JP7123131B2 - 複合炉 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス製造産業の分野に関する。ガラスを構成する材料を溶融するには、大量のエネルギーを投入する必要がある。ガラス浴の温度は、１３００℃～１５００℃程度である。ガラスは、その組成に応じて、瓶、グラス（コップ）、窓等の直接的な家庭での使用、またはガラスセラミックシート等の間接的な家庭での使用、または産業での使用が意図されている。

炉は、非常に高い熱的および機械的ストレスを受ける。炉は、高品質の耐火性ライニングを使用して構築される。これらの耐火性ライニングは、高価であり、化学反応を受けやすいガラスの特定の成分に敏感である。耐火性ライニングの熱伝導性が低いため、ガラス浴は上方から加熱される。

ガラス浴と、貯蔵室とも呼ばれる炉の上部との間に、液体またはガス燃料の火炎バーナーが１つまたは複数配置される。ガラス浴は、主に放射によって加熱される。ガス出口温度は、ガラス族に応じて１３００℃～１６００℃の範囲にある。

さらに、ガラスの製造では、大量のガスが発生する。ガラス内に気泡が形成されることを防止するように、ガラス浴は数時間、脱気される。脱気を促進するために、硫酸塩のような精製添加物が使用されてもよい。炉は、選択された組成を含むガラスのバッチを製造する。

脱気および燃焼から生じる煙道ガスは、煙突を介して排出される。

ガラス炉からの煙道ガスに含まれるエネルギーを回収する試みが行われてきた。燃料油またはメタンのいずれかの燃料は、煙道ガスによって予熱することができるが、その際の温度は５５０℃未満である。その温度を超えると、水素および炭素への分解が生じる。水素は、安全に取り扱うことが困難である。炭素は、タールの形態でパイプの壁に堆積する。この場合、エネルギーゲインは遅く、煙道ガスの潜熱の５０％未満である。

別の提案では、煙道ガスは、熱エネルギーを貯蔵する第１の熱回収装置に入り、空気を酸化して煙道ガスの熱エネルギーを貯蔵した第２の熱回収装置に入る。交換は、バルブのセットによって制御される。高額な投資を必要とするこのシステムによって、約６５％の良好な効率を得ることができる。回収装置の出口におけるガスの温度は、４００℃程度である。

本出願人は、製造されたガラスの質量に対してエネルギー消費量を大幅に削減するという目的を追求した。

本出願人は、ガラス炉と石炉とを含む複合炉を提案する。「石炉」とは、特にガラスの組成の一部を構成するために使用される原料を焼成した後に提供される石灰石、ドロマイト、火打ち石、水和アルミナ等の石を硬化するための炉を意味する。

ソーダ石灰ガラスにおいて主な初期材料は、石灰石と、例えば炭酸ナトリウムＮａ_２ＣＯ_３の形態のソーダと、石英砂の形態のシリカである。石灰石および炭酸ナトリウムは、ガラスが製造されている間にＣＯ_２を放出する。

事前に生成された原料（生石灰、マグネシウム石灰等）の使用に関する経済的バランスは、輸送および取り扱いトン数が減少しているにもかかわらず、従来の原料の経済的バランスよりも劣る。

本出願人は、溶融ガラスタンク、タンクの上方に配置された燃焼加熱チャンバ、および加熱チャンバと連通し且つ煙道ガスを排出するためのダクトを含む工業用ガラス炉と、焼成される石のための焼成領域を含む石炉と、を備える設備を提案する。ここで、煙道ガス排出ダクトは、焼成される石のための焼成領域と接続され且つ焼成される石のための焼成領域に高温で煙道ガスを供給する煙道ガス出口を備える。

石炉は、クロスフローモードで動作する。焼成される石は、石炉の上部から投入され、熱の影響で変形しながら降下する。石灰、マグネシア、シリカ片、脱水アルミナ等が石炉の下部で回収される。高温ガスが、石炉内に導入される。高温ガスの熱エネルギーは、焼成されている石に伝達する。ガス出口温度は、低い可能性がある。致命的なエネルギーを回収することで、優れたエネルギー回収を得ることができる。

石炉内で提供される温度において、
・ 石灰石は、ＣＯ_２の放出を伴うか焼によって、石灰に変換される。
・ ドロマイトは、ＣＯ_２の放出を伴うか焼によって、酸化マグネシウムと酸化カルシウムとの組み合わせに変換される。
・ 火打ち石は、一般に約９０％のシリカと、約１０％のＭｇ、Ｃａ、Ａｌ、および／またはＮａの化合物とを含む。これらの種は、ガラスの製造に関与する。高温になるまで加熱された火打ち石は脆くなり、壊れやすい。その一方で、焼成されていない火打ち石は硬度が高く、粉砕することが困難である。現在、より迅速な溶融のために数ミリメートルの粒子サイズ範囲が必要とされる。焼成のために、川の火打ち石、海の火打ち石または採石場の火打ち石が使用されてもよい。
・ 水和アルミナは、高温で脱水される。

さらに、煙道ガスの一部が石炉に送られ、残りが単独の代替回収装置に送られてもよい。石灰の製造は、需要に合わせて調整されてもよい。

別の予期しない利点が明らかになった。本設備において、煙道ガス中に存在する塩素は、焼成される石の表面上に堆積し、ガラス炉内で再循環され得る。塩素は、塩化カルシウムの形態で石灰と関連して、また塩化マグネシウムの形態でマグネシアと関連して存在する場合がある。塩素は、溶融ガラスの脱気を促す精製剤である。

硫黄は、塩素よりも優れた精製剤である。煙道ガス中に存在する硫黄は、焼成される石の表面上に堆積し、ガラス炉内で再循環され得る。硫黄は、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウムまたは硫酸ナトリウムの形態で存在する場合がある。焼成された石に関連する硫酸塩中の硫黄を再循環させることで、ガラス炉への硫酸塩の供給、特に硫酸カルシウムの供給を、約５０％削減することができる。さらに、大気に放出される前の煙道ガスの処理が、より容易になるか不要になる。

（ｉ）煙道ガス中に存在する酸性種の自己中和、および（ｉｉ）煙道ガスダクトのメンテナンス作業を削減する自己洗浄、という設備の特性によって、本設備における再循環が可能となる。

石炉または補助石炉は、共に酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムの生成に等しく役立つ場合がある。その混合物は、ドロマイトのか焼によって生成される。酸化マグネシウムと酸化カルシウムの混合物を使用することで、収縮の削減、すなわち特にＣＯ_２の放出の削減が可能になる。

一実施形態において、煙道ガス出口は、煙道ガス排出ダクトの煙道内に形成される。これにより、煙道ガス出口における煙道ガスの流量は、制御され得る。

一実施形態において、燃料は、ガスおよび／または燃料油である。

一実施形態において、酸化剤は、空気である。

一実施形態において、酸化剤は、酸素である。これにより、煙道ガス中のＮＯ_ｘの量を削減し、エネルギー消費量を削減することができる。

一実施形態において、ガラス炉の能力は、１日あたりガラス１０トンよりも大きい。炉は、工業用のものである。

一実施形態において、設備は、少なくとも２つのガラス炉と、１つの石炉と、を備える。これらのガラス炉の停止をずらすことで、石炉の加熱の連続性を確保することができる。また、酸化剤として空気を使用する場合、設備は、煙道ガスからエネルギーを回収するための装置を備えていてもよい。

一実施形態において、設備は、ガラス炉と、石炉と、石炉を加熱するよう適合された補助バーナーと、を備える。これにより、石炉による持続的且つ継続的な生成を得ることができる。

一実施形態において、焼成領域は、管状である。その上方には、焼成される石を供給するための領域が配置され、下方には、焼成された石を取り出すための領域が配置される。従来の炉において、焼成された石は、下方から導入される酸化剤の空気によって冷却される。ここで、焼成された石の取り出し領域におけるわずかな圧力低下が、煙道ガスの下向きの流出を防止する。したがって、上向きの気流が生成される。例えば石炉のライニングに対して煙道ガスの温度が高すぎる場合、より大きな圧力低下が用いられる。これは、焼成領域における煙道ガスの希釈と温度の低下とをもたらす。

逆に、焼成領域における温度を高く維持したい場合、焼成された石の取り出し領域を介して焼成領域の下部まで入った空気は、迂回される。迂回は、ガラス炉の空気入口に向けられてもよい。迂回は、ガラス炉への供給のために動作する際に冷却を制限することができる再生器の入口に向けられてもよい。また、迂回は、焼成領域の上方に位置する石炉の領域に向けられてもよい。

本発明は、焼成される石を焼成する方法を提案する。本方法において、
・ 焼成される石が、焼成される石のための焼成領域内に導入され、
・ 工業用ガラス炉が、溶融ガラスタンクと、ガラス炉を加熱している間に燃焼加熱チャンバと連通する煙道ガス排出ダクトと、を備え、焼成領域には、工業用ガラス炉の燃焼加熱チャンバの下流にある煙道ガス排出ダクトからの燃焼煙道ガスが供給される。

一実施形態において、焼成される石は、石灰石、ドロマイト、火打ち石および水和アルミナから選択される。石灰石およびドロマイトの焼成はか焼、すなわちＣＯ_２の放出または脱炭素化である。火打ち石の焼成は、熱による分裂である。水和アルミナの焼成は、結合水の除去による乾燥である。

焼成される石の温度が上昇している間、遊離水が除去され、次に結合水が除去され、次に炭酸塩が酸化物とＣＯ_２とに分解される。天然ガスの焼成を採用した石灰炉において、燃料は、石灰炉の１つまたは複数の燃焼領域内に導入され、酸化剤の空気は、石灰の取り出し領域の下部を介しておよび／または１つの燃焼領域内または複数の燃焼領域内に、部分的に導入される。

ここで、石炉は、高温ガスタイプのものである。高温ガスは、石炉の高さの約２／３の高さに位置する領域内に導入される。

石炉は、高さ２０ｍ～３０ｍ、内径３ｍ～５ｍ、および高さ３ｍ～４ｍの焼成領域を有してもよい。

一実施形態において、焼成される石のための焼成領域における最大温度は、９００℃よりも高く、好ましくは１０００℃よりも高い。これにより、脱炭素化は、急速に生じる。

一実施形態において、焼成される石を焼成することで、煙道ガスの温度が３００℃未満、好ましくは２００℃未満に低下する。煙道ガスは、１００℃またはそれよりもわずかに高い温度で、石炉のスロート部を介して排出される。これにより、エネルギー損失を非常に低くすることができ、燃焼される石の乾燥に起因する煙道ガスからの水蒸気の凝縮を回避することができる。

一実施形態において、煙道ガスの温度は、９００℃以上、好ましくは１１００℃以上、より好ましくは１２００℃以上低くされる。煙道ガスは、１３００℃以上、例えば約１５００℃で石炉に入ることができる。炉で回収される電力は、１日のガラス製造量１トンあたり１０ｋＷ～３０ｋＷの範囲であり得る。

一実施形態において、焼成される石は、焼成される石のための焼成領域内に１時間～４時間、石炉内に１２時間～３６時間置かれる。

一実施形態において、焼成される石は、酸化剤のガスの流れに逆らって移動される。

一実施形態において、煙道ガスは、塩素化成分を含む。ドロマイトおよび石灰石を使用する場合、塩素化成分は、焼成される石の上に閉じ込められる。ガラス製造での使用に適合する塩化物の含有量を有する酸化マグネシウムと酸化カルシウムの混合物または石灰が、出口で得られる。

一実施形態において、煙道ガスは、硫化成分を含む。特にドロマイトおよび石灰石を使用する場合、硫化成分は、焼成される石の上に閉じ込められる。ガラス製造での使用に適合する硫酸塩の含有量を有する、特にマグネシウムおよびカルシウムの酸化物または石灰から構成された石が、石炉の出口で得られる。

したがって、石炉は、通常の条件下ではＳおよびＣｌ含有量が特定の処理を必要とする煙道ガスに対して、自己中和および自己洗浄を実施する。煙道ガス中和処理は、用いられれない。

一実施形態において、工業用ガラス炉で得られるガラスは、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスまたはアルミノケイ酸塩ガラス、石英、またはガラスセラミックである。

本発明のその他の特徴、詳細および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。
本発明の一態様による複合設備の断面図である。 本発明の別の態様による複合設備の断面図である。 図２の変形例を示す。

以下の説明および添付の図面は、特定の特徴を有する要素の大部分を網羅している。したがって、それらは、本発明をよりよく説明するのに役立つだけでなく、必要に応じてその定義に貢献する可能性もある。

本出願人は、稼働中の工業用ガラス炉のダクトにおいて、石灰石のか焼試験を実施した。石灰石の試料の質量は、３９６グラム～６３３グラムだった。か焼開始時の温度は、１２４０℃～１３４０℃の範囲だった。か焼終了時の温度は、１２９０℃～１３８０℃の範囲だった。か焼反応ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２による理論上の質量損失は、４３％であった。か焼時間が１時間未満の場合、質量損失が低すぎた。これは、か焼が不完全であることを示す。か焼時間が１時間の場合、４２．１％の質量損失が生じた。か焼時間が１．７５時間～２．２５時間の場合、４３．７％～４４％の質量損失が生じた。これは、完全なか焼および試料の回収時において材料のわずかな損失を示す。損失は、試験条件に関連しており、産業的なプロセスにおいて防止される場合がある。ガラス炉から排出される煙道ガスによって、石灰石のか焼が実施される。焼成される他の石には、ドロマイト、火打ち石および水和アルミナが含まれてもよい。

ガラス炉１は、バッチ製造のための溶融ガラス３を含むタンク２を備える。ガラス炉１は、溶融ガラス３の浴の上方に位置する燃焼チャンバ４と、上壁５と、を備える。上壁５は、貯蔵室５ａと、燃焼チャンバ４を区画し、側壁（長さ）または妻壁（幅）と呼ばれる垂直部分５ｂと、から構成される。ガラス炉１は、燃料油またはガスが供給される少なくとも１つのバーナー６と、酸化剤入口７と、を備える。酸化剤は、空気であってもよく（図１参照）、酸素であってもよい（図２参照）。

タンク２および上壁５は、高温の領域から離間した外部金属構造によって強化された耐火性材料から形成される。バーナー６は、燃焼チャンバ４内で水平方向の火炎を生成する。ガラス炉１は、溶融ガラスの浴の上方の垂直壁５ｂのうちの１つに設けられた煙道ガス出口８を備える。火炎と煙道ガスとが燃焼チャンバ４のＵ字経路を辿るように、バーナー６および煙道ガス出口８は、同一の短い側に設けられてもよい。ガラス炉１は、ループ炉であってもよい。

設備は、煙道ガスが流れる方向でガラス炉１の下流において、ダクト１０を備える。ダクト１０は、実質的に水平な煙道ガスダクトである。ダクト１０は、煙道ガス出口８を介して、燃焼チャンバ４と流体連通する。ダクト１０は、耐火性材料から形成され、高温の領域から離間した外部金属構造によって補強されている。ダクト１０は、分岐を含み、２つの出口を有する。ダクト１０は、バルブを備えていない。

設備は、煙道ガスが流れる方向でガラス炉１の下流において、石炉１１を備える。石炉１１は、石灰炉であってもよい。石炉１１は、垂直に向けられた構造を有する。石炉１１は、円形である。石炉１１は、耐火性材料から形成され、高温の領域から離間した外部金属構造によって補強されている。石炉１１は、例えば２５ｍの高さおよび４ｍの直径を有してもよい。石炉１１は、垂直軸、下部開口部１３および上部開口部１４またはスロート部を有するチャンバ１２を備える。下部開口部１３によって、焼成された石を取り出すことができ、また、十分な空気を導入して、下部開口部１３を介した煙道ガスの流出を防止することができる。

上部開口部１４によって、例えばハッチ１５を介して焼成される石を導入することができ、また、煙道ガスを排出することができる。上部開口部１４に、一方で特にフィルタ１６内で粉塵を抽出するように煙道ガスを処理し、他方で石炉１１に焼成される石を供給するためのセパレータを取り付けてもよい。フィルタ１６の下流において、粉塵が除去され冷却された煙道ガスを排出するよう構成された煙突１７が設けられる。フィルタ１６の下流において、煙道ガスは、大気中に放出され、フィルタは、石炉１１またはエネルギー回収装置からの煙道ガスを直接受け取る。

チャンバ１２の構造は、全体として気密である。チャンバ１２は、上部開口部１４に隣接する予熱領域２０と、予熱領域２０の下方に位置する焼成領域２１と、焼成領域２１の下方に位置し、下部開口部１３に隣接する冷却領域２２と、を備える。焼成領域２１と冷却領域２２との間において、チャンバは、ダクト１０の出口のうちの１つと流体連通する開口部２３を備える。冷却領域２２は、チャンバ１２の高さの５５％～７５％の高さを有する。焼成領域２１は、チャンバ１２の高さの５％～２０％の高さを有する。予熱領域２０は、チャンバ１２の高さの１０％～２５％の高さを有する。

また、設備は、ダクト１０の他の出口と流体連通する熱交換器２５を備える。熱交換器２５は、煙道ガスからの熱エネルギーを、ガラス炉１に供給される空気に伝達する。この伝達は、回収装置の場合、熱伝導プレートを介して実施されてもよい。伝達は、再生器の場合、高発熱量を有する材料における中間熱貯蔵部を介して実施されてもよい。煙道ガスおよび酸化剤の空気の流れは、可動フラップによって交互に流れる。この場合、一方が再生器を加熱し、他方が再生器を冷却する。

熱交換器２５は、周囲空気入口２６と、熱い空気の出口２７と、を有する。熱い空気の出口２７は、ダクト２８を介して、酸化剤入口７と接続される。熱交換器２５は、ダクト１０の別の出口から供給される熱い煙道ガスの入口２９と、フィルタ１６につながる、冷却された煙道ガスの出口３０と、を有する。

図２に示す実施形態において、ガラス炉は、酸素炉、すなわち酸化剤として一般にメタンを含む燃料ガスと酸素とを使用する炉である。空気中に窒素がないため、入口と出口におけるガス流量は、特に酸化剤入口で８０％減少する。このため、ＮＯ_ｘの含有量は、３で割ることができる。煙道ガスは、主にガスの燃焼から生じる水蒸気と、ガスの燃焼およびガラスの脱気から生じる二酸化炭素と、その他の脱気ガスから構成される。煙道ガスの流量が前の実施形態よりも低いため、少なくとも２つのガラス炉１と、１つの石炉１１とが連結されてもよい。

図３に示す実施形態において、補助バーナー３５が、石炉１１内に設けられる。補助バーナー３５は、冷却領域２２内または石炉１１の隣で上昇する空気を消費して、高温で煙道ガスの補助的な流量を供給する。

上述した実施形態において、ガラス炉を出る際に塩化物および硫酸塩の大部分を失った煙道ガスは、低温で石炉から排出される。したがって、煙道ガスは、さらに下流での煙道ガスの中和が不要になるまで、中和および洗浄される。中和されることで、焼成された石中に、石灰の場合はＣａＣｌ_２およびＣａＳＯ_４が生成され、ドロマイトの場合はＭｇＣｌ_２およびＭｇＳＯ_４が生成される。これらの化合物は、ガラス浴に塩化物と硫化物とを追加する。

本発明は、特にパイレックス（登録商標）を含むホウケイ酸ガラス、またはガラスセラミック等の高温を必要とするガラスのグレードをガラス炉で製造する場合、より興味深い。

すなわち、焼成される石には、石灰石、ドロマイト、火打ち石および水和アルミナのうちの少なくとも１つが含まれる。焼成される石は、上部から石炉内に導入され、焼成された後に降下を開始し、チャンバを通過し、石炉の下部を介して排出される。チャンバは、石が降下する方向に、予熱領域と、焼成領域と、冷却領域と、をこの順で備える。

ガスは、チャンバを上向きに通過する。これらのガスには、下部から入り、石炉の上部または冷却領域の上部から出る周囲空気が含まれてもよい。また、ガスには、燃焼煙道ガスが含まれる。燃焼煙道ガスは、焼成される石のための焼成領域の下部から入る。燃焼煙道ガスは、焼成領域および予熱領域を通過する。燃焼煙道ガスは、工業用ガラス炉の燃焼加熱チャンバの下流にある煙道ガス排出ダクトから供給される。工業用ガラス炉は、溶融ガラスタンクと、ガラス炉を加熱している間の加熱チャンバの出口における煙道ガス排出ダクトと、を備える。加熱チャンバの出口における燃焼煙道ガスの温度は、１３００℃～１５００℃の範囲である。石炉の出口における煙道ガスの温度は、１００℃～２００℃の範囲であり、好ましくは１００℃～１５０℃の範囲である。

本発明は、例示として上述した方法および容器の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内にある当業者が想定し得るすべての変形例を包含する。

Claims (8)

1. 溶融ガラス（３）のためのタンク（２）、前記タンク（２）の上方に位置する燃焼加熱チャンバ（４）、および前記燃焼加熱チャンバ（４）と連通し且つ煙道ガスを排出するためのダクトである煙道ガス排出ダクトを含む工業用ガラス炉（１）と、垂直に向けられた構造を有し、且つ、チャンバ（１２）、焼成される石のための焼成領域（２１）を含む下部開口部（１３）及び上部開口部（１４）とを備える石炉（１１）と、を備える設備であって、
   前記焼成領域（２１）は管状であり、その上方には、予熱領域（２０）を意味する、前記焼成される石の供給領域が配置され、下方には、冷却領域（２２）を意味する、焼成された前記石の取り出し領域が配置され、
   前記煙道ガス排出ダクトは、前記焼成される石のための前記焼成領域（２１）と接続され且つ前記焼成される石のための前記焼成領域（２１）に高温で前記煙道ガスを供給する煙道ガス出口を備える、
   設備。
2. 前記煙道ガス出口は、前記煙道ガス排出ダクトのダクト（１０）内に形成される、
   請求項１に記載の設備。
3. 燃料がガスおよび／または燃料油であり、酸化剤が酸素および／または空気であり、前記工業用ガラス炉の能力が１日あたりガラス１０トンよりも大きい、
   請求項１または２に記載の設備。
4. 特に石灰石、ドロマイト、火打ち石または水和アルミナを含む焼成される石を焼成する方法であって、
   前記焼成される石が、前記焼成される石のための焼成領域内に導入され、
   前記焼成領域は、垂直に向けられた構造を有する石炉のチャンバの一部であり、前記石炉は前記チャンバ、焼成される石のための焼成領域を含む下部開口部及び上部開口部を備え、前記焼成領域は管状であり、その上方には、予熱領域（２０）を意味する、前記焼成される石の供給領域が配置され、下方には、冷却領域（２２）を意味する、焼成された前記石の取り出し領域が配置され、
   工業用ガラス炉が、溶融ガラスタンクと、前記工業用ガラス炉を加熱している間に加熱チャンバと連通する煙道ガス排出ダクトと、を備え、前記焼成領域には、前記工業用ガラス炉の前記加熱チャンバの下流にある前記煙道ガス排出ダクトからの燃焼煙道ガスが供給される、
   方法。
5. 前記焼成される石のための前記焼成領域における最大温度は、９００℃よりも高く、好ましくは１０００℃よりも高く、且つ／または前記焼成される石を焼成することで、前記燃焼煙道ガスの温度が３００℃未満、好ましくは２００℃未満に低下する、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記燃焼煙道ガスの温度は、排熱の回収に対応して、９００℃以上、好ましくは１１００℃以上低くされる、
   請求項４または５に記載の方法。
7. 前記焼成される石は、前記焼成される石のための前記焼成領域に１時間～２４時間置かれ、前記焼成される石は、燃焼ガスの流れに逆らって移動される、
   請求項４～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記燃焼煙道ガスは、塩素化成分および／また硫化成分を含み、前記ドロマイトおよび／または前記石灰石を使用する場合、前記塩素化成分および／または前記硫化成分は、前記焼成される石の上に閉じ込められる、
   請求項４～７のいずれか１項に記載の方法。

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