JP3981286B2 - 天井取付型段階的燃焼酸素バーナーを有するガラス溶融炉を加熱する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス溶融用天井取付型酸素バーナーの使用に関する。この発明は、さらに、ガラス溶融炉の天井にてバーナー内側での燃焼ステージング（段階化）又はバーナー外側での燃焼ステージング（段階化）を利用する少なくとも１個の酸素バーナーの使用に関する。本発明は、100%酸素燃料燃焼炉及び電気手段又は空気燃料バーナー又はそれらの組合せなどの非酸素燃料手段により加熱される炉の両者に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
一実施形態において、この発明は、生産容量を高めるか又は電気ブーストの縮小を伴うかあるいは復熱器又は蓄熱器などの現存する熱回収設備の劣化の結果としての現行の生産容量を維持するために、ガラス溶融炉の天井にある少なくとも１個の酸素バーナーの使用に関する。本プロセスは、現存する又は従来の空気燃料の一部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。エンドファイヤード蓄熱炉及び電気炉を除いて、本プロセスは、蓄熱ポートのブロッキング又は復熱バーナーの隔離を含む。特に、設計選択、炉に入るバッチ原料の上方でのバーナーの傾斜（角度付け）及び位置づけは、溶融速度を改良し、生産収率を増加させ、良好なエネルギ効率を提供し、ガラス品質を改良する。バーナー内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（富−貧）相互作用、及び炉区域の燃料／酸素のステージング（段階化）を用いて、窒素酸化物及び二酸化硫黄排出を最少にしながら、熱移動を最適化する。
【０００３】
蓄熱炉、復熱炉、電気炉及び直接燃焼炉は、一般的に、ガラス及び関連するフリット生成物の製造に用いられている。
空気燃料蓄熱炉は、２つのカテゴリー、すなわち、クロスファイヤード（断面燃焼）及びエンドファイヤード（端面燃焼）に分類される。クロスファイヤード蓄熱炉は、燃焼空気を予加熱するために共通の蓄熱器又は区分けされた蓄熱器のいずれかに連結する炉の各側面上に多数のポート、典型的には３個〜８個のポートを有する。種々の形状及びサイズである蓄熱器を、炉運転に応じて、15〜30分ごとに反転させる。各反転サイクルの間、リバースバルブ（反転バルブ）内の一つの通路を通過するファンからの燃焼空気が炉の一方の側部にある蓄熱器の基部に入り、燃焼空気は、炉に連結されているポートに入る前に予加熱される。油及び／又はガスの形態での燃料は、ポートの下に注入されるか、ポートの上に注入されるか、ポートを貫通して注入されるか又はポートの側部に注入されて、ガラス溶融炉中で燃焼する炎を生じさせる。熱い燃焼生成物は、反対側のポートを介して炉を出て、蓄熱器チェッカーレンガを下方に向かって通過して、熱を放出し、次いで、リバースバルブ内の第２の通路を通過して排気筒に排出される。入ってくる燃焼空気側の蓄熱器が冷却する際に、リバースバルブが反転して、燃焼空気が先行する熱い排気蓄熱器に入るまで、排気蓄熱器を加熱する。
【０００４】
ガラスは、空気燃料炎の輻射ゆえに部分的に溶融するが、主として燃焼生成物により加熱される天井及び壁からの再輻射により溶融する。より高い炉ガラス生産容量を得るために、多くの炉は、ガラスに浸漬させた電極による電気的ブーストを使用する。これは、コストがかかり、ガラス接触タンク壁に損傷を引き起こし得る。時間の経過と共に、熱的／構造的損傷及び／又はバッチ材料又はバッチとしても知られるガラス形成原材料のキャリオーバー、又はガラスバッチから解放された揮発性種の濃縮ゆえに、蓄熱器はブロックされるようになり得る。蓄熱器がブロックされ始める際又は作用しなくなり始める際に、炉内の空気の予備加熱温度は低下し、炉内の雰囲気圧力が増加し、炉の熱効率を減少させる。同じガラス生成速度を維持するためには、より多量の燃料及び燃焼空気が必要となる。より重要なことは、炉圧力が増加するので、炉を構成する耐火材料に損傷を生じさせないようにガラス生成速度を低下させなければならないことである。
【０００５】
上述の蓄熱器で生じる生産容量損失を回復するために、又は妨害されていない炉内の生産を増加させるために、４つの態様で酸素が用いられている。酸素を多量に含む一般的な空気（富酸素化空気）、ポート炎の下に突進する特定の酸素、第１のポートと充填端壁との間への酸素バーナーの組み込み、及びポートに対して断熱されている水冷酸素バーナー。これらの技術による容量増加は、アクセス、プロセス要求又は耐火温度限界により制限される。
【０００６】
エンドファイヤード蓄熱炉は、クロスファイヤード炉に対する運転と同様であるが、個々の蓄熱器に連結する端壁内にただ２個のポートを有する。蓄熱器劣化は、クロスファイヤード炉におけると同様の機構により生じ得、同様に電気ブースト及び酸素ブーストを利用する。
【０００７】
上述の蓄熱器で生じる生産容量損失を回復するため、又は生産を増量するため、３つの態様で酸素が用いられている。酸素を多量に含む一般的な空気、ポートの下に突進する特定の酸素、及び酸素バーナーの炉からの断熱。これらの技術は、典型的には、位置及び炉の過熱に対する考慮のため、炉内の温度限界により、制限された容量となる。
【０００８】
復熱炉は、少なくとも１の復熱器型熱交換器を利用する。蓄熱器とは異なり、復熱器は、熱い並行流熱交換器に連続しており、ここで排ガスが燃焼空気を予加熱し、炉の側部に沿った個々の空気燃料バーナーに導管で送られる。復熱器もまた電気ブーストを使用し得る。蓄熱炉のように、復熱器は、空気を予加熱する効率及び能力を損失し始める。復熱器はブロックされるようになるか又は燃焼空気と排ガスとを分離する壁の間でのリークを展開するようになる。
【０００９】
上述の復熱器で生じる生産容量損失を回復するため、又は生産を増量させるため、３つの態様で酸素が用いられている。酸素を多量に含む一般的な空気、空気燃料バーナーの下に突進する特定の酸素、及び炉胸壁（furnace breast walls）を通しての酸素バーナーの組み込み。これらの技術は、典型的には、バーナー位置限定及び炉の過熱に対する考慮から、容量を制限する。
【００１０】
直接燃焼炉は、予加熱空気を利用せず、前述の炉設計の例よりも効率が劣る。熱効率を改良するため、又は生産容量を増加させるため、側壁酸素バーナーが空気燃料バーナーの代替となっている。
【００１１】
電気炉すなわち溶融の大部分のために電気を利用する炉は、典型的には、運転コストがかかり、典型的な化石燃料燃焼炉よりも運転持続時間が短い。一度設計されると、生産容量を増やすことは困難である。本発明は、ホットトップ電気炉及びウォーム（暖かい）トップ電気炉として産業上一般的に呼ばれているものに関し、コールドトップ炉には適用されない。
【００１２】
Lauwersの米国特許5,139,558は、ガラス溶融炉中の水冷高運動量天井取付型補助酸素燃焼バーナーの使用を開示する。これは、ガラスフローに対して上流に向けられた所定角度での溶融ガラス形成成分及び固体ガラス形成成分の界面に向けられる。こうして、固体ガラス形成成分は、機械的に背面に保持され、溶融ゾーンからの逃げを防止できる。
【００１３】
Cableの米国特許3,337,324は、水冷炉の供給端部の上方に、実質的に下方に向かって燃焼するように位置づけられたバーナーを用いるガラス炉中のバッチ材料を溶融させる方法を開示する。
【００１４】
過去には、天井取付型バーナーがガラス産業においては考慮されていたが、軽視されていた。天井取付型バーナーからの熱放出が大きすぎて、炉クラウン（天井）を溶融させてしまうことに気づいた。加えて、バーナーからの高運動量の炎は、バッチ材料を周囲に吹き散らし、炉壁を傷つけ、ガラス溶融表面に一般にフォームと呼ばれる気泡層を生じさせることもあった。
【００１５】
最近、耐火裏打ちガラス溶融器内に天井取付型酸素バーナーを組み込むことが提案されている。これらのバーナーは、固まっていないバッチ材料が炉雰囲気内へ移動しないように制御された速度にて、ガラス形成原材料の表面に対して45度よりも大きな角度で下方に向けられており、概して円柱状の燃料及び酸素流がガラス形成原材料の頂部表面近傍にて燃焼してガラス形成原材料の表面に衝突する炎を生じさせるように、さらに制御される。こうして、ガラスへの熱移動を大幅に増加させ、安全運転限界内に耐火温度を維持し、炉の天井及び壁の過熱を避けることができる。蓄熱器又は復熱器を有するガラス溶融炉内の熱の一次表面として天井取付型バーナー（非階段状）を用いるこの技術的アプローチは、本願に参照として組み込まれているLeBlanc の米国特許出願08/992,136に記載されている。
【００１６】
一体的に段階化された酸素バーナーの設計は、Taylorの米国特許5,458,483に開示されている。しかし、これは、天井取付型構成において用いることを意図していない。
【００１７】
ガラス溶融炉の天井に取付けられた少なくとも１の酸素バーナーの運転時に、熱移動を改良し及び／又は窒素酸化物の排出を低下させる実施形態における段階的燃焼のためのプロセスを提供することが望ましい。
【００１８】
【発明の概要】
本発明は、蓄熱器又は復熱器熱回収装置及び／又は富酸素化空気を用いるか又は用いない100%酸素燃料ガラス炉及び空気燃料炉の酸素燃料ブースティングの両方に関する。したがって、本発明は、現存するガラス炉の変更及び新規に設計された専用ガラス炉の両者に関する。
【００１９】
本発明によれば、材料が炉に入る際に、バッチ原料の上方に位置づけられた少なくとも１の天井取付型酸素バーナーを用いて、すべての設計のガラス溶融炉において、溶融速度を改良し、ガラス品質及び／又はガラス生産収率を改良することが増進される。この設計及びこれらのバーナーの位置づけにより生じるガラス溶融速度及びガラス溶融収率の増加ゆえに、炉の状態及びタイプによっては、ガラス製造量の増加、ガラス品質の改良、電気ブーストの減少、不十分な熱回収（すなわちブロックされた蓄熱器）による生産損失の回復、富酸素化炉雰囲気置換による酸素使用量の減少、酸素下降（lancing）置換による酸素使用量の減少、慣用の酸素バーナーをガラス炉の壁を貫通して位置づけることによる酸素使用量の減少、炉構造体温度の低下、炉運転寿命の増長、エネルギ効率の改善、窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出量の減少、化石燃料使用量の減少、リサイクルガラスカレットの減少、出口ガラス温度の制御、及びガラス製品収率の増加の少なくとも１以上を達成することができる。
【００２０】
本発明は、以下のタイプの炉に適用することができる。本発明のホットトップ電気炉への適用において、少なくとも１の酸素バーナーを炉の天井に取付けてもよい。本発明のクロスファイヤード蓄熱炉への適用において、完全に又は部分的にブロック又は隔離されるべき少なくとも一対の対向ポートが必要になる場合もある。本発明のエンドファイヤード蓄熱炉への適用において、少なくとも１の酸素バーナーを炉の天井に取付け、燃焼空気流は元の設計での最大フローの一部だけ減少するであろう。本発明の蓄熱炉への適用のすべての場合において、少なくとも１の酸素バーナーを炉の天井に取付けてもよい。多数バーナー炉においては、天井取付型バーナーに隣接する壁取付型バーナーを取り除いて、空気供給を断絶すべきである。単一バーナー又は単一ポートへの適用において、燃焼空気流は元の設計の最大フローの一部だけを減少するであろう。
【００２１】
本発明のすべての直接燃焼炉への適用において、少なくとも１の酸素バーナーを炉の天井に取付けてもよい。多数バーナー炉においては、天井取付型バーナーに隣接する壁取付型バーナーを取り除いて、空気供給を断続させるべきである。単一バーナー又は単一ポート適用において、燃焼空気流は元の設計の最大フローの一部だけを減少するであろう。
【００２２】
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ト方法を利用する炉を含むが限定的ではない空気燃料又は酸素燃料により予めなされるガラス溶融は、炉に入るバッチ原料の上方に位置づけられている天井取付型酸素バーナーにより置換されて、溶融速度を改良し及び／又はガラス品質及び／又はガラス製品収率を改良する。これらのバーナーを特定の位置に位置づけることができるので、未溶融バッチ原料への熱移動を増加させることができる。
【００２３】
すべての場合において、少なくとも１の天井取付型酸素燃焼バーナーを炉に入るバッチ原料の上方に位置づけて、溶融速度を改良し、ガラス品質を改良する。すべての多数ポート及び多数バーナー空気燃料適用において、少なくとも一対のポート又は少なくとも一対のバーナーを隔離する。すべての単一ポート及び単一バーナー適用において、燃焼空気及び燃料は最大設計以下の一部に減少する。より効果的な天井取付型バーナーは、プロセスから取り除かれる慣用のエネルギに代替するエネルギと、所望のプロセス要求を達成するために必要な追加のエネルギを提供する。炉に入るバッチ原料の上方へのバーナーの位置づけは、溶融速度を改良する。天井取付型バーナー及び残りの空気燃料バーナーの化学量論的酸素対燃料比率及び流れ特性は、ガラス炉からの窒素酸化物及び二酸化硫黄の排出量を最小化させるように制御可能である。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態は、内側での燃焼ステージング（段階化）又は外側での燃焼ステージング（段階化）を利用するガラス溶融炉の天井に位置づけられた少なくとも１の酸素バーナーに関する。この実施形態は、100% 酸素燃料燃焼炉及び電気又は非酸素燃料（空気燃料バーナーなど）手段により加熱される炉の両者に適用できる。酸素燃料燃焼炉に対する適用は、溶融速度を増加させ、結果的に、ガラス品質を改良し、ガラス生産容量を改善し及びガラスの単位生産量あたりのエネルギ効率を改善（化石燃料又は電気ブーストの減少による）する少なくとも１の効果を生じさせる。非酸素燃料炉に対する本発明の適用により、ガラス品質を改良し、生産容量を改善し、又は電気ブーストの減少により現行の生産容量を維持するか又は現存する熱回収設備の劣化にもかかわらず現行の生産容量を維持することができる。既存設備への後付において（In retrofit installations）、プロセスは、炉の天井に位置づけられた一体的な燃焼ステージング（段階化）（バーナーの外側であるがバーナーブロックの内側で達成される段階的燃焼）又は外側での燃焼ステージング（段階化）（バーナー及びバーナーを保持するバーナーブロックの外側の位置からの段階的燃焼）を有する少なくとも１の酸素バーナーで、存在する又は予め存在する酸素燃料、空気燃料又は電気エネルギ容量の一部を補助又は置換することを含む。
【００２５】
新規ガラス炉への組み込みにおいて、本発明は、一体的に又は外側に段階化される燃焼に適している少なくとも１の天井取付型酸素バーナーを含む100%酸素バーナーの使用を可能とする。場合によっては、すべてのバーナーが天井取付型であってもよい。
【００２６】
したがって、本発明は、背壁、側壁上方の胸壁、及び天井に連結されている下流前壁を有し、ガラス形成バッチ材料を充填する少なくとも１のバッチチャージャーが背壁と側壁の少なくとも一方に含まれているガラス溶融炉内でガラス形成原材料を溶融させる方法を提供する。この方法は、バッチ材料上方で炉の天井に、段階的燃焼に適している少なくとも１の酸素バーナーを設ける工程と；少なくとも１の酸素バーナーに燃料流を提供する工程と；少なくとも１の酸素バーナーに関連する気体状酸化剤の流を提供する工程と；炉に、燃料及び酸化剤を注入する工程と；ガラス形成原材料の実質的な乱れなしに、ガラス形成原材料への対流熱移動及び放射熱移動が起こるように、ガラス形成原材料の近傍で燃焼の少なくとも一部が起こ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工程と、を含む。
【００２７】
一実施形態において、本発明は、背壁と、側壁上方の胸壁と、天井に連結されている下流前壁とを有し、ガラス形成原材料を充填するための少なくとも１のバッチチャージャーが、背壁及び側壁の少なくとも一方に含まれているガラス溶融炉内でガラス形成原材料を溶融させる方法を提供する。この方法は、バッチ材料の上方で、炉の天井に少なくとも１の酸素バーナーを設け；少なくとも１の酸素バーナーに液体燃料流を提供し；少なくとも１の酸素バーナーに関連する気体状酸化剤流を提供し；燃料及び気体状酸化剤を炉中に注入し；燃料を燃焼させる工程を含む。
【００２８】
この実施形態において、１つの酸素バーナーは、段階的燃焼に適するものでもよい。段階的燃焼は、ガラス形成原材料に実質的な乱れを生じさせずに、ガラス形成原材料の近傍で燃焼の少なくとも一部が生じ、ガラス形成原材料への熱の対流移動及び放射移動を起こすように、少なくとも１の酸素バーナーからの燃料を燃焼させることを含む。
【００２９】
別の実施形態において、本発明は、背壁と、側壁上方の胸壁と、天井に連結されている下流端前壁と、を含み、背壁及び側壁の少なくとも一方にはガラス形成原材料を充填する少なくとも１のガラスチャージャーが含まれているガラス溶融炉内でガラス形成原材料を溶融させる方法を提供する。この方法は、バッチ材料の上方で、炉の天井に、少なくとも１の酸素バーナーを設け、少なくとも１の酸素バーナーは、燃料を段階的に燃焼させる段階的燃焼に適しており、少なくとも１個の外側酸化剤インジェクタと２個の内側燃料インジェクタとを含み、最も内側の燃料インジェクタは高速度燃料注入に適しており、最も内側の燃料インジェクタと外側酸化剤インジェクタとの間に配設されている他方の燃料インジェクタは、低速度燃料注入に適している、このような少なくとも１の酸素バーナーを設ける工程と；少なくとも１の酸素バーナーに燃料流を提供し、ここで、最も内側の燃料インジェクタを通しての燃料流は他方の燃料インジェクタを通しての燃料流よりも高い運動量（推進力）を有する、このような燃料流を提供する工程と；最も内側の燃料インジェクタを通しての燃料流よりも低い運動量（推進力）を有する気体状酸化剤流を外側酸化剤インジェクタに提供する工程と；燃焼の少なくとも一部がガラス形成原材料の近傍で起こり、ガラス形成原材料の実質的な乱れがなく、ガラス形成原材料への対流熱移動及び放射熱移動を起こさせ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工程と、を含む。
【００３０】
別の実施形態において、本発明は、酸素バーナーを提供し、この酸素バーナーは、少なくとも１個の外側酸化剤インジェクタと、２個の内側燃料インジェクタと、を含み、最も内側の燃料インジェクタは高速度燃料注入に適し、他方の燃料インジェクタは低速度燃料注入に適する。
【００３１】
さらなる実施形態において、本発明は、蓄熱器、復熱器及び／又は電気ブーストを有し、側壁と、背壁と、前壁と、天井とを含むガラス炉内でバッチ材料を溶融する方法を提供する。この方法は、バッチ材料の上方で、炉の天井に、少なくとも１のバーナーを設け；この少なくとも１のバーナーに気体状酸化剤流を提供し；この少なくとも１のバーナーに気体状燃料を提供し；少なくとも１のバーナーから炎を発生させ、この炎は、バッチ材料の実質的な乱れを伴わずに炎からバッチ材料への熱移動を最大化させるに十分な速度を有しており；炉の天井にある少なくとも１の酸素インジェクタからバッチ材料の表面において又はバッチ材料の表面近くにおいて、燃焼を完了させるために追加の酸素を提供する工程を含む。
【００３２】
【好ましい実施形態の記載】
添付図面を参照する以下の詳細な記載から、本発明のさらなる特徴並びにさらなる課題及び効果が明らかになるであろう。
【００３３】
本発明が意図するガラス炉において、典型的なバーナーは、酸化剤に対する燃料の特定比率で、燃料と空気又は酸素との混合物を排出して、燃焼混合物を製造する。着火すると、この可燃性混合物は燃焼して、ガラスバッチ材料を加熱して溶融させるために用いられる炎を生じさせる。本発明のプロセスは、主として炉の壁及び天井からの直接的な放射及び炎からの直接放射により熱移動が行われる慣用の化石燃料燃焼空気炉及び酸素炉において利用されるプロセスとは異なる。少なくとも１の天井取付型酸素バーナーを利用するプロセスは、放射熱移動要素に加えて、一酸化炭素、水素、ヒドロキシルラジカルなどの反応中間種の衝突及び最終反応により、及びガラスバッチ表面における二酸化炭素及び水蒸気などの安定な燃焼生成物により、顕著な対流熱移動を提供する。このタイプの熱移動は、酸素バーナーが一体的に段階化され（バーナーブロック内）又は外側に段階化される場合に増強され、燃焼の一部を遅延させ、こうしてガラス表面が到達するまで、炎温度及び放射熱損失を低下させる。結果的に、炉上部構造への熱移動は減少する。
【００３４】
適切な燃焼用燃料としては、限定されるものではないが、大気温度にて又は予加熱形態でのメタン、天然ガス、液化天然ガス、プロパン、液化プロパンガス、ブタン、低BTUガス、たとえば、都市ガス、発生炉ガスなど、気化又は噴霧化油、ケロシン又はディーゼル燃料油、又はこれらの混合物を挙げることができる。好ましい酸化剤は、濾過、吸着、膜分離などにより製造される20.9容積％〜約80容積％、好ましくは50容積％以上の酸素を含む富酸素化空気；例えば、真空スィング吸着プロセスにより製造され、約80容積％〜約95容積％の酸素を含む非純粋酸素；寒冷空気分離プラントにより製造されるような約90容積％〜約100容積％の酸素を含む「工業的に」純粋な酸素を含む。酸化剤は、大気温度にて又は予加熱形態で導入することができる。燃料及び酸化剤は、一般的にバーナー組立体を介して炉に導入される。
【００３５】
バーナー組立体は、一般的に、入口開口及び出口開口を有する炎チャンバを含むように形成されたバーナーブロックと、バーナーブロックに形成された炎チャンバ中に燃料を排出する燃料排出バーナー手段と、炎チャンバ中に酸素を排出する酸素排出手段と、を含む。運転時に、排出された酸素は、炎チャンバ内部で、燃料排出バーナー手段により与えられた燃料と混合する。この可燃性燃料及び酸素混合物に着火して、炎チャンバ内の基底部分と炎チャンバ外側の先端部分とを有する炎を画定する。用いるべきバーナー組立体が、二次燃焼目的で「内側で段階化された」バーナーを含む場合には、バーナーブロックは、炎チャンバの出口開口周囲の酸素排出ポートなどの炎チャンバの外側に酸素を導通させるバイパス手段をさらに含むものでもよい。運転時には、バーナーブロック内に形成されたバイパス手段を通して酸素排出ポートまで酸素を通過させてもよく、及び炎の一部を含み且つ炉内で炎チャンバ外側に横たわる下流の「第２段階」領域に、バーナーブロックから酸素を排出させて、ガラスバッチ材料を加熱又は溶融させてもよい。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、一体的に段階化されたバーナーブロックは、耐火材料からなり、炎チャンバ入口開口及び入口開口周囲の複数の酸素取り入れポートを含むように形成された外側壁を含む。バーナーブロックは、炉内に横たわるように付形され且つ炎チャンバ出口開口及び複数の酸素排出ポートを含むように形成された炉壁をさらに含む。別の実施形態において、後述するように、１以上の酸化剤取り入れ手段をバーナーブロックの外方に設けて、炉内で段階的燃焼を可能にしてもよい。
【００３７】
耐火バーナーブロックに適切な材料としては、限定されるものではないが、シリカ、ムライト、ジルコニア（ZrO₂）、溶融キャストアルミナ−ジルコニア−シリカ（AZS）、再結合AZS、又は再結合アルミナ（Al₂O₃）を挙げることができる。選ばれた特定の材料は、部分的に、ガラス溶融炉内で溶融すべきガラスのタイプにより決定される。
【００３８】
段階的燃焼は、ガラス炉バーナーのために提案されている。例えば、バーナー出口からずらした位置で完全燃焼させるために、燃料が豊富な酸素−燃料混合物（燃料リッチ酸素−燃料混合物）をバーナーから炉内に注入して、追加の酸素をバーナーブロック外方の手段により注入する。天井取付型バーナーの例において、好ましくは、完全燃焼は、バッチ原材料の表面の近くで生じる。好ましくは、バッチ原材料の表面に炎が衝突してしまった後まで完全燃焼を遅延させるために、追加の酸素インジェクタを位置づける。追加のインジェクタの位置は、バーナーの所望の運転条件並びにバーナーの位置及び数に依存する。本発明によれば、外側の段階的燃焼は、所望の遅延燃焼効果を得るために酸素インジェクタをいずれの場所に位置づけてもよいが、好ましくは炉の天井に少なくとも１の酸素インジェクタ手段を取付けることにより提供される。
【００３９】
本発明によれば、少なくとも１の酸素バーナーは、好ましくは、バッチ原料（及び場合によってはカレット）の上方で、炉の天井（又はクラウン）に位置づけられ、バッチ表面に向けられている。ガラス形成原材料が充填される炉背壁に近接する最も冷たいバッチ材料があるバッチチャージャーにできるだけ近い位置に、バーナーを位置づけて、より高い熱量差により迅速に溶融させてもよい。天井取付型バーナーから下流側の炉の壁を貫通させて、慣用の空気燃料バーナー又は酸素バーナーを位置づけて、清澄ゾーンを設けて、反応物質の完全燃焼を保証してもよい。あるいは、天井取付型酸素バーナーが、炉下流端壁すなわち炉の前壁に近いバッチチャージャーの熱移動下方向流を与えてもよい。
【００４０】
天井取付型酸素バーナーは、本発明によれば成功する。なぜなら、燃焼の一部がガラス溶融炉のバッチ表面上で生じ、伝統的な放射熱移動に、対流熱移動を加えるからである。更に、本発明の好ましい実施形態によれば、一体的な段階的燃焼又は外側での段階的燃焼を伴う天井取付型酸素バーナーを用いることで、酸素と燃料との混合を遅延させ、燃焼ゾーンを天井からさらに離れて突出させることができる。この結果、燃焼の多くをガラスバッチ原料又は溶融材料の表面上又は表面に局在化させることができ、対流熱移動及び放射熱移動を増加させることができる。高温の炎は、天井から離れるように移動して、構造体に損傷を与えることを回避し、ガラスにより近づいて熱移動を促進させる。一つの追加の利点は、本発明の天井取付型段階的燃焼の実施形態が、より高い天井を有する炉構造体中でも本プロセスを実施できることである。遅延は、２つの気体流（酸素だけ/燃料だけ、又は燃料レーン（希薄）/燃料リッチ（濃厚）混合物のいずれか）を十分な量だけ分離させることによって起こり、一実施形態においては、バッチ表面又は溶融表面上で流れの中心線を収束させるように互いに向かって傾斜（角度付け）させることによって生じる。
【００４１】
酸素／天然ガスバーナーは、天然ガスが純粋メタンで酸化剤が純粋酸素である場合には、化学量論比2:1で運転される。慣用の円錐形炎酸素／ガスバーナーは、内部管がガスを供給し、外側管が酸素を供給する管構成での同心管を使用する。炎長さは、２つの流の速度の関数となり、相対速度は２つの流の間で異なり、２つの流の間の界面における混合速度すなわち燃焼速度に影響を与える。両方の流は管を出る際に膨張するので、すぐに混合を始め、バーナー排出ポイントに非常に近接して燃焼が始まる。
【００４２】
本発明は、２つの流（燃料及び酸化剤）を２種以上の別個の流に分ける。一実施形態において、燃料ガス流は、気体状燃料だけとして又は化学量論比よりも少ない酸素を有する同心管バーナーとして、作用し得る。場合によっては必要な酸素の最大100%までの完全燃焼に必要な残りの酸素は、２つの流がターゲット、ガラス材料表面に至る実質的な距離を移動してしまうまで、２つの流が混合しないようにガス管から十分離隔して配置される１以上の追加の管を通して導入される。２つの流を分離する角度は、炉の壁を通過して突出する場合には、最低で０度（平行）又は最高で90度であってもよく、混合がバーナー排出ポイントを超えて生じる限り、溶融物の表面真下から発泡（バブリング）する場合には最大180度でよい。
【００４３】
上述のように、本発明のプロセスの一つの利点は、ターゲットからさらに離隔した、すなわち天井からガラス原材料面までの大きな距離を有する天井取付型バーナーを運転することができることである。これにより、段階化されていない天井取付型バーナーにとって、対流移動の大きな速度を達成するには天井がバッチから離れすぎている現行の炉設計においても天井取付型酸素バーナーを運転させることができる。
【００４４】
図面を参照すれば、前ガラス炉又は清澄器12に溶融ガラスを提供するためのガラス溶融炉10が示されている。前ガラス炉又は清澄器12で、溶融ガラスは、さらに清澄され、続いて１種以上のガラス形成装置、例えばコンテナ、繊維化装置、フロートバスなど（図示せず）に供給される。図面を考察するにあたり、明確にするためにいくつかの構成の詳細は示されていないが、本発明が開示され、表現されたならば、これらの詳細は当業者に慣用で周知であることがわかるであろう。除かれている特定の構成は、蓄熱器ポート、空気燃料バーナー及び排気口であり、これらは炉のタイプごとに異なる。
【００４５】
ガラス溶融炉10は、典型的には、上流端壁14及び下流端壁16、側壁18、床20及び天井22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、酸化クロムなどの適切な耐火材料で作られている。天井22は、概して、チャネルの長手方向軸を横断する弓状形状を有するように示されている。しかし、天井は、任意の適切な設計でよい。典型的なガラス溶融炉10の天井22は、ガラス形成原材料の表面の上に約３〜15フィート（約0.9〜4.5ｍ）の間に位置づけられている。当業者には周知であるように、ガラス溶融炉10は、場合によっては、１種以上のバブラー24及び／又は一対以上の電気ブースト電極（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上昇させ、バッチカバー下での溶融ガラス循環を増加させる。
【００４６】
ガラス溶融炉10は、２つの連続ゾーン、溶融ゾーン27及び下流の清澄ゾーン28含む。溶融ゾーン27は、当該分野で周知のタイプの充填装置32を用いてガラス形成原材料が炉に充填されるガラス溶融炉10の上流ゾーンであると考えられる。ガラス形成原材料30は、ガラス製造において典型的に用いられる原料の混合物であってもよい。ガラス形成原材料（又はバッチ）30の組成は、製造されるべきガラスのタイプに依存することは理解されるであろう。通常、この材料は、とりわけ、一般的にカレットと呼ばれるスクラップガラスを含むシリカ含有材料を含む。他のガラス形成原材料としては、限定されるものではないが、長石、カスミ石閃長岩、ライムストーン、ドロマイト、ソーダ灰、カリ（potash）、ホウ砂、カオリンクレイ、及びアルミナ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、硫酸鉛、硫化物、カーボン、フッ化物及び／又は他の成分を添加してもよい。さらに、バリウム酸化物、ストロンチウム酸化物、ジルコニウム酸化物、亜鉛酸化物を特定目的のガラスのために添加してもよく、所望の色を得るために他の色形成金属酸化物を添加してもよい。
【００４７】
ガラス形成原材料30は、ガラス溶融炉10の溶融ゾーン27にある溶融ガラス表面上に固体粒子のバッチ層を形成する。ガラス形成原材料30の浮遊している固体バッチ粒子は、主として、ガラス溶融炉10の天井22に取付けられている制御された衝突炎形状及び長さを有する少なくとも１の酸素バーナー34により溶融される。本発明によるガラス形成原材料30上方でのガラス溶融炉10の天井22にある少なくとも１の酸素バーナー34の取付け及び正確な制御は、固体ガラス形成原材料の溶融速度を増加させ、同時に、許容される運転制限内に周囲の耐火材料の運転温度を維持することが知見された。
【００４８】
本明細書において「少なくとも１の酸素バーナー」とは、１以上の酸素バーナーを意味する。また、「100%酸素燃料」とは、酸化剤として空気単独の場合とは異なり、すべてのバーナーが酸素又は富酸素化空気を利用することに適していることを意味する。さらに、本明細書において、「主として、少なくとも１の酸素バーナーにより」とは、後付組み込み（retrofit installations）において、ガラス形成原材料を溶融させるための追加の又は回復されたガラス生産容量及び置換された空気燃料及び／又は電気／酸素ブーストエネルギが少なくとも１の酸素バーナーからのものである状態をいう。特定の一実施形態において、図１及び２に示すように、ガラス溶融炉10は、３個の酸素バーナー34を含む。単一の酸素バーナー34が、２個の隣接して位置づけられている下流の酸素バーナーの上流に位置づけられている。しかし、ガラス形成原材料30を溶融させるために、バッチの上方で炉10の天井22の任意の位置に、任意の数の酸素バーナー34が位置づけられていてもよいことは理解されるであろう。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位置づけられていてもよいし、あるいは単一の酸素燃料バーナーが図８に示すように用いられてもよい。それにもかかわらず、本発明によれば、ガラス溶融炉の天井22にある各酸素バーナー34の角度方向は、生じる炎36が実質的に垂直にガラスバッチ表面に方向付けられて、炎がガラス表面に衝突して衝突領域26を形成するようになされていてもよい。好ましい実施形態において、酸素バーナー34は、バッチ材料に対して実質的に垂直に、ガラス形成原材料30に対して約90度の角度で位置づけられている。この角度は、幾つかの実施形態においては、下流端壁（すなわち前壁11）の方向に対して垂直な位置から45度程度外れていてもよいが、好ましくは10度程度外れている。ガラス製造速度及び製造されたガラスの品質は、本発明による制御された衝突炎形状及び長さを有する少なくとも１の下方に向いて燃焼する酸素バーナー34でガラス形成原材料30を溶融させることにより、改良され得ることが知見された。
【００４９】
少なくとも１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、液体又はこれらの組合せのいずれであってもよい。気体燃料は、上記に挙げたもの並びに上述の気体の混合物を含む。液体燃料は、重質燃料油（ヘビイフュエルオイル）、中質燃料油（ミドルフュエルオイル）、軽質燃料油（ライトフュエルオイル）、ケロシン及びディーゼル燃料油を含む。液体燃料は、噴霧化及び／又は気化されていることが必要である。噴霧化は、機械的手段、又は空気、蒸気、酸素、任意の上述の気体燃料及び場合によっては不活性ガスなどの二次的噴霧化媒体のいずれかによりなされてもよい。気化は、油に気化される燃焼ガスの生成物周囲の熱に依拠する。酸化剤は、上述したように、100%純粋酸素、又は好ましくは50〜100%の酸素濃度を有する酸素と不活性ガスとの混合物のいずれでもよい。
【００５０】
図９を参照すれば、ガラス溶融炉10の天井22内の少なくとも１の酸素バーナー34は、燃料を提供する少なくとも１の燃料導管40及び酸素流を提供する少なくとも１の酸素導管42を有する。酸素バーナー34は、ガラス溶融炉10の寸法及び所望の引き出し速度に依存する約0.5〜約15mm Btu/hr範囲の容量を有する。酸素バーナー34は、空気中に存在するよりも高濃度の酸素を用いるように設計されており、酸素バーナー34からの炎36の衝突領域の上方の温度は、空気燃料バーナーを用いる慣用のガラス溶融炉内の温度よりも実質的に高い。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により与えられる炎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とされる酸素の化学量論量の約95〜125％のレベルにある。しかし、燃料対酸素の比率を変えて、例えば、レドックスレベル（redox level）、ガラス色、シード及び気泡（ブリスター）として知られている気泡レベル及び他のガラス特性を含む１種以上の望ましい特性を得るために、ガラス溶融炉10内の運転条件の範囲を生じさせることができる。
【００５１】
酸素バーナー34は、ガラス溶融炉10の天井22内に位置づけられているバーナーブロック38から下方向に延在する。各一次バーナーブロック38は、形状に依存して、少なくとも最も大きな導管42又は40の外径と同じ位大きな内径(id)を有する開口を含む。バーナーブロック38の開口の内径(id)は、約2〜8インチ（5.08〜20.3cm）の間で変動してもよい。酸素バーナー34の端部、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（0〜45.7cm）の間の距離(LBb)の位置にある。二次燃焼ゾーン及びいくつかの場合における三次燃焼ゾーンは、バーナーブロック38の外側にある。いくつかの例における酸素バーナー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、バーナー炎を収束させるように作用し、バーナー炎が外方向に拡がることを防止するが、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材料からなり、矩形など任意の適切な外形のいずれであってもよい。
【００５２】
バーナーブロック38の底面は、天井22の内面と面一であってもよく、あるいは底面は、天井の内面の下に約2インチ（5.08cm）の距離だけ突出して、バーナーブロック38及び隣接するクラウン耐火物を摩耗から保護してもよい。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内に下方向に延在して、バーナーブロック38の出口から実質的に同じ垂直高さ又は総合的に異なる垂直高さのいずれかで終止する。
【００５３】
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、バーナーブロック38に対して内側及び外側での燃料ステージング（段階化）及び酸素ステージング（段階化）は大きく変動するであろう。追加の酸素インジェクタ60を位置づけて、炎がバッチ原料に衝突するまで、完全燃焼を遅延させる。これらの追加のインジェクタ60の位置は、天井取付型バーナーの数及び位置に依存するが、特に天井及び壁の任意のポイントに位置付けることができる。
【００５４】
本発明によれば、少なくとも１の酸素バーナー34により生じる下方向に衝突する炎36は、正確に制御されて、バーナーブロック38の出口からガラス形成原材料成分30の表面又は溶融ガラスの表面までの距離以上の長さ及び周囲の耐火材料から離隔した炎を与えるので、ガラス溶融炉10の天井22及び側壁18の過熱リスクを減少させる。衝突する炎36は、化学工学において慣用の及び標準的な制御装置などにより制御されてもよい。例えば、バルブ、熱電対、適切なサーボ回路に結合されているサーミスタ、ヒーターコントローラなどが、容易に入手可能で且つ酸素バーナー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る。
【００５５】
衝突する炎36は、燃料流及び酸素流の相対速度及び最大速度と最少速度及び少なくとも１の酸素バーナー34からの内側でのステージング（段階化）及び外側でのステージング（段階化）の両者を制御することにより、正確に制御される。
【００５６】
ガラス形成原材料30の表面に衝突する燃料流及び酸素流の最大速度及び最少速度は、バッチ材料の乱れ及び炉の側壁18及び天井22に対するガラスバッチ材料の飛沫同伴及び変位を防止し、一方、ガラス形成原材料の表面への最適な対流熱移動を維持するために、制御されなければならい。側壁18及び天井22に対するガラスバッチ材料の変位は、耐火材料に不利な影響を与え、ガラス溶融炉10の運転寿命を短くする可能性があることは理解されるであろう。
【００５７】
燃料及び酸素流の正確な最大速度を決定するために、バーナーを垂直に取付け、ガラス砂床に下方に向かって燃焼させた。ガラス砂床を横断して溝が形成されていた。バーナーをガラス砂から異なる高さに調節し、ブロックへのバーナー後退(LBb)での砂移動が認められた燃焼速度を記録した。これらの実験からのデータを市販のコンピュータ流体力学コード（CFD）上のシミュレーション運転と比較して、上述の実験で砂が乱れた表面を横断する最大速度を得た。
【００５８】
【表１】

【００５９】
これらの実験から、CFDモデルとの比較により、最大表面速度が約21m/sであることが確認された。バッチ材料における変動、バッチグレイジング（glazing）及びバッチ粒子凝集により、現実の最大値は上記計算による最大値とは異なるであろうから、当業者にとって、約25m/secまで最大速度を変動させることが可能である。しかし、バッチ材料の乱れ及び飛沫同伴を最小にするために、最大速度は30m/sec以下に維持すべきである。
【００６０】
周囲の耐火材料に損傷を与えずに衝突する炎36からの最大エネルギを利用するために、酸素バーナー34の燃料及び酸素の最高速度及び最低速度もまた制御される。衝突する炎36からの最大エネルギは、ガラス溶融炉10燃焼スペースに放出される熱量を最小化し、ガラス形成原材料30への熱移動を最大化することによって、達成される。耐火材料炉壁及び上部構造に損傷を与えずに、ガラス形成原材料30に対する許容される熱移動速度を生じさせるための酸素バーナー34に対する運転最高速度及び最低速度範囲は、酸素バーナーの設計及び位置、バーナーブロック開口幾何学形状、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（段階化）、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出物の関数である。
【００６１】
停滞領域56は、炎36が熱境界層に侵入し且つガラス形成原材料30の表面に衝突する領域である。この領域56内では、炎36は熱境界層に侵入し、ガラス形成原材料の表面に衝突して、下向きに曲がった炎の水平流を加速する表面における鋭敏な圧力傾斜を形成し、炎を衝突表面に沿って外方向に放射状に拡げる。停滞領域56の端部は、衝突する炎36によって生じた圧力傾斜がゼロになるガラス形成原材料の表面上の位置として規定される。停滞領域56内では、炎36の運動（推進力）を慎重に制御することにより、ガラス形成原材料30の表面に本来存在する熱境界層が侵入して、排除されるので、強い熱抵抗特性が弱まる。したがって、衝突する炎36により生じた熱は、特に溶融したガラス形成原材料30内により容易に侵入する。さらに、停滞領域56内では、炎36の明るさ（luminosity）は大幅に増加し、比較的冷たいガラス形成原料30への放射熱移動を強める。
【００６２】
停滞領域56の半径方向限界にて、壁噴射領域58が始まる。この領域において、炎36は、衝突表面に対して本質的に平行に流れ、熱境界層が衝突表面に沿って且つ停滞領域56から外方に流れ、よって、熱境界層は、ガラス形成原材料表面への熱流に対する表面抵抗を回復し始める。
【００６３】
フリージェット領域54内での制御された炎熱発生は、酸素バーナー34の設計、バーナーブロック38の開口の内径(id)及び酸素流と燃料流との相対速度及び最大及び最少速度の結果である。酸素バーナー34の設計、バーナーブロック38幾何学的設計、並びに酸素流及び燃料流の速度を選択的に制御することにより、酸素流及びガス流の間の剪断応力を減少させ、部分燃焼を制御し、熱放射放出を減少させる。酸素バーナー 34 のバーナー設計及び運転を最適化することにより、フリージェット領域54内で発生した炎熱及び停滞領域56内での原ガラス表面における熱移動抵抗を最小化し、停滞領域内で発生した熱を最大化させることは理解されるであろう。
【００６４】
フリージェット領域54内で発生した熱は、以下のプロセスの結果である。第一に、フリージェット領域54内での制御された部分燃焼が、ガラス形成原材料30の表面における燃焼を制御し、こうして、ガラス形成原材料の表面近くで燃焼プロセスを生じさせる。ガラス形成原材料30の表面近くでの燃焼により、ガラス形成原材料の表面における温度傾斜を高め、こうして対流熱移動を改良する。第二に、フリージェット領域54内での制御された部分燃焼により、燃焼ガス及び燃焼生成物の化学解離にとって許容される温度を発生させる。これらの解離された種は、ガラス形成原材料30の比較的冷たい表面に衝突したならば、部分的に再結合し、発熱的に、ガラス形成原材料の表面に多量の熱を発生させる。発熱反応からの熱は、さらに対流熱移動プロセスを増進する。停滞領域56におけるガラス形成原材料30の表面での熱抵抗の最小化は、以下のファクターの結果である。
【００６５】
第一に、熱境界層が、制御された炎36の運動量（推進力）及びガラス形成原材料30の表面にて慎重に制御された燃焼特性により発生した渦流を介して、排除される。第二に、局所的な表面熱発生は、低熱伝導性ガラス形成原材料30を大幅に良好な伝導性の溶融ガラス材料へと変換させる。この変換は、表面で発生した熱をより効率的にガラス形成原材料の深さ方向に侵入させる。
【００６６】
図２の蓄熱器81を有するクロスファイヤード蓄熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に入るバッチ原料上方に位置づけられた少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナー34を利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復し又は増進し、又は電気ブースト容量を減少させる。クラウン（天井）取付型バーナー34は、衝突領域36内のバッチ材料30の表面に衝突する。本発明のすべてのクロスファイヤード蓄熱炉用途において、少なくとも１対の対向ポート71は、完全に又は部分的にブロック又は隔離されるであろう。これは、必要とされるブースト量に応じて、典型的には、第１のポートにあり、おそらく第２のポートにある。追加の天井取付型バーナーは、未溶融のバッチ材料の上方に位置づけられたクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、ガラスタンクの下方に位置づけられてもよい。クラウン（天井）取付型バーナーから放出されたエネルギは、従来の燃焼ポートから取り除かれたエネルギ、取り除かれた慣用の電気ブースト又は酸素ブーストの代替となる。
【００６７】
蓄熱器81を有する図３のエンドファイヤード蓄熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に入るバッチ原料の上方に位置づけられた少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナー34を利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復又は増進し、あるいは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ード蓄熱炉用途において、燃焼空気及び慣用の燃料要求は、従来の設計よりも少なく、バッチ原材料上方に位置づけられており衝突領域36内のバッチ材料に衝突する少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナー34からのエネルギで代替される。未溶融バッチ材料上方に位置づけられたクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、追加の天井取付型バーナーをガラスタンクの下方に位置づけることもできる。クラウン（天井）取付型バーナーから放出されるエネルギは、燃焼ポートからの減少したエネルギ、取り除かれた慣用の電気又は酸素ブーストの代替となる。
【００６８】
図４の復熱器82を有するクロスファイヤード復熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に入るバッチ原料上方に位置づけられた少なくとも１の天井取付型バーナー34を利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復又は増進し、あるいは電気ブースト容量を減少させる。本発明のすべてのクロスファイヤード復熱炉用途において、少なくとも１対の対向バーナー73は、ブロック74を用いて完全に又は部分的にブロック又は隔離される。これは、必要とされるブースト量に応じて、典型的にはバーナーの第１ゾーンにあり、おそらく第２ゾーンにある。未溶融バッチ材料上方に位置づけられたクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、追加の天井取付型バーナーをガラスタンク下方に位置づけることもできる。クラウン（天井）取付型バーナーから放出されるエネルギは、従来の燃焼ポートから取り除かれたエネルギ、取り除かれた慣用の電気又は酸素ブーストの代替となる。
【００６９】
図５の復熱器82を有するエンドファイヤード−復熱炉において、本発明の好ましい実施形態は、炉に入るバッチ原料の上方に位置づけられた少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナー34を利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復又は促進し、あるいは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ード復熱炉用途において、燃焼空気及び慣用の燃料要求は、従来の設計よりも少なく、バッチ原料の上方に位置づけられた少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナー34からのエネルギで代替される。未溶融バッチ材料の上方に位置づけられたクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、追加の天井取付型バーナーをガラスタンクの下方に位置づけることもできる。クラウン（天井）取付型バーナーから放出されるエネルギは、燃焼ポートからの減少したエネルギ、取り除かれた慣用の電気又は酸素ブーストの代替となる。
【００７０】
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、炉に入るバッチ原料の上方に位置づけられている少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナーを利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復又は増進し、あるいは電気ブースト容量を減少させる。本発明のすべての直接燃焼炉用途において、燃焼空気及び慣用の燃料要求は、従来の設計よりも少なく、バッチ原料の上方に位置づけられた少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナーからのエネルギで代替される。多数空気燃料バーナー73の適用において、少なくとも１のバーナー74は隔離されるであろう。未溶融バッチ材料の上方に位置づけられているクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、追加の天井取付型バーナーをガラスタンクの下方に位置づけることもできる。クラウン（天井）取付型バーナーからのエネルギは、燃焼ポートからのエネルギ、取り除かれた慣用の電気又は酸素ブーストの代替となる。
【００７１】
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、炉に入るバッチ原料の上方に位置づけられている少なくとも１のクラウン（天井）取付型バーナーを利用して、溶融速度を改良し、品質を改良し、生産容量を回復又は増進し、あるいは電気ブースト容量を減少させる。未溶融バッチ材料の上方に位置づけられているクラウン（天井）取付型バーナーがある限り、追加の天井取付型バーナーをガラスタンクの下方に位置づけることもできる。クラウン（天井）取付型バーナーからのエネルギは、燃焼ポートからの減少したエネルギ、取り除かれた慣用の電気又は酸素ブーストの代替となる。
【００７２】
すべての場合において、異なる天井取付型バーナー及び残っている空気燃料バーナーの化学量論比を慎重に選択することによって、窒素酸化物及び二酸化硫黄を減少させることができる。クロスファイヤード炉用途の例示である図２を参照すれば、AL又はAR位置に取付けられているバーナー34は、過剰の化学量論酸素で運転され、炉内に燃料レーン（希薄）（酸化）ゾーンを創り出す。位置BCにてバーナー34及び／又は化学量論酸素又は空気よりも少ない第２のポート71にてバーナーのいずれかを運転することにより、炉内に燃料リッチ（濃厚）（還元）ゾーンを創り出す。残りのポートは、過剰の化学量論酸素で運転され、炉内に燃料レーン（希薄）(酸化)ゾーンを創り出す。このリッチ（濃厚）−レーン（希薄）−リッチ（濃厚）構成は、炉の燃焼ゾーンを効果的に段階に分けて、熱移動を最適化し、一酸化炭素スクリーンを形成することによって窒素酸化物形成を最小化する。
【００７３】
少なくとも１の天井取付型酸素バーナー34は、新規な空気燃料ガラス溶融炉10に位置づけられても又は現存する空気燃料ガラス溶融炉に後付されてもよく、空気燃料だけの燃焼炉に比べてガラス品質を増幅させる。本発明が、実質的な引き上げ速度の増加、ガラス溶融炉10壁温度の低下、本明細書に記載されているように少なくとも１の天井取付型酸素バーナーを後付けしていない同じ空気燃料炉と比較して改良されたガラス品質を助長することは理解されるであろう。さらに、すべての空気燃料システムとは異なり、少なくとも１の酸素バーナーの使用が、酸素燃料炎及び空気燃料炎の化学量論に依存して、NOx排出を減少させることができることが、当業者には容易に理解されるであろう。
【００７４】
【実施例１】
天井取付型酸素バーナーの後付
本発明の一実施例は、酸素ブースティング、100%酸素変換、酸素ブーストへの切り替え及び最終的には現存するホット3ポートクロスファイヤード蓄熱炉の慣用の空気燃料燃焼である。炉は、最初にすべての空気燃料を燃焼させていた。ポート#1燃焼は、少なくとも１の天井取付型酸素バーナーで代替した。炉は、残りの２個のポートで、慣用的に空気燃料蓄熱炉を燃焼させた。第２の相において、次に、ポート#2燃焼は、少なくとも１の天井取付型酸素バーナーで代替され、炉は、第３のポート上で慣用的に空気燃料蓄熱炉を燃焼させた。第３の相で、ポート#3燃焼は、すでに組み込まれていた天井取付型酸素バーナーでのエネルギで代替された。炉容量は、23.5mm BTU/hr〜18mm BTU/hrの減少されたエネルギインプットで、55tons/dayから85tons/dayまで増加した。炉は、増分ステージで、空気燃料燃焼に再変換された。この実施例は、現存する空気燃料炉を選択的に増進させる能力、並びに天井取付型酸素バーナーからのガラス炉に対する総熱インプットを提供する能力を示す。プロセスは、水冷バーナーを必要としない。
【００７５】
【実施例２】
一体的酸素ステージング（段階化）を有するバーナー及びバーナーブロック
バーナー形状又はバーナーブロックとの組合せにおけるバーナーにより酸素の一体的なステージング（段階化）を具備する酸素バーナーは、熱移動を増加させ、NOxを減少させることが示されている。本発明によれば、少なくとも１のこのタイプの一体的に段階化されたバーナー103が、ガラス溶融炉110の天井111に設けられている。バーナー103は、理想的には、バッチ原料130の上方に位置づけられ、好ましくは炉内でのガラス流104の方向に約91度〜約135度に等しい角度α（図１０中GC）にある。
【００７６】
【実施例３】
外側酸素ステージング（段階化）を有するバーナー及びバーナーブロック
図１１を参照すれば、バーナー122及びバーナーブロック121の外側に取付けられた2〜8個の酸素インジェクタ112を有するガラス溶融炉 111 の天井に取付けられたバーナーブロック121を有するバーナー122は、非段階化バーナーよりも高い熱移動を与えることができることが示されている。バーナー122は、好ましくは、ガラス表面に対して及び炉内のガラス流の方向に、約91度〜約135度で傾斜（角度付け）している。この実施例によれば、化学量論燃焼酸素の0%〜約90%が一次酸素バーナー133を通して注入され、残りの100%〜約10%の二次燃焼酸素134は、ガラス表面に対して約0度〜約90度に角度が付されている酸素インジェクタ112を通して注入される。当業者には理解されるように、ガラス原材料の表面又は表面近くに衝突するまで燃料145の燃焼を遅延させるため、ステージング（段階化）ポートの数、角度及び量は、炉ごとに特別に設計される。
【００７７】
【実施例４】
少なくとも２個の天井取付型バーナーの間のバーナー内側でのステージング（段階化）
酸素バーナーを利用する燃焼のステージング（段階化）は、本発明に従って、少なくとも２個の天井取付型バーナーの間のバーナー内側でのステージング（段階化）により達成することができる。バーナーの一方を化学量論量レベル以下、すなわち燃料リッチ（濃厚）モードで運転し、第２の又は追加のバーナーを完全燃焼に必要な酸素バランス、すなわち燃料レーン（希薄）モードで運転する。慣用の空気燃料蓄熱ガラス炉110のブースティングで実験を行った。ここで、２個の後方バーナー162を燃料レーン（希薄）モードで運転し、一方、上流の天井取付型酸素バーナー161を燃料リッチ（濃厚）モードで運転した（図１２）。この運転モードは、酸素燃料リッチ（濃厚）ゾーンに隣接して、空気燃料レーン（希薄）ゾーンにつながる酸素燃料レーン（希薄）ゾーンを作出した。この方法によるガラス炉の運転の結果は、炉容量を増加させ、一方、トン基準当たりの窒素酸化物の排出を減少させた。バーナー内側でのステージング（段階化）のこの方法は、さらに、先に詳細に説明した段階的燃焼の２つの実施形態にも適用できる。
【００７８】
【実施例５】
酸素バブラーを有するガラス溶融炉内での燃焼のステージング（段階化）
本発明による燃焼のステージング（段階化）の一つの方法は、少なくとも１の天井取付型バーナーに関連して酸素バブラーの使用を含む（図１３）。酸素バブリングは、数種のガラス製造用途、例えば溶融ガラス内での対流を機械的に促進するために用いられている。酸素は、ガラス内に溶け込み、通常の運転条件下では、少量の（化学量論の5%未満）の酸素だけがガラスに注入される。少なくとも１の天井取付型酸素バーナー105を単一の酸素バブラー108あるいは１列のバブラー又はバブラーの束の上方に位置づけることによって、天井取付型酸素燃料バーナー105を化学量論条件で又は化学量論以下の条件で運転させ、残りの燃焼酸素134をガラス溶融炉110の床107に配設されているバブラー108を介して供給することができる。これは、燃料の二次燃焼又は部分的に酸化された燃焼生成物又は反応中間体に対するガラス131の表面における酸素の利用可能性を増強する。
【００７９】
【実施例６】
酸素−油バーナー
ガラス溶融炉用の慣用の油バーナー及び酸素−油バーナーは、二流体噴霧器（蒸気又は圧縮ガスを用いる）又は機械的噴霧器（圧力又は回転エネルギのいずれかを用いる）のいずれかにより噴霧化されている油滴の燃焼による。炎形状は、スプレイの推力及び滴のサイズに支配される。慣用の酸素−油バーナーは、天井位置近くに熱の大部分を放出する。
【００８０】
図１４に示すように、この酸素−油バーナー設計においては、燃焼酸素の大部分（約60%を越える）は、少なくとも２個のノズル136又は油流137から離隔しているが油流137を実質的に取り巻いて設定されている同心リングまでの複数のノズルにより、油スプレイの内部の見えない燃焼ゾーンを越えるポイントまで、注入される。これらのノズルの中心線は、好ましくは、水平から約45度〜約101度で傾斜（角度付け）している。この酸素のステージング（段階化）は、上述したような反応性中間体を生じさせ、バッチ原料上又はバッチ原料の近くに衝突するまで完全燃焼を遅延させる。完全燃焼を達成するために、残りの酸素を、噴霧化媒体138、追加の同心酸素管（図示せず）を介して、あるいは酸素ランス（図示せず）などによる炉内への三次注入により、油流137に間近に且つ同心的に注入することもできる。この酸素−油段階天井取付型バーナーは、表面上での追加の対流熱移動により、天井への熱放出を最小化し、一方、バッチ原料への熱移動を最大化する。バーナーを、入口139及び出口140を有する水ジャケットにより冷却してもよい。
【００８１】
慣用の溶融に対してガラス産業において通常用いられている油噴霧器は、レーザードップラーアネモメトリ（Laser Doppler Annemometry）を用いてこの噴霧器からの油滴粒子サイズを測定することにより、圧縮空気で噴霧化された場合に、約50ミクロン（50×10E-06m）の平均粒子直径を製造することが示されている。
【００８２】
我々は、このバーナー列及び他のバーナー列において、油が酸素流と出会うまで、油スプレイの燃焼が遅延することを知見した。見える「炎なし」は、噴霧器チップから18インチまでで目撃された。ホットガラス溶融炉におけるこの見えない燃焼相の間、吸熱蒸発ゆえに油粒子サイズは減少する。天井取付型バーナーにおいて利用される場合には、この吸熱反応は、周囲の環境から放射熱エネルギを吸収し、炉天井への正味放射熱移動を有利に減少させる。
【００８３】
本発明は、約100ミクロン（100×1OE-06m）よりも大きな顕著に大きな粒子サイズを生じさせる噴霧器の使用を含む。この大きな粒子を生じさせるために少ないエネルギが必要であるから、結果的に、炎の推力は減少する。部分的に噴霧化された大きな油滴は、天井取付型バーナーから自由落下し、天井に隣接する吸熱で見えない燃焼ゾーン内で少なくとも部分的に蒸発する。
【００８４】
しかし、バッチ原料の表面における燃焼反応物及び燃焼生成物の最大速度は、バッチ原料の空気による移動を避けるため、30m/sよりも小さくすべきである。
気体（酸素など）フリージェットは、約11度膨張するので、燃料出口に近接して位置づけられている酸素出口は、酸素を出口ポイントに近い燃料噴射に衝突させる。したがって、酸素のステージング（段階化）すなわち燃焼のステージング（段階化）は、燃料流の軸に向けての収束約 45 度乃至燃料流の軸から離れる発散約 11 度まで、酸素出口を傾けることによって達成されることが好ましい。これは、外側で段階化されたバーナーによって、並びに酸素出口がバーナーブロック内に設けられている一体的に段階化されたバーナーによって、達成することもできる。
【００８５】
炎中の極度に放射性の炭素質種まで導く機構を変えることによって、酸素−油炎からの放射損失を更に減少させることができる。これらの種の形成を導く２つの一般的なプロセスは、油滴中の少量の揮発性成分の液相クラッキング及び再形成、及びすす形成を導く気相凝縮反応である。前者の機構は、より大きな滴サイズ及び芳香族化合物、例えばアスファルテンの存在により、悪化する。第２の機構は、部分的に飽和されている気相反応物、例えばアセチレンが反応して、多重反応経路を介して、最終的に芳香族編目構造及び最終的に固体すすを形成する高温及び燃料リッチ領域において促進される。
【００８６】
一実施形態において、本発明は、液相での時間経過を短くするように、約5〜約50ミクロン、好ましくは約10〜約50ミクロンのオーダーでの小さな油滴を形成するために高度の噴霧化を利用することが好ましい。よって、液相クラッキングを最小化し、すべての得られる固体炭素質残留物を微細に分割して、増加した表面積によりもっと容易に酸化されるようにする。噴霧中の燃料と酸化剤流との間の相対速度差を誘導して気相中での剪断速度を増加させることなどによる初期バーナー領域における噴霧化媒体との迅速な混合は、油滴周囲の燃料リッチ領域を迅速に希釈するので、気化燃料滴、酸化剤、噴霧化媒体及び部分燃焼生成物の全体のより実質的に均一な混合物を生じさせる。燃料蒸気と酸化噴霧化媒体との反応は、すす化の傾向が少ない部分的に予燃焼した混合物を発生させる。炎の初期領域に導入された噴霧化媒体の量は、燃料自身のすす化の性質に非常に依存し、化学的組成の強い因子である。
【００８７】
大まかな規則として、Ｈが高濃度ではすす化の傾向を非常に減少させるものとして、生じるすす化の程度が油のＣ：Ｈの比率に関連することが知られている。しかし、この傾向は、燃料の芳香族性が増加するにつれ、極度に不規則になる。例えば、ナフサは極度にすす化しやすい。よって、Ｃ：Ｈの比率を変えることによって、すす化傾向を減少させるように、噴霧化媒体自身を有利に選択できる。すす化傾向に対抗するものとして有用な噴霧化媒体としては、空気、酸素、蒸気、天然ガス及び水素又はこれらの混合物を挙げることができる。最初の二つは、純粋に酸化効果を有し、後者の二つは、すす化条件を避けるようにバーナーに近い領域での燃料蒸気／噴霧化媒体混合物中のＣ：Ｈの比率を変える効果を有する。蒸気は、両者の組合せの効果を有し、主要炎及び／又は炉からの放射加熱と組み合わせることで、さらなる反応のためにCO及びH ₂ を生成する気化反応を起こさせる。
【００８８】
最初のバーナーに近い領域に続いて、元の液体燃料流は、本質的に気体燃料流になり、上述の段階化されたガスバーナーの使用に関して経験したと同じ態様で、周囲の二次酸素流と反応する。
【００８９】
【実施例７】
燃料段階化された酸素バーナー
図１５に概略的に示した酸素バーナー150は、１個の外側酸化剤（酸素）インジェクタ及び２個の内側燃料インジェクタからの燃料を段階的に主に用いる天井取付型ガラス溶融炉用途に使用するように設計されたものであった。ここで、１個の中央燃料インジェクタは、高速度注入に適しており、１個の環状外側燃料インジェクタは低速度注入に適しているものであった。インジェクタは、好ましくは、少なくとも３個の同心管を具備する。バーナー炎長さ及び酸化剤−燃料の混合は、中央の高圧力燃料噴射142により制御される。高圧力燃料噴射142は、第１の燃料供給147から管壁152を介して供給され、燃料流の約10〜90%を利用する。この高速度、高運動量（推進力）の流は、低い運動量（推進力）の低圧力燃料ガス143よりも炎形状及び混合を支配する。この気体流は、さらに混合を制御するために酸素流よりも高い。残りの燃料143（約90〜10%）は、管壁152及び管壁153により形成された少なくとも１の環状燃料インジェクタを同心的に介して、第２の燃料供給148から供給され、燃焼酸素141は、管壁151及び管壁153により形成された外側の環状インジェクタを介して酸素供給146から供給される。中央の高圧力インジェクタのサイジングは、噴射の高運動量（推進力）ゆえに混合速度を支配する。中央の噴射は、二次気体流の包み込みゆえに、段階化される。この配置は、天然ガスなどの燃料気体を推進する手段を提供し、燃料気体をバッチ原料及び酸素とガラス炉用途においてはバッチ表面近くにおいて段階的態様で反応させる。場合によっては、中央の高速度噴射は、中央の噴射の運動量（推進力）がより高い限り、低速度燃料噴射よりも少量でもよい。
【００９０】
一実施形態において、高速度中央噴射は、気体状燃料よりもむしろ、オイルバーナーなどの液体燃料バーナーにより供給された液体燃料を含むものでもよく、低速度の低圧力燃料ガスは気体状燃料を含むものでもよい。
【００９１】
本明細書に記載された特許及び文献は、引用として本明細書に組み込まれる。
本発明をある種の特性の実施形態に関して詳細に記載してきたが、当業者は、本発明の範囲内で他の実施形態があることを認識するであろう。したがって、本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、変更、変形、特許請求の範囲の規定と均等な実施形態を含むものであることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明によるガラス溶融炉の長手方向断面図である。
【図２】 図２は、ガラス溶融炉のクロスファイヤード蓄熱器実施形態の図１の線2-2に沿った横断平面図である。
【図３】 図３は、ガラス溶融炉のエンドファイヤード蓄熱器実施形態の図１の線2-2に沿った横断平面図である。
【図４】 図４は、ガラス溶融炉のクロスファイヤード復熱器実施形態の図１の線2-2に沿った横断平面図である。
【図５】 図５は、ガラス溶融炉のエンドファイヤード復熱器実施形態の図１の線2-2に沿った横断平面図である。
【図６】 図6は、ガラス溶融炉のユニット溶融器実施形態の図１の線2-2に沿った横断平面図である。
【図７】 図７は、炉の上流端壁に隣接する２個の酸素バーナーを示す図１の線3-3に沿ったガラス溶融炉の断面図である。
【図８】 図８は、炉の上流端壁に隣接する１個の酸素バーナーを示す図１の線3-3に沿ったガラス溶融炉の別の断面図である。
【図９】 図９は、酸素バーナーの断面図、及び酸素バーナーからのバーナー炎の概略代表図である。
【図１０】 図１０は、一体的に段階化された燃焼用の天井取付型酸素バーナーの断面立面図である。
【図１１】 図１１は、関連する外側での燃焼ステージング（段階化）手段を有する天井取付型酸素バーナーの断面立面図である。
【図１２】 図１２は、バーナー内側でのステージング（段階化）を達成するために異なる化学量論比で操作される天井取付型酸素バーナー群を有するガラス溶融炉の概略平面図である。
【図１３】 図１３は、天井取付型酸素バーナー及び溶融中のガラスバッチの表面に段階的に酸素を提供する関連する酸素バブラーを有するガラス溶融炉の断面立面図である。
【図１４】 図１４は、本発明による段階酸素インジェクタを有する天井取付型酸素−油バーナーの断面立面図である。
【図１５】 図１５は、燃料段階酸素バーナーの概略破断図である。

Claims (4)

1. ガラス溶融炉内でガラス形成原材料を溶融させる方法であって、炉は、上流ゾーンにある上流端壁、側壁、天井に連結されている下流ゾーンにある下流端壁を有し、ガラス形成バッチ材料を充填するための少なくとも１のバッチチャージャーが上流ゾーンに含まれており、該方法は、
   少なくとも１の酸素バーナーを炉の天井に、バッチ材料の上方で取付け、少なくとも１の酸素バーナーは、燃料の段階的燃焼に適しており、且つ少なくとも１の外側酸化剤インジェクタ及び２個の内側燃料インジェクタを含み、最も内側の燃料インジェクタは高速度燃料注入に適していて、最も内側の燃料インジェクタと外側酸化剤インジェクタとの間に配設されている他の燃料インジェクタは低速度燃料注入に適しており;
   燃料流を少なくとも１の酸素バーナーに提供し、最も内側の燃料インジェクタを介しての燃料流は、他の燃料インジェクタを通しての燃料流よりも高い運動量を有しており;
   最も内側の燃料インジェクタを介しての燃料流よりも低い運動量を有する気体酸化剤流を外側酸化剤インジェクタに提供し;
   燃焼の少なくとも一部が、ガラス形成原材料の近傍で、ガラス形成原材料に実質的な乱れを生じさせずに、ガラス形成原材料への対流及び放射熱移動を効果的に増強させるように、少なくとも１の酸素バーナーからの燃料を燃焼させる;
   ことを含む方法。
2. 燃料流の 10% 〜 0% を最も内側の燃料インジェクタで利用する、請求項１に記載の方法。
3. 重質燃料油（ヘビイフュエルオイル）、中質燃料油（ミドルフュエルオイル）、軽質燃料油（ライトフュエルオイル）、ケロシン及びディーゼル燃料油からなる群より選択される液体燃料を最も内側の燃料インジェクタに提供し、
   メタン、天然ガス、液化天然ガス、プロパン、液化プロパンガス、ブタン、低 BTU ガス、都市ガス、発生炉ガス及びこれらの混合物からなる群より選択される気体燃料を他の燃料インジェクタに提供する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも１個の外側酸化剤インジェクタと、２個の内側燃料インジェクタと、を含む酸素バーナーであって、
   最も内側の燃料インジェクタは高速度燃料注入に適し、他の燃料インジェクタは低速度燃料注入に適し;
   最も内側の燃料インジェクタは、少なくとも１の気体燃料及び液体燃料を含む中央の高圧力燃料噴射を提供するに適し；
   他の燃料インジェクタは、中央の燃料噴射に同心外方向にある気体燃料を含む実質的に環状の低圧力燃料ガスを提供するに適し；
   酸化剤インジェクタは、前記環状の低圧力燃料ガスに対して同心外方向にある実質的に環状の酸化剤流を提供するに適し；
   酸化剤流は、中央の燃料噴射よりも低い運動量で提供される、酸素バーナー。

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