JP6375553B2 - 溶融バーナ、溶融バーナ装置、粉体溶融方法、及びガラスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、火炎中において、原料粉体（例えば、無機質粉体原料）を溶融する溶融バーナ、溶融バーナ装置、粉体溶融方法、及びガラスの製造方法に関する。

従来、無機質粉体原料（例えば、シリカ、アルミナ、或いはガラス原料粉末等）を溶融する際には、高温の火炎を形成可能な溶融バーナが用いられている。
溶融バーナの種類としては、予混合型バーナと、拡散型バーナと、がある。予混合型バーナは、酸素と燃料ガスとを予め混合させて燃焼場に噴出させるバーナである。予混合型バーナとしては、例えば、原料粉体、酸素、及び燃料を十分に混合させた状態で、バーナ先端に形成される火炎中に該原料粉体が供給されるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、拡散型バーナは、酸素と燃料ガスとを別々にバーナの先端に噴出させ、燃焼場において、酸素と燃料ガスとを混合させるバーナである。
竪型炉内に配置される拡散型バーナとしては、例えば、火炎が形成される側の端部を下方側に配置し、同心円状に配置された二重管構造体を構成する内管と外管との間に多数の小管を設け、珪素質原料をバーナの内管から自然流下（或いは、加圧流下）させ、該小管から供給される可燃ガスと外管から供給される酸素ガスとで火炎を形成し、該火炎中に原料を投入し、溶融シリカ球状体を製造するものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、他の拡散型バーナとしては、例えば、同心円状に配置された五重管構造体とされ、該五重管構造体の中心部から原料粉体と搬送ガスである酸素ガスまたは酸素富化ガスとを燃焼室に供給し、その外側から一次酸素と二次酸素とを供給可能に構成され、さらに外側にバーナを冷却する冷却ジャケットを配置したものが知られている（例えば、特許文献３，４参照。）。

さらに、他のバーナとしては、原料粉体供給路、及び原料粉体噴出孔の内側及び外側に燃料供給路及び燃料噴出孔を配置して、火炎により原料の流れを挟み込むことで、溶融効率を高めることの可能な燃焼バーナも提案されている（例えば、特許文献５参照。）。

特開昭６２−２４１５４３号公報 特開昭５８−１４５６１３号公報 特許第３３３１４９１号公報 特許第３３１２２２８号公報 特許第５２９１７４８号公報

ところで、特許文献２に開示された拡散型バーナは、逆火の恐れはないが、原料供給管と並行して燃料供給管が配置されているため、原料粉体が火炎中で、主に火炎からの強制対流伝熱により加熱・溶融される際に、粒子同士が融着し易く、その結果、ノズル先端部に原料が付着する恐れがあった。
また、特許文献２に開示された拡散型バーナは、原料粉体をバーナの中心から噴出させ、その周囲に火炎を形成するため、原料粉体全体を効率良く加熱することが困難であった。

特許文献３，４に記載された拡散型バーナでは、粒子同士の融着の改善が可能であるが、燃焼室を有するため、溶融した原料粉体が燃焼室内壁に付着しやすいという問題があった。

特許文献５に開示された燃焼バーナは、原料粉体を火炎で挟み込む構造であるため、原料を効率良く溶融させることができる。しかし、例えば、１５００〜１６００℃の高温となる炉体に特許文献５に開示された燃焼バーナを設置して使用した場合、炉体内への投影面積が大きいため、ノズル部分が過熱しやすく、その結果、バーナノズルの先端部に原料が付着してしまうという問題があった。このように、バーナノズルの先端部に原料が付着すると、火炎の乱れや、原料供給路の閉塞が生じるといった不具合が発生してしまう。

そこで、本発明は、原料粉体を効率良く加熱することが可能であると共に、溶融バーナに溶融した原料粉体が原料粉体噴出口に付着することを抑制可能な溶融バーナ、溶融バーナ装置、粉体溶融方法、及びガラスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、バーナ本体と、前記バーナ本体の中心部に設けられ、第１の燃料を噴出させる第１の燃料噴出口と、前記第１の燃料噴出口の外側に設けられ、第１の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第１の酸化剤噴出口と、前記第１の酸化剤噴出口の外側に設けられ、第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第１のガス噴出口と、原料粉体を噴出させる原料粉体噴出口と、前記原料粉体噴出口の外側に設けられ、第２の燃料を噴出させる第２の燃料噴出口と、前記第２の燃料噴出口の外側に設けられ、第２の酸化剤を噴出させる第２の酸化剤噴出口と、前記第２の燃料噴出口と前記原料粉体噴出口との間に設けられ、第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第２のガス噴出口と、を有し、前記第１の燃料及び前記第１の酸化剤により、前記原料粉体噴出口の内側に、第１の火炎が形成され、前記第２の燃料及び前記第２の酸化剤により、前記原料粉体噴出口の外側に、第２の火炎が形成されることを特徴とする溶融バーナが提供される。
このように、第１の火炎と原料粉体との間、第２の火炎と原料粉体との間に、それぞれガスを噴出することにより、原料粉体が原料粉体噴出口から噴出した直後に火炎に触れることを防ぐことができ、バーナノズルの先端部に原料粉体の溶融物が付着することを防ぐことができる。

また、請求項２に係る発明によれば、前記第１の酸化剤噴出口、前記原料粉体噴出口、前記第２の燃料噴出口、前記第２の酸化剤噴出口、前記第１のガス噴出口、及び前記第２のガス噴出口の形状は、リング形状であることを特徴とする請求項１記載の溶融バーナが提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記第１の燃料噴出口の形状は、円形であり、前記バーナ本体の中心に対して、前記第１の燃料噴出口、前記第１の酸化剤噴出口、前記第１のガス噴出口、前記原料粉体噴出口、前記第２のガス噴出口、前記第２の燃料噴出口、及び前記第２の酸化剤噴出口は、同心円状に配置することを特徴とする請求項２記載の溶融バーナが提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記第１の燃料噴出口に前記第１の燃料を供給する第１の燃料供給路と、前記第１の酸化剤噴出口に前記第１の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第１の酸化剤供給路と、前記第１のガス噴出口に前記第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第１のガス供給路と、前記原料粉体噴出口に前記原料粉体を供給する原料粉体供給路と、前記第２のガス噴出口に前記第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第２のガス供給路と、前記第２の燃料噴出口に前記第２の燃料を供給する第２の燃料供給路と、前記第２の酸化剤噴出口に前記第２の酸化剤を供給する第２の酸化剤供給路と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の溶融バーナが提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記第１の燃料供給路の先端、及び前記第１の酸化剤供給路の先端と前記第１の燃料噴出口との間に配置され、前記第１の燃料と前記第１の酸化剤とを混合する混合部を有することを特徴とする請求項４記載の溶融バーナが提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、請求項４又は５記載の前記溶融バーナと、第１の燃料供給用分岐ラインを介して前記第１の燃料供給路に供給する前記第１の燃料の流量を調整する第１の流量調整部と、第２の燃料供給用分岐ラインを介して第２の燃料供給路に供給する前記第２の燃料の流量を調整する第２の流量調整部と、第１の酸化剤供給用分岐ラインを介して第１の酸化剤供給路に供給する前記第１の酸化剤の流量を調整する第３の流量調整部と、第２の酸化剤供給用分岐ラインを介して第２の酸化剤供給路に供給する前記第２の酸化剤の流量を調整する第４の流量調整部と、第３の酸化剤供給用分岐ラインを介して第１のガス供給路に供給する前記第３の酸化剤の流量を調整する第５の流量調整部と、第４の酸化剤供給用分岐ラインを介して第２のガス供給路に供給する前記第４の酸化剤の流量を調整する第６の流量調整部と、を有することを特徴とする溶融バーナ装置が提供される。

また、請求項７に係る発明によれば、前記原料粉体供給路に、キャリアガスとして酸素又は酸素富化空気を供給するキャリアガス供給源を有することを特徴とする請求項６記載の溶融バーナ装置が提供される。

また、請求項８に係る発明によれば、前記第３の酸化剤供給用分岐ラインに不活性ガス供給源からの不活性ガスを供給するための第１の不活性ガス供給用分岐ラインにおいて、前記不活性ガスの流量を調整するための第７の流量調整部と、前記第４の酸化剤供給用分岐ラインに前記不活性ガス供給源からの不活性ガスを供給するための第２の不活性ガス供給用分岐ラインに供給する前記不活性ガスの流量を調整する第８の流量調整部と、を有することを特徴とする請求項６又は７記載の溶融バーナ装置が提供される。

また、請求項９に係る発明によれば、請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の溶融バーナを用いて、前記バーナ本体の中心部から第１の燃料を、前記第１の燃料噴出口の外側から第１の酸化剤を、前記第１の酸化剤噴出口の外側から第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを、前記第１のガス噴出口の外側から原料粉体を、前記原料粉体噴出口の外側から第２の燃料を、前記第２の燃料噴出口の外側から第２の酸化剤を、前記第２の燃料噴出口と前記原料粉体噴出口との間から第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを、それぞれ噴出させ、前記第１の燃料及び前記第１の酸化剤により第１の火炎を形成し、前記第２の燃料及び前記第２の酸化剤により第２の火炎を形成し、前記第１の火炎と前記第２の火炎の間に前記原料粉体噴出口から前記原料粉体を噴出させて前記原料粉体を溶融することを特徴とする粉体溶融方法が提供される。

また、請求項１０に係る発明によれば、前記原料粉体が無機質粉体原料であることを特徴とする請求項９記載の粉体溶融方法が提供される。

また、請求項１１に係る発明によれば、前記無機質粉体原料がガラス原料粉末であり、請求項１０に記載の粉体溶融方法を用いたことを特徴とするガラスの製造方法が提供される。

本発明によれば、原料粉体を効率良く加熱できると共に、溶融バーナの原料粉体噴出口に溶融した原料粉体が付着することを抑制できる。

本発明の実施の形態に係る溶融バーナ装置の概略構成を模式的に示す図である。 図１に示す溶融バーナをＡ視した正面図（平面図）である。 溶融バーナの他の例を示す正面図（その１）である。 溶融バーナの他の例を示す正面図（その２）である。 溶融バーナの他の例を示す正面図（その３）である。 特許文献３に開示されたバーナの先端部の概略構成を示す断面図である。 図６に示す特許文献３に開示されたバーナをＢ視した正面図（平面図）である。 特許文献５に開示されたバーナの先端部の概略構成を示す断面図である。 図８に示す特許文献５に開示されたバーナをＣ視した正面図（平面図）である。 本発明の実施の形態に係るガラスの製造方法の実施の一形態を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の溶融バーナ、及び溶融バーナ装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る溶融バーナ装置の概略構成を模式的に示す図である。図１において、Ｃ_１はバーナ本体５８の中心軸（以下、「中心軸Ｃ_１」という）を示しており、Ｃ_２はバーナ本体５８の先端面の中心（以下、「中心Ｃ_２」という）を示している。
また、図１において、Ｘ方向は、バーナ本体５８の延在方向を示しており、Ｙ方向は、Ｘ方向に対して直交する方向を示している。
また、図１では、所定の方向に延在する溶融バーナ１１全体を図示することが困難なため、溶融バーナ１１の先端部のみ図示する。また、図１では、説明の便宜上、溶融バーナ１１の先端部を断面図として図示する。

なお、図１では、一例として、第１及び第２の燃料として同じ種類の燃料を供給し、かつ第１ないし第４の酸化剤として、同じ種類の酸化剤を供給する場合の構成を図示するが、第１及び第２の燃料の種類を異ならせることの可能な燃料供給源（図示せず）を別途設けてもよいし、第１ないし第４の酸化剤の種類を異ならせることの可能な酸化剤供給源（図示せず）を別途複数設けてもよい。

図１を参照するに、本実施の形態の溶融バーナ装置１０は、溶融バーナ１１と、キャリアガス供給源１３と、キャリアガス供給ライン１５と、原料フィーダー１８と、燃料供給源２１と、燃料供給ライン２２と、第１の燃料供給用分岐ライン２２−１と、第２の燃料供給用分岐ライン２２−２と、流量制御部２６，２７と、酸化剤供給源３１と、酸化剤供給源３１と流量制御部３５〜３８の間にバルブ３３を備える酸化剤供給ライン３２と、第１〜第４の酸化剤供給用分岐ライン３２−１〜３２−４と、流量制御部３５〜３８と、不活性ガス供給源４１と、不活性ガス供給源４１と流量制御部４５、４６の間にバルブ４４を備える不活性ガス供給ライン４２と、第１の不活性ガス供給用分岐ライン４２−１と、第２の不活性ガス供給用分岐ライン４２−２と、流量制御部４５，４６と、を有する。

図２は、図１に示す溶融バーナをＡ視した正面図（平面図）である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図１及び図２を参照するに、溶融バーナ１１は、第１ないし第７の環状部材５１〜５７よりなるバーナ本体５８と、第１の燃料供給路６１と、第１の酸化剤供給路６２と、第１の燃料噴出口６３と、第１の酸化剤噴出口６４と、混合部６５と、第１のガス供給路６７と、第１のガス噴出口６８と、原料粉体供給路７１と、原料粉体噴出口７２と、第２のガス供給路７４と、第２のガス噴出口７５と、第２の燃料供給路７７と、第２の燃料噴出口７８と、第２の酸化剤供給路８１と、第２の酸化剤噴出口８２と、水冷ジャケット８５と、冷却水供給ライン８６と、冷却塔８７と、循環ポンプ８８と、冷却水回収ライン８９と、を有する。

第１の環状部材５１は、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように配置される。第１の環状部材５１の先端は、バーナ本体５８の先端面からバーナ本体５８内に引っ込んだ位置に配置する。
ここで、溶融バーナ１１に混合部６５を設けない場合には、第１の環状部材５１の先端面は、バーナ本体５８の先端面を通過する仮想平面（図示せず）と一致するように配置する。

第２の環状部材５２は、その内径が第１の環状部材５１の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第２の環状部材５２は、第１の環状部材５１との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第１の環状部材５１の外側に配置する。

第２の環状部材５２の先端部は、第１の環状部材５１の先端から突出するように配置される。ここで、溶融バーナ１１に混合部６５を設けない場合には、第２の環状部材５１の先端は直管状とし、第１の環状部材５１と第２の環状部材５２の先端面が、バーナ本体５８の先端面を通過する仮想平面（図示せず）と一致するように配置する。

第３の環状部材５３は、その内径が第２の環状部材５２の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第３の環状部材５３は、第２の環状部材５２との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第２の環状部材５２の外側に配置する。

第４の環状部材５４は、その内径が第３の環状部材５３の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第４の環状部材５４は、第３の環状部材５３との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第３の環状部材５３の外側に配置する。

第５の環状部材５５は、その内径が第４の環状部材５４の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第５の環状部材５５は、第４の環状部材５４との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第４の環状部材５４の外側に配置する。

第６の環状部材５６は、その内径が第５の環状部材５５の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第６の環状部材５６は、第５の環状部材５５との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第５の環状部材５５の外側に配置する。

第７の環状部材５７は、その内径が第６の環状部材５６の外径よりも大きくなるように構成された部材である。第７の環状部材５７は、第６の環状部材５６との間に隙間を設け、その中心軸がバーナ本体５８の中心軸Ｃ_１と一致するように、第６の環状部材５６の外側に配置する。
第３〜第７の環状部材５３〜５７は、その先端面がバーナ本体５８の先端面を通過する仮想平面（図示せず）と一致するように配置する。

第１の燃料供給路６１は、第１の環状部材５１内に形成された円筒状の空間である。第１の燃料供給路６１は、混合部６５を介して、第１の燃料噴出口６３に燃料供給源２１から供給される燃料（第１の燃料）を供給するための経路である。

第１の酸化剤供給路６２は、第１の環状部材５１の外面と第２の環状部材５２の内面とで区画された環状の空間である。第１の酸化剤供給路６２は、混合部６５に酸化剤供給源３１から供給される酸化剤（第４の酸化剤）を供給するための経路である。

第１の燃料噴出口６３は、混合部６５の位置よりもさらに先端側に位置する第２の環状部材５２の内壁で区画されている。第１の燃料噴出口６３は、バーナ本体５８の中心部に配置されている。第１の燃料噴出口６３は、第１の燃料を噴出させる。
第１の酸化剤噴出口６４は、第１の燃料噴出口６３の外側に設けられ、第１の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる。

混合部６５は、第２の環状部材５２の先端部により区画された領域である。混合部６５は、第１の燃料噴出口６３の先端、及び第１の酸化剤噴出口６４の先端と対向するように配置されている。

第１のガス供給路６７は、第２の環状部材５２の外面と第３の環状部材５３の内面とで区画された環状の空間であり、第１のガス噴出口６８に酸化剤供給源３１から供給される第３の酸化剤及び／又は不活性ガス供給源４１から供給される不活性ガスを供給するための経路である。ここで、不活性ガス供給源４１から供給される不活性ガスとは、例えば、Ｎ_２、Ａｒ等である。

第１のガス噴出口６８は、第２の環状部材５２の先端の外面と第３の環状部材５３の先端の内面とで区画されたリング形状の空間である。
第１のガス噴出口６８は、第３の酸化剤及び／又は不活性ガス（以下、「第１のガス」ということがある）をバーナ本体５８の先端から噴出させる。

原料粉体供給路７１は、第３の環状部材５３の外面と第４の環状部材５４の内面とで区画された環状の空間であり、キャリアガス供給ライン１５から供給される、キャリアガスと原料粉体とが混合された混合物を、原料粉体噴出口７２に供給するための経路である。

原料粉体噴出口７２は、第３の環状部材５３の先端の外面と第４の環状部材５４の先端の内面とで区画されたリング形状の空間である。
原料粉体噴出口７２は、原料粉体供給路７１を介して供給されたキャリアガス及び原料粉体をバーナ本体５８の先端から噴出させる。

第２のガス供給路７４は、第４の環状部材５４の外面と第５の環状部材５５の内面とで区画された環状の空間である。第２のガス供給路７４は、第２のガス噴出口７５に第４の酸化剤供給源３１及び／又は不活性ガス供給源４１から供給される酸化剤及び／又は不活性ガス（以下、「第２のガス」ということがある）を供給するための経路である。

第２のガス噴出口７５は、第４の環状部材５４の先端の外面と第５の環状部材５５の先端の内面とで区画されたリング形状の空間である。
第２のガス噴出口７５は、酸化剤供給源３１から供給された第４の酸化剤及び／又は不活性ガスをバーナ本体５８の先端から噴出させる。

第２の燃料供給路７７は、第５の環状部材５５の外面と第６の環状部材５６の内面とで区画された環状の空間であり、第２の燃料噴出口７８に燃料供給源２１から供給される第２の燃料を供給するための経路である。

第２の燃料噴出口７８は、第５の環状部材５５の先端の外面と第６の環状部材５６の先端の内面とで区画されたリング形状の空間であり、第２の燃料供給路７７の一方の端と一体とされている。
第２の燃料噴出口７８は、燃料供給源２１から供給された第２の燃料をバーナ本体５８の先端側に噴出させる。

第２の酸化剤供給路８１は、第６の環状部材５６の外面と第７の環状部材５７の内面とで区画された環状の空間であり、第２の酸化剤噴出口８２に酸化剤供給源３１から供給される第２の酸化剤を供給するための経路である。

第２の酸化剤噴出口８２は、第６の環状部材５６の先端の外面と第７の環状部材５７の先端の内面とで区画されたリング形状の空間である。第２の酸化剤噴出口８２は、第２の酸化剤をバーナ本体５８の先端から噴出させる。

上記説明したように、バーナ本体５８の一方の端部の中心Ｃ_２に対して、第１の燃料噴出口６３、第１の酸化剤噴出口６４、第１のガス噴出口６８、原料粉体噴出口７２、第２のガス噴出口７５、第２の燃料噴出口７８、及び第２の酸化剤噴出口８２は、同心円状に配置されている。

水冷ジャケット８５は、第７の環状部材５７の外側に配置されており、その内部に冷却水が流れる冷却水用管路８５Ａを有する。
冷却水供給ライン８６は、水冷ジャケット８５、及び冷却水を生成する冷却塔８７と接続されており、冷却水用管路８５Ａに冷却水を供給する。循環ポンプ８８は、冷却水供給ライン８６に設けられている。
冷却水回収ライン８９は、水冷ジャケット８５及び冷却塔８７と接続されており、冷却水用管路８５Ａから回収した冷却水を冷却塔８７に輸送する。
上記水冷ジャケット８５は、高温の炉内雰囲気或いは輻射熱からバーナ本体５８を保護する観点から設けられている。

上記構成とされた溶融バーナ１０では、第１の燃料及び第１の酸化剤により、原料粉体噴出口７２の内側（言い換えれば、キャリアガス及び原料粉体が噴出される領域の内側）に、原料粉体を溶融する第１の火炎（図示せず）が配置される。
また、第２の燃料及び第２の酸化剤により、原料粉体噴出口７２の外側（言い換えれば、キャリアガス及び原料粉体が噴出される領域の外側）に、原料粉体を溶融する第２の火炎（図示せず）が配置される。

本実施の形態の溶融バーナは、上記構成とすることで、バーナ本体５８の中心部に、第１の燃料と第１の酸化剤とで第１の火炎を形成し、その外周に、第１のガス、キャリアガスと原料粉体との混合物、第２のガス、を順に噴出させ、更に、その外周に第２の燃料と第２の酸化剤とで第２の火炎を形成させることが可能となる。

このように、第１の火炎の外側に、第２の火炎を形成することで、キャリアガスに搬送された原料粉体を、第１及び第２の火炎で挟み込むように加熱することが可能となるので、原料粉体全体を効率良く加熱することができる。

このとき、第１の火炎と原料粉体、及び第２の火炎と原料粉体の間には、第１のガスもしくは第２のガスが噴出しており、原料粉体噴出口７２の付近において、第１の火炎もしくは第２の火炎により原料粉体が加熱されることを避けることができ、原料粉体が、原料粉体噴出口７２内に付着することを抑制できる。

ここで、第１のガス及び／又は第２のガスに酸化剤を用いた場合は、第１の燃料及び／又は第２の燃料の燃焼速度を促進させることができる。これにより、火炎の燃焼ガス速度が上昇し、火炎中に原料粉体を同伴させる効果が向上するため、原料粉体全体を効率良く加熱できる。
一方、第１のガス及び／又は第２のガスに不活性ガスを用いた場合は、火炎に対するカーテン効果が強く発揮されるため、原料粉体噴出口７２に原料粉体が付着することを抑制する効果を高めることができる。
原料粉体の粒径が大きい場合には、第１及び第２のガスに酸化剤を用いることが好ましく、粒径が小さくなるほど、不活性ガスの混合割合を増やすことが好ましい。
粒径が大きい場合には、火炎温度上昇による溶融効果を高め、粒径が小さい場合には、原料粉体噴出口７２に原料粉体が付着するのを抑制する効果を高めることができる。

図３〜図５は、溶融バーナの他の例を示す正面図（平面図）である。図３〜図５において、図２に示す構造体と同一機能を有する部分には、同一符号を付す。
なお、各噴出口におけるリング形状とは、図２に示したような形状の他、図３〜５に示すような円形や楕円形の孔を同心円状に並べたものも含む。

図１を参照するに、キャリアガス供給源１３は、キャリアガス供給ライン１５の一端と接続されている。キャリアガス供給源１３は、キャリアガス供給ライン１５を介して、原料フィーダー１８にキャリアガスを供給する。
キャリアガスとしては、例えば、酸素または酸素富化空気を用いることができる。

キャリアガス供給ライン１５は、その他端が原料粉体供給路７１と接続されている。キャリアガス供給ライン１５は、キャリアガスにより、原料フィーダー１８から供給される原料粉体を原料粉体供給路７１に供給する。

原料フィーダー１８は、キャリアガス供給ライン１５に設けられている。原料フィーダー１８から供給される原料粉体としては、例えば、無機質粉体原料であるシリカ（融点が１７２２℃）やアルミナ（融点が２０５３℃）やガラス原料粉末等を用いることができる。
ここで、ガラス原料粉末としては、溶融ガラスの製造工程中でＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ等の酸化物で表される酸化物となり得る化合物を用いることができる。
具体的には、前述の酸化物または熱分解等により該酸化物となりうる化合物（塩化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩等）が用いられる。例えば、ＳｉＯ_２源であればケイ砂、Ａｌ_２Ｏ_３源であれば酸化アルミニウム、水酸化アルミウム等、Ｂ_２Ｏ_３源であればオルトホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）、メタホウ酸（ＨＢＯ_２）、四ホウ酸（Ｈ_２Ｂ_４Ｏ_７）等のホウ酸、ＭｇＯ源、アルカリ土類金属源、アルカリ金属源であればそれぞれの金属の炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酸化物、水酸化物、塩化物、フッ化物が好適に用いることができる。
また、ガラス原料粉末にガラスカレットを混合することもできる。このとき、ガラスカレットはガラス原料粉末と事前に混合して原料フィーダー１８から供給してもよい。

燃料供給源２１は、燃料供給ライン２２、並びに第１及び第２の燃料供給用分岐ライン２２−１，２２−２を介して、第１の燃料供給路６１、及び第２の燃料供給路７７に第１の燃料または第２の燃料を供給する。第１及び第２の燃料としては、例えば、ＬＰＧ(Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ) 、メタンガス、プロパンバス、もしくはブタンガス等を用いることができる。

流量制御部２６は、第１の燃料供給用分岐ライン２２−１に設けられており、第１の燃料供給路６１に供給する第１の燃料の流量を調節するためのものである。
流量制御部２６は、例えば、燃料の流量を測定可能なマスフローメーターと、自動弁と、で構成することができる。
流量制御部２７は、第２の燃料供給用分岐ライン２２−２に設けられており、第２の燃料供給路７７に供給する第２の燃料の流量を調節するためのものである。流量制御部２７は、例えば、流量制御部２６と同様な構成とすることができる。

酸化剤供給源３１は、酸化剤供給ライン３２、第１〜第４の酸化剤供給用分岐ライン３２−１〜３２−４を介して、第１のガス供給路６７、第２の酸化剤供給路８１、第２のガス供給路７４、及び第１の酸化剤供給路６２に酸化剤を供給する。上記酸化剤としては、例えば、酸素ガス、酸素富化空気等を用いることができる。

第１〜第４の酸化剤供給用分岐ライン３２−１〜３２−４は、酸化剤供給ライン３２の他端側から分岐されたラインである。
第３の酸化剤供給用分岐ライン３２−１には、不活性ガス供給源４１からの不活性ガスを供給する不活性ガス供給ライン４２から分岐した第１の不活性ガス供給用分岐ライン４２−１が接続されており、第１のガス供給路６７に、酸化剤及び／または不活性ガス（第１のガス）を供給することが可能である。

第４の酸化剤供給用分岐ライン３２−３には、不活性ガス供給源４１からの不活性ガスを供給する不活性ガス供給ライン４２から分岐した第２の不活性ガス供給用分岐ライン４２−２が接続されており、第２のガス供給路７４に酸化剤及び／又は不活性ガス（第２のガス）を供給することが可能である。

流量制御部３５〜３８は、第１〜第４の酸化剤供給用分岐ライン３２−１〜３２−４に設けられている。各流量制御部３５〜３８により、酸化剤の流量を調節する。
また、流量制御部４５，４６は、第１、第２の不活性ガス供給用分岐ライン４２−１、４２−２に設けられている。
各流量制御部３５〜３８は、例えば、酸化剤の流量を測定可能なマスフローメーターと、自動弁と、で構成することができる。

本実施の形態の溶融バーナ装置によれば、流量調整部２６，２７，３５〜３８により、燃料、酸化剤、及び不活性ガスの流量を適宜調整することで、原料粉体の融点や原料粉体の粒径に応じて、溶融バーナ１１の燃焼状態を調節することにより、最適な条件で原料粉体を加熱・溶融させることができるとともに、原料粉体供給口７２付近での流体挙動が制御可能となるので、バーナ先端部への原料粉体の付着を抑制できる。

本実施の形態の粉体溶融方法では、バーナ本体５８の中心部から第１の燃料を、第１の燃料噴出口６３の外側から第１の酸化剤を、第１の酸化剤噴出口６４の外側から第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを、第３の酸化剤及び／又は不活性ガスの外側から原料粉体を、原料粉体噴出口７２の外側から第２の燃料を、第２の燃料噴出口７８から第２の酸化剤を、第２の燃料噴出口７８と原料粉体噴出口７２との間から第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを、それぞれ噴出させ、第１の燃料及び第１の酸化剤により第１の火炎を形成し、第２の燃料及び第２の酸化剤により第２の火炎を形成し、第１の火炎と第２の火炎の間に原料粉体噴出口７２から原料粉体を噴出させて原料粉体を溶融する。

図１０は、本発明の実施の形態に係るガラスの製造方法の実施の一形態を示したフローチャートである。図１０では、ガラス製品の製造方法の構成要素である溶融ガラス製造工程（Ｓ１）、及び成形手段による成形工程（Ｓ２）、並びに徐冷手段による徐冷工程（Ｓ３）に加えて、さらに必要に応じて用いる切断工程、その他後工程（Ｓ４）が示されている。

本発明の一態様である図１〜図５の溶融バーナを用いて溶融されたガラス粉体原料は、溶融槽でガラス融液の状態で導管構造を経て成形手段へと送られ成形される（成形工程）。
成形後のガラスは、成形後に固化したガラスの内部に残留応力が残らないように徐冷手段によって徐冷され（徐冷工程）、さらに必要に応じて切断され（切断工程）、その他後工程を経て、ガラス製品となる。

例えば、板ガラスの場合には、ガラス融液をフロート法、フュージョン法などの成形手段によってガラスリボンに成形し、それを徐冷手段によって徐冷した後、所望の大きさに切断し、必要に応じてガラス端部を研磨するなどの後加工をして板ガラスが得られる。

本発明のガラスの製造方法で製造されるガラスは、本発明の粉体溶融方法により溶融可能であるガラスである限り、組成的には制約はない。したがって、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、混合アルカリ系ガラスや、ホウケイ酸ガラスであってもよい。また、製造されるガラス製品の用途は、建築用や車両用に限定されず、フラットパネルディスプレイ用、その他の各種用途が挙げられる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、実施例及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例に限定されない。

（実施例）
図１を参照して、実施例について説明する。
実施例では、側壁部にのぞき窓を有し、かつ円筒形状とされた加熱炉（図示せず）、図１に示す溶融バーナ装置１０を構成する溶融バーナ１１の先端部（第１及び第２の火炎が形成される側の端部）を該加熱炉内に配置させた状態で、第１及び第２の火炎を形成し、原料粉体の加熱及び溶融を行った。
このときの炉内温度は、１５２０℃であった。

このとき、キャリアガス（酸素ガス）を用いて、平均粒径が５００μｍ程度とされたガラス粉体（原料粉体）を４００ｋｇ／ｈの供給量で溶融バーナ１１に供給した。ガラス粉体（投入原料）は、連続して１２０ｍｉｎ供給した。
また、第１の燃料であるメタンガスの供給量を１５．８Ｎｍ^３／ｈ、第２の燃料であるメタンガスの供給量を１９．７Ｎｍ^３／ｈ、第１の酸化剤である酸素ガスの供給量を９Ｎｍ^３／ｈ、第２の酸化剤である酸素ガスの供給量を３０Ｎｍ^３／ｈ、第３の酸化剤である酸素ガスの供給量を３Ｎｍ^３／ｈ、第４の酸化剤である酸素ガスの供給量を１５．８Ｎｍ^３／ｈとした。

また、ガラス粉体を加熱及び溶融させる際に、上記のぞき窓を介して、ビデオカメラにより、溶融バーナ１１の先端部を観察することで、溶融バーナ１１の先端にガラス粉体が融着するまでの時間を計測した。この結果を表１に示す。
表１は、実施例、及び比較例１，２のバーナにガラス粉体が付着するまでの時間（ｍｉｎ）、回収率（％）、及び溶解効率（％）を示す表である。

また、加熱炉内に、ガラス溶体として残留したガラスの割合である回収率（＝（ガラス溶体の重量）／（投入原料の重量））と、第１及び第２の火炎中で着熱することで溶融したガラス粉体の割合である溶解効率（＝(ガラス溶体の熱容量／入熱量)×１００）と、を求めた。この結果を表１に示す。

（比較例１）
図６は、特許文献３に開示されたバーナの先端部の概略構成を示す断面図である。図７は、図６に示す特許文献３に開示されたバーナをＢ視した正面図（平面図）である。図７において、図６に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

始めに、図６及び図７を参照して、比較例１で使用したバーナ１００の構成について説明する。
バーナ１００は、キャリアガスに搬送された原料粉体を供給する原料粉体供給路１０１と、原料粉体供給路１０１の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる燃料ガス供給路１０２と、燃料ガス供給路１０２の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる旋回酸素供給路１０３と、旋回酸素供給路１０３の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる直進酸素供給路１０４と、直進酸素供給路１０４の外側の円周上に配置された冷却水通路１０５ａ，１０５ｂと、先端側に拡径した燃焼室１０６と、を有する。

原料粉体供給路１０１の先端には、燃焼室１０６の底部１０８に形成された複数の噴出口からなる原料粉体噴出口１０７が設けられている。また、燃料ガス供給路１０２の各供給路の先端には、燃料ガス噴出口１０９が設けられている。
旋回酸素供給路１０３の各供給路の先端には、旋回酸素噴出口１１０が設けられている。また、直進酸素供給路１０４の各供給路の先端には、直進酸素噴出口１１１が設けられている。

比較例１では、実施例で使用した溶融バーナ１１に替えて、図６及び図７に示すバーナ１００を用いたこと以外は、実施例と同様な試験を行い、ガラス粉体が付着するまでの時間（ｍｉｎ）、回収率、及び溶解効率を求めた。この結果を表１に示す。
このとき、キャリアガス（酸素ガス）を用いて、平均粒径が５００μｍ程度とされたガラス粉体（原料粉体）を４００ｋｇ／ｈの供給量でバーナ１００に供給した。ガラス粉体は、連続して１２０ｍｉｎ供給した。
燃料ガス噴出口１０９には、燃料ガスとしてメタンを３５．５Ｎｍ^３／ｈ供給し、旋回酸素噴出口１１０には、酸素を２４．５Ｎｍ^３／ｈ供給し、直進酸素噴出口１１１には、酸素を５７．２Ｎｍ^３／ｈ供給した。

（比較例２）
図８は、特許文献５に開示されたバーナの先端部の概略構成を示す断面図である。図９は、図８に示す特許文献５に開示されたバーナをＣ視した正面図（平面図）である。
図９において、図８に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

始めに、図８及び図９を参照して、比較例２で使用したバーナ２００の構成について説明する。
バーナ２００は、中心に配置された第１支燃性気体供給口２０１ａと、第１支燃性気体供給口２０１ａの外側に配置された第１燃料噴出口２０２ａと、第１燃料噴出口２０２ａの外側に配置された対象物噴出口２０３ａと、対象物噴出口２０３ａの外側に配置された第２燃料噴出口２０４ａと、第２燃料噴出口２０４ａの外側に配置された第２支燃性気体噴出口２０５ａと、を有する。
また、バーナ２００は、第１支燃性気体供給口２０１ａと接続された第１支燃性気体供給路２０１と、第１燃料噴出口２０２ａと接続された第１燃料供給路２０２と、対象物噴出口２０３ａと接続された対象物供給路２０３と、第２燃料噴出口２０４ａと接続された第２燃料供給路２０４と、第２支燃性気体噴出口２０５ａと接続された第２支燃性気体供給路２０５と、を有する。

比較例２では、実施例で使用した溶融バーナ１１に替えて、図８及び図９に示すバーナ２００を用いたこと以外は、実施例と同様な試験を行い、ガラス粉体が付着するまでの時間（ｍｉｎ）、回収率、及び溶解効率を求めた。この結果を表１に示す。
このとき、キャリアガス（酸素ガス）を用いて、平均粒径が５００μｍ程度とされたガラス粉体（原料粉体）を４００ｋｇ／ｈの供給量でバーナ２００（具体的には、対象物噴出口２０３ａ）に供給した。ガラス粉体は、連続して１２０ｍｉｎ供給した。

また、比較例２では、第１支燃性気体供給口２０１ａには、第１支燃性気体として酸素ガスを２７．９Ｎｍ^３／ｈ供給し、第１燃料噴出口２０２ａには、第１燃料としてメタンを１７．８Ｎｍ^３／ｈ供給し、第２燃料噴出口２０４ａには、第２燃料としてメタンを１７．８Ｎｍ^３／ｈ供給し、第２支燃性気体噴出口２０５ａには、第２支燃性気体として酸素ガスを２７．９Ｎｍ^３／ｈ供給した。

（実施例、比較例１、及び比較例２の結果について）
表１に示すように、実施例では、ガラス粉体を連続供給していた１２０ｍｉｎの間、溶融バーナ１０の原料粉体噴出口７２へのガラス粉体の融着は見られなかった。
また、実施例では、回収率、溶解効率の両方において、比較例１，２よりも良好な結果が得られた。

表１に示すように、比較例１では、ガラス粉末の供給開始から５ｍｉｎ後に燃焼室１０６内に融着したガラス粉末の溶着が始まり、その後、燃焼が不安定となることが確認できた。
その結果、火炎中にガラス粉末を留める機能が失われ、飛散し煙道に排出されるガラス粉末が増加し、回収率が低下した。また、溶解効率についても実施例よりも低い値となった。

表１に示すように、比較例２の回収率は、実施例の回収率に近い値となった。しかし、比較例２では、ガラス粉末の供給開始から２０ｍｉｎにガラス粉末の溶着が始まり、その後、燃焼が不安定となった。
比較例２の回収率及び溶解効率は、比較例１の回収率及び溶解効率よりも良好な結果となった。比較例２では、溶着したガラス粉末により隣接する対象物噴出口２０３ａの一部が閉塞し、その結果、逆火が生じてバーナ２００の先端の一部が損耗していることが確認された。

本発明は、火炎中において、無機質粉体原料を溶融する溶融バーナ、溶融バーナ装置、粉体溶融方法、及びガラスの製造方法に適用可能である。

１０…溶融バーナ装置、１１…溶融バーナ、１３…キャリアガス供給源、１５…キャリアガス供給ライン、１８…原料フィーダー、２１…燃料供給源、２２…燃料供給ライン、２２−１…第１の燃料供給用分岐ライン、２２−２…第２の燃料供給用分岐ライン、２６，２７，３５〜３８，４５，４６…流量制御部、３１…酸化剤供給源、３２…酸化剤供給ライン、３２−１…第３の酸化剤供給用分岐ライン、３２−２…第２の酸化剤供給用分岐ライン、３２−３…第４の酸化剤供給用分岐ライン、３２−４…第１の酸化剤供給用分岐ライン、４１…不活性ガス供給源、４２…不活性ガス供給ライン、４２−１…第１の不活性ガス供給用分岐ライン、４２−２…第２の不活性ガス供給用分岐ライン、５１…第１の環状部材、５２…第２の環状部材、５３…第３の環状部材、５４…第４の環状部材、５５…第５の環状部材、５６…第６の環状部材、５７…第７の環状部材、５８…バーナ本体、６１…第１の燃料供給路、６２…第１の酸化剤供給路、６３…第１の燃料噴出口、６５…混合部、６７…第１のガス供給路、６８…第１のガス噴出口、７１…原料粉体供給路、７２…原料粉体噴出口、７４…第２のガス供給路、７５…第２のガス噴出口、７７…第２の燃料供給路、７８…第２の燃料噴出口、８１…第２の酸化剤供給路、８２…第２の酸化剤噴出口、８５…水冷ジャケット、８５Ａ…冷却水用管路、８６…冷却水供給ライン、８７…冷却塔、８８…循環ポンプ、８９…冷却水回収ライン、Ｃ_１…中心軸、Ｃ_２…中心、Ｒ_１…直径

Claims (11)

1. バーナ本体と、
   前記バーナ本体の中心部に設けられ、第１の燃料を噴出させる第１の燃料噴出口と、
   前記第１の燃料噴出口の外側に設けられ、第１の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第１の酸化剤噴出口と、
   前記第１の酸化剤噴出口の外側に設けられ、第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第１のガス噴出口と、
   原料粉体を噴出させる原料粉体噴出口と、
   前記原料粉体噴出口の外側に設けられ、第２の燃料を噴出させる第２の燃料噴出口と、
   前記第２の燃料噴出口の外側に設けられ、第２の酸化剤を噴出させる第２の酸化剤噴出口と、
   前記第２の燃料噴出口と前記原料粉体噴出口との間に設けられ、第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを噴出させる第２のガス噴出口と、
   を有し、
   前記第１の燃料及び前記第１の酸化剤により、前記原料粉体噴出口の内側に、第１の火炎が形成され、
   前記第２の燃料及び前記第２の酸化剤により、前記原料粉体噴出口の外側に、第２の火炎が形成されることを特徴とする溶融バーナ。
2. 前記第１の酸化剤噴出口、前記原料粉体噴出口、前記第２の燃料噴出口、前記第２の酸化剤噴出口、前記第１のガス噴出口、及び前記第２のガス噴出口の形状は、リング形状であることを特徴とする請求項１記載の溶融バーナ。
3. 前記第１の燃料噴出口の形状は、円形であり、前記バーナ本体の中心に対して、前記第１の燃料噴出口、前記第１の酸化剤噴出口、前記第１のガス噴出口、前記原料粉体噴出口、前記第２のガス噴出口、前記第２の燃料噴出口、及び前記第２の酸化剤噴出口は、同心円状に配置することを特徴とする請求項２記載の溶融バーナ。
4. 前記第１の燃料噴出口に前記第１の燃料を供給する第１の燃料供給路と、
   前記第１の酸化剤噴出口に前記第１の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第１の酸化剤供給路と、
   前記第１のガス噴出口に前記第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第１のガス供給路と、
   前記原料粉体噴出口に前記原料粉体を供給する原料粉体供給路と、
   前記第２のガス噴出口に前記第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを供給する第２のガス供給路と、
   前記第２の燃料噴出口に前記第２の燃料を供給する第２の燃料供給路と、前記第２の酸化剤噴出口に前記第２の酸化剤を供給する第２の酸化剤供給路と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の溶融バーナ。
5. 前記第１の燃料供給路の先端、及び前記第１の酸化剤供給路の先端と前記第１の燃料噴出口との間に配置され、前記第１の燃料と前記第１の酸化剤とを混合する混合部を有することを特徴とする請求項４項記載の溶融バーナ。
6. 請求項４又は５記載の前記溶融バーナと、
   第１の燃料供給用分岐ラインを介して前記第１の燃料供給路に供給する前記第１の燃料の流量を調整する第１の流量調整部と、
   第２の燃料供給用分岐ラインを介して第２の燃料供給路に供給する前記第２の燃料の流量を調整する第２の流量調整部と、
   第１の酸化剤供給用分岐ラインを介して第１の酸化剤供給路に供給する前記第１の酸化剤の流量を調整する第３の流量調整部と、
   第２の酸化剤供給用分岐ラインを介して第２の酸化剤供給路に供給する前記第２の酸化剤の流量を調整する第４の流量調整部と、
   第３の酸化剤供給用分岐ラインを介して第１のガス供給路に供給する前記第３の酸化剤の流量を調整する第５の流量調整部と、
   第４の酸化剤供給用分岐ラインを介して第２のガス供給路に供給する前記第４の酸化剤の流量を調整する第６の流量調整部と、
   を有することを特徴とする溶融バーナ装置。
7. 前記原料粉体供給路に、キャリアガスとして酸素又は酸素富化空気を供給するキャリアガス供給源を有することを特徴とする請求項６記載の溶融バーナ装置。
8. 前記第３の酸化剤供給用分岐ラインに不活性ガス供給源からの不活性ガスを供給するための第１の不活性ガス供給用分岐ラインにおいて、前記不活性ガスの流量を調整するための第７の流量調整部と、前記第４の酸化剤供給用分岐ラインに前記不活性ガス供給源からの不活性ガスを供給するための第２の不活性ガス供給用分岐ラインに供給する前記不活性ガスの流量を調整する第８の流量調整部と、を有することを特徴とする請求項６又は７記載の溶融バーナ装置。
9. 請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の溶融バーナを用いて、
   前記バーナ本体の中心部から第１の燃料を、前記第１の燃料噴出口の外側から第１の酸化剤を、前記第１の酸化剤噴出口の外側から第３の酸化剤及び／又は不活性ガスを、前記第１のガス噴出口の外側から原料粉体を、前記原料粉体噴出口の外側から第２の燃料を、前記第２の燃料噴出口の外側から第２の酸化剤を、前記第２の燃料噴出口と前記原料粉体噴出口との間から第４の酸化剤及び／又は不活性ガスを、それぞれ噴出させ、前記第１の燃料及び前記第１の酸化剤により第１の火炎を形成し、前記第２の燃料及び前記第２の酸化剤により第２の火炎を形成し、前記第１の火炎と前記第２の火炎の間に前記原料粉体噴出口から前記原料粉体を噴出させて前記原料粉体を溶融することを特徴とする粉体溶融方法。
10. 前記原料粉体が無機質粉体原料であることを特徴とする請求項９記載の粉体溶融方法。
11. 前記無機質粉体原料がガラス原料粉末であり、請求項１０に記載の粉体溶融方法を用いたことを特徴とするガラスの製造方法。

Images