JP5843423B2 - 液中バーナー及びオーバーヘッド型バーナーを備える炉 - Google Patents

Description

本発明は、オーバーヘッド型バーナーと組み合わせた液中バーナーを含むガラス形成バッチ物質を溶融させる炉に関する。特に液中バーナーは、固体バッチ物質に対する障壁として機能し得る。オーバーヘッド型、特に天井設置型のバーナーは、液中バーナーの炎の上で溶融したガラスの液面に当たってバッチ物質を溶融させるのに寄与する炎を有する。

ガラスを溶融させる液中バーナーが、特に国際公開第９９／３５０９９号パンフレット及び国際公開第９９／３７５９１号パンフレットにおいて知られている。ガラスを溶融させる天井設置型バーナーが、特に国際公開第０２／０９２５２１号パンフレット、米国特許第６２３７３６９号明細書、国際公開第９９／３１０２１号パンフレット及び国際公開第０２／０９０２７１号パンフレットにおいて知られている。他の文献では、ソビエト連邦第４２５８５３号明細書、米国特許第５１３９５５８号明細書、欧州特許第１２３６６９１号明細書、特開２００２−２８４５３２号公報、米国特許第５９２２０９７号明細書及び米国特許出願公開第２００２／１６６３４３号明細書に言及されている。

バッチ物質は炉の上流に導入される。ガラスの高品質のためには、それらが完全に溶融していることが望ましい。すなわち最終ガラスにバッチストーンがあってはならない。今のところ、他の物質より速く炉の中を流れてバッチストーンとして出現し、溶融ガラスと混ざり、最終ガラスの均質性及び光学的品質の不利益になる特定のバッチ物質を防ぐことは困難である。本発明はこの問題を解決するのに役立つ。

本発明によれば、ガラスの液面上に局所的に著しく高温の区間を作り、それらの溶融を成功させることによりバッチストーンを除去するために、少なくとも１つの液中バーナーに少なくとも１つのオーバーヘッド型、特に天井設置型のバーナーが付設され、オーバーヘッド型バーナーの炎は、液中バーナーの炎（又は、一般に溶融ガラスから発生する燃焼ガスであり、炎ではないという要因を考慮すると気泡）の上で溶融したガラスの液面に当たる。このデバイスには、デバイスの有効性をさらに高めて固体物質を溶融させるために液中バーナーの障壁を追加してよい。以後は、オーバーヘッド型バーナーを「液面バーナー（その炎は液中バーナーの炎の上でガラスの液面に当たる）」ということができる。したがって、本発明の炉には、少なくとも１つのオーバーヘッド型バーナーが取り付けられ、前記オーバーヘッド型バーナーには少なくとも１つの液中バーナーが付設され、前記オーバーヘッド型バーナーの炎は前記液中バーナーから気泡が発生する部分で溶融したガラスの液面に当たっている。そのようなオーバーヘッド型バーナーを、本発明に関しては「液面バーナー」という。本発明によれば、少なくとも１つの液中バーナーを含む障壁は、バッチ物質が前記障壁の下流を通るのを防ぐ。したがって、このバッチ物質は溶融状態でのみ障壁を越えて通ることができる。障壁はその中を通っている全バッチ物質を溶融させるのに寄与する熱も伝達する。

液中バーナーは、当然に炉の底で見つかる最も低温の（溶融した及び溶融していない）物質を液面まで上昇させて、それらが再加熱された後にそれらを炉の下流に送る。前記液中バーナーに付設されている液面バーナーは、液中バーナー自体と併用すると溶融の速度を上げるのに役立つ。

したがって、第一に本発明は、溶融物質が流れる方向の上流に、固体バッチ物質を導入する区間を含むバッチ物質を溶融させる炉であって、前記炉が液中バーナー及び、液中バーナーから気泡が発生する部分でガラスの液面に当たる炎を供給している液面バーナー（オーバーヘッド型バーナー）を含むことを特徴とする炉に関する。

本発明は液中バーナーを液面バーナー、特に天井設置型バーナーと一体化させる原則に則り、前記液中バーナーはバッチ物質の障壁として機能する性質を有することが可能である。液面バーナーから発散している炎は、液面上に局所的に著しく高温の区間を作るために、液中バーナーの炎（又は、一般に溶融ガラスから発生する燃焼ガスであり、炎ではないという要因を考慮すると気泡）の上方でガラスに当たる。液中バーナーが最も低温の物質を液面に上昇させるから、これらの物質は一方では液中バーナーの炎によって、もう一方では液面バーナーの炎によって再加熱される。これは、最も低温の物質の中に熱を直接加える手段である。液中バーナーをボイラー（未点火ガス）又は回収された燃焼排ガスに置き換えると、そのような有効性を達成できない。これらのガスは、非生産的な物質が上がってきたときに、それらを予冷する助けとなり得るからである。

ガスの燃焼が液中バーナーからの気泡と同じ液位で起こり得るように設計されている液面バーナー（一般に天井設置型）は、液面に上がっている冷却ガラスを選択的に加熱する。したがって、熱源と冷却点の間の温度差によって決まる熱伝達は大幅に改良されている。それ故に、一定のガラスを生産する仕事によって、本発明はエネルギー消費を減らすことを可能にさせる。上部構造温度（炉を構成する材料が保つことができる更に高い温度限界）を一定に保つことにより、生産量を増やすことも可能である。

液中バーナーは、それぞれに溶融ガラスに対流を与えて固体バッチ物質が炉の下流端へ進むことを防いでいる液中バーナーの障壁の一部を形成してもよい。特に、炉の幅が広ければ、多数の液中バーナーよってバッチ障壁を形成することが好ましい。したがって、これらの液中バーナーは、溶融物質が流れる主方向に沿って一列に配置されることが好ましい。この主方向は、炉の軸線に沿った上流から下流への方向と一致する。障壁の効果が得られるならば、液中バーナーは直線に対して僅かにずれていてもよい。液中バーナーから発散している気泡は、固体物質に対流移動を与え、それらを炉の上流へ戻す。したがって、炉の幅が必要とするだけの数のこの障壁を形成するための液中バーナーがあり、そして当然ながら各液中バーナーは、その発生している気泡の半径より僅かに大きい半径に亘って障壁の効果を有するであろう。未溶融バッチ物質は上流に送られる。溶融物質だけが障壁を越えて通過できる。液中バーナーの障壁は未溶融物質を再加熱し、場合によっては、それらを溶融させる。未溶融物質は、それらを溶融させる必要があれば何度でも障壁の上流で対流の環をたどる。オーバーヘッド型バーナー（「液面バーナー」）が、液中バーナーから気泡が発生する場所でガラスの液面に当たる炎を提供するので、障壁システムの有効性は高まる。障壁が単一の液中バーナーのみを含むならば、一般にこれは炉の幅の中ほど（炉の側壁間の中間距離）に配置される。障壁が複数の液中バーナーを含むならば、単一の液面バーナーのみを備えることが可能であり、その炎は溶融したガラスの中ほどでガラスの液面に接触することが好ましい。ただし、液中バーナーと同数の液面バーナーを備えることが好ましく、前記液中バーナーは、液面バーナーからの炎が、液中バーナーから炎（又は気泡）が発生する部分に（著しく影響して）接触するように、各液中バーナーに沿って垂直に配置されることが好ましい。したがって、障壁は液中バーナー／液面バーナーの一対を含み、それぞれの液中バーナーは液面バーナーに付設されている。

本発明の炉は、溶融物質の流路に沿って複数（２又は３以上）の連続的な障壁を含んでよく、各障壁は毎回、少なくとも１つの液中バーナーを含む。

好ましくは、各液面バーナーから発散しているガスはかなり高速で、例えば１５ｍ／ｓ以上の速度で、ガラスの液面に到達する。この速度はさらに高くてよく、また物質が溶融プールの液面から飛び散る危険次第では調節しなければならない。特に、液面バーナーの炎がバッチの堆積物付近に達するならば、この堆積物から物質を飛散させないように、そのガスの速度を制限することが好ましい。この速度は、例えば１５０ｍ／ｓ以下でよいが、バッチが飛散する危険がある場合には、４０ｍ／ｓ以下が好ましい。

液中バーナーの障壁を形成する場合には、障壁を形成するのに使用される液中バーナーの数は、未溶融物質がそれを越えて進まないが、上流に戻されるのに十分な数である。おおよそ、Ｎ_ｍｉｎが少なくとも［Ｌ／２Ｈの８０％］の整数部分（Ｌは炉の幅であり、Ｈは炉中で溶融したガラス（溶融ガラス）の高さである）に等しくなる（例えば、炉の幅が３ｍであり、ガラス高さが０．５ｍである場合には、Ｌ／２Ｈ＝３であるのでＬ／２Ｈの８０％は２．４であり、その整数部分は２であり、したがってＮ_ｍｉｎは少なくとも２に等しい）ようにＮ_ｍｉｎの数の液中バーナーをバッチ物質の流路に沿って配置することが通常は必要である。さらに好ましくは、Ｎ_ｍｉｎがＬ／２Ｈの整数部分と等しくなる（例えば、炉の幅が３ｍであり、ガラス高さが０．５ｍである場合には、Ｌ／２Ｈ＝３であるのでＮ_ｍｉｎは少なくとも３と等しいことが好ましい）ように、バッチ物質の流路に沿ったＮ_ｍｉｎの数の液中バーナーを配置する。一般的には、Ｎ_ｓｕｆｆが最大で１＋［Ｌ／２Ｒの１２０％］の整数部分（Ｌは炉の幅であり、Ｒは液中バーナーから発生している気泡の半径である）と等しくなるようにＮ_ｓｕｆｆの数の液中バーナーを障壁に配置すれば十分である。さらに一般的には、Ｎ_ｓｕｆｆが最大で１＋［Ｌ／２Ｒ］の整数部分と等しくなるようにＮ_ｓｕｆｆの数の液中バーナーを障壁に配置すれば十分である。

液中バーナーから発生している気泡の直径は、目視観測により決定してよい。

目安として、（酸化剤として純酸素及び燃料としてメタンを入れた）液中バーナーの気泡が液面に到達した瞬間のその気泡の半径Ｒ（ｍ）は、少なくとも下記と等しい。

式中、
Ｔはガラスの温度（Ｋ）であり、
Ｐはバーナーの電力（ｋＷ）であり、及び
ηはガラスの動粘性率（ｍ^２／ｓ）である。

現実的にはその直径は、気泡が液面に到着したときにつぶれる効果のために、僅かに大きい。したがって、実際の直径は上記式で得られるものより約１０〜２０％大きい。

液中バーナーの電力は、例えば１０〜１５０ｋＷの範囲でよい。横付式オーバーヘッド型バーナーの電力は、例えば１００〜１０００ｋＷの範囲でよく、一方で液面オーバーヘッド型バーナーの電力は、例えば３００〜３０００ｋＷの範囲でよい。

液中バーナーの障壁では、全ての液中バーナーは、障壁を作り出すために溶融したガラスを横切るように、一定間隔で、定期的に配置される。障壁が複数の液中バーナーを含むならば、それは、それぞれが炉の側壁の１つにより近い２つの液中バーナーを含む。障壁の末端に配置されたこれらのバーナーは、それらの最も近い壁から距離ｄにある。この場合には、同一障壁内の２つの液中バーナー間の距離は２ｄであることが好ましい。２ｄは液中バーナーから発生している気泡の直径と実質的に一致していることが好ましい。

したがって、本発明の炉は複数の液中バーナーを含む障壁を有してよく、様々な液面バーナーが障壁の各液中バーナーに付設されている。

本発明の炉には、横付式オーバーヘッド型バーナーを取り付けてよい。

液中バーナー及びそれに付設されている液面バーナー、さらには１つ又は２つ以上の液中バーナーの予想される障壁の組み合わせの他に、炉には、炉の側壁を通してオーバーヘッド型横付式バーナーを取り付けてもよい。溶融ガラスを加熱している電極対は、直接に、特に床を通して、炉の全加熱に関与してもよい。

オーバーヘッド型バーナー（特に溶融したガラスの液面の方を向いていない炎）を取り付けられた従来の炉と比較して、本発明はガラスプールへの熱伝達をかなり向上させる。これは、液中バーナーが炉内の対流を増加させて冷却ガラスをガラスプールの液面に連続的に上昇させることによる。対流のこの増加は床を冷却することなく起こり、それによって冷却ガス又は燃焼排ガスの単一発泡を防いでいる。

さらに、一般にバブラーによって送られたガスの量は、液中バーナーによって発生させられたガスの量の１０％しかない。一般に燃焼排ガスが１５００〜１６００℃付近の温度を有するのに対して、液中バーナー炎はより高温、特に１８００℃より高温、約２０００℃（空気／可燃性ガスの燃焼の場合）〜２５００℃（酸素／可燃性ガスの燃焼の場合）を有する。燃焼ガスは、それらが輸送されるしかなければ急速に冷える。バブラー（高温燃焼ガスを与えたものでさえも）と比較すると、液中バーナーは、その中で直接起こる燃焼のために、さらに多くの熱エネルギーをガラスに直接与える。

バッチ物質は、（それらの性質によって）溶融物質上に浮かぶことができるバッチ堆積物を形成する場合には、ガラスプールの上に導入してよい。それらはガラスプールの下から導入してもよい。一般に液中バーナー（及び、したがって、これが一部を構成する液中バーナーの予想される障壁も）は、バッチ堆積物の末端と炉の出口の間に、例えばバッチ堆積物の末端と炉の中央（その入口と出口の中間）との間に配置される。事実上は、液中バーナーなしで及び液面バーナーなしで形成するであろうバッチ堆積物と比べると、液中バーナーが前記堆積物を短縮する（すなわち、短くする）ように前記堆積物の末端に液中バーナーを置くことは有利である。この態様は図２でより詳細に作り上げられている。したがって、本発明は、溶融しているガラスの上にバッチ物質を導入してバッチ堆積物を形成する方法であって、液中バーナー（及び、したがって、これが一部を構成する液中バーナーの予想される障壁も）を前記堆積物の末端に配置する方法にも関する。

バッチ物質は原料物質を含んでよいが、カレットさらには廃棄物が確認されることを意味する。それらは可燃性（有機）成分を含んでもよい。したがって、例えば、（断熱若しくは防音に使われる又はプラスチックの強化に使われる種類の）バインダーを有する標準サイズの鉱物繊維、フロントガラスのようにポリビニルブチラール型のポリマーのシートでラミネート加工されたつや出し材、又は壜のようにガラス及びプラスチックが合わさった任意の種類の「複合」材料を再利用してよい。金属を含む塗装で機能化されたつや出し材のような「ガラス／金属又はガラス／金属化合物の複合材料」を再利用することも可能であるが、今までは、これには床面に堆積する金属を溶融室に徐々に混入させる危険があり得たので再利用が困難であった。しかし、液中バーナーに起因した溶融によって課せられた撹拌がこの沈殿を防ぎ、それ故にそれを、例えばエナメル層、金属層及び／又は様々な関連成分で被覆されたつや出し材を再利用することを可能にする。

溶融の工程では、バッチ物質の塊の位置より下にある溶融室の中にバッチ物質の全部又は一部を導入してよい。これらの物質の幾つかは、例えばウォームネジ型の仕込み手段により、いつものように、液化を受けている塊の上から、また残りは下から導入してよい。それ故に、溶融室の壁の範囲内に分配された一部分で又は様々な部分で、液化されている塊の中にこれらの物質を直接導入することが可能である。液化されている物質（「ガラスプール」）の塊の中へ直接そのように導入することは、１つ以上の点で有利である。第一に、それはガラスプールの上で原料物質が飛散する全ての危険をかなり減らすので炉によって発生した固形の塵の量を最小にする。第二に、精製区間の中に抽出する前に、前記物質の最小滞留時間のより良い制御を可能にして、液中バーナーの配置によって、対流の撹拌が最大になる部分でそれらを選択的に導入させる。それ故に、ガラスプールへ導入する前記部分は、ガラスプールの液面付近に、又はより深くに、例えば、床の位置から始まるガラスプールの総深さの１／５〜４／５のガラスプールの高さに位置してよい。

各バーナー（液中バーナー又は横付式若しくは液面オーバーヘッド型バーナーのいずれか）には酸化剤及び燃料を入れる。特に、酸化剤は空気若しくは酸素又は酸素富化空気でよい。この燃料が、天然ガス、プロパン、液化燃料油又は任意の他の炭化水素燃料のような化石燃料ガス型かどうかは拘らなくてよい。特に液中バーナーの場合には水素でもよい。液中バーナーによる溶融において酸素酸化剤の使用を水素燃料の使用と合わせることは、バーナーのエネルギーを溶融ガラスの中へ効率的に熱伝達することを確実にする最良の方法であり、さらに完全な「洗浄」工程、つまり、それが原料物質の脱炭酸化を原因とするであろうもの以外には、窒素酸化物ＮＯｘもＣＯｘ型の温室ガスも漏れない工程になる。

本発明によれば、液面バーナーは液中バーナーに付設されていて、液面バーナーの炎は、燃焼ガスが液中バーナーから発生する部分に、高速で当たっている。特にこの条件は、酸素に関して超化学量論的な（つまり液中バーナーに供給される全燃料を燃焼させるのに十分なものと比べて酸素の豊富な）液中バーナー及び液中バーナーに付設されている可燃性ガスに関して超化学量論的な（つまり液面バーナーに供給される全酸化剤と反応するのに十分なものと比べて燃料の豊富な）液面バーナーに適合するであろう。このように、ガラスの液面（未溶融物質の通路を配置する）では十分に局在化した付加的な加熱があるという意味では、二次燃焼は、一方で、液中バーナーからの過剰な酸素と液面バーナーからの過剰な燃料の間にあるガラスの液面上で起こる。ガラスの液面上でこの二次燃焼を得るために、逆のことをする、つまり可燃性ガスに関して超化学量論的になるように液中バーナーを供給すること及び酸素に関して超化学量論的になるように液面バーナーを供給することも可能である。

各液中バーナーは、対流によってバッチ物質の極度の撹拌を引き起こす。それ故に、対流の環は燃焼部位若しくは「炎」又は燃焼ガスの流れのいずれかの側で生じ、溶融物質及びまだ未溶融の物質を非常に効率的に連続混合する。これは、機械的撹拌手段（余り信頼できない及び／又は急速な水を対象としていない）を必ずしも使うことのない「撹拌された」溶融という非常に好ましい特性を有する。

液中バーナーによるこの種類の溶融は、溶融室内のいずれかの種類の塵及びＮＯｘ型ガスの放出をかなり減らすことを可能にする。熱交換が、これらのガスの発生を促進する傾向のある温度ピークを避けながら、急速に起こるからである。これはＣＯ_２型ガスの放出もかなり減らすので、プラントの総エネルギー消費は、（例えば反転モードで運転しているオーバーヘッド型バーナーのみを用いる）従来の装置より低くなる。

所望により、溶融よりもバッチ物質を予熱する工程が先行してもよいが、それらを液化させるのに必要な温度より実質的に低温に、例えば最大９００℃に予熱する。この予熱を実行するために、燃焼排ガスの熱エネルギーを回収することは有利になるであろう。したがって、それらの熱を取り出すことによって、全体的にはプラントの比エネルギー消費を減らすが可能である。

一般に、ガラスは同一の炉の下流及び／又は炉の下流の精製区画内のいずれかで精製される。精製後、流路を通してガラスを出してもよいが、本発明は流路のない炉にも適用される。特に、精製後、ガラス用フロートバスなどの板ガラスを形成するプラントにガラスを連続的に供給してよい。

図１は一側面から見た本発明の炉１を示す。ガラスプールの液面４の直上にある炉の供給デバイス３（ウォームネジ）によって、炉の上流でバッチ堆積物を形成するバッチ物質２をこの炉に供給する。液中バーナー１０は、その液面へ上昇する気泡状の炎５を発生させる。液面へのこの上昇は、矢印で示された対流を作り出す。バッチ堆積物２（バッチ堆積物の末端は１２に位置する）から出て、液中バーナーの炎が発生する場所に向かっている未溶融物質は、これらの対流によって上流へ押し戻される。天井に設置したオーバーヘッド型バーナー５は、溶融ガラスの液面に当たる炎６を作り出す。したがって、未溶融物質は液中バーナーの炎及び天井設置型バーナーの炎によって加熱される。炉の加熱は、電極対７及び炉の側壁に配置された横付式オーバーヘッド型バーナー１１によって補完される。溶融ガラスは炉の下流へ流れ、流路８を通過して、９に位置するオリフィスから流れ出る。

図２は液中バーナー２１（及び、したがって、これが一部を構成する予想可能な障壁）を配置する好ましい場所を図示する。燃焼ガスの充満した気泡２２は、このバーナー２１の垂直上方の液面に発生する。バーナーは、前記堆積物を短縮することに寄与するように、バッチ堆積物２３の末端に配置することが好ましい。点線は、液中バーナーがないとき及び液面バーナーがないときのバッチ堆積物の形状を示す。この堆積物の末端は点２４に達するであろう。液中バーナーの障壁は、この末端が依然として点２５に残っているようにこの堆積物の末端を短縮する。液面バーナー２６は液中バーナーの垂直上方に位置し、その炎２７は気泡２２が液中バーナー２１から発生する部分でガラスの液面に当たる。液面バーナーは堆積物の末端を短縮することにも寄与する。したがって、液中バーナーは、最終的にはそれが運転しているときに、前記液中バーナーが（ガラスの流れる方向に関して）バッチ堆積物のまさに下流に位置できるように、それがないときに形成されるであろう（点線で示した）バッチ堆積物の末端の下に配置される。

本発明の炉を示す側面図である。 液中バーナーを配置する好ましい場所を示す図である。

Claims (8)

1. 溶融物質が流れる方向の上流にある、固体バッチ物質を導入する区間；
   １つ以上の液中バーナー；及び
   オーバーヘッド型バーナー；
   を含む、バッチ物質を溶融させる炉であって、
   前記液中バーナーの各々が、前記溶融物質の溶融ガラス中に対流を生じさせ、
   前記液中バーナーの少なくとも１つが、前記オーバーヘッド型バーナーに付設されており、
   前記オーバーヘッド型バーナーは、前記付設されている液中バーナーから気泡が発生する部分で前記溶融ガラスの表面に当たる炎を供給し、
   前記オーバーヘッド型バーナーにより生じる前記炎と前記付設されている液中バーナーにより生じる炎の両方に由来する熱が、前記溶融ガラスの前記表面の一カ所に集中し、かつ
   前記１つ以上の液中バーナーは、前記１つ以上の液中バーナーにより生じる前記対流により障壁を形成し、前記固体バッチ物質を前記炉の前記上流へ送り、それにより、前記固体バッチ物質が前記液中バーナーのいずれかを越して前記炉の下流端へ進むことを防止する、
   バッチ物質を溶融させる炉。
2. 前記障壁の各液中バーナーに別のオーバーヘッド型バーナーが付設されていることを特徴とする請求項１に記載の炉。
3. 前記障壁内の液中バーナーの数が、少なくとも［Ｌ／２Ｈの８０％］の整数部分（ただし、Ｌは炉の幅であり、Ｈは炉中の溶融ガラスの高さである。）に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の炉。
4. 前記溶融物質の流路に沿って液中バーナーの複数の連続的な障壁を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炉中で溶融を行なうことを特徴とするバッチ物質を溶融させる方法。
6. 前記溶融ガラスの上に前記バッチ物質を導入してバッチ堆積物を形成し、前記液中バーナーを前記堆積物の末端に配置することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記オーバーヘッド型バーナーからのガスが、１５ｍ／ｓ以上の速度でガラスの表面に到達することを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記液中バーナーの炎が１８００℃を超えていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。

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