JP2014507619A - 固体材料を溶解するための方法 - Google Patents

Abstract

簡単でコンパクトなバーナーが、分散燃焼条件下の燃焼の実行が後に続く、固体材料のより最適な溶解を実現する。溶解段階の間に、オキシダントの作動ジェットで、固体材料に向かって火炎を流体的に曲げ、材料から離れる方向に火炎を方向転換させ、分散燃焼段階の間に、一次的部分および二次的部分の間にオキシダントの噴射をステージングすることによって、バーナーが、これを実現する。

Description

本発明は、ガラスまたは金属などのような固体材料を溶解することに関し、とりわけ、スクラップ金属の溶解および精製を通して、金属をリサイクルすることに関する。

スクラップ金属の溶解は、金属産業の重要な態様である。実際に、スクラップ金属は、経済的、技術的、および環境的理由のために、鉄金属産業および非鉄金属産業において、金属溶解のための原材料として使用されている。金属リサイクル産業の発展は、スクラップ金属の利用可能性に大きく依存している。

非鉄金属の分野の典型的な例は、アルミニウムのリサイクルであり、アルミニウムは、現状、世界で最も一般にリサイクルされている使用済み金属である。ヨーロッパでは、例えば、アルミニウムは、飲料缶に関する４１％から、建築および建設部門における８５％、ならびに、自動車部門における最大で９５％に及ぶ高いリサイクル率を享受している。そのうえ、産業は、絶えず投資し、収集および選別の改善の研究をしており、可能な限り最高のレベルのリサイクルを実現するようになっている。

アルミニウムリサイクル業者は、現地市場と輸入の両方で獲得された幅広い範囲のアルミニウムスクラップを溶解する。スクラップは、通常、様々な成分の汚染された材料から作製されているので、スクラップアルミニウム産業などのような二次的な溶解産業が、生産ツール、とりわけ、強力さと柔軟性の両方がある溶解炉を必要とする。

商業上のスクラップ金属溶解業者にとって重要な問題は、プロセス効率である。プロセス効率は、とりわけ、以下の要素をカバーする。

− 時間効率：すなわち、所与の量のスクラップ金属が溶解される速度、
− エネルギー効率：すなわち、所与の量のスクラップ金属を溶解するために必要とされるエネルギー、および、
− 金属回収効率：すなわち、スクラップ金属に対する取り出された溶解金属の比率。

空気燃焼によって、すなわち、オキシダントとしての空気で燃料を燃焼させることによって、発生させられた熱によって、炉の中でスクラップ金属を溶解することが、当技術分野で知られている。そのような溶解プロセスは、一般的に、低い時間効率とエネルギー効率とを示すが、比較的高い金属回収効率を示す。

空気ベースの燃焼に対して、燃料の酸素燃焼が、産業炉の中の熱利用（熱効率）を増加させるための方策として知られている。酸素燃料バーナーは、より高い火炎温度を有し、それは、火炎から投入物（load）への放射熱伝達を増加させる。しかし、より高い火炎温度は、特定の環境において、特に、二次アルミニウム溶解などのためのより低い温度の炉にとって、否定的な結果を有する可能性がある。高い火炎温度に起因して、ＮＯ_x形成の傾向が、増加させられる。したがって、燃料を通して、または、炉の中への空気の侵入に起因してのいずれかによって、Ｎ₂が燃焼ゾーンに進入した場合、ＮＯ_x形成が、かなり増加する可能性がある。また、より高い温度の火炎が、炉の中のホットスポットを生じさせる、または、製品品質に悪影響を及ぼす可能性がある。アルミニウムの溶解などの特定の場合では、高い火炎温度は、金属酸化の速度を増加させる可能性もあり、したがって、結果として、金属損失を生じさせる。

酸素燃焼の場合において、例えば、炉の中の温度の関数として、または、燃焼室を取り囲む耐火材料の関数として、できる限り金属酸化を制御下に維持するために、溶解プロセスの間にバーナー出力を調節することが提案されてきた。

上記問題を克服するために、分散燃焼が、より低い温度であるが非常に均一の温度で酸素燃焼を実施するための方策として開発されてきた。また、それは、希釈燃焼、マイルド燃焼、または、（火炎がもはや見えない特定の環境での）無炎燃焼とも呼ばれ、この方策の中心的思想は、燃焼の前に反応物質を炉ガス（大抵は、Ｈ₂ＯとＣＯ₂との混合物）で希釈することであり、より低い温度およびより均一の温度の分散を炉内に実現するようになっている。希釈混合物の温度は、無炎モードを持続させるために、自動点火温度よりも上に維持されるべきである。従来の燃焼プロセスで観察される物質移行と化学反応との間の複雑な相互作用とは異なり、高度に希釈された反応物質が、燃焼反応の時間スケールを増加させることによって、燃焼を、動力学的に限定された（kinetic-limited）プロセスにする。この遅い燃焼プロセスは、ピーク温度が低い、高度に分散された反応ゾーンを通して現われ、それによって、ＮＯｘを大幅に低減させる。

分散燃焼のためのバーナーが、多く提案されてきた。

ＷＯ２００４／０２９５１１は、バーナーの酸素ノズルによって生成されるエゼクター効果を利用し、炉ガスの内部再循環を提供する。燃料の下流噴射によって、酸素が、燃料に到達する前に炉ガスと混合されることが可能になる。ＷＯ２００４／０２９５１１は、燃料噴射の周りに円形に設置された６つの酸素供給パイプを含む。酸素供給パイプは、超音速で酸素を送達することが好ましい。

ＷＯ２００４／０２９５１１のバーナーと同様に、米国特許第６，００７，３２６号は、炉の中の、低い濃度の燃料と酸素の両方による燃焼に関している。反応物質の希釈は、速い速度の、空間的に分離されたそれらの噴射によって得られる。燃料およびオキシダントは、大気より上の任意の温度に予熱されることが可能である。

米国特許出願公開第ＵＳ２００７０２５４２５１号は、無炎燃焼型のために設計されたバーナーを開示している。それは、いくつかの燃料およびオキシダント噴射を含み、それらは、異なる役割を果たしている。想定される中心の火炎安定器は、燃料およびガス状のオキシダントを炉または燃焼ゾーンの中へ噴射するための多数のノズルによって取り囲まれている。それは、オキシダントとして空気または酸素を使用することが可能である。

酸素を利用するいくつかの分散燃焼バーナーは、反応物質の高速噴射に依存しなければならない。高速噴射は、通常、作動のために、高圧の酸素および天然ガスを必要とする。この欠点に起因して、比較的より低い圧力で酸素を利用するバーナーで分散燃焼を実現する要求が存在する。

オキシダント供給の圧力にかかわらず、分散燃焼は、通常、炉の中への燃料およびオキシダントの分離された噴射によって実現される。反応物質ジェットのいずれか１つ、または、両方の反応物質ジェットが、例えば、高い速度勾配、旋回流、または、純頭物体（bluff body）を使用して、ジェットの中への炉ガスの同伴を促進するように、炉の中へ噴射される。ジェット同士の間の距離は、２つの反応物質ストリームが、互いに相互作用／混合する前に、１つまたは両方の反応物質の十分な希釈を実現する目的で決定される。例えば、米国特許第５，９６１，３１２号は、燃料ジェットと空気ジェットとの間の距離Ｌが、等式：（Ｌ／Ｄ_a）Ｘ［（Ｖ_a／Ｖ_o）⁵］＞１０（ここで、Ｄ_aは、空気ノズルの直径、Ｖ_aは、空気の速度、および、Ｖ_oは、空気の単位速度（１ｍ／ｓ））によって与えられるバーナー設計を開示している。同様に、米国特許第６，００７，３２６号は、低いＮＯ_x生成のための希釈燃焼条件を実現するために、燃料ジェットとオキシダントジェットとの間に、少なくとも６インチ、および、好ましくは２４インチの距離を必要とする。ジェット同士の間のこれらの空間的要求は、バーナーを、極めて大きく、嵩張るものにする可能性が高い。

時には、また、反応物質ノズル同士の間で、ゼロでない角度の噴射が使用され、反応物質が炉ガスによって希釈されるまで、反応物質の混合を遅らせる。例えば、米国特許第５，７７２，４２１号は、最初に互いから離れて発散するが、最終的に炉内で混合されるように、燃料およびオキシダントが吐出されるバーナー設計を開示している。しかし、発散するジェットの混合は、炉の幾何形状と、バーナー運転と、炉内のバーナーの場所とに依存する。結果として、これらのバーナーはある特定の炉だけにおいて、および、特定の運転条件の下だけで、効果的であることが多い。

分散燃焼を実現するための別の方策は、多数のノズルを使用することによって、炉の中の反応物質のうちの１つを分散させることである。他の反応物質は、通常、高速のまたは高スワールのジェットとして供給され、炉ガスを同伴する。例えば、米国特許第６，７７３，２５６号は、少量の燃料が、オキシダントストリームの中に供給され、希薄燃料火炎を実現するバーナーを開示している。残りの燃料は、多数の燃料ノズルを介して、火炎から固定距離の位置に供給される。燃料ノズルは、望まれるステージング（staging）に応じて、異なる角度で火炎に燃料を噴射するように設計されることが可能である。そのような設計方策は、結果として、比較的大きく複雑なバーナーを生じさせる可能性があり、そのバーナーは、製造するのに比較的費用がかかり、制御するのが難しい可能性がある。

上述の欠点に起因して、簡単でコンパクトなバーナーで分散燃焼を実現する要求が存在する。

高度にステージングされた燃焼を実現するために重要な条件のうちの１つは、高い炉温度である。高度にステージングされた燃焼のために燃焼室の内側に完全な燃焼を維持するために、炉は、自動点火温度の上まで、典型的には、７００℃よりも高い温度、または、８００℃よりも高い温度まで予熱されなければならない。高度にステージングされたバーナーのほとんどは、ステージングの前に所望の炉温度を実現するために、予熱バーナーを必要とする。例えば、ＷＯ２００６／０３１１６３は、火炎モードとステージングされるモードの両方において作動されることが可能なバーナーを開示している。最初に、炉が冷えているときに、燃料およびオキシダントが、同軸開口部（パイプインパイプ（pipe-in-pipe））から噴射され、安定的な火炎を有する。炉温度が、燃料の自動点火温度に到達すると、燃料およびオキシダントが、互いに空間的に分離された開口部から噴射され、炉の内側に分散燃焼を有する。ステージングされるバーナー設計のほとんど全てに伴う問題は、公称設計出力以外のバーナー出力において、それらの性能が悪いことが多いということである。典型的に、これらのバーナーは、公称出力条件において非常に良好に作動するが、バーナー出力が公称出力からなんらかの他の出力に変化させられるとすぐに、それらの燃焼効率および放射特性は、かなり低下することが多い。バーナー出力のそのような変化は、大抵の産業炉にとって非常によくある状況である。

上述の欠点に起因して、様々なバーナー出力において満足な分散燃焼を実現することが可能なバーナーに対する要求も存在する。

炉の中の固体材料を溶解するためのプロセスが開示されており、前記プロセスは、以下のステップを備える。ガラスまたは金属を含む固体材料が、炉に供給される。燃料およびオキシダントの一次的部分のジェットが、バーナーブロックの中の燃料／オキシダントノズルから炉の中へ噴射される。第１の作動流体のジェットの噴射を燃料および一次オキシダントのジェットに向かって下向きに導入（initiate）し、それによって、燃料および一次オキシダントのジェットに衝突させることによって、燃料および一次オキシダントのジェットが、固体材料に向かって下向きに方向付けさせられ、第１の作動流体は、オキシダントのさらなる部分である。所望の量の固体材料を溶解すると、第１の作動流体のジェットの噴射が、停止させられる。一次オキシダントと二次オキシダントの間のオキシダント噴射の所望の程度のステージングが実現されるまで、および分散燃焼条件が実現されるまで、燃料／オキシダントノズルの上方においてバーナーブロックの中に配設された少なくとも１つの二次ランスから、オキシダントの二次的部分の噴射が導入されながら、一次オキシダントとして燃料／オキシダントノズルから噴射されるオキシダントの量が、低減させられる。溶解された材料が、炉から引き出される。

本方法は、１つまたは複数の以下の態様を含むことが可能である。

− 炉が、実質的に円筒形状の耐火壁と、円筒形状の耐火壁の一方の端部にある第１の端部壁と、円筒形状の耐火壁の反対側の端部にある第２の端部壁とを有する回転炉である。

− 固体材料が、アルミニウム、銅、亜鉛、鉛、ニッケル、コバルト、チタン、クロム、貴金属、および、それらの合金からなる群から選択されたスクラップ金属である。

− スクラップ金属が、アルミニウム、または、アルミニウムの合金である。

− 燃料が、ガス燃料である。

− 燃料が、天然ガス、ブタン、プロパン、および、それらの混合物からなる群から選択される。

− オキシダントが、少なくとも６５％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する。

− オキシダントが、少なくとも８０％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する。

− オキシダントが、少なくとも９０％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する。

− 実質的に全ての固体材料が溶解すると、第１の作動流体のジェットの噴射が停止される。

− 燃料が、燃料オイルである。

− 燃料の二次的部分が、燃料の全体量の９０〜９５％を構成し、所望の程度のステージングが９０〜９５％であるということをもたらす。

・ 二次オキシダントとして少なくとも１つの二次ランスを通して噴射されるオキシダントの量と、一次オキシダントとして燃料／オキシダントノズルを通して噴射されるオキシダントの量とを、比例的に増加させることによって、および、
・ 第２の作動流体のジェットの噴射を、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって上向きに導入し、それによって、燃料および一次オキシダントのジェットに衝突させ、第２の作動流体が、燃料のさらなる部分であり、第２の作動流体が、第２の作動流体として燃料／オキシダントノズルから噴射される燃料の全体流量の１〜２０％ｖｏｌ／ｖｏｌを構成していることによって、
− 分散燃焼条件の下で、燃料およびオキシダントを燃焼させ続けながら、バーナーの出力が、増加させられる。

− 燃料の一次的部分が、オキシダントの一次的部分を環状に包み込み（enshroud）、第２のジェットの燃焼反応物質が、燃料である。

− オキシダントの二次的部分が、オキシダントの全体量の９０〜９５％を構成し、所望の程度ステージングが９０〜９５％であるということをもたらす。

− 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、炉の温度が、燃料の自動点火温度を超えている。

− 燃料／オキシダントノズルが、同心状に配置されたパイプインパイプノズルであり、ノズルは、内側パイプから燃料を噴射し、内側パイプと外側パイプとの間の環状部からオキシダントの一次的部分を噴射するように適合および構成されている。

− 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、見えない火炎が観察できる。

− 燃料が、燃料オイルである。

− 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、二次ランスから噴射されるオキシダントの二次的部分が、オキシダントの一次的部分として燃料／オキシダントノズルおよび二次ランスから噴射されるオキシダントの全体量の９０〜９５％である。

− 少なくとも１つの二次ランスが、一対の二次ランスを備える。

本発明の性質および目的のさらなる理解のために、添付の図面と併用されて、以下の詳細な説明が参照されるべきであり、図面において、同様のエレメントは、同一または類似の参照数字が与えられている。

開示されているバーナーの概略立面図であり、動的燃料／オキシダントノズルと、一対の二次オキシダントランスとを含む、隠された部分を図示する図。 開示されている固体材料溶解プロセスの起動段階の概略図であり、火炎がバーナーから真っ直ぐに配向されている図。 開示されている固体材料溶解プロセスの溶解段階の概略図であり、火炎が固体材料に向かって方向付けされている図。 開示されている固体材料溶解プロセスの溶解段階から分散する燃焼段階への移行の初めの部分の概略図であり、一次的部分と二次的部分との間のオキシダントのステージングが開始されている図。 開示されている固体材料溶解プロセスの溶解段階から分散する燃焼段階への移行の終わりの部分の概略図であり、一次的部分と二次的部分との間のオキシダントのステージングがより完全になっている図。 開示されている固体材料溶解プロセスの分散する燃焼段階の概略図であり、一次的部分と二次的部分との間のオキシダントのステージングが完全になっている図。 開示されているバーナーの燃料／オキシダントノズルの第１の実施形態の概略等角図。 図４Ａの線Ｂ−Ｂによるノズルの断面図であり、隠された部分を図示する図。 図４Ａの線Ｃ−Ｃによるノズルの断面図であり、隠された部分を図示する図。 図４Ａの線Ｄ−Ｄによるノズルの断面図。 開示されている固体材料溶解プロセスの溶解段階の間の、図３Ａのノズルの縦方向にスライスされた概略立面図。 比較的高いバーナー出力の下での、開示されている固体材料溶解プロセスの分散燃焼段階の間の、図３Ａのノズルの縦方向にスライスされた概略立面図。 開示されているバーナーの燃料／オキシダントノズルの第２の実施形態の概略等角図。 開示されている固体材料溶解プロセスの溶解段階の間の、図４Ａのノズルの縦方向にスライスされた概略立面図。 比較的高いバーナー出力の下での、開示されている固体材料溶解プロセスの分散燃焼段階の間の、図４Ａのノズルの縦方向にスライスされた概略立面図。

分散燃焼条件下の燃焼の実行が後に続く、固体材料のより最適な溶解を実現するための簡単でコンパクトなバーナーが開示されている。溶解段階の間に、オキシダントの作動ジェットで、固体材料に向かって火炎を流体的に曲げ、材料から離れる方向に火炎を方向転換させ、分散燃焼段階の間に、一次的部分および二次的部分の間でオキシダントの噴射をステージングすることによって、これは実現される。追加的に、分散燃焼段階の間に、より大きなバーナー出力が必要とされるとき、燃料の作動ジェットが導入され、火炎を上方に曲げ、燃料およびオキシダントの混合が極端に遅れること（over-delaying）を避ける。

起動中に、燃料および一次オキシダントのジェットが、バーナーブロックを通して延在する動的燃料／オキシダントノズルによって、溶解炉の中へ噴射される。炉が、まだ固体材料を含んでいなければ、固体材料が、溶解のために炉に加えられる。

望まれるとき、および、特に、安定的な火炎が生成された後に、弁が開けられ、動的燃料／オキシダントノズルの中のバーナーブロックを通して延在する作動オキシダント噴射チャネルにオキシダントの流れを導入する。作動オキシダントのジェットが、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって下向きに噴射され、前記ジェットが固体材料に向かって下向きに方向付けされるようにする。このように、プロセスの溶解段階が始まる。

所望の量の固体材料が溶解し、かつ、炉の温度が、燃料の自動点火温度よりも高い温度に到達すると（典型的には、７００℃よりも高い、または、８００℃よりも高い）、プロセスの溶解段階から分散燃焼段階への移行が開始する。作動オキシダントのジェットの噴射が、停止させられる。結果として、火炎は、もはや、材料に向かって下向きに方向付けされない。また、燃料／オキシダントノズルから一次オキシダントとして噴射されるオキシダントの量が、低減させられ、一方、バーナーブロックの中で燃料／オキシダントノズルの上方に配設された少なくとも１つの二次ランス（典型的に、一対の二次ランス、または、さらには、３つまたはそれより多い二次ランス）からのオキシダントの二次的部分の噴射が、一次オキシダントと二次オキシダントの間のオキシダント噴射の所望の程度のステージングおよび分散燃焼条件が実現されるまで、導入される。これらの条件は、分散燃焼段階を通して継続される。分散燃焼段階の間、典型的に、オキシダントの全体量のうちの９０〜９５％が、（（１つまたは複数の）二次ランスからの）二次的部分または二次オキシダントとして噴射され、一方、１０〜５％だけが、（動的燃料−オキシダントノズルからの）一次的部分または一次オキシダントとして噴射される。必要に応じて、ステージングの程度は、経験的な方式で変化させられることが可能であり、結果として、見えない火炎（すなわち、無炎燃焼）を生じさせる。また、望まれる分散燃焼の程度に応じて、より低い程度のステージングも可能である。追加的に、炉の幾何形状の制約に起因して、相対的により短い火炎が必要である場合、より低い程度のステージングが望ましい可能性がある。

溶解された材料が、分散燃焼段階の間にバーナーによって加熱された後、それは、炉から引き出される。（スクラップのアルミニウムなどのような）アルミニウムの固体材料の場合、溶解されたアルミニウムは、鋳造のために引き出され、鋳造される。

分散燃焼段階において公称出力でバーナーを運転している間、二次ランスからの二次オキシダントの流量は、典型的に、オキシダントの全体流れのうちの９５〜９９％（体積％）であり、動的燃料／オキシダントノズルからの一次オキシダント流量に、オキシダントの全体流れのうちの５〜１％（体積％）を残している。分散燃焼段階において相対的により高い出力でバーナーを運転している間、作動燃料の流量は、典型的に、動的燃料−オキシダントノズルからの燃料の全体流れのうちの１〜２０％（体積％）であり、動的燃料／オキシダントノズルからの燃料の流量に、燃料の全体流れのうちの９９〜８０％（体積％）を残している。溶解段階の間にバーナーを運転している間、作動オキシダントの流量は、典型的に、動的燃料／オキシダントノズル（および、随意的に（１つまたは複数の）二次ランス）からのオキシダントの全体流れのうちの５〜３０％（体積％）であり、燃料および一次オキシダントのジェットの中の一次オキシダントの流量に、オキシダントの全体流れのうちの９５〜７０％（体積％）を残している。作動流体の速度は、公称バーナー出力において、典型的に、１００ｍ／ｓ以下であり、一方、燃料および一次オキシダントの速度は、公称バーナー出力において、それぞれ、典型的に、１００〜２００ｍ／ｓ、および７５〜１５０ｍ／ｓである。

オキシダントは、空気、純酸素、酸素富化空気、または、酸素およびリサイクルされた燃焼排ガスを備える合成空気であることが可能であるが、典型的に、それは、少なくとも６５％（体積％）、もしくは、少なくとも８０％（体積％）の純度を有する酸素であるか、または、少なくとも９０％（体積％）の純度を有する工業的な純酸素である。燃料は、任意の気体燃料または液体燃料であることが可能であるが、典型的に、それは、天然ガスまたは燃料オイルである。一次オキシダントは、典型的に、加熱段階の間に、バーナーの全体オキシダント流量のうちの７５〜１００％を有し、分散燃焼段階の間に、バーナーの全体オキシダント流量のうちの０〜１０％だけを有する。他方、二次オキシダントは、公称バーナー出力において、典型的に、７５〜２００ｍ／ｓの速度を有し、分散燃焼段階の間の燃焼室温度において、９０〜１００％をも有する。

（１つまたは複数の）二次ランスが、動的燃料−オキシダントノズルの上方に配設されている。典型的に、動的燃料−オキシダントノズルの中心と、それぞれの二次ランスの中心との間の最小距離は、二次ランスの内径、または、動的燃料−オキシダントノズルの中の中心に配設されたチューブの内径の少なくとも１０倍であるべきである。同様に、二次ランスの中心同士の間の最小距離は、これらのランスの内径の少なくとも１０倍であるべきである。

分散燃焼段階の間、より高いバーナー出力が、望まれる可能性がある。燃料および二次オキシダントのジェットの速度が増加させられるので、２つの燃焼反応物質の混合は、極端に遅れる可能性があり、炉壁に対する火炎の衝突を結果として生じさせる。この問題を改善するために、動的燃料／オキシダントノズルの中のバーナーブロックを通って延在する作動燃料噴射チャネルを通って、燃料の流れが導入される。作動燃料のジェットが、作動燃料噴射チャネルから、燃料（および、もしあれば、一次オキシダント）のジェットに向かって上向きに噴射され、前記ジェットを二次オキシダントのジェットに向かって上向きに方向付けさせ、２つのジェットのより早い混合を引き起こす。

動的燃料／オキシダントノズルの第１の実施形態では、作動オキシダントまたは燃料のジェットが、燃料および（もしあれば）一次オキシダントのジェットに、前記ジェットが動的ランスを出ていく前に、衝突することが可能である。動的燃料／オキシダントノズルの第２の実施形態では、作動オキシダントまたは燃料のジェットが、燃料および（もしあれば）一次オキシダントのジェットに、前記ジェットが動的ランスを出た後に、衝突することが可能である。

動的燃料−オキシダントノズルの第１の実施形態は、主ノズル本体を用いており、主ノズル本体は、それを通って延在する、中心に配設された、より大きい口径の孔部を有している。大口径孔部の中に同心状に配設されているのは、より小さな口径のチューブであり、環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルによって取り囲まれた、中心に配設された燃料噴射チャネルを生成するようになっている。したがって、それは、チューブインチューブ（tube-in-tube）タイプの構成を形成し、一次オキシダントの環状の流れが、主ノズル本体の内側表面と、チューブの外側表面との間の環状スペースの中を流れ、燃料の中心流れが、チューブを通って流れる。燃料および一次オキシダントの流れは、燃料が一次オキシダントを環状に包む（shroud）ように変更されることが可能であるということを、当業者は認識するであろう。また、主ノズル本体は、作動オキシダント噴射チャネルを含み、作動オキシダント噴射チャネルは、環状スペースの上方において主ノズル本体を通って延在し、かつ、環状スペースから離間されて設置されている。また、主ノズル本体は、作動燃料噴射チャネルも含み、作動燃料噴射チャネルは、環状スペースの下方において主ノズル本体を通って延在し、かつ、環状スペースから離間されて設置されている。主ノズル本体の終端部は、キャップで覆われている。キャップは、終端開口部を有し、終端開口部は、チューブおよび孔部の軸線に沿って配向されており、概して、孔部の直径に適合するようにサイズ決めされており、一次オキシダントおよび燃料の流れが、キャップの終端開口部を通って続くようになっている。

キャップは、ノズル本体の終端部に面する側にキャビティを含むことが可能である。キャビティは、キャップの軸線方向に（上流から下流へ）延在し、孔部およびチューブの軸線に対して垂直な平面内に存在する平坦な表面において終端する。燃料および一次オキシダントは、チューブおよび環状スペースの末端部を流れ出ていき、そして、キャップの中の終端開口部を流れ出ていく。また、キャビティは、半径方向外向きに十分遠くまで延在し、それが、作動オキシダントおよび燃料噴射チャネルの出口部と流体連通するようになっている。したがって、作動オキシダントまたは燃料が、それぞれの噴射チャネルを出ていくとき、キャビティの平坦な表面が、作動オキシダントまたは燃料の流れの方向を方向転換させ、それが、燃料および一次オキシダントの流れとおおよそ直角に交差するようになっている。

キャビティの代わりに、キャップが、ドリル穴開けされ、穴部を有することが可能であり、その端部は、作動流体噴射チャネルの出口部と、キャップの終端開口部との間に上手く適合している。したがって、作動流体が、（１つまたは複数の）作動流体噴射チャネルの出口部から、（１つまたは複数の）穴部の中へ流れ、燃料およびオキシダントの流れと所定の角度で交差する。角度は、直角、または、０°よりも大きい鋭角であることが可能である。

キャップが、キャビティを用いるか、穴部を用いるかにかかわらず、作動オキシダント噴射チャネルが、孔部の上方に配設されているので、作動オキシダントが、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって下向きに流れ、火炎を、溶解されることとなる材料に向かって下向きに方向付けさせる。逆に、作動燃料噴射チャネルが、孔部の下方に配設されているので、作動燃料が、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって上向きに流れ、火炎を、二次オキシダントのジェットに向かって上向きに方向付けさせる。

火炎が下向きにまたは上向きに方向付けされる角度は、それぞれ適当な噴射チャネルを通る作動オキシダントまたは作動燃料の流量および速度を制御することによって、制御されることが可能である。典型的に、第２の反応物質のジェット、または、燃料およびオキシダントの包み込まれたジェットは、その垂直軸線から、最大で４０°、より典型的には最大で３０°、さらにより典型的には最大で２０°、より一層典型的には最大で１５°、および、最も典型的には最大で５°または１０°、曲げられている。

動的燃料−オキシダントノズルの第２の実施形態は、再び、主ノズル本体を用いることが可能であり、主ノズル本体は、中心に配設された大口径孔部と、大口径孔部の中に同心状に配設された小口径チューブとを有している。再び、燃料は、チューブを通って流れ、一方、一次オキシダントは、孔部の内側表面とチューブの外側表面との間において環状スペースを通って流れ、チューブおよび孔部の出口部において、その反応物質を環状に覆っている。燃料および一次オキシダントの流れは、燃料が一次オキシダントを環状に包むように変更されることが可能であるということを、当業者は認識するであろう。また、動的燃料−オキシダントノズルは、孔部の上方において主ノズル本体を通って延在し、かつ、孔部から間隔を空けて設置されている、作動オキシダント噴射チャネルと、孔部の下方において主ノズル本体を通して延在し、かつ、孔部から間隔を空けて設置されている、作動燃料噴射チャネルとを含む。主ノズル本体の終端部は、キャップで覆われている。キャップは、終端開口部を有し、終端開口部は、中心に配設された孔部およびチューブの軸線に沿って配向されており、一般的に、孔部の直径に適合するように寸法決めされており、中心に配設された同心状チューブを通る、燃料および一次オキシダントの流れが、キャップの終端開口部を通って続くようになっている。

また、キャップは、それを通してドリル穴開けされた穴部も含み、その第１の端部は、作動オキシダントまたは燃料噴射チャネルそれぞれの出口部に上手く適合しており、その第２の端部は、キャップの終端開口部から離れて間隔を空けて設置されている、キャップの末端部を通って延在している。穴部は、中心に配設された同心状チューブの軸線に向かって鋭角にドリル穴開けされているが、穴部は、キャップの終端開口部とは交差していない。したがって、作動オキシダントまたは燃料は、それぞれの噴射チャネルの出口部から、それぞれの穴部の中へ流れ、燃料および一次オキシダントのジェットに対して所定の角度で、ジェットの形態で、キャップから出ていく。作動オキシダントまたは燃料のジェットは、燃料および一次オキシダントのジェットと、前記ジェットが動的燃料−オキシダントノズルを出た後に、交差する。

したがって、作動オキシダント噴射チャネルは、孔部の上方に配設されているので、作動オキシダントは、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって下向きに流れ、火炎を、溶解されることになる材料に向かって下向きに方向付けさせる。逆に、作動燃料噴射チャネルは、孔部の下方に配設されているので、作動燃料は、燃料および一次オキシダントのジェットに向かって上向きに流れ、火炎を、二次オキシダントのジェットに向かって上向きに方向付けさせる。

火炎が下向きにまたは上向きに方向付けされる角度は、それぞれ適当な噴射チャネルを通る作動オキシダントまたは作動燃料の流量および速度を制御することによって、制御されることが可能である。典型的に、第２の反応物質のジェット、または、燃料およびオキシダントの包み込まれたジェットは、その垂直軸線から、最大で４０°、より典型的には最大で３０°、さらにより典型的には最大で２０°、より一層典型的には最大で１５°、および、最も典型的には最大で５°または１０°、曲げられている。

２つのジェットの噴射の点は、離れて間隔を空けて設置されているので、曲げられた／方向を変えられた（１つまたは複数の）ジェットが、炉ガスを取り込む機会をより多く有し、したがって、それ／それらが、バーナーによって噴射された反応物質の他の部分と反応する前に、一次的部分および二次的部分の中で希釈されるようになる。そのような希釈は、結果として、より低い全体温度を炉内に生じさせ、かつ、より優れた温度均一性を炉内に生じさせる。したがって、それは、結果として、分散燃焼を生じさせ、場合によっては、無炎燃焼を生じさせる。

上述の動的燃料／オキシダントノズルは、分散燃焼条件において、または、分散燃焼以外の燃焼条件において、火炎を、下向きにまたは上向きに方向付けさせるのに適切であるが、米国特許出願公開第ＵＳ２０１０００６８６６６Ａ１号によって教示されているものなどのような、流体のジェットを流体的に曲げるための他の技術が知られており、その内容は、その全体が本明細書の中に組み込まれる。

ここで、本発明のプロセスのいくつかの実施形態が、説明されることとなる。

図２Ａ〜図２Ｅに最も良く示されているように、起動中に、燃料および一次オキシダントの動的ジェットＤＪが、燃料噴射軸線Ａ₁に沿ってバーナーＢから噴射される。溶解段階において、動的ジェットＤＪは、作動オキシダントのジェットの衝突によって、溶解炉の中の固体材料に向かって、軸線Ａ₂に沿って下向きに方向付けさせられる。溶解段階から分散燃焼段階への移行の初めに、オキシダントの二次的部分の量の噴射が、二次ランスから開始され、二次オキシダントジェットＳＯＪを形成する。同時に、作動オキシダントジェットとして噴射されたオキシダントの量、ならびに、燃料および一次オキシダントのジェットの一部として噴射されたオキシダントの量が、対応する量だけ減少させられる。結果として、火炎が下向きに方向付けされる程度が、減少させられ、燃料および一次オキシダントのジェットが、軸線Ａ₃に沿って配向させられる。２つの段階の間の移行の終わりに、より多くのオキシダントが、二次ランスを通して噴射され、酸素は、作動オキシダントとして噴射されず、かつ、皆無かそれに近いオキシダントが、一次オキシダントとして噴射される。結果として、火炎は、もはや下向きに方向付けされておらず、燃料および一次オキシダントのジェットは、もう一度、軸線Ａ₁に沿って配向させられる。二次オキシダントジェットＳＯＪおよび動的ジェットＤＪの間隔を空けた噴射に起因して、２つのジェットの混合が遅れる。これは、動的ジェットの中にかなりの量の炉ガスを同伴すること、および、分散燃焼条件の実現を、結果として生じる。

図２Ａ〜図２Ｅは、二次オキシダントジェットＳＯＪの噴射を図示しており、一方、動的ジェットＤＪは、依然として、作動オキシダントによって下向きに方向付けされているが、オペレーターは、その代わりに、作動オキシダントの流れを停止し、動的ジェットをその最初の噴射軸線Ａ₁に戻すのに対応する量だけ、一次オキシダントの流量を増加させることが可能である。また、軸線Ａ₂に沿って下向きに方向付けされた動的ジェットＤＪは、完全に停止されることが可能であり、バーナーが、作動オキシダントの流れなしで再始動され、動的ジェットＤＪが、もう一度、軸線Ａ₁に沿って噴射されるようになっている。

ここで、本発明のバーナーのいくつかの実施形態が、説明されることとなる。

図１に最も良く示されているように、本発明のバーナーの実施形態は、バーナーブロックＢの中に、２つの二次ランスＳＬと、動的燃料／オキシダントノズルＤＦＯＮとを含む。動的燃料／オキシダントノズルＤＦＯＮは、一次オキシダントＰＯによって環状に包まれた燃料Ｆのジェットの噴射のために、同心状のチューブインチューブタイプのノズルを含む。作動オキシダントは、作動オキシダント噴射チャネルＡＯＩＣから噴射されることが可能であり、一方、作動燃料は、作動燃料噴射チャネルＡＦＩＣから噴射されることが可能である。二次ランスＳＬは、動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮの両側に均等に間隔を空けて設置されている。二次ランスＳＬの中心に配設されたノズルの内径Ｄ₁が、燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮの内側チューブの内径Ｄ₂よりも小さい場合、二次ランスＳＬの中心のそれぞれは、動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮの中心から、Ｄ₁の少なくとも１０倍である垂直方向距離ｘだけ離れている。Ｄ₁がＤ₂よりも大きい場合、ｘは、Ｄ₂の少なくとも１０倍である。また、二次ランスＳＬの中心は、Ｄ₁およびＤ₂のうちの小さい方の少なくとも１０倍である水平方向距離ｙだけ離れているべきである。

本発明の方法およびバーナーでの使用に適切な動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮのうちの１つのタイプが、図３Ａ〜図３Ｆに示されている。動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮは、主ノズル本体ＭＢを用いることが可能であり、主ノズル本体ＭＢは、それを通って延在する、中心に配設された、より大きい口径の孔部ＬＤＢを有している。大口径孔部ＬＤＢの中に同心状に配設されているのは、小口径チューブＳＤＴであり、環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣによって取り囲まれた、中心に配設された燃料噴射チャネルＦＩＣを作り出すようになっている。したがって、それは、チューブインチューブタイプの構成を形成し、チューブインチューブタイプの構成では、一次オキシダントの環状流れが、主ノズル本体ＭＢの内側表面と、チューブＳＤＴの外側表面との間の環状スペースの中を流れ、燃料の中心流れが、中心に配設された燃料噴射チャネルＦＩＣを通って流れる。

また、主ノズル本体ＭＢは、作動オキシダント噴射チャネルＡＯＩＣも含み、作動オキシダント噴射チャネルＡＯＩＣは、環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣの上方において主ノズル本体ＭＢを通って延在しており、かつ、一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣから離間されて設置されている。また、主ノズル本体ＭＢは、作動燃料噴射チャネルＡＦＩＣも含み、作動燃料噴射チャネルＡＦＩＣは、環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣの下方において主ノズル本体ＭＢを通って延在しており、かつ、一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣから離間されて設置されている。主ノズル本体の終端部は、キャップＣＰで覆われている。

キャップＣＰは、終端開口部ＴＯを有し、終端開口部ＴＯは、チューブＳＤＴおよび孔部ＬＤＢの軸線と整合しており、一般的に、孔部ＬＤＢの直径に適合するように寸法決めされており、燃料Ｆおよび一次オキシダントＰＯの流れが、キャップＣＰの終端開口部ＴＯを通って続くようになっている。キャップは、ノズル本体ＭＢの終端部に面する側にキャビティＣを含む。キャビティＣは、キャップＣＰの軸線方向に（上流から下流へ）延在し、動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮの軸線に対して垂直な平面内に存在する平坦な表面において終端する。

引き続き図３Ａ〜図３Ｆを参照して、燃料Ｆおよび一次オキシダントの流れＰＯが、中心に配設された燃料噴射チャネルＦＩＣ、および、環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣの末端部を、それぞれ出ていき、そして、キャップＣＰの中の終端開口部ＴＯを出ていく。また、キャビティは、半径方向外向きに十分遠くまで延在し、それが、噴射チャネルＡＯＩＣ、ＡＦＩＣの出口部と流体連通するようになっている。したがって、作動オキシダントまたは燃料が、それぞれ噴射チャネルＡＯＩＣ、ＡＦＩＣを出ていくとき、キャビティの平坦な表面が、作動オキシダントまたは燃料ＡＯ、ＡＦの流れの方向を方向転換させ、それが、燃料および一次オキシダントの流れとおおよそ直角に交差するようになっている。作動オキシダントまたは燃料ＡＯ、ＡＦのジェットが、燃料および一次オキシダントのジェットと交差するので、前記ジェットは、作動オキシダントまたは燃料のジェットから離れて、（場合によって）下向きにまたは上向きに曲げられ／転換させられる。

本発明の方法およびバーナーでの使用に適切な別のタイプの動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮが、図４Ａ〜図４Ｃに示されている。動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮは、主ノズル本体ＭＢを含み、主ノズル本体ＭＢは、中心に配設された大口径孔部ＬＤＢと、大口径孔部ＬＤＢの中に同心状に配設された小口径チューブＳＤＴとを有している。燃料Ｆは、小口径チューブＳＤＴの内部を形成する、中心に配設された燃料噴射チャネルＦＩＣを通って流れ、一方、一次オキシダントＰＯは、孔部ＬＤＢの内側表面とチューブＳＤＴの外側表面との間において環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣを通って流れ、チューブＳＤＴおよび孔部ＬＤＢの出口部において、その反応物質を環状に覆っている。

また、動的燃料オキシダントノズルＤＦＯＮは、主ノズル本体ＭＢを通って延在する、作動オキシダント噴射チャネルＡＯＩＣと、作動燃料噴射チャネルＦＩＣとを含む。主ノズル本体ＭＢの終端部は、キャップＣＰで覆われている。キャップＣＰは、終端開口部ＴＯを有し、終端開口部ＴＯは、孔部ＬＤＢおよびチューブＳＤＴの軸線と整合しており、一般的に、孔部ＬＤＢの直径に適合するように寸法決めされており、中心に配設された燃料噴射チャネルＦＩＣ／環状に形状付けされた一次オキシダント噴射チャネルＰＯＩＣを通る、燃料Ｆおよび一次オキシダントＰＯの流れが、キャップＣＰの終端開口部ＴＯを通って続くようになっている。また、キャップＣＰは、それを通してドリル穴開けされた２つの穴部Ｈも含み、その第１の端部は、噴射チャネルＡＯＩＣ、ＡＦＩＣそれぞれの出口部に上手く適合しており、その第２の端部は、キャップＣＰの終端開口部ＴＯから離れて間隔を空けて設置されている、キャップＣＰの末端部を通って延在している。

引き続き図４Ａ〜図４Ｃを参照して、穴部Ｈが、動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮの軸線に向かって鋭角にドリル穴開けされているが、穴部Ｈは、キャップＣＰの終端開口部ＴＯとは交差していない。したがって、作動オキシダントまたは燃料ＡＯ、ＡＦは、噴射チャネルＡＯＩＣ、ＡＦＩＣのうちの１つの出口部から、それぞれの穴部Ｈの中へ流れ、燃料Ｆおよび一次オキシダントＰＯのジェットに対して所定の角度で、ジェットの形態で、キャップＣＰから出ていく。作動流体のジェットは、動的燃料−オキシダントノズルＤＦＯＮを出た後に、燃料および一次オキシダントのジェットと交差する。作動オキシダントまたは燃料ＡＯ、ＡＦのジェットは、燃料Ｆおよび一次オキシダントＰＯのジェットと交差するので、前記ジェットは、作動オキシダントまたは燃料ＡＯ、ＡＦのジェットから離れる方向に、曲げられ／転換させられる。

本発明を実施するための好適なプロセスおよび装置が、説明されてきた。多くの変形および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対してなされることが可能であるということが、当業者に理解され、容易に明らかであろう。前述のものは、説明のためだけのものであり、統合されたプロセスおよび装置のその他の実施形態が、本発明の真の範囲から逸脱することなく、用いられることが可能である。

Claims (21)

1. 炉の中の固体材料を溶解するためのプロセスであって、前記プロセスは、
   ガラスまたは金属を含む固体材料を前記炉に供給するステップと、
   燃料およびオキシダントの一次的部分のジェットを、バーナーブロックの燃料／オキシダントノズルから炉の中へ噴射するステップと、
   第１の作動流体のジェットの噴射を燃料および一次オキシダントの前記ジェットに向かって下向きに導入し、それによって、燃料および一次オキシダントの前記ジェットに衝突させることによって、燃料および一次オキシダントの前記ジェットを、前記固体材料に向かって下向きに方向付けさせるステップであって、前記第１の作動流体が、オキシダントのさらなる部分である、ステップと、
   所望の量の前記固体材料を溶解すると、前記第１の作動流体の前記ジェットの噴射を停止するステップと、
   一次および二次オキシダントの間のオキシダント噴射の所望の程度のステージングが実現されるまで、および分散燃焼条件が実現されるまで、前記燃料／オキシダントノズルの上方において前記バーナーブロックの中に配設された少なくとも１つの二次ランスから、オキシダントの二次的部分の噴射を導入しながら、前記燃料／オキシダントノズルから一次オキシダントとして噴射されるオキシダントの量を低減させるステップと、
   前記溶解された材料を前記炉から引き出すステップと
   を有する、プロセス。
2. 前記炉が、実質的に円筒形状の耐火壁と、前記円筒形状の耐火壁の一方の端部にある第１の端部壁と、前記円筒形状の耐火壁の反対側の端部にある第２の端部壁とを有する回転炉である、請求項１の方法。
3. 前記固体材料が、アルミニウム、銅、亜鉛、鉛、ニッケル、コバルト、チタン、クロム、貴金属、および、それらの合金からなる群から選択されたスクラップ金属である、請求項１の方法。
4. 前記スクラップ金属が、アルミニウム、または、アルミニウムの合金である、請求項１の方法。
5. 前記燃料が、ガス燃料である、請求項１の方法。
6. 前記燃料が、天然ガス、ブタン、プロパン、および、それらの混合物からなる群から選択される、請求項１の方法。
7. 前記オキシダントが、少なくとも６５％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する、請求項１の方法。
8. 前記オキシダントが、少なくとも８０％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する、請求項１の方法。
9. 前記オキシダントが、少なくとも９０％ｖｏｌ／ｖｏｌの酸素含有量を有する、請求項１の方法。
10. 実質的に全ての前記固体材料が溶解すると、前記第１の作動流体の前記ジェットの噴射が停止される、請求項１の方法。
11. 前記燃料が、燃料オイルである、請求項６の方法。
12. 前記燃料の二次的部分が、燃料の全体量の９０〜９５％を構成し、所望の程度のステージングが９０〜９５％であるということをもたらす、請求項９の方法。
13. 二次オキシダントとして前記少なくとも１つの二次ランスを通して噴射されるオキシダントの量と、一次オキシダントとして前記燃料／オキシダントノズルを通して噴射されるオキシダントの量とを、比例的に増加させることによって、および、
    第２の作動流体のジェットの噴射を、燃料および一次オキシダントの前記ジェットに向かって上向きに導入し、それによって、燃料および一次オキシダントの前記ジェットに衝突させ、前記第２の作動流体が、前記燃料のさらなる部分であり、前記第２の作動流体が、前記第２の作動流体として前記燃料／オキシダントノズルから噴射される燃料の全体流量の１〜２０％ｖｏｌ／ｖｏｌを構成していることによって、
    分散燃焼条件の下で、前記燃料およびオキシダントを燃焼させ続けながら、前記バーナーの出力が、増加させられる、請求項１のプロセス。
14. 前記燃料の一次的部分が、前記オキシダントの一次的部分を環状に包み込み、前記第２のジェットの前記燃焼反応物質が、燃料である、請求項１の方法。
15. 前記オキシダントの二次的部分が、オキシダントの全体量の９０〜９５％を構成し、所望の程度ステージングが９０〜９５％であるということをもたらす、請求項２の方法。
16. 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、前記炉の温度が、前記燃料の自動点火温度を超えている、請求項１の方法。
17. 前記燃料／オキシダントノズルが、同心状に配置されたパイプインパイプノズルであり、ノズルは、内側パイプから前記燃料を噴射し、前記内側パイプと外側パイプとの間の環状部から前記オキシダントの一次的部分を噴射するように適合および構成されている、請求項１の方法。
18. 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、見えない火炎が観察できる、請求項１の方法。
19. 前記燃料が、燃料オイルである、請求項１の方法。
20. 分散燃焼条件の下で前記方法が実施されている時間の少なくとも一部分の間、前記二次ランスから噴射される前記オキシダントの二次的部分が、オキシダントの一次的部分として前記燃料／オキシダントノズルおよび前記二次ランスから噴射されるオキシダントの全体量の９０〜９５％である、請求項１の方法。
21. 前記少なくとも二次ランスが、一対の二次ランスを備える、請求項１の方法。

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