JP5654857B2

JP5654857B2 - ガラスの製造方法及びガラスの製造装置

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Publication number: JP5654857B2
Application number: JP2010273832A
Authority: JP
Inventors: 明志毛笠; 洋輔白神; 喜徳久角; 司堀
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Osaka University NUC
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Osaka University NUC
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: JP2012121762A

Description

本発明は、粉状又は小塊状のガラス原料を気相で溶解するガラスの製造方法及びガラスの製造装置に関する。

これまでのガラス原料の溶解方法では、粉状のガラス原料やガラス片（カレット）をタンク釜に供給し、重油を主とした燃料を燃焼させて高温（例えば１５００℃程度）として、長時間（例えば数日間）を掛けてその溶解を行うものであった。
最近のガラス原料の溶解方法として、燃料を酸素燃焼させて生じる高温火炎にプラズマを加えることで超高温場を作り出し、その超高温場にガラス原料を吹き込むことで、気流中で瞬時（例えば０．１秒程度）にガラス原料を溶解させるインフライトメルティングの開発が国家プロジェクトとして進められている（例えば、特許文献１、及び、非特許文献１参照）。このインフライトメルティングでは、短時間でガラス原料を溶解させるため放熱ロスが小さく、省エネルギー性に優れた技術とされている。

特開２００７−２９７２３９号公報

ＮＥＤＯ平成１７〜１９年度成果報告書「直接ガラス化による革新的省エネルギーガラス溶解技術の研究開発」平成２０年３月

上記特許文献１及び非特許文献１に記載の装置の如く、プラズマを用いる場合には、プラズマを長時間安定的に発生させるために、電極の消耗が問題となる。加えて、非特許文献１では、電極をグラファイト電極とした場合に、その電極の成分がガラスに移行して、製品の品質を損なうことが問題点として挙げられている。しかも、電力という単価の高い高品質エネルギーを熱として用いている点において、エネルギーの合理的な使用方法とは言い難いものである。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ガラス原料を気相で溶解して省エネルギー化を図るというメリットを生かしたまま、プラズマ印加を省略できるガラスの製造方法及びガラスの製造装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るガラスの製造方法は、円筒状の燃焼室の側面に開口された当該燃焼室の軸方向に沿うスリットから当該燃焼室の接線方向に向けて燃料及び酸素を含有する酸化剤を当該燃焼室に偏心導入して、燃料を酸化剤により旋回燃焼させて、未燃焼ガス、火炎、燃焼ガスが当該燃焼室の径方向の中心に向かって順に位置する三層構造を持つ管状火炎を形成する管状火炎バーナが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向の下流側が鉛直方向下方側となるように設けられ、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室の上端部から前記燃焼室の径方向の中央部に導入して、当該ガラス原料粉末を前記管状火炎の三層構造のうちの燃焼ガス中に導入することにより、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を前記燃焼室の下端部にて受け止め回収してガラス融液とする点にある。ここで、燃焼ガスは旋回しながら全体として下流側に流動するが、「燃焼ガスの流動方向」とは旋回を無視した全体としての流れ方向を意味する。

管状火炎バーナでは、例えば、燃焼室の軸方向に沿って開口されたスリットから燃料と酸化剤とを燃焼室に偏心導入することで、燃料を酸化剤により旋回燃焼させて管状火炎を形成している。管状火炎は、燃焼室の内壁部の近傍から径方向の中心に向かって順に、未燃焼ガス、火炎（反応ガス）、燃焼ガス（既燃ガス）の三層構造を持っている。
そこで、本発明に係るガラスの製造方法では、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を燃焼室の上端部から燃焼室の径方向の中央部に導入しているので、燃焼室の径方向で中央側の燃焼ガス（既燃ガス）中にガラス原料粉末を導入させることができる。これにより、燃焼室に導入されたガラス原料粉末を、燃焼ガス中に滞留させたまま、燃焼ガスの旋回気流に乗せて燃焼ガスの流動方向の下流側（燃焼室の下方側）に導くことができる。したがって、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間を長くできるので、管状火炎の燃焼室の軸方向での火炎長さを調整するだけで、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間を、溶融とガラス化反応に要する時間以上とすることができる。ここで、管状火炎の燃焼室の軸方向での火炎長さの調整については、例えば、燃焼室に燃料と酸化剤とを偏心導入するために燃焼室の軸方向に開口されたスリットの燃焼室の軸方向での長さを調整することによって容易に行うことができる。しかも、ガラス原料粉末は、特許文献１とは異なり、火炎中ではなく燃焼ガス中に供給されるので、低温のガラス粉末や搬送気体で、燃焼反応が阻害されることなく、一方で、ガラス原料が燃料、酸素及び燃焼反応中間体（ラジカル）に影響されることがない。

以上のことから、プラズマ印加を行わずに、管状火炎バーナによる燃焼のみでガラス原料粉末を気相で溶解・ガラス化反応させることができ、溶解・ガラス化反応させて生じたガラス液滴は、燃焼室の下端部において受け止め回収され、液状のガラス融液とすることができる。このように、プラズマ印加を省略して、電極の消耗の問題が発生することなく、しかも、電力の使用を回避して、ガラス原料を気相で溶解・ガラス化反応させることができ、省エネルギー化を図るというメリットをそのまま生かすことができる。

さらに、管状火炎は、上述の如く、三層構造となっていることから、燃焼室の内壁部が、未燃焼ガスにて覆われることになり、火炎から対流による伝熱を受けないので、燃焼室の内壁部の温度上昇が抑えられる。燃焼に起因する輝炎やガラス原料・液滴からの固体輻射を受けて燃焼室の内壁部の温度は上昇するものの、燃焼室の内壁温度上昇を抑制できるという効果は大きい。これにより、単に、管状火炎バーナにおける燃焼室の内壁部の耐熱材料のグレードを落としたり、燃焼室の内壁部を冷却する冷却構造を簡略化できるという経済的な効果だけではなく、火炎からの放熱損失を抑えることで、より高温で加熱できて、ガラスの溶融に寄与すると共に、更なる省エネルギー化を図ることができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナにおける燃料として、水素または炭化水素を主とする気体燃料或いは霧化又は気化された液体燃料を用いると好適である。
このような気体燃料又は液体燃料を用いることで、管状火炎バーナでの燃焼を適切に行うことができ、気相でのガラス原料の溶解・ガラス化反応を適切に行うことができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナにおける酸化剤として、酸素のみ、酸素富化空気もしくは炭酸ガスと酸素の混合気体を用いると好適である。
このように、酸化剤として、酸素のみ、酸素富化空気もしくは炭酸ガスと酸素の混合気体を用いることで、管状火炎バーナの燃焼温度を上昇させることができ、高温の火炎を形成して気相でのガラス原料の溶解・ガラス化反応を適切に行うことができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室に導入するに当たり、前記燃焼室の上端部において前記燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から、前記燃焼室の燃焼ガスの流動方向の下流側に又は前記燃焼室における旋回燃焼での旋回方向と同一方向に前記搬送気体を前記燃焼室内に導入すると好適である。

このように、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から燃焼室に導入することで、ガラス原料粉末を燃焼ガスの旋回気流に適切に乗せることができる。したがって、ガラス原料粉末は、確実に燃焼ガスの旋回気流に乗って流動することになるので、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間の長期化を適切に図ることができる。これにより、燃焼室の軸方向での長さを短くすることもでき、管状火炎バーナのコンパクト化を図ることができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナでの燃焼により発生する窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となるように、前記搬送気体、前記燃料及び前記酸化剤中の窒素濃度を設定すると好適である。

燃焼室、燃料又は搬送気体への空気の微量侵入により、酸化剤を酸素のみ（酸素１００％）とした場合でも、酸素燃焼の高温によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加することが考えられる。そこで、管状火炎バーナでの燃焼により発生する窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となるように、搬送気体、燃料及び酸化剤中の窒素濃度を設定することで、窒素酸化物の発生量を設定許容量未満とすることができる。ここで、搬送気体、燃料及び酸化剤中の窒素濃度の設定については、窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となる窒素濃度を予め実験等により求めて設定しておくことができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナにおいて前記燃料と前記酸化剤とを別個に前記燃焼室に導入すると好適である。
このように、燃料と酸化剤とを別個に燃焼室に導入することで、燃料が燃焼室に導入される前に着火する逆火の発生を防止できながら、管状火炎バーナでの燃焼を適切に行うことができ、気相でのガラス原料の溶解・ガラス化反応を適切に行うことができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径を大きくすると好適である。

上述の如く、管状火炎バーナにおける燃焼室の気相でガラス原料の溶解・ガラス化反応が行われるので、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴等が、管状火炎の旋回気流に乗って旋回し、その遠心力によって燃焼室の内壁部に衝突して付着する場合がある。燃焼室の内壁部にガラス液滴等が付着すると、スリットを閉塞したり燃焼室内径を縮小したり、或いは摩擦増大にて旋回流を減速させたりして、バーナの機能を阻害する。
そこで、本発明に係るガラスの製造方法では、管状火炎バーナにおける燃焼室を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径を大きくすることで、燃焼室の内壁部にガラス液滴等が付着するのを防止して、バーナの機能が阻害されるという事態に陥るのを防止することができる。しかも、燃焼室の直径が燃焼ガスの流動方向の下流側の方が大きいので、仮に燃焼室の軸方向での燃焼室の長さが長くなっても、燃焼ガスの排出を容易にして圧力損失を下げることができるとともに、燃焼振動を抑制して燃焼を安定して行うことができる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内壁部を、耐熱材料により構成し、その耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように前記内壁部を冷却すると好適である。

このように、燃焼室の内壁部を構成する耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように内壁部を冷却することで、燃焼室の内壁部の温度が上昇し過ぎるのを適切に防止することができ、燃焼室の内壁部を構成する耐熱材料のグレードを落とすこともできる。

本発明に係るガラスの製造方法では、前記内壁部を冷却するに当たり、ガラスの溶融温度以上で且つ前記耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように冷却すると好適である。

上述の如く、燃焼室の内壁部にガラス液滴等が付着すると、バーナの機能を阻害する懸念があるので、本発明に係るガラスの製造方法では、ガラスの溶融温度以上で且つ耐熱材料の耐熱許容温度未満の温度に燃焼室の内壁部を冷却することで、燃焼室の内壁部にガラス液滴等が付着するのを防止して、バーナの機能が阻害されるという事態に陥るのを防止することができる。

これまで、本発明に係るガラスの製造方法について説明してきたが、以下、本発明に係るガラスの製造装置について説明する。本発明に係るガラスの製造置は、上述の本発明に係るガラスの製造方法と比較して、製造方法であるか製造装置であるかの点が異なるだけであり、同様の作用効果を有するものである。

本発明に係るガラスの製造装置の特徴構成は、円筒状の燃焼室の側面に開口された当該燃焼室の軸方向に沿うスリットから当該燃焼室の接線方向に向けて燃料及び酸素を含有する酸化剤を当該燃焼室内に供給して、燃料を酸化剤により旋回燃焼させて、未燃焼ガス、火炎、燃焼ガスが当該燃焼室の径方向の中心に向かって順に位置する三層構造を持つ管状火炎を形成する管状火炎バーナが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向の下流側が鉛直方向下方側となるように設けられ、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室の上端部から前記燃焼室の径方向の中央部に導入して、当該ガラス原料粉末を前記管状火炎の三層構造のうちの燃焼ガス中に導入する導入部と、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を前記燃焼室の下端部にて受け止め回収してガラス融液とする回収部とを備えている点にある。

上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、導入部は、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を燃焼室の上端部から燃焼室の径方向の中央部に導入しているので、ガラス原料粉末を、燃焼ガス中に滞留させたまま、燃焼ガスの旋回気流に乗せて燃焼ガスの流動方向の下流側（燃焼室の下方側）に導き、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間を長くできる。したがって、管状火炎の燃焼室の軸方向での火炎長さを調整するだけで、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間を、溶融とガラス化反応に要する時間以上として、プラズマ印加を行わずに、管状火炎バーナによる燃焼のみでガラス原料粉末を気相で溶解・ガラス化反応させることができる。そして、回収部は、溶解・ガラス化反応させて生じたガラス液滴を、燃焼室の下端部において受け止め回収して液状のガラス融液とすることができる。このように、プラズマ印加を省略して、電極の消耗の問題が発生することなく、しかも、電力の使用を回避して、ガラス原料を気相で溶解・ガラス化反応させることができ、省エネルギー化を図るというメリットをそのまま生かすことができる。さらに、上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、管状火炎を用いることで、燃焼室の内壁部の温度上昇を抑制できるという効果を得ることができ、経済的な効果だけではなく、火炎からの放熱損失を抑えることができ、更なる省エネルギー化を図ることができる。

本発明に係るガラスの製造装置の更なる特徴構成は、前記導入部は、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室に導入するに当たり、前記燃焼室の上端部において前記燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から、前記燃焼室の燃焼ガスの流動方向の下流側に又は前記燃焼室における旋回燃焼での旋回方向と同一方向に前記搬送気体を前記燃焼室内に導入するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、導入部は、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から燃焼室に導入することで、ガラス原料粉末を燃焼ガスの旋回気流に適切に乗せて、ガラス原料粉末の燃焼ガス中の滞留時間の長期化を適切に図ることができる。

本発明に係るガラスの製造装置の更なる特徴構成は、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室は、燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径が大きくなるように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、燃焼室について、燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径を大きくすることで、燃焼室の内壁部にガラス液滴やガラスの固化物等が付着するのを防止して、バーナの機能が阻害されるという事態に陥るのを防止することができる。

本発明に係るガラスの製造装置の更なる特徴構成は、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内壁部を、耐熱材料により構成し、その耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように前記内壁部を冷却する冷却手段が備えられている点にある。

本特徴構成によれば、上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、冷却手段が、燃焼室の内壁部を構成する耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように内壁部を冷却することで、燃焼室の内壁部の温度が上昇し過ぎるのを適切に防止することができ、燃焼室の内壁部を構成する耐熱材料のグレードを落とすこともできる。

本発明に係るガラスの製造装置の更なる特徴構成は、前記冷却手段は、前記内壁部を冷却するに当たり、ガラスの溶融温度以上で且つ前記耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように冷却状態を制御自在に構成されている点にある。

本特徴構成によれば、上述の本発明に係るガラスの製造方法と同様に、冷却手段が、ガラスの溶融温度以上で且つ耐熱材料の耐熱許容温度未満の温度に燃焼室の内壁部を冷却することで、燃焼室の内壁部にガラス液滴等が付着するのを防止して、バーナの機能が阻害されるという事態に陥るのを防止することができる。

第１実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図第１実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図第２実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図第２実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図第３実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図第３実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図

本発明に係るガラスの製造方法及び本発明に係るガラスの製造装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１及び図２は、本発明に係るガラスの製造方法及び本発明に係るガラスの製造装置の第１実施形態を示すものである。図１は、第１実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図であり、図２は、第１実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図である。
この第１実施形態におけるガラスの製造装置１は、図１及び図２に示すように、円筒状の燃焼室２を有する管状火炎バーナＢと、その管状火炎バーナＢの燃焼室２内にガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを導入する導入部Ｄと、燃焼室２にて溶解・ガラス化反応されて生じたガラス液滴を回収して液状のガラス融液とする回収部Ｋとを備えている。

管状火炎バーナＢは、一端部（図１中上端部）が閉塞された円筒状の燃焼室２と、円筒状の燃焼室２の側面にその軸方向（図１中上下方向）に沿って開口するスリット３とを備え、スリット３から燃焼室２内面の接線方向に向けて、燃料Ｎと酸化剤Ｓとを各別に対向して噴出させることで、旋回燃焼させて管状火炎を形成するように構成されている。管状火炎バーナＢは、燃焼室２での燃焼ガスの流動方向の下流側が鉛直方向下方側（図１中下方側）となるように設けられている。ここで、燃焼ガスは旋回しながら全体として下流側に流動するが、「燃焼ガスの流動方向」とは旋回を無視した全体としての流れ方向を意味する。図１及び図２に示す管状火炎バーナＢでは、スリット３として、燃料Ｎを噴出させる燃料用スリット３ａと酸化剤Ｓを噴出させる酸化剤用スリット３ｂとを備え、各スリット３ａ，３ｂから燃料Ｎと酸化剤Ｓとを別個に対向して噴出させて旋回燃焼させている。燃料用スリット３ａには燃料供給部４ａが接続されており、酸化剤用スリット３ｂには酸化剤供給部４ｂが接続されている。

管状火炎バーナＢにおける燃料Ｎとしては、水素または炭化水素を主とする気体燃料（例えば天然ガス）、或いは、霧化又は気化された液体燃料（例えば重油）を用いることができる。管状火炎バーナＢにおける酸化剤Ｓとしては、酸素のみ（酸素１００％）、酸素富化空気（例えば、全体の容積に対して４０％以上の酸素を含む）もしくは炭酸ガスと酸素の混合気体を用いることができる。酸化剤Ｓとして、炭酸ガスと酸素の混合気体を用いる場合には、水蒸気及び微量の窒素を含むことがある。そして、酸化剤Ｓとして酸素のみ（酸素１００％）を用いる場合には常温にて用い、酸化剤Ｓとして酸素富化空気または炭酸ガスと酸素の混合気体を用いる場合には必要に応じて予熱して用いる。また、酸化剤Ｓとして、空気を用いることも可能である。

導入部Ｄは、図２に示すように、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを燃焼室２の上端部から燃焼室２の径方向の中央部（中心Ｘ）に導入するように構成されている。導入部Ｄの導入口は、閉塞された燃焼室２の上端部において燃焼室２の径方向の中心Ｘに備えられており、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを、その導入口から燃焼室２の燃焼ガスの流動方向の下流側（図１中下方側）に向けて導入している。

ガラス原料粉末Ｇについては、複数の成分を混合した混合粉末であり、最終製品であるガラスの組成に対応した成分比率に応じてその混合比率が調製されている。例えば、ガラス原料粉末Ｇとしては、汎用ガラスであるソーダ石灰ガラスだけでなく、従来製法で比較的製造困難とされるホウ珪酸塩無アルカリガラスをも用いることができる。ソーダ石灰ガラスは、Ｎａ₂ＯとＣａＯとＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃を含み、全体の質量に対して、Ｎａ₂Ｏが１６〔ｗｔ％〕、ＣａＯが１０〔ｗｔ％〕、ＳｉＯ₂が７２〔ｗｔ％〕、Ａｌ₂Ｏ₃が２〔ｗｔ％〕の割合で含まれているものである。ホウ珪酸塩無アルカリガラスは、ＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＢａＯとＳｂＯ₃を含み、全体の質量に対して、ＳｉＯ₂が４９〔ｗｔ％〕、Ｂ₂Ｏ₃が１５〔ｗｔ％〕、Ａｌ₂Ｏ₃が１０〔ｗｔ％〕、ＢａＯが２５〔ｗｔ％〕、ＳｂＯ₃が１〔ｗｔ％〕の割合で含まれているものである。ガラス原料粉末Ｇの粒径は、例えば、１００μｍである。ガラス原料粉末Ｇには、必要に応じて、清澄剤等を添加しておくこともできる。
搬送気体Ｈについては、二酸化炭素（ＣＯ₂）、酸素（Ｏ₂）或いはアルゴン（Ａｒ）を用いることができる。

回収部Ｋは、管状火炎バーナＢの燃焼室２の下端部に設けられており、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を受け止め一時貯留可能な炉床として形成されている。回収部Ｋは、受け止めたガラス液滴を集めてガラス融液Ｙとして貯留自在に構成されている。

管状火炎バーナＢは、燃焼室２の内壁部２ａを耐熱材料により構成し、その耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように燃焼室２の内壁部２ａを冷却する冷却手段Ｒが備えられている。燃焼室２の内壁部２ａを構成する耐熱材料としては、例えば、ステンレス系やニッケル系の耐熱金属材料、又は、セラミックス等を用いることができる。冷却手段Ｒは、図１では省略するが、図２に示すように、例えば、円筒状の燃焼室２を形成する円筒状体の内部を燃焼室２の軸方向に沿って冷却水Ｗを通流させることで、燃焼室２の内壁部２ａを冷却するように構成されている。ここで、冷却水Ｗの通流方向については、例えば、燃焼室２の周方向に沿って通流させることもでき、どの方向に冷却水Ｗを通流させるかは適宜変更が可能である。冷却手段Ｒは、燃焼室２の内壁部２ａを冷却するに当たり、冷却水Ｗの流量を調整することで、ガラスの溶融温度（例えば１４００℃）以上で且つ耐熱材料の耐熱許容温度（例えば１４５０℃未満）となるように冷却状態を制御自在に構成されている。

この第１実施形態では、管状火炎バーナＢにおいて、各スリット３ａ、３ｂから燃料Ｎと酸化剤Ｓとが別個に燃焼室２に偏心導入されており、旋回燃焼して管状火炎を形成している。ここで、例えば、酸化剤Ｓを酸素のみ（酸素１００％）とすると、高温の火炎（例えば、２７００度程度）を形成することができる。管状火炎は、燃焼室２の内壁部２ａの近傍から径方向の中心に向かって順に、未燃焼ガス、火炎（反応ガス）、燃焼ガス（既燃ガス）の三層構造を持っている。導入部Ｄは、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを燃焼室２の上端部から燃焼室２の径方向の中央部に導入しているので、燃焼室２の径方向で中央側の燃焼ガス（既燃ガス）中にガラス原料粉末Ｇを導入させ、ガラス原料粉末Ｇを燃焼ガスの旋回気流に乗せて燃焼ガスの流動方向の下流側（燃焼室の下方側）に導くことができる。したがって、ガラス原料粉末Ｇの燃焼ガス中の滞留時間を長くできるので、燃焼室２の軸方向でのスリット３の長さを変えることによって、管状火炎の燃焼室２の軸方向での火炎長さを調整するだけで、ガラス原料粉末Ｇの燃焼ガス中の滞留時間を、溶融とガラス化反応に要する時間以上とすることができる。この結果、ガラス原料粉末Ｇを燃焼ガス中で溶融・ガラス化反応させることができ、溶融・ガラス化反応されて生じたガラス液滴は、回収部Ｋにて受け止め回収されてガラス融液Ｙとして貯留される。図示は省略するが、回収部Ｋには補助加熱手段等が備えられ、ガラス製造装置１内が設定温度（例えば１５００℃程度）に保たれて、ガラス融液Ｙが保温されており、ガラス融液Ｙから気泡を抜く工程（清澄工程）が行われる。このようにして、清澄工程を経たガラス融液Ｙが、ガラス製造装置１の外部に排出されて、所望の成形工程を経てガラス製品が製造される。

以上の如く、この第１実施形態におけるガラスの製造方法では、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを燃焼室２の上端部から燃焼室２の径方向の中央部に導入して、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を燃焼室２の下端部にて受け止め回収している。

このように、管状火炎バーナＢの燃焼のみによってガラス原料粉末Ｇを燃焼ガス中で溶融・ガラス化反応させることができるのであるが、燃焼室２、燃料Ｎ又は搬送気体Ｈへの空気の微量侵入により、酸化剤Ｓを酸素のみ（酸素１００％）とした場合でも、酸素燃焼の高温によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加することが考えられる。そこで、管状火炎バーナＢでの燃焼により発生する窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となるように、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓ中の窒素濃度を設定することで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を設定許容量未満とすることができる。ここで、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓ中の窒素濃度の設定については、窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となる窒素濃度を予め実験等により求めて設定しておくことができる。そして、窒素濃度を設定すると、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓ中の窒素濃度をその設定された窒素濃度となるように調整している。このような、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓ中の窒素濃度の調整は、一旦行うと、基本的には変更するものではなく、あるガラス製品を製造するのに、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓ中の窒素濃度は一定の窒素濃度になるようにしている。このように、搬送気体Ｈ、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓとして、窒素含有の少ないものを用いることで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することができる。ちなみに、搬送気体Ｈに炭酸ガスを用い、酸化剤Ｓに酸素（炭酸ガス希釈）を用いることで、燃焼排ガスには窒素がほとんど含まれず、炭酸ガスと水蒸気が主要成分になるため、冷却によって水を分離すれば高濃度の炭酸ガスを得ることができ、ＣＣＳ（炭素捕集隔離）を容易に行うことができる。また、酸化剤Ｓ等の酸素含有率を低下させることで、燃焼温度をガラスの溶解に差しさえない程度に低下させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することもできる。

管状火炎バーナＢにおいて、各スリット３ａ、３ｂからの燃料Ｎと酸化剤Ｓとの吹き出し速度については、燃料Ｎ及び酸化剤Ｓの流量等を調整することで、所望の速度に調整することができる。燃焼室２にて溶解・ガラス化反応された生じたガラス液滴等は、旋回気流によって燃焼室２の内壁部２ａに衝突して付着する場合がある。そこで、ガラス液滴等が旋回気流によって燃焼室２の内壁部２ａに衝突して付着する速度を上限速度として、各スリット３ａ、３ｂからの燃料Ｎと酸化剤Ｓとの吹き出し速度をその上限速度未満とすることで、燃焼室２の内壁部２ａにガラス液滴等が付着するのを防止している。ガラス液滴等が旋回気流によって燃焼室２の内壁部２ａに衝突して付着する速度については、予め実験等により求めておく。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における導入部Ｄの別実施形態である。その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、図３及び図４に基づいて、導入部Ｄを中心に説明し、その他の構成については説明を省略する。図３は、第２実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図であり、図４は、第２実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図である。

上記第１実施形態では、図１及び図２に示すように、導入部Ｄが、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを燃焼室２の上端部から燃焼室２の径方向の中心Ｘに導入している。
この第２実施形態では、図３及び図４に示すように、導入部Ｄが、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを燃焼室２に導入するに当たり、燃焼室２の上端部において燃焼室２の径方向の中心Ｘから偏心した位置から、燃焼室２の燃焼ガスの流動方向の下流側（図３中下方側）に搬送気体Ｈを燃焼室２内に導入するように構成されている。

このようにして、第２実施形態では、ガラス原料粉末Ｇが浮遊された搬送気体Ｈを、燃焼室２の上端部において燃焼室２の径方向の中央部に導入するのであるが、その導入する位置については、燃焼室２の径方向の中心ではなく、燃焼室２の径方向の中心から偏心した位置としている。これにより、ガラス原料粉末Ｇを燃焼ガスの旋回気流に適切に乗せることができるので、ガラス原料粉末Ｇは、確実に燃焼ガスの旋回気流に乗って流動することになるので、ガラス原料粉末Ｇの燃焼ガス中の滞留時間の長期化を適切に図ることができる。したがって、燃焼室２の軸方向での長さを短くすることもでき、管状火炎バーナＢのコンパクト化を図ることができる。

ここで、図３及び図４では、導入部Ｄは、搬送気体Ｈを燃焼室２の燃焼ガスの流動方向の下流側（図３中下方側）に導入しているが、例えば、導入部Ｄの導入口を燃焼室２における旋回燃焼での旋回方向と同一方向（図３及び図４中矢印と同一方向）に向けることで、導入部Ｄは、搬送気体Ｈを燃焼室２における旋回燃焼での旋回方向と同一方向（図３及び図４中矢印と同一方向）に導入することもできる。この場合、導入部Ｄは、図４中矢印先端側に傾斜した傾斜姿勢となる。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、上記第１実施形態における燃焼室２の形状の別実施形態である。その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、図５及び図６に基づいて、燃焼室２の形状を中心に説明し、その他の構成については説明を省略する。図５は、第３実施形態におけるガラスの製造装置の斜視図であり、図６は、第３実施形態におけるガラスの製造装置の上下方向での断面図である。

上記第１実施形態では、図１に示すように、燃焼室２が、燃焼ガスの流動方向の上流側と下流側とで同一の直径となる形状に構成されている。
この第３実施形態では、図５及び図６に示すように、燃焼室２が、燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径が大きくなるように構成されている。燃焼室２の直径は、燃焼ガスの流動方向で上流側から下流側に連続して拡大するように構成されている。

このように、管状火炎バーナＢにおける燃焼室２を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径を大きくすることで、燃焼室２の内壁部にガラス液滴等が付着するのを防止して、バーナの機能が阻害されるという事態に陥るのを防止することができる。しかも、燃焼室２の直径が燃焼ガスの流動方向の下流側の方が大きいので、燃焼室２の軸方向での燃焼室２の長さが長くなっても、燃焼ガスの排出を容易にして圧力損失を下げることができるとともに、燃焼振動を抑制して燃焼を安定して行うことができる。

ここで、図５及び図６では、燃焼室２の直径を燃焼ガスの流動方向で上流側から下流側に連続して拡大する例を示したが、例えば、階段状又は曲線状に燃焼室２の直径を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が大きくなるようにすることもできる。

本発明は、ガラス原料を気相で溶解して省エネルギー化を図るというメリットを生かしたまま、プラズマ印加を省略できる各種のガラスの製造方法、及び、各種のガラスの製造装置に適応可能である。

１ガラスの製造装置
２燃焼室
２ａ内壁部
Ｂ管状火炎バーナ
Ｄ導入部
Ｋ回収部
Ｈ搬送気体
Ｇガラス原料粉末
Ｎ燃料
Ｓ酸化剤
Ｒ冷却手段

Claims

円筒状の燃焼室の側面に開口された当該燃焼室の軸方向に沿うスリットから当該燃焼室の接線方向に向けて燃料及び酸素を含有する酸化剤を当該燃焼室に偏心導入して、燃料を酸化剤により旋回燃焼させて、未燃焼ガス、火炎、燃焼ガスが当該燃焼室の径方向の中心に向かって順に位置する三層構造を持つ管状火炎を形成する管状火炎バーナが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向の下流側が鉛直方向下方側となるように設けられ、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室の上端部から前記燃焼室の径方向の中央部に導入して、当該ガラス原料粉末を前記管状火炎の三層構造のうちの燃焼ガス中に導入することにより、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を前記燃焼室の下端部にて受け止め回収してガラス融液とするガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナにおける燃料として、水素または炭化水素を主とする気体燃料或いは霧化又は気化された液体燃料を用いる請求項１に記載のガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナにおける酸化剤として、酸素のみ、酸素富化空気もしくは炭酸ガスと酸素の混合気体を用いる請求項１又は２に記載のガラスの製造方法。
前記ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室に導入するに当たり、前記燃焼室の上端部において前記燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から、前記燃焼室の燃焼ガスの流動方向の下流側に又は前記燃焼室における旋回燃焼での旋回方向と同一方向に前記搬送気体を前記燃焼室内に導入する請求項１〜３の何れか１項に記載のガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナでの燃焼により発生する窒素酸化物の発生量が設定許容量未満となるように、前記搬送気体、前記燃料及び前記酸化剤中の窒素濃度を設定する請求項１〜４の何れか１項に記載のガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナにおいて前記燃料と前記酸化剤とを別個に前記燃焼室に導入する請求項１〜５の何れか１項に記載のガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径を大きくする請求項１〜６の何れか１項に記載のガラスの製造方法。
前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内壁部を、耐熱材料により構成し、その耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように前記内壁部を冷却する請求項１〜７の何れか１項に記載のガラスの製造方法。
前記内壁部を冷却するに当たり、ガラスの溶融温度以上で且つ前記耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように冷却する請求項８に記載のガラスの製造方法。
円筒状の燃焼室の側面に開口された当該燃焼室の軸方向に沿うスリットから当該燃焼室の接線方向に向けて燃料及び酸素を含有する酸化剤を当該燃焼室内に供給して、燃料を酸化剤により旋回燃焼させて、未燃焼ガス、火炎、燃焼ガスが当該燃焼室の径方向の中心に向かって順に位置する三層構造を持つ管状火炎を形成する管状火炎バーナが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向の下流側が鉛直方向下方側となるように設けられ、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室の上端部から前記燃焼室の径方向の中央部に導入して、当該ガラス原料粉末を前記管状火炎の三層構造のうちの燃焼ガス中に導入する導入部と、溶解・ガラス化反応により生じたガラス液滴を前記燃焼室の下端部にて受け止め回収してガラス融液とする回収部とを備えているガラスの製造装置。
前記導入部は、ガラス原料粉末が浮遊された搬送気体を前記燃焼室に導入するに当たり、前記燃焼室の上端部において前記燃焼室の径方向の中心から偏心した位置から、前記燃焼室の燃焼ガスの流動方向の下流側に又は前記燃焼室における旋回燃焼での旋回方向と同一方向に前記搬送気体を前記燃焼室内に導入するように構成されている請求項１０に記載のガラスの製造装置。
前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室は、燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側の方が直径が大きくなるように構成されている請求項１０又は１１に記載のガラスの製造装置。
前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内壁部を、耐熱材料により構成し、その耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように前記内壁部を冷却する冷却手段が備えられている請求項１０〜１２の何れか１項に記載のガラスの製造装置。
前記冷却手段は、前記内壁部を冷却するに当たり、ガラスの溶融温度以上で且つ前記耐熱材料の耐熱許容温度未満となるように冷却状態を制御自在に構成されている請求項１３に記載のガラスの製造装置。