(57)【要約】【課題】  鉱物ウール製造のための鉱物原料物質の溶融に特有の条件に関してキューポラ炉の操作法を最適化する。【解決手段】  鉱物原料物質をキューポラ炉内で溶融して鉱物ウールを製造する。キューポラ炉は原料物質を保持するシャフト部(11)を有し、シャフト部(11)の下部には火格子(7)が設けられ、火格子(7)の下方には溶融物取出口を備えた燃焼室(2)が配置されている。燃焼室(2)は液体又は気体燃料と酸素含有ガスで燃焼動作を行う１基以上のバーナー(6)で加熱される。本発明によれば、各バーナーの作動は、酸素含有ガスで燃料が燃焼している間にほぼバーナー軸心に沿って生じる火焔の長さが燃焼室の中心を通ってバーナー軸心方向に対向する燃焼室内壁面までの間隔距離の60％〜100％、好ましくは65％〜95％の範囲内となるように制御される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉱物原料物質をキューポラ炉内で溶融して鉱物ウール製造する方法であって、キューポラ炉が鉱物原料物質を保持するためのシャフト部（１１）を有し、該シャフト部（１１）の下部区画には火格子（７）が設けられ、該火格子（７）の下方には鉱物原料物質の溶融物を取り出すための溶融物取出口を備えた燃焼室（２）が配置され、該燃焼室（２）が１基以上のバーナー（６）で加熱され、該バーナー（６）が液体又は気体燃料の供給を受けて該燃料を酸素含有ガスで燃焼させる形式の鉱物ウールの製造方法において、前記酸素含有ガスの流量と酸素含有量を、前記キューポラ炉の排ガス温度、排ガス組成、鉱物原料物質の溶融中及び／又は溶融後の温度、前記バーナーからの火焔強度、及び火焔寸法から選ばれた少なくとも一つの溶融プロセスパラメータに応じて調節することを特徴とする鉱物ウールの製造方法。
【請求項２】
キューポラ炉の加熱段階において溶融物取出口から鉱物原料物質の溶融物が未だ排出できない間は、キューポラ炉の溶融段階において溶融物取出口から鉱物原料物質の溶融物が排出可能なときに炉内に供給される酸素含有ガスよりも低い酸素含有率の酸素含有ガスを炉内に供給することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
キューポラ炉の加熱段階においては溶融段階でバーナー（６）へ供給される酸素含有ガスよりも酸素含有率が低い酸素含有ガスをバーナー（６）へ供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
加熱段階においては各バーナーを酸素含有率が３０％以下で２１％〜３０％の範囲内の酸素含有ガスで作動させ、溶融段階においては各バーナーを酸素含有率が３０％を超える酸素含有ガスで作動させることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
各バーナーを、酸素含有ガスで燃料が燃焼している間にほぼバーナー軸心に沿って生じる火焔の長さが燃焼室の中心を通ってバーナー軸心方向に対向する燃焼室内壁面までの間隔距離の６０％〜１００％又は６５％〜９５％の範囲内となるように作動させ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。
【請求項６】
キューポラ炉をコークス含有率が２０％以下又は実質的に０％の燃料で操業す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。
【請求項７】
キューポラ炉の燃料として石油又は天然ガスを使用す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。
【請求項８】
燃焼室（２）の側壁に貫通配置された２〜８基のバーナー（６）によって燃焼室（２）内を加熱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。
【請求項９】
それぞれバーナー軸心方向へ火焔を噴出する各バーナー（６）が、それぞれのバーナー軸心を水平面から５°〜１５°又は８°〜１２°の範囲内で前方へ向かって下向きに傾けて配置されてい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。
【請求項１０】
燃焼室を上から見たときの各バーナーのバーナー軸心が該バーナーの火口中心から燃焼室の中心へ向かう方向に対して３°〜２０°又は５°〜１５°の範囲内の振れ角を成し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。
【請求項１１】
燃焼室（２）に一つ以上のランス（２２）を更に設け、各バーナー（６）を準化学量論的条件で燃焼動作させ、前記ランスを通して酸素含有ガスとして酸素富化空気又は工業的純酸素を燃焼室（２）内へ吹き込む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。
【請求項１２】
炉内へ供給される酸素含有ガス全量の３０％以下又は５％〜２０％の酸素含有ガスをランス（２２）から燃焼室（２）へ導入す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。
【請求項１３】
燃焼室を上から見たときの各ランス（２２）のランス軸心が該ランス（２２）の出口中心から燃焼室（２）の中心へ向かう方向に対して１０°〜３０°又は１６°〜２４°の範囲内の振れ角を成していることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
各ランス（２２）からの酸素含有ガスの噴出流速を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓの範囲内にすることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
キューポラ炉から排出される燃焼排ガスの温度を測定し、燃焼排ガス温度が８０℃〜２５０℃又は１００℃〜１４０℃の範囲内に保たれるように酸素含有ガスの供給流量又は酸素含有率又はそれら両者を制御することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉱物原料物質をキューポラ炉内で溶融して鉱物ウール製造する方法に関するものであり、特にキューポラ炉が鉱物原料物質を保持するためのシャフト部を有し、該シャフト部の下部区画には火格子が設けられ、該火格子の下方には鉱物原料物質の溶融物を取り出すための溶融物取出口を備えた燃焼室が配置され、該燃焼室が１基以上のバーナーで加熱され、該バーナーが液体又は気体燃料の供給を受けて該燃料を酸素含有ガスで燃焼させる形式の鉱物ウールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉱物ウールは珪質原料物質から製造され、この珪質原料物質は先に溶融されてから繊維に離解される。例えば玄武岩、輝緑岩、石灰岩、或いは苦灰石などの天然岩石や、ガラス、金属スラグ、又はその他の鉱物原料を特定の形状に成形した塊は、いずれも珪質原料物質として使用することができる。
【０００３】
以下の説明において、鉱物ウールと鉱物繊維は同義語として用いられており、いずれも上記の各種珪質原料物質から製造される全てのタイプの繊維を包含する意味をもつものである。
【０００４】
珪質原料物質は溶解炉内で溶融状態にされる。これは、一般的にはシャフト炉、特にキューポラ炉を用いて行われる。得られた鉱物原料物質の溶融物は離解プラントへ送られ、該離解プラントで微細な鉱物繊維に離解される。離解された鉱物繊維は主に結合剤及び接着剤と混合され、必要に応じて更に処理されて最終的に吸音タイルや断熱ボードその他の遮蔽用成形材に加工される。かくして鉱物ウールから製造された遮蔽用成形材は公知のように音響又は熱の遮蔽或いは防火用の材料として利用される。
【０００５】
従来、鉱物原料物質は主にコークス燃焼式キューポラ炉内で溶融されていた。キューポラ炉には、コークス形態の燃料、鉱物原料物質、及び添加物質が上部から装入される。燃焼空気は炉の下部領域へ吹き込まれる。鉱物原料物質の溶融物はキューポラ炉の炉床上に蓄えられ、サイホンを介して取り出し可能である。
【０００６】
しかしながら、この形式の伝統的なコークス燃焼式キューポラ炉には、多量の一酸化炭素と二酸化炭素及び煤塵の放出が伴う。このため、特に金属の溶融についてはコークレス・キューポラ炉が既に知られている。コークレス・キューポラ炉では、暖房用燃料油や天然ガスのような液体又は気体エネルギー源が燃料として用いられる。
【０００７】
鋳物製造で公知のコークレス・キューポラ炉は、炉内におけるエネルギー条件、熱条件、並びに化学条件が全く異なることから、単純に鉱物ウールの製造に転用することはできない。
【０００８】
特許文献１には、特に鉱物ウール製造用に設計されたキューポラ炉が述べられている。溶融すべき鉱物原料物質は、セラミック質の充填材料と共に水冷式火格子の上に装填される。火格子の下方は燃焼室となっており、この燃焼室は気体又は液体燃料で燃料を行うメインバーナーで加熱される。火格子の上方には、正常な溶融を保証するために天然ガス燃焼式の複数の二次バーナーが付加的に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第３８７５６１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は改良された鉱物ウールの製造方法を提供することであり、特に鉱物ウール製造のための鉱物原料物質の溶融に特有の条件に関してキューポラ炉の操作法を最適化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による鉱物ウールの製造方法は、鉱物原料物質をキューポラ炉内で溶融して鉱物ウール製造する方法であって、キューポラ炉が鉱物原料物質を保持するためのシャフト部を有し、該シャフト部の下部区画には火格子が設けられ、該火格子の下方には鉱物原料物質の溶融物を取り出すための溶融物取出口を備えた燃焼室が配置され、該燃焼室が１基以上のバーナーで加熱され、該バーナーが液体又は気体燃料の供給を受けて該燃料を酸素含有ガスで燃焼させる形式の鉱物ウールの製造方法において、前述の課題を解決するために、前記酸素含有ガスの流量と酸素含有量を、排ガス温度、排ガス組成、鉱物原料物質の溶融中及び／又は溶融後の温度、火焔強度、及び火焔寸法から選ばれた少なくとも一つの溶融プロセスパラメータに応じて調節することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、キューポラ炉内における溶融プロセスを酸素含有ガスの流量と酸素濃度によって調節する。酸素濃度を増加させることにより火焔強度と燃焼室温度を顕著に上昇させることができる。それにより溶融すべき鉱物原料物質への熱伝達が高まり、溶融能力が増加する。酸素含有ガス中から燃焼に不要な窒素を削減することにより排ガス流量と燃料消費量の双方を低減可能である。火焔温度が高くなるほど副射による熱伝達が著しく向上する。
【００１３】
逆に、酸素含有ガス中の酸素の総量を維持したまま酸素濃度を低下させるには、燃焼に有効に寄与しないガス、即ち通常は窒素の量を増加させる。この場合、相応に多量のガスがキューポラ炉内を流れることになる。従って、溶融すべき鉱物原料物質への熱伝達は主に対流によって行われる。バーナーで加熱された多量の窒素を含むガスがキューポラ炉内を貫流しながら保有熱を鉱物原料物質へ渡すことになる。
【００１４】
最後に、酸素の総量を増加して相応に燃料の流量を調節することにより、バーナー出力、従って単位時間当たりにキューポラ炉へ導入される総熱量を増加することができる。
【００１５】
本発明によれば、以上のような調節の作用をキューポラ炉へ供給する熱出力に反映させることができるだけでなく、支配的な熱伝達メカニズム、即ち対流か輻射かにも反映させることができる。即ち、適切な調節により同じ熱伝達メカニズムを維持しながら供給熱出力を変化させることができ、或いは同じ供給熱出力を維持しながら主な熱伝達メカニズムを操ることが可能である。これら二つのパラメータ、即ち、供給熱出力と熱伝達メカニズムは、互いに独立して調節可能である。これにより溶融プロセスを著しく高精度に制御することが可能となる。本発明によれば、これらの熱伝達メカニズム及び総供給熱出力は、排ガス温度、排ガス組成、溶融しつつある鉱物原料物質の温度及び／又は溶融した後の溶融物の温度、火焔強度、及び火焔寸法から選ばれた少なくとも一つの溶融プロセスパラメータに従って設定される。
【００１６】
本発明の好適な一形態によれば、加熱段階にあるキューポラ炉に対し、溶融物取出口から鉱物原料物質の溶融物が未だ排出できない間は、溶融段階にあるキューポラ炉に対して溶融物取出口から鉱物原料物質の溶融物が排出可能なときに炉内に供給される酸素含有ガスよりも低い酸素含有率の酸素含有ガスが炉内に供給される。
【００１７】
キューポラ炉を起動して加熱を開始する場合、炉内に装入された鉱物原料物質の全体が可能な限り均一に加熱されるようにする必要がある。従って、この場合は酸素含有ガス中の酸素含有率を低くすることが好ましく、これは、逆に言えば非酸素ガスの組成比率を増すことである。例えば、このような加熱段階では酸素含有率を２５％程度の富化濃度に押さえて残りのほぼ７５％が燃料の燃焼に寄与しない窒素からなる酸素低富化空気がキューポラ炉に供給される。供給された酸素含有ガス中の窒素分、即ち非酸素ガス成分は、キューポラ炉の燃焼排ガス系統を介して炉外へ排出させることが好ましい。これにより、これら非酸素ガス成分が炉内の鉱物原料物質の間を通過して流れ、その間に鉱物原料物質が対流によって加熱されることになる。
【００１８】
このように、加熱段階では支配的な熱伝達メカニズムが対流であり、この加熱段階はキューポラ炉内の温度が所定の操業温度に達するまで継続することが好ましい。炉内が操業温度に達したか否かは、キューポラ炉の溶融物取出口（タップホール）から液状溶融物の流出が生じたか否かで確認することができる。
【００１９】
また加熱段階においては、無火焔燃焼で動作するバーナーを使用することが特に好ましい。
【００２０】
キューポラ炉内が隅々まで操業温度に達し、鉱物原料物質の溶融物が液相状態で取り出し可能となったら直ちに炉を溶融段階の運転に切り換えることが望ましく、それにより溶融しつつある鉱物原料物質への熱伝達の殆どが副射によって行われるようにする。この運転の切り換えを達成するには、炉内へ供給する酸素含有ガスの酸素含有率を高めればよく、それによって火焔強度を充分に増強させ、熱放射を強めればよい。この場合、火焔強度は例えば紫外線プローブなどの計測器によって測定し、監視することが可能である。
【００２１】
燃料の燃焼のためにキューポラ炉内へ供給する酸素含有ガスは、バーナー自体又は炉内の別の箇所に配置したランス或いはそれら両者を介して供給することができる。加熱段階中の酸素含有ガスは好ましくは１基以上のバーナーへ供給するが、この場合の酸素含有ガスの酸素含有率は、溶融段階中にバーナーへ供給される酸素含有ガスの酸素含有率よりも低い。
【００２２】
加熱段階においては各バーナーを酸素含有率が３０％以下、好適には２１％〜３０％の酸素含有ガスで作動させ、溶融段階においては各バーナーを酸素含有率が３０％を超える酸素含有ガスで作動させると有利であることが確認されている。酸素含有ガスは、各バーナーへ直接供給してもよく、或いはキューポラ炉内のその他の適切な箇所へ供給して燃料との燃焼反応を生起させてもよい。従って燃料は、加熱段階中は酸素含有率が３０％以下の酸素含有ガスで燃焼され、溶融段階では酸素含有率が３０％を超える酸素含有ガスで燃焼される。尚、本願明細書中における全てのガス成分の含有率は容積百分率で示されていることに注意されたい。
【００２３】
各バーナーは、酸素含有ガスで燃料が燃焼している間にほぼバーナー軸心に沿って生じる火焔の長さが燃焼室の中心を通ってバーナー軸心方向に対向する燃焼室内壁面までの間隔距離の６０％〜１００％、好ましくは６５％〜９５％の範囲内となるように作動させると有利であることが確認されている。
【００２４】
バーナーからの火焔噴射方向が燃焼室の中心を通っていない場合は、火焔の長さを燃焼室内における火焔前方の自由空間長の６５％〜９５％、即ち、バーナーの火口から燃焼室の対向内壁面までの間隔距離の６５％〜９５％となるように調節することが有利である。
【００２５】
燃焼室内における火焔の長さは溶融プロセス及び溶融物への熱伝達に重要な影響を与えることが判明している。火焔の長さが短すぎても長すぎても燃焼室内及び溶融しつつある鉱物原料物質の加熱が不均一となり、多くの場合は加熱不足を生じると共に場合によっては溶融物の品質に再現性が得られなくなる。
【００２６】
例えば、火焔長さが短すぎる場合は炉内耐火物が過酷な熱負荷に曝されて損傷を受けることがある。同様のことは火焔長さが長すぎて燃焼室の対向内壁面に直接当たる場合にも当て嵌まることである。本発明によれば、火焔の長さは燃焼室内全域に亘って均一な熱負荷となるように設定されるので、係る問題点は生じることがない。
【００２７】
本発明による方法は、コークスの含有率が２０％以下の燃料でキューポラ炉を操業する場合に特に有利に適用可能である。本発明はまた、コークスレス・キューポラ炉、即ち燃料としてコークスを使用せず、コークス含有率が実質的に０％の燃料で操業されるキューポラ炉にも特に好適に適用可能である。キューポラ炉への熱の供給は、専らバーナー、即ち酸素含有ガスによる燃料の燃焼によって行うことが好ましい。本発明に従ってキューポラ炉を操業する場合、コークス充填キューポラ炉の場合の還元性雰囲気の振る舞いとは対照的に、炉内では酸化性雰囲気が優勢となる。従って水素及び環境に有害な燃焼性ガスの発生が回避され、排ガスも高価な二次処理をせずに大気中へ放出可能である。
【００２８】
鉱物原料物質は、得られる鉱物ウールが特定の知覚可能な色調を持つように、換言すれば、黒色、黄色、或いは白色の鉱物ウールが得られるように選択することができる。このためには、例えば鉱物原料物質中の鉄含有率又は鉄酸化物含有率を相応に選択し、或いは化学添加剤及び混和剤を意図的に添加する必要がある。
【００２９】
各バーナーには酸素含有ガスとして酸素富化空気を供給することが好ましい。酸素含有ガスの酸素含有率は、２１％〜５０％の範囲内に設定すると有利であることが判明している。バーナーへ供給する燃焼空気は酸素含有率２５％〜４０％に酸素富化されていることが特に好ましい。但し、バーナーを純酸素で動作させること、換言すれば酸化剤として工業的な純酸素をバーナーに供給することも可能である。
【００３０】
本発明においては、キューポラ炉の燃料として液体燃料又は好ましくは気体燃料が用いられるが、就中、天然ガスは特に有利に使用可能である。但し、その他の燃焼性ガス、例えばプロパンガスやブタンガスなど、或いは石油や暖房用燃料油などの液体燃料も原理的に適合する燃料である。
【００３１】
火焔の長さとは別に、バーナーで形成される火焔の形状及び直線性も溶融プロセスに影響を与える。
【００３２】
燃焼室の加熱は、好ましくは２〜８基のバーナー、特に好適には３〜５基のバーナーで行うことが望ましい。各バーナーは、バーナー軸心に沿って前方へ噴射される火焔が燃焼室の側壁側から燃焼室内へ向うように配置される。このために燃焼室の側壁にはバーナーを保持する手段又はバーナーを貫通させる開口が設けられる。
【００３３】
バーナーの先端、即ちバーナー火口は、バーナーを保持又は貫通させている側壁の内壁面上に位置させることが好ましい。
【００３４】
バーナー火口を保護するため、バーナーを燃焼室側壁の内壁面から突出させないように側壁内に後退配置することも有利である。この場合、バーナー火口は燃焼室側壁の内壁面上ではなく、それよりも炉外側方へ向けて後退した位置となる。
【００３５】
できるだけ均一な加熱を保証するため、各バーナーは燃焼室の全周で等間隔に配置することが好ましい。即ち、例えば３基のバーナーを使用する場合は、燃焼室を上から見た場合の仮想的正三角形の各頂点位置にそれぞれバーナーを配置する。この場合の燃焼室の中心を原点とするバーナー火口開口軸心間の角度間隔は１２０°である。同様にして４基のバーナーを仮想的四角形の各頂点位置に等角度間隔で配置することもできる。燃焼室の横断面形状が四角形の場合、例えば４基のバーナーによる等角度間隔配置を採用することが好ましい。
【００３６】
燃焼室の横断面形状は空間的に方向性をもたない円形とすることが好ましい。但し本発明による方法は、既に述べたように既存のキューポラ炉に本発明による方法を適用する場合など、燃焼室の横断面形状が四角形のキューポラ炉にも適用可能である。
【００３７】
燃焼室の立体形状は好ましくは真っ直ぐな筒形状であり、或いは上端部から底部へ向かって裁頭錐体状に拡大する筒形状である。後者の場合、燃焼室の横断面積は上端部から底部へ向かって一様且つ均一に拡がっていることが有利であるが、この点については、燃焼室の横断面積が上端部から底部へ向かって一段又は複数段の段付き錐体状に拡がっていてもよい。
【００３８】
本発明によれば、鉱物原料物質を加熱するバーナー火焔は、火焔長さを燃焼室の寸法形状に合うように選ぶことによって燃焼室に適合するものとされる。各バーナーの火焔の向きの調整と一様な作動によって燃焼プロセスに顕著な影響を与え得ることが確認されている。従って、それぞれバーナー軸心方向へ火焔を噴出する各バーナーは、それぞれのバーナー軸心を水平面から５°〜１５°、好ましくは８°〜１２°の範囲内で前方へ向かって下向きに傾けて配置される。
【００３９】
この場合、各バーナーの軸心を前方へ向かって下向きに傾斜させ、各バーナーから噴射される火焔が対応して斜め下向きに向かうようにすることが有利であり、それにより燃焼室内で中心部から外向きに向かって流れる溶融物を急速且つ効果的に更に加熱することができる。溶融物が適正な温度で適切な粘性を持つようにすることは、得られる溶融物にとって重要な影響を与える条件である。
【００４０】
本発明の更に好適な実施形態においては、各バーナーはそれぞれ燃焼室を上から見たときの個々のバーナーの軸心が該バーナーの火口中心から燃焼室の中心へ向かう方向に対して３°〜２０°、好ましくは５°〜１５°の範囲内の振れ角を成している。即ち、この場合の個々のバーナー軸心は、燃焼室を上から見たときに燃焼室の垂直軸心と交叉しない方向に向いている。各バーナーから噴射される火焔は燃焼室の中心へ正確に向かうわけではなく、設定された振れ角に応じて燃焼室中心から外側へ反れた方向へ向かい、この場合、全てのバーナーは、バーナーの設置数に応じて同じ方向の同じ振れ角でバーナー軸心の向きが燃焼室中心から外側へ反らされていることが好ましい。これにより、バーナーからの燃料及び酸素含有ガスの噴出流速に応じて高温燃焼ガスの旋回流が燃焼室内に生じ、その結果、更に均一な熱出力の供給を果たすことができる。
【００４１】
バーナーとしては、外部混合式バーナー、即ち、燃料ガスと酸素含有ガスとを別々にバーナーヘッドに供給し、それらがバーナーを出てから始めて混合される形式のバーナーを用いることが有利である。特に有利なものは、少なくとも一つの燃料ガス供給管と、少なくとも一つの第１酸素含有ガス供給管と、少なくとも一つの第２酸素含有ガス供給管とを別々に備えた形式の外部混合式バーナーである。この場合、バーナーヘッドは燃料ガスと二系統の酸素含有ガスとの合計三系統のガスのための別々の出口を有する。二系統の酸素含有ガスのうちの一方には空気を用い、他方には酸素富化空気又は工業純酸素を用いることが好ましい。
【００４２】
本発明の更に好適な実施形態においては、バーナー燃焼制御系の故障時に備えて独立自動起動方式の圧縮空気式冷却装置がバーナに付設されている。例えば電力の供給が遮断されると、天然ガスなどの燃料と酸素の供給を制御している両供給系統内の各送風機がいずれも停止してしまう。即ち、電力の供給が絶たれるとバーナーには酸素含有ガスも燃料ガスも定常通りに供給されなくなる。しかしながらキューポラ炉は依然として高温であり、従ってバーナーを冷却する何らかの油断が装備されていなければ、極めて短時間のうちにバーナーが損傷を受けてしまう。
【００４３】
このような事態に際して独立自動起動方式の圧縮空気式冷却装置が効果的に使用される。即ち、第１酸素含有ガス及び／又は第２酸素含有ガスをバーナーへ導く酸素含有ガス供給系には分岐接続部が設けられ、この分岐接続部には圧縮空気ボンベが接続される。分岐接続部と圧縮空気ボンベとの間の接続配管中には電磁弁が介装され、この電磁弁はバーナー燃焼制御系に電力が供給されているときは閉じていて、電力の供給が絶たれると開かれる常閉タイプの電磁開閉弁である。従って電磁弁はバーナーが通常の燃焼動作を行っている間はバーナーから圧縮空気ボンベを遮断している。電力の供給が何らかの理由で絶たれたときは電磁弁が自動的に開かれ、それにより圧縮空気ボンベから各バーナーへ圧縮空気が流入して各バーナーを冷却する。この冷却により炉の操業に当たっている作業員に停止した燃焼制御系の回復措置又は更なるバーナー冷却系の起動のための充分な時間的余裕を与えることが可能である。
【００４４】
本発明において使用するバーナーとして、独国特許公開第１００４６５６９号明細書に記載されている形式のバーナーは特に好適である。この形式のバーナーでは、バーナーヘッドの全てのガス出口がいずれのガスもバーナー軸心方向に沿って同じ方向へバーナーから噴射されるように配置されており、燃焼ガス供給管の出口が第１酸素含有ガスと第２酸素含有ガスの各供給管の出口よりもガス流の下流位置に配置されている。
【００４５】
このような形式の複数のバーナーにより燃焼室内に１２００〜１８００℃の範囲内の温度を作り出すことが好ましい。燃焼室内の温度は、１３５０〜１６５０℃の範囲内に設定することが特に好ましい。この場合、正確な設定温度範囲はキューポラ炉へ装入して溶融する鉱物原料物質の種類及び組成に応じて選ぶことができる。
【００４６】
バーナーの比出力は、装入する鉱物原料物質１トン当たり１０００〜１５００ｋＷの範囲内であることが好ましい。更にまた、バーナー出力は１１００〜１２００ｋＷｈに設定することが好ましい。
【００４７】
本発明の一実施形態において、炉内温度８００℃以下、即ち加熱段階中にバーナーへ供給する酸素含有ガス中の酸素含有率は２１％〜３０％、好ましくは２５％〜２８％の範囲内である。バーナーの起動は徐々に行い、キューポラ炉内に炉の損傷の原因となるような急激な温度上昇が生じないようにする必要がある。
【００４８】
従って、起動段階では全てのバーナーでキューポラ炉を加熱するのではなく、１基のみのバーナーで加熱を開始することが特に好ましい。
【００４９】
炉内が最初に８００℃の温度を超えるまで加熱された後、複数のバーナーにより炉へ供給する出力を増加しながら炉内温度を徐々に高温にする。しかる後、炉に装備されている全てのバーナーを使用して加熱を行うのがよい。その際には各バーナーへ供給する酸素含有ガス中の酸素含有率を加熱段階よりも高くし、３２％〜３７％の範囲内、特に好ましくは３５％とする。この高濃度の酸素含有ガスの供給はキューポラ炉内が１３５０℃に達するまで継続することが好ましい。
【００５０】
炉内温度が１３５０℃を超えたときには、各バーナーにより炉内に供給する出力を再び低下させる。この場合、各バーナーへ供給している酸素含有ガスの酸素含有率を２８％〜３０％の範囲内に低下させると有利であることが確認されている。
【００５１】
従って、本発明の一実施形態として、キューポラ炉の燃焼動作は炉内温度Ｔにより以下の三段階に区別される。
・Ｔ＜８００℃：バーナーを低出力とし、供給する酸素含有ガス中の酸素含有率を２５％〜２８％の範囲内とする段階
・８００℃＜Ｔ＜１３５０℃：各バーナーを酸素含有率３２％〜３７％の範囲内、例えば酸素含有率３５％の高濃度酸素含有ガスで動作させる段階
・Ｔ＞１３５０℃：酸素含有ガスの酸素含有率を再び低下させて２８％〜３０％の範囲内とする段階
【００５２】
燃焼室に一つ以上の酸素吹き込みランスを更に設けることも有利であることが確認されている。この場合、各バーナーは準化学量論的条件、即ち化学量論的な酸素の理論混合比未満で燃焼動作させ、ランスを通して酸素含有ガス、好ましくは酸素富化空気を燃焼室内へ吹き込むことが有利である。これにより段階的に強度を増す燃焼を果たすことができる。即ち、始めは燃料の一部がバーナーから送り込まれる酸素含有ガスにより準化学量論的な条件下で燃焼され、次いでこの燃焼反応で生成された混合ガスと未燃焼燃料がランスを介して導入される酸素含有ガスで更に燃焼される。
【００５３】
このような燃焼プロセスは幾つかの利点を備えている。先ず第１に、空間的に大きな拡がりの、従って一層一様な炉内加熱が達成される。第２には、燃料の燃焼に必要な酸素含有ガスの全量をそのままバーナーに供給する場合よりも低温の火焔を発生させることができるので、窒素酸化物（ＮＯＸ）の発生を効果的に低減することが可能である。
【００５４】
このような燃焼プロセスは、溶融段階、即ちキューポラ炉の出口（タップホール）から溶融物を取り出し可能となっている際には特に有利である。
【００５５】
ランスを通して酸素含有ガスをキューポラ炉に導入する場合、炉内へ供給される酸素含有ガス全量の最大３０％、好ましくは５％〜２０％をランス経由で燃焼室へ導入するのが有利である。
【００５６】
各ランスは、バーナーより上方位置で燃焼室の側壁に配置することが有利である。ランスの水平面に対する配置姿勢はバーナーと同様に前方へ向かって下向き傾斜の姿勢とすることが好ましい。即ち、各ランスの軸心が水平面に対して５°〜１５°、好ましくは８°〜１２°の角度で前方へ向かって下向き傾斜となるように配置すると有利であり、これによりランスから燃焼室内に噴出される酸素含有ガスが下方のバーナーで生じている火焔に向かって下向き傾斜方向へ流れることになる。
【００５７】
燃焼を一様にするために、各ランスはそれぞれ燃焼室を上から見たときの個々のランスの軸心が該ランスの出口中心から燃焼室の中心へ向かう方向に対して１０°〜３０°、好ましくは１６°〜２４°の範囲内の振れ角を成すように配置することが好ましい。従ってこの場合の個々のランスの軸心は、燃焼室を上から見たときに燃焼室の垂直軸心と交叉しない。各ランスから噴出されるガスは燃焼室の中心へ正確に向かうわけではなく、設定された振れ角に応じて燃焼室中心から外側へ反れた方向へ向かい、この場合、全てのランスは同じ方向の同じ振れ角で配置されていることが好ましい。各ランスの振れ角は、前述した各バーナーの同様の振れ角よりも大きくしておくことが好ましい。一例として、ランスの振れ角をバーナーの振れ角の２倍にすると有利であることが確認されている。
【００５８】
各ランスからの酸素含有ガスの噴出流速に応じて高温燃焼ガスの旋回流が燃焼室内に生じ、その結果、更に一層均一な熱出力の供給を果たすことができる。各ランスからの酸素含有ガスの噴出流速を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓの範囲内にすると良好な結果が得られることが確認されている。
【００５９】
燃焼排ガスで持ち出される熱損失を最少にするためには、キューポラ炉から排出される燃焼排ガスの温度を測定し、燃焼排ガス温度が８０℃〜２５０℃、好ましくは１００℃〜１４０℃の範囲内に保たれるように酸素含有ガスの供給流量又は酸素含有率又はそれら両者を制御することが好ましい。
【００６０】
この目的で例えば熱電対のような炉内温度測定センサーを排ガス流路中に取り付けておき、これを燃焼排ガス温度の測定に用いるとよい。この測定結果に基づいて溶融プロセスを制御し、キューポラ炉内で溶融されている鉱物原料物質への熱伝達を最適化する。即ち、センサーで測定される燃焼排ガス温度が予め定められた目標範囲内に維持されるように炉内の熱伝達のメカニズム、即ち対流と輻射、及びキューポラ炉への総エネルギー供給量を制御する。
【００６１】
本発明の特徴と利点を更に明確にするために、本発明の好適な実施形態を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による方法を実施するためのキューポラ炉を示す縦断面図である。
【図２】本発明によるバーナーの配置を図１のＡ−Ａ横断面で示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
図１は、鉱物ウール製造用の鉱物原料物質を溶融するために設計されたキューポラ炉を示している。このキューポラ炉は、円筒状の炉シャフト部１１の周囲を囲む筒状外被１５を備えている。シャフト部１１の下部に位置するのは燃焼室２である。燃焼室２は内部横断面形状が円形であり、下方へ向かって円錐状に延在し、従ってこの燃焼室２は全体として実質的に裁頭円錐体形状である。符号１は開閉式の炉床である。
【００６４】
図１には、シャフト部１１の頂部入口領域に原料装入筒１２が示されており、この装入筒１２の側部から排気ダクト１４が外部へ通じている。排気ダクト１４を通して排気されるプロセス流の保有熱はダクトの途中に設けられた熱交換器１３を介して更なる用途に供される。キューポラ炉の機械的支持体としてマウントブラケット１７がシャフト部１１を外被１５の上から安定に支持している。
【００６５】
キューポラ炉へ鉱物原料物質を単位バッチ毎に供給する代わりに、或いはそれに加えて、コンベアユニット１９を設けて鉱物原料物質を連続的に炉内へ供給するようにすることもできる。連続供給の場合は特に、但しバッチ供給の場合にも、シャフト部１１の装入筒１２の頂部開口は蓋２０で閉鎖可能としておくことが有利である。
【００６６】
シャフト部１１と燃焼室２との接続部には、図１に見られるように僅かな傾斜角で水平面から傾けた火格子７が配置されており、操業中にはこの火格子７から下方の燃焼室２へ溶融物が滴り落ちる。火格子７は複数本の管からなり、各管内には制御された温度と流量で冷媒が流されている。燃焼室２の炉床近傍にはサイホン部３が設けられ、このサイホン部は炉外に突き出た溶融物取出用出口４に通じている。燃焼室２の炉床は０°を超えて５°程度まで、好ましくは２°〜５°の範囲内で水平面から傾斜しており、それにより炉床上に溜まる溶融物が自重でサイホン部３へ向かって流れるようになっている。
【００６７】
燃焼室２の側壁には、周方向に１２０°間隔で３基のガスバーナー６が取り付けられている。各バーナー６は天然ガスなどの燃料ガスと空気及び酸素のための三つの別々の供給管を備えた外部混合式バーナーである。燃料ガスと空気及び酸素の三つのガス流れは、各供給管内をいずれもバーナー軸心に沿って同じ方向に流れ、バーナー先端のヘッド部における各供給管の出口を出た位置、即ち燃焼室２内で始めて混合される。この場合、バーナーヘッドにおける燃料ガス供給管の出口は空気及び酸素の各供給管出口よりも下流側に位置していることが有利である。このようなバーナー構造により、空気と酸素を燃料ガスとの接触前に混合して両者の旋回流とすることが可能であり、その後、この空気と酸素の混合旋回流を一層効果的に燃料ガスと混合して安定な燃焼を果たすことが可能となる。
【００６８】
各バーナー６は、水平面に対して前方へ向かって下向きに３°〜２０°の傾斜角で燃焼室２の側壁に配置されており、それにより各バーナー６からのガス噴出方向が或る角度で下向きに傾斜するようになっている。また、各バーナー６の長手軸心は燃焼室２の垂直軸心へ真っ直ぐに向かっておらず、４°〜１５°の範囲内の振れ角１８で燃焼室中心から外側へ反れた方向へ向かっている（図２参照）。尚、図２では、図示の複雑化を避けるため、各バーナー６をそのホルダーのみで示してある。このようにして、各バーナー６からの噴射ガスにより旋回流が燃焼室内に生じ、それにより一層安定な燃焼と均一な加熱が果たされるようになっている。各バーナー６は加熱段階においては酸素含有率が３０％以下、好適には２１％〜３０％の酸素含有ガスで作動され、溶融段階においては酸素含有率が３０％を超える酸素含有ガスで作動される。
【００６９】
バーナー６の上方位置には、複数本の酸素吹き込みランス２２が燃焼室２内に装入配置されている。これらのランス２２は、燃焼室２の側壁に周方向で等角度間隔に分布配置され、例えば５°の下向き傾斜角で固定されている。各ガスバーナー６の場合と同様に、各ランス２２の軸心は燃焼室を上から見たときに燃焼室の垂直軸心と交叉しない方向に向いている。各ランスの軸心は、それぞれ燃焼室を上から見たときにランスの出口中心から燃焼室の中心へ向かう方向に対して１０°〜３０°の範囲内の振れ角を成している。全てのランスは同じ方向の同じ振れ角で配置され、各ランスの振れ角は、好ましくは各バーナー６の同様の振れ角１８の２倍である。各ランス２２と各バーナー６は同じ高さレベルに配置されているのではなく、また各ランス２２は燃焼室２を上から見た場合にバーナー６同士の間に配置されていることが好ましい。
【００７０】
これらのランス２２を通して燃焼室２内へ工業的純酸素を流速１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓで注入することが可能である。ランス２２に振れ角を与えて酸素を高速で注入することにより燃焼室２内の燃焼雰囲気に旋回流を生起させることができ、それにより均一な熱出力の供給を果たすことができる。
【００７１】
燃料ガス、例えば天然ガスは、段階的に燃焼させることが好ましい。即ち、当初の加熱段階では燃料ガスと酸素富化空気を準化学量論的条件下で各ガスバーナ６から供給して両者を反応させ、次いで生成した燃焼性混合ガスを各ランス２２から注入される酸素で更に燃焼させる。これにより空間的に大きく拡がった比較的低温の火焔が燃焼室内に生じ、その結果、窒素酸化物（ＮＯＸ）の放出も最小となる。
【００７２】
排ガスダクト１４内には、炉内温度測定用の熱電対センサー２１が取り付けられている。排ガス温度は、理論的には１００℃〜１４０℃の範囲内に維持する必要がある。これを達成するため、ガスバーナー６への燃料ガスと酸素又は空気の供給及びランス２２への酸素の供給が排ガス温度に応じて調整される。燃料ガス又は酸素や空気の供給流量を変化させることにより、キューポラ炉への総熱出力と主要熱伝達メカニズムとの双方に影響を与えることができると共に、これら両者を互いに独立して制御することができる。例えば、同じ熱出力を保ちながらもバーナーへ供給する空気の流量を増加させる一方でランス２２から供給する酸素の流量を減少させると対流による熱伝達が増加する一方で副射による熱伝達が減少する。また、その他のパラメータ、例えば排ガス組成、バーナーからの火焔強度、火焔寸法、溶融しつつある鉱物原料物質の温度又は溶融した後の溶融物の温度などをキューポラ炉内における溶融プロセスの制御に使用することも可能である。
【図１】
2010006694.tif 000003
【図２】
2010006694.tif 000004