JP2749448B2 - 大量、低速、乱流火炎による炉の酸素／燃料燃焼 - Google Patents

大量、低速、乱流火炎による炉の酸素／燃料燃焼

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JP2749448B2 JP6508207A JP50820794A JP2749448B2 JP 2749448 B2 JP2749448 B2 JP 2749448B2 JP 6508207 A JP6508207 A JP 6508207A JP 50820794 A JP50820794 A JP 50820794A JP 2749448 B2 JP2749448 B2 JP 2749448B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本出願は、フォアハースにおけるガラスの酸素／ガス
燃焼と題する1992年９月14日に出願された出願番号第07
/944,511号の一部継続出願である。
発明の分野 本発明は、炉を加熱してガラスの様な材料を融解、精
製、酸素／燃料燃焼する装置および方法に関する。
発明の背景 気体または液体燃料用の酸化体として比較的純粋な酸
素、少なくとも90％の酸素を使用する炉の燃焼におい
て、所望の結果を達成するために、米国特許第3,592,62
2号、第4,376,205号、第4,531,960号、第4,541,796号、
第4,622,007号、第4,642,047号、第4,690,635号、第4,7
61,132号、第4,986,748号、第5,145,361号、第5,147,43
8号に記載されている様なさまざまなバーナー、およびC
ombustion Tec.Inc.のCleanfire（商標）バーナーを使
用することが知られている。これらのバーナーはすべて
酸素を炉の中の、燃料流のすぐ近くに導入し、エネルギ
ーが濃縮された強烈な火炎を炉の中に形成する。これら
のバーナーの幾つかを炉壁中に間隔を置いて配置し、燃
焼させると、複数の強烈な火炎が、その火炎の境界間に
ある比較的低温の空間と共に形成される。この条件は、
ガラス溶融の様な用途に対する以前の空気−燃料燃焼技
術よりは改良されているが、炉およびその炉中にある加
工製品の温度均一性を改良するための余地をなお残して
いる。
発明の簡単な要旨 本発明は、新規で改良された炉の燃焼機構および炉の
燃焼方法に関する。本発明は、広範囲な炉に適用できる
が、特にガラス溶融工程の様な溶融工程に使用する炉に
適している。
本発明では、従来型の酸素−燃料バーナーは使用しな
い。その代わりに、プロパンまたは天然ガスの様な燃料
の流れがノズルまたはパイプを通して炉の中に導入され
る位置から離れた位置において、炉の壁および／または
屋根のひとつ以上を通して酸素の流れが炉の中に導入さ
れる。酸素および燃料の流れを分離することにより、ガ
スが炉の壁またはクラウンから安全な距離に来るまで、
実質的な燃焼を引き起こすのに十分な濃度で酸素が天然
ガスと接触しない。これによって、炉の耐火材は、燃焼
が壁の近くまたはバーナーブロック中で始まる先行技術
の酸素−燃料燃焼炉よりも低温に維持される。好ましく
は、流れまたはノズルは、壁および／または屋根の中で
少なくとも６インチ、（約152ミリメートル）通常は少
なくとも10インチ（約254ミリメートル）離して配置さ
れる。
燃料および酸素用のノズルは、炉中で従来使用されて
いる空気−燃料または酸素−燃料バーナー機構から来る
火炎よりも、より多くの加工製品区域を覆い、またはよ
り多くの炉の容積を満たす火炎群が炉中に発生する様に
配置および制御される。ここで使用する火炎群は、寸法
および体積は僅かに変化するが、密度は極めて一様であ
る火炎の三次元的で動的な集合体を意味する。好ましく
は、各燃料流は少なくとも１個の酸素流に隣接し、各酸
素流は少なくとも１個の燃料流に隣接する。多くの組合
せが可能であるが、一様な温度の火炎群を発生させるの
に最も好ましい配置では、酸素流が炉の中央部分で燃料
流と連続的に衝突する様に酸素ノズルを実質的に、好ま
しくは本質的に燃料ノズルと対向させて配置し、この配
置を他のノズル対で反復し、所望の火炎群パターンを達
成する。また、ノズルまたは注入装置の各対に対する燃
料および酸素の流量を調整し、炉中に所望の温度プロフ
ィールを形成することができる。
本発明は、酸素または少なくとも75％の酸素を含む酸
素濃度の高い空気混合物、および天然ガス、プロパン、
または噴霧したまたは蒸発させた燃料油を使用してガラ
スの前駆物質を融解させるのに特に好適である。
図面の簡単な説明 図１は、先行技術のガラス溶融炉の平面図である。
図２は、酸素−燃料バーナーを使用する類似のガラス
溶融炉の平面図である。
図３は、本発明の好ましい実施態様によるガラス溶融
炉の平面図である。
図４および５は、図３に示す実施態様の炉中に酸素お
よび気体状燃料を注入するのに使用する、好ましいノズ
ルを示す。
図６は、本発明の燃焼機構を使用する精製チャネルお
よびブッシングフィーダーの一部を示す平面図である。
図７および８は、図６に示す機構の変形を示す部分平
面図である。
発明の詳細な説明 図１は、先行技術のガラス溶融炉10を示す、非常に簡
素化した平面図である。この長方形の炉10は、後壁12、
２個の側壁13、前壁14、および図には示していないが通
常のクラウンおよび底部からなる。壁はすべて通常の方
法により耐火性材料で構築されている。天然ガスの様な
燃料、および空気または酸素を使用するバーナー19は側
壁13中に位置し、燃焼し、ガラス形成材料を融解させ、
かつ得られた溶融ガラスを所望の製品に形成される様
に、精製されるのに必要な熱を与える。バッチ材料15
は、公知の方法で後壁12中の２個以上の開口部を通して
炉10の中に計量供給され、バッチカバー16を形成し、こ
のバッチカバーは、炉10を長さ方向で下方に移動し、こ
の間に、最後の未溶融材料がバッチライン17で消失する
まで徐々に融解していく。溶融ガラス18は炉の中を長さ
方向でさらに下方に移動し、より均質になり、気泡やシ
ードが無くなり、前面壁14中のスロート11を通してフォ
アハースまたはフィーダー（図には示していない）中に
放出され、そこでガラスは所望の温度に調整され、成形
装置に搬送される。
この先行技術の炉では、バーナー19に燃料と空気の予
備混合物、燃料および空気の別な流れ、または燃料およ
び酸素の別な流れを供給することができる。エネルギー
効率がより高く、環境的にも好ましいので、空気の代わ
りに比較的純粋な酸素を使用することが非常に多くなっ
ている。空気は燃焼反応に貢献しない約79％の窒素を含
む。反対に窒素は大量のエネルギーを吸収し、処理しな
ければならない排ガスの量を著しく増加させる。また窒
素には、有害で、除去するのに非常に経費がかかる窒素
酸化物を形成する傾向がある。空気燃焼式バーナーの使
用により生じるこれらの問題点のために、工業界では空
気の多くまたは全部を置き換えるために比較的純粋な酸
素を使用し始めており、酸素使用の正味原価が低下する
につれて、この傾向が加速している。
図２は、図１に示すものと類似しているが、図１に示
すより多くの空気−燃料バーナー19の代わりに100％酸
素−燃料バーナー21を使用するガラスタンク20を示す。
分かり易くするために、これら２基の炉の対応する部分
は同じ番号で示してある。酸素−燃料バーナー21および
各バーナーに対する流量調節装置は非常に高価である。
この理由から、および酸素−燃料バーナーの火炎温度は
空気−燃料バーナーのそれよりもはるかに高いので、酸
素−燃料バーナーを使用する場合、酸素−燃料バーナー
を空気−燃料バーナーよりも広く間隔を置いて配置する
ことにより、バーナーの数を少なくするのが一般的であ
る。酸素−燃料バーナーが空気−燃料バーナーよりも高
価である理由の一つは、ガスがバーナーの末端を通過す
るまで、好ましくはガスが側壁13の内側近くになる、ま
たはそこを越えるまで、燃料流を酸素流から離しておく
必要があるためである。これによってバーナーや側壁を
ひどく損傷させることがある、バーナーまたは壁の内側
における燃焼が防止される。
酸素−燃料燃焼は、空気−燃料燃焼に対して多くの優
位性を有するが、それでも幾つかの面で改良を必要とし
ている。その一つは、バーナーが高価なことであり、及
びバーナーの不調または欠陥がバーナーを壊すだけでは
なく炉の側壁に経費のかかる損傷を与える危険性がある
ことである。また、溶融ガラス表面の温度を変動させ
る、ガラス上の雰囲気の温度が著しく変動することは重
大である。これは、どの酸素−燃料火炎も華氏5000度を
超え、バーナーが空気−燃料バーナーよりも広く間隔を
置いて配置され、火炎からの放射は放射源からの距離の
２乗により減少し、酸素−燃料バーナーから来る火炎パ
ターンが一般的に円筒形で、次第に拡大する円錐台に近
い形状を有するために起こる。そのため、炉中で、高温
の火炎パターンの間に、その火炎パターンよりも著しく
低温の区域がある。
本発明は、安価なガスノズルを独特な方法で使用し、
加工製品に熱エネルギーをより均一に与える火炎群を形
成することにより、これらの欠点を克服する。各ノズル
は酸化体だけを、または燃料だけを含むので、早く燃焼
し過ぎること、およびその早過ぎる燃焼により引き起こ
され得る損傷および危険な状況が生じない。
図３は、溶融ガラス製造用のガラスタンク22に使用し
た、本発明の好ましい実施態様を示す。このタンクまた
は炉22は、従来のバーナー９および21が使用されていな
い以外は、図１および図２に示す炉と同一である。代わ
りに、バーナー９および21は、比較的近い間隔で配置さ
れたノズルまたは23、24および25で置き換えられてい
る。ノズル23、24および25は、通常少なくとも10インチ
（約254ミリメートル）離して、数フィートまで離して
配置する。ノズルの間隔は、炉22のノズル23、24および
25を含む部分において、バッチおよび溶融ガラスの上表
面の少なくとも50％、好ましくは70％、最も好ましくは
少なくとも80％をカバーする火炎群または火炎の覆いが
形成される様に選択する。
ノズル23、24および25には単にある長さのパイプであ
り、高温酸化および腐食に耐える様に好ましくはステン
レス鋼または他の耐火性金属からなり、好ましくはノズ
ル23、24および25は図４および５に示す形状を有する。
図４は、ガラスタンク中の耐火性側壁の一部を切り取っ
た状態を示す。２つの側面27、28および出口末端29を有
するノズル26は側壁中に配置され、ノズルの出口末端29
が、側壁の内側表面30と同じ面に、またはその内側に位
置する。ノズル21の入口末端は図に示していないが、所
望により丸くして供給パイプ部分に取り付け易くするこ
とができる。ノズル26の出口末端29の形状により、噴出
する燃料または酸化体が扇形のガス流を形成し、これが
ノズル出口29から遠ざかるにつれて水平面内で広がる
か、垂直方向にはほんの僅かしか広がらない。燃料およ
び酸化体の交互の扇つまり流れが互いに接触する時に燃
焼が起こり、バッチカバーまたは溶融ガラスの表面のす
ぐ上で火炎群を形成し、加工製品への放射によるエネル
ギー移動を最大にし、炉の耐火性クラウンへの放射によ
るエネルギー移動を最小に抑える。溶融ガラスプールと
ノズル底部の距離は少なくとも２〜12インチ（約51〜約
305ミリメートル）にすべきである。
ノズル23、24および25に使用できる別のノズル実施態
様を図５に示す。ノズル31は細長い長円形の出口末端32
を有する。上記の目的に好適な他のノズル形状は当業者
には明らかである。
再び図３に関して、ノズル23は工業等級の酸素流33を
溶融装置中に注入し、ノズル24は天然ガスまたはプロパ
ン流34を溶融装置中に注入するのに使用される。噴霧ま
たは気化された燃料油または他の公知の気体状燃料もノ
ズル24に使用できる。ノズル25は、所望により酸素の注
入に使用され、それぞれの気体状燃料の流れがその両側
に酸素流を有し、得られた火炎群の中で完全燃焼が確保
される様にする。注意すべきは、この好ましい実施態様
では、それぞれの側壁13中のそれぞれの気体状燃料ノズ
ル24に、反対側の側壁13中のノズル23が対向する、また
は実質的に対向していることである。これによって、炉
の中央部分で対向する流れが最終的に良く混合され、火
炎35の群を形成する。この実施態様では、ノズル23、24
および25を通るガス流が冷却効果を有し、流れ33および
34は、壁13の作動表面から遠く離れる36まで互いに接触
しないので、壁13は過熱されない。これらの流れが交差
する点、つまり区域36は側壁３の内側から少なくとも12
インチ（約305ミリメートル）離れているのが好まし
い。この高温雰囲気中の遅延燃焼により、燃料流中の燃
料が分解し、揮発成分および非常に小さな炭素粒子が形
成され、これらが通常の燃料よりも遅い速度で燃焼する
ことにより、より明るく輝く火炎群を生じる。この発光
増加により、溶融ガラスおよびガラス被覆されたガラス
バッチによる放射移動効率が増加する。炉22の壁13に隣
接する区域37には燃焼または火炎はほとんど存在しな
い。側壁の近くに著しい燃焼がないこと、ならびにノズ
ルがガラスラインのすぐ近くに位置すること、および垂
直寸法が小さい、狭い扇状のガス流を形成するノズルの
形状の共同作用により、耐火性の壁およびクラウンが、
先行技術の酸素−燃料炉の最高温部分よりもはるかに低
温に維持される。
本発明の好ましい方法では、ノズル23、24および25
は、後壁12から始まり、側壁13の長さに沿って約２分の
１〜３分の２までしか伸びていない。これによって、火
炎群35は、溶融バッチ上の、最も多くのエネルギーが必
要とされるバッチライン17を丁度越えた辺りに位置す
る。溶融ガラス18は、火炎群を越え、前壁14の出口スロ
ートに向かって移動する時に、ある程度冷却され、脱気
し、均質化する時間を必要とする。
運転の際、ノズルに供給される酸素および気体状燃料
の量を調整し、炉中に所望の温度を発生させ、燃焼中に
化学量論的な条件、または燃焼中にやや過剰の酸素をも
たらす。対向する、または実質的に対向するノズルの各
組へのガスの流れを、火炎群35の長さに沿って所望の温
度プロフィールが形成される様に調整し、変えることが
できる。本発明におけるノズル23、24および25に対する
流量制御装置は、各バーナーが酸素および天然ガスの両
方に関して流量制御を必要とする従来の酸素−燃料バー
ナーに対する流量制御装置よりもはるかに安価な、通常
のガス流量制御装置である。
本発明のもう一つの用途は、ここに参考として含める
米国特許第4,375,369号に示される様な炉の、溶融ガラ
ス精製区域および成形区域またはフォアハースである。
耐火性材料でライニングしたチャネルが溶融ガラスを精
製させ、所望の温度に調整しながら、ガラス繊維、びん
等のガラス製品を製造する複数の成形装置に搬送する。
これらのチャネルおよびフォアハースにおける熱損失の
ために、これまではバーナーを設置してガラスの温度を
調節する必要があった。均一なガラス温度を維持するこ
とが極めて重要なので、多くの小さなバーナーを設置
し、より多くの火炎で覆うのが一般的な方法であった。
各小型バーナーにガスおよび空気をパイプ供給するのは
非常に経費がかかり、空気／ガス混合機構にバックファ
イヤを防止するための高価な安全装置が必要となること
が多かった。そのような機構は高価であるのみならず、
爆発や有害な掃気発火を防止するために注意深い保守が
必要であり、これらの問題点は、酸化体として空気の代
わりに酸素または酸素濃度の高い空気を使用する場合に
は大きく増大する。
図６は、その様なフォアハースチャネルおよび繊維成
形フィーダーチャネルへの本発明の応用を示している。
溶融したガラスが、ガラス面下に潜っているスロート38
を通して炉10から排出され、フォアハースチャネル40を
流れ下る。チャネル40は、そこに接続された複数の繊維
成形フィーダーチャネル42を有する。これらのチャネル
40および42の壁には最高ガラス面のすぐ上にパイプまた
はノズルが、図13のガラス溶融装置で示した方法で設置
されている。チャネル40および42に沿ったすべての他の
ノズル44は工業等級の酸素、または少なくとも50％の酸
素、好ましくは少なくとも80％の酸素、最も好ましくは
少なくとも90％の酸素を含む酸素／空気混合物をチャネ
ル中に供給し、その間にあるノズル43は気体状燃料をチ
ャネル中に供給する。この配置により、先行技術のバー
ナー機構から得られる火炎よりも、少ないノズルでより
多くの溶融ガラスをカバーする火炎が形成される。各酸
素ノズル44には、反対側のチャネル壁上にある燃料ノズ
ル43が対向、または実質的に対向している。これは好ま
しいノズル配向である。所望により、チャネルを区域に
分割し、一つの区域内のノズルを共通の酸素流量制御装
置および共通の燃料流量制御装置と組合せることができ
る。
図７および８は本発明の他の実施態様を説明する。こ
れらの実施態様では、酸素ノズル44は反対側の壁上の燃
料ノズル43と実質的に対向していない。図７では、各酸
素ノズル44は他の酸素ノズル44と対向しており、各燃料
ノズル43も同様に他の燃料ノズル43と対向している。各
燃料ノズル43は少なくとも１個の隣接する酸素ノズル44
を有する。図８では、どのノズルも反対側の壁上の他の
ノズルと実質的に対向しておらず、ノズルは互いにずれ
ている。
ここに示す実施態様のいずれにおいても、ノズルは、
共通の壁中に配置される場合、少なくとも10インチ（約
254ミリメートル）、好ましくは少なくとも12インイチ
（約305ミリメートル）、最も好ましくは少なくとも16
インチ（約406ミリメートル）離すことが重要である。
共通の壁中に配置されるノズルのすべてが水平面上に整
列するか、あるいは共通の水平面のせいぜい数インチ以
内に配置されるのが好ましい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハリー アール スウィシャー ジュニ ア アメリカ合衆国，26101 ウエスト バ ージニア，パーカースバーグ，トゥエン ティナインス ストリート 3006 (56)参考文献 特開 平１−300109（ＪＰ，Ａ) 英国特許143049（ＧＢ，Ｂ)

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基体状燃料を、少なくとも80パーセントの
    酸素を含む酸化体で燃焼させ、燃焼生成物を排出するこ
    とにより、酸素−燃料燃焼を用いて炉内で材料を加熱す
    る方法において、該酸化体及び該気体状燃料を複数のノ
    ズルを通して別々に該炉内に導入し、該複数のノズルは
    該気体状燃料のための少なくとも１個の燃料ノズルと、
    該酸化体のための少なくとも２個の酸化体ノズルとから
    なり、該複数のノズルは、該複数のノズルが配置されて
    いる前記炉の壁または天井から安全な距離になるまでは
    各酸化体ノズルからの酸化体が該少なくとも１個の燃料
    ノズルからの気体状燃料と実質的な燃焼を起こすのに十
    分な濃度で接触しない様、同一の壁中では互いに少なく
    とも約152ミリメートル離して配置し、前記複数のノズ
    ルの少なくとも３個を使用し、その際該酸化体ノズルの
    数を該燃料ノズルの数と少なくとも等しくし、かつ該酸
    化体ノズルの各々が少なくとも１個の該燃料ノズルに隣
    接する様に前記複数のノズルを配置し、前記炉22の該複
    数のノズル23及び24を有する部分にある前記材料の少な
    くとも70パーセントを覆う火炎群35を形成するように該
    複数のノズルを作動させることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】各燃料ノズルが、前記炉の別の壁中に配置
    された酸化体ノズルと実質的に対向している請求項１記
    載の方法。
  3. 【請求項３】前記別の壁が、前記燃料ノズルが配置され
    ている壁と対向する側壁である請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】前記材料がガラス前駆体材料からなり、加
    熱されて、前記ガラス前駆体材料により部分的に覆われ
    た溶融ガラスのプールを形成し、前記複数のノズルが、
    それらノズルの底縁部が前記プールの上部表面の約51乃
    至約305ミリメートル上にある様に配置する請求項３記
    載の方法。
  5. 【請求項５】前記複数のノズルが、前記複数のノズルか
    ら遠ざかるにつれて水平方向に広がるが、垂直方向には
    殆ど広がらない気体状の流れを形成する形状を有する請
    求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】前記火炎群35が前記炉22の前記複数のノズ
    ル23及び24を有する部分にある前記材料の少なくとも80
    パーセントを覆う請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】前記炉が１個の後壁と２個の側壁とを有
    し、前記複数のノズルが該各側壁の一部分に間隔をおい
    て配されており、該一部分が前記炉の該後壁から始まる
    該各側壁の長さの３分の２以下である請求項５記載の方
    法。
  8. 【請求項８】前記材料が溶融ガラスであり、前記炉が該
    溶融ガラスを調整し、搬送するためのフォアハースであ
    る請求項３記載の方法。
  9. 【請求項９】前記複数のノズルの底縁部が、前記溶融ガ
    ラスの上部表面から約51乃至約305ミリメートル以内に
    ある請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記少なくとも１個の燃料ノズルと前記
    各酸化体ノズルとが、気体状燃料と酸化体の別々の流れ
    であって、該酸化体と燃料の別々の流れが前記各酸化体
    ノズルから、また前記少なくとも１個の燃料ノズルから
    遠ざかるつれて水平方向に広がるが、垂直方向には殆ど
    広がらない流れを形成する形状を有する請求項９記載の
    方法。
  11. 【請求項１１】前記複数のノズルを、前記溶融ガラスの
    表面の少なくとも80パーセントを覆う火炎群35を形成す
    る様に配置し、作動させる請求項10記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記材料が溶融ガラスと溶融ガラスのた
    めの前駆体とであり、前記少なくとも１個の燃料ノズル
    が、前記炉の１個の側壁中に、該少なくとも１個の燃料
    ノズルの軸の延長が、対抗する側壁に配置された１個の
    ノズルとは離れた点で該対向する側壁に当たる様に配置
    されている請求項１記載の方法。
  13. 【請求項１３】内部に収容される材料を酸素−燃料燃焼
    により加熱するための炉であって、該炉の１個以上の壁
    に配置された、酸化体及び燃料の各流れを別々に該炉内
    に導入するための少なくとも３個のノズルを有し、該複
    数のノズルは少なくとも１個の燃料ノズルと複数の酸化
    体ノズルとからなり、該少なくとも１個の燃料ノズルは
    同一の壁に配置された該各酸化体ノズルから少なくとも
    約152ミリメートル離してあり、各燃料ノズルに対して
    少なくとも１個の酸化体ノズルが存在することを特徴と
    する炉。
  14. 【請求項１４】各燃料ノズルが、炉の別の壁に配置され
    た酸化体ノズルと実質的に対向している請求項13記載の
    炉。
  15. 【請求項１５】前記別の壁が、前記燃料ノズルが配置さ
    れている側壁と対向する側壁であり、該各側壁の前記複
    数のノズルが同一の壁中において互いに少なくとも約25
    4ミリメートル離れている請求項14記載の炉。
  16. 【請求項１６】前記炉がガラス炉であり、且つ前記複数
    のノズルが、各ノズルの底縁部が、前記ガラス炉内の溶
    融ガラスのプールの上部表面より約51乃至約305ミリメ
    ートル上になる様に配置されている請求項15記載の炉。
  17. 【請求項１７】前記各酸化体ノズルが酸化体の流れを放
    出し、前記各燃料ノズルが気体状燃料の流れを放出し、
    それら流れは、前記複数のノズルの形状のために、それ
    ら流れが前記複数のノズルから遠ざかるにつれて水平方
    向に広がるが、垂直方向には殆ど広がらない流れである
    請求項16記載の炉。
  18. 【請求項１８】前記複数のノズルが、前記炉22の前記複
    数のノズル23及び24を有する部分にある前記材料の少な
    くとも80パーセントを覆う火炎群35を形成するように配
    置されている請求項17記載の炉。
  19. 【請求項１９】前記複数のノズルが前記炉の少なくとも
    ２個の対向する壁に配置されており、該各ノズルの軸の
    延長が、対抗する該壁に配置されたいずれのノズルとも
    離れた点で該対向する壁に当たっている請求項13記載の
    炉。
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