JPH07501309A - 大量、低速、乱流火炎による炉の酸素／燃料燃焼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 大量、低速、乱流火炎による炉の酸素／燃料燃焼本出願は、フォアハースにおけ るガラスの酸素／ガス燃焼と題する１９９２年９月１４日出願された出願番号第 ０７／９４４．５５１号の一部継続出願である。

発明の分野 本発明は、炉を加熱してガラスの様な材料を融解、精製、酸素／燃料燃焼する装 置および方法に関する。

発明の背景 気体または液体燃料用の酸化体として比較的純粋な酸素、少なくとも９０％の酸 素を使用する炉の燃焼において、所望の結果を達成するために、米国特許第３． ５９２．６２２号、第４゜３７６．２０５号、第４．５３１．９６０号、第４， ５４１゜７９６号、第４．６２２．００７号、第４．６４２．０４７号、　第　 ４．６９０．６３５号、　第　４．７６１．１３２号、　第４．９８６，７４８ 号、第５，１４５，３６１号、第５．１４７．４３８号に記載されてし）る様な さまざまなバーナー、およびＧｏ＋ｗｂｕｓｔｉｏｎ　Ｔｅｃ、　Ｉｎｃ、のＣ １ｅａｎｆｉｒｅ（商＋１［）バーナーを使用することが知られている。これら のバーナーはすべて酸素を炉の中の、燃料流のすぐ近くに導入し、エネルギーが 濃縮された強烈な火炎を炉の中に形成する。これらのバーナーの幾つかを炉壁中 に間隔を置いて配置し、燃焼させると、複数の強烈な火炎が、その火炎の境界間 にある比較的低温の空間と共に形成される。この条件は、ガラス溶融の様な用途 に対する以前の空気−燃料燃焼技術よりは改良されてしするが、炉およびその炉 中にある加工製品の温度均一性を改良するための余地をなあ残している。

発明の簡単な要旨 本発明は、新規で改良された炉の燃焼機構および炉の燃焼方法に関する６本発明 は、広範囲な炉に適用できるが、特にガラス溶融工程の様な溶融工程に使用する 炉に適している。

本発明では、従来型の酸素−燃料バーナーは使用しない、その代わりに、プロパ ンまたは天然ガスの様な燃料の流れがノズルまたはパイプを通して炉の中に導入 される位置から離れた位置において、炉の壁および／または屋根のひとつ以上を 通して酸素の流れが炉の中に導入される。酸素および燃料の流れを分離すること により、ガスが炉の壁またはクラウンから安全な距離に来るまで、実質的な燃焼 を引き起こすのに十分な濃度で酸素が天然ガスと接触しない、これによって、炉 の耐火材は、燃焼が壁の近くまたはバーナーブロック中で始まる先行技術の酸素 −燃料燃焼炉よりも低温に維持される。好ましくは、流れまたはノズルは、壁お よび／または屋根の中で少なくとも６インチ、通常は少なくとも１０インチ離し て配置される。

燃料上よび酸素用のノズルは、炉中で従来使用されている空気−燃料または酸素 −燃料バーナー機構から来る火炎よりも、より多（の加工製品区域を覆い、また はより多くの炉の容積を満たす火炎群が炉中に発生する様に配置および制御され る。ここで使用する火炎群は、寸法および体積は僅かに変化するが、密度は極め て一様である火炎の三次元的で動的な集合体を意味する。好ましくは、各燃料流 は少なくとも１個の酸素流に隣接図１は、先行技術のガラス溶融炉ｌＯを示す、 非常に簡素化し、各酸素流は少なくとも１個の燃料流に隣接する。多くの組合せ が可能であるが、一様な温度の火炎群を発生させるのに最も好ましい配置では、 酸素流が炉の中央部分で燃料流と連続的に衝突する様に酸素ノズルを実質的に、 好ましくは本質的に燃料ノズルと対向させて配置し、この配置を他のノズル対で 反復し、所望の火炎群パターンを達成する。また、ノズルまたは注入装置の多対 に対する燃料および酸素の流量を調整し、炉中に所望の温度プロフィールを形成 することができる。

本発明は、酸素または少なくとも７５％の酸素を含む酸素濃度の高い空気混合物 、および天然ガス、プロパン、または噴霧したまたは蒸発させた燃料油を使用し てガラスの前駆物質を融解させるのに特に好適である。

図面の簡単な説明 図１は、先行技術のガラス溶融炉の平面図である。

図２は、酸素−燃料バーナーを使用する類似のガラス溶融炉の平面図である。

図３は、本発明の好ましい実施態様によるガラス溶融炉の平面図である。

図４３よび５は、図３に示す実施態様の炉中に酸素および気体状燃料を注入する のに使用する、好ましいノズルを示す。

図６は、本発明の燃焼機構を使用する精製チャネルおよびブッシングフィーダー の一部を示す平面図である。

図７および８は、図６に示す機構の変形を示す部分平面図である。

発明の詳細な説明 る窒素酸化物を形成する傾向がある。空気燃焼式バーナーの使した平面図である 。この長方形の炉ｌＯは、後壁１２．２個の側壁１３、前壁１４、および図には 示していないが通常のクラウンおよび底部からなる。壁はすべて通常の方法によ り耐火性材料で構築されている。天然ガスの様な燃料、および空気または酸素を 使用するバーナー１９は側壁１３中に位置し、燃焼し。

ガラス形成材料を融解させ、かつ得られた溶融ガラスを所望の製品に形成される 様に、精製させるのに必要な熱を与える。

バッチ材料１５は、公知の方法で後壁１２中の２個以上の開口部を通して炉１０ の中に計量供給され、バッチカバー１６を形成し、このバッチカバーは、炉ｌＯ を長さ方向で下方に移動し、この間に、最後の未溶融材料がバッチライン１７で 消失するまで徐々に融解していく、溶融ガラス１８は炉の中を長さ方向でさらに 下方に移動し、より均質になり、気泡やシードが無くなり、前面壁１４中のスロ ート１１を通してフォアハースまたはフィーダー（図には示していない）中に放 出され、そこでガラスは所望の温度に調整され、成形装置に搬送される。

この先行技術の炉では、バーナー１９に燃料と空気の予備混合物、燃料および空 気の別な流れ、または燃料および酸素の別な流れを供給することができる。エネ ルギー効率がより高く、環境的にも好ましいので、空気の代わりに比較的純粋な 酸素を使用することが非常に多くなっている。空気は燃焼反応に貢献しない約７ ９％の窒素を含む０反対に窒素は大量のエネルギーを吸収し、処理しなければな らない排ガスの量を著しく増加させる。また窒素には、有害で、除去するのに非 常に経費がかか用により生じるこれらの問題点のために、工業界では空気の多く または全部を置き換えるために比較的純粋な酸素を使用し始めており、酸素使用 の正味原価が低下するにつれて、この傾向が加速している。

図２は、図１に示すものと類似しているが、図１に示すより多くの空気−燃料バ ーナー１９の代わりに１００％酸素−燃料バーナー２１を使用するガラスタンク ２０を示す１分かり易くするために、これら２基の炉の対応する部分は同じ番号 で示しである。酸素−燃料バーナー２１および各バーナーに対する流量調節装置 は非常に高価である。この理由から、および酸素−燃料バーナーの火炎温度は空 気−燃料バーナーのそれよりもはるかに高いので、酸素−燃料バーナーを使用す る場合、酸素−燃料バーナーを空気−燃料バーナーよりも広く間隔を置いて配置 することにより、バーナーの数を少なくするのが一般的である。酸素−燃料バー ナーが空気−燃料バーナーよりも高価である理由の一つは、ガスがバーナーの末 端を通過するまで、好ましくはガスが側壁１３の内側近くになる、またはそこを 越えるまで、燃料流を酸素流から離しておく必要があるためである。

これによってバーナーや側壁をひどく損傷させることがある、バーナーまたは壁 の内側における燃焼が防止される。

酸素−燃料燃焼は、空気−燃料燃焼に対して多くの優位性を有するが、それでも 幾つかの面で改良を必要としている。その一つは、バーナーが高価なことであり 、及びバーナーの不調または欠陥がバーナーを壊すだけではなく炉の側壁に経費 のかかる損傷を与える危険性があることである。また、溶融ガラス表面の温度を 変動させる、ガラス上の雰囲気の温度が著しく変動することは重大である。これ は、どの酸素−燃料火炎も華氏５０００度を超え、バーナーが空気−燃料バーナ ーよりも広く間隔を置いて配置され、火炎からの放射は放射源からの距離の２乗 により減少し、酸素−燃料バーナーから来る火炎ノくターンが一般的に円筒形で 、次第に拡大する円錐台に近い形状を有するために起こる。そのため、炉中で、 高温の火炎ノくターンの間に、その火炎パターンよりも著しく低温の区域がある 。

本発明は、安価なガスノズルを独特な方法で使用し、加工製品に熱エネルギーを より均一に与＾る火炎群を形成することにより、これらの欠点を克服する。各ノ ズルは酸化体だけを、または燃料だけを含むので、早く燃焼し過ぎること、およ びその早過ぎる燃焼により引き起こされ得る損傷および危険な状況カ＄生じない 。

図３は、溶融ガラス製造用のガラスタンク２２に使用した、本発明の好ましい実 施態様を示す、このタンクまたは炉２２（よ、従来のバーナー９および２１が使 用されていない以外は、図１および２に示す炉と同一である０代わりに、）く− ナー９および２１は、比較的近い間隔で配置されたノズルまたはノくイブ２３． ２４および２５で置き換えられている。ノズル２３．２４および２５は、通常少 なくともｌＯインチ離して、数フィートまで離して配置する。ノズルの間隔は、 炉２２のノズル２３．２４および２５を含む部分において、バッチおよび溶融ガ ラスの上表面の少なくとも５０％、好ましくは７０％、最も好ましく番よ少なく とも８０％をカバーする火炎群または火炎の覆いが形成される様に選択する。

ノズル２３．２４および２５は単にある長さのパイプであり、高温酸化および腐 食に耐える様に好ましくはステンレス鋼または他の耐火性金属からなり、好まし くはノズル２３．２４および２５は図４および５に示す形状を有する０図４は、 ガラスタンク中の耐火性側壁の一部を切り取った状態を示す、２つの側面２７． ２８および出口末端２９を有するノズル２６は側壁中に配置され、ノズルの出口 末端２９が、側壁の内側表面３０と同じ面に、またはその内側に位置する。、ノ ズル２１の入口末端は図に示していないが、所望により丸くして供給バイブ部分 に取り付は易くすることができる。ノズル２６の出口末端２９の形状により、噴 出する燃料または酸化体が扇形のガス流を形成し、これがノズル出口２９から遠 ざかるにつれて水平面内で広がるが、垂直方向にはほんの僅かしか広がらない、 燃料および酸化体の交互の扇つまり流れが互いに接触する時に燃焼が起こり、バ ッチカバーまたは溶融ガラスの表面のすぐ上で火炎群を形成し、加工製品への放 射によるエネルギー移動を最大にし、炉の耐火性クラウンへの放射によるエネル ギー移動を最小に抑える。溶融ガラスプールとノズル底部の距離は少なくとも２ 〜１２インチにすべきである。

ノズル２３．２４および２５に使用できる別のノズル実施態様を図５に示す、ノ ズル３１は細長い長円形の出口末端３２を有する。上記の目的に好適な他のノズ ル形状は当業者には明らかである。

再び図３に関して、ノズル２３は工業等級の酸素流３３を溶融装置中に注入し、 ノズル２４は天然ガスまたはブロノくン流３４を溶融装置中に注入するのに使用 される。噴霧または気化された燃料油または他の公知の気体状燃料もノズル２４ に使用できる。ノズル２５は、所望により酸素の注入に使用され、それぞれの気 体状燃料の流れがその両側に酸素流を有し、得られた火炎群の中で完全燃焼が確 保される様にする。注意すべき（よ、この好ましい実施態様では、それぞれの側 壁１３中のそれぞれの気体状燃料ノズル２４に、反対側の側壁１３中のノズＪし ２３が対向する、または実質的に対向していることである。これによって、炉の 中央部分で対向する流れが最終的に良く混合され、火炎３５の群を形成する。こ の実施態様では、ノズル２３．２４および２５を通るガス流が冷却効果を有し、 流れ３３および３４は、壁１３の作動表面から遠く離れる３６まで互ＬＡＮに接 触しないので、壁１３は過熱されない。これらの流れが交差する点、つまり区域 ３６は側壁３の内側から少なくとも１２インチ離れているのが好ましい。この高 温雰囲気中の遅延燃焼により、燃料流中の燃料が分解し、揮発成分および非常に 小さな炭素粒子が形成され、これらが通常の燃料よりも遅しｘ速度で燃焼するこ とにより、より明るく輝く火炎群を生じる。この発光増加により、溶融ガラスお よびガラス被覆されたガラスノ〜・ソチによる放射移動効率が増加する。炉２２ の壁１３に隣接する区域３７には燃焼または火炎はほとんど存在しない、側壁の 近くに著しい燃焼がないこと、ならびにノズルがガラスラインのすく゛近くに位 置すること、および垂直寸法が小さい、狭し）扇状のガス流を形成するノズルの 形状の共同作用により、耐火性の壁およびクラウンが、先行技術の酸素−燃料炉 の最高温部分よりもはるかに低温に維持される。

本発明の好ましい方法では、ノズル２３．２４および２５は、後壁１２から始ま り、側壁１３の長さに沿って約２分の１〜３分の２までしか伸びていない、これ によって、火炎群３５は、溶融バッチ上の、最も多くのエネルギーが必要とされ るバッチライン１７を丁度越えた辺りに位置する。溶融ガラス１８は、火炎群を 越え、前壁１４の出口スロートに向かって移動する時に、ある程度冷却され、脱 気し、均質化する時間を必要とする。

運転の際、ノズルに供給される酸素および気体状燃料の量を調整し、炉中に所望 の温度を発生させ、燃焼中に化学量論的な条件、または燃焼中にやや過剰の酸素 をもたらす、対向する。

または実質的に対向するノズルの各組へのガスの流れを、火炎群３５の長さに沿 って所望の温度プロフィールが形成される様に調整し、変えることができる０本 発明におけるノズル２３．２４および２５に対する流量制御装置は、各バーナー が酸素上よび天然ガスの両方に関して流量制御を必要とする従来の酸素−燃料バ ーナーに対する流量制御装置よりもはるかに安価な、通常のガス流量制御装置で ある。

本発明のもう一つの用途は、ここに参考として含める米国特許第４．３７５．３ ６９号に示される様な炉の、溶融ガラス精製区域および成形区域またはフォアハ ースである。耐火性材料でライニングしたチャネルが溶融ガラスを精製させ、所 望の温度に調整しながら、ガラス繊維、びん等のガラス製品を製造する複数の成 形装置に搬送する。これらのチャネルおよびフォアハースにおける熱損失のため に、これまではバーナーを設置してガラスの温度を調節する必要があった。均一 なガラス温度を維持することが極めて重要なので、多くの小さなバーナーを設置 し、より多くの火炎で覆うのが一般的な方法であった。各小型バーナーにガスお よび空気をパイプ供給するのは非常に経費がかかり、空気／ガス混合機構にパッ クファイヤを防止するための高価な安全装置が必要となることが多かった。その ような橢横は高価であるのみならず、爆発や有害な掃気発火を防止するために注 意深い保守が必要であり、これらの問題点は、酸化体として空気の代わりに酸素 または酸素濃度の高い空気を使用する場合には大きく増大する。

図６は、その様なフォアハースチャネルおよび繊維成形フィーダーチャネルへの 本発明の応用を示している。溶融したガラスが、ガラス面下に潜っているスロー ト３８を通して炉１０から排出され、フォアハースチャネル４０を流れ下る。

チャネル４０は、そこに接続された複数の繊維成形フィーダーチャネル４２を有 する。これらのチャネル４０および４２の壁には最高ガラス面のすぐ上にバイブ またはノズルが、図１３のガラス溶融装置で示した方法で設置されている。チャ ネル４０および４２に沿ったすべての他のノズル４４は工業等級の酸素、または 少なくとも５０％の酸素、好ましくは少なくとも８０％の酸素、最も好ましくは 少なくとも９０％の酸素を含む酸素／空気混合物をチャネル中に供給し、その間 にあるノズル４３は気体状燃料をチャネル中に供給する。この配置により、先行 技術のバーナー機構から得られる火炎よりも、少ないノズルでより多くの溶融ガ ラスをカバーする火炎が形成される。各酸素ノズル４４には、反対側のチャネル 壁土にある燃料ノズル４３が対向、または実質的に対向している。これは好まし いノズル配向である。所望により、チャネルを区域に分割し、一つの区域内のノ ズルを共通の酸素流量制御装置および共通の燃料流量制御装置と組合せることが できる。

図７および８は本発明の他の実施態様を説明する。これらの実施態様では、酸素 ノズル４４け反対側の壁土の燃料ノズル４３と実質的に対向していない０図７で は、各酸素ノズル４４は他の酸素ノズル４４と対向しており、各燃料ノズル４３ も同様に他の燃料ノズル４３と対向している。各燃料ノズル４３は少なくとも１ 個の隣接する酸素ノズル４４を有する０図８では、どのノズルも反対側の壁土の 他のノズルと実質的に対向しておらず、ノズルは互いにずれている。

ここに示す実施態様のいずれにおいても、ノズルは、共通の壁中に配置される場 合、少な（とも１０インチ、好ましくは少なくとも１２インチ、最も好ましくは 少なくとも１６インチ離すことが重要である。共通の壁中に配置されるノズルの すべてが水平面上に整列するか、あるいは共通の水平面のせいぜい数インチ以内 に配置されるのが好ましい。

−二王’＝Ｉ６．２　先行技術 一モＥ”ＴＧ−３ −モｒ工Ｇ、４ −モｒＩ６．６ −モｒＩＧ、７ 二丁ＩＧ、８ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、ＳＥ ）、　ＣＡ、ＪＰ、　ＫＲ（７２）発明者　バリー　アール　スウィシャー　ジ ュニアアメリカ合衆国、　２６１０１　ウェスト　バージニア、パーカースバー グ、トウエンティナインス　ストリート３００６

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．気体状燃料を少なくとも５０％の酸素を合む酸化体と燃焼させて燃焼生成物 を排出することにより炉中で材料を加熱する方法において、その壁または屋根か ら安全な距離になるまで該酸化体の流れが該燃料の流れと実質的な燃焼を起こす のに十分な濃度で接触しない様な距離で互いに分離された個別のノズルを通して 該酸化体および気体状燃料を該炉中に導入し、酸化体ノズルの数を燃料ノズルの 数と少なくとも等しくして、前記ノズルを少なくとも３個使用し、および各酸化 体ノズルが少なくとも１個の燃料ノズルに隣接する様に前記ノズルを配置して前 記ノズルの境界により形成された区域の真下に位置する前記材料の少なくとも５ ０％を覆う火炎群を形成することを特徴とする方法。
2. ２．各燃料ノズルが、炉の別の壁中に配置された酸化体ノズルと実質的に対向し ていることを特徴とする請求項１の方法。
3. ３．前記壁が、前記燃料ノズルが配置されている側壁と対向する側壁であり、前 記ノズルが少なくとも６インチの間隔を置いて配置されていることを特徴とする 請求項２の方法。
4. ４．前記材料がガラス前駆物質材料からなり、加熱されて、前記ガラス前駆物質 材料により部分的に覆われた溶融ガラスのプールを形成し、前記ノズルが、その 底縁部が前記プールより約２〜１２インチ上になる様に配置されることを特徴と する請求項３の方法。
5. ５．前記ノズルが、前記ノズルから遠ざかるにつれて水平方向で広がるが、垂直 方向ではほとんど広がらない流れを形成する形状を有することを特徴とする請求 項４の方法。
6. ６．前記ノズルが、前記材料を含む前記プールの、前記ノズル間にはさまれた部 分の少なくとも７０％を覆う火炎群を形成する様に配置され、天然ガスおよび工 業等級の酸素で操作されることを特徴とする請求項５の方法。
7. ７．前記火炎群が前記部分の少なくとも８０％を覆うことを特徴とする請求項６ の方法。
8. ８．前記ノズルが、後壁から前記側壁の長さに沿って３分の２以下まで伸びてい ることを特徴とする請求項６の方法。
9. ９．前記材料が溶融ガラスであり、及び前記炉が溶融ガラスのプールを調整し搬 送するためのフォアハースであることを特徴とする請求項３の方法。
10. １０．前記ノズルの底縁部が、前記プールの上表面から２〜１２インチ以内にあ ることを特徴とする請求項９の方法。
11. １１．前記ノズルが、前記ノズルから遠ざかるにつれて水平方向で広がるが、垂 直方向ではほとんど広がらない流れを形成する形状を有することを特徴とする請 求項１０の方法。
12. １２．前記ノズルが、前記プールの少なくとも８０％を覆う火炎群を形成する様 に配置され、天然ガスおよび工業等級の酸素で操作されることを特徴とする請求 項１１の方法。
13. １３．前記材料が溶融ガラスであり、及び各燃料ノズルが、その軸の延長が前記 側壁に配置された少なくとも１個のノズルから間隔を置いた点で対向する側壁に 当たる様に配置されていることを特徴とする請求項１の方法。
14. １４．内部に含む材料を加熱するための炉において、前記炉の１個以上の壁に配 置された、酸化体および燃料の流れを個別に前記炉の中に供給するための少なく とも３個のノズルを含み、前記燃料ノズルは各酸化体ノズルから少なくとも１０ インチ分離されており、各燃料ノズルに対して少なくとも１個の酸化体ノズルが あることを特徴とする炉。
15. １５．各燃料ノズルが、炉の別の壁に配置された酸化体ノズルと実質的に対向し ていることを特徴とする請求項１４の炉。
16. １６．前記別の壁が、前記燃料ノズルが配置されている側壁と対向する側壁であ り、前記ノズルが少なくとも６インチの間隔を置いて配置されていることを特徴 とする請求項１５の炉。
17. １７．前記炉がガラス炉であり、及び前記ノズルが、それらの底縁部が前記炉中 の前記ガラスの上表面より２〜１２インチ上になる様に配置されていることを特 徴とする請求項１６の炉。
18. １８．前記ノズル手段が、前記ノズルから遠ざかるにつれて水平方向で広がるが 、垂直方向ではほとんど広がらない、酸化体および燃料の流れを放出することを 特徴とする請求項１７の炉。
19. １９．前記ノズル手段が、前記ガラスプールの、前記ノズル間にはさまれた部分 の少なくとも８０％を覆う火炎群を形成する様に配置されていることを特徴とす る請求項１８の炉。
20. ２０．ノズル手段が少なくとも２個の対向する壁に配電されており、一方の壁に ある各ノズルの延長が前記対向する壁のノズルから間隔を置いた点で対向する壁 に当たることを特徴とする請求項１４の炉。