JP3823335B2 - ガラス溶融炉の二次空気湿度制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガラス製造用の溶融炉における二次空気湿度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス製造に用いられる蓄熱室を有する溶融炉では、燃焼排出ガスを、蓄熱室を通過させることにより蓄熱煉瓦に熱を吸収させ、その後の燃焼方向の交換の際に高温となった蓄熱室に燃焼用二次空気を通過させることにより二次空気の予熱及び廃熱回収を行っている。
【０００３】
前記溶融炉によって生成されるガラス製品の品質を高く保つためには、溶融炉の操業状態が安定してることが望ましいが、安定操業の障害となり溶融炉の操業状態を変動させる様々な要因が存在し、その一つに、燃焼用二次空気が溶融炉に吹き込まれる際の温度（吹き出し温度）の変動がある。
【０００４】
従来、前記吹き出し温度の変動の要因と考えられていたのは、大気の温度変動であり、蓄熱室入り口での二次空気温度が主として大気の温度に比例して変化するため、結果として吹き出し温度が変化するという問題があった。この大気の温度変動に起因した吹き出し温度変動の防止を目的とし、熱交換器を通過させた高温空気を用い、その高温空気と大気との混合割合を制御することにより、蓄熱室入り口における二次空気温度を一定に制御し、吹き出し温度の安定化を図る方法が知られている。
【０００５】
しかし、最近になって、この大気の温度変動と同様に、大気の湿度変動が溶融炉の温度に影響を及ぼす場合があることを本発明者らが発見した。これは、雨天時には溶融炉内の温度が上昇することに気付いたことをきっかけにして見出された現象である。これは当然ながら溶融炉の安定操業を妨げるため、好ましくない現象である。
【０００６】
詳しく調査した結果、大気の湿度変動に起因した吹き出し温度の変動は、引き出し素地量２００ｔ／ｄａｙクラスの溶融炉では日間変動レベルの湿度差により最大１０℃程度の変動幅を持っていることが判った。
【０００７】
ここで、湿度変動が溶解槽に及ぼす影響のメカニズムを考える。蓄熱室内での二次空気加熱における高温煉瓦から二次空気への熱伝達は、主として接触による対流熱伝達により行われている。しかし、蓄熱煉瓦の大部分が１０００℃を超える高温であるため、水蒸気の持つ輻射能が濃度とともに変化すると熱伝達も変化するものと推測される。
【０００８】
すなわち、Ｈ₂ Ｏ濃度が高い場合には蓄熱煉瓦から二次空気への輻射による伝熱量が多くなり、濃度が低い場合には輻射伝熱量が少なくなって、蓄熱通過後の温度が変わるのではないかと考えられる。なお、大気中に含まれる他の輻射性成分としてＣＯ₂ があるが、これは水蒸気と異なり変動が少ないため温度変動の要因とはなり得ない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来未解明でありかつ問題となっていた前記の大気の湿度変動に起因した溶融炉の微妙かつ有害な温度変動を防ぐことを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、二次空気供給用のダクトに、ガラス溶融炉の蓄熱室又は熱交換器へ供給される燃焼用の二次空気の絶対湿度を検出するための温度・湿度センサーと、前記温度・湿度センサーよりもダクトの二次空気の流れの上流側に設けられた水分を二次空気に供給する加湿装置と、を設置するとともに、前記加湿装置へ供給する加湿用スチームの流量を変化させるバルブと、前記温度・湿度センサーの出力から相対湿度を絶対湿度に変換し、前記絶対湿度と制御目標値との偏差を求めてバルブを制御する指示調節計と、を備えることを特徴とするガラス溶融炉の二次空気湿度制御装置を提供する。
【００１１】
本発明においては、前記温度・湿度センサーは二次空気供給用のダクトの側部に設けられ、前記加湿装置は前記ダクトの温度・湿度センサーよりもダクトの二次空気の流れの上流側の側部に設けられてなることが好ましい。
【００１２】
また、前記絶対湿度が５〜２５ｇ／Ｎｍ³となるように加湿用スチームの流量をフィードバック制御することが、水の輻射による輻射熱量を制御し二次空気の温度変動を安定化するうえで好ましい。特に外気の温度・湿度がともに低い冬期及びそのような外気状態の場合には絶対湿度が５〜１０ｇ／Ｎｍ³程度となるように制御するのが好ましく、春秋及びそのような外気状態の場合には１０〜２０ｇ／Ｎｍ³程度となるように制御するのが好ましく、外気の温度・湿度ともに高い夏期及びそのような外気状態の場合には２０〜２５ｇ／Ｎｍ³程度となるように制御するのが好ましい。
【００１３】
本発明はまた、前記二次空気湿度制御装置を有するガラス溶融炉を提供する。前記二次空気湿度制御装置を有するガラス溶融炉は、結果的に二次空気の温度変動が安定化し、溶融炉の安定操業が可能となり、さらに燃料の削減による省エネルギー効果、安定操業による素地欠点の低下といった優れた効果を発揮する。
【００１４】
本発明において、ガラス溶融炉は、燃焼前に二次空気を暖めるための蓄熱室を備えたものが好ましく、また蓄熱室がなくても熱交換器により二次空気を暖める換熱式ガラス溶融炉であってもよい。さらに、蓄熱室と熱交換器の両方を備えたガラス溶融炉であってもよい。
【００１５】
本発明における二次空気湿度制御装置は、二次空気供給用のダクトに加湿装置を設置し、ダクトの下流側に湿度センサーを配置することで加湿量のフィードバック制御を行うのがよいが、その他の構成・方法で制御してもよい。
【００１６】
加湿装置としては、二次空気量が多い場合には加湿量が多くなるため、スチームをノズルから噴出させる方法が好ましいが、充分な加湿能力を備えていれば他の装置でもよい。
【００１７】
湿度センサーの設置位置としては、加湿器により添加された水分が二次空気と充分に混合されて、湿度が一様になっているような位置がよい。制御目標の湿度としては絶対湿度を用いるのが不可欠であるが、二次空気温度が一定に制御されている場合には相対湿度でもよい。
【００１８】
大気の湿度変動分の補償を目的とする場合には、制御目標として設定する絶対湿度は１年を通じて変更しないことが最も好ましいが、このときには真夏の雨天に照準を合わせて制御目標を２５ｇ／Ｎｍ³ 程度に設定する。この場合、冬の最も湿度が低い気象条件では絶対湿度が１ｇ／Ｎｍ³ 程度になることから、湿度制御の幅が大きく加湿器に充分な能力があることが条件となる。例えば、二次空気流量が１５０００Ｎｍ³ ／ｈの場合には１５０００×２５＝３７５ｋｇ／ｈの加湿能力が必要となる。
【００１９】
しかし、加湿器の能力に制限があり上記目標を達成不可能な場合や、二次空気温度が低くダクト内での結露が問題となる場合などにおいては、季節などに応じて制御目標の絶対湿度を変更することが望ましい。この場合の湿度制御量は、雨天・晴天の差である５〜７ｇ／Ｎｍ³ 程度を補償できることを最低条件とし、少なくとも５ｇ／Ｎｍ³ 、好ましくは１０ｇ／Ｎｍ³ 程度以上の湿度制御が可能であることが要求される。例えば、二次空気流量が１５０００Ｎｍ³ ／ｈの場合には１５０００×１０＝１５０ｋｇ／ｈの加湿能力が必要となる。
【００２０】
本発明の二次空気湿度制御装置は、大気の湿度変動分を補償する一定制御のみならず、蓄熱室での廃熱回収効率の向上による省エネルギー効果を狙った設定や、溶融炉内部の温度制御を目標とした予熱二次空気の持ち込み顕熱量の制御など広範囲な応用が可能である。
【００２１】
【作用】
本発明において、二次空気中に添加されたＨ₂ Ｏ分子は輻射性成分であるため、蓄熱室、熱交換器等の二次空気暖気装置又は高温の二次空気通路を通過する場合、二次空気予熱の期間において１０００℃を超える高温となった蓄熱煉瓦、熱交換器内壁面又は高温の二次空気通路内壁面等からの輻射熱伝達を受けることになり、二次空気中のＨ₂ Ｏ濃度を一定に制御することにより輻射伝熱量が一定となり、吹き出し温度の変動が防止できる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例にしたがって説明する。図１は本発明の二次空気湿度制御装置の概略的構成を示すブロック図である。図１で１はスチーム噴出方式を用いたノズル型の加湿器であり、冷却によるドレンの生成を防止するために保温用スチーム２配管を抱き合わせた構造を有する。この加湿器１のノズル部分は二次空気ダクト３の側部から内部に挿入されており、二次空気５への加湿を行う。
【００２３】
温度・湿度センサー４は、スチームが二次空気５と充分に混合され均一になった状態での湿度を検出することが好ましいため、加湿器１よりも十分下流側（１５ｍ程度下流）のダクトの側部に設置されている。このセンサーからの湿度出力６は相対湿度で得られ、これがセンサーの温度出力７とともに指示調節計８に入力され、絶対湿度に変換される。
【００２４】
さらに指示調節計８では、得られた絶対湿度と制御目標値との偏差を求め、制御量９を定めて蒸気調節弁１０に出力する。また指示調節計８では、湿度の実測値と設定値の偏差が一定レベルを超えた場合、あるいは蒸気流量計１１の指示値がある基準値を超えた場合には、警報を発するシステムとなっている。蒸気調節弁１０は、指示調節計８の信号によりバルブ開度を調節し、加湿用スチーム１２の流量を変化させる。
【００２５】
図２は、ステップ的な加湿により二次空気湿度を変化させたときの、溶融炉大迫温度の変化を測定したものである。ガラス溶融炉内の３つの重油バーナー（＃１〜＃３ポート）の炉上部（大迫）にて温度変化を測定したものである。図２において、横軸は時間（単位：時）、縦軸は加湿前の平均温度からの偏差（単位：℃）を示す。
【００２６】
この実施例は、雨天・晴天の湿度差を想定して行ったものであり、湿度の設定は気象条件による変動幅と同等レベルとしてある。大迫温度は加湿開始とともに上昇し、加湿終了後約３０分で最大値を迎えた後下降しているが、この３０分のタイムラグは大迫裏から熱電対までの煉瓦内の熱伝導にかかる時間であり、加湿と大迫温度の上昇は同じタイミングである。
【００２７】
この温度上昇量は約２℃であったが、これは平衡状態に達する前のものであり、このまま加湿を続けたならばさらに大迫温度は上昇したものと考えられる。
【００２８】
図３は前記加湿条件において、蓄熱室上端における吹き出し温度をサクションパイロメーターにより測定し、二次空気絶対湿度が７ｇ／Ｎｍ³ の場合から、１ｇ／Ｎｍ³ の場合を差し引いた吹き出し温度の差をグラフにプロットしたものである。図３において、横軸は時間（単位：秒）、縦軸は吹き出し温度の差（単位：℃）であり、燃焼交換１回分の時間変化を示す。
【００２９】
特に煉瓦が高温状態にある交換後の初期の段階において加湿の効果が顕著に現れており、時間が経過するにつれてその差が少なくなるが、平均して８℃の温度差があることが確認された。
【００３０】
これらの結果から、大気の湿度変動が溶融炉の操業条件に与える影響は大きく、このレベルの変動が日常的に生じていることが明らかとなった。
【００３１】
前記のステップ応答をふまえ、大気の湿度変動分を補償する設定で二次空気の湿度制御を実施した。制御目標値は季節毎の調整を行うことを前提とし、冬季用の設定で二次空気の絶対湿度を１５ｇ／Ｎｍ³一定とした。
【００３２】
この結果、二次空気の湿度を制御しない場合には大迫温度の日間変動が平均４℃であったのに対し、前記の一定制御を実施した場合には１℃以下となるという優れた安定操業を実現できた。また、吹き出し温度上昇による溶融炉への持ち込み顕熱の増大により、平均２０リットル／時の燃料重油の削減が確認された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、従来問題であった大気の湿度変動によって生じる蓄熱式ガラス溶融炉の微妙かつ有害な温度変動を、蓄熱室内での水分子による輻射伝熱量を二次空気の湿度を一定に制御することにより防止可能とした。またそれにしたがい、溶融炉の安定操業が可能となる優れた効果を有する。さらに、燃料の削減による省エネルギー効果や、安定操業による素地欠点の低下のような優れた効果をも達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次空気湿度制御装置のブロック図。
【図２】本発明の実施例を示し、二次空気の加湿によりガラス溶融炉の大迫温度が変化することを示すグラフ。
【図３】本発明の実施例を示し、二次空気の加湿により二次空気の吹き出し温度が変化することを示すグラフ。
【符号の説明】
１：加湿器
２：保温用スチーム
３：二次空気ダクト
４：温度・湿度センサー
５：二次空気
６：湿度出力
７：温度出力
８：指示調節計
９：制御量
１０：蒸気調節弁
１１：蒸気流量計
１２：加湿用スチーム

Claims (4)

1. 二次空気供給用のダクトに、ガラス溶融炉の蓄熱室又は熱交換器へ供給される燃焼用の二次空気の絶対湿度を検出するための温度・湿度センサーと、前記温度・湿度センサーよりもダクトの二次空気の流れの上流側に設けられた水分を二次空気に供給する加湿装置と、を設置するとともに、前記加湿装置へ供給する加湿用スチームの流量を変化させるバルブと、前記温度・湿度センサーの出力から相対湿度を絶対湿度に変換し、前記絶対湿度と制御目標値との偏差を求めてバルブを制御する指示調節計と、を備えることを特徴とするガラス溶融炉の二次空気湿度制御装置。
2. 前記温度・湿度センサーは二次空気供給用のダクトの側部に設けられ、前記加湿装置は前記ダクトの温度・湿度センサーよりもダクトの二次空気の流れの上流側の側部に設けられてなる請求項１記載のガラス溶融炉の二次空気湿度制御装置。
3. 前記絶対湿度が５〜２５ｇ／Ｎｍ³となるように加湿用スチームの流量をフィードバック制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガラス溶融炉の二次空気湿度制御装置。
4. 請求項１、請求項２又は請求項３記載の二次空気湿度制御装置を有するガラス溶融炉。

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