(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と、酸素を５０体積％よりも多く含む酸化剤とが供給される少なくとも１つの第１のポートによって加熱されるガラス溶融ゾーンを後面部に有し、かつガラス精製ゾーンを前面部に有するガラス炉中でループ形状の火炎を形成するための方法において、
炉のゾーンにおける炎の化学量論的係数Ｋｓが、
Ｋｓ＝当該ゾーンに注入された実際の酸素体積／化学量論的酸素体積と定義され、
酸化剤および燃料ガスの注入が、少なくとも１つの第１のポートにおいて溶融ゾーンにおける係数Ｋｓが０．８以下となるように調整され、
燃料−酸化剤混合物が、精製ゾーンへ、化学量論的係数Ｋｓが溶融ゾーンにおけるその値よりも高く、かつ０．８ないし１．５となるように注入され、
煙放出ゾーンの近傍に位置する溶融ゾーンへは、酸化剤ガスのみが、煙中の酸素の量が０．５ないし３体積％となるように注入される方法。
【請求項２】
燃焼したガスの熱を回収する手段と、炉の後部に配置された少なくとも１つの空気−燃料ポートであって、ガラス溶融ゾーンと精製ゾーン上に延びて炉の前壁付近まで至り、ガラス精製ゾーンを経由し、炉の後壁に向かって溶融ゾーン上に戻るループ形状の火炎をガラス浴上で形成する少なくとも１つの空気−燃料ポートと、炉の後壁付近およびガラス溶融ゾーンに位置し未溶融ガラスを装填するための少なくとも２つのゾーンを有する、「縦型」のガラス炉の一時的転換のための方法において、
燃焼したガスの熱を回収する手段の修復の間、前記回収手段は煙の流れを避けるために閉じられ、
燃料と少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤とを供給された少なくとも１つの第１のポートが、少なくとも１つの既存の空気−燃料ポートの場所に備えられ、
煙は、ガラス装填のための少なくとも１つのゾーンを介して放出され、
燃料と、酸素を少なくとも５０体積％含む酸化剤とを供給される注入手段がガラス精製ゾーンに備えられ、
酸素を少なくとも５０％含む酸化剤ガスを注入する手段が、ループ形状の火炎を形成するように炉内の煙放出ゾーンに近接する溶融ゾーンに位置する炉側壁に備えられ、
炉内のゾーンにおける化学量論的係数Ｋｓ：Ｋｓ＝当該ゾーンに注入された実際の酸素体積／化学量論的酸素体積が、少なくとも第１のポートにより供給されるガラス溶融ゾーンにおいて０．８よりも低く、炉の精製ゾーンでは０．８ないし１．５である方法。
【請求項３】
酸化剤ガスが８８体積％以上の純度を有する酸素であり、１０ないし１５０ｍ／ｓの速度で注入される、請求項２に記載の「縦型」のガラス炉における一時転換のための方法。
【請求項４】
酸化剤ガスが、ＰＳＡまたはＶＳＡ型の吸着によって空気からガスを分離し酸素を生成するための装置で生成される、請求項２または３に記載の「縦型」のガラス炉における一時転換のための方法。
【請求項５】
ガスの炉への注入時の燃料ガスと酸化剤の注入速度の比が、１以上である請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
炉の精製ゾーンにおける化学量論的係数Ｋｓが、１．３である請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
溶融ゾーンの係数Ｋｓが０．６５である請求項１ないし６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
煙放出ゾーンを除いたガラス溶融ゾーンに注入される酸素の体積量が、炉へ注入された酸素の総体積量の４０％である請求項１ないし７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
ガラス精製ゾーンに注入される酸素の体積量が、炉へ注入された酸素体積量の５０％である請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
煙放出ゾーンへ注入される酸素の体積量が、炉へ注入された酸素体積量の１０％である請求項１ないし９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
気体状である燃料が未溶融ガラスとともに炉へ送られ、炉へ注入される酸化剤ガスの量が実質的に前記化学量論的係数を維持するように調整される請求項１ないし１０のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス炉に関し、特に、回収熱交換器（recuperators）または畜熱器（regenerators）を有する縦型の炉に関する。より詳しくは、本発明は、ガラス炉のための、特に、回収熱交換器または畜熱器の故障やブロッキングの期間中に、ガラス炉の出力効率を維持することを可能とする、回収熱交換器を備えた縦型の炉のための方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ガラス炉は、特に、空気と天然ガスや燃料油等のような燃料との混合物が注入されるいわゆる「空気／燃料」ポートを介してエネルギーを供給される。これらの炉は、通常、空気がポートに注入される前に加熱されるようにする回収熱交換器または畜熱器を少なくとも１つ有する。炉の回収熱交換器または畜熱器が不良であったり損傷を受けた場合、この炉は、通常、空気ポートで加熱されるため、これらのポートに注入された空気を十分に予熱することがもはや可能ではなくなり、ポート内のエネルギー消費が増加する。ときには、火炎によって提供されるエネルギーがもはや十分ではなく、ガラス浴上またはガラス浴中に、生産されたガラスの質や炉の収率にとって大変不利益である低温箇所が発見されることもある。
【０００３】
炉内の回収熱交換器のブロッキングには数週間または数ヶ月間を要し得、このブロッキング期間中、炉内でのガラス生産は継続されなければならない。したがって呈示される問題は、可能であれば、炉がその回収熱交換器とともに通常の動作状態にある場合よりも少ないエネルギーを使用しつつ回収熱交換器の機能を代替する手段を見出すことにある。
【０００４】
ガラス炉は、一般的に、溶融炉および精錬炉の下流で製造されるガラスのタイプと、その用途によってさまざまな種類に分類される。ガラス繊維の製造のためのガラス炉は、一般的に、炉に進入する空気との熱交換によって煙から熱を回収しポートに供給する１つまたは複数の回収熱交換器を有する。これらの炉は、通常、ガラス装填物の加熱／溶融が炉の側壁に設置された複数のポートによって行われる炉である。
【０００５】
他のタイプの炉は、いわゆる蓄熱式炉からなり、時間毎に交替で作動する少なくとも２つの畜熱器を有する。
【０００６】
煙は、大気中に放出される前にこれらの畜熱器を通過し、熱の一部を畜熱器内にシケインとして設置された耐火壁へ伝達する。２０ないし３０分ごとにポートおよび畜熱器は、一般的に、先にポートから高温の煙を輸送した畜熱器が、次はポートに供給する低温の空気を輸送し、次にはまたその反対となるように切り替えられる。したがってこの低温の外部からの空気は畜熱器の壁面に接触し加熱される。
【０００７】
蓄熱式炉には本質的に２つのタイプがある。すなわち、それぞれに畜熱器が対面している炉の側壁に、一連のポートからなる横方向ポートを備えるタイプ、および、（ガラス装填物の流れとの関係から）炉の上流部に配置された２つの隣接する蓄熱器を有し、一般的に、炉内に開口する各蓄熱器の開口部の下に配置された１以上の燃料注入器を備え、その結果、燃料と予熱された空気との燃焼によって作られた火炎からの煙が他の蓄熱器において回収され、ポートの一つのシステムから他へのシステムへの切り替えが行われると、その逆の工程が行われる（２０ないし３０分毎）ところの縦型タイプである。
【０００８】
本発明は、本質的に、これらの後者の縦型の蓄熱式炉に関する。
【０００９】
ガラス炉のさらなる詳細は、例えば、Wolfgang Trierによる「ガラス炉−設計、構造、操作」と題する研究（Society of Glass Technology、１９８７年）に 見出し得る。
【００１０】
先行技術の多くの文献には、既存のポートを補足するものや、またはこのポートのための代替として、ガラス炉における酸素−燃料ポートの使用が記述されている。
【００１１】
例えば、本出願人の名義による欧州特許出願EP-A-0,447,300には、少なくとも1つの酸素−燃料タイプのポートがガラス精製ゾーンに付加され、このポート内 では、煙中のＮＯxの生成を減少させるために、いわゆる「パルス」燃焼が燃料 または酸化剤上で行われるタイプである、縦型のガラス炉における溶融および精製のための方法が記載されている。
【００１２】
米国特許5,116,399には、ガラス炉の前面部の中央部のガラス精製ゾーンに、溶融物に向けて設置された酸素−燃料付加ポートを１つだけ有し、未溶融物質を実質的に精製ゾーンから溶融ゾーンを分ける一連の通気部材（bubbler）の溶融ゾーン側に留めるようにする縦型炉におけるガラス溶融のための方法が記述されている。この目的のため、この付加ポートから発生する火炎のガスは、少なくとも１００ｍ／ｓの速度を有さなければならないが、この速度では、溶融物の限界量まで投入されたときに未溶融ガラス粒子の突出を生じさせるという、重大な不利点を有するいわゆる「高衝撃」火炎を作る。
【００１３】
上記に引用され、縦型の蓄熱式ガラス炉に関する文献には、蓄熱器を有さない炉の操作に関するものはなく、すなわち、蓄熱器のブロッキング中の炉の操作の問題には特に関係するものはない。
【００１４】
同様に、G.B.Tuson、H.Kobayashi、およびE.J.Lawersによる“Glassman Europe ‘93-Presented at Glassman Europe ‘93-Lyon-France-April 28,1993”と題される刊行物は、この問題について全く言及していない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特に、本発明者らが解決しなければならなかった問題は、空気よりも酸素を多く含み、好ましくは酸素を５０体積％より多く含む酸化剤の火炎を利用することを想定した場合、火炎をループ形状に保つこと、すなわち、実質的にガラス浴の表面の全体を加熱することであった。このループ形状は、空気が利用される場合は形成することが比較的容易であるが、酸化剤が純粋酸素または実質的に純粋の酸素（つまり、好ましくは酸素を８８体積％以上含んでいる）である場合、および燃料ガスの速度が速い場合（つまり、特に、燃料と酸化剤の速さの比が１を超える場合）を除き、酸素もしくは酸化剤ガスの注入速度が遅いままであり、一般的に６０ｍ／ｓを超えない場合（例えば液体酸素の貯蔵器もしくはＶＳＡ（Vacuum Switch Adsorption：真空切換吸着）型の低圧吸着システムから供給された酸素の場合）は困難であることがわかった。従って、この燃料ガスの速度がしばしば１００ｍ／ｓを超えると急速な酸化剤／燃料の混合を生じさせ、その結果、火炎の短縮を引き起こしループ形状を損なってしまう（燃料ガスの速度が酸化剤ガスの速度よりも速ければ速いほど、両者の混合はより速く生じる傾向にある)。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による「縦型」タイプのガラス炉におけるループ形状の火炎を作るための方法では、ガラス炉は、後部には酸素を５０体積％よりも多く含む酸化剤を供給される少なくとも１つの第１のポートの手段により加熱されるガラス溶融ゾーンを有し、前部にはガラス精製ゾーンを有し、炉の１のゾーンにおける火炎の化学量論的係数Ｋｓは、
Ｋｓ＝当該ゾーンに注入された実際の酸素体積／化学量論的酸素体積と定義され、酸化剤および燃料ガスの注入は、少なくとも１つの第１のポートにおいて、溶融ゾーンにおける係数Ｋｓの値が０．８以下となるように調節され、燃料−酸化剤混合物は、精製ゾーンにおける化学量論的係数Ｋｓが溶融ゾーンにおけるそれよりも高くなるように、かつ０．８ないし１．５となるように、精製ゾーンへ注入され、煙放出ゾーン近傍に位置する溶融ゾーンへは、実質的に酸化剤ガスのみが、煙中の酸素量が０．５ないし３体積％となるように、注入される。
【００１７】
本発明の他の側面によれば、燃焼したガスの熱を回収する手段と、炉の後部に配置された少なくとも１つの空気−燃料ポートであって、ガラス溶融ゾーンと精製ゾーン上に延びて炉の前壁付近まで至り、ガラス精製ゾーンを経由し、炉の後壁に向かって溶融ゾーン上に戻るループ形状の火炎をガラス浴上で形成する少なくとも１つの空気−燃料ポートと、炉の後壁近辺およびガラス溶融ゾーンに位置し未溶融ガラスを装填するための少なくとも２つのゾーンを有する、「縦型」のガラス炉の一時的転換のための方法において、燃焼したガスの熱を回収する手段の修復の間、前記回収手段は煙の流れを避けるために閉じられ、燃料と少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤とを供給された少なくとも１つの第１のポートが、少なくとも１つの既存の空気−燃料ポートの場所に備えられ、煙はガラス装填のための少なくとも１つのゾーンを介して放出され、燃料と酸素を少なくとも５０体積％含む酸化剤とを供給される注入手段がガラス精製ゾーンに備えられ、酸素を少なくとも５０体積％含む酸化剤を注入する手段が、ループ形状の火炎を形成するように炉内の煙放出ゾーンに近接する溶融ゾーンに位置する炉側壁に設置され、炉内のゾーンにおける化学量論的係数Ｋｓ：Ｋｓ＝当該ゾーンに注入された実際の酸素体積／化学量論的酸素体積が、少なくとも第１のポートにより供給されるガラス溶融ゾーンにおいて０．８より低く、炉の精製ゾーンでは０．８ないし１．５である方法が提供される。
【００１８】
好ましい態様によれば、本発明は、酸化剤ガスは純度が８８体積％以上の酸素であり、１０ないし１５０ｍ／ｓの速さで注入される方法である。
【００１９】
他の態様によれば、本発明は、酸化剤ガスがＰＳＡ（pressure swing adsorption；圧力スウィング吸着）またはＶＳＰ型の吸着法により空気ガスを分離して酸素を生産する装置により生成される方法である。
【００２０】
代替的態様によれば、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの、炉内への注入時の注入速度の比が１以上である方法である。
【００２１】
他の態様によれば、本発明は、炉の精製ゾーンにおける化学量論的係数Ｋｓが約０．５ないし０．８である方法である。
【００２２】
好ましい態様によれば、本発明は、炉の精製ゾーンの化学量論的係数Ｋｓは、約１．３のオーダーである方法である。
【００２３】
酸化剤ガスの注入後の煙中の酸素量は、好ましくは約１．５体積％である。
【００２４】
また、好ましくは、溶融ゾーンにおける係数Ｋｓは約０．６５である。
【００２５】
煙放出ゾーンを除くガラス溶融ゾーンへ注入される酸素の体積量は、好ましくは、炉内へ注入された酸素の総体積量の約４０％である。
【００２６】
ガラス精製ゾーンへ注入される酸素の体積量は、好ましくは、炉内へ注入された酸素の総体積量の約５０％である。
【００２７】
本発明の他の態様によれば、煙放出ゾーン内へ注入される酸素の体積量は、炉内へ注入された酸素の総体積量の約１０％である。
【００２８】
本発明によれば、一般的には気体状である燃料は、未溶融ガラスとともに炉内へ送られてもよく、また、炉内へ注入される酸化剤ガスの量は実質的に上記化学量論的係数を維持するように調整される。
【００２９】
炉のゾーンにおける火炎の化学量論的係数Ｋｓは以下のように定義される。
【００３０】
Ｋｓ＝当該ゾーンに注入された実際の酸素体積／化学量論的酸素体積実際の酸素体積は、ポートおよび／または１以上の注入パイプを介して、考慮されている（溶融、精製）ゾーンへ実際に添加された酸素体積である。
【００３１】
化学量論的酸素体積は、考慮されているゾーンへ１以上のポートを通して注入された、または考慮されているゾーンに先立つゾーンに由来する燃料の完全燃焼のために必要な酸素の体積である。これらの全ての体積は、当然、同様の条件で、好ましくは標準温度および圧力条件（２０℃、１気圧）において定義される。
【００３２】
天然ガスの化学量論的燃焼比は、天然ガスの１ｍ3当たり酸素が約２ｍ3である。重燃料油の場合、この比は、重燃料油の１ｍ3当たり酸素が約２．４ｍ3である。一般的に、ＬＣＶ（Lower Calorific Value：低発熱量）の１０ｋＷｈの燃料 に対して実質的に２ｍ3の酸素が必要である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図を参照しながら説明する。なお、図に示される態様の例はいかなる制限も意味するものではない。
【００３４】
図１は、横方向にガラスを装填するための２つのゾーン４および５を炉の後部に有し、溶融ガラスが矢印１０の方向にチャンネル２および３に向かって流れ、ガラスを形成するための機械の供給装置にチャンネル２および３が接続されている実質的に方形の「縦型」ガラス炉を上方から見た概略図である。
【００３５】
炉の後壁には、蓄熱器（図示せず）および燃料の、一般に天然ガスもしくは場合に応じて噴霧された燃料油のための一連の注入器９、１２と連通する開口８、１１を有する２つの一般的に同じユニット６および７が配置されている。
【００３６】
隣接する畜熱器中で予熱された空気は、開口部８（またはポート）へ注入され、注入器９を通して注入された燃料とともに燃焼し、矢印１０により図示されるＵ型の火炎を形成し、そこから煙は開口部１１を経由して脱出し、隣接する蓄熱器を加熱する。２０ないし３０分毎に、システムの反転が実施され、開口部１１に隣接する畜熱器内で予熱された空気と、注入器１２に注入された燃料を利用し、Ｕ型の火炎を形成し、煙は開口部８とを経由して放出され、この開口部８に隣接する畜熱器が再び加熱される。
【００３７】
図２は、本発明の態様の一例を示す。図２では図１と同一の部材が同じ参照番号により示される。
【００３８】
２つの酸素注入パイプ３７は、３つの燃料注入器２８の間に設置されている。燃焼を完全に行うため、２つの酸素−燃料ポート３９および４０は通気部材４９上のガラス精製ゾーンに設置されている。酸素注入パイプ３８は煙放出口２１の手前および近接に設置される。
【００３９】
実施例
この形態では、酸素注入パイプ３７と、それぞれ５００ｋＷの公称出力を有する酸素−燃料ポート３９および４０が、回収熱交換器を有さない炉の転換を実施するために使用された。煙の放出口は、ブロッキングのために回収熱交換器が隔離されるように、ガラスを装填するための開口部の１つの代わりに設けられた。
【００４０】
この方法は炉が回収熱交換器のブロッキングの間の生産を維持することを可能とした。
【００４１】
２つの酸素注入パイプ３７は、開口部２５の下に備えられる。これらの酸素ランス☆は３つの天然ガスの注入器２８により囲まれる。酸素注入パイプ３７および天然ガス注入器２８は異なる平面上に配置される。この場合、天然ガス注入器の平面は、酸化性雰囲気を形成するために、酸素注入パイプの平面の上方に設置される。
【００４２】
一方、もしガラスが還元雰囲気の下で溶融されるならば、ガス注入器は酸素注入器の下方に設置される。しかしながら、全ての場合において、酸化剤注入および燃料注入の速度は、急速な混合（乱流）を避け、反対に段階的燃焼を得るために、あまり異ならないほうが好ましい。酸化剤と燃料の速度の比は、やはり好ましくは、１以上であり、より好ましくは、１ないし２である。
【００４３】
酸素は、下記速度において、約−１５ないし＋１５度の角度で、炉へ導入される。同じ平面上に注入パイプまたは注入器を備えることも同等に可能である。
【００４４】
第３の酸素注入パイプ３８は、燃焼を完了させ、ガス放出煙突内での一酸化炭素の燃焼を避けるようにするため、炉の煙放出口２１の近辺に備えられる。酸素ガスは、好ましくは、１０ないし１５０ｍ／ｓの速度で導入される。酸素注入は、一方で、煙の根幹でオーバーヒートを避け、この火炎に対面する炉の壁面上にあり、火炎の衝撃を大きくしすぎる原因となる高温箇所の拡大を避けるために、好ましくは、上記速度において行われる。
【００４５】
ガラス精製ゾーンには、好ましくは、実質的に水平に、かつ、装填ゾーンへわずかに向かうように設置される２つのバーナーが備えられる（「わずかに」とは、約０ないし１０度の角度を意味する）。
【００４６】
燃焼の調整は、表１に示された方法で実施される。すなわち、加熱出力の約６０％は、係数Ｋｓが０．６５（０．５ないし０．８）のオーダーで溶融ゾーン（通気部材４９にまで及ぶ）へ集中し、同時に酸素総量の体積の４０％がこの溶融ゾーンに注入され、加熱出力の４０％は、係数Ｋｓが１．３（０．８ないし１．５）で精製ゾーンに集中し、および総酸素量（または総酸化剤量）の５０体積％がこの精製ゾーンに注入される。また、煙放出ゾーンには出力は注入されないが、炉内へ放出された総酸素量の約１０％が、可燃性を有する汚染ガスを煙が放出される前に除去するために煙不出開口部の近辺部に位置する酸素注入パイプ３８を経由して注入される。（より一般的には、上記の補助酸素流量による。）
炉のヘッドで拡大された火炎は、ガラス浴の表面の３分の２よりも多くを覆う。この火炎は、燃焼の初期における火炎の天然ガスのクラッキングから起こり、発生した炭素粒子の再燃焼の原因となる不完全燃焼のために、長くかつ発光する。
【００４７】
精製ゾーンに設置された２つのポートによって導入されたエネルギーと酸素は、燃焼のために必要とされる付加的なエネルギーを導入することと、浴上に生じている火炎のループ形状を維持することを可能とする。浴の表面上の最大被覆はこのように作り出される。
【００４８】
炉内のエネルギー配分および化学量論的係数Ｋｓは表１に要約される。
【００４９】
【表１】
0004112650.tif 000002
＊パーセンテージは、煙中の酸素体積のパーセンテージが０．５ないし３体積％および好ましくは１．５体積％とするために必要な、炉（溶融および精製）へ付加する酸素のパーセンテージを示す。炉内に他の燃料物質（ポートに送られる燃料以外）がある場合、酸素は、脱出する煙中の酸素の量が０．５ないし３体積％となるようにするために、上記に示されたパーセンテージと比較して付加される。
【００５０】
炉内の燃焼は不均整であり、すなわち、係数Ｋｓは火炎にそって変化する。この燃焼は好ましくは、溶融浴の表面の最大被覆のための火炎を長くするために、「段階的」である。
【００５１】
得られた結果により、炉の特定消費は、低いにもかかわらず、約１７％減少し、一方で、生産されたガラスの質が実質的に炉の改造前のものと同一であることが見出された。
【図面の簡単な説明】
【図１】  先行技術に基づくガラス生産のための、回収熱交換器を有する縦型炉の従来図。
【図２】  回収熱交換器を有さず、炉の燃焼が酸素との完全燃焼である本発明に基づく図１の炉の操作方法を示す図。
【符号の説明】
１…縦型ガラス炉
４、５…横方向ガラス装填装置
８、１１…開口部
９、１２、２８…注入器
２１…煙放出口
３７、３８…酸素注入パイプ
３９、４０…ポート
４９…一連の通気部材
【図１】
0004112650.tif 000003
【図２】
0004112650.tif 000004