ガスバーナーは、該沈殿槽の上部に向けて配置される。溶融物を含まない排ガスは、循環式燃焼室上部のダクトを通して、沈殿槽または循環式燃焼室から上方向に取り出される。

国際公開第０３／００２４６９号におけるサイクロン炉のエネルギー効率を高めるために、１４００〜１７００℃の範囲内の温度で循環式燃焼室を出る排ガスを、この熱エネルギーを無駄にするよりも使用するために、粒状鉱物材料を予熱するのに用いている。この工程は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させる条件下で行うことにより、排ガスの環境への影響を低減させることができる。次いで、排ガスは、他の熱交換器を通って、循環式燃焼室の空気と間接的に熱交換される。

該サイクロン炉は、キューポラ炉またはその他の垂直炉に比べて、かなりの利点を有している。燃料については、微細な粒状材料のブリケット化の必要性を避けて、例えば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ことにより、原鉱の鉄への還元の危険性を取り除き、かつ、環境的に許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、例えば、全体の能力の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する。しかも、サイクロン炉での溶融は、キューポラ炉の場合に比べてかなり迅速であり、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、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、この方式には、改良の余地がある。

特に、鉱物溶融物の製造に用いられた多量のエネルギーをリサイクルするために幾つかの工程が採用されているが、沈殿槽の大きな容量と用いられた高容量の燃焼空気のために失われる多量のエネルギーが必然的に存在する。この方式でのエネルギー効率をさらに増大させることが望ましい。

国際公開第０３／００２４６９号は、図２に示される第二の態様を示唆しており、そこでは、沈殿槽が燃焼室の基部での比較的小さな収集帯域で置き換えられている。このような方式によれば、エネルギーが損失する装置の容量を減少させることにより、エネルギー効率が増大する。しかし、本発明者らは、この方式では、鉱物溶融物の品質が低下することを見出した。

国際公開第０３／００２４６９号などに開示されている鉱物繊維の製造方法では、鉱物溶融物の純度が、製造される鉱物繊維の品質に直接影響するため、極めて重要である。

また、米国特許第４，３６５，９８４号明細書は、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。国際公開第０３／００２４６９号におけるように、該方式は、大きな収集帯域を含んでいる。排ガスは、熱交換器で冷却され、そして、廃熱は、石炭や他の廃物の乾燥に適しているか、あるいは他の工程または加熱目的に用いることができると言われている。該燃料は、粉砕された石炭である。粗い燃料粒子は、完全には燃焼しないと言われ、それ故、溶融スラグ中に取り込まれる。

米国特許第４，５４４，３９４号明細書は、渦式反応器中でのガラスの溶融方法に関する。この方法は、液体燃料またはガス燃料を使用するように設計されている。燃料は、ガスまたは油で着火された懸濁式予熱器中で予備燃焼されてから渦式反応器内に導入され、そこで更に燃焼する。

米国特許第６，０４７，５６６号明細書は、リサイクルされたケイ酸塩材料の溶融方法に関する。リサイクルされたケイ酸塩材料中に不純物として存在する有機材料を酸化する必要があるため、燃焼室内部での長い滞留時間が必要である。この文献では、燃料燃焼と燃焼空気のための予備燃焼器が、燃焼室の外部に装備されている。

米国特許第４，９５７，５２７号明細書は、サイクロン溶融反応器内でのガラスの製造に関する。この文献には、石炭などの灰分含有燃料を使用することは、ガラス中での灰分汚染のため、これまでは困難であったと記載されている。該装置では、大きな予熱された懸濁室が使用されており、その中で、鉱物材料がサイクロン室内に導入される前に溶融され、該鉱物材料の分離と分散が生じる。

溶融サイクロンは、他の技術分野でも知られており、特に、乾式冶金法（例えば、米国特許第４，５６６，９０３号明細書及び米国特許第５，２８２，８８３号明細書）の技術分野で知られている。このような方法では、最終生成物は、溶融金属であり、かつ、存在する溶融鉱物材料は、廃材料である。したがって、このような方法においては、鉱物溶融物の品質は、重要ではない。

米国特許公開第２００５／００３９６５４号明細書では、サイクロン室が、他の目的での使用のためのエネルギーを発生させるために、燃料を燃焼させるのに用いられている。鉱物材料は、鉱物溶融物を製造することが目的ではないため、この方式では添加されないが、使用できる燃料は、燃焼したときに可燃性ではないものの溶融してスラグを形成する若干の鉱物材料を含有する、いわゆる「スラッギング炭」であり得る。該刊行物は、溶融形状のスラグを維持するためや、ＮＯｘ放散を最小限にするため、また、バレル内での微細な石炭粒子の散逸を最小限にするために、サイクロン燃焼器のバレル内のある点での酸素の濃縮化の選択的使用に関する。空気（約２１容量％の酸素濃度を有する第一のまたは最初の酸化剤という）は、燃料と共にバーナーに導入される。第一の酸化剤よりも大きな濃度の第二の酸化剤の流れは、石炭に隣接した領域またはバレル内に導入することができる。第二の酸化剤は、第一の酸化剤の一部と混合して、約３１容量％よりも少ない酸素を含む混合酸化剤の領域を与える（このため、全酸化剤すなわち燃焼ガスの酸素濃度は、３１容量％よりかなり低くなる）。この刊行物には、第一及び第二の空気流れの両方で、酸素濃度を増大させることについての示唆はない。

したがって、サイクロン炉を用いた鉱物繊維の公知の製造方法においては、燃焼工程と鉱物溶融物の収集工程を実施するために、１つより多い室の使用が必要とされる。

本発明は、溶融サイクロン炉方式を使用した鉱物繊維の公知の製造方法において、鉱物溶融物の品質を確実に高くしながら、エネルギー効率を高めることに関する。

第一の側面において、本発明によれば、
上部帯域、下部帯域、及び基部帯域を含む循環式燃焼室を準備する工程；
粒状燃料、粒状鉱物材料、及び２５容量％以上の酸素濃度を有する第一の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の上部帯域内に噴射して、該上部帯域内で該粒状燃料を熱分解させて炭素質残渣（ｃｈａｒ）を製造し、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成し、かつ、排ガスを生成させる工程；
２５容量％以上の酸素濃度を有する第二の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の下部帯域内に噴射して、該炭素質残渣を燃焼し、それによって、該粒状燃料の燃焼を完了させる工程；並びに、
熱い排ガスから鉱物溶融物を分離し、熱い排ガスを該循環式燃焼室内の出口を通過させ、かつ、該基部帯域内で鉱物溶融物を収集する工程；
を含む鉱物溶融物の製造方法が提供される。

第二の側面において、本発明によれば、
円筒状の頂部セクション、底部セクション、及び基部セクションを含む循環式燃焼室からなり、該循環式燃焼室が、
粒状燃料、粒状鉱物材料、及び第一の燃焼ガスのための頂部セクションにおける入口；
第二の燃焼ガスのための底部セクションにおける１つ以上の入口；
排ガスのための出口；並びに、
鉱物溶融物のための基部セクションにおける出口；
を含むことを特徴とする、本発明の第一または第三の側面による鉱物溶融物の製造用装置が提供される。

第三の側面において、本発明によれば、
上部帯域、下部帯域、及び基部帯域を含む循環式燃焼室を準備する工程；
粒状燃料、粒状鉱物材料、及び第一の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の上部帯域内に噴射して、該上部帯域内で該粒状燃料を熱分解させて炭素質残渣を製造し、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成し、かつ、排ガスを生成させる工程；
第二の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の下部帯域内に噴射して、該炭素質残渣を燃焼し、それによって、該粒状燃料の燃焼を完了させる工程；並びに、
熱い排ガスから鉱物溶融物を分離し、熱い排ガスを該循環式燃焼室内の出口を通過させ、かつ、該基部帯域内で鉱物溶融物を収集し、そして、基部帯域の出口を通って収集された鉱物溶融物を遠心式繊維化装置に流して、繊維を形成する工程；
を含む鉱物繊維の製造方法が提供される。

本発明の全ての側面において、循環式燃焼室の下部帯域内に第二の燃焼ガスを噴射し、この下部帯域内で炭素質残渣を燃焼して、粒状燃料の燃焼を完了させることが不可欠である。この特徴によって、鉱物繊維の製造に適した鉱物溶融物の良好な品質を維持しながら、エネルギー効率の著しい改良を得ることができる。

石炭などの粒状燃料は、２段階の工程で燃焼する。第一段階では、熱分解として知られているが、揮発性化合物が非常に迅速に燃焼して、急速にガスを発生する。これは、炭素に富んだ炭素質残渣粒子を生成させる。第二段階は、炭素質残渣粒子の燃焼であるが、第一段階よりもかなり緩慢である。第二段階は、第一段階より、通常、１０倍から１００倍の間長くかかる。このため、第一段階の燃焼は、燃料粒子が燃焼室に入ると、殆ど即座に起こるが、第二段階の燃焼は、該燃料が相当な滞留時間を持たない限り、常態では起こらない。

典型的に、燃焼の最初の段階が、いったん該循環式燃焼室の上部帯域で起こると、炭素質残渣粒子は、循環式燃焼室の側部に投げ出されて、鉱物溶融物内に含まれるようになる。本発明におけるように、サイクロン炉が、引き続く鉱物繊維の形成のため、鉱物溶融物の生成に好ましく用いられる方式では、サイクロン炉中に存在する鉱物溶融物の品質が決定的な重要性をもつ。該燃料が不完全に燃焼して、鉱物溶融物中に若干の炭素質残渣を残すと、鉱物溶融物の品質が劣り、泡や他の不均質物を含むことになる。

以前は、鉱物ウールを製造するためのサイクロン炉は、大きな第二の室または大きな予備燃焼室を使用する傾向にあった。これにより、燃焼の最初の段階と鉱物溶融物の収集との間の滞留時間が長くなる。このため、炭素質残渣粒子は、一般に、完全燃焼する時間を有する。

米国特許第４，３６５，９８４号明細書は、石炭粒子を３ｍｍ（１／８インチ）未満の大きさにまで粉砕すべきことを教示している。しかし、約７０μｍの極めて小さな燃料粒子であっても、不完全燃焼の問題を示す。この大きさを下回ると、石炭粒子は、凝集しやすいため、該燃料の単なる粒径の減少では、不完全燃焼の問題に満足すべき解決を与えることはない。

本発明においては、循環式燃焼室の容積の低減と、従って滞留時間の低下による鉱物溶融物の品質低下の問題は、該循環式燃焼室の下部帯域への第二の燃焼ガスの噴射によって解決される。これにより、該燃料の第二段階での燃焼を、通常では酸素濃度が低い下部帯域でよりも、ずっと迅速に生じさせることができる。

したがって、本発明によれば、サイクロン炉を小型化し、かつ、サイクロン室の前または後への大きなタンクの必要性をなくすことができる。該サイクロン室の大きさと燃焼ガスの容積の両者が、鉱物繊維製造に必要なエネルギー及びその後のエネルギー損失と相互に関連しているので、本発明によれば、よりエネルギー効率が良好な方式がもたらされる。これは、増大した経済的な実用可能性と低減された環境への影響という観点から、著しい利点を有している。

本発明の第一及び第二の態様における必須の特徴、並びに第三の態様における好ましい特徴は、上部帯域において、空気中に見出される酸素濃度（約２１容量％）よりも高い酸素濃度（２５容量％以上）を有する第一の燃焼ガスの使用と、該循環式燃焼室の下部帯域において、空気中におけるよりも同様に高い酸素濃度を有する第二の燃焼ガスの導入にある。第一の燃焼空気が２つ以上の入口から導入される場合には、第一の燃焼ガス中の酸素濃度は、全第一燃焼空気のための第一の燃焼ガス中の平均酸素濃度、すなわち全入口での平均値を意味する。同じことは、第二の燃焼ガス中の酸素濃度に適用される。

この特徴により、ガス類の容積を更に減少させることができ（酸素が燃焼ガスの活性な唯一の成分であるため）、また、この特徴は、装置類をより小型化できることを意味している。燃焼ガスの容積は、鉱物溶融物の製造に必要なエネルギーに比例するので、本発明に従って酸素富化空気を使用することは、エネルギー効率上著しい利点を有する。酸素富化空気または純酸素を使用すると、該系内に導入される窒素量も減少し、このため有害なＮＯｘガス類の生成が低減する。

好ましい態様において、炭素質残渣粒子を燃え尽きさせることができる更なる手段は、サイホン式出口を設けることである。これもまた、燃えているガス体による鉱物溶融物の効果的な加熱を促進し、炭素質残渣粒子が鉱物溶融物中で循環式燃焼室から離れるのを防ぐ。

図１は、本発明の好ましい態様において用いるのに適した装置の一例である。 図２は、図１に楕円形の点線で示されるサイホンの正面図である。 図３は、図１に楕円形の点線で示されるサイホンの側面図である。

本件発明における循環式燃焼室は、しばしばサイクロン炉として言及される型式のものである。適切なサイクロン炉の構造は、米国特許第３，８５５，９５１号明細書、米国特許第４，１３５，９０４号明細書、米国特許第４，５５３，９９７号明細書、米国特許第４，５４４，３９４号明細書、米国特許第４，９５７，５２７号明細書、米国特許第５，１１４，１２２号明細書、及び米国特許第５，４９４，８６３号明細書を含む各種特許文献に記載されている。

循環式燃焼室は、一般に、水平炉であるよりも垂直炉である。それは、通常、円筒状の頂部セクション、円錐台形状（frustoconical）の底部セクション、及び基部セクションを有するが、全体的に円筒状であってよい。基部セクションは、好ましくは循環式燃焼室の一体部であり、円錐台形状の底部領域の単なる末端部または底部領域の末端での円筒状セクションであってよい。

基部セクションの直径は、従来方式とは対照的に、頂部セクションの直径よりも大きくはない。従来の方式では、循環式燃焼室の基部において、多くの場合、増大した容積の槽を採用している。下部帯域で第二の燃焼ガスを使用すると、燃料の完全燃焼速度を高めるが、このことは、該方式によれば、小型化が可能で、大きな収集槽を必要としないことを意味している。

このように、本発明において、酸素富化空気または純酸素を第一及び第二の燃焼ガスとして用いることにより、小型の循環式燃焼室を使用することができる。このため、本発明においては、循環式燃焼室は、一体形の燃焼室であることが好ましい。このことは、該循環式燃焼室が互いに分離可能な各構成部分から作られたものではないことを意味している。従来技術の方式に比べて、小型炉を使用できる能力により、該炉の表面領域からのエネルギー損失が小さくなる。該循環式燃焼室の容積は、好ましくは２５ｍ^３未満、より好ましくは２０ｍ^３未満または１５ｍ^３未満であり、１０ｍ^３未満とすることができる。

例えば、第一の燃焼ガスとして３０容量％の酸素を含む燃焼ガスを用いて、約２０トン／時間で鉱物溶融物を製造するには、該循環式燃焼室の容積として、約１５ｍ^３が必要となる。これに対し、第一の燃焼ガスとして純酸素を用いると、該循環式燃焼室の容積として、約５ｍ^３が必要となるだけである。したがって、第一の燃焼ガスとして純酸素を用いて本発明を実施すると、特定の処理量のために、非常に小型で、このため極めて高いエネルギー効率のサイクロン炉を使用することができる。

本発明の製造方法において使用する循環式燃焼室は、上部帯域、下部帯域、及び基部帯域を含んでいる。

上部帯域は、熱分解（粒状燃料の燃焼の初期段階）が行われることによって特徴づけられる。これは、該循環式燃焼室の円筒状の頂部セクションに広く対応する。粒状燃料及び好ましくは粒状鉱物材料並びに第一の燃焼ガスは、該上部帯域内に噴射される。また、該循環式燃焼室は、熱い排ガスが通過する出口を、好ましくは上部帯域内に含んでいる。しかし、熱いガス類は、該炉の他の領域内の出口を通過させてもよい。

上部帯域で燃料を熱分解させると、炭素を多く含む材料である炭素質残渣が生成する。炭素質残渣粒子は、一般に、循環するガスによって循環式燃焼室の表面に投げ出され、鉱物溶融物と共に、重力の作用下に該循環式燃焼室の表面を下方に流れ落ちる。

下部帯域は、炭素質残渣の燃焼によって特徴づけられる。このため、下部帯域は、一般に、循環式燃焼室の円錐台形状の底部セクションに対応し、特に該底部セクションにおける循環式燃焼室の表面に対応する。炭素質残渣粒子は、頂部セクションの表面にも存在していてもよく、基部帯域内の鉱物溶融物上に浮遊していてもよい。

上部帯域は、一般に、循環式燃焼室の頂部セクションの大半に延在している一方、下部帯域は、底部セクションの大半、特に循環式燃焼室の底部セクションの表面に延在しており、また、循環式燃焼室の頂部セクションの表面にも若干延在していてもよい。

頂部でのガスの分離と底部での溶融とを有するこの型の循環式燃焼室の下部領域では、典型的に酸素濃度が低く、上部領域に過剰の酸素を加えても、酸素濃度が低い。したがって、従来の方式では、炭素質残渣を下部領域内で燃焼させるために、長い滞留時間が必要とされる。本発明では、燃焼の第二段階、すなわち炭素質残渣の燃焼を補助するために、該下部帯域に第二の燃焼ガスを噴射する。このため、本発明の製造方法では、下部帯域内で燃料の完全燃焼が生じる。

上部帯域での燃料の熱分解によって熱が発生し、粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成する。鉱物溶融物は、一般に、循環するガスの作用によって、循環式燃焼室の壁面に投げ出され、そして、該循環式燃焼室を流れ落ちて、基部帯域に達し、そこで収集される。

基部帯域では、鉱物溶融物が収集される。炭素質残渣は、下部帯域で実質的に完全燃焼しているため、基部帯域には、実質的に存在しない。

本件発明において、鉱物溶融物は、鉱物繊維の製造に用いられるため、その品質が重要である。本発明では，燃料の完全燃焼が可能であるため、鉱物繊維製品に有害な炭素質残渣粒子は、実質的に鉱物溶融物中には存在しない。

基部帯域は、鉱物溶融物が流れとして通過する鉱物溶融物用の出口を有している。次いで、この鉱物溶融物の流れは、例えば、カスケード式紡糸機、紡糸カップ、または他の慣用の遠心式繊維化法を用いて、慣用手段により繊維化される。

あるいは、鉱物溶融物は、廃原料からの鉱物材料粒子の製造など、他の産業工程で使用することができる。

鉱物溶融物が循環式燃焼室の基部帯域を離れる出口の箇所において、鉱物溶融物が直ちに下方に延びるのではなく、その代わりに、出口がサイホンであることが好ましい。「サイホン」とは、通常ではチューブまたは溝である出口が、循環式燃焼室の開口部に対して、最初は相対的に上向きの配置を有し、引き続いて、繊維化装置に導かれる前に、下向きの配置を有することを意味する。

サイホンでは普通であるように、その結果、鉱物溶融物が循環式燃焼室から出るには、該循環式燃焼室内の溶融物浴は、サイホン式出口の垂直方向の最高点に達するのに十分な深さでなければならない。これが生じると、鉱物溶融物は、重力によって、サイホンの上向きに配置された箇所を上向きに通過し、次いで、サイホンの引き続く箇所を繊維化装置へと流れ落ちる。したがって、これにより、該方式では、エアロック（気密）が作りだされ、排ガスが循環式燃焼室の基部から確実に逃げ出すことができなくなる。

サイホンを用いることは、石炭などの粒状燃料を使用する態様において特別の利点があり、鉱物溶融物の品質が改良されることになる。これは、循環式燃焼室内の頂部セクションまたは底部セクションで燃料粒子が完全には燃焼しなかったものである炭素質残渣粒子が、溶融物浴の上部に集まり、そこに浮遊するという事実に基づく。これらの炭素質残渣粒子は、サイホンによって鉱物溶融物と共に排出するのが妨げられる。

鉱物溶融物上に炭素質残渣粒子を集めることができることにより、サイホンを用いなかった場合に比べて、循環式燃焼室内での炭素質残渣粒子の滞留時間が増大する。したがって、炭素質残渣粒子を基部帯域内で完全燃焼させて、燃料の十分な燃焼を達成することができる。これにより、本発明の製造方法の熱効率が最適化されるのを確実にする。

鉱物溶融物上に浮遊する炭素質残渣粒子の基部帯域での燃焼は、循環式燃焼室の底部セクションに第二の燃焼ガスを追加することによって強められる。

さらなる利点は、鉱物溶融物中の鉄ＩＩと鉄ＩＩＩとの相対的な比率に関連する。従来、キューポラ炉は、高度な還元雰囲気を持つ鉱物溶融物の製造に用いられてきた。この結果、キューポラ炉で製造された鉱物溶融物中の殆どすべての酸化鉄は、鉄ＩＩの形態であった。鉄ＩＩは、高温で鉄ＩＩＩの結晶構造に変換されるため、鉱物繊維の耐火性に良い。

しかし、本発明におけるようなサイクロン方式は、はるかに酸化性であり、第一の燃焼ガスが酸素富化空気である場合に、特に酸化性である。この場合、鉱物溶融物中の酸化鉄の実質的な部分は、鉄ＩＩよりも鉄ＩＩＩの形態となる。サイホンを使用すると、鉱物溶融物は、その上に浮遊して捕捉されている炭素質残渣粒子と接触する。炭素質残渣粒子は、高度に還元性であるため、鉱物溶融物中の鉄ＩＩＩを鉄ＩＩに還元するように作用し、それによって、鉱物繊維の良好な耐火特性が維持される。

上部帯域内での燃焼の最初の段階と、下部帯域内での燃焼の第二段階の両方により、熱い排ガスが作り出される。これらのガスは、循環式燃焼室内を循環し、そして、上方向に流れ、最後には、該循環式燃焼室の上部帯域内の出口を通過する。

循環式燃焼室内でのガスと懸濁粒状材料の一般的な運動は、サイクロン運動である。これは、粒状の燃料と鉱物材料だけではなく、第一の燃焼ガスを、渦状運動を維持するのに適当な角度で導入することによって作り出される。また、第二の燃焼ガスは、循環流を維持するために、同じ方向で導入することが好ましい。

本発明の第一及び第三の各側面において、上部帯域、下部帯域、及び基部帯域は、鉱物溶融物の製造方法における様々な段階によって定義される。本発明の第二の側面は、本発明の第一及び第三の側面による製造方法において使用するのに適した装置に関する。したがって、熱い排ガスの出口はもとより、粒状燃料、粒状鉱物材料、及び第一の燃焼ガスの入口は、循環式燃焼室の円筒状の頂部セクションに装備され、それは、該装置の使用中での上部帯域を含み、かつ、一般に、該上部帯域に相当する。第二の燃焼ガスは、循環式燃焼室の底部セクション内に噴射されるが、それは、該装置の使用中での下部帯域を含み、かつ、一般に、該下部帯域に相当する。また、該装置は、使用中に鉱物溶融物を集める基部セクションを含み、それは、鉱物溶融物の出口を含んでいる。

本発明で用いられる粒状燃料は、炭素質残渣粒子を形成する最初の熱分解と、それに続く炭素質残渣粒子の燃焼とを含む２段階工程で燃焼する如何なる燃料であってもよい。粒状燃料は、液体または固体の形態である。該粒状燃料が液体である場合、液滴の形態、すなわち液体燃料の粒子として用いられる。この態様において、該粒状燃料は、石油または液体を基礎とする他の炭素の粒子である。

しかし、本発明における粒状燃料は、好ましくは固体である。粒状の固体燃料は、一般に、炭素質材料であり、適した発熱量を有する如何なる粒状の炭素質材料であってもよい。発熱量は、相対的に低くてもよく、例えば、１００００ｋＪ／ｋｇ、さらには５０００ｋＪ／ｋｇまで低くてもよい。したがって、粒状燃料は、例えば、乾燥した下水スラッジや製紙廃棄物であってもよい。粒状燃料は、高い発熱量を有することが好ましく、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、瀝青炭か亜瀝青炭（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、５０〜１０００μｍ、好ましくは約５０〜２００μｍの範囲内の粒径を有することが望ましい。一般に、燃料粒子の９０％（重量）以上がこの範囲内の粒径である。平均粒径は、一般に、約７０μｍであり、その９０重量％が１００μｍ未満である。

粒状燃料は、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ために、空気、酸素富化空気、または純酸素であるか、あるいは窒素のような活性の少ないガスであってもよい。キャリアガスは、第一の燃焼ガスの一部であると考えられる。第一の燃焼ガスは、循環式燃焼室の上部帯域内に噴射されるキャリアガスと他のガスを含み、全体として、空気中に普通に存在するよりも多くの酸素を含んでいなければならない。供給管は、好ましくは円筒状である。

粒状鉱物材料は、ガラス繊維、ロック繊維、ストーン繊維、またはスラグ繊維を含む鉱物繊維の製造に適した如何なる材料であってもよい。ガラス繊維は、代表的には、酸化物の重量で、１０％超過のＮａ_２＋Ｋ_２Ｏ、ＦｅＯとして３％未満の鉄、２０％未満のＣａＯ＋ＭｇＯ、５０％超過のＳｉＯ_２、及び５％未満のＡｌ_２Ｏ_３の化学的分析値を有している。ロック繊維、ストーン繊維またはスラグ繊維は、代表的には、酸化物の重量で、１０％未満のＮａ_２＋Ｋ_２Ｏ、２０％超過のＣａＯ＋ＭｇＯ、ＦｅＯとして３％未満の鉄、及び５０％未満のＳｉＯ_２、並びに多くの場合１０％超過のＡｌ_２Ｏ_３の化学的分析値を有している。鉱物材料は、既に使用済みの鉱物繊維や、他の製造工程での使用が不合格となった鉱物繊維などの廃材であってもよい。

鉱物溶融物を製造するために循環式燃焼室内で溶融される粒状鉱物材料は、該循環式燃焼室の上部帯域内に導入され、該上部帯域でガス中に懸濁される。粒状鉱物材料が加えられる箇所は重要ではなく、粒状鉱物材料は、粒状燃料と混合して、燃料供給管を通して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、慣用手段に従って、入口を通って循環式燃焼室内に、その頂部またはその近傍に加えることによって達成することができる。

第一の燃焼ガスは、循環式燃焼室の上部帯域内に導入される。第一の燃焼ガスは、周囲温度とされるか、予備加熱される。第一の燃焼ガスが加熱される場合、第一の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。第一の燃焼ガスは、空気に比べて酸素が富化されており、２５容量％以上の酸素を有するが、一方、空気は、通常、約２１容量％の酸素を有する。「酸素富化空気」とは、該ガスが空気中に自然に存在するよりも多くの酸素を含有することを意味するが、それに加えて、空気中に自然に含まれる他のガスを含有することができる。また、酸素富化空気は、酸素の全濃度が空気中に通常存在する濃度を超えておれば、プロパンやメタンなどの通常は空気中に存在しない他のガスを含有することができる。

好ましい態様において、第一の燃焼ガスは、３０容量％以上または３５容量％以上、好ましくは５０容量％以上、最も好ましくは７０容量％以上の酸素を含有する酸素富化空気であるか、あるいは純酸素である。一つの態様において、酸素の使用に伴うエネルギーの節約を最適化するため、空気に比べて酸素のコストが増大するのに伴うエネルギーの節約を最適化するため、酸素富化空気は、３０〜５０容量％の酸素を含有する。純酸素を使用する場合には、予備加熱するよりも、周囲温度で使用することが望ましい。

第一の燃焼ガスは、その中に懸濁した粒状燃料と共に、供給管を通して導入することができ、特に、該燃焼ガスが相対的に低い温度の場合に、そのようにすることができる。該粒状燃料は、循環式燃焼室内に入る前に供給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）、そのため、この態様では、低いガス温度が必要とされる。しかし、第一の燃焼ガスは、該燃焼ガスを粒状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。

これらが一緒に導入されようとなかろうと、第一の燃焼ガスが循環式燃焼室内に噴射される速度は、装置の摩耗を最小限にするため、比較的低い（好ましくは１〜５０ｍ／ｓの間）。粒状燃料と粒状鉱物材料とが第一の燃焼ガス中に懸濁される場合には、その速度は、好ましくは５〜４０ｍ／ｓの間である。これらが別々に導入されることが好ましいが、この場合には、粒状燃料の噴射速度は、好ましくは２０〜４０ｍ／ｓである。

粒状燃料を第一の燃焼ガスと確実に迅速かつ完全に混合することが好ましく、これにより、粒状燃料が迅速に発火して、循環式燃焼室内に導入されると殆ど直ちに熱分解を受けるのを確実にすることができる。また、完全に混合されることにより、第一の燃焼ガス中での燃料粒子の滞留時間がより均一になり、より効率的に燃料を燃焼させることができる。

本発明の一つの態様において、迅速かつ完全な混合を補助するために、上部帯域に付加的なガスを導入することができる。該付加的なガスは、第一の燃焼ガスと粒状燃料よりも速い速度で移動し、そして、速度差によって、燃料粒子の流れに乱流を生じさせ、それによって、燃料粒子の流れをばらばらにして、迅速に混合させる。付加的なガスは、一般に、該燃焼ガスよりもかなり容積が小さく、通常、循環式燃焼室内に噴射される全ガスの４０％未満を構成し、好ましくは１０〜３０％の間を構成する。付加的なガスは、空気、窒素、酸素、またはプロパンやブタンなどの可燃性ガスなど、任意のガスであってよい。付加的なガスは、循環式燃焼室内の燃料粒子の流れに隣接するように、一つの入口から噴射してもよいが、好ましくは、燃料入口を同心状に囲む入口から噴射する。この同心状の配置により、効率的に混合することができ、特に、付加的なガスの入口がその開口部で先細ノズルを有するものである場合に、効率的に混合することができる。付加的なガスは、燃料粒子と燃焼ガスよりも１００ｍ／ｓ以上速く移動することが望ましく、通常は２５０ｍ／ｓ以上、好ましくは３００ｍ／ｓ以上速く移動する。最も好ましい態様において、付加的なガスの噴射速度は、音速、すなわち音の速度であるかそれを上回る。

あるいは、第一の燃焼ガス自体は、粒状燃料よりも１００ｍ／ｓ以上、通常は２５０ｍ／ｓ以上速く移動する純酸素である。酸素の第一燃焼ガスは、燃料粒子の流れに隣接するように入口から噴射してもよいが、好ましくは、燃料ガス入口を同心状に囲む入口から噴射する。

第二の燃焼ガスは、循環式燃焼室の下部帯域内に導入される。第一の燃焼ガスと同様、第二の燃焼ガスは、周囲温度であるか予備加熱することができ、かつ、２５容量％以上の酸素を含有する。好ましくは、第二の燃焼ガスは、３０容量％以上または３５容量％以上、好ましくは５０容量％以上、最も好ましくは７０容量％以上の酸素を含有する酸素富化空気であるか、３０〜５０容量％の酸素を含む酸素富化空気であるか、あるいは純酸素である。本件明細書及び特許請求の範囲を通して、「純酸素」とは、例えば、真空圧力変動吸着技術（ＶＰＳＡ）によって得られた純度９２％以上の酸素を意味するか、または蒸留法により得られた殆ど１００％の純酸素である。第二の燃焼ガスは、慣用の手段によって導入することができるが、先細ノズルを持つか、またはランス（lance）として知られている入口を使用して導入することが好ましい。

第二の燃焼ガスは、下部帯域内の１つの入口から噴射することができるが、好ましくは２つ以上の入口、最も好ましくは３、４、５または６などの２つより多い入口、好ましくは４つの入口から噴射することが望ましい。

本発明者らは、下部帯域に燃焼ガスを加えることにより、上部帯域内で熱分解により生成した炭素質残渣粒子を、非常に効率的に完全に燃焼し尽くさせることができることを見出した。この箇所で酸素を追加すると、上部帯域内で第一の燃焼ガスと共に、単に追加の酸素を加えるよりも、著しく効率的であることが見出された。第二の燃焼ガスは、第一の燃焼ガス、第二の燃焼ガス、及び可燃性の導入される追加のガスを含む全燃焼ガスの半分より少ない量で構成される。第二の燃焼ガスは、燃焼ガスの全百分率の１０〜５０％の間、好ましくは２０〜４０％間で構成することが望ましい。

好ましい態様において、追加の（または第二の）液状またはガス状燃料が下部帯域内に噴射され、そして、第二の燃焼ガスの存在下に燃焼して、下部帯域内で火炎を形成する。第二の燃焼ガスと第二の液状またはガス状燃料中の酸素の相対量は、第二のガス中で第二の燃料が完全燃焼するための過剰の酸素が存在するように選択される。

下部帯域内に第二の燃料を噴射することには、基部帯域内に収集される鉱物溶融物の温度を規制するのに用いることができるという利点がある。これが目的であるため、第二の燃料は、下部帯域の下端部に向けて噴射することが好ましく、基部帯域に近接するので、循環式燃焼室の円錐台形状の底部セクションの下半分内に噴射することが望ましい。第二の燃料は、直ちにかつ完全に燃焼する液状またはガス状燃料であればよい。第二の燃料は、単独では、上部帯域内に噴射され２段階で燃焼する粒状材料にはなり得ないけれども、これらの粒状材料を少割合（５０容量％未満、好ましくは２０容量％未満、１０または５容量％）で含有することができる。好ましい燃料は、プロパン、メタン、または天然ガスである。第二の燃料は、粒状燃料よりも少ない量で存在し、全燃料エネルギーの４０％未満、通常は５〜１５％を構成する。

この態様において、第二の燃焼ガスは、純酸素であることが好ましく、燃焼が直ちに生じるように、燃料と共にバーナー入口から導入される。あるいは、第二の燃焼ガスは、第二の燃料の入口に近い入口から導入して、循環式燃焼室内で混合が生じるようにすることができる。

図１は、本発明の好ましい態様において使用するのに適した装置の例であり、図２は、図１に楕円形の点線で示されるサイホンの正面図であり、図３は、図１に楕円形の点線で示されるサイホンの側面図である。

図１は、頂部セクション２、底部セクション３、及び基部セクション４からなる循環式燃焼室１を示す。第一の燃料及び粒状鉱物材料は、第一の燃焼ガスと共に入口５から導入され、該第一の燃焼ガスは、該入口５を同心状に囲む入口６から導入される。第一の燃料は、上部セクション２内で発火して燃焼し、鉱物溶融物は、鉱物溶融物プール７として基部セクション４内に収集される。熱い排ガスは、循環式燃焼室の頂部の燃料ガス出口８を通過する。第二の燃料及び第二の燃焼ガスは、酸素燃料バーナー９から噴射され、底部帯域３内で火炎を形成して、鉱物溶融物プール７を加熱するように働く。さらなる第二の燃焼ガスが底部帯域３内の酸素ベント１０から導入され、この帯域内で燃料が燃え尽きるのを助ける。鉱物溶融物は、サイホン１１を通って繊維化装置１２に流れ、そこで繊維が形成される。

図２は、鉱物溶融物の流れ１３がサイホン１１から出て行くのを含むサイホン１１の正面図を示す。

図３は、サイホン１１の断面図を示す。サイホン１１は、上方向に向き、循環式燃焼室１内の開口部１５よりも上に垂直に立ち上がる部分１４を有している。いったん、鉱物溶融物浴７が垂直に向く部分１４のレベルより上になると、鉱物溶融物は、鉱物溶融物流れ１３として該部分を越えて流れる。

１ 循環式燃焼室
２ 頂部セクション
３ 底部セクション
４ 基部セクション
５ 入口
６ 入口５を同心状に囲む入口
７ 鉱物溶融物プール
８ 排ガスの出口
９ 酸素燃料のバーナー
１０ 酸素ベント
１１ サイホン
１２ 繊維化装置
１３ 鉱物溶融物流れ
１４ 垂直に立ち上がった部分
１５ 開口部

Claims (14)

1. 上部帯域、下部帯域、及び基部帯域を含む循環式燃焼室を準備する工程；
   粒状燃料、粒状鉱物材料、及び２５容量％以上の酸素濃度を有する第一の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の上部帯域内に噴射して、該上部帯域内で該粒状燃料を熱分解させて炭素質残渣を製造し、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成し、かつ、排ガスを生成させる工程；
   ２５容量％以上の酸素濃度を有する第二の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の下部帯域内に噴射して、該炭素質残渣を燃焼し、それによって、該粒状燃料の燃焼を完了させる工程；並びに、
   熱い排ガスから鉱物溶融物を分離し、熱い排ガスを該循環式燃焼室内の出口を通過させ、かつ、該基部帯域内で鉱物溶融物を収集する工程；
   を含む鉱物溶融物の製造方法。
2. 収集した鉱物溶融物を基部帯域内の出口から遠心式繊維化装置に流して繊維を形成する、鉱物溶融物からの鉱物繊維製造工程を更に含む請求項１記載の製造方法。
3. 第一及び／または第二の燃焼ガスが、３０容量％以上、好ましくは３５容量％以上、より好ましくは５０容量％以上の酸素を含有する酸素富化空気である請求項１または２記載の製造方法。
4. 第一及び／または第二の燃焼ガスが、７０容量％以上の酸素を含有する酸素富化空気である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 第一及び／または第二の燃焼ガスが、純酸素である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 第二の燃焼ガスが、２つ以上、好ましくは３つ以上の入口を通って下部帯域内に噴射される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 第二の燃焼ガスが、純酸素であり、かつ、追加の液状またはガス状燃料が、下部帯域内で火炎を形成するために該下部帯域内に加えられる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の製造方法。
8. 粒状燃料が、固体であり、好ましくは石炭である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の製造方法。
9. 収集した鉱物溶融物の流れが通過して流れる出口が基部帯域内に存在し、該出口がサイホンである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 円筒状の頂部セクション、底部セクション、及び基部セクションを含む循環式燃焼室からなり、該循環式燃焼室が、
    粒状燃料、粒状鉱物材料、及び第一の燃焼ガスのための頂部セクションにおける入口；
    第二の燃焼ガスのための底部セクションにおける１つ以上の入口；
    排ガスのための出口；並びに、
    鉱物溶融物のための基部セクションにおける出口；
    を含むことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の鉱物溶融物の製造用装置。
11. 該循環式燃焼室の底部セクションが、円錐台形状である請求項１０記載の装置。
12. 該基部セクション内の出口が、サイホンである請求項１０または１１記載の装置。
13. 上部帯域、下部帯域、及び基部帯域を含む循環式燃焼室を準備する工程；
    粒状燃料、粒状鉱物材料、及び第一の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の上部帯域内に噴射して、該上部帯域内で該粒状燃料を熱分解させて炭素質残渣を製造し、それによって、該粒状鉱物材料を溶融して鉱物溶融物を形成し、かつ、排ガスを生成させる工程；
    第二の燃焼ガスを、該循環式燃焼室の下部帯域内に噴射して、該炭素質残渣を燃焼し、それによって、該粒状燃料の燃焼を完了させる工程；並びに、
    熱い排ガスから鉱物溶融物を分離し、熱い排ガスを該循環式燃焼室内の出口を通過させ、かつ、該基部帯域内で鉱物溶融物を収集し、そして、基部帯域の出口を通って収集された鉱物溶融物を遠心式繊維化装置に流して、繊維を形成する工程；
    を含む鉱物繊維の製造方法。
14. 請求項３乃至９のいずれかの特徴を更に含む請求項１３記載の製造方法。

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