JP6027234B2 - ガラスの溶融装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融ユニットと高温急速加熱ユニットとを含む、ミネラルウール、好ましくはロックウールの製造を特に目的とした、ガラス又は岩石を溶融させるためのプラントに関し、該プラントを使用してガラス又は岩石を溶融させるための方法にも関する。

岩石（玄武岩又は高炉スラグ）の溶融には、一般に、原料を標準ガラスの溶融よりも有意に高い温度に加熱することが必要とされる。それは慣習的に、大量のコークスを用い１５００℃に近い温度まで加熱したキューポラ炉で行われる。これは、ガラスの溶融に通常用いられる耐火炉は岩石の溶融に必要な高温に耐えることができないからである。

本出願人は最近、２０１２年２月８日に出願したフランス国出願第１２５１１７０号明細書において、浸漬バーナー炉において高温（およそ１５００℃）で岩石の溶融を行うのを可能にする新しい炉を提案したが、そのときまではとりわけガラスを溶融させるためにこのタイプの炉を使用してきた。この新しい炉は、むき出しの、すなわち耐火材料により保護されていない金属の壁を含んでおり、それを内部管路のシステムが通り抜けていて、その管路内を冷却剤、例えば水が循環する。以下において「水ジャケット」炉と称するこのタイプの炉においては、程度の差はあれ失透したガラスの固体層が液体のガラス浴と冷却される壁との界面にできて、摩耗と酸化に対して後者を保護する。

断熱耐火被覆物がないばかりでなく積極的に冷却される炉で高温度の溶融を行うものであるこの解決策は、極めてエネルギーを消費するものであることが容易に理解される。

バッチ材料を溶融させるのとそれらをガラスウール又はロックウールを紡糸するのに必要な温度にするのの両方にこのような水ジャケット炉を使用する場合、大きな温度差が長期間、大きな接触面積に及んで維持されるため、エネルギー消費量は特に大きくなる。

本発明は、フランス国出願第１２５１１７０号明細書に記載されたガラス又は岩石を溶融させるためのプラントを、該プラントを使用する溶融プロセスのエネルギー消費を有意に低減する目的のために改良することを提案するものである。以下で詳しく説明する提案の改良の利点は、積極的に冷却される金属壁を有する炉を使って高温で岩石を溶融させるためのプラントにとって特に有意義ではあるが、この利点はまた、それほどではないにせよ、耐火コンクリート製の通常の炉を有するプラントにとっても、あるいはもっと低い温度を使用するガラス溶融プロセスにとっても当てはまる。

これが、水ジャケット炉で岩石を溶融させるためのプロセスに本発明を適用することが好ましい実施形態に相当するとは言え、本発明がそのような用途に少しも限定されず、異なるタイプのガラス溶融プラントのため及び標準的なガラス溶融プロセスのために有利に使用できることの理由である。

本発明の根底にある考えは、比較的低い温度を必要とするけれども非常に長い時間を必要とするバッチ材料の溶融工程を溶融した材料の高温加熱工程から分離すること、及びこれらの２つの工程を別々のユニット又はタンクで行うことであった。こうして、好ましくは水ジャケット炉で行われる、第１の工程（溶融工程）の間は、原料を比較的低いけれども原料を溶融させて液体を得ることができるためには十分である温度にすることによって、エネルギー消費を有利に制限する。次に、低温の溶融物を、以下において「加熱ユニット」あるいは「急速加熱ユニット」又は「フラッシュユニット」と称する第２のユニットへ移して、そこで、非常に高温のガラスと加熱ユニットの冷却された壁との接触面積と接触時間をできるだけ減少させるために最適化した容積空間中の浸漬バーナーによりそれを加熱する。

該加熱ユニットでの熱エネルギーの損失は、溶融した材料の浴と冷却される壁との接触面積に本質的に比例し、そしてこの接触面積は溶融した材料の浴の高さに非常に大きく依存するため、それをできるだけ低下させるべきである。しかしながら、浸漬バーナーを有するそのような加熱ユニットでは、浴の高さの低下はバーナーにより産生される高温の燃焼ガスとガラスの浴の間での熱移動の効率により制限される。実際のところ、溶融した材料の浴が十分に深くない場合、浸漬バーナーのインジェクターからガラスの表面へと上昇する燃焼ガスはその全ての熱エネルギーを浴に移動させることができない。気泡がガラスの表面に達する時点で燃焼ガスの温度が浴の温度よりも高い場合、熱エネルギーの一部は燃焼ガスとともに消散し、これはプロセスのエネルギー収支にとって好ましくない。そのため、燃焼ガスとガラス浴の間の熱移動が速くなればなるほど、浴の高さを低下させることができる。

高さの小さいガラス浴を用いることができるようにするために、本発明では、熱移動の効率を、サイズの小さな多数のインジェクターを用いることと燃焼ガスの小さな気泡を分配する小さなエネルギーを用いることにより最適化する。この結果として、燃焼ガスと浴との熱交換面が増大し、そして粘性のあるガラス浴中の気泡の上昇が減速することになる。

従って、本発明にとっての３つの必須の要件は、
・プラントの溶融タンクと加熱タンクとの分離、
・ガラス浴高さの小さい溶融タンクの寸法規定、及び、
・複数の低エネルギー浸漬バーナーインジェクターの使用、
である。

より詳しく言うと、本発明が対象とするのは、
・バッチ材料の入口、バッチ材料を液体のガラスが得られるまで加熱するのを可能にする加熱手段、液体ガラスの出口を備えた、溶融タンクと称される第１のタンク、及び該溶融タンクの下流の、
・耐火絶縁材料で覆われておらず、冷却剤の循環を可能にする内部管路のシステムを備えた金属壁と、浸漬バーナーの複数のインジェクターとを有する、加熱タンクと称される第２のタンクであって、この加熱タンク内のガラス浴の高さを２０ｍｍと３００ｍｍの間、好ましくは５０ｍｍと２００ｍｍの間、特に７０ｍｍと１２０ｍｍの間の値に制限する、オーバーフロー形式の液体ガラスの出口を含んでいる第２のタンク、
を含むガラス又は岩石を溶融させるためのプラントである。

本発明で使用する「液体ガラス（又は液体のガラス）」という表現は、シリカを溶融させて得られる液体のガラスと、それだけでなく岩石を、特に玄武岩及び高炉スラグを、そしてまた再生バッチ材料（カレット）及び例えばフラックスや清澄剤などの慣用の補助物質を所望により含有しているこれらの２つのタイプのバッチ材料の全ての混合物を、溶融させて得られる液体のガラスの両方を包含する。

溶融タンクの出口で得られる液体ガラスは、溶融タンクから急速加熱タンクへと流れることができるのに十分に流動性である。その粘度は、３ポアズと１００ポアズの間であるのが好ましい。液体ガラスは、一般には５％未満である一定割合の不融性材料を含有していてもよい。溶融ユニットの出口で得られる液体ガラスの（可融性又は不融性の）溶融していない材料の全含有量は１０％未満であり、好ましくは５％未満である。

好ましくは、溶融タンクと急速加熱タンクは容量が異なり、加熱タンクのそれの方が溶融タンクよりも小さい。これらのタンクの容量は、プラントが稼働しているときにそれらに入っているガラスバッチの体積を意味するものと理解される。この体積は、タンクの底の表面積とガラス浴の高さとの積に等しく、ガラス浴の高さは液体ガラスの出口の位置によって定まる。従って、本発明のプラントの溶融タンク及び急速加熱タンクの容量は、稼働中のプラントで測定できるだけでなく、稼働していないプラントでも測定できる。急速加熱タンク容量の溶融タンク容量に対する比は、好ましくは１／１０００と１／３の間であり、特に１／１００と１／１０の間である。

溶融タンクの液体ガラス出口は、液体ガラスが加熱タンクへ、好ましくは炉のその他の構成要素と接触せずに、直接流入するのを可能にするオーバーフロー口であるのが好ましい。溶融タンクのオーバーフロー口の高さは、はね飛ぶことによって高温ガラスが戻る危険を回避するのに十分高くなくてはならない。溶融タンクのオーバーフロー口のレベル（＝溶融タンク内のガラス浴のレベル）は、加熱タンクのオーバーフロー口のレベル（＝加熱タンク内のガラス浴のレベル）よりも少なくとも５００ｍｍ、好ましくは少なくとも１０００ｍｍ上方に位置するのが好ましい。

オーバーフロー領域の幾何学的条件（壁の高さ及び／又は向き）は、オーバーフロー口と加熱チャンバーの間の液とガスの流れを最適化するために有利なように設定することができる。

先に説明したように、小さいガラス浴高さで運転することができるようにするため、急速加熱タンクは、低エネルギーで運転しおのおのが燃焼ガスの小さなサイズの気泡を供給する多数のインジェクターを含まなくてはならない。各インジェクターは１つの浸漬バーナーでよく、あるいは１つの浸漬バーナーが複数のインジェクターを含んでもよい。整列した複数の低エネルギーの個別のインジェクターを含む浸漬バーナーは、本出願人名義のフランス国出願第１２５１１７０号明細書に詳しく記載されている。

本発明のプラントの加熱タンクは、底面１ｍ²当たり５０／ｍ²と３００／ｍ²の間、好ましくは８０／ｍ²と２５０／ｍ²の間、特に９０／ｍ²と１８０／ｍ²の間の数の浸漬バーナーインジェクターを含むのが好ましい。これらのインジェクターは、加熱タンクの底部全体に均一に配置するのが好ましい。溶融タンクが整列したインジェクターを含む浸漬バーナーを含む場合、これらのバーナーは、特にガラスの流動方向と直角に、等間隔に且つ互いに平行に配置するのが好ましい。

急速加熱タンクの底面の総表面積は、好ましくは０．０５ｍ²と５ｍ²の間、より好ましくは０．１ｍ²と３ｍ²の間、特に０．２ｍ²と２ｍ²の間である。

加熱タンクのインジェクターの総数は５０と１０００の間が有利であり、好ましくは１００と５００の間である。

加熱タンクの浸漬バーナーには、酸素と気体燃料、例えばメタンとの混合物を供給するのが好ましい。空気／ガス混合物の燃焼のために浸漬バーナーを用いるのは、実際のところエネルギー効率の観点からそれほど満足なものでなく、１５００℃の溶融ガラス浴中での空気／ガス火炎のエネルギー移動効率はわずかにおよそ２７％であるのに対し、Ｏ₂／ガス火炎の場合はおよそ７５％に等しい。

しかし、エネルギー効率がより良好であるというこの利点には、炉壁の酸化という問題の増加が伴い、これらの問題は酸化剤の酸素含有量が多くて火炎の温度が高い場合に一層大きくなる。しかも、ガス／Ｏ₂火炎の温度はおよそ３０００Ｋであり、およそ２０００Ｋに過ぎないガス／空気火炎の温度よりもかなり高い。

急速加熱タンクのむき出しの金属壁を酸化による劣化から保護するためには、先に述べた、固化したガラスの層をこれらの壁に接触させて保持することが重要である。このためには、加熱タンクの金属壁と一番近くのインジェクターとの間隔が２０ｍｍと１５０ｍｍの間、好ましくは３０ｍｍと１００ｍｍの間であるようにするのが有利である。

加熱タンク内の液体ガラス浴の高さはエネルギー損失に影響を与える重要なパラメーターではあるが、これは考慮すべき唯一のパラメーターではない。実際のところ、所定のガラス浴高さについて、加熱タンクからのエネルギー損失は長さ／幅比が１に近くなると一層小さくなる。本発明のプラントの加熱タンクの底面は、それが長方形である場合、結果として比較的小さい、好ましくは１と４の間の、特に１と３の間の、小さな長さ／幅比を有する。もちろんながら、長方形でない底面のタンクを考えることも可能である。当業者にとっては、底面の周長／表面積比ができるだけ小さくなるようにタンクの寸法を決定することは困難でなかろう。

本発明が対象とするもう一つは、本発明によるプラントを使用してガラス又は岩石を溶融させるための方法である。この方法は連続法であり、そして以下で説明する工程を同時に且つ連続して行うものとして理解しなくてはならない。

より詳しく言えば、本発明のガラス又は岩石を溶融させるための方法は、
・溶融タンクに固形のバッチ材料を供給すること、
・このバッチ材料を液体ガラスが得られるまで加熱すること、
・得られた液体ガラスを溶融タンクから加熱タンクへ移すこと、
・液体ガラスを加熱タンク内で、入口温度（Ｔ₁）からこの温度Ｔ₁よりも少なくとも５０℃高い出口温度（Ｔ₂）まで、浸漬バーナーにより加熱すること、及び、
・加熱タンクの金属壁を内部管路のシステム内の冷却剤の循環により冷却すること、
を含む。

先に述べたように、加熱タンクは、従来のようにケイ砂から出発するガラスを溶融させるために使用されて、例えば電極、抵抗器、天井に取り付けたバーナー及び浸漬バーナーにより加熱される、耐火炉であることができる。本発明の方法の１つの好ましい実施形態では、溶融タンクは、加熱タンクと同じように、冷却剤により冷却される金属壁を有し浸漬バーナーを用いて運転するタンクである。

溶融タンクの出口でのガラス浴の温度（Ｔ₁）は、好ましくは最高で１４００℃に等しく、特に最高で１３５０℃に等しく、理想的には最高でおよそ１３００℃に等しい。この温度は、とりわけ、バッチ材料の溶融の動静とそれらの溶融粘度とに依存する。原料の溶融温度と溶融粘度が低ければ低いほど、溶融タンクから急速加熱タンクまで液体のガラスを移す際の温度（Ｔ₁）は低くなる。ここでは、近似によって、Ｔ₁は溶融タンクの出口でのガラス浴の温度であり、また液体ガラスをＴ₁からＴ₁より少なくとも５０℃高いＴ₂まで加熱する加熱タンクの入口での液体ガラスの温度であると見なす。Ｔ₂とＴ₁の差は、好ましくは５０℃と３００℃の間であり、特に１００℃と３００℃の間、理想的には１５０℃と２８０℃の間である。

加熱タンクの、一般には５０〜１０００の数の浸漬バーナーは、タンク底面の単位面積当たり０．２ＭＷ／ｍ²と２ＭＷ／ｍ²の間のエネルギー、好ましくは０．３ＭＷ／ｍ²と１．８ＭＷ／ｍ²の間のエネルギーを供給し、浸漬バーナーインジェクターのおのおのは好ましくは２ｋＷと２０ｋＷの間のエネルギーを供給する。

本発明のガラス溶融プラントの規模は特に限定されず、プラントは、例えば２４時間当たり１０トンと５００トンの間の生産高で運転することができる。

本発明のプラントの加熱タンクは一般に、寸法が溶融タンクのものより小さく、それゆえ有利なことにガラスは、壁とガラス浴との温度差によるエネルギー損失が特に大きい急速加熱タンクにおけるよりも相対的に低い温度で運転する溶融タンクにより長くとどまる。言い換えれば、加熱タンクは、１日当たり及びタンク底面の１ｍ²当たりのトン数で表され、溶融タンクのもの以上である比産出量で運転する。加熱タンクの比産出量の溶融タンクの比産出量に対する比は、１と１００の間が有利であり、好ましくは２と３０の間である。

運転中の本発明によるガラス溶融プラントの模式断面図である。

次に、添付の図１を参照して、本発明のプラントと溶融方法を説明する。

このプラントは、溶融タンク１と、溶融タンクの下流に位置している急速加熱タンク２を含んでいる。バッチ材料を、バッチチャージャー３により溶融タンク１内へ導入する。溶融タンク１と加熱タンク２は、底部に浸漬バーナー８、９を含んでいる。タンク１、２のおのおのにおいて、ガラス浴４、５のレベルは液体ガラスが流れるオーバーフロー口６、７の位置によって決定される。溶融タンク１の出口で得られる液体ガラスはオーバーフロー口６を通り、それを温度Ｔ₁から温度Ｔ₂まで加熱する加熱タンク２へ直接流入する。これらの２つのタンクは、冷却剤が循環する内部管路１０のシステムが通り抜ける金属壁を含んでいる。壁のこの積極的な冷却が、金属壁をガラス浴から隔離する固化したガラスの層１１を形成することになる。

Claims (14)

1. 以下のものを含む、ガラス又は岩石を溶融させるためのプラント：
   ・バッチ材料の入口、バッチ材料を液体のガラスが得られるまで加熱するのを可能にする加熱手段、液体ガラスの出口を備えた、溶融タンクと称される第１のタンク、及び該溶融タンクの下流の、
   ・耐火絶縁材料で覆われておらず、冷却剤の循環を可能にする内部管路のシステムを備えた金属壁と、浸漬バーナーの複数のインジェクターとを有する、加熱タンクと称される第２のタンクであって、この加熱タンク内のガラス浴の高さを２０ｍｍと３００ｍｍの間の値に制限する、オーバーフロー形式の液体ガラス出口を含んでいる第２のタンク、
   但し、加熱タンクの浸漬バーナーのインジェクターの数は５０／ｍ ² と３００／ｍ ² の間であり、加熱タンクの金属壁と一番近くのインジェクターとの間隔は２０ｍｍと１５０ｍｍの間である。
2. 加熱タンクの容量が溶融タンクのそれより小さく、加熱タンク容量の溶融タンク容量に対する比が１／１０００と１／３の間であることを特徴とする、請求項１記載のプラント。
3. 溶融タンクからの液体ガラスの出口が、液体ガラスが加熱タンクへ直接流入するのを可能にするオーバーフロー口であることを特徴とする、請求項１又は２記載のプラント。
4. 加熱タンクの浸漬バーナーのインジェクターの数が８０／ｍ²と２５０／ｍ²の間であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラント。
5. 加熱タンクの底面の総表面積が０．０５ｍ²と５ｍ²の間であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラント。
6. 加熱タンクのインジェクターの総数が５０と１０００の間であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラント。
7. 加熱タンクの金属壁と一番近くのインジェクターとの間隔が３０ｍｍと１００ｍｍの間であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラント。
8. 加熱タンクの底面の長さ／幅比が１と４の間であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載のプラント。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の溶融プラントを使用してガラス又は岩石を溶融させるための連続方法であって
   ・溶融タンクにバッチ材料を供給すること、
   ・このバッチ材料を液体ガラスが得られるまで加熱すること、
   ・得られた液体ガラスを溶融タンクから加熱タンクへ移すこと、
   ・液体ガラスを加熱タンク内で、入口温度（Ｔ₁）からこの温度Ｔ₁よりも少なくとも５０℃高い出口温度（Ｔ₂）まで、浸漬バーナーにより加熱すること、及び、
   ・加熱タンクの金属壁を内部管路のシステム内の冷却剤の循環により冷却すること、
   を含み、加熱タンクの浸漬バーナーがタンク底面の単位面積当たり０．２ＭＷ／ｍ ² と２ＭＷ／ｍ ² の間の表面エネルギー密度を供給する、ガラス又は岩石を溶融させるための連続方法。
10. Ｔ₂とＴ₁の差が５０℃と３００℃の間であることを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 浸漬バーナーインジェクターのおのおのが２ｋＷと２０ｋＷの間のエネルギーを供給することを特徴とする、請求項９又は１０記載の方法。
12. 浸漬バーナーに酸素と気体燃料との混合物を供給することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. ２４時間当たり１０トンと５００トンの間の生産高で運転することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 加熱タンクが、１日当たり及び１ｍ²当たりのトン数で表され、溶融タンクのもの以上である比産出量で運転され、加熱タンクの比産出量の溶融タンクの比産出量に対する比が１と１００の間であることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１つに記載の方法。

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