WO2023199910A1 - ガラス物品の製造方法 - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
- C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
- C03B5/235—Heating the glass
Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a glass article.
- the manufacturing process of glass articles includes a melting process in which glass raw materials are heated and melted in a melting furnace.
- a method is widely used in which glass raw materials are heated and melted in a melting furnace using a burner that burns fuel to form a flame (for example, Patent Document 1).
- the fuel hydrocarbon fuel such as natural gas fuel is generally used.
- An object of the present invention is to reduce CO 2 contained in the exhaust gas generated during the melting process.
- the inventors of the present application focused on hydrogen fuel as the fuel to be supplied to the burner.
- hydrogen fuel When hydrogen fuel is combusted in a burner to form a flame, water is mainly produced, so CO 2 contained in exhaust gas can be significantly reduced.
- hydrogen fuel is more difficult to obtain than hydrocarbon fuel. For this reason, it is generally difficult to continue to stably melt glass raw materials using only hydrogen fuel.
- the present invention which was created to solve the above problems, includes a melting process in which glass raw materials are heated and melted in a melting furnace using a burner that burns fuel to form a flame.
- a method for manufacturing a glass article characterized in that a hydrocarbon fuel and a hydrogen fuel are used in combination as fuels.
- the melting step includes a step of adjusting the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel.
- the moisture content of the glass article produced by melting the glass raw material is adjusted by adjusting the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel. It is preferable to do so.
- oxygen is supplied to the burner as a combustion supporting gas.
- the temperature of the flame can be lowered, and the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas can be lowered.
- the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas tends to increase, so the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas due to multistage combustion is The effect of reducing this becomes noticeable.
- the batch layer as the glass raw material supplied into the melting furnace and the foam layer generated as the glass raw material is heated and melted, It is preferable to cover 80 to 100% of the surface of the molten glass.
- the surface of the molten glass is appropriately covered with a heat insulating layer, so that heat radiation from the surface of the molten glass can be reduced. , energy efficiency is improved.
- the batch layer as the glass raw material supplied into the melting furnace covers 20 to 70% of the surface of the molten glass.
- the batch layer that also functions as a heat insulating layer cover 20 to 70% of the surface of the molten glass heat radiation from the surface of the molten glass can be reduced and energy efficiency is improved.
- the batch layer can be added to the area not covered by the batch layer. By allowing the glass to flow in, it is possible to continue inputting glass raw materials. Therefore, molten glass can be stably and continuously produced.
- the present invention which was created to solve the above problems, provides a glass article that includes a burner that burns fuel to form a flame, and a melting furnace that heats and melts glass raw materials by combustion of the burner.
- This manufacturing apparatus is characterized by comprising a hydrocarbon fuel supply device that supplies hydrocarbon fuel to the burner as fuel, and a hydrogen fuel supply device that supplies hydrogen fuel to the burner as fuel.
- CO 2 contained in the exhaust gas generated during the melting process can be reduced.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1.
- FIG. 3 is a combustion system diagram of burners included in the melting furnace of FIG. 2.
- FIG. It is another example of a longitudinal cross-sectional view of a melting furnace. It is an example of the present invention, and is a graph showing the relationship between water vapor partial pressure and water content of glass.
- the glass article manufacturing apparatus used in this manufacturing method includes a melting furnace 1 as shown in FIG.
- the manufacturing equipment includes, as necessary, a fining chamber for fining the molten glass produced in the melting furnace 1, a homogenization chamber (stirring chamber) for stirring the molten glass that has been clarified, and a stirring chamber for stirring the molten glass.
- the apparatus further includes a molding device for molding a glass article from the molten glass.
- the melting furnace 1 is a space for performing a melting process to obtain molten glass Gm. As shown in FIGS. 1 and 2, the melting furnace 1 continuously melts glass raw materials (which may include cullet in addition to natural raw materials and chemical raw materials) Gr to form molten glass Gm.
- glass raw materials which may include cullet in addition to natural raw materials and chemical raw materials
- the front wall 1a of the melting furnace 1 is provided with an input port 1aa for inputting the glass raw material Gr.
- This input port 1aa is provided with a screw feeder 2 as a raw material supply means.
- the raw material supply means may be other known means such as a pusher or a vibratory feeder. The number and arrangement positions of the raw material supply means can be changed as appropriate depending on the size of the melting furnace 1 and the like.
- the rear wall 1b of the melting furnace 1 is provided with an outlet 1bb for discharging the molten glass Gm.
- a transfer pipe 3 is connected to this outlet 1bb, so that the molten glass Gm is sequentially supplied to the downstream side.
- a plurality of outlet ports 1bb are provided in the melting furnace 1, and the molten glass Gm is supplied to the downstream side through the transfer pipe 3 connected to each outlet port 1bb. You can also do this.
- the melting furnace 1 is made of refractory bricks (for example, zirconia-based electroformed bricks, alumina-based electroformed bricks, alumina-zirconia-based electroformed bricks, AZS (Al-Zr-Si)-based electroformed bricks, dense fired bricks, etc.).
- the melting space inside the furnace is defined by the carved walls.
- a plurality of burners 11 are provided on both side walls 1c of the melting furnace 1, each of which burns fuel to form a flame F.
- the flame F of each burner 11 heats the frit Gr and/or the molten glass Gm from above the liquid level of the molten glass Gm.
- the number and arrangement positions of the burners 11 can be changed as appropriate depending on the size of the melting furnace 1 and the like.
- a plurality of rod-shaped electrodes 12 are provided on the bottom wall 1d of the melting furnace 1.
- the electrode 12 heats the molten glass Gm with electricity while being immersed in the molten glass Gm.
- the number (one or more) and arrangement positions of the electrodes 12 can be changed as appropriate depending on the size of the melting furnace 1 and the like.
- a plate-shaped electrode may be used instead of the rod-shaped electrode 12, and the electrode 12 may be arranged on the side wall 1c instead of the bottom wall 1d.
- the burner 11 and the electrode 12 are used together to heat the molten glass Gm and/or the glass raw material Gr, but the electrode 12 may not be provided.
- each burner 11 is connected to piping for supplying fuel and the like.
- the pipes include a first fuel pipe 13 that supplies hydrocarbon fuel, a second fuel pipe 14 that supplies hydrogen fuel, and a combustion-supporting gas pipe 15 that supplies oxygen as a combustion-supporting gas.
- the first fuel pipe 13 includes a flow rate adjustment valve 16 that adjusts the flow rate of hydrocarbon fuel, a switching valve 17 that switches the flow path of the hydrocarbon fuel whose flow rate is adjusted, and a reverse flow of fuel such as hydrocarbon fuel.
- a check valve 18 is provided to prevent this.
- a hydrocarbon fuel source 19 is connected to the upstream end of the first fuel pipe 13 .
- the hydrocarbon fuel for example, butane, propane, petroleum gas, natural gas, etc. can be used. However, from the viewpoint of further reducing CO 2 contained in the exhaust gas, it is preferable to use natural gas as the hydrocarbon fuel.
- the second fuel pipe 14 includes a flow rate adjustment valve 20 that adjusts the flow rate of hydrogen fuel, a switching valve 21 that opens and closes the flow path of the hydrogen fuel whose flow rate has been adjusted, and a switch valve 21 that prevents backflow of fuel such as hydrogen fuel.
- a check valve 22 is provided.
- a hydrogen fuel source 23 is connected to the upstream end of the second fuel pipe 14 .
- the downstream ends of the first fuel pipe 13 and the second fuel pipe 14 are connected to each other and to the burner 11 via a common fuel pipe 24.
- Adjusted fuel in which the mixing ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel is adjusted, flows through the common fuel pipe 24 by the flow rate adjustment valves 16 and 20 and/or the switching valves 17 and 21.
- the common fuel pipe 24 is provided with a switching valve 25 that switches between opening and closing the flow path of the adjusted fuel.
- the combustion-supporting gas piping 15 is provided with a flow rate adjustment valve 26 that adjusts the flow rate of oxygen, and a switching valve 27 that switches the opening and closing of the oxygen flow path whose flow rate has been adjusted.
- An oxygen source 28 is connected to the upstream end of the combustion-supporting gas pipe 15, and a burner 11 is connected to the downstream end of the combustion-supporting gas pipe 15.
- the oxygen concentration can be 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more.
- the higher the oxygen concentration the easier it is to burn the fuel, the easier it is to raise the temperature of the flame formed by the burner, and the more moisture content in the molten glass can be increased.
- the hydrocarbon fuel supply device that supplies hydrocarbon fuel to the burner 11 includes a hydrocarbon fuel source 19, a first fuel pipe 13, and a common fuel pipe 24.
- the hydrogen fuel supply device that supplies hydrogen fuel to the burner 11 includes a hydrogen fuel source 23 , a second fuel pipe 14 , and a common fuel pipe 24 .
- the configurations of the hydrocarbon fuel supply device and the hydrogen fuel supply device are not limited to these.
- the common fuel pipe 24 may be omitted and the first fuel pipe 13 and the second fuel pipe 14 may be directly connected to the burner 11.
- the burner 11 is a multi-stage combustion type burner.
- a multi-stage combustion type burner includes, for example, a main nozzle that injects a mixed gas of fuel and combustion-supporting gas, and a staging nozzle that injects combustion-supporting gas (not shown).
- the mixed gas injected from the main nozzle is mixed so that the combustion supporting gas is insufficient compared to the fuel. Therefore, most of the fuel contained in the mixed gas injected from the main nozzle reacts with the combustion-supporting gas contained in the mixed gas and burns, and the remaining fuel is combined with the combustion-supporting gas injected from the staging nozzle. React and burn.
- Using such multistage combustion increases the length of the flame and lowers its temperature. As a result, the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas can be reduced.
- this manufacturing method includes a melting step, and if necessary, a fining step in which the molten glass obtained in the melting step is subjected to a fining treatment, a homogenization step in which the molten glass that has undergone the melting step is stirred, The method further includes a molding step of molding a glass article from the molten glass that has undergone the homogenization step.
- frit Gr is heated and melted in the melting furnace 1 using a burner 11 that burns fuel to form a flame F.
- electrical heating using the electrodes 12 is also used from the viewpoint of improving energy efficiency, but the electrical heating using the electrodes 12 does not have to be performed.
- the batch layer Ga as the frit Gr supplied into the melting furnace 1 and the foam layer Gb generated as the frit Gr is heated and melted are mixed into the molten glass Gm.
- the bubble layer Gb is formed, for example, as gases such as carbon dioxide (CO and CO 2 ), O 2 gas, and SO 2 gas are generated due to the frit Gr.
- the batch layer Ga and the foam layer Gb cover the surface of the molten glass Gm, but the batch layer Ga may be located on the foam layer Gb that covers the surface of the molten glass Gm.
- the batch layer Ga and the foam layer Gb preferably cover 80 to 100% of the surface of the molten glass Gm, more preferably 90 to 100%, and even more preferably 95 to 100%. In this way, the surface of the molten glass Gm is appropriately covered by the batch layer Ga and the foam layer Gb, which also function as a heat insulating layer, so that heat radiation from the surface of the molten glass Gm can be reduced, and energy efficiency is improved.
- the batch layer Ga preferably covers 20 to 70% of the surface of the molten glass Gm, and more preferably covers 50 to 70% of the surface of the molten glass Gm.
- the batch layer Ga which also functions as a heat insulating layer, can reduce heat radiation from the surface of the molten glass Gm, improving energy efficiency.
- the frit Gr can be made to flow by flowing the batch layer Ga into the region not covered by the batch layer Ga. can continue to invest. Therefore, molten glass Gm can be stably and continuously produced.
- the fuel (adjusted fuel) supplied to the burner 11 is a combination of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel.
- the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel is adjusted by changing the mixing ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel supplied to the burner 11.
- the mixing ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel may be the same or different.
- the melting step includes a step of adjusting the water content of the molten glass Gm by adjusting the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel. Specifically, when the water content of molten glass Gm is lower than the standard value, the mixture ratio of hydrogen fuel is increased, and when the water content of molten glass Gm is higher than the standard value, the mixture ratio of hydrocarbon fuel is increased. enhance Thereby, the moisture content of the molten glass Gm is adjusted within a predetermined range.
- the moisture content of the molten glass Gm can be evaluated, for example, based on ⁇ -OH of a glass article manufactured from the molten glass Gm. Therefore, the present manufacturing method preferably includes a step of measuring the moisture content of the glass article. In this case, in the melting step, for example, the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel is adjusted based on the measurement result of the water content of the glass article, and the water content of the molten glass Gm is adjusted.
- the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel is adjusted by changing the mixing ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel supplied to the burner 11, but the invention is not limited to this.
- the output of a burner to which only hydrocarbon fuel is supplied as fuel and/or the output of a burner to which only hydrogen fuel is supplied as fuel may be changed.
- the number of burners to which only hydrocarbon fuel is supplied as fuel and/or the number of burners to which only hydrogen fuel is supplied as fuel may be changed.
- the glass article formed by the forming apparatus can be, for example, a glass bulb, a glass tube, a glass block, a glass fiber, a plate glass, a glass roll, etc., and may have any shape other than these.
- the melting process includes a process of adjusting the moisture content of the molten glass Gm or the glass article by adjusting the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel, but the process of adjusting the moisture content does not include the process of adjusting the moisture content of the molten glass Gm or the glass article.
- other methods may be adopted, and adjustment of the usage ratio of hydrocarbon fuel and hydrogen fuel may be combined with other methods.
- a method of supplying gas for example, atmospheric air, dry air, clean dry air, oxygen, etc.
- gas for example, atmospheric air, dry air, clean dry air, oxygen, etc.
- the atmosphere inside the melting furnace is exhausted by supplying gas into the melting furnace during the melting process, so the water vapor partial pressure inside the melting furnace decreases, and as a result, the water content of the molten glass Gm or glass article is reduced. quantity decreases. More specifically, if the gas supply amount is increased or the gas supply is started, the molten glass Gm or the moisture content of the glass article can be decreased, and the gas supply amount is decreased or the gas supply is started. If the supply is stopped, the molten glass Gm or the water content of the glass article can be increased.
- gas may be supplied into the melting furnace while exhausting the atmosphere inside the melting furnace using an exhaust device equipped with exhaust gas treatment equipment.
- a method of increasing or decreasing the amount of gas generated from the glass raw material may be used.
- the water vapor partial pressure in the melting furnace is changed by increasing or decreasing the amount of gas generated from the glass raw material, thereby adjusting the water content of the molten glass Gm or the glass article.
- carbonate e.g. CaCO 3
- carbon dioxide is generated as the glass raw material is heated and melted, and the water vapor partial pressure in the melting furnace decreases, causing the molten glass Gm or glass The moisture content of the article decreases.
- a comparative test was conducted to examine how the moisture content of glass changes when glass raw materials are melted by changing the mixing ratio (use ratio) of natural gas and hydrogen burned in a burner. I did it.
- oxygen with an oxygen concentration of 99% by mass or more was used as the combustion supporting gas.
- Other conditions for the comparison test are as follows.
- Test 1 in order to melt the glass raw material, fuel consisting only of natural gas was supplied to a burner and burned, and electrical heating using electrodes was also used.
- Test 2 in order to melt the glass raw material, a mixture of natural gas and hydrogen was supplied to the burner so that the ratio of the calorific value from combustion of natural gas to the calorific value from combustion of hydrogen was 1:1. At the same time, electrical heating using electrodes was used.
- Test 3 in order to melt the glass raw material, fuel consisting only of hydrogen was supplied to a burner and burned, and electrical heating using an electrode was also used.
- Tests 1 to 3 The common conditions for Tests 1 to 3 are that the ceiling temperature of the melting furnace is 1300°C, the flow rate of molten glass is constant, and the amount of heat generated by the burner and the amount of heat generated by the electrodes are made equal. .
- ⁇ -OH (1/X)log10(T 1 /T 2 )
- X Thickness of plate-shaped sample (mm)
- T 1 Transmittance (%) at reference wavelength 3846 cm -1
- T 2 Minimum transmittance (%) near hydroxyl group absorption wavelength 3600 cm -1
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Abstract
ガラス物品の製造方法は、燃料を燃焼させて火炎Ｆを形成するバーナー１１を用いて、溶融炉内でガラス原料を加熱して溶融する溶融工程を備える。燃料として、炭化水素燃料と水素燃料とを併用する。溶融工程では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整する。
Description
本発明は、ガラス物品の製造方法に関する。
ガラス物品の製造工程では、溶融炉内でガラス原料を加熱して溶融する溶融工程が含まれる。溶融工程では、燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーを用いて、溶融炉内でガラス原料を加熱して溶融する方法が広く用いられている（例えば特許文献１）。燃料としては、天然ガス燃料などの炭化水素燃料が使用されるのが一般的である。
しかしながら、バーナーに供給される燃料として、炭化水素燃料を用いると、溶融工程で発生する排ガスに含まれるＣＯ2が多くなる。その結果、環境負荷が大きくなるという問題がある。
本発明は、溶融工程で発生する排ガス中に含まれるＣＯ2を低減することを課題とする。
本願発明者等は、上記の課題を解決するために、バーナーに供給する燃料として、水素燃料に着目した。バーナーで水素燃料を燃焼させて火炎を形成した場合、主として水が生成されるため、排ガス中に含まれるＣＯ2を大幅に低減できる。しかしながら、水素燃料は、炭化水素燃料に比べて入手が困難である。このため、水素燃料のみを用いて、安定的にガラス原料を溶融し続けることは一般的に難しい。
（１） そこで、上記の課題を解決するために創案された本発明は、燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーを用いて、溶融炉内でガラス原料を加熱して溶融する溶融工程を備えるガラス物品の製造方法であって、燃料として、炭化水素燃料と水素燃料とを併用することを特徴とする。
このようにすれば、燃料として水素燃料が用いられるため、排ガス中のＣＯ2量を大幅に低減できる。一方、溶融工程では、炭化水素燃料も併用されるため、供給が不足しがちな水素燃料の使用量を低減でき、ガラス原料を安定して溶融することが可能となる。また、水素燃料の燃焼に伴って発生する水分によって溶融ガラスの粘度が低下する。これにより、溶融性が向上し、炭化水素燃料のみを用いる場合と比べて低温でガラスを溶融することが可能となる。
（２） 上記（１）の構成において、溶融工程は、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整する工程を含むことが好ましい。
このようにすれば、例えば水素燃料の供給がひっ迫した場合でも、炭化水素燃料と水素燃料との使用比率を調整して、バーナーによる加熱を維持できる。つまり、ガラス原料をより安定して溶融し続けることができる。したがって、溶融工程で発生する排ガス中のＣＯ2を低減しつつ、ガラス物品の生産効率を良好に維持できる。
（３） 上記（２）の構成において、溶融工程では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することにより、ガラス原料を溶融して生成される溶融ガラスの水分量を調整することが好ましい。
本願発明者等は、鋭意研究の結果、炭化水素燃料の使用比率を上げると、溶融ガラスの水分量が低下し、水素燃料の使用比率を上げると、溶融ガラスの水分量が上昇することを知見するに至った。つまり、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することで、溶融ガラスの水分量を適切に調整することが可能となる。そして、このように溶融ガラスの水分量を適切に調整することで、例えば季節変動等に伴う溶融ガラスの水分量の変動を抑制でき、高品質なガラス物品を製造できる。
（４） 上記（２）又は（３）の構成において、溶融工程では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することにより、ガラス原料を溶融して生成されるガラス物品の水分量を調整することが好ましい。
このようにすれば、高品質なガラス物品を安定して製造できる。
（５） 上記（１）～（４）のいずれかの構成において、バーナーには、支燃ガスとして酸素が供給されることが好ましい。
このようにすれば、燃料が燃焼しやすくなり、バーナーで形成される火炎の温度を上げやすくなると共に、溶融ガラスの水分量を増加させることができる。
（６） 上記（１）～（５）のいずれかの構成において、バーナーとして、多段燃焼式バーナーを用いることが好ましい。
このように、多段燃焼させることで、火炎の温度が低下し、排ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させることができる。特に、排ガス処理設備が備える排気装置を用いて、溶融炉内にガスを供給する場合に、排ガス中の窒素酸化物の濃度が上昇しやすいので、多段燃焼による排ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させる効果が顕著となる。
（７） 上記（１）～（６）のいずれかの構成において、溶融工程で、溶融炉内に供給されたガラス原料としてのバッチ層と、ガラス原料の加熱溶融に伴い生じる泡層とが、溶融ガラスの表面の８０～１００％を覆うことが好ましい。
このように、バッチ層と泡層とが、溶融ガラスの表面の８０～１００％を覆うことで、溶融ガラスの表面が適度に断熱層で覆われるので、溶融ガラスの表面からの放熱を低減でき、エネルギー効率が向上する。
（８） 上記（１）～（７）のいずれかの構成において、溶融炉内に供給されたガラス原料としてのバッチ層が、溶融ガラスの表面の２０～７０％を覆うことが好ましい。
このように、断熱層としても機能するバッチ層が、溶融ガラスの表面の２０～７０％を覆うようにすることで、溶融ガラスの表面からの放熱を低減でき、エネルギー効率が向上する。また、バッチ層が覆う面積を７０％以下とすることで、流量の変更等で炉内条件が変化してガラス原料が滞留しやすくなった場合でも、バッチ層で覆われていない領域にバッチ層を流入させることでガラス原料の投入を継続することができる。このため、安定して溶融ガラスを連続生成することができる。
（９） 上記の課題を解決するために創案された本発明は、燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーと、バーナーの燃焼によってガラス原料を加熱して溶融する溶融炉と、を備えるガラス物品の製造装置であって、燃料として、炭化水素燃料をバーナーに供給する炭化水素燃料供給装置と、燃料として、水素燃料をバーナーに供給する水素燃料供給装置とを備えることを特徴とする。
このようにすれば、既に述べた対応する構成と同様の作用効果を享受できる。
本発明によれば、溶融工程で発生する排ガス中に含まれるＣＯ2を低減できる。
以下、本発明の実施形態に係るガラス物品の製造方法を添付図面に基づいて説明する。
本製造方法に用いられるガラス物品の製造装置は、図１に示すような、溶融炉１を備える。製造装置は、必要に応じて、溶融炉１で生成された溶融ガラスに清澄処理を施す清澄室や、清澄処理が施された溶融ガラスを攪拌する均質化室（攪拌室）、撹拌処理が施された溶融ガラスからガラス物品を成形する成形装置をさらに備える。
溶融炉１は、溶融ガラスＧｍを得る溶融工程を行うための空間である。図１及び図２に示すように、溶融炉１は、ガラス原料（天然原料、化成原料に加えて、カレットを含んでもよい）Ｇｒを連続的に溶融して溶融ガラスＧｍを形成する。
溶融炉１の前壁１ａには、ガラス原料Ｇｒを投入するための投入口１ａａが設けられている。この投入口１ａａには、原料供給手段としてのスクリューフィーダ２が設けられている。原料供給手段は、プッシャーや振動フィーダなどの他の公知の手段であってもよい。原料供給手段の数や配置位置は、溶融炉１の大きさ等に応じて適宜変更できる。
溶融炉１の後壁１ｂには、溶融ガラスＧｍを排出するための流出口１ｂｂが設けられている。この流出口１ｂｂには移送管３が接続されており、溶融ガラスＧｍが下流側に順次供給されるようになっている。なお、ガラス物品を同時に複数箇所で製造する場合には、溶融炉１に複数の流出口１ｂｂを設け、各流出口１ｂｂに接続された移送管３によって、溶融ガラスＧｍを下流側に供給するようにしてもよい。
溶融炉１は、耐火煉瓦（例えば、ジルコニア系電鋳煉瓦やアルミナ系電鋳煉瓦、アルミナ・ジルコニア系電鋳煉瓦、ＡＺＳ（Ａｌ－Ｚｒ－Ｓｉ）系電鋳煉瓦、デンス焼成煉瓦など）で構成された壁部によって炉内の溶融空間を区画形成する。
溶融炉１の両側の側壁１ｃには、燃料を燃焼させて火炎Ｆを形成する複数のバーナー１１がそれぞれ設けられている。各々のバーナー１１の火炎Ｆは、溶融ガラスＧｍの液面よりも上方からガラス原料Ｇｒ及び／又は溶融ガラスＧｍを加熱する。バーナー１１の数や配置位置は、溶融炉１の大きさ等に応じて適宜変更できる。
溶融炉１の底壁１ｄには、複数の棒状の電極１２が設けられている。電極１２は、溶融ガラスＧｍに浸漬された状態で、溶融ガラスＧｍを通電加熱する。電極１２の数（一つ又は２つ以上）や配置位置は、溶融炉１の大きさ等に応じて適宜変更できる。また、棒状の電極１２に代えて板状の電極を用いてもよく、底壁１ｄに代えて側壁１ｃに電極１２を配置してもよい。本実施形態では、バーナー１１と電極１２とを併用して、溶融ガラスＧｍ及び／又はガラス原料Ｇｒを加熱しているが、電極１２は設けなくてもよい。ただし、エネルギー効率を向上させる観点からは、電極１２を併用してバーナー１１の出力を抑制することが好ましい。
図３に示すように、各バーナー１１には、燃料等を供給するための配管が接続されている。配管は、炭化水素燃料を供給する第一燃料配管１３と、水素燃料を供給する第二燃料配管１４と、支燃ガスとしての酸素を供給する支燃ガス配管１５とを備える。
第一燃料配管１３には、炭化水素燃料の流量を調整する流量調整バルブ１６と、流量が調整された炭化水素燃料の流路の開閉を切り替える切替バルブ１７と、炭化水素燃料などの燃料の逆流を防止する逆止弁１８とが設けられている。第一燃料配管１３の上流端には、炭化水素燃料源１９が接続されている。炭化水素燃料としては、例えば、ブタン、プロパン、石油ガス、天然ガスなどが使用できる。ただし、排ガス中に含まれるＣＯ2をさらに削減する観点から、炭化水素燃料としては、天然ガスを用いることが好ましい。
第二燃料配管１４には、水素燃料の流量を調整する流量調整バルブ２０と、流量が調整された水素燃料の流路の開閉を切り替える切替バルブ２１と、水素燃料などの燃料の逆流を防止する逆止弁２２とが設けられている。第二燃料配管１４の上流端には、水素燃料源２３が接続されている。
第一燃料配管１３及び第二燃料配管１４のそれぞれの下流端は、互いに接続され、共通燃料配管２４を介してバーナー１１に接続されている。共通燃料配管２４には、流量調整バルブ１６，２０及び／又は切替バルブ１７，２１によって、炭化水素燃料と水素燃料との混合率が調整された調整燃料が流通する。共通燃料配管２４には、調整燃料の流路の開閉を切り替える切替バルブ２５が設けられている。
支燃ガス配管１５には、酸素の流量を調整する流量調整バルブ２６と、流量が調整された酸素の流路の開閉を切り替える切替バルブ２７とが設けられている。支燃ガス配管１５の上流端には酸素源２８が接続され、支燃ガス配管１５の下流端にはバーナー１１が接続されている。支燃ガス配管１５により酸素をバーナー１１に供給することで、調整燃料と酸素とが混合され、調整燃料が燃焼しやすくなり、バーナー１１で形成される火炎Ｆの温度を上げやすくなる。なお、支燃ガスとして、酸素に代えて空気を用いてもよい。また、支燃ガスとして、酸素を用いる場合、酸素濃度は５０質量％以上とすることができ、７０質量％以上が好ましく、９０質量％以上がより好ましい。酸素濃度が高いほど、燃料が燃焼しやすくなり、バーナーで形成される火炎の温度を上げやすくなると共に、溶融ガラスの水分量を増加させることができる。
ここで、本実施形態では、炭化水素燃料をバーナー１１に供給する炭化水素燃料供給装置は、炭化水素燃料源１９と、第一燃料配管１３と、共通燃料配管２４とを含む。また、本実施形態では、水素燃料をバーナー１１に供給する水素燃料供給装置は、水素燃料源２３と、第二燃料配管１４と、共通燃料配管２４とを含む。炭化水素燃料供給装置及び水素燃料供給装置の構成は、これに限定されない。炭化水素燃料供給装置及び水素燃料供給装置において、例えば、共通燃料配管２４を省略し、第一燃料配管１３及び第二燃料配管１４をバーナー１１に直接接続してもよい。
バーナー１１は多段燃焼式のバーナーであることが好ましい。多段燃焼式のバーナーは、例えば燃料と支燃ガスとの混合ガスを噴射するメインノズルと、支燃ガスを噴射するステージングノズルとを備える（図示は省略）。メインノズルから噴射される混合ガスは、燃料に対して支燃ガスが不足するように混合される。このため、メインノズルから噴射される混合ガスに含まれる燃料の大部分は、混合ガスに含まれる支燃ガスと反応して燃焼し、残りの燃料は、ステージングノズルから噴射される支燃ガスと反応して燃焼する。このような多段燃焼を用いれば、火炎が長くなると共に、その温度が低下する。その結果、排ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させることができる。
次に、以上のように構成された製造装置によるガラス物品の製造方法を説明する。
本製造方法は、上述のように、溶融工程を備え、必要に応じて、溶融工程で得られた溶融ガラスに清澄処理を施す清澄工程や、溶融工程を経た溶融ガラスを攪拌する均質化工程、均質化工程を経た溶融ガラスからガラス物品を成形する成形工程をさらに備える。
図１及び図２に示すように、溶融工程では、燃料を燃焼させて火炎Ｆを形成するバーナー１１を用いて、溶融炉１内でガラス原料Ｇｒを加熱して溶融する。なお、本実施形態では、溶融工程において、エネルギー効率を向上させる観点などから、電極１２による通電加熱も併用されるが、電極１２による通電加熱は行わなくてもよい。
ここで、図４に示すように、溶融工程では、溶融炉１内に供給されたガラス原料Ｇｒとしてのバッチ層Ｇａと、ガラス原料Ｇｒの加熱溶融に伴い生じる泡層Ｇｂとが、溶融ガラスＧｍの表面を覆っていてもよい。泡層Ｇｂは、例えば、ガラス原料Ｇｒに起因して炭酸ガス（ＣＯやＣＯ2）、Ｏ2ガス、ＳＯ2ガスなどのガスが発生するのに伴って形成される。図４では、溶融ガラスＧｍの表面をバッチ層Ｇａと泡層Ｇｂが覆うが、溶融ガラスＧｍの表面を覆う泡層Ｇｂの上にバッチ層Ｇａが位置してもよい。バッチ層Ｇａ及び泡層Ｇｂは、溶融ガラスＧｍの表面の８０～１００％を覆うことが好ましく、９０～１００％を覆うことがより好ましく、９５～１００％を覆うことがさらにより好ましい。このようにすれば、断熱層としても機能するバッチ層Ｇａ及び泡層Ｇｂによって溶融ガラスＧｍの表面が適度に覆われるため、溶融ガラスＧｍの表面からの放熱を低減でき、エネルギー効率が向上する。
また、バッチ層Ｇａは、溶融ガラスＧｍの表面の２０～７０％を覆うことが好ましく、溶融ガラスＧｍの表面の５０～７０％を覆うことがより好ましい。このようにすれば、断熱層としても機能するバッチ層Ｇａが、溶融ガラスＧｍの表面からの放熱を低減でき、エネルギー効率が向上する。また、流量の変更等で溶融炉１内の条件が変化してガラス原料Ｇｒが滞留しやすくなった場合でも、バッチ層Ｇａで覆われていない領域にバッチ層Ｇａを流入させることでガラス原料Ｇｒの投入を継続することができる。このため、安定して溶融ガラスＧｍを連続生成することができる。
図３に示すように、バーナー１１に供給される燃料（調整燃料）は、炭化水素燃料と水素燃料とを併用する。溶融工程では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することが好ましい。本実施形態では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率は、バーナー１１に供給される炭化水素燃料と水素燃料との混合率を変更することにより調整される。これにより、溶融工程で発生する排ガス中のＣＯ2を低減しつつ、ガラス物品の生産効率を良好に維持できる。
それぞれのバーナー１１において、炭化水素燃料と水素燃料との混合率は同一であってもよいし異なっていてもよい。
本実施形態では、溶融工程は、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することで、溶融ガラスＧｍの水分量を調整する工程を含む。具体的には、溶融ガラスＧｍの水分量が基準値よりも低い場合には水素燃料の混合率を高め、溶融ガラスＧｍの水分量が基準値よりも高い場合には炭化水素燃料の混合率を高める。これにより、溶融ガラスＧｍの水分量が所定の範囲内に調整される。
溶融ガラスＧｍの水分量は、例えば、当該溶融ガラスＧｍから製造されるガラス物品のβ－ＯＨに基づいて評価できる。このため、本製造方法は、ガラス物品の水分量を測定する工程を含むことが好ましい。この場合、溶融工程では、例えば、ガラス物品の水分量の測定結果に基づいて炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整し、溶融ガラスＧｍの水分量を調整する。
なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を施すことが可能である。
上記の実施形態では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を、バーナー１１に供給される炭化水素燃料と水素燃料との混合率を変更することにより調整する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、燃料として炭化水素燃料のみが供給されるバーナーの出力及び／又は燃料として水素燃料のみが供給されるバーナーの出力を変更してもよい。あるいは、燃料として炭化水素燃料のみが供給されるバーナーの本数及び／又は燃料として水素燃料のみが供給されるバーナーの本数を変更してもよい。
成形装置で成形されるガラス物品は、例えば、ガラス球、ガラス管、ガラスブロック、ガラス繊維、板ガラス、ガラスロールなどとすることができ、これら以外の任意の形状であってもよい。
上記の本実施形態では、溶融工程は、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率を調整することで、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量を調整する工程を含むが、水分量を調整する工程では、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率の調整に限らず、他の方法を採用してもよく、炭化水素燃料及び水素燃料の使用比率の調整と他の方法を組み合わせてもよい。
他の方法として、溶融炉内にガス（例えば大気や乾燥空気、クリーンドライエア、酸素等）を供給する方法を用いてもよい。この方法では、溶融工程時に溶融炉内にガスを供給することによって溶融炉内の雰囲気が排出されるので、溶融炉内の水蒸気分圧が低下し、その結果、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量が低下する。より具体的には、ガスの供給量を増加させるか又はガスの供給を開始すれば、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量を低下させることができ、ガスの供給量を減少させるか又はガスの供給を停止すれば、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量を増加させることができる。なお、排ガス処理設備を備える排気装置を用いて溶融炉内の雰囲気を排出することに伴って溶融炉内にガスを供給してもよい。
また、他の方法として、ガラス原料から発生するガスの量を増減させる方法を用いてもよい。この方法では、ガラス原料から発生するガスの量を増減させることにより、溶融炉内の水蒸気分圧を変化させ、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量を調整する。例えば、炭酸塩（例えばＣａＣＯ3）を含むガラス原料を用いれば、ガラス原料の加熱溶融に伴い二酸化炭素が発生し、これに伴って溶融炉内の水蒸気分圧が低下し、溶融ガラスＧｍ又はガラス物品の水分量が低下する。
以下、本発明に係るガラス物品の製造方法について実施例に基づいて説明する。なお、以下の実施例は単なる例示であって、本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。
本実施例では、バーナーで燃焼する天然ガス及び水素の混合率（使用比率）を変化させてガラス原料を溶融させた際に、ガラスの水分量がどのように変化するかを調べるために対比試験を行った。対比試験では、支燃ガスとして、酸素濃度が９９質量％以上の酸素を用いた。それ以外の対比試験の条件は、下記の通りである。
（１）試験１
試験１では、ガラス原料を溶融するために、天然ガスのみからなる燃料をバーナーに供給して燃焼させると共に、電極による通電加熱を併用した。
（２）試験２
試験２では、ガラス原料を溶融するために、天然ガスの燃焼による発熱量と水素の燃焼による発熱量の比が１対１になるように天然ガスと水素を混合した燃料をバーナー供給して燃焼させる共に、電極による通電加熱を併用した。
（３）試験３
試験３では、ガラス原料を溶融するために、水素のみからなる燃料をバーナーに供給して燃焼させる共に、電極による通電加熱を併用した。
試験１では、ガラス原料を溶融するために、天然ガスのみからなる燃料をバーナーに供給して燃焼させると共に、電極による通電加熱を併用した。
（２）試験２
試験２では、ガラス原料を溶融するために、天然ガスの燃焼による発熱量と水素の燃焼による発熱量の比が１対１になるように天然ガスと水素を混合した燃料をバーナー供給して燃焼させる共に、電極による通電加熱を併用した。
（３）試験３
試験３では、ガラス原料を溶融するために、水素のみからなる燃料をバーナーに供給して燃焼させる共に、電極による通電加熱を併用した。
試験１～３で共通する条件は、溶融炉の天井温度を１３００℃とすること、溶融ガラスの流量を一定とすること、及び、バーナーの熱量と電極の発熱量とを等しくすること、である。
それぞれの試験１～３において、燃焼時の水蒸気分圧とガラスの水分量とを測定した。その結果を図５に示す。同図において、横軸は水蒸気分圧であり、縦軸はガラスの水分量（β－ＯＨ）である。ガラスの水分量は、ガラス原料を溶融した後にその溶融ガラスを採取して作製した板状のサンプルのβ－ＯＨ（ｍｍ-1）により評価した。ここで、β－ＯＨは、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いてガラスの透過率を測定し、下記の式を用いて求めた値を指す。
β－ＯＨ＝（１／Ｘ）ｌｏｇ１０（Ｔ1／Ｔ2）
Ｘ：板状のサンプルの厚み（ｍｍ）
Ｔ1：参照波長３８４６ｃｍ-1における透過率（％）
Ｔ2：水酸基吸収波長３６００ｃｍ-1付近における最小透過率（％）
β－ＯＨ＝（１／Ｘ）ｌｏｇ１０（Ｔ1／Ｔ2）
Ｘ：板状のサンプルの厚み（ｍｍ）
Ｔ1：参照波長３８４６ｃｍ-1における透過率（％）
Ｔ2：水酸基吸収波長３６００ｃｍ-1付近における最小透過率（％）
図５からも、天然ガス燃料と水素燃料のうち、水素燃料の混合率（使用比率）が上がるに連れて、ガラスの水分量及び水蒸気分圧が共に上昇していることが確認できる。なお、溶融ガラス中からのＣＯ2と溶融炉内ヘの吸い込み空気があるため、試験３（水素のみからなる燃料）の場合でも、水蒸気分圧は１００％になっていない。
１ 溶融炉
２ スクリューフィーダ
１１ バーナー
１２ 電極
１３ 第一燃料配管
１４ 第二燃料配管
１５ 支燃ガス配管
１６ 流量調整バルブ
１７ 切替バルブ
１８ 逆止弁
１９ 炭化水素燃料源
２０ 流量調整バルブ
２１ 切替バルブ
２２ 逆止弁
２３ 水素燃料源
２４ 共通燃料配管
２５ 切替バルブ
２６ 流量調整バルブ
２７ 切替バルブ
２８ 酸素源
Ｆ 火炎
Ｇｍ 溶融ガラス
Ｇｒ ガラス原料
Ｇａ バッチ層
Ｇｂ 泡層
２ スクリューフィーダ
１１ バーナー
１２ 電極
１３ 第一燃料配管
１４ 第二燃料配管
１５ 支燃ガス配管
１６ 流量調整バルブ
１７ 切替バルブ
１８ 逆止弁
１９ 炭化水素燃料源
２０ 流量調整バルブ
２１ 切替バルブ
２２ 逆止弁
２３ 水素燃料源
２４ 共通燃料配管
２５ 切替バルブ
２６ 流量調整バルブ
２７ 切替バルブ
２８ 酸素源
Ｆ 火炎
Ｇｍ 溶融ガラス
Ｇｒ ガラス原料
Ｇａ バッチ層
Ｇｂ 泡層
Claims (9)
- 燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーを用いて、溶融炉内でガラス原料を加熱して溶融する溶融工程を備えるガラス物品の製造方法であって、
前記燃料として、炭化水素燃料と水素燃料とを併用することを特徴とするガラス物品の製造方法。 - 前記溶融工程は、前記炭化水素燃料及び前記水素燃料の使用比率を調整する工程を含む請求項１に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記溶融工程では、前記炭化水素燃料及び前記水素燃料の使用比率を調整することにより、前記ガラス原料を溶融して生成される溶融ガラスの水分量を調整する請求項２に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記溶融工程で、前記炭化水素燃料及び前記水素燃料の使用比率を調整することにより、前記ガラス物品の水分量を調整する請求項２に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記バーナーには、支燃ガスとして酸素が供給される請求項１～４のいずれか１項に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記バーナーとして、多段燃焼式バーナーを用いる請求項１～４のいずれか１項に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記溶融工程で、前記溶融炉内に供給された前記ガラス原料としてのバッチ層と、前記ガラス原料の加熱溶融に伴い生じる泡層とが、溶融ガラスの表面の８０～１００％を覆う請求項１～４のいずれか１項に記載のガラス物品の製造方法。
- 前記溶融炉内に供給された前記ガラス原料としてのバッチ層が、溶融ガラスの表面の２０～７０％を覆う請求項１～４のいずれか１項に記載のガラス物品の製造方法。
- 燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーと、前記バーナーの燃焼によってガラス原料を加熱して溶融する溶融炉と、を備えるガラス物品の製造装置であって、
前記燃料として、炭化水素燃料を前記バーナーに供給する炭化水素燃料供給装置と、前記燃料として、水素燃料を前記バーナーに供給する水素燃料供給装置とを備えることを特徴とするガラス物品の製造装置。
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| JP2022-067458 | 2022-04-15 | ||
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|---|---|
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| WO (1) | WO2023199910A1 (ja) |
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2023
- 2023-04-11 WO PCT/JP2023/014675 patent/WO2023199910A1/ja unknown
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