(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路を規定する複数の耐火部材の列を持つ炉胸からなるガラス製造炉熱交換器において、
前記炉胸は、高温ガス流方向において、
・  高温ガス入口における、急速に高温ガスを冷却するための第一ゾーンと、
・  塵を生成しやすい化学種を縮合し、且つせき止めるための、第二ゾーン即ち中央ゾーンと、
・  冷却されたガス出口における、縮合物を排出するための第三ゾーン
とからなり、
前記中央ゾーンを構成する堆積した耐火部材の列は、その流路が、第一及び第三ゾーンの流路の投射表面積より少なくとも２０％小さい投射表面積を有する少なくとも２つの隣接する列を備えることを特徴とするガラス製造炉熱交換器。
【請求項２】
前記第一ゾーンを構成する、前記堆積した耐火部材が、障壁が特徴である面を有することを特徴とする、請求項1記載の炉熱交換器。
【請求項３】
中央ゾーンは、ガス流れを妨げるために、耐火部材が一つの列から隣の列にずらして積層配置（オフセット設置）されるような列からなることを特徴とする、請求項１記載の炉熱交換器。
【請求項４】
前記中央ゾーンの流路が、少なくとも１つの方向変化を特徴付けることを特徴とする、請求項１記載の炉熱交換器。
【請求項５】
第３ゾーンの流路の横断面が、中央ゾーンの流路の横断面と少なくとも同様の大きさを持つことを特徴とする、請求項１記載の炉熱交換器。
【請求項６】
前記中央ゾーンの列を構成し且つ高温ガスと接触することを目的とする耐火部材の表面が、実質的に平滑であることを特徴とする、請求項１記載の炉熱交換器。
【請求項７】
堆積された耐火部材が、十字形部材であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の炉熱交換器。
【請求項８】
堆積された耐火部材が、電気溶融耐火材料から作られることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の炉熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、塵の発散を減じるために、排煙中に存在する不純物を捕捉するための装置を備えた、ガラス製造炉用熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大抵のいわゆる火炎式ガラス製造炉は、言わばエネルギー源としてガス又はオイルのバーナーを持っている炉であるが、熱交換器を備えている。その熱交換器は、炉胸を構成しサイクルして熱を回収し取り戻すセラミック部材を詰めた、一連の部屋から成っている。操業中の炉から来る熱ガス又は排煙は、一般には熱交換器の頂上で炉胸に入り、炉胸の中へ熱を渡す。この間冷たい空気は、先行サイクルの間に加熱された他の炉胸の底に入れられ、熱エネルギーを取り返す。即ち、空気は炉胸の頂上を離れるときは熱く、そこから炉のバーナーへと運ばれて可能な最もよい条件下で燃料の燃焼を確実にする。
【０００３】
ガラスを溶融する炉は、多量のガス状放散物を作る。塵はガス状放散物が熱交換器の入口と出口の間で冷やされたときに、こうした放散物中で作られる。この「塵」という言葉は、粒状の排気物言わば（サイズに制限の無い）固体状又は液状（液滴）の何らかの有機又は無機物を指している。
【０００４】
こうした塵は、元々製造中にガラス浴中に存在する物質の蒸散と再結合からくる化学種の凝縮から生じている。塵はまた燃料中の不純物の存在によっても引き起こされ得る。程度は少ないが、それはまた生材料の固体状の飛散からも来るのである。
【０００５】
この技術に熟達した者は、量が多かれ少なかれ塵の幾らかは、炉の操業条件によって炉胸の入口に堆積しえると言うことを知っている。かかる堆積物は、排煙や空気の通路をふさぐ傾向がある。いままで設計者は、この閉塞現象を制限する炉胸を設計しようと常に試みてきている。
【０００６】
ＦＲ−Ａ−２７５６８２０は、塵の堆積で閉塞された部分を除去するために、通常の炉胸を選択的に加熱する方法を提案している。
【０００７】
現在のところ多数の国の応用基準は、粒状の排出物を規制し、ますます厳しく減少するよう目指している。
【０００８】
それに応じてガラス製造者達は、ガラス溶融用の炉から粒状排出物を減じるための新方法を学ぶことを、余儀なくされている。
【０００９】
いくつかの解決方法が現在使われている。
【００１０】
最も広く使われているものは静電沈着機ある。この形の装置は大量の粒状排出物を捕集するが、重大な欠点を有している。その設備の投資と操業コストが極めて高い。また、設備が酸性のガスにより急速に損傷する。そこでガスがフィルターに入る前に処理するように勧められているが、これは負担が追加されることを意味している。
【００１１】
バッグフィルターおよびより一般的には膜フィルターも使われる。それらもまた多量の粒状排出物を捕集するが、上述した装置と同じ欠点を持っている。さらにこの型のフィルターは、低い温度で操作するものであり、フィルター中でガスを処理する前に排ガスを冷やす必要がある。最後に、補助フィルターシステムを追加することは、結果的にヘッド圧の損失が起こるため、炉の操業を調整するという問題を引き起こすのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、ガラス製造炉からの排ガス中に飛散している塵を効率よく減じる設備であって、現存するシステムのような欠点を持たない設備に対する要求があるのである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガラス製造炉からの排ガス中に存在する不純物を捕捉する装置として働く同時に、それゆえ塵の生成を制限し、こうして補助フィルターシステムへ頼ることも制限する熱交換器を提案することによって、こうした要求を満足させんとするものである。
【００１４】
この要求は、炉胸を構成する耐熱材の表面上に塵を発生させる化学種の凝縮を助け、最適化しかつ調整する構成を持った熱交換器の炉胸により、満足される。この炉胸は明らかに熱交換機能を保持している。
【００１５】
より詳しく言えば、本発明は、堆積した耐火部材の列が、流路は第１、第３ゾーンの流路の表面積より少なくとも２０％小さい投射表面積を持つ、少なくとも２本の隣接した列を含む中央ゾーンを構成していて、炉胸が、熱ガスの流れ方向で熱ガスの入口にあり熱ガスを急速に冷やすための第１ゾーン、塵を発生しやすい化学種を凝縮させ捕捉するための第２ゾーン即ち中央ゾーン、および冷えたガスの出口にあり凝縮物を排出するための第３ゾーンから成ることを特徴とする、多数の流路を規定する数本の耐火材の列を持つ炉胸を含む、ガラス製造用熱交換器を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
「流路の投射表面積」と言う表現は、平面図に見られるように耐火材の壁により明確に規定される最大表面積を意味する。例えば流路のサイズを減じる、または２個の連続的な列の上に流路をオフセット設置することは、流路の投射表面積を減じる。投射表面積の減少は、有意な効果が得られるには少なくとも２０％でなければならない。
【００１７】
「列」は炉胸部材の階又は層を意味する。
【００１８】
この熱交換器の炉胸は、少なくとも一部が電気溶融した十字形の堆積材で有益に作られている。
【００１９】
研究のために我々は工業生産現場において排ガス中に含まれる塵の量を評価するための装置を開発した。それは水冷のステンレス鋼製採集パイプからなる。それは調整された採集条件下に、炉胸中を流れている排ガスの代表的なサンプルを、等速度的方法で抽出する。固形の粒子はフィルター上に集められ、そしてガス流は適当な吸収液を入れた一連の洗浄フラスコを通る。濾取物と洗浄液の分析から、既に形成した塵および塵を発生しやすい蒸気の形をした化学種の濃度が、定量される。その装置は炉胸中で遭遇する温度および速度の全領域で使われ、それゆえ熱交換器の部屋の頂上から底の間の変化を監視する。
【００２０】
フィルター上に集められた塵を研究して、我々にはガラス製造炉からくる塵は極めて小さい（１ミクロン以下）粒子からなり、その大多数は硫酸ナトリウム（製造されるガラスがアルカリガラスである場合は特に）からなるということが明確になった。硫酸ナトリウムは、蒸気の状態のＮａ２Ｏ（生材料の土台とガラス浴自体からでる化学種の蒸発から生じる）と燃料および生材料からでるＳＯ２との間の反応の結果である。それはほぼ１１００℃以下の温度で凝縮し、およそ９００℃以下に排ガスが冷やされた時に固化する。こうした段階は排ガスの冷却中に、それゆえ熱交換器が使われた場合は熱交換器中で起こる。
【００２１】
ＳＯ２と酸化ナトリウムは炉胸入口ではガス状である。炉胸の繰返し使用のため、耐火材料の温度は排ガスの温度より低い。それゆえ流路の中心での排ガスと耐火材料に接触している排ガスとの間には、温度勾配が確立している。炉胸材料の温度が硫酸ナトリウムが凝縮する温度以下に落ちるや否や、耐火材料の表面で凝縮が始まる。それから、排ガスの温度が実質的に硫酸ナトリウムが凝縮する温度と等しくなった時、後者が流路の中央で霧状で凝縮する。その霧をなしているいくらかの液滴が耐火材の壁に付着する。排ガスの温度が硫酸ナトリウムが固体化する温度以下に落ちた時、液滴が液状から固体状へ変化する。
【００２２】
様々な工業炉について測定した結果、我々は上述の塵生成機構を考案し確認することができた。
【００２３】
結果として必然的に硫酸ナトリウムの塵に関心を持ったのであるが、は説明した現象が他の化学種（アルカリ、アルカリ土類金属の硫酸、塩酸、硼酸塩）に対しても、有意に異なる温度であっても、同様に起こっているか。
【００２４】
それゆえ我々には、熱交換器の炉胸を使用する際に、発生する多量の塵を減じるためには炉胸は、塵を発生しやすい化学種の炉胸を構成している耐火材料の上での凝縮を最大にできなければならないと、判った。
【００２５】
本発明の目的は、この目的が達成される異なった回答を提供するにある。炉胸全体が単に熱を伝えるためでしかない一般の熱交換器とは異なり、本発明に合致した炉胸は全て３個のゾーンを持ち、各々は明確な役割を持つ。排ガスが遭遇する第１のゾーンは中央のゾーンの効率が最大になるように排ガス調節を目的としたゾーンである。こうして特に塵を発生する化学種を蒸気状態に保ち、排ガスの温度をこれら化学種が凝縮する温度以上でありながら近い温度を得るという問題である。この迅速な熱調節が、実際に中で捕捉現象が起こる中央ゾーンへ余裕を残しているに違いない。炉胸部材の表面上で液滴の凝縮と付着を強めるべく、中央ゾーンに種々の可能な構造が企てられる。
【００２６】
第３のそして最後のゾーンは、凝縮物および前のゾーンから重力により流れる他の付着物の自然な又は強制的な排出を補助すべく、設計されている。
【００２７】
本発明の炉胸は、すべて一般に使われるタイプの燒結又は融着耐火材で作られ得る。この応用で挙げた例は熱交換器室を充たすため、Ｓｏｃｉｅｔｅ  Ｅｕｒｏｐｅｅｎｎｅ  ｄｅｓ  Ｐｒｏｄｕｉｔｓ  Ｒｅｆｒａｃｔａｉｒｅｓ（ＳＥＰＲ）で作られ売られている様々な十字形電気融着部材について、述べている。こうした製品は、排ガスに含まれているアルカリ蒸気に対して反応性が大変低い特徴を持ち、熱交換器の操業により負う高温や熱サイクルに対し、大変高い抵抗性があるので、この応用へは完全に適している。またこうした部材の熱交換比表面積は高く、熱交換しやすく高い再生効率を達成する。またＳＥＰＲから得た十字形部材から構成された電気融着耐火材料は、特に熱処理による炉胸の清掃に耐え得るのである。
【００２８】
次の記述と様々な図が、より詳細に本発明を説明している。
【００２９】
図１は３ゾーンＡ，Ｂ，Ｃを持つ炉胸を示している。
【００３０】
熱ゾーンＡ、言わば排ガスに会う最初のゾーンにあっては十字形耐火材１は、特色のある障害物又はＥＰ−Ｂ−３５４８４４に記述された物のような波形２として使われる。それらの熱効率は大変高い。排ガスと耐火材の壁との間には大きな温度差がある。それゆえこのゾーンは、排ガスの温度を凝縮が始まる温度へと急速に減じる。このゾーンに対しては、高い熱効率を持つ何らかの部材又は部材の構成が適している。現存する炉胸中と同様に、部材は高温に又は活性な化学種に充たされた雰囲気に対して高度な抵抗性があることが必要である。ゾーンＡの高さは、その炉がいかに操業されるか（通風とか過剰の空気とか）に依存し、特に排ガス炉胸へ達する流速と温度に依存する。
【００３１】
ＳＥＰＲタイプ３および６の平滑な十字形部材３は、中央ゾーンＢ中で使われる。このゾーンＢ全体において、列をなした前記十字形部材の多様な構成が、多くの移行ゾーンを作り出すために使われる。この移行は、部材のタイプの変化（タイプ３とタイプ６の間の変化）、同じタイプの部材を積層配置（並置）すること、又は耐火部材の壁上の障壁の有無、に起因することがある。ゾーンＢの種々の部材が、こうした可能性を説明している。燃焼排ガスの流れは、燃焼排ガスと炉胸部分との間の多量伝達を増大する上記の移行によって妨げられる。中央ゾーンＢの入口は、流路の投射表面積全体（すなわち、２つの連続した層[列]を考慮して）が高温ゾーンＡの流路の投射表面積に対して減少する２つの連続した列（層）からなる。中央ゾーンの終端は、高温ゾーンの投射表面積全体と同面積またはそれ以上の投射表面積を有する２つの連続した列が存在することにより特徴づけられる。中央ゾーン内では、上記の移行効果を高めるために、高温ゾーンにある流路と同幅の流路が周期的に、そうでなければ常に使用され得る。ゆえに、中央ゾーンを構成する列全体において、投射表面積は高温ゾーンの投射表面積より小さいにもかかわらず、１つの列（層）において、投射表面積は高温ゾーンの投射表面積に等しいともいえる。
少なくとも中央ゾーンの流路の大きさを局所的に減少させていることが、本発明に記載する熱交換器の炉胸を特徴付けている。中央ゾーンの列の半分以上が中央ゾーンの全投射表面積を減らすようにすることが、好ましい。こうした「活性」な列（層）は、十分な効果を達成するために１ｍの最小限の累積的高さを有しなければならない。塵を発生させる種の壁への移動機構を強化することが可能な他のいかなる配置、特に、移動面積を構成し且つ多量の移動に好都合な配置は、中央ゾーンＢに対し同様に適している（波形材、流路におけるずらした配置、障壁の規定など）。
【００３２】
冷却ゾーンＣでは中央ゾーンＢで用いられる部材と同様の部材が用いられる。しかし、凝集物の流れを助けるために、流路はやや幅が広い。このことが固着した凝集物の堆積による閉塞問題を避けさせている。自然な流れによる凝集物の排出を可能にしているいずれの部材もまたいずれの部材の構成も、同様に適した物であり得る。
【００３３】
本発明の一例では、冷却ゾーンＣが熱サイクルと熱ショック（それらの形とか配列とかに関係無く）へ殊に抵抗性のある部材から成立っている。この具体例ではこの分野で熟練した人なら知っている技術を使って、凝縮物は炉胸を加熱して排出され得る。凝縮物または塵の堆積が排ガスの流れを邪魔する程になった時、普通の管理により熱による障害除去が開始され得る。化学的又は機械的妨害除去はもちろん、熱による障害除去に取って代わられ得る。
【００３４】
自然な流れや熱による障害除去に好ましい設計がもちろん、組み合わせて使われ得る。
【００３５】
図２は、図１中のゾーンＡの流路より小さい流路を持った炉胸を示す。図２中の斜線部分４は、流路の投射表面積を表している。小さい流路を持つということは、燃焼排ガスと炉胸部材との間の交換表面積を極めて有意に増加するので、有用である。２重十字形部材１１、すなわち、単なる２つの十字形部材をその枝の一端で接合して得た部材を用いることと、この２重十字形部材を連続して用いることにより、上記のことが可能にされている。ここでは所定の列の中で、所定の列（層）内では、隣接する層[列]の２つの２重十字形部材は、半分の長さごとにずらして積層配置（オフセット配置)される。２重十字形部材の使用は他の利点も有する。即ち、それは炉胸をより安定にし、そして種々のゾーン間の移行を容易にするのである。
【００３６】
図３は、十字形部材２１が他の２つの枝より短い２つの反対の枝で使用されるので、流路４´が直角をなしている例を示している。図２に示された流路のような正方形の流路と比較してこの方法は、排ガスと炉胸部材との間の熱交換表面積を増加し、凝縮を強める。塵を発生しやすい化学種が付着する表面積を増加する他のいずれの部材または部材の構成も、中央ゾーンＢの要望を満足するし、また本発明の範囲内にある。
【００３７】
図４は、流路１４が１つの列から次の列へと断続的にオフセット設置されている更なる例を、示している。この形の解決方法は、流路のオフセット設置のために排ガスと耐火材との間の温度差を最大にする。温度差を大きくすることは壁への化学種の移行を助け、そしてそれゆえ塵を発生する化学種の付着を強める。こうしたオフセット構成は乱気流の程度を増しまた付着を強めるのである。
【００３８】
図５は、中で流路が流れ方向１５の変化により特徴づけられた非連続の外形を特徴として持つ炉胸を、示している。２本の枝が傾斜している十字形部材を使用してこの非連続性が得られる。枝の傾き、そしてそれゆえ炉胸中の破断の傾きの角度に応じて、排ガスと炉胸部材の間の熱交換表面積は、４から１３％（４５度の角度に対して）ほど増加させられ得る。この熱交換表面積の増加は、壁上への凝縮を増加する。このタイプの設計、そして特に流路の不連続な表面がまた、排ガスの流れを乱す利点を持ち、そのことはまた、排ガスと炉胸部材の間の物質移動を助長するのである。
【００３９】
記述した具体例は、炉胸を構成している部材の壁へ化学種の付着を強める視点で、塵を発生しやすい化学種の耐火材への移動を最大にするための種々の原理を、示している。こうした具体例はまた閉塞の危険を最少にし、良い熱効率を保持するのである。こうした炉胸はまた熱処理によって洗浄される。
【００４０】
本発明は述べられた明確な具体例へ制限されるものではなく、実施例で記述した具体例の、又は他の部分を組み合わせたものも、本発明の範囲に入っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による熱交換器の垂直断面図である。
【図２】  図１の１−１に添って取られた断面での、本発明に合致した熱交換器炉胸の中央ゾーン部分の図である。
【図３】  図２のそれによく似ているが、本発明記載の熱交換器炉胸の異なる具体例を示している。
【図４】  本発明による炉胸の他の具体例中の中央ゾーンを示した垂直断面図である。
【図５】  全図は流路の幅が関連する所と同じ縮小比である本発明による炉胸の他の具体例中の中央ゾーンを示した断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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