JP2024510016A - ガス燃焼炉 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス燃料を用いてサイクロン燃焼炉を運転するための装置及び方法を提供する。

Description

本発明は、鉱物材料を溶融するための炉の分野に含まれ、特に、繊維の製造方法において鉱物材料を溶融するための炉の分野に含まれる。

サイクロン炉は、鉱物溶融方法の分野において確立されている。

既存のサイクロン炉の稼働は、単独で、又は主として石炭で、又は他の固体若しくは液体燃料で行われる。石炭は、ゆっくり燃焼する火炎を発生させることから、サイクロン炉の運転過程における一次燃料として特に有益である。国際公開第２０１４０５７１３０（Ａ１）号は、サイクロン炉の中央領域の下端部において、総燃料エネルギーの４０％未満を成す二次ガス燃料を所望に応じて注入し、そこに火炎を提供することを可能とするものである。鉱物原材料を溶融するために用いられる一次燃料は、粒子状である。

米国特許第３０７７０９４号には、空気、ガス燃料、及び所望に応じて原材料が、炉へ投入される前に一緒に混合されるサイクロン炉が開示されている。ガス燃料は、この構成においてすぐに燃焼する。

国際公開第２０１６／０９２１００（Ａ１）号は、鉱物原材料を溶融するために、固体又は液体の一次燃料を用いている。ガス燃料は、二次燃料として用いられてよく、一次燃料よりもサイクロン炉の下側のセクションで、粒子状燃料と共に共注入される。これによって、ガス燃料がすぐに燃焼して二次粒子状燃料を予備加熱し、サイクロン炉の下側のセクション、溶融池の近くに安定な火炎が発生する。この構成では、石炭などの安価な燃料を効率的に使用することができ、同時に高い品質の溶融物が得られる。国際公開第２０１６／０９２１００（Ａ１）号では、粒子状（すなわち、固体又は液体）燃料が一次燃料として必須であり、ガス燃料は、粒子状燃料と組み合わせてサイクロン炉の下側のセクションに注入されるだけである。

欧州特許出願公開第１９４４８７３（Ａ１）号には、一次燃料が粒子状、特に石炭である、鉱物材料を溶融するためのサイクロン炉が開示されている。粒子状燃料のみが、チャンバーの上部から注入され、溶融段階で使用される。ガス燃料は、溶融池の上部に火炎を形成する目的で、炉の下側のセクションに粒子状燃料と組み合わせて導入される。この火炎は、溶融池の温度を制御するために、さらに言うと炉から排出される鉱物溶融物の粘度を制御するために有利であるとされている。しかし、この文書では、一次燃料として粒子状燃料が必須である。

石炭及び他の粒子状燃料は、経済的な理由からサイクロン炉での使用に広く普及してきたが、溶融方法の環境特性を改善するためには、ガス燃料を単独の燃料として、又は一次燃料として使用することが望ましい。本発明の開発の過程において、同じ炉設備を用いて粒子状燃料をガス燃料に直接置き換えることは、成功しなかった。ガス燃料は、粒子状燃料よりも非常に素早く、石炭よりも短い火炎で燃焼する。粒子状燃料をガス燃料に直接置き換えた結果、スラグが形成することに起因して燃料入口ポートが閉塞したため、この方法は実現不可能であった。ガス燃料の非常に素早い燃焼速度は、鉱物原材料の瞬時に近い焼結をもたらし、これが望ましくない入口部の閉塞を引き起こす。

本発明の目的は、鉱物溶融物を製造するためにサイクロン炉でガス燃料を用いる装置及び方法を提供し、それによって、溶融物の品質及び装置寿命を維持しながら、方法の環境特性を改善することである。

本発明は、鉱物材料を溶融する方法を提供し、その方法は、サイクロン炉、粒子状鉱物原材料、ガス燃料、及び酸化剤を提供する工程；１又は複数の第一の注入ポートから、ガス燃料を炉に注入する工程；１又は複数の第二の注入ポートから、酸化剤を炉に注入する工程；１又は複数の第三の注入ポートから、鉱物原材料を炉に注入する工程；ガス燃料を、酸化剤と共に燃焼させ、それによって鉱物原材料を溶融する工程、を含み、サイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、第二の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、１又は複数の第二の注入ポートから間隔をあけられていることを特徴とする。

本発明はまた、単独燃料又は一次燃料としてガス燃料を用いて鉱物材料を溶融するためのサイクロン炉も提供し、炉は、本体壁を有する炉本体、炉のフタ、ガス燃料を炉に注入するための１又は複数の第一の注入ポート、酸化剤を炉に注入するための１又は複数の第二の注入ポート、及び鉱物原材料を炉に注入するための１又は複数の第三の注入ポートを備え、炉本体は、上部セクション、中央セクション、及び下部セクションを備えており、１又は複数の第一の注入ポート、１又は複数の第二の注入ポート、及び１又は複数の第三の注入ポートが、それぞれ、ガス燃料、酸化剤、及び鉱物原材料を炉の上部セクションに注入すること、並びにサイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、第二の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、１又は複数の第二の注入ポートから間隔をあけられていること、を特徴とする。

本発明の一次燃料は、ガス燃料である。ガス燃料は、天然ガス、バイオガス、シェールガス、若しくは他の入手可能なガスの種類、又はこれらの組み合わせであってよい。好ましくは、この方法におけるエネルギーの少なくとも６０％が、より好ましくはエネルギーの少なくとも８０％が、ガス燃料由来である。本発明において、唯一の燃料がガスであってもよい。これは、石炭などの粒子状燃料を低減、又はさらには排除して、本方法の環境特性を改善するという利点を有する。

追加のバーナー、又はジュール加熱のための電極が、溶融池の上に備えられていてもよい、又は溶融池内に沈められていてもよい。これらのバーナー又は電極は、鉱物溶融物を均質化する補助となる。

酸化剤は、空気、酸素、又は酸素富化空気であってよい。好ましくは、酸素富化空気が本発明で用いられ、これは、供給空気中に酸素を注入することによって実現することができる。純粋酸素を用いることで、炉の体積を小さくできるが、この方法のコストが上昇し、一方空気単独の場合、コストは削減されるが、酸素富化空気の場合よりも大きい炉体積が必要となる。

鉱物原材料は、好ましくは粒子状である。好ましくは、原材料粒子は、ミリメートルスケールのサイズを有する。好ましくは、少なくとも９９％の粒子、特にはすべての粒子が、直径４ｍｍよりも小さく、及び好ましくは、重量基準で５０％の粒子が、直径２ｍｍよりも小さい。組成物は、人造ガラス質繊維（ＭＭＶＦ）を形成するのに一般に適しているいかなるガラス、石、又はスラグ組成物であってもよい。好ましくは、繊維の組成は、重量％の単位で酸化物として算出された以下のパラメータの範囲内である。
ＳｉＯ_２：少なくとも３０、３２、３５、又は３７；５１、４８、４５、又は４３以下
Ａｌ_２Ｏ_３：少なくとも１４、１５、１６、又は１８；３５、３０、２６、又は２３以下
ＣａＯ：少なくとも８又は１０；３０、２５、又は２０以下
ＭｇＯ：少なくとも２又は５；２５、２０、又は１５以下
ＦｅＯ（Ｆｅ_２Ｏ_３を含む）：少なくとも４又は５；１５、１２、又は１０以下
ＦｅＯ＋ＭｇＯ：少なくとも１０、１２、又は１５；３０、２５、又は２０以下
Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ：ゼロ又は少なくとも１；１０以下
ＣａＯ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ：少なくとも１０又は１５；３０又は２５以下
ＴｉＯ_２：ゼロ又は少なくとも１；６、４、又は２以下
ＴｉＯ_２＋ＦｅＯ：少なくとも４又は６；１８又は１２以下
Ｂ_２Ｏ_３：ゼロ又は少なくとも１；５又は３以下
Ｐ_２Ｏ_５：ゼロ又は少なくとも１；８又は５以下
他：ゼロ又は少なくとも１；８又は５以下

本方法では、炉は、サイクロン炉として公知の構造を有し得る。特に、好ましくは実質的に円筒形である上部セクション、好ましくは実質的に円錐台形である中央セクション、及び好ましく実質的に円筒形である下部セクションを備える構造を有し得る。下部セクションには、鉱物溶融物を回収し、清澄化する（ｆｉｎｉｎｇ）ための溶融池が設けられていてもよい。

ガス燃料、酸化剤、及び鉱物原材料はすべて、好ましくは、炉の上部又は上部近辺から注入される。

好ましくは、各第二の注入ポートは、酸化剤と鉱物原材料とが一緒に注入されるように、第三の注入ポートと一体化される。この場合、ガス燃料は、注入される際に、酸化剤及び鉱物原材料の両方から分離される。

ガス燃料は、好ましくは、炉のフタを通して注入される。

炉の上部セクションでは、追加の燃料が注入されないことが好ましい。

追加のガス燃料は、炉の下部セクションに、通常は溶融池のすぐ上に、さらなる注入ポートを介して注入され得る。炉の上部に近い第一の注入ポートを通して注入される燃料から発生される本方法のためのエネルギーの割合は、通常、少なくとも４０％、好ましくは４５～５５％、特に約５０％である。

鉱物原材料及び酸化剤は、好ましくは、炉の本体側壁を通して注入される。

ガス燃料のための各注入ポートは、酸化剤のための入口部のいずれからも少なくとも２０度離れて配置される。この分離により、燃焼、及びそれによる熱の放出が、充分にゆっくり発生することが確保される。分離角は、炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定される。

フタを通してガス燃料を注入することは、さらに、炉に注入した瞬間におけるガス燃料と酸化剤との分離を促進する。この分離により、ガス燃料は熱エネルギーの放出を制御しつつよりゆっくりと燃焼し、その結果、鉱物原材料が鉱物材料入口部の閉塞にその後繋がり得る入口部での焼結を起こすよりもむしろ炉の内部で溶融する。側壁ではなくフタを通してガス燃料を注入することに対するさらなる利点は、炉の内壁の摩耗が大きく低減されることである。

ガス燃料が炉のフタを通して注入される場合、ガス燃料注入ポートは、フタから上向きに３０°～９０°の角度であってよい。ガス燃料と鉱物原材料及び酸化剤とのより良好な混合のためには、低い角度の方が好ましく、それによって、ガス燃料は、空気流を通して渦を巻き、制御された状態で燃焼して鉱物原材料を溶融する。３０°未満の非常に低い角度は好ましくなく、なぜなら、特に分厚い水冷式の炉のフタが用いられる場合に、より長い注入ランス（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｎｃｅ）が必要となるからである。

ガス燃料及び気体酸化剤は、化学量論比で又は超化学量論比（酸素過剰）で供給され得る。天然ガス対酸素富化空気の体積比としては、１：４～１：１５、特に１：５～１：８の範囲が、本発明の装置にとって特に適切であり得る。

ガス燃料及び酸化剤は、それぞれ独立して、２０～１００ｍ／秒、好ましくは４０～８０ｍ／秒の範囲内の注入速度を有し得る。粒子状原材料は、２０～６０ｍ／秒、好ましくは３０～４０ｍ／秒の範囲内の注入速度を有し得る。

図１は、本発明に係る炉の模式的上面図を示す。 図２は、本発明に係る炉の上部分の模式的垂直断面図を示す。 図３は、本発明に係る炉の模式図を示す。

本発明に係る例示的な炉を図に示す。

図１は、炉１の模式的上面図を示す。ガス燃料注入ポート２は、排気出口部４を中心に備えた炉のフタ３を通り抜けている。鉱物原材料及び酸化剤（空気又は酸素富化空気など）は、炉１の本体側壁の上部に位置する注入ポート５を介して、一緒に炉に注入される。概略円筒形である炉１の上部には、単一の連続する本体側壁が存在する。

ガス燃料注入ポート２は、互いから等しい角距離の間隔とされている。ガス燃料注入ポート２の間の分離角は、図１に角度Ａとして示される。この場合、４つのそのような注入ポート２が、炉の周囲に沿って等間隔に存在することから、それは９０°である。鉱物原材料及び酸化剤のための注入ポート５は、互いから等しい角距離の間隔とされている。注入ポート５の間の分離角は、図１に角度Ｂとして示される。この場合、４つのそのような注入ポート５が、炉の周囲に沿って等間隔に存在することから、それは９０°である。各注入ポート５が、最も近くにあるガス燃料注入ポート２から少なくとも２０度の角距離の間隔とされていることが分かるであろう。各注入ポートと最も近いガス燃料注入ポート２との間の分離角は、角度Ｃとして示され、この実施形態では、約４５°である。分離角は、この模式的上面図の中心点を中心に測定される。

鉱物原材料、酸化剤、及びガス燃料は、炉１に接線方向に注入され、サイクロンシステムで又はサイクロンシステムに近づきながら、循環流で移動する。ガス燃料注入ポート２の位置及び角度が意味することは、ガス燃料が酸化剤と鉱物原材料との流れの中に注入され、鉱物原材料がガス燃料の燃焼と共に溶融するように、よりゆっくりした混合及びエネルギー放出が促進されることである。

図２は、本発明に従う炉１の側面断面図を示す。鉱物原材料及び酸化剤（通常は、空気、酸素、又は酸素富化空気）は、ポート５を通して一緒に注入される。具体的には、この実施形態において、酸化剤は入口部５ａを通して、鉱物原材料は入口部５ｂを通して投入され、これら２つの成分は、炉１の上部セクション１ａに一緒に投入される。別の選択肢として（図示せず）、原材料は、酸化剤の入口部に隣接する位置から、フタ３を通して注
入され得る。酸素富化空気が酸化剤として用いられる場合、これは、入口部５ａで、空気流中に酸素を注入することによって実現することができる。

炉１の内部における材料の流動の全体的な方向も、図２に示す。酸化剤及び鉱物原材料が提供する流れの中に、炉のフタを通り抜けているポート２を介してガス燃料が注入される。注入ポート２の各々は、炉のフタから３０～９０度の角度Ｄで配置される。このことにより、燃料の燃焼から放出されるエネルギーが鉱物原材料を溶融させる一方で、燃料が、燃焼前に排気管４から吸引排出されることなく燃焼することで混合の遅延が可能となる。鉱物材料が溶融し、炉を中央セクション１ｂまで及び下部セクション１ｃ（図２には示さず）に落下する間、循環流は継続する。

図３は、炉１の外部の模式図を示す。概略円筒形の上部セクション１ａ、概略円錐台形の中央セクション１ｂ、及び概略円筒形の下部セクション１ｃが示される。鉱物原材料及び酸化剤のためのポート５、及びガス燃料のためのポート２は、炉１の上部に位置する。具体的には、ガス燃料ポート２は、炉のフタ３を通り抜けており、鉱物原材料及び酸化剤のためのポート５は、炉１の上部セクション１ａの本体側壁を通り抜けている。

溶融した鉱物材料を加熱し、精製（ｒｅｆｉｎｅ）するために、さらなるバーナー又は電極などの追加の加熱装置が、中央セクション１ｂ及び／又は下部セクション１ｃに実装されてもよい。しかし、一次燃料源は、ガス燃料であり、鉱物材料を溶融するためのエネルギーは、炉１の上部又は上部近くから注入されるガス燃料によって供給される。

下部セクション１ｃには、鉱物溶融物のための出口部６が備えられる。図３では、出口部６は、サイフォンの形態を取っている。出口部６は、別の選択肢として、炉１の基部に備えられていてもよい（図示せず）。

鉱物溶融物は、内部遠心装置（紡糸カップ（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｐ））又は外部遠心装置（カスケード紡績機（ｃａｓｃａｄｅ ｓｐｉｎｎｅｒ））などの繊維化装置に輸送され得る。そこで、鉱物溶融物は、従来の方法で繊維に変換され、続いて、やはり従来の方法で、鉱物繊維製品へと形成することができる。

Claims (15)

1. 鉱物溶融物の製造方法であって、
   サイクロン炉、粒子状鉱物原材料、ガス燃料、及び酸化剤を提供する工程、
   ガス燃料を、１又は複数の第一の注入ポートから前記炉に注入する工程、
   酸化剤を、１又は複数の第二の注入ポートから前記炉に注入する工程、
   鉱物原材料を、１又は複数の第三の注入ポートから前記炉に注入する工程、
   前記ガス燃料を、前記酸化剤と共に燃焼させ、それによって前記鉱物原材料を溶融する工程、
   を含み、
   前記ガス燃料、酸化剤、及び鉱物原材料はすべて、前記炉の上部に注入され、
   前記サイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、前記第二の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、前記１又は複数の第二の注入ポートから間隔をあけられていることを特徴とする、方法。
2. 各第二の注入ポートが、第三の注入ポートと一体化されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記サイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、前記第三の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、前記１又は複数の第三の注入ポートから間隔をあけられている、請求項１に記載の方法。
4. 前記１又は複数の第一の注入ポートを通して注入された前記ガス燃料が、前記炉中のエネルギーの少なくとも４０％、好ましくは少なくとも５０％を供給する、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記炉が、本体及びフタを備え、前記第一の注入ポートが、前記フタを通り抜けている、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記炉が、本体壁を有する本体及びフタを備え、前記本体が、上部セクション、中央セクション、及び下部セクションを備え、前記第二及び第三の注入ポートが、前記本体壁の前記上部セクションを通り抜けている、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記１又は複数の第一の注入ポートの各々が、前記炉の前記フタから３０～９０度の角度で配置される、請求項５に記載の方法。
8. 前記鉱物原材料が、重量％の単位で以下の組成：
   ＳｉＯ_２：３０～５１
   Ａｌ_２Ｏ_３：少なくとも１４、１５、１６、又は１８；３５、３０、２６、又は２３以下
   ＣａＯ：８～３０
   ＭｇＯ：２～２５
   ＦｅＯ（Ｆｅ_２Ｏ_３を含む）：４～１５
   ＦｅＯ＋ＭｇＯ：１０～３０
   Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ：１０まで
   ＣａＯ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ：１０～３０
   ＴｉＯ_２：６まで
   ＴｉＯ_２＋ＦｅＯ：４～１８
   Ｂ_２Ｏ_３：５まで
   Ｐ_２Ｏ_５：８まで
   他：８まで、
   を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記酸化剤が、空気、酸素、又は酸素富化空気であり、好ましくは酸素富化空気である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 鉱物原材料を溶融するためのサイクロン炉であって、
    炉本体、炉のフタ、ガス燃料を前記炉に注入するための１又は複数の第一の注入ポート、酸化剤を前記炉に注入するための１又は複数の第二の注入ポート、及び鉱物原材料を前記炉に注入するための１又は複数の第三の注入ポート、を備え、
    前記炉本体は、上部セクション、中央セクション、及び下部セクションを備えており、
    前記サイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、前記第二の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、前記１又は複数の第二の注入ポートから間隔をあけられていること、並びに
    前記第一の注入ポート、前記第二の注入ポート、及び前記第三の注入ポートの各々が、それぞれ、前記ガス燃料、前記酸化剤、及び前記鉱物原材料を前記炉の前記上部に注入するように構成されていること、
    を特徴とする、サイクロン炉。
11. 各第二の注入ポートが、第三の注入ポートと一体化されている、請求項１０に記載のサイクロン炉。
12. 前記サイクロン炉の中心を通る垂直軸線を中心に測定した場合に、前記第三の注入ポートのいずれからも２０度未満の分離角である第一の注入ポートが存在しないような分離角で、各第一の注入ポートが、前記１又は複数の第三の注入ポートから間隔をあけられている、請求項１０又は請求項１１に記載のサイクロン炉。
13. 前記炉が、本体壁及びフタを備え、前記第一の注入ポートが、前記フタを通り抜けている、請求項１０～１２のいずれか一項に記載のサイクロン炉。
14. 前記１又は複数の第一の注入ポートの各々が、前記炉の前記フタから３０～９０度の角度で配置される、請求項１３に記載のサイクロン炉。
15. 前記炉が、本体壁及びフタを備え、前記本体壁が、上部セクション、中央セクション、及び下部セクションを備え、前記第二及び第三の注入ポートが、前記本体壁の前記上部セクションを通り抜けている、請求項１０～１４のいずれか一項に記載のサイクロン炉。