JPH1130417A - 熱回収装置および使用方法 - Google Patents

熱回収装置および使用方法

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JPH1130417A
JPH1130417A JP10103144A JP10314498A JPH1130417A JP H1130417 A JPH1130417 A JP H1130417A JP 10103144 A JP10103144 A JP 10103144A JP 10314498 A JP10314498 A JP 10314498A JP H1130417 A JPH1130417 A JP H1130417A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に酸素燃料バーナーを使用している高温プ
ロセスにおいて、さもなければ大気へと無駄にされる利
用可能な熱の少なくとも一部を効率良くかつ比較的低い
資本コストで回収し、同時に煙道ガスを冷却する方法お
よび装置（またはシステム）を提供する。 【解決手段】 最初は冷たい中間流体から高温の中間流
体を生じさせるために高温の煙道ガスと中間流体との間
で熱を交換する一次の熱伝達手段と、高温の煙道ガスの
主たる流れを生じさせる１または複数の酸化剤燃料バー
ナーと、熱交換手段へ高温の中間流体を輸送する輸送手
段とを含む高温の煙道ガスから熱を回収するのに好適な
装置および方法が提供される。本発明の装置および方法
によって、汚く、有毒な、または腐食性の煙道ガスから
熱を回収する問題が解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にガス状の燃
料のバーナーに関する。より特には、本発明はこのよう
なバーナーを用いてエネルギー効率良く燃料を燃焼させ
ることに関する。
【０００２】
【従来の技術】酸素燃料のバーナー（ｏｘｙ−ｆｕｅｌ
ｂｕｒｎｅｒｓ）および技術は、ガラス製造、廃棄物
の焼却、鋼の再加熱、アルミニウムの溶融、および鉄の
溶融のような高温プロセスにおいてますます使用されて
いる。それは、高い熱伝達率、燃料消費の低減（エネル
ギーの節約）、煙道ガスの低減された量、ならびに、窒
素酸化物（ＮＯx ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および粒子
のような汚染物質の放出の低減という利益がもたらされ
るからである。
【０００３】これらの高温プロセスにおいて使用される
酸素は、技術的に純粋な酸素（９９．９９％）か、また
は純度が８０％まで下がる様々なグレードの工業的な酸
素であり得る。
【０００４】酸素による燃焼の代わりに空気による燃焼
を代用することがもたらす煙道ガスの量の低減にもかか
わらず、特に高温プロセスでの煙道ガスにおいて著しい
量のエネルギーが失われている。例えば、すべての燃料
が純粋酸素とともに燃焼させられて炉の排気での煙道ガ
スの温度が１３５０℃のオーダーとなるような酸素燃料
によって燃焼する（ｏｘｙ−ｆｕｅｌ ｆｉｒｅｄ）ガ
ラス炉においては、燃料の燃焼によって放出されるエネ
ルギーの典型的に３０％ないし４０％が煙道ガス中で失
われる。酸素燃料によって燃焼する炉の運転経済性を改
善するために煙道ガスから利用可能なエネルギーをいく
らか回収することは有利なことであろう。
【０００５】煙道ガスからエネルギーを回収するための
多くの技術が利用可能である。これらの技術は、空気燃
料によって燃焼する（ａｉｒ−ｆｕｅｌ ｆｉｒｅｄ）
炉に対して証明されて、または説明されている。以下の
議論から明らかになる困難性があるために、同様な技術
は酸素燃料の炉に対しては依然として実証する必要があ
る。
【０００６】ある技術は、煙道ガス中の利用可能なエネ
ルギーを用いて、炉の中に原料を装填する前にこの原料
を予熱して乾燥させることからなる。ガラスを溶融させ
る場合、原料としては、一般にカレット（ｃｕｌｌｅ
ｔ）と呼ばれるリサイクルされたガラス、比較的高い水
分含量を有するバッチ材料と呼ばれる微粉砕された形状
の他の薬品および鉱物からなる。バッチ／カレット予熱
器内において、煙道ガスと原料との間でエネルギーの交
換が行われる。このような装置は一般に入手可能であ
り、例えばドイツのウェーザイム（Ｗｅｒｔｈｅｉｍ）
にあるジッペ社（Ｚｉｐｐｅ Ｉｎｃ．）から入手する
ことができる。経験によれば、詰まる（ｐｌｕｇ）傾向
があるために、バッチが原材料の５０％を上回るもので
あるときには、この技術を実施することは難しい。この
ことのために、カレットの大部分を使用する限られた数
のガラス溶融作業のみに技術の適用範囲が限られてい
る。この技術の別の欠点は、材料予熱器内において煙道
ガスの入口温度が一般に６００℃を下回らなければなら
ないことである。１０００℃よりも高い温度において煙
道ガスが生成される酸素燃料によって燃焼する炉の場合
には、材料予熱器の前で煙道ガスを冷却することが必要
となる。
【０００７】空気燃料炉のエネルギー効率は、煙道ガス
からの利用可能なエネルギーを利用して燃焼空気を予熱
するときに大いに改善される。煙道ガスからの熱のいく
らかを熱交換器内で燃焼空気に伝達する換熱器（ｒｅｃ
ｕｐｅｒａｔｏｒｓ）、および、燃焼空気を後で予熱す
るために煙道ガスからの熱のいくらかをセラミックまた
は耐熱性材料内に蓄積する再生器は、この目的のために
工業界で行われている最も一般的な技術である。このよ
うな技術は、極めて反応性の高い高温の酸素を取り扱う
危険があるために、酸素燃料によって燃焼する炉の場合
には適用するのが難しい。
【０００８】熱化学的なエネルギーの回収（燃料のリフ
ォーミングとしても知られている）が、別の技術であ
る。これは、反応器（リフォーマー）内で燃料を蒸気ま
たは二酸化炭素または２つの混合物と反応させて燃料の
熱含有量を増加させることと、ならびに、水素（Ｈ2 ）
および一酸化炭素（ＣＯ）を含み最初の燃料よりも高い
熱含有量を有する燃焼の混合物を生成することからな
る。リフォーミング反応は、高温（典型的には９００
℃）で起こり、吸熱であり、またプロセスに要求される
高温のガスを生成しリフォーミング反応のためのエネル
ギーを供給するために煙道ガスの高温度を利用してい
る。実際には、ガラスプラントでの燃料の消費量は、燃
料リフォーミングシステムを設置する高い資本コストを
経済的に正当化するほどには高くはない。リフォーマー
の複雑さ、および高温のＨ2 およびＣＯを取扱うことに
関連する安全上の制約が、この技術のさらなる欠点であ
る。酸素燃料炉の場合、煙道ガスからの利用可能なエネ
ルギーは典型的にはすべての燃料をリフォームするには
十分ではなく、煙道ガスに加えてさらにエネルギー源が
一般的に必要であるが、このことは装置の複雑さに加わ
るものである。
【０００９】電力および熱を一緒に発生させること（す
なわち、高温の煙道ガスを利用して電気と蒸気を同時に
発生させる）が、他の技術である。これは、煙道ガスか
らエネルギーを回収することに利用することができ、ま
た煙道ガスを炉内に再循環させる以外の他の目的に使用
する。この取組みの不利な点は、資本コストが非常に高
くなる傾向にあることである。しかし、この選択肢は非
常に高温の熱を出力する炉（３０メガワットを上回る電
力をもたらすような炉）に対して実行することができ
る。
【００１０】環境規制がよりきびしくなっていることに
伴い、多くの工業界に対して汚染低減システムの設置が
要求されている。これらの装置は、典型的に高温プロセ
スに使用される酸素燃料炉の排気において見られる非常
に高い温度を取扱うことはできない。例えば、酸素燃料
で燃焼するガラスタンク炉の出口において、温度は典型
的に約１３００℃ないし約１４５０℃である。煙道ガス
が汚染低減システム（静電換熱器、または粒状物質から
煙道ガスをきれいにする場合のバグハウスであり得る）
によって処理され得る前に、ガスを冷却することは非常
に好ましいことである。これは一般に、周囲空気によっ
てガスを希釈するかもしくは蒸発して高温のガスと接触
する水を噴霧することでガスの冷却をもたらすことによ
ってか、または、これらの技術を組み合わせることによ
って行われる。空気を用いて希釈することは汚染低減シ
ステムによって処理すべきガスの量を増やし、コストを
増加させる。水を噴出することは、ガスの露点を上昇さ
せ汚染低減装置を無理やり高温で動作させることにな
る。これは、煙道ガスの水分の含有量が６０重量％もの
高さとなり得る酸素燃料によって燃焼する炉に対して特
に本当のことである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従って、要求されるの
は、特に酸素燃料バーナーを使用している高温プロセス
において、さもなければ大気へと無駄にされる利用可能
な熱の少なくとも一部を効率良くかつ比較的低い資本コ
ストで回収し、同時に煙道ガスを冷却する方法および装
置（またはシステム）である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、高温の
酸化剤、高温の燃料、または両方によって動作する１ま
たは複数の酸素燃料バーナーと、煙道ガスのチャネル内
に配置された一次の（ｐｒｉｍａｒｙ）熱交換器を使用
することとを組み合わせる方法および装置が提供され
る。本明細書で用いられている「酸化剤」という用語
は、（工業界で定義されている）純粋酸素または酸素富
化空気を意味するために使用される。本明細書で用いら
れている「プロセスガス」は、燃焼生成物でないすべて
のガスを含むガスおよび粒子を参照する。一次の熱交換
器は、バーナーで使用される酸化剤、燃料、または両方
に高温の煙道ガスからの熱の少なくとも一部を伝達する
中間安全流体（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｓａｆｅ
ｆｌｕｉｄ）（例えば空気または窒素）を、使用してい
る。一次の熱交換器の機能は、中間安全流体（以下、単
に中間流体（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｌｕｉｄ）
と言う）に高温の煙道ガスからの熱の少なくとも一部を
伝達することである。熱交換器内において煙道ガスのエ
ネルギーを取り除くことは、煙道ガスの量を増やすこと
なく、またこれらのガスの水分含有量を増やすことな
く、煙道ガスを冷却する便利な手段である。ガスを大気
へと排出する前に設置することができる汚染低減装置の
大きさはより小さくすることができ、また装置のコスト
をより低くすることができる。そして本明細書で説明し
ているように、ある程度の中間流体の熱含量が酸化剤、
燃料または両方に伝達される。酸素燃料バーナーを用い
て、炉内において高温の酸化剤および高温の燃料が燃焼
させられる。
【００１３】本発明の最初の側面は、高温の煙道ガスか
ら熱を回収するために好適な装置であって、（ａ）高温
の中間流体を生じさせ高温の煙道ガスを冷却するために
高温の煙道ガス温度を有する高温の煙道ガスと高温の煙
道ガス温度を下回る冷たい中間流体温度を有する最初は
冷たい中間流体との間で熱を伝達させる少なくとも１つ
の一次の手段と、（ｂ）冷却された中間流体を生じさせ
るために燃料または酸化剤を高温の中間流体によって予
熱する予熱手段を伴い高温の煙道ガスの主たる流れを生
じさせる１または複数の酸化剤燃料のバーナーと、
（ｃ）少なくとも１つの予熱手段に高温の中間流体を輸
送するための輸送手段とを具備することを特徴とする装
置である。
【００１４】本発明の好ましい装置は、中間流体が気
体、より好ましくは空気である装置である。可能な他の
流体としては、蒸気、二酸化炭素、窒素、もしくはこれ
らの混合物、または液体が含まれる。
【００１５】本発明のこの側面および他の側面におい
て、熱交換器の壁を通して熱を伝達することによって高
温の中間流体は間接的に熱を酸化剤もしくは燃料へ伝達
することができるか、または、酸化剤もしくは燃料と混
合することによって直接的に高温の中間流体の一部が熱
を交換することができる。ほとんどの場合、熱伝達が間
接的であるときに、言い換えれば、中間流体が酸化剤も
しくは燃料と混合しない熱交換器を使用することによっ
て、熱伝達はより経済的でかつより安全である。しか
し、本発明によって熱を交換する両方の手段が熟慮され
ていることを留意しておくことは重要である。さらに、
今述べた２つのメカニズムのどちらかを用いて、高温の
煙道ガスによって中間流体を加熱することが可能であ
る。
【００１６】本発明の１つの好ましい装置においては、
冷却された中間流体を熱を伝達する一次の手段に輸送し
て返す。
【００１７】熱を伝達する一次の手段は、セラミック換
熱器として工業界で知られているセラミック熱交換器
と、およびさらに金属換熱器と呼ばれている金属熱交換
器とからなる群から選ばれる、１または複数の熱交換器
を備えていることが好ましい。
【００１８】本発明に係る装置は、熱を伝達する一次の
手段が二重殻の輻射（ｄｏｕｂｌｅｓｈｅｌｌ ｒａｄ
ｉａｔｉｏｎ）の輻射の換熱器であることが好ましい。
【００１９】本発明において有用な予熱手段は、セラミ
ック熱交換器と、金属熱交換器と、高温の中間流体の流
れによる加熱およびそれによって加熱される酸化剤また
は燃料の流れによる冷却が交互に（ａｌｔｅｒｎａｔｉ
ｖｅｌｙ）行われる再生手段と、およびこれらの組合わ
せとからなる群から選ばれる熱交換器を備えている。
【００２０】高温の中間流体の流れによる加熱および酸
化剤または燃料の流れによる冷却が交互に行われる再生
手段の場合には、典型的にまた好ましくは、セラミック
球または丸石（ｐｅｂｂｌｅｓ）のような不活性媒体を
含む本（ｐｒｅｓｅｎｔ）２つの容器がある。場合次第
で、セラミック球、丸石または他の不活性媒体が高温の
中間流体によって加熱される再生モードで１つの容器が
使用される一方で、他は動作モード中に使用されて高温
媒体からの熱を燃料または酸化剤に伝達するために燃料
または酸化剤と接触する。そして、容器への流れは適時
に切換えられる。
【００２１】本発明のこの側面に係る１つの好ましい装
置としては、並列な予熱手段において高温の中間流体が
燃料または酸化剤と熱を交換する、言い換えれば、高温
流体の流れが２つの流れに分割されて、第１のバーナー
予熱手段において１つの流れが燃料と熱を交換し、第２
のバーナー予熱手段において第２の流れが酸化剤と熱を
交換する。その代わりに、そしておそらく安全上の理由
からより好ましくは、１または複数の酸化剤予熱器にお
いて中間流体は最初に酸化剤と熱を交換し、次に、直列
の交換器における１または複数の燃料予熱器において燃
料と熱を交換する。
【００２２】本発明の装置は、酸化剤および燃料が炎を
形成するように混合する炉内に酸化剤および燃料が別々
に噴出されるバーナーを含んでいることが好ましい。さ
らに、本発明の別の好ましい装置としては、バーナーブ
ロックを通して酸化剤および燃料が炉内に噴出されるバ
ーナーを含んでいる。
【００２３】本発明の別の側面は、高温の煙道ガスから
熱を回収するために好適な装置であって、（ａ）高温の
中間流体を生じさせ高温の煙道ガスを冷却するために高
温の煙道ガス温度を有する高温の煙道ガスと高温の煙道
ガス温度を下回る冷たい中間流体温度を有する最初は冷
たい中間流体との間で熱を伝達させる少なくとも１つの
一次の手段と、（ｂ）冷却された中間流体を生じさせる
ために高温の中間流体が酸化剤または燃料または酸化剤
および燃料の両方と熱を交換する高温の中間流体の経路
と酸化剤のための酸化剤経路と燃料のための燃料経路と
を有するとともに高温の煙道ガスの主たる流れを生じさ
せる１または複数の酸化剤燃料のバーナーと、（ｃ）酸
化剤燃料バーナーに高温の中間流体を輸送するための輸
送手段とを具備することを特徴とする装置である。
【００２４】本発明の最初の側面とともに、中間流体と
しては、蒸気、二酸化炭素、窒素、もしくはこれらの混
合物、または液体を使用することができるが、空気であ
ることが好ましい。
【００２５】本発明の１つの好ましい装置においては、
最初は冷たい中間流体に高温の煙道ガスからの熱を伝達
する一次の伝達手段に、冷却された中間流体を輸送して
返す。
【００２６】本発明のこの側面において、炉の耐熱性の
壁を通る穴によって、燃料の経路、酸化剤の経路、およ
び高温の中間流体の経路が規定されていることが好まし
い。すなわち、同じ材料（耐火物またはセラミック）か
らなるという点でバーナーは炉壁と一体であることが好
ましい。その代わりに、バーナー技術において知られて
いるように、バーナーブロックを通る穴によって、燃料
の経路、酸化剤の経路、および高温の中間流体の経路が
規定されていることが好ましい。ここで、バーナーブロ
ックは炉壁内に位置づけられている。このようなバーナ
ーブロックは、例えば、ともに出願中の米国特許出願、
連続番号08/668,758、1996年6月２４日に出願済、
（Ｓ．４０２９ＸＣＩＰ）、欧州特許出願0754,912Aと
して公開済、および、連続番号08/ 、
に出願済、（Ｓ．４２０９）において記載されてお
り、これらはすべて引用により本明細書において取入れ
られている。
【００２７】本発明のこの側面に係る１つの好ましい装
置としては、並列な予熱器において高温の中間流体が燃
料または酸化剤と熱を交換する、言い換えれば、高温流
体の流れが２つの流れに分割されて、第１のバーナー熱
交換器において１つの流れが燃料と熱を交換し、第２の
バーナー熱交換器において第２の流れが酸化剤と熱を交
換する。
【００２８】その代わりに、そしておそらくより好まし
くは、高温の中間流体が最初に酸化剤と熱を交換し次に
燃料と熱を交換することによって中間流体が燃料および
酸化剤と直列の交換器にて熱を交換することであり、こ
れはより安全であると考えられる。
【００２９】中間流体が空気であり燃焼のための酸化剤
が酸素である場合に、酸素の供給が中断したときに高温
の空気の流れをバーナーに向けることによって高温の空
気を燃焼のための酸化剤として有利に使用することがで
きる。
【００３０】本発明の第３の態様は、燃料を酸化剤とと
もに燃焼させることにより生じる高温の煙道ガスから熱
を回収する方法であって、（ａ）高温の煙道ガスの主た
る流れを生じさせるために１または複数の酸化剤燃料バ
ーナー内で酸化剤とともに燃料を燃焼させる、（ｂ）高
温の中間流体を生じさせるために高温の煙道ガスと最初
の中間流体との間で熱を伝達させる一次の手段を通して
高温の煙道ガスと最初の中間流体温度を有する最初の中
間流体とを流す、（ｃ）該高温の煙道ガスの主たる流れ
を生じさせる１または複数の酸化剤燃料バーナーに燃料
および酸化剤が入る前に高温の中間流体によって燃料、
酸化剤、または両方を予熱する１または複数の予熱手段
を通して高温の中間流体を流すことによって燃料、酸化
剤または両方に高温の中間流体から熱を伝達させる各工
程を含むことを特徴とする方法である。
【００３１】本発明の第４の態様は、燃料を酸化剤とと
もに燃焼させることにより生じる高温の煙道ガスから熱
を回収する方法であって、（ａ）高温の煙道ガスの主た
る流れを生じさせるために１または複数の酸化剤燃料バ
ーナー内で酸化剤とともに燃料を燃焼させる、（ｂ）高
温の中間流体を生じさせるために高温の煙道ガスと最初
の中間流体との間で熱を伝達させる一次の手段を通して
高温の煙道ガスと最初の中間流体温度を有する最初の中
間流体とを流す、（ｃ）冷却された中間流体を生じさせ
るために高温の中間流体が酸化剤または燃料または酸化
剤および燃料の両方と熱を交換する高温の中間流体の経
路と酸化剤のための酸化剤経路と燃料のための燃料経路
とを有するとともに高温の煙道ガスの主たる源を生じさ
せる１または複数の酸化剤燃料のバーナーを通して高温
の中間流体を流すことによって燃料、酸化剤または両方
に高温の中間流体から熱を伝達させる、各工程を含むこ
とを特徴とする方法である。
【００３２】中間流体の同じ温度において燃料および酸
化剤が中間流体と熱を交換する態様に、これらの方法は
厳密に限られるものではないということを、本明細書に
おける記載から理解しなければならない。高温の中間流
体を最初に酸化剤と接触させてより低い温度を有する中
間流体を生じさせ、続いてこのより低い温度の中間流体
の熱を燃料と交換することが好ましい態様もある。さら
に、前述したように、高温の中間流体が酸化剤、燃料ま
たは両方と混合し得ることが考慮された態様もある。
【００３３】本発明の他の側面は、側方から火を入れる
炉（ｆｕｒｎａｃｅ ｆｉｒｅｄｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓ
ｉｄｅ）に関係する。本発明のこの側面は、複数の酸化
剤燃料バーナーを使用するような炉において熱を回収す
る方法であって、（ａ）炉の第１の側にバーナーの第１
の部分が取付けられ炉の反対の側にバーナーの第２の部
分が取付けられた側方に取付けられた（ｓｉｄｅ−ｍｏ
ｕｎｔｅｄ）複数のバーナー内で酸化剤とともに燃料を
燃焼させることによって高温の煙道ガスの主たる流れを
生じさせる、（ｂ）最初の温度（約１０００℃ないし約
１７００℃の温度であることが好ましい）において煙道
の煙出し（ｓｔａｃｋ）を通して高温の煙道ガスを流
す、（ｃ）高温の中間流体を生じさせるために熱を伝達
させる一次の手段（輻射の（ｒａｄｉａｔｉｖｅ）金属
製の換熱器が好ましい）を通して最初の中間流体温度を
有する最初の中間流体（約２５℃の周囲温度における空
気であることが好ましい）を流すことで最初の中間流体
を（好ましくは約５００ないし約９００℃の温度まで）
予熱する、（ｄ）高温の中間流体の流れを炉の第１の側
へ流れる第１の流れおよび炉の反対の側へ流れる第２の
流れの２つの流れに分割し、該炉の第１および反対の側
のそれぞれには複数の酸化剤予熱器および複数の燃料予
熱器および複数のバーナーのための位置があり（酸化剤
予熱器の数はバーナーの数よりも少ない方が好ましく、
燃料予熱器の数はバーナーの数よりも少ない方が好まし
く、バーナーは酸化剤および燃料の予熱器の数を減らす
ために組ごとにグループにまとめられていることが好ま
しい）、（ｅ）冷却された中間流体の第１および第２の
流れならびに加熱された酸化剤の複数の流れ（加熱され
た酸化剤は約４００ないし約８００℃の温度を有するこ
とが好ましい）を生じさせるために直列の１または複数
の酸化剤予熱器（金属またはセラミックであることが好
ましい）を通して高温の中間流体の第１および第２の流
れのそれぞれを流す、（ｆ）低温の中間流体および複数
の加熱された燃料の流れを生じさせるために（燃料を約
２００ないし約３００℃の温度まで加熱することが好ま
しい）やはり直列に設置された燃料予熱器を通して冷却
された中間流体を流す、（ｇ）高温の燃料ガスの主たる
流れを生じさせるために加熱された酸化剤および加熱さ
れた燃料の流れをバーナーの数に等しい量の流れに分割
することで燃料を炉内で燃焼させる各工程を含むことを
特徴とする方法である。
【００３４】また、本発明の他の側面は一方の端から火
を入れる炉（ｆｕｒｎａｃｅ ｆｉｒｅｄ ｆｒｏｍ
ｏｎｅ ｅｎｄ）に関係する。本発明のこの側面は、こ
のような炉内において有効な熱を回収する方法であっ
て、（ａ）端から火を入れる炉（ｅｎｄ−ｆｉｒｅｄ
ｆｕｒｎａｃｅ）の一方の端に位置し装填材料にエネル
ギーの主たる部分を供給する一次の酸化剤燃料バーナ
ー、および端から火を入れる炉内の燃焼帯をより良くカ
バーするために一般に一次のバーナーの反対に位置する
１または複数の追加の通常の酸化剤燃料バーナー内にお
いて燃料を燃焼させる、（ｂ）最初の温度（約１０００
℃ないし約１７００℃の温度であることが好ましい）に
おいて煙出しを通して高温の煙道ガスを流す、（ｃ）高
温の中間流体を生じさせるために熱を伝達させる一次の
手段（輻射の金属製の換熱器であることが好ましい）を
通して最初の中間流体温度を有する最初の中間流体（約
２５℃の周囲温度における空気であることが好ましい）
を流すことで最初の中間流体を（好ましくは約５００な
いし約９００℃の温度まで）予熱する、（ｄ）第１の冷
却された中間流体および予熱された酸化剤を生成するた
めに酸化剤予熱器に高温の中間流体を流す、（ｅ）第１
の冷却された中間流体よりも低い温度を有する第２の冷
却された中間流体および加熱された燃料を生成するため
に（約３００℃の温度において煙出しに第２の冷却され
た中間流体を流すことが好ましい）燃料予熱器に冷却さ
れた中間流体を流す、（ｆ）通常のバーナーも高温の煙
道ガスに寄与しながら炉を出て行く高温の煙道ガスの主
たる部分を生じさせるために一次の酸化剤燃料バーナー
に加熱された酸化剤および加熱された燃料の流れを流す
各工程を含むことを特徴とする方法である。
【００３５】さらに、本発明の別の側面は、やはり一方
の端から火を入れる炉内において熱を回収することに関
し、この側面はこのような炉から熱を回収する第１の方
法と同様であるが、この炉は複数の一次のバーナー（典
型的には２つ）を有し、高温の中間流体は熱を伝達する
一次の手段を出た後に複数の流れに分割されて、複数の
酸化剤予熱器に、そして複数の燃料予熱器に輸送され
る。
【００３６】本発明のさらなる利点および側面は、以下
の説明および請求項を吟味することによって明らかにな
る。
【００３７】
【発明の実施の形態】本発明の装置は少なくとも以下の
３つの部材を備えている。第１の部材は、炉の煙道の煙
出し内に配置されているか、または少なくとも煙道ガス
と接触している一次の熱伝達手段である。典型的な市販
の炉においては、運転中の煙道ガスは典型的にまた好ま
しくは高温であり、約１０００℃ないし約１７００℃の
温度を有している。ガラス工業において見られるような
いくつかのプロセスにおいては、高温の煙道ガスはしば
しば粒子、またはＳＯ2 、ＮＯx 、ＣＯのような有毒な
種、および未燃焼の炭化水素を運ぶ。また、煙道ガス
は、揮発性の形態のＮａＯＨ、硫酸塩、硼酸塩などのよ
うな腐食性の要素も含み得る。
【００３８】一次の熱伝達手段は、上記の範囲の温度に
耐えることができなければならない。好ましくは、イン
コネル６００、ハステロイなどのような耐熱性の金属、
またはセラミック材料が模範的である。一次の熱伝達手
段にとって好適な他の材料には、セラミックがコートさ
れた金属のような金属とセラミックの材料の複合材料が
含まれる。
【００３９】前述したように、一次の熱伝達手段は、酸
化剤または燃料または両方へ煙道ガスからいくらかの熱
を伝達させるために、中間流体を使用する。中間流体
は、きれいで、非毒性で、また不燃性であることが好ま
しい。さらに、中間流体は、熱伝達手段において高温の
煙道ガスによって約８００ないし１６００℃まで加熱す
ることが可能でなくてはならない。中間流体は、空気、
窒素、二酸化炭素、水蒸気などのような気体を含んでい
ることが好ましい。他の好ましい中間流体としては、
水、グリコールなどでこれらの混合物を含む液体を含ん
でいることが好ましい。本発明において使用する中間流
体としては、空気が特に好ましい。
【００４０】本発明の装置の第２の部材は、燃料、酸化
剤または両方と熱を交換するために、燃料バーナーの周
辺へ高温の中間流体を輸送する輸送手段である。このよ
うに、炉のバーナーに火を入れるために用いる酸化剤ま
たは燃料に高温の煙道ガスは接触しないことが好まし
い。煙道ガス中に一般に見出される粒子、腐食性ガス、
および揮発性要素が、酸化剤、燃料またはバーナーそれ
自体を汚染することがなく、また輸送手段を汚染するこ
とがないため、このことは特に有利である。
【００４１】熱輸送手段は、典型的にまた好ましくは、
耐熱性金属に沿って内部で並べられ得る炭素鋼パイプで
ある。エキゾティック（ｅｘｏｔｉｃ）な材料を使用す
ることは、エキゾティックな材料の費用のために、耐火
物に沿って内部で並べられ得る炭素鋼パイプほどには好
ましくはないが、インコネル６００、ハステロイ、およ
びステンレス鋼３１０のような、耐火物に沿って内部で
並べなくても良い他のさらにエキゾティックな金属材料
を使用することができる。輸送手段からの熱損失を最小
限にし、中間流体をその最初の高い温度にまたは実質的
にそれに近く維持するために、熱輸送手段の外側の表面
は絶縁されている。
【００４２】本発明の装置および方法の第３の特徴は、
予熱手段と組合わされた酸素燃料バーナーである。バー
ナーは、炎が炉内で形成されて炉の装填材料に熱を供給
するように、燃料（予熱されているかまたはされていな
い）および酸化剤（予熱されているかまたはされていな
い）を炉内へと噴出する手段を与える。予熱器は、もち
ろん、バーナーへ送られる酸化剤および／または燃料を
予熱する機能を持つ。これは、バーナー内部の他の手段
または仕切りを通して高温の中間流体が燃料または酸化
剤または両方と熱を伝達するような、バーナー内に組込
まれた（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）熱交換器によって、行
われる。その代わりにバーナー予熱器は、レンガまたは
セラミック球の床が高温の中間流体によって予熱され、
そして酸化剤または燃料がバーナーへ入る前にそれを予
熱するように酸化剤または燃料がそこを通って流れるよ
うにされるタイプであり得る。連続した動作のために酸
化剤または燃料の連続した流れがバーナーにおいて要求
されるときに、レンガまたはセラミック球の第２の床を
酸化剤または燃料のために与えることができる。バーナ
ー予熱器は、並列または直列であり得る。一連の態様に
おいて、高温で起こりうるわずかな燃料の熱分解（ｃｒ
ａｃｋｉｎｇ）も防止するために中間流体のより高温
（ｈｏｔｔｅｒ）の部分によって酸素または酸化剤を予
熱することが好ましい。バーナー内に組み込まれた熱交
換器によって燃料および酸化剤の両方が予熱され、バー
ナー内に組み込まれた予熱器によって燃料が予熱される
とともにレンガまたはセラミック球の床によって酸化剤
が予熱されるような構成が好ましい。
【００４３】重大な安全上の問題なしにバーナーが燃料
とともに高温の酸化剤を用いることができるためには、
主に高温の酸化剤を取扱うことに難しさがある。従っ
て、高温の酸素と接触する本発明の装置および方法にお
いて使用されるバーナーの部品は、高温の酸素または他
の酸化剤と共存する（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）材料で作
られていることが好ましい。これらの共存する材料は、
シリカ、アルミナ、アルミナ−ジルコニア−シリカ、ジ
ルコニアなどのような耐熱性の酸化物であることが好ま
しい。その代わりに、高温の酸素を使用しても燃焼しな
いセラミック金属合金を用いることができる。高温の酸
素にさらされる表面上のセラミック材料によって金属材
料をコーティングすることも、酸化剤燃料バーナーの構
造に使用することができる。
【００４４】本発明の好ましい態様においては、バーナ
ーは炉壁の一部を形成し得るか、またはバーナーは炉壁
の外部の別個のバーナーブロックであり得る。
【００４５】図面を参照して、本発明の他の側面および
様々なバーナーの態様がさらに理解される。
【００４６】図１は、本発明の装置の３つの主な部材を
示す概略的なプロセスフロー図である。すなわち、図１
は、一次の熱伝達手段２、一連のバーナー６へ一次の熱
伝達手段２から中間流体を輸送する輸送手段４を示して
いる。問題とする炉の煙道の煙出し内に配置されること
が好ましい一次の熱伝達手段２において、最初の温度を
有する中間流体１０の冷たい流れと並流の関係にあるこ
とが好ましい交換器２を通して、高温の煙道ガス８を供
給する。一次の熱伝達手段２には、向流または直交流
（ｃｒｏｓｓ ｆｌｏｗ）熱交換形式も可能である。中
間流体の流れ１０は、一次熱伝達手段２内の煙道ガスと
熱を交換する。高温の中間流体１２として中間流体は一
次の熱伝達手段２を退出する。次に、冷たい燃料１４と
冷たい酸化剤１６が予熱器へと入るバーナー予熱器２０
に、輸送手段４によって高温の中間流体１２が輸送され
る。別個の予熱器２０ａおよび２０ｂがさらに表示され
てそこにあることが好ましい。また、図１は、バーナー
６自身および炉壁１８を示す。
【００４７】図２は、本発明に係る好ましい有効なバー
ナーの一つを示す。ここでは、冷たい燃料ガス１４がバ
ーナーに入る燃料ガス入口が与えられ、また、冷たい酸
化剤１６がバーナーに入る酸化剤入口が与えられてい
る。バーナーと一体である予熱器内において高温の中間
流体１２は燃料ガス１４と熱を交換する一方で、バーナ
ーと一体である予熱器内において高温の中間流体は冷た
い酸化剤の流れ１６とも熱を交換する。暖かい燃料およ
び酸化剤は別個にバーナーの出口へ輸送されて、炉壁１
８内に位置するバーナーブロック６’を通して炉内に放
出される。
【００４８】図３ａは、バーナー予熱器２０ａおよび２
０ｂが高温の中間流体１２、冷たい燃料１４および冷た
い酸化剤１６の流れに対して並列な関係に配置されてい
る態様を示す。予熱器２０ａは暖かい燃料の流れ１４’
および冷たい（ｗａｒｍ）中間の流れ１０ａを生じさせ
る。同様に、バーナー予熱器２０ｂは暖かい酸化剤の流
れ１６’および冷たい中間の流れ１０ｂを生じさせる。
【００４９】図３ｂは、高温の中間流体１２の流れに対
して直列な流れに配置されている２つのバーナー予熱器
２０ａおよび２０ｂの概略的なプロセスフロー図を示
す。すなわち、高温の中間流体１２はバーナーバーナー
予熱器２０ａに入って最初に冷たい酸化剤の流れ１６と
熱を交換して、暖かい酸化剤の流れ１６’を生成する。
酸化剤と熱を交換したのち、より冷たい中間流体の流れ
１２’は輸送手段４を通って第２のバーナー予熱器２０
ｂ内に流れていき、その結果、高温の中間流体は冷たい
燃料の流れ１４と熱を交換して暖かい燃料の流れ１４’
を生成する。次に、暖かい中間の流れ１０は前述の煙道
ガス交換器に戻る。
【００５０】図４は、炉壁１８内に配置された燃料噴出
器８および酸化剤噴出器７を通して高温の酸化剤１６’
および高温の燃料１４’が炉内に別個に注入される、本
発明での有効なバーナーを示す。１９９７年１月２２日
に公開された公開された欧州特許出願第0754,914号に、
本発明の別の有効なバーナーが示されている。
【００５１】図５は、以下のようにして使用することが
可能なバーナー６ならびに複（ｄｕａｌ）予熱器２０ａ
および２０ｂの概略的なプロセスフロー図を示す。完全
に開または完全に閉で動作することが好ましい流れ調整
装置３０ａないし３０ｈのポジションに依存して、冷た
い酸化剤１６は予熱器２０ａまたは２０ｂのどちらかに
入る。例えば、流れ調整装置３０ｅが閉で流れ調整装置
３０ｆが開であるとともに、流れ調整装置３０ａ、３０
ｂおよび３０ｄが閉で、流れ調整装置３０ｇ、３０ｃお
よび３０ｈが開であれば、冷たい酸化剤１６の流れは複
数のセラミック球２４によって満たされている床２０ａ
に入ることが可能である。この場合、暖かい酸化剤１
６’がバーナー６に入ることが可能となる。その代わり
に、流れ調整装置３０ｆが閉で流れ調整装置３０ｅが開
であるとともに、流れ調整装置３０ａ、３０ｂおよび３
０ｄが開で、流れ調整装置３０ｃ、３０ｇおよび３０ｈ
が閉であっても良く、その結果、冷たい酸化剤の流れ１
６が床２０ｂに入ることが可能となり、バーナー６に入
ることが可能な暖かい酸化剤の流れ１６’を生じさせ
る。もちろん、中間流体が好ましくはガス状の窒素のよ
うな不活性流体であるとすれば、冷たい燃料の流れ１４
に対しても同様の配置を思い描くことが可能である。こ
の場合、運転コストを下げるために不活性の中間流体は
再循環されることが好ましい。メタンまたは他のいくつ
かの燃料とともにＯ2 を燃焼させることによって中間流
体内の酸素を消費することで、さらに別の不活性中間流
体を生成することが可能である。その結果、複数の燃焼
生成物が一次の熱伝達手段内でさらに加熱されて中間熱
伝達流体として使用されることになる。図５に示した装
置を使用して、床２０ｂが高温の中間流体の流れ１２を
用いて再生されている間、床２０ａは酸化剤の流れを予
熱するために動作していることが可能である。調整装置
はバルブまたは流体の流れ調整器であっても良い。
【００５２】図６は、バーナーおよびバーナー予熱手段
が実際に炉壁の一部を形成する態様を示す。すなわち、
最初に燃料１４の冷たい流れが炉壁１８を通って高温の
中間流体の流れ１２と並流で接触することを可能にする
炉壁１８が示されている。さらに、冷たい酸化剤の流れ
１６が高温の中間流体の流れ１２と向流で熱を交換し
て、暖かい酸化剤の流れ１６’を形成する。
【００５３】
【実施例】以下の実施例は単に本発明を示すためだけの
ものであり、本発明を限定するものではない。
【００５４】（実施例１）ガラス工業において使用され
る炉の煙道ガスからの廃熱のいくらかを回収するため
に、本発明の装置の一つは提案される。炉の引き抜き速
度（ｐｕｌｌ ｒａｔｅ）としては、一日あたり２５０
メートルトンのソーダ石灰ガラスに等しいと仮定する。
炉の中へ周囲温度にて５５重量％のカレットおよび４５
重量％のバッチ混合物を装填する。このガラスを合成
（ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）する熱はメートルトンあた
り５７５ｋＷｈであったが、これは、バッチ中に含まれ
る水分を蒸発させるのに必要なエネルギー、バッチ中で
の化学反応のエンタルピー、１４００℃での溶融ガラス
のエンタルピーを説明する。図７は炉の実例であり、６
ａ、６ｂ、６ｃなどの各バーナーへ高温の中間流体１２
が輸送される（図では３つのバーナーのみが示されてい
る）。以下に説明するように、各バーナー６内で燃料１
４（ここでは天然ガス）および酸化剤１６が予熱され
る。一次の熱伝達手段２内で中間流体（空気）１０の流
れを暖めるために高温の煙道ガス８が用いられた（図
８）。炉の一方の側のバーナーの組および炉の他方の側
のバーナーの組に供給するために、炉で高温の空気の流
れ１２が分割された（再び、簡単にするために、図７で
は３つのバーナーのみが示されている）。図９は、輸送
手段４の一部を断面で示す。この態様において、輸送手
段４は、高温の中間流体１２を輸送する間の熱損失を減
少させるために絶縁材料２７によって覆われ耐熱性材料
２８に沿って並べられた炭素鋼パイプ２６である。
【００５５】バーナーへ供給される酸化剤のモル組成
（ｍｏｌａｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、真空スウ
ィング（ｖａｃｕｕｍ ｓｗｉｎｇ）吸着酸素プラント
の生成物であり、９０％O2 、５％Ｎ2 および５％アル
ゴンである。燃料は１０．５５ｋＷｈ／Ｎｍ3 の熱含量
を有する天然ガスである。炉内のバッチの化学分解およ
び材料の湿度のために溶融ガラスのメートルトンあたり
４１％の水および５９％のＣＯ2 から構成されるガス混
合物の６９．６Ｎｍ3 を、バッチおよびカレット材料は
放出する。ポート、クラウン（ｃｒｏｗｎ）および壁を
通る損失の総計は、３３００ｋＷに等しい。
【００５６】研究されたすべてのケースについて、煙道
ガスの温度は１４２０℃に等しいと仮定している。ま
た、燃料を完全に燃焼させるのに必要な５％の分子酸素
は空気浸入から来ており、乾燥量基準で（ｏｎ ａ ｄ
ｒｙ ｂａｓｉｓ）測定した２％の酸素を煙道ガスは含
んでいると仮定している。
【００５７】酸化剤および天然ガスの両方は室温（２５
℃）でバーナーへ供給されていると仮定して、基礎計算
を行った。対応する必要な燃料エネルギーは１０，１８
０ｋＷであった。対応する純粋酸素の消費量は一日あた
り８３．７メートルトンであった。
【００５８】熱交換器、流体予熱器および温度のレベル
に依存して、前述の炉の構成に対する本発明の装置から
期待することができる燃料および酸化剤の節約を、以下
の３つの実施例は示している。
【００５９】（実施例２）一番めのケースにおいては、
冷たい中間流体としての３１５０Ｎｍ3 の空気を２５℃
から１１００℃へ予熱するために使用される一次の熱伝
達手段として機能するあるセラミック熱交換器媒体によ
って、煙道ガスのエネルギーは部分的に回収される。一
次の熱伝達手段の出口での煙道ガスの温度は８５０℃に
等しい。バーナーへ高度に絶縁されたパイプを通して高
温の中間流体が輸送されており、熱損失を無視できると
仮定できる。直列に設置された高温の熱交換器（予熱
器）の組を通して高温の中間流体が流れる。炉内に設置
されたバーナーと同じ数の組の熱交換器がある。それぞ
れのバーナーにたいして、まず酸素が１０００℃まで予
熱され、次に天然ガスが２５０℃まで予熱される。中間
流体は第２の熱交換器を２１０℃で出て行く。一日あた
り２５０メートルトンのガラスを製造するのに必要な燃
料は９０８０ｋＷに下がり、これは１０．８％の燃料の
節約および酸素消費量の同等の減少に対応する。
【００６０】（実施例３）二番目のケースにおいては、
現在の従来技術のために温度の下限を課している一次の
熱伝達手段として機能するある金属の熱交換器媒体によ
って、中間流体としての３１５０Ｎｍ3 の空気は７００
℃にのみ予熱される。煙道ガスは熱交換器媒体を１０４
０℃で出て行く。この実施例に対しても、高温の中間流
体を輸送する手段内での熱損失は無視される。再び、炉
内に設置された各バーナーに対して、酸化剤および天然
ガス燃料を予熱するために熱交換器（予熱器）の組が直
列の構成で設置されている。中間流体を３００℃まで冷
却することによって、酸素を６００℃まで予熱すること
ができ、天然ガスを２６０℃まで予熱することができ
る。必要な燃料は９，４６７ｋＷまで下がり、これは燃
料および酸素の７．０％の節約に対応する。
【００６１】（実施例４）この実施例は実施例３に似て
いるが、バーナーでの熱交換器（予熱器）は並列に配置
されている。４２００Ｎｍ3 の中間流体は約７００℃に
予熱されて、何ら著しい熱損失もなくバーナーに輸送さ
れ、そして各バーナーにおいて流れは分割される。中間
流体が２８０℃に冷却される間に、酸化剤および天然ガ
スの両方は６００℃に予熱される。ここでの必要な燃料
は９、１８２ｋＷであり、これは９．８％の燃料および
酸化剤の消費量の節約につながる。
【００６２】可能な炉の構成を議論している以下の実施
例において、本発明の創造的な装置を使用する方法が説
明されている。
【００６３】（実施例５）最初の構成は、例えば１２の
酸化剤燃料バーナーを使用する側から火を入れる炉（ｓ
ｉｄｅ ｆｉｒｅｄ ｆｕｒｎａｃｅ）内において、使
用することができる（図１０）。この燃焼させる構成
は、ガラス工業での酸化剤燃料燃焼炉として最も良く知
られているものである。この実施例において、数値は説
明の目的のためだけに与えられており、本発明の装置を
使用する方法においては異なる温度レベルを使用するこ
とが可能である。煙道ガス８は約１４２０℃で煙出し４
５を通って炉を出て行く。冷たい中間流体である空気１
０は、輻射の金属の換熱器３３を通って循環ファン３２
によって排出され、約７００℃に予熱される。より冷た
い煙道ガス２２は、その後、約１０００℃のより低い温
度において処理することができる。高温の中間流体の流
量は炉のそれぞれの側へ分割されて流れ１２ａおよび１
２ｂになる。この特定の態様においては、酸化剤および
燃料予熱器の数を減らすために、炉のそれぞれの側のバ
ーナーは組ごとのグループにまとめられている。炉のそ
れぞれの側に位置するバーナーを用いて、バーナーの他
のグループを形成することができる。この配置におい
て、それぞれの側の６つのバーナー（４３）に対して、
３つの酸素予熱器（３５）および３つの天然ガス予熱器
（３６）があるだけである。直列に設置された３つの天
然ガス予熱器を通ってより冷たい中間流体３７が流れる
前に、直列の３つの酸化剤予熱器（金属もしくはセラミ
ック）を通って高温の中間流体１２ａが流れる。冷たい
酸化剤１６および冷たい燃料１４は、それぞれ約６００
℃および約２６０℃に予熱される。高温の酸化剤および
高温の燃料１６’および１４’は、２つのバーナー４３
ａおよび４３ｂの間で分割されて、約１４２０℃で煙道
ガス８をある程度生じさせた炉内において燃焼させられ
る。冷たい中間流体３８は６番目の熱交換器を出て、約
３００℃で煙出しへと排出される。
【００６４】（実施例６）２番目の構成（図１１）は、
例えばエネルギーの主要部を供給する唯一の大きな酸素
バーナー（ｏｘｙ−ｂｕｒｎｅｒ）４３、ならびに燃焼
帯をより良くカバーするためのいくつかの追加の通常の
酸素燃料バーナー４７ａおよび４７ｂを有する端から火
を入れる炉内において、使用することができる。再び、
この実施例において、数値は説明の目的のためだけに与
えられており、本発明の装置を使用する方法においては
異なる温度レベルを使用することが可能である。この構
成は、中間流体、酸素および燃料の高温流体を管で送る
ことを最小にしている。冷たい中間流体である空気３１
は、煙出し４５によって約１４２０℃で炉を出て行く燃
焼ガス４４によって輻射の（例えば）金属の換熱器３３
内において約７００℃まで予熱される前に、循環ファン
３２を通過する。冷却された炉の排気４６は、その後に
処理または排出することができる。次に、高温の中間流
体３４は、直列の２つの熱交換器３５および３６を（そ
れぞれ）通って流れることにより、冷たい酸化剤３９お
よび冷たい天然ガス４０を予熱する。冷たい中間流体３
８は約３００℃で煙出しへと流れる。高温のガス、つま
り約６００℃の酸素４１および約２６０℃の天然ガス４
２がバーナー４３内で燃焼させられることで、炉を出て
行く約１４２０℃の煙道ガス４４が生じる（バーナー４
７ａおよび４７ｂも煙道ガスに寄与する）。
【００６５】（実施例７）３番目の構成（図１２）は、
２つの大きな酸素ガスバーナー（ｏｘｙ−ｇａｓｂｕｒ
ｎｅｒｓ）のみを有する端から火を入れる炉内におい
て、使用することができる。この解は、高温の流体、つ
まり中間流体、酸素および天然ガスを管で送ることを制
限している。再び、この実施例において、数値は説明の
目的のためだけに与えられており、本発明の装置を使用
する方法においては異なる温度レベルを使用することが
可能である。冷たい中間流体である空気３１は、約１４
２０℃で炉を出て行く煙道ガス４４によって金属の輻射
の換熱器３３内において予熱される前に、循環ファン３
２を通って排出される。次に、より冷たい排気４６は煙
道ガス処理へと行くか、または約１０００℃で煙出しを
通って排出される。高温の中間流体は炉のそれぞれの側
へ分割されて約７００℃の流れ３４ａおよび３４ｂにな
る。高温の流れ３４ａが直列の熱交換器３５および３６
を通って流れることで、最初に冷たい酸素３９を予熱
し、次に冷たい天然ガス４０を予熱する。次に、冷たい
中間流体３８が約３００℃で排出される。約６００℃の
高温の酸素４１および約２６０℃の高温の天然ガス４２
がバーナー４３ａ内で燃焼させられることで、煙道ガス
４４が生じる。煙出し４５を通って炉を出て行く煙道ガ
ス４４に対して、他の高温の流体のバーナー４３ｂなら
びに燃焼バーナー４７ａおよび４７ｂも寄与している。
【００６６】特定の態様について参照してきたがこれら
は説明するためだけのものであり、当該技術に精通した
者が請求項の範囲を逸脱することなくこのような態様を
変更することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法および装置を示す概略的なプロセ
スフロー図。
【図２】本発明に係る一つの好ましいバーナーを示す
図。
【図３】高温の中間流体および酸化剤および燃料の間に
ある並列および直列の熱交換を示す概略的なプロセスフ
ロー図。
【図４】本発明に係る一つの好ましいバーナーを示す
図。
【図５】２つの再生の熱交換器を使用する本発明の方法
および装置を示す概略的なプロセスフロー図。
【図６】本発明において有用な第１の一体化された壁／
バーナー／熱交換器を示す概略的なプロセスフロー図。
【図７】ガラス製造工業において使用される典型的な炉
を示す平面図。
【図８】本発明において使用する冷たい中間流体および
高温の煙道ガスの間で熱を交換する熱交換手段を示す概
略的なプロセスフロー図。
【図９】高温の空気を中間流体として使用するときに一
連のバーナーへ輸送する（ｈｅａｔｉｎｇ）ための本発
明において有用なマニフォールドを示す概略的なプロセ
スフロー図。
【図１０】一例として側方から火を入れるタイプのガラ
ス炉に適用された本発明の装置を用いる方法を示す概略
的なプロセスフロー図。
【図１１】一つの予熱された酸素燃料バーナーを使用す
る端から火を入れるタイプのガラス炉を示す概略的なプ
ロセスフロー図。
【図１２】２つの予熱された酸素燃料バーナーを使用す
る端から火を入れるイプのガラス炉を示す概略的なプロ
セスフロー図。
【符号の説明】
２…一次の熱伝達手段 ４…輸送手段 ６、４３、４７…バーナー ６’…バーナーブロック ８、４４…煙道ガス １０、１２、３１、３４、３７、３８…中間流体 １４、４０、４２…燃料 １６、３９、４１…酸化剤 １８…炉壁 ２０、３５、３６…予熱器 ２４…セラミック球 ２６…炭素鋼パイプ ２７…絶縁材料 ２８…耐熱性材料 ３０…流れ調整装置 ３２…循環ファン ３３…換熱器 ４４…炉 ４５…煙出し ４６…排気
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファビアン・エス・イリー アメリカ合衆国、イリノイ州 60458、ジ ャスティス、サウス・エイティセブンス・ アベニュー 8659 (72)発明者 エリック・エル・デュシャトー アメリカ合衆国、イリノイ州 60514、ク ラレンドン・ヒルズ、コー・ロード 211

Claims (43)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高温の煙道ガスから熱を回収するために
    好適な装置であって、 （ａ）高温の中間流体を生じさせ高温の煙道ガスを冷却
    するために高温の煙道ガス温度を有する高温の煙道ガス
    と高温の煙道ガス温度を下回る最初の中間流体温度を有
    する最初の中間流体との間で熱を伝達させる少なくとも
    １つの一次の手段と、 （ｂ）冷却された中間流体を生じさせるために燃料また
    は酸化剤を高温の中間流体によって予熱する予熱手段を
    伴い高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせる１または
    複数の酸化剤燃料のバーナーと、 （ｃ）少なくとも１つの予熱手段に高温の中間流体を輸
    送するための輸送手段とを具備することを特徴とする装
    置。
  2. 【請求項２】 高温の煙道ガスが導管の外側に接触し中
    間流体が導管の中を通って流れるように煙道ガスダクト
    内に位置する導管を該一次の熱伝達手段が具備すること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 高温の煙道ガスが導管の内側に接触し中
    間流体が導管の中を通って流れるように煙道ガスダクト
    内に位置する導管を該一次の熱伝達手段が具備すること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 高温の煙道ガスおよび中間流体の流路を
    規定する複数のセラミック通路を備える熱交換器を該一
    次の熱伝達手段が具備することを特徴とする請求項１記
    載の装置。
  5. 【請求項５】 内部で並べられた炭素鋼パイプを該輸送
    手段が具備し、該炭素鋼パイプはセラミック材料に沿っ
    て内部で並べられていることを特徴とする請求項１記載
    の装置。
  6. 【請求項６】 該予熱手段がセラミック要素を具備する
    ことを特徴とする請求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】 該予熱手段がニッケルを基礎とする要素
    を具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 該セラミック要素の形状が球状であるこ
    とを特徴とする請求項６記載の装置。
  9. 【請求項９】 該バーナーがセラミック要素を具備する
    ことを特徴とする請求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 該予熱手段が該バーナーと一体である
    ことを特徴とする請求項１記載の装置。
  11. 【請求項１１】 高温の煙道ガスから熱を回収するため
    に好適な装置であって、 （ａ）高温の中間流体を生じさせ高温の煙道ガスを冷却
    するために高温の煙道ガス温度を有する高温の煙道ガス
    と高温の煙道ガス温度を下回る最初の中間流体温度を有
    する最初の中間流体との間で熱を伝達させる少なくとも
    １つの一次の手段と、 （ｂ）冷却された中間流体を生じさせるために高温の中
    間流体が酸化剤または燃料または酸化剤および燃料の両
    方と熱を交換する高温の中間流体の経路と酸化剤のため
    の酸化剤経路と燃料のための燃料経路とを有するととも
    に高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせる１または複
    数の酸化剤燃料のバーナーと、 （ｃ）酸化剤燃料バーナーに高温の中間流体を輸送する
    ための輸送手段とを具備することを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 高温の煙道ガスが導管の外側に接触し
    中間流体が導管の中を通って流れるように煙道ガスダク
    ト内に位置する導管を該一次の熱伝達手段が具備するこ
    とを特徴とする請求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 高温の煙道ガスが導管の内側に接触し
    中間流体が導管の中を通って流れるように煙道ガスダク
    ト内に位置する導管を該一次の熱伝達手段が具備するこ
    とを特徴とする請求項１１記載の装置。
  14. 【請求項１４】 高温の煙道ガスおよび中間流体の流路
    を規定する複数のセラミック通路を備える熱交換器を該
    一次の熱伝達手段が具備することを特徴とする請求項１
    １記載の装置。
  15. 【請求項１５】 内部で並べられた炭素鋼パイプを該輸
    送手段が具備し、該炭素鋼パイプはセラミック材料に沿
    って内部で並べられていることを特徴とする請求項１１
    記載の装置。
  16. 【請求項１６】 炉壁を通る穴によって該経路が規定さ
    れていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
  17. 【請求項１７】 バーナーブロックを通る穴によって該
    経路が規定され、該バーナーブロックは炉壁内に位置す
    ることを特徴とする請求項１１記載の装置。
  18. 【請求項１８】 高温の煙道ガスから熱を回収するため
    の方法であって、 （ａ）高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせるために
    １または複数の酸化剤燃料バーナー内で酸化剤とともに
    燃料を燃焼させ、高温の煙道ガスを形成するために該高
    温の煙道ガスの主たる流れを他の燃焼生成物およびプロ
    セスガスと混合する、 （ｂ）高温の中間流体を生じさせるために高温の煙道ガ
    スと最初の中間流体との間で熱を伝達させる一次の手段
    を通して高温の煙道ガスと最初の中間流体温度を有する
    最初の中間流体とを流す、 （ｃ）該高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせる１ま
    たは複数の酸化剤燃料バーナーに燃料および酸化剤が入
    る前に高温の中間流体によって燃料、酸化剤、または両
    方を予熱する１または複数の予熱手段を通して高温の中
    間流体を流すことによって燃料、酸化剤または両方に高
    温の中間流体から熱を伝達させる各工程を含むことを特
    徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 該中間流体が気体であることを特徴と
    する請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 該気体が、空気、水蒸気、二酸化炭
    素、窒素、ならびに燃料および酸化剤を燃焼させること
    によって発生するガスからなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 該気体が空気であることを特徴とする
    請求項２０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 該中間流体が液体であることを特徴と
    する請求項１８記載の方法。
  23. 【請求項２３】 燃料を酸化剤とともに燃焼させること
    により生じる高温の煙道ガスから熱を回収する方法であ
    って、 （ａ）高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせるために
    １または複数の酸化剤燃料バーナー内で酸化剤とともに
    燃料を燃焼させ、高温の煙道ガスを形成するために該高
    温の煙道ガスの主たる流れを他の燃焼生成物およびプロ
    セスガスと混合する、 （ｂ）高温の中間流体を生じさせるために高温の煙道ガ
    スと最初の中間流体との間で熱を伝達させる一次の手段
    を通して高温の煙道ガスと最初の中間流体温度を有する
    最初の中間流体とを流す、 （ｃ）冷却された中間流体を生じさせるために高温の中
    間流体が酸化剤または燃料または酸化剤および燃料の両
    方と熱を交換する高温の中間流体の経路と酸化剤のため
    の酸化剤経路と燃料のための燃料経路とを有するととも
    に高温の煙道ガスの主たる源を生じさせる１または複数
    の酸化剤燃料のバーナーを通して高温の中間流体を流す
    ことによって燃料、酸化剤または両方に高温の中間流体
    から熱を伝達させる各工程を含むことを特徴とする方
    法。
  24. 【請求項２４】 該中間流体が気体であることを特徴と
    する請求項２３記載の方法。
  25. 【請求項２５】 該気体が、空気、水蒸気、二酸化炭
    素、窒素、ならびに燃料および酸化剤を燃焼させること
    によって発生するガスからなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項２４記載の方法。
  26. 【請求項２６】 該気体が空気であることを特徴とする
    請求項２５記載の方法。
  27. 【請求項２７】 該中間流体が液体であることを特徴と
    する請求項２３記載の方法。
  28. 【請求項２８】 複数の酸化剤燃料バーナーを使用する
    側から火を入れる炉において熱を回収する方法であっ
    て、 （ａ）炉の第１の側にバーナーの第１の部分が取付けら
    れ炉の反対の側にバーナーの第２の部分が取付けられた
    側方に取付けられた複数のバーナー内において燃焼する
    燃料からの燃焼生成物と酸化剤とを混合することによっ
    て高温の煙道ガスの主たる流れを生じさせ、高温の煙道
    ガスを形成するために該高温の煙道ガスの主たる流れを
    他の燃焼生成物およびプロセスガスと混合する、 （ｂ）最初の温度において煙道の煙出しを通して高温の
    煙道ガスを流す、 （ｃ）高温の中間流体を生じさせるために最初の中間流
    体を予熱するために熱を伝達させる一次の手段を通して
    最初の中間流体温度を有する最初の中間流体を流す、 （ｄ）高温の中間流体の流れを炉の第１の側へ流れる第
    １の流れおよび炉の反対の側へ流れる第２の流れの２つ
    の流れに分割し、該炉の第１および反対の側のそれぞれ
    には複数の酸化剤予熱器および複数の燃料予熱器および
    複数のバーナーのための位置があり、 （ｅ）冷却された中間流体の第１および第２の流れなら
    びに加熱された酸化剤の複数の流れを生じさせるために
    直列の１または複数の酸化剤予熱器を通して高温の中間
    流体の第１および第２の流れのそれぞれを流す、 （ｆ）低温の中間流体の流れおよび複数の加熱された燃
    料の流れを生じさせるためにやはり直列に設置された燃
    料予熱器を通して冷却された中間流体を流す、 （ｇ）高温の燃料ガスの主たる流れを生じさせるために
    加熱された酸化剤および加熱された燃料の流れをバーナ
    ーの数に等しい量の流れに分割することで燃料を炉内で
    燃焼させる各工程を含むことを特徴とする方法。
  29. 【請求項２９】 該中間流体が気体であることを特徴と
    する請求項２８記載の方法。
  30. 【請求項３０】 該気体が、空気、水蒸気、二酸化炭
    素、窒素、ならびに燃料および酸化剤を燃焼させること
    によって発生するガスからなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項２９記載の方法。
  31. 【請求項３１】 該気体が空気であることを特徴とする
    請求項３０記載の方法。
  32. 【請求項３２】 該中間流体が液体であることを特徴と
    する請求項２８記載の方法。
  33. 【請求項３３】 主に一方の端から火を入れる炉内にお
    いて有効な熱を回収する方法であって、 （ａ）装填材料にエネルギーの主たる部分を供給する炉
    の一方の端に位置する一次の酸化剤燃料バーナー内、お
    よび炉内の装填材料により良く熱を伝達させるために一
    般に一次のバーナーの反対に位置する１または複数の追
    加の通常の酸化剤燃料バーナー内において燃料と酸化剤
    とを燃焼させることで高温の煙道ガスの主たる流れを生
    じさせ、高温の煙道ガスを形成するために該高温の煙道
    ガスの主たる流れを他の燃焼生成物およびプロセスガス
    と混合する、 （ｂ）最初の温度において煙道の煙出しを通して高温の
    煙道ガスを流す、 （ｃ）高温の中間流体を生じさせるために熱を伝達する
    一次の手段を通して最初の中間流体温度を有する最初の
    中間流体を流すことで最初の中間流体を予熱する、 （ｄ）第１の冷却された中間流体および予熱された酸化
    剤を生成するために酸化剤予熱器に高温の中間流体を流
    す、 （ｅ）第１の冷却された中間流体よりも低い温度を有す
    る第２の冷却された中間流体および加熱された燃料を生
    成するために燃料予熱器に冷却された中間流体を流す、 （ｆ）通常のバーナーも高温の煙道ガスに寄与しながら
    炉を出て行く高温の煙道ガスの主たる部分を生じさせる
    ために一次の酸化剤燃料バーナーに加熱された酸化剤お
    よび加熱された燃料の流れを流す各工程を含むことを特
    徴とする方法。
  34. 【請求項３４】 該中間流体が気体であることを特徴と
    する請求項３３記載の方法。
  35. 【請求項３５】 該気体が、空気、水蒸気、二酸化炭
    素、窒素、ならびに燃料および酸化剤を燃焼させること
    によって発生するガスからなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項３４記載の方法。
  36. 【請求項３６】 該気体が空気であることを特徴とする
    請求項３５記載の方法。
  37. 【請求項３７】 該中間流体が液体であることを特徴と
    する請求項３３記載の方法。
  38. 【請求項３８】 主に一方の端から火を入れる炉内にお
    いて有効な熱を回収する方法であって、 （ａ）装填材料にエネルギーの主たる部分を供給する炉
    の一方の端に位置する複数の一次の酸化剤燃料バーナー
    内、および炉内の装填材料により良く熱を伝達させるた
    めに一般に一次のバーナーの反対に位置する１または複
    数の追加の通常の酸化剤燃料バーナー内において燃料と
    酸化剤とを燃焼させることで高温の煙道ガスの主たる流
    れを生じさせ、高温の煙道ガスを形成するために該高温
    の煙道ガスの主たる流れを他の燃焼生成物およびプロセ
    スガスと混合する、 （ｂ）最初の温度で煙道の煙出しを通して高温の煙道ガ
    スを流す、 （ｃ）高温の中間流体を生じさせるために熱を伝達する
    一次の手段を通して最初の中間流体温度を有する最初の
    中間流体を流すことで最初の中間流体を予熱する、 （ｄ）一次のバーナーの数と等しい複数の流れに高温の
    中間流体を分割する、 （ｅ）各バーナー用の予熱された酸化剤および第１の冷
    却された中間流体を生じさせるために各一次のバーナー
    を伴う酸化剤予熱器に高温の中間流体の流れのそれぞれ
    を流す、 （ｆ）第１の冷却された中間流体を下回る温度を有する
    第２の冷却された中間流体および加熱された燃料を生成
    するために各一次のバーナーを伴うそれぞれの燃料予熱
    器に冷却された中間流体の流れのそれぞれを流す、 （ｇ）通常のバーナーも高温の煙道ガスに寄与しながら
    炉を出て行く高温の煙道ガスの主たる部分を生じさせる
    ために各一次の酸化剤燃料バーナーのそれぞれに加熱さ
    れた酸化剤および加熱された燃料の流れを流す各工程を
    含むことを特徴とする方法。
  39. 【請求項３９】 該中間流体が気体であることを特徴と
    する請求項３８記載の方法。
  40. 【請求項４０】 該気体が、空気、水蒸気、二酸化炭
    素、窒素、ならびに燃料および酸化剤を燃焼させること
    によって発生するガスからなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項３９記載の方法。
  41. 【請求項４１】 該気体が空気であることを特徴とする
    請求項４０記載の方法。
  42. 【請求項４２】 該中間流体が液体であることを特徴と
    する請求項３８記載の方法。
  43. 【請求項４３】 燃焼プロセスからの高温の煙道ガスを
    冷却する方法であって、 （ａ）一次の熱伝達手段を通して高温の煙道ガスを流
    す、 （ｂ）熱を交換して高温の煙道ガスを冷却するために該
    一次の手段を通して最初の中間流体温度を有する最初の
    中間流体を流す、 （ｃ）煙道ガスを排出する前に処理手段に冷却された高
    温の煙道ガスを流す、 （ｄ）酸化剤および／または燃料および／または装填材
    料に熱を伝達するために適切な熱交換手段に高温の中間
    流体を流す各工程を含むことを特徴とする方法。
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