JP5543376B2 - 高い熱伝達を有する低ＮＯｘガラス炉 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスが一般的にはスズに基づく金属の浴の上に浮いているフロートガラス装置において板ガラスに変換される溶融ガラスを製造するのに用いられるような再生器を備えた横型バーナーを具備するガラス炉に関する。

燃料加熱されるガラス炉の多くは、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の望ましくない排出の問題に直面している。加えて、これらの炉は、一酸化炭素の排出を可能な限り少なくしかつ効率的に運転する必要がある。良質ガラスの高い生産力（高負荷）と長寿命が最小限のエネルギー消費と組み合わさった場合に、炉は効率的に運転される。炉の寿命は、特には局部的な過熱の結果として耐火性ライニングが損傷することにより不利に影響を受ける場合があり、このような損傷により、製造されたガラスが汚染される可能性もある。局部的な過熱によって耐火性ライニングが溶け、溶けた流れがガラスと混合されて、ガラス中に「ｋｎｏｔｓ（節）」の英語表現で当業者に知られるものが生成する場合がある。

ＮＯｘは、人体と環境の両方に有害な影響を及ぼし、第一に、ＮＯ₂は呼吸器系疾患を引き起こす刺激性ガスである。第二に、大気と接触すると、それは時間をかけて酸性雨を形成しうる。最後に、それは光化学汚染を引き起こす。というのも、揮発性有機化合物及び太陽放射と組み合わさると、ＮＯｘは対流圏オゾンとして知られるものを形成させ、低高度におけるこのガスの濃度の増加は特に高温の際に人体に有害となるからである。このような理由で、ＮＯｘの排出に関する現行の基準が次第に厳しくなっている。これらの基準の存在そのもののために、炉の製造業者や操作者、例えばガラス炉の製造業者や操作者は、ＮＯｘの排出を最小限に抑えること、好ましくはＮＯｘの排出を排ガス１Ｎｍ³あたり８００ｍｇ未満又は７００ｍｇ未満のレベルに制限することに絶えず明け暮れている。

温度はＮＯｘの形成に影響を及ぼす。具体的には、１３００℃を超えると、ＮＯｘの排出は指数関数的に増加する。多くの技術がＮＯｘの排出を低減するために既に提案されている。

第１の技術は、ＮＯｘを窒素に変換するために排出ガスに還元剤を使用することである。この還元剤はアンモニアであることができるが、アンモニアはこのような製品を貯蔵及び取り扱うことの難しさなど、幾つかの不都合をもたらす。還元剤として天然ガスを使用することも可能であるが、それは炉の燃料消費を犠牲にして行われ、ＣＯ₂の排出が増加する。再生器などの炉の幾つかの部分に還元ガス（一酸化炭素）が存在することで、これらの領域の耐火性ライニングの腐食が加速する場合もある。

それゆえ、第一次的手段として知られるものを採用することでこの技術を省略することが好ましい。これらの手段がそう呼ばれる理由は、その目的が上記の技術のように既に形成されたＮＯｘを破壊することではなく、むしろＮＯｘが例えば火炎において形成するのを防ぐことであるからである。これらの手段はまた、実施がより簡単であり、それゆえより経済的である。しかしながら、これらは、上記の技術のための十分な代替手段を提供することはできず、有利にはそれを補うことができる。いずれにしても、これらの第一次的手段は、第二次的手段の試薬の消費を低減するための必須条件である。

現行の手段は、限定されないが、幾つかのカテゴリーに分類することができる。
第１のカテゴリーは、空気の不足した領域が炉の燃焼チャンバーで作り出される「再燃焼」の技術を用いてＮＯｘの形成を低減することである。この技術には、再生器の排気筒における温度が上昇し、必要に応じて、特には封止及び耐腐食性の観点で再生器及び再生器の排気筒の特別な設計が必要になるという欠点がある。加えて、この技術によって一酸化炭素の形成が増し、一酸化炭素は、その還元力のために耐火性ライニングに損傷を与える。
第２のカテゴリーは、火炎に作用して火炎にＮＯｘが形成するのを低減又はなくすことである。それを行うために、例えば、余分な燃焼用空気を低減しようとすることが可能である。また、火炎長さを維持することによって温度スパイクを制限し、そして火炎中の平均温度を下げるために火炎前面の体積を大きくしようとすることも可能である。このような解決策は、例えば、米国特許第６，０４７，５６５号及び国際公開第９８／０２３８６号において記載されている。それは、ＮＯｘの排出の低減を目的として、燃料の供給と酸化剤の供給の両方を実施し、燃料／酸化剤の接触を時間とともに広げて及び／又はこの接触の体積を大きくするようにする、ガラスを溶融するための燃焼方法にある。

欧州特許出願公開第０９２１３４９号（米国特許第６，２４４，５２４号）及び２００７年３月２６日付け出願の仏国特許出願第０７５４０２８号では、ＮＯｘの低減を目的として、燃料油タイプの液体燃料のための供給管と、液体燃料のための供給管に対して同心に配置された噴霧流体のための供給管とを含む少なくとも１つの噴射器を備えたバーナーであって、液体燃料のための供給管が液体燃料を内壁にほぼ沿って進む中空噴流の形態にするための斜めの通路で貫通した部材を備えたバーナーが提案されている。

特開２００３−２６９７０９号公報では、再生器を備え、ガス燃料で運転される横型バーナーで炉内の溶融ガラスを加熱する方法が開示されている。

米国特許第４，９４６，３８２号では、酸素インパルス／燃料インパルスの比が１０〜３０である、酸素富化空気であることができる酸化剤で液体燃料を燃焼させるための方法が開示されている。

本発明は、横型バーナーと再生器を備えたガラス炉に関するものである。当業者にとって、横型バーナーを備えた炉との関連において、「バーナー」という用語は、胸壁としても知られる側壁において互いに対面している噴射器／空気流入口の組の対を意味する。それゆえ、バーナーは２つの噴射器と２つの空気流入口を含むが、各側壁は１つの噴射器と１つの空気流入口とを備え、これらが一方の側壁からもたらされる火炎を作り出すように組み合わせられる。各側壁は、いわばバーナーのうち２分の１のバーナーを備えており、２つの２分の１バーナーが側壁において互いに対面して配置されている。当然ながら、２分の１バーナーの噴射器は、同じ火炎に寄与する幾つかの同じグループの噴流に分けることができ、このことは、「噴射器」という用語が噴射器のグループ又は供給管のグループの考えを包含することを意味する。

本発明の目的は、酸化剤と燃料が導入される仕方を変更すること、より具体的にはそれらのインパルスを変更することによってＮＯｘの低減に寄与することである。したがって、本発明は、横型バーナーを備えかつ再生器を取り付けた側壁を具備する炉を用いて溶融ガラスを加熱する方法であって、少なくとも１つの横型バーナーに、３０ｖｏｌ％未満の酸素を含む酸化剤と、酸化剤インパルス／燃料インパルスの比が５〜１３であるような燃料とを供給することを特徴とする方法に関する。酸化剤インパルス／燃料インパルスの比Ｒは、５〜１３から選択されることが有利であることが実際に見出された。好ましくは、Ｒは６より大きい。好ましくは、Ｒは１１より小さく、さらには９．５より小さい。特には、Ｒは６〜１１、さらには６〜９．５であることができる。

酸化剤は、燃焼反応との関連において常に過剰である。生成される火炎は酸化炎である。物質のインパルスは、この物質の質量流量にその速度を掛けた積であり、ニュートンで表されることが思い出されよう。実際、同じ火力の場合、この比Ｒは、火炎の形状、排ガスの通過、炉の頭部における温度、英語で再生器の「ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ（自由空間）」として知られる耐火性ライニングの排気筒に覆いかぶさっている再生器の上部における温度、及びガラスへの熱伝達の質に相当な影響を及ぼすことが見出された。実際、この比Ｒの賢明な選択により、燃焼排ガスが炉の頭部より下でバーナーの方へ戻って火炎をガラスに押し付けることを観察することが可能である。ガラスの表面に火炎を押し付けることで、火炎からガラスへの熱伝達が改善される。加えて、ガラスへのこの最大の熱伝達により、頭部の温度は妥当なままである。というのも、燃焼排ガスが熱エネルギーの最大量を奪われるからである。Ｒが低すぎると、火炎がガラス表面に十分には押し付けられない。さらに、燃焼排ガスが頭部の下で循環ループを形成し、それはより小さいが、頭部の温度はより高くなる傾向がある。Ｒが高すぎると、火炎はガラスに対して十分に押し付けられるが、実際、火炎が長くなりすぎ、その端部は、火炎が始まる噴射器に対面する（英語で「ｂｒｅａｓｔ ｗａｌｌ（胸壁）」として知られる）側壁をなめる傾向があり、したがって胸壁に損傷をもたらし、耐火性ライニング材料がガラス浴に流れ、最終的なガラスに「節」として知られる欠陥を作り出す。Ｒが特に高すぎると、火炎の端部は、火炎が始まる噴射器と反対側の再生器の管に入り込む場合さえある。これにより、ガラスへの熱伝達がより不十分なものとなり、再生器の管及び再生器自体の腐食が加速し、一酸化炭素の含有量が増加する。

本発明の範囲内で、酸化剤は、空気、又は酸化剤中の合計酸素含有量が３０ｖｏｌ％未満、一般的には２５ｖｏｌ％未満であるようなわずかに酸素に富んだ空気である。酸化剤中のこの合計酸素含有量は１５ｖｏｌ％よりも大きい。

酸化剤は、その供給管から出る前に予熱される。その温度は１２００℃超である。それは一般的には１５００℃よりも低い。

本発明の範囲内で、燃料は液体であることができる。燃料は、ガラス炉においてガラス化可能な物質を加熱するための燃焼装置で一般に用いられる液体化石燃料であることができる。燃料は、例えば燃料油であることができる。この場合、噴霧流体（例えば空気又は天然ガス）を用いてこの液体燃料が噴霧される。炉における液体燃料の噴霧は噴射器によって行われる。特に好適な噴射器は、２００７年３月２６日付け出願の仏国特許出願第０７５４０２８号に記載されており、その内容はその参照により本願に含められる。特には、液体燃料の噴霧用噴射器は、液体燃料供給管と、噴霧流体供給管とを備えることができ、この液体燃料供給管は、燃料が噴射器から噴出される前に燃料を回転中空噴流の形態にするための斜めの通路で貫通した部材を備え、各通路の母線は液体燃料が供給される方向と１０°未満の角度を形成している。液体燃料は、一般的には１００〜１５０℃、より好ましくは１２０〜１４０℃の温度で噴射される。液体燃料は、一般的には５×１０^-6ｍ²／ｓ以上、特には１０^-5〜２×１０^-5ｍ²／ｓの粘度を有する。燃料はまた、天然ガス、メタン、ブタン富化空気、プロパン富化空気などのガスであることもできる。この場合、噴射器は、例えば、その内容がその参照により本願に含められる２００８年２月５日付け出願の仏国特許出願第０８５０７０１号において記載されているようなガスの二重インパルスタイプ、すなわち、２つの同心の燃料ガスの流入口、高圧の流入口と低圧の流入口を含むタイプであることができる。噴射器はまた、ハイブリッドであることもでき、すなわち、燃料ガスの流入口と液体燃料の流入口を含むことができ、これらの２つの燃料は交互に又は同時に噴射される。ハイブリッド噴射器は、仏国特許出願公開第２８３４７７４号において記載されている。

一般に、噴射器は、酸化剤流入口より下に配置される。酸化剤流入口は比較的大きな断面、特にはその面積が各側壁（それゆえ２分の１（１／２）バーナーあたり）において０．５〜２ｍ²であることができる断面の開口の形態であり、幾つかの噴射器は、各１／２バーナーの各空気流入口（噴射器のグループの考え）と関連させることができる。酸化剤供給管は、酸化剤がガラス浴表面の方に向けられた方向に適合するように（酸化剤の流れ方向において）下向きに傾けられた上部を有する。酸化剤供給管の上部は、水平と１８〜３０°の角度を形成する。燃料供給管は、一般的には（燃料の流れ方向において）わずかに上向きに配向される。それは一般的には水平と３〜１２°の角度を形成する。

したがって、燃料及び酸化剤に与えられる方向は、燃料と酸化剤がそれらの各供給管を出た地点において収束的である。酸化剤供給管の上部の方向と燃料供給管の方向との間で形成される角度は一般的には２１〜４２°である。

燃料供給管は、酸化剤供給管よりもはるかに小さな断面を有する。液体燃料の場合には、この断面は一般的に５〜３０ｍｍ²であり、この断面は１つの管の断面に対応することができるか又は一方の側壁の同じ１／２バーナーの１つの意味において並置された管のグループの断面に対応することができることが理解される。ガス燃料の場合には、この断面は一般的に３０００〜９０００ｍｍ²であり、この断面は１つの管の断面に対応することができるか又は一方の側壁の同じ１／２バーナーの並置された管のグループの断面に対応することができることが理解される。酸化剤流入口の断面／燃料流入口の断面の比（同じ火炎に寄与する同じグループにおける幾つかの噴射器の形態において幾つかの燃料流入口、特には３〜５個の流入口があってもよい）は、一般的に２０〜２×１０⁵である。

炉の各横型バーナーは、４〜１２ＭＷの電力を一般に有する。

再生器は、当業者に周知であり、燃焼排ガスから熱を取り戻すのに用いられる。再生器は、交互に運転される別々の区画において配置された耐火性部材からなる。これらの炉は、少なくとも３つのバーナーを一般に備え（それぞれが互いに対面して配置されかつ交互に運転される２つの２分の１バーナーを備え）、酸化剤の加熱と排ガスの捕集を交互に行うために１／２バーナーの数と同じ数の再生器を備えている。一方の側壁の１つのバーナーのうち１つの１／２バーナーが運転されそして火炎を生成している間、酸化剤がこの１／２バーナーの後ろに配置された第１の再生器によって運ばれそして加熱され、排ガスが捕集されそして第２の再生器に運ばれ、第２の再生器によって熱が回収され、この第２の再生器は、もう一方の側壁の後ろで１／２バーナーに対面して配置されている。サイクルにおいて、同じバーナーの２つの１／２バーナーの運転は逆にされ、第１の１／２バーナーの運転が停止され、第２の１／２バーナーが運転され、この第２の１／２バーナーの酸化剤が（先の工程の間、排ガスを捕集していた）第２の再生器によって運ばれそして加熱される。次いで、第１の再生器を用いて排ガスが捕集される。それゆえ、炉は、所定の時間（例えば１０〜４０分）１つのやり方で運転され、次いで炉の運転が逆にされる。横型バーナーを備えた炉の場合には、再生器は炉の側壁の後ろに配置される。

本発明は、特にはガラスをフロートガラス装置において板ガラスに成形できるようにガラスを溶融するための、横型バーナーを備えた全てのタイプのガラス炉に関する。ガラスは、上流の壁から下流の壁まで２つの側壁（胸壁）の間で炉を通過する。横型バーナーを備えた（互いに平行な）側壁は、一般的には７〜１６ｍ離れている。バーナーは、互いに対面して配置された２つの１／２バーナーの組で胸壁に取り付けられる。炉は、３〜１０個の横型バーナーを一般に備え、すなわち、各胸壁が３〜１０個の噴射器／酸化剤流入口の組（すなわち炉に関して合計で６〜２０個の噴射器／空気流入口の組）を一般に備える。

本発明はまた、再生器を備えたガラス炉の燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための本発明による方法の使用に関する。

横型バーナーと再生器を備えたガラスを溶融するための炉４１の上から見た図を示す。 ガラス７の流れのラインに沿って横から見た断面における横型バーナーを備えた炉１を示し、切断面は１つのバーナーと２つの再生器を貫いている。 比Ｒが５より小さいことを除いて同じ火力を有する図２と同じガラス加熱装置を示す。 溶融ガラス３６の浴を収容する炉の一方の胸壁３０において酸化剤及び燃料の流体に与えられる配向を示す。

図１は、横型バーナーと再生器を備えたガラスを溶融するための炉４１の上から見た図を示す。炉４１は、上流の壁４３と、下流の壁４４と、２つの側壁（又は胸壁）４５及び４５’とを備えている。ガラス化可能な材料が、図示されない通常の装置を介して上流の壁４３の付近に導入される。溶融されたガラス化可能な材料は、矢印で示されるように上流から下流の方向に流れる。図示される場合では、ガラスは、板ガラスを製造するためのフロートガラス設備であることができる変換装置（図示せず）に入る前に熱的調整を目的として冷却段階４７を通過する。炉４１は、その２つの側壁に４つのバーナー、すなわち、交互に運転される４つの空気１／２バーナーの２列を備えている。各空気１／２バーナーは、ダクト８及び８’を介して供給される燃料の噴射器（又は噴射器のグループ）と、高温空気の流入口９及び９’を備えている。噴射器（又は噴射器のグループ）は空気流入口の下に配置されている。開口９及び９’は、高温空気の流入口及び排ガス捕集器として交互に作用する。それらはそれぞれ再生器１０及び１０’に接続されている。壁４５の噴射器が運転中の場合には、壁４５’の噴射器は運転していない。排ガスは対面する側壁４５’の開口９’を通り、その熱が再生器１０で回収される。数十分の後、炉の運転が逆転され、すなわち、壁４５の１／２バーナーの運転が停止され（開口９を通る空気の流れと同様に、ダクト８を通る燃料ガスが止められ）、壁４５’の空気１／２バーナーのスイッチがオンにされ、その噴射器がダクト８’を介して供給され、そして空気流入口９’に高温の空気が供給される。空気は、再生器１０で加熱されているので高温である。数十分の後、炉の運転が再び逆転等される（逆のサイクルを繰り返す）。ここで、炉は液中壁１１を備えているが、溶融ガラスにおいてコンベヤーベルトの形成を促進させている。

図２は、ガラス７の流れのラインに沿って横から見た断面における横型バーナーを備えた炉１を示し、切断面は１つのバーナーと２つの再生器を貫いている。炉は運転中である。炉は溶融ガラス７の浴を収容している。噴射器２及び２’（図２では、噴射器２のみ運転中である）は、炉の胸壁（側壁）において互いに対面して配置されている。火炎１５が、噴射器２と酸化剤流入口３を備えた左側の１／２バーナーから出ている。酸化剤は、再生器４を通過した後に温められ、再生器４は、点線５の下に耐火性ライニングの排気筒を含み、この線の上の再生器の部分は再生器の自由空間１８であり、この自由空間は頭部１９を含む。酸化剤は再生器４中の太い矢印の進路に従い、そして噴射器２より上の炉内に出る。ここで、比Ｒは実際に５〜１３に設定され、火炎は溶融ガラス７の表面６にうまく押し付けられている。燃焼排ガス１１は、火炎より上に火炎が始まるバーナーの方へ戻る循環ループを形成する傾向がある。この排ガスの戻りが火炎を下に押し、有利には火炎をガラス表面に押し付ける。ガラスへの熱伝達には最適である。排ガスは運転中のバーナーに対面して配置された再生器１３の管１２を通り抜けて、再生器１３を通って太い矢印の進路に従う。これらの排ガスは、点線１４より下に位置する再生器１３の耐火性ライニングを温める。

図３は、比Ｒが５より小さいことを除いて同じ火力を有する図２と同じガラス加熱装置を示す。ここで、火炎１６はガラス７の表面６に十分には押し付けられていない。ガラスへの熱エネルギーの伝達は十分ではなく、結果として頭部１７の温度がより高い。

図４は、溶融ガラス３６の浴を収容する炉の一方の胸壁３０において酸化剤及び燃料の流体に与えられる配向を示す。酸化剤は、大きな断面の管３１を介して炉内に出て、管３１の上部３２が下方に向けられ、水平と角度３３（１８〜３０°）を形成している。燃料供給管３４は小さな断面であり、水平と角度３５（３〜１２°）を形成している。したがって、燃料と酸化剤に与えられる方向は、燃料と酸化剤がそれらの各供給管を出た地点において収束的である。酸化剤供給管の上部の方向と燃料供給管の方向との間で形成される角度３７は角度３３と３５の合計である（この合計は一般的には２１〜４２°である）。

［例１〜３］
試験は、胸壁に７個のバーナー（１４個の噴射器のグループ、１４個の空気流入口、及び１４個の再生器）を備えたガラス炉（１０．７ｍ×３３．５ｍ）で行った。１つの１／２バーナーの酸化剤インパルスを変化させ、表１に示すように様々なパラメータを分析した。

全ての試験は同じ電力で行った。燃料は液体の軽油であった。ＮＯｘとＣＯの含有量は排ガスを捕集する再生器の自由空間において測定した。

火炎は、例２の場合における中間のＲで正しく押し下げられ、結果として、最小の頭部温度と、ガラスの品質及び排ガスの有害性（ＮＯｘ及びＣＯ）の両方の点で優れたパラメータが得られることを見出した。

［例４〜６］
手順は、燃料がガスの二重インパルス噴射器を介して噴射される天然ガスであったこと以外は、例１〜３と同様であった。１つの１／２バーナーの運転条件を表２にまとめられる条件下で変化させた。全ての試験は同じ電力で行った。火炎は、例５の場合における中間のＲで正しく押し下げられることが見出され、このことは、最小の頭部温度（炉及び再生器）と、ガラスの品質及び排ガスの有害性（ＮＯｘ及びＣＯ）の両方の点で優れたパラメータの組によって明らかにされた。

Claims (15)

1. 横型バーナーを備えかつ再生器を取り付けた側壁を具備する炉を用いて溶融ガラスを加熱する方法であって、少なくとも１つの横型バーナーに、３０ｖｏｌ％未満の酸素を含む酸化剤と、酸化剤インパルス／燃料インパルスの比が５〜１３であるような燃料とを供給し、酸化剤中の合計酸素含有量が１５ｖｏｌ％よりも大きいことを特徴とする、方法。
2. 少なくとも１つの横型バーナーに、酸化剤と、酸化剤インパルス／燃料インパルスの比が６〜１１であるような燃料とを供給することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 酸化剤インパルス／燃料インパルスの比が９．５より小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 酸化剤が２５ｖｏｌ％未満の酸素を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 酸化剤供給管の上部が水平と１８〜３０°の角度を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 酸化剤供給管の上部の方向と燃料供給管の方向との間で形成される角度が２１〜４２°であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. バーナーの酸化剤流入口の断面／燃料流入口の断面の比が２０〜２×１０⁵であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 横型バーナーへの酸化剤の流入口が各側壁において０．５〜２ｍ²の断面を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 横型バーナーが４〜１２ＭＷの電力を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 横型バーナーを備えた側壁同士が７〜１６ｍ離れていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 炉が３〜１０個の横型バーナーを備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. バーナーが液体燃料を供給されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. バーナーが液体燃料を噴霧する噴射器を備え、該噴射器が液体燃料供給管と噴霧流体供給管を備え、該液体燃料供給管が、燃料が噴射器から噴出される前に燃料を回転中空噴流の形態にするための斜めの通路で貫通した部材を備え、各通路の母線が、液体燃料が供給される方向と１０°未満の角度を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. バーナーがガス燃料を供給されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
15. 再生器を備えたガラス炉の燃焼排ガス中のＮＯｘを低減するための、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法の使用。

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