JP3913450B2 - 天井取付型酸素バーナーを用いるガラス溶解炉の性能を向上させる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産率を向上させるため若しくは電気ブーストの減少又は復熱器あるいは蓄熱器などの現存の熱回収設備の劣化の結果としてのいずれかの場合にも現行の生産率を維持するために、ガラス熔解炉の天井にある少なくとも１個の酸素バーナーを使用することに関する。この方法は、現存の又は以前から存在していた空気燃料エネルギ又は電気エネルギ容量の一部を酸素燃料エネルギで置換することを含む。エンドファイヤ型の蓄熱炉及び電気炉を除いて、この方法は、蓄熱ポートの遮断又は復熱バーナーの隔離を含む。特に、設計選択において、炉に流入するバッチ原料よりも上方でのバーナーの傾斜及び位置付けは、熔解速度を改良し、生産収率を向上させ、エネルギ効率を良好にし、ガラス品質を改良する。バーナー内での燃焼の化学量論比の正確な制御、バーナーのリッチ−レーン相互反応及び炉のゾーン的な燃料／酸素ステージング（staging）は、窒素酸化物及び二酸化硫黄の排出を最小にしながら、熱転移を最適化するために用いられる。
【０００２】
蓄熱炉、復熱炉、電気炉及び直接燃焼炉は、ガラス及び関連するフリット製品の製造に一般的に用いられている。
空気−燃料蓄熱炉は、クロスファイヤ（cross-fired）型及びエンドファイヤ（end-fired）型の２つのカテゴリに分類される。クロスファイヤ蓄熱炉は、典型的には炉の各サイドに３個〜８個の多数のポートを有し、これらポートは、共通の蓄熱室又は区分された蓄熱室のいずれかに連結されていて、燃焼空気を予熱する。種々の形状及び寸法であってもよい蓄熱室は、炉の作用に応じて１５〜３０分ごとに反転する。各反転サイクルの間、反転バルブ内の第１の通路を通過するファンからの燃焼空気は、炉の一方の側にある蓄熱室の基部に流入して、炉に連結するポートに流入する前に予熱される。オイル及び／又はガスの形態での燃料は、ポートよりも下側、ポートよりも上側、ポートを貫通して又はポートの側部のいずれかに注入されて、ガラス熔解炉内で燃焼する炎を生じさせる。熱い燃焼生成物は、反対側のポートを通して炉から排出され、熱を放出しながら蓄熱室チェッカーレンガを下降し、反転バルブ内の第２の通路を介して排気貯蔵室に排出される。空気側の蓄熱室が冷却されると、排気蓄熱室は、反転バルブが反転して燃焼空気がすでに熱い排気蓄熱室に流入するまで、加熱する。
【０００３】
部分的には空気燃料炎の放射ゆえに、しかし主として燃焼生成物によって加熱された天井及び壁からの再放射によって、ガラスは熔解する。より高い炉のガラス生産能を得るために、多くの炉は、ガラスに埋設された電極による電気ブーストを用いる。これは、コストが高く、ガラス接触タンク壁に損傷を引き起こしかねない。作業中、蓄熱室は、熱的／構造的損傷及び／又はバッチ材料あるいはバッチとしても知られているガラス形成原料のキャリーオーバ、又はガラスバッチから放出される揮発性成分の濃縮ゆえにブロックし始める。蓄熱室がブロックすなわち停止すると、炉内の空気の予熱温度は低下する。圧力降下が増加するので、排気側は、排ガスの除去を制限し、よって、炉内へのエネルギ入力を制限し、炉のガラス生産能は減少する。
【０００４】
従来の蓄熱室における生産能損失を回復するために、又は、一杯になっていない炉内での生産性を高めるために、酸素を多く含む一般的な空気、ポート炎の下方の特定の酸素ランス、第１のポートと充填端壁との間への酸素バーナーの取り付け、及びポートを介して取りつけられた水冷式酸素バーナーの４つの方法で酸素が用いられている。これらの技術に基づく生産能の増加は、アクセス要求、プロセス要求又は反射温度の制限によって制限される。
【０００５】
エンドファイヤ蓄熱炉は、クロスファイヤ蓄熱炉と同様に作用するが、エンドファイヤ蓄熱炉は、別々の蓄熱器に連結しているただ２個のポートを端壁に有している。蓄熱器の劣化は、クロスファイヤ炉の場合と同様の機構で生じ、同様の電気ブースト及び酸素ブーストが利用される。
【０００６】
上述の蓄熱室で失われた生産能を回復するため、又は生産能を増加させるために、酸素は、酸素を多く含む一般的な空気、ポート下方に組み込まれた特定の酸素ランス及びタンク下方の炉側壁を介して組み込まれた酸素バーナーの３つの方法で用いられている。これらの技術は、配置及び炉のオーバーヒートに対する考慮から、典型的には、容量が制限される。
【０００７】
復熱型炉は、少なくとも１個の復熱タイプ熱交換器を利用する。蓄熱器と異なり、復熱器は、熱い並行流熱交換器と連続していて、ここで、排出ガスは、炉の側部に沿った個々の空気燃料バーナーのダクト内にある燃焼ガスを予熱する。復熱型炉は、電気ブーストをも用いることができる。蓄熱型炉と同様に、復熱器は、空気を予熱する効率及び能力を失い始める。復熱器は、ブロックされ始めるか又は穴を拡張し始める。
【０００８】
上述の復熱器で失われた生産能を回復するために、又は生産能を増加させるために、酸素を多く含む一般的な空気、空気燃料バーナーより下方の特定の酸素ランス及び炉側又は端壁のいずれかを介しての酸素バーナーの取り付けの３つの方法で酸素が用いられている。これらの技術は、配置制限及び炉のオーバーヒートに対する考慮から、典型的には生産能を制限する。
【０００９】
直接燃焼型炉は、予熱された空気を利用せず、上述の炉設計の例よりも効率が低い。熱効率を改良し、すなわち生産能を増加させるために、側壁酸素バーナーが空気燃料バーナーに代わって用いられている。
【００１０】
電気炉又は主として熔解に電気を利用する炉は、典型的には、操業コストが高く、典型的な化石燃料炉よりも寿命が短い。一旦設計されると、生産能を増加させることは困難である。本発明は、ホットトップの電気炉及び暖かい頂部（ウォームトップ）の電気炉に関し、冷たい頂部（コールドトップ）の炉には適用されない。
【００１１】
Lauwersの米国特許第５，１３９，５５８号明細書は、ガラス熔解炉内での天井に取り付けられた勢いの強い補助的な酸素バーナーの使用を開示する。ここで、酸素バーナーは、熔解したガラスと原材料となる固体ガラスとの界面に向けられていて、原材料となる固体ガラスは、熔解ゾーンから逃げることが機械的にできなくなる。
【００１２】
Cableの米国特許第３，３３７，３２４号明細書は、水冷式炉の供給端部よりも、ほぼ下方全体を燃焼させるように位置づけられているバーナーを用いて、ガラス炉内でバッチ材料を熔解する方法を開示する。
【００１３】
共に係属している米国特許第０８／９９２，１３６号は、蓄熱器又は復熱器を有していないガラス熔解炉内での一次熱源として、天井に取り付けられたバーナーの使用を開示する。
【００１４】
【発明の概要】
本発明によれば、概略的には、バッチ原料よりも上方に位置づけられた少なくとも１個の天井取り付け型酸素バーナーを用いて、あらゆるデザインのガラス熔解炉が、バッチ原料が炉に流入する際に、熔解速度を改良して、ガラス品質及び／又はガラス収率を改良することができるようになる。これらのバーナーの設計及び位置づけにより生じるガラス熔解速度及び収率の増加によって、炉状態及びタイプに依存して、少なくとも１以上の下記の効果が達成される。すなわち、ガラス生産量の増加、ガラス品質の改良、電気ブーストの減少、効果的でない熱回復（すなわちブロックされた蓄熱器）によって失われた生産能の回復、炉環境を酸素を多く含む空気で置換したことによる酸素使用量の減少、酸素ランスを交換することによる酸素使用量の減少、ガラス炉の壁に取りつけられていた慣用の酸素バーナーを交換することによる酸素使用量の減少、炉寿命の増加、エネルギ効率の改良、窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出の減少、化石燃料消費の減少、カレットの減少及びガラス製品収率の増加である。
【００１５】
本発明は、以下のタイプの炉に適用することができる。本発明をホットトップの電気炉に適用する場合には、少なくとも１個の酸素バーナーを炉の天井に取り付ける。本発明をクロスファイヤ蓄熱炉に適用する場合には、少なくとも一対の互いに反対側にあるポートを完全に又は部分的にブロックすなわち遮断することが必要である。本発明をエンドファイヤ蓄熱炉に適用する場合には、少なくとも１個の酸素バーナーを炉の天井に取り付け、本来の設計の最大フローの一部にまで燃焼空気を減少する。本発明をすべての復熱炉に適用する場合には、少なくとも１個の酸素バーナーを炉の天井に取り付ける。多数のバーナーを有する炉の場合には、天井に取り付けられたバーナーに隣接するバーナーを取り除き、空気の供給を遮断する。単一のバーナー又は単一のポートの場合には、燃焼空気のフローは、本来の最大フローの一部にまで減少する。
【００１６】
本発明をすべての直接燃焼炉に適用する場合には、少なくとも１個の酸素バーナーを炉の天井に取り付ける。多数のバーナーを有する炉の場合には、天井に取り付けられたバーナーに隣接するバーナーを取り除いて、空気の供給を遮断しなければならない。単一のバーナー又は単一のポートの場合には、燃焼空気のフローは、本来の設計の最大フローの一部にまで減少する。
【００１７】
上述のすべての場合において、本発明の範囲は、効果的に同じである。電気ブースト又は慣用の酸素ブースティング方法を利用する炉を含むがこれに限定されるものではない空気燃料又は酸素燃料によって予め行われたガラス熔解は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられた天井取り付け型酸素バーナーによって置換されて、熔解速度を改良し及び／又はガラス品質及び／又はガラス製品収率を改良する。これらのバーナーの特定の位置への位置づけを可能とすることによって、未熔解のバッチ原料への熱転移を増加させることができる。
【００１８】
すべての場合において、少なくとも１個の天井取り付け型酸素バーナーは、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられて、熔解速度を改良し、品質が改良され、多数のポート及び多数のバーナーを用いる空気燃料適用のすべての場合において、少なくとも一対のポート又は一対のバーナーが隔離される。単一のポート及び単一のバーナーを用いるすべての場合において、空気及び燃料は、最大設計よりも少ない一部にまで減少される。より効果的な天井取り付け型バーナーは、慣用のプロセスで除去されていたエネルギ及び所望のプロセス要求を達成するための追加のエネルギの代わりとなるエネルギを提供する。炉に流入するバッチ原料よりも上方にバーナーを位置づけることで、熔解速度を改良する。天井取り付け型バーナー及び残りの空気燃料バーナーの化学量論比及び制御は、窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出を最小化するために重要である。
【００１９】
【好ましい実施形態】
図面を参照すれば、ガラス溜炉すなわちリファイナー１２に熔解ガラスを提供するためのガラス熔解炉１０が示されている。リファイナー１２において、熔解ガラスはさらに清澄されて、続いて、容器、繊維化装置、フロートバスなどの１以上のガラス形成機械（図示せず）に供給される。図面には構成の詳細を明瞭にする目的では与えられていない。なぜなら、かような構成の詳細は慣用のものであり、本発明の開示及び説明を読んだ当業者にはよく理解されるところだからである。除かれている特定の項目は、蓄熱器ポート、空気燃料バーナー及び排気である。なぜなら、これらは各炉ごとに異なるからである。
【００２０】
ガラス熔解炉１０は、典型的には、上流側端壁１４と、下流側端壁１６と、側壁１８と、床２０と、天井２２とを有する細長いチャネルを含む。これらはすべて、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコン、ジルコニア−アルミナ−シリカ、酸化クロム等の耐火性材料からなる。天井２２は、チャネルの長手方向軸を横断する弧状を有するものとして示されているが、適宜他の形状を有するものとしてもよい。典型的なガラス熔解炉１０の天井２２は、ガラス形成原料の表面よりも上方約３〜１５フィート（０．９１〜４．５７ｍ）の間に位置づけられる。この分野では周知のように、ガラス熔解炉１０は、任意に、１以上のバブラー２４及び／又は電気ブースト電極（図示せず）を含むものでもよい。バブラー及び／又は電気ブースト電極は、バルクガラスの温度を昇温させ、バッチカバーよりも下方の熔解ガラス循環を増加させる。
【００２１】
ガラス熔解炉１０は、２個の連続的なゾーンを含む。一つは、熔解ゾーン２７であり、もう一つは、下流側の清澄ゾーン２８である。熔解ゾーン２７は、ガラス熔解炉１０の上流側ゾーンであり、ここで、この分野で周知のタイプの充填デバイス３２を用いて、ガラス形成原料が炉に充填される。ガラス形成原料３０は、ガラス製造に典型的に用いられる原材料の混合物であってもよい。ガラス形成原料（すなわちバッチ）３０の組成は、製造しようとするガラスのタイプに依存する。すなわち、原材料としては、とりわけ、一般にカレットと称されるスクラップガラスを含むシリカ含有材料を挙げることができる。他のガラス形成材料としては、長石、石灰石、ドロマイト、ソーダ灰、カリ化合物（potash）、ホウ砂及びアルミナ等を用いることができる。ガラスの特性を変えるために、少量のヒ素、アンチモン、硫酸エステル、炭素、及び／又はフッ化物などを添加してもよい。さらに、所望の色を得るために、色形成金属酸化物を添加してもよい。
ガラス形成原料３０は、ガラス熔解炉１０の熔解ゾーン２７内で、熔解ガラスの表面上に固体粒子のバッチ層を形成する。ガラス形成原料３０の浮遊している固体バッチ粒子は、主として少なくとも１個の酸素バーナー３４によって、熔解する。酸素バーナー３４は、制御された衝突炎形状及び長さを有する炎を生じさせ、ガラス熔解炉１０の天井２２内に取り付けられている。本発明によるガラス形成原料３０よりも上方でガラス熔解炉１０の天井２２内に少なくとも１つの酸素バーナー３４を組み込んで正確に制御することは、固体のガラス形成原料の熔解速度を早め、同時に、周囲の耐火性材料の作業温度を受容可能な作業温度制限内に維持する。
【００２２】
ここで、「少なくとも１つの酸素バーナー」とは、１個以上の酸素バーナーを意味する。さらに、「主として少なくとも１つの酸素バーナーによって」とは、追加の又は回復されたガラス製造容量及び置換された空気燃料バーナー又はガラス形成原料を熔解するための電気／酸素ブーストエネルギは、少なくとも１個の酸素バーナーからのものであることを意味する。図１及び図２に示すように、一実施形態において、ガラス熔解炉１０は、３個の酸素バーナー３４を含む。１個の酸素バーナー３４は、２個の隣接して位置づけられている下流側の酸素バーナーの上流側に位置づけられている。しかし、ガラス形成原料３０を熔解させるために、適宜数の酸素バーナー３４がバッチよりも上方で炉１０の天井２２の適宜の場所に位置づけられていてもよい。例えば、２個の酸素バーナー３４が、図７に示すように隣り合って配置されていてもよく、あるいは図８に示すように１個の酸素バーナーが用いられてもよい。それにもかかわらず、本発明によれば、ガラス熔解炉の天井２２にある各酸素バーナー３４の角度方向は、生じた炎３６がガラスバッチ表面にほぼ直交するように方向づけられて、ガラス表面に衝突して、衝突領域２６を形成する炎を生じるように、向けられる。好ましい実施形態において、酸素バーナー３４は、ガラス形成原料３０に対して約９０度の角度で、バッチ材料にほぼ直交するように位置づけられる。角度は、下流側の端壁の方向に直交する角度から、３０度程度、好ましくは１０度未満、逸脱してもよい。ガラス製造速度及び製造されたガラス品質は、本発明による制御された衝突炎形状及び長さを有する炎を生じさせる少なくとも１個の下流方向に燃焼する酸素バーナー３４で、ガラス形成原料３０を熔解することによって改良されてもよいことがわかっている。
【００２３】
少なくとも１個の酸素バーナーは、燃料及び酸化剤を必要とする。燃料は、気体、液体又は両者の混合物のいずれでもよい。気体燃料は、天然ガス（メタン）、都市ガス、発生炉ガス、ＬＰＧ、プロパン、ブタン及びこれらの混合物を含む。液体燃料は、重油、中油、軽油、ケロシン及びディーゼルオイルを含む。液体燃料は、噴霧及び／又は気化されなければならない。噴霧は、機械的手段又は空気、蒸気、酸素、上述の気体燃料のいずれか、及び場合によっては不活性ガスを含む二次的な噴霧媒体のいずれかによって行うことができる。気化は、燃焼気体生成物周囲の熱に依存して、油を蒸発させる。酸化剤は、１００％純粋な酸素又は酸素濃度が４０〜１００％の酸素と不活性ガスとの混合物のいずれであってもよい。
【００２４】
図９を参照すれば、ガラス熔解炉１０の天井２２内の少なくとも１個の酸素バーナー３４は、燃料を提供するための少なくとも１本の燃料導管４０と、酸素流を提供するための少なくとも１本の酸素導管４２と、を有する。酸素バーナー３４は、ガラス熔解炉１０の寸法及び所望の引き上げ速度に依存して、約１〜１５ｍｍBtu／hrの範囲の出力を有する。酸素バーナー３４は、空気中に存在するよりも高い比率の酸素を使用するように設計されているので、酸素バーナー３４からの炎３６の衝突領域上方の温度は、空気バーナーを利用する慣用のガラス熔解炉における温度よりも大幅に高い。それにもかかわらず、当業者には周知のように、酸素バーナー３４により与えられた炎３６の温度は、燃料の品質及び酸素／燃料比率に依存する。好ましい実施形態において、酸素バーナー３４の酸素濃度は、典型的には、燃料を燃焼させるために必要な酸素の理論量の約９５〜１２５％のレベルにある。しかし、ガラス熔解炉１０内での作業状態の範囲を得て、１以上の望ましい特性、例えば、レドックスレベル、ガラス色、同業者間でシード（小泡）として知られている気泡のレベルその他のガラス特性を効果的に得るために、酸素に対する燃料の比率を変えることができる。
【００２５】
酸素バーナー３４は、ガラス熔解炉１０の天井２２に配置されたバーナーブロック３８から下方に延伸する。各一次バーナーブロック３８は、開口を含み、開口の内径（ｉｄ）は、形状に依存するが、最も大きな導管４０又は４２の外径と少なくとも同じ大きさである。バーナーブロック３８の開口の内径（ｉｄ）は、約２〜８インチ（５．０８〜２０．３２ｃｍ）の範囲にある。酸素バーナー３４の端部である一次燃焼ゾーンは、バーナーブロック３８の端部から約０〜１８インチ（０〜４５．７２ｃｍ）の範囲の距離（ＬＢｂ）だけ離れた位置にある。二次燃焼ゾーン、及び場合によっては三次燃焼ゾーンは、バーナーブロック３８の外側にある。いくつかの実施例において、酸素バーナー３４の端部とバーナーブロックの端部との間のバーナーブロック３８の開口は、バーナー炎の焦点として作用し、且つバーナー炎が外方向に拡散することを防止するように作用し、さらに、バーナーの導管を保護する。バーナーブロック３８は、当該分野で周知の耐火性材料から作られ、矩形などの適宜の外形に作られてよい。
【００２６】
バーナーブロック３８の底面は、天井２２の内面と同一平面をなすようになされていてもよいし、又は天井２２の内面から下方に最大２インチ（５．０８ｃｍ）突出して、バーナーブロック３８を摩耗から保護するようにしてもよい。さらに、図９に示すように、酸素バーナー３４の燃料導管４０及び酸素導管４２は、バーナーブロック３８内で下方に延伸して、バーナーブロック３８の出口からほぼ同じ垂直高さ又は全体として異なる垂直高さのいずれかに終端がくるようにする。
【００２７】
バッチ原料からのバーナーブロック３８の高さ及びバーナーの所望の運転条件に応じて、大きくなるほど、バーナーブロック３８に対する内外での燃料ステージング（ fuel staging ）及び酸素ステージング（ oxygen staging ）の比率は変化する。追加の酸素インジェクター６０が位置づけられて、炎がバッチ原料に衝突するまで、完全燃焼を遅らせる。これらの追加のインジェクター６０の配置は、天井取り付け型バーナーの数及び位置に依存するが、天井及び壁のいずれのポイントにも配置することができる。
【００２８】
本発明によれば、少なくとも１個の酸素バーナー３４から生じる下方に方向付けられた衝突炎３６は正確に制御されて、周囲の耐火物から離れていて、バーナーブロック３８の出口から原料ガラス形成成分３０の表面及び熔解ガラスの表面に至る距離よりも長いか又は等しい炎長さを与えるので、ガラス熔解炉１０の天井２２及び側壁１８のオーバーヒートのリスクを減少させる。衝突する炎３６は、化学処理において慣用及び標準的な制御装置などによって制御されてもよい。例えば、バルブ、熱電対、適当なサーボ回路に接続されたサーミスター、ヒーターコントローラなどが、容易に入手可能であり、酸素バーナー３４からの燃料及び酸素の量及び速度を制御するために慣用的に用いられている。
【００２９】
衝突する炎３６は、燃料流及び酸素流の相対速度並びに燃料流及び酸素流の最大速度及び最小速度と少なくとも１個の酸素バーナー３４からの内外ステージングの両者を制御することによって、正確に制御される。
【００３０】
ガラス形成原料３０の表面に衝突する燃料及び酸素フローの最大速度及び最小速度は、ガラス形成原料の表面への最適な対流熱転移を維持しながら、バッチ材料の乱れ及び側壁１８及び天井２２に対するガラスバッチ材料の飛沫同伴すなわち移動を防止するように制御されなければならない。側壁１８及び天井２２に対するガラスバッチ材料の移動が進むと、耐火性材料に影響を与え、ガラス熔解炉１０の寿命を短縮するかもしれない。
【００３１】
燃料及び酸素フローの正確な最大速度を決定するために、バーナーは、垂直に取りつけられ、溝が横切って形成されているガラス砂の床内に下方に向かって燃焼する。バーナーを、砂からの高さとブロック内へのバーナーの引っ込み（ＬＢｂ）とが異なるように調節しながら、砂移動が認識される場所での燃焼速度を書き留めた。これらの実験データを市販の計算流体力学コード上でのシミュレーションと比較して、上述の実験において、その上方で砂が乱れるであろう表面を横切る最大速度を得た。
【００３２】
【表１】

【００３３】
これらの実験例から、最大表面速度は、ＣＦＤモデルと比較することによって、約２１ｍ／ｓｅｃであることが確認された。バッチ材料の変動、バッチグレージング及びバッチ粒子凝集ゆえに、実際の最大速度は、上述の計算値である最大速度とは異なり、当業者には約２５ｍ／ｓｅｃまで最大速度を変えても良いことが理解されるであろう。しかし、バッチ材料の乱れ及び飛沫同伴を最小化するために、最大速度は３０ｍ／ｓｅｃ以下に維持されなければならない。
【００３４】
酸素バーナー３４の燃料及び酸素の最大速度及び最小速度もまた、制御されて、周囲の耐火性材料に損傷を与えることなく、衝突する炎３６からの最大エネルギを利用する。衝突する炎３６からの最大エネルギは、ガラス熔解炉１０燃焼スペースに解放される熱量を最小化することによって及びガラス形成原料３０への熱転移を最大化することによって達成される。耐火性材料炉壁及び上部構造に損傷を与えることなく、ガラス形成原料３０への受容可能な熱転移速度を発生させるための酸素バーナー３４に対する作用的な最大速度及び最小速度範囲は、酸素バーナーの設計及び配置、バーナーブロック開口幾何形状、酸素バーナー３４からの燃料及び酸素の速度、バーナーステージング、隣接する酸素バーナーの相互作用、燃料バーナー及び炉排気の関数である。
【００３５】
第２の領域であるよどみ領域５６は、炎３６が熱境界層を貫通してガラス形成原料３０の表面に衝突する領域である。この領域５６内で、炎３６は、熱境界層に浸透して、ガラス形成原料の表面に衝突し、表面にて急激な圧力傾斜を形成して、偏向した炎の水平方向フローを加速して、炎を衝突した表面に沿って外方向に放射状に拡散させる。よどみ領域５６の端部は、衝突する炎３６により発生する圧力傾斜がゼロに降下するガラス形成原料の表面上の位置として規定される。よどみ領域５６内で、炎３６の勢いを慎重に制御することによって、ガラス形成原料３０の表面に自然に存在する熱境界層に浸透して、これを排除し、強い熱抵抗特性が弱められる。したがって、衝突する炎３６によって生じた熱は、部分的に熔解したガラス形成原料３０に、もっと容易に浸透する。さらに、よどみ領域５６内で、炎３６の明るさは顕著に増加して、比較的冷たいガラス形成原料３０への放射熱転移を強める。
【００３６】
よどみ領域５６の放射方向の限界において、壁ジェット領域５８が始まる。この領域において、炎３６は、衝突した表面に対して基本的に平行に流れ、熱境界層は、衝突した表面に沿ってよどみ領域５６から外方向に成長する。よって、熱境界層は、ガラス形成原料表面への熱流に対する表面抵抗を回復し始める。
【００３７】
フリージェット領域５４内で制御された炎の熱発生は、酸素バーナー３４の設計、バーナーブロック３８の内径（ｉｄ）及び酸素流と燃料流との相対速度、最大速度及び最小速度の結果である。燃料バーナー３４の設計、バーナーブロック３８の幾何学的設計及び酸素流及び燃料流の速度を選択的に制御することによって、酸素流及び気体流の間のは断応力が減少し、部分燃焼を制御し、熱輻射放出を減少させる。バーナー設計及び酸素バーナー３４の作用を最適化することによって、フリージェット領域５４で発生する炎の熱量及びよどみ領域５６でのガラス原料表面における熱転移抵抗は、最小化され、よって、よどみ領域で発生する熱を最大化する。
【００３８】
フリージェット領域５４で生じた熱は、以下のステップの結果である。第一に、フリージェット領域５４での制御された部分燃焼は、ガラス形成原料３０の表面における燃焼を制御可能とし、燃焼プロセスをガラス形成原料の表面に近接して生じさせる。ガラス形成原料３０の表面に近接して燃焼プロセスを行わせることで、ガラス形成原料の表面で生じる温度勾配が大きくなり、こうして、対流熱転移を改良する。第二に、フリージェット領域５４における制御された部分燃焼は、燃焼ガス及び燃焼生成物の化学的解離に適切な温度を生じさせる。これらの解離された種は、ガラス形成原料３０の比較的冷たい表面に一旦衝突すると、部分的に再結合して、発熱的に、ガラス形成原料の表面に多量の熱を発生させる。発熱反応からの熱は、さらに、対流熱転移プロセスを増大させる。ガラス形成原料３０の表面のよどみ領域５６での熱抵抗の最小化は、以下の因子の結果である。
【００３９】
第一に、熱境界層は、制御された炎３６の勢い及びガラス形成原料３０の表面における慎重に制御された燃焼特性によって生じる乱流によって排除される。第二に、局在化された表面熱発生は、低い熱伝導性のガラス形成原料３０を非常に良好な伝導性の熔解ガラス材料へと変換させる。この変換によって、表面で発生した熱がより効果的にガラス形成原料の深さ方向に浸透できるようになる。
【００４０】
蓄熱器８１を有する図２のクロスファイヤ蓄熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、少なくとも１個の天井取り付け型バーナー３４を利用する。このバーナー３４は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられて、熔解速度を改良し、品質を改良し、製造能力を回復又は高め、電気ブースト容量を減少させる。天井取り付け型バーナー３４は、バッチ材料３０の表面に、衝突領域２６で衝突する。本発明のすべてのクロスファイヤ蓄熱炉適用において、互いに反対側にある少なくとも一対のポート７１は、完全に又は部分的に遮断すなわち隔離される。これは、典型的には、第１のポートであるが、必要とされるブースト量によってはおそらく第２のポートである。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーからの計算されるエネルギは、従来の燃焼ポートから除去されたエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４１】
蓄熱器８１を有する図３のエンドファイヤ蓄熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられている天井取り付け型バーナー３４を利用して、熔解速度を改良し、品質を改良して、製造能力を回復又は高め、電気ブースト容量を減少させる。本発明のすべてのエンドファイヤ蓄熱炉適用において、燃焼空気及び慣用の燃料の要求は、以前の設計におけるよりも少なく、バッチ原料よりも上方に位置づけられていて衝突領域２６でバッチ材料に衝突する少なくとも１個の天井取り付け型バーナー３４からのエネルギで置換される。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーから計算されるエネルギは、燃焼ポートから減少されたエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４２】
復熱器８２を有する図４のクロスファイヤ復熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、少なくとも１個の天井取り付け型バーナー３４を利用する。このバーナーは、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられていて、熔解速度を改良し、品質を改良し、製造能力を回復又は高め、電気ブースト容量を減少する。本発明のすべてのクロスファイヤ復熱炉適用において、互いに反対側にある少なくとも一対のバーナー７３は、ブロック７４を用いて、完全に又は部分的に遮断すなわち隔離される。これは、典型的には、バーナーの第１のゾーンであるが、必要とされるブーストの量によってはおそらく第２のゾーンである。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーからのエネルギは、従来の燃焼ポートから除去されたエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４３】
復熱器８２を有する図５のエンドファイヤ型復熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、少なくとも１個の天井取り付け型バーナー３４を利用する。バーナー３４は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられていて、熔解速度を改良し、品質を改良し、製造能力を回復又は高め、電気ブースト容量を減少する。本発明のすべてのエンドファイヤ型復熱炉への適用において、燃焼空気及び慣用の燃料要求量は、従来の設計よりも減少し、バッチ原料よりも上方に位置づけられた少なくとも１個の天井取り付け型バーナー３４からのエネルギで置換される。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーから計算されるエネルギは、燃焼ポートから減少したエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４４】
図６の直接燃焼炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられた少なくとも１個の天井取り付け型バーナーを利用して、熔解速度を改良し、品質を改良し、製造能力を回復し又は高め、電気ブースト容量を減少する。本発明のすべての直接燃焼炉への適用において、燃焼空気及び慣用の燃料要求量は、従来の設計よりも減少し、バッチ原料よりも上方に位置づけられた少なくとも１個の天井取り付け型バーナーからのエネルギで置換される。多数の空気バーナー７３に適用する場合において、少なくとも１個のバーナー７４が隔離されるであろう。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーから計算されるエネルギは、燃焼ポートからの減少したエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４５】
電気ホットトップ炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に流入するバッチ原料よりも上方に位置づけられている少なくとも１個の天井取り付け型バーナーを利用して、熔解速度を改良し、品質を改良し、生産能を回復又は高め、電気ブースト容量を減少する。天井取り付け型バーナーが未熔解バッチ材料よりも上方に位置づけられていることを条件として、追加の天井取り付け型バーナーをガラスタンクよりも下方に配置してもよい。天井取り付け型バーナーから計算されるエネルギは、燃焼ポートから減少されたエネルギ、除去された慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代わりとなる。
【００４６】
すべての場合において、窒素酸化物及び硫黄酸化物は、異なる天井取り付け型バーナー及び残りの空気バーナーの化学量論比を慎重に選択することによって減少させることができる。クロスファイヤ炉適用の例としての図２を参照すれば、ＡＬ位置又はＡＲ位置に取り付けられているバーナー３４は、過剰の化学量論量の酸素で作動して、炉内に燃料が少ない（酸化）ゾーンを作り出す。化学量論量よりも少ない酸素又は空気で、ＢＣ位置にあるバーナー３４又は第２のポート７１にあるバーナーのいずれかを作動させることによって、炉内に燃料が豊富な（還元）ゾーンを作り出す。残りのポートは、過剰の化学量論量の酸素で作動して、炉内に燃料の少ない（酸化）ゾーンを作り出す。この豊富なゾーン−乏しいゾーン−豊富なゾーン（リッチ−レーン−リッチ）の構成は、一酸化炭素スクリーンを形成することによって、炉の燃焼ゾーンを効果的に段階に分けて、熱転移を最適化し、窒素酸化物の生成を最小化する。
【００４７】
少なくとも１個の天井取り付け型酸素バーナー３４は、新規な空気−燃料ガラス熔解炉１０に位置づけられても、あるいは現存の空気−燃料ガラス熔解炉を改良してもよく、空気−燃料だけの燃焼炉に比べてガラス品質を改良する。本発明は、引き上げ速度を大幅に増加し、ガラス熔解炉１０壁温を低下させ、本明細書に記載されているような少なくとも１個の天井取り付け型酸素バーナーで改良されていない同様の空気−燃料炉に比べてガラス品質を改良する。さらに、当業者には、すべての空気−燃料システムとは反対に、少なくとも１個の酸素バーナーを使用することでＮＯｘ排出量を減少させることが容易に理解されるであろう。
【００４８】
本発明の一実施例は、酸素ブースティング、１００％酸素転換、酸素ブーストへの再転換、最終的に現存の熱い３ポートクロスファイヤ蓄熱炉の慣用の空気燃料燃焼を経る。炉は、最初に、すべての空気燃料を燃焼する。ポート＃１での燃焼は、少なくとも１個の天井取り付け型酸素バーナーで置換される。炉は、残りの２個のポートで、慣用的な空気燃料蓄熱型で燃焼する。ポート＃２での燃焼は、少なくとも１個の天井取り付け型空気バーナーで置換され、第３のポートで慣用的な空気燃料蓄熱型で燃焼する。ポート＃３での燃料は、すでに組み込まれている天井取り付け型酸素バーナーにおけるエネルギで置換される。炉容量は、１日あたり５５トンから１日あたり８５トンまで増加し、入力エネルギは２３．５ｍｍＢＴＵ／ｈｒから１８ｍｍＢＴＵ／ｈｒまで減少した。炉は、付加的なステージにおいて、空気燃料燃焼型に再転換される。この実施例は、現存する空気燃料炉を選択的に高める能力を示す。プロセスには、水冷バーナーは必要ではない。
【００４９】
本明細書に記載されている特許及び文献は、参照として組み込まれる。
本発明を特定の実施形態について詳細に説明してきたが、当業者には、本発明の範囲内での他の実施形態があることが認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明によるガラス熔解炉の長手方向断面図である。
【図２】 図２は、図１の線２−２に沿うガラス熔解炉のクロスファイヤ蓄熱器の断面図である。
【図３】 図３は、図１の線２−２に沿うガラス熔解炉のエンドファイヤ蓄熱器の断面図である。
【図４】 図４は、図１の線２−２に沿うガラス熔解炉のクロスファイヤ復熱器の断面図である。
【図５】 図５は、図１の線２−２に沿うガラス熔解炉のエンドファイヤ復熱器の断面図である。
【図６】 図６は、図１の線２−２に沿うガラス熔解炉のユニット熔解装置の断面図である。
【図７】 図７は、図１の線３−３に沿うガラス熔解炉の横断面図であり、炉の上流側端壁に隣接する２個の酸素バーナーを示す。
【図８】 図８は、図１の線３−３に沿うガラス熔解炉の別の横断面図であり、炉の上流側端壁に隣接する２個の酸素バーナーを示す。
【図９】 図９は、酸素バーナーの横断面図及び酸素バーナーからのバーナー炎の概略説明図である。

Claims (10)

1. 上流側ゾーン内の上流側端壁と、側壁と、天井に連結している下流側ゾーン内の下流側端壁と、を有し、上流側ゾーン内にはガラス形成バッチ材料を充填するための少なくとも１個のバッチ充填装置を含み、段階的燃焼に適する少なくとも１の酸素バーナーがガラス形成バッチ材料の上方で天井に配設されているガラス熔解炉内で、ガラス形成バッチ材料を熔解させる方法であって、
   少なくとも１の酸素バーナーに燃料フローを提供し、
   少なくとも１の酸素バーナーに関連する気体酸化剤フローを提供し、
   燃料及び酸化剤を熔解炉中に注入し、
   燃焼の少なくとも一部がガラス形成バッチ材料の近くで生じ、ガラス形成バッチ材料に実質的な乱れを生じさせずに、ガラス形成バッチ材料への対流放射熱転移を強めるように、少なくとも１の酸素バーナーからの燃料を燃焼させる
   各ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１の方法であって、さらに、ガラス形成バッチ材料表面の近く又はガラス形成バッチ材料表面にて、燃焼ガス及び燃焼生成物の化学的に解離した種を完全に燃焼させるステップを含むことを特徴とする方法。
3. 上流側ゾーン内の上流側端壁と、側壁と、天井に連結している下流側ゾーン内の下流側端壁と、を有し、上流側ゾーンにはガラス形成バッチ材料を充填するための少なくとも１のバッチ充填装置を含み、少なくとも１の酸素バーナーがガラス形成バッチ材料の上方で天井に配設されているガラス熔解炉内で、ガラス形成バッチ材料を熔解させる方法であって、
   少なくとも１の酸素バーナーに、液体燃料フローを提供し、
   少なくとも１の酸素バーナーに関連する気体酸化剤フローを提供し、
   熔解炉内に、液体燃料及び気体酸化剤を注入し、
   液体燃料を燃焼させ、
   ガラス形成バッチ材料に対する対流熱転移を維持しながら、ガラス形成バッチ材料の乱れ及び飛沫同伴を防止するように、液体燃料及び気体酸化剤フローの速度を制御する
   各ステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項３の方法であって、少なくとも１の酸素バーナーが段階的燃焼に適し、
   燃焼の少なくとも一部がガラス形成バッチ材料の近くで生じ、ガラス形成バッチ材料に実質的な乱れを生じずに、ガラス形成バッチ材料に対する対流放射熱転移を強めるように、少なくとも１の酸素バーナーからの燃料を燃焼させるステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項３に記載の方法であって、前記液体燃料は、重油、中油、軽油、ケロシン及びディーゼルオイルから選択されるものであることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項の方法であって、さらに、気体酸化剤フローを提供するステップは、
   （ｉ）酸素バーナーがバーナーブロック内に含まれていて、酸素バーナーブロックからの注入により酸化剤をバーナーブロック内部に提供すること、
   （ｉｉ）酸素バーナーがバーナーブロック内に含まれていて、酸素バーナーブロックからの注入とは別個の注入により酸化剤をバーナーブロック外部に追加的に提供すること、又は
   （ｉｉｉ）炉の天井に少なくとも１個の追加の酸化剤インジェクターを設けて、ガラス形成バッチ材料の近く又はガラス形成バッチ材料の表面にて燃焼を完了させるための追加の酸化剤を提供すること
   の少なくとも１を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の方法であって、前記ガラス形成バッチ材料は少なくとも１の充填装置を通して炉に入り、少なくとも１の酸素バーナーは、少なくとも１の充填装置に近接してガラス形成バッチ材料の上方で炉の天井に配設されていることを特徴とする方法。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の方法であって、バーナーは、ガラス形成バッチ材料の表面に対して実質的に垂直な方向乃至垂直から３０度外れた方向で且つ炉の下流端壁に向かう方向に設けられていることを特徴とする方法。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の方法であって、
   （ｉ）少なくとも１の酸素バーナーは、下流ゾーンにて炉の天井に取りつけられていること、
   （ｉｉ）すべての炉バーナーが酸素バーナーであること、
   （ｉｉｉ）すべての炉バーナーが天井取り付け型バーナーであること、又は
   （ｉｖ）少なくとも１の天井取り付け型酸素バーナーを富燃料モードで操作し、少なくとも１の天井取り付け型酸素バーナーを燃料希薄モードで操作すること、
   の少なくとも１を含む方法。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の方法であって、
    （ｉ）酸化剤は、100%純粋酸素、又は酸素濃度が40〜100％の不活性ガスと酸素との混合物であること、
    （ｉｉ）燃料は、メタン、天然ガス、プロパン、液化プロパンガス、ブタン、都市ガス、発生炉ガス及びこれらの混合物から選択されるガスであること、
    （ｉｉｉ）燃料は、重油、中油、軽油、ケロシン及びディーゼルオイルから選択される液体であること、
    の少なくとも１を含む方法。

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