JP4680912B2 - 追加のガスの注入を含むバーナー制御方法、および関連する燃焼システム - Google Patents

Description

本発明は、ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するためのバーナーの操作を制御するための方法に関する。

連続的なガラス製造ラインにおいて、ガラスは、産出物として溶融ガラスを排出する比較的大きい容積の炉内で溶融される。ホロウウエアのためのガラス炉のようないくつかの事業において、溶融ガラスは、ガラス形成機に直ぐに運ばれる必要がある。この溶融ガラスを輸送するために、耐火物材料で内張りされた「供給装置」または「前炉」が用いられる。ガラスがこのように運ばれるにつれ、ガラスは冷却され、また、供給装置を離れるとき、その温度が完全に安定であり、±１℃の範囲内で均一であるように状態調整される。従ってこれを達成するために、供給装置を出てゆくガラスの温度は一定であり、また、横方向に、すなわち、各供給装置の幅に渡って完全に均一である必要がある。

産出物の温度勾配を小さくするために、供給装置の全長に渡って、ガラスの表面における熱伝達方式を制御することが必須である。これを行うために、溶融ガラス流の自由表面の上方の空気／可燃性ガス混合物の燃焼により加熱する加熱装置を供給装置に設けることが一般的に行われる。この燃焼は、空気／燃料バーナーを用いることで得られる。溶融ガラスが流れる間、溶融ガラスの温度を低下させ、均一にするために、一連のバーナーが溶融ガラスの全流路に渡って分配される。バーナーの数のため、およびバーナーが生成する燃焼ガスの体積を検出し、制御することの困難さのために、燃焼は、その酸化剤が冷風であるバーナーにより行われ得る。これらバーナーは、一般に月並みな効率を有し、良好な横方向の熱プロファイルを得ることに関しては、殆ど柔軟性を提供しない。

これら問題を解決するために、空気／可燃性ガス混合物の燃焼は、オキシ燃料（oxyfuel）バーナーを用いる酸素／可燃性ガス混合物の燃焼により置き換えられてきている。この変更は、ガラス製造容量、並びに燃焼効率および放射的移動を高めている。このようなバーナーは、例えば、文献US-B1-6 431 467 および US 5 500 030に記載されている。これらのバーナーは、特に、大きな操作範囲を提供する、換言すれば、パワーを、従って燃料流量と酸化剤流量を、空気／燃料バーナーの場合と比べてはるかにより広範に変化させる可能性を提供するという利点を有する。さらに、これらバーナーの炎の長さは、その全操作範囲に渡って一定である。この性質は、これらが、ガラスが耐火物と接触して冷える地点である供給装置の端を加熱することを可能にする。これらは、また、熱勾配を制限し、従って、供給装置の中心と端との間の粘度の差異を制限し、よって、供給装置の中心におけるガラスの優先的な流れを制限する。さらに、オキシ燃料燃焼による、または酸素富化空気を用いる供給装置の１つのセクションについての加熱パワーは、空気／燃料燃焼において得られ得るものより大きい。オキシ燃料バーナーが動作する広いパワー範囲は、プロセスにおける変化を迅速に補い、ガラス温度を安定化させる動的制御を可能にする。供給装置は、その全長に渡って複数の加熱帯域を備え得、この場合、オキシ燃料バーナーは、温度調節におけるより優れた正確さのために、大きな操作柔軟性を提供する。供給装置の全長にオキシ燃料バーナーを備える場合に、この操作柔軟性は、さらにより大きい。さらに、ガス消費量は減少する。オキシ燃料バーナーは、また、燃焼ガスの体積を減少させることを可能にし、これは、いくつかの場合において、顔料のような、供給装置内に運ばれるある種の成分の飛散および揮発の減少をもたらし得る。

しかしながら、このオキシ燃料燃焼は、いくつかの欠点を有し得る。第１に、ガラス流加熱プロファイルがとりわけ安定であり均一であることを確実にすることが必要であるために、供給装置のバーナーの炎の形状寸法が、特に重要である。しかしながら、自己冷却型オキシ燃料バーナーを作り上げる材料の熱的挙動は、各バーナーにおけるガス流量と酸素流量が低い（低い単位パワー）のに対してバーナー内の周囲温度が一般に高いために、一般的に難しい。従って、安定な炎プロファイルを確実にするために、オキシ燃料が可能にし得るものと同じだけの、これらバーナーについての操作柔軟性が存在しない。加えて、バーナーの低速度での流れは、保守を必要とするバーナーの故障の原因となり得る。これは、バーナーは、用いる酸化剤と燃料の双方の流れによる対流により冷却されるからである。酸素による燃焼の場合には、流れの体積は、空気による燃焼のそれよりも約７０％少ない。従って、冷却は、同じパワーではより効果的ではない。酸素による燃焼炎は、より温度が高く、より輻射する。加えて、低いパワーでは、バーナーのエンドフィッティングの加熱は、時期尚早の割れを引き起こし得、その結果、バーナーの急速な詰まりと、時期尚早の磨耗を引き起こし得る。最後に、供給装置は、常に過剰圧力にある必要があり、この圧力は、バーナーの燃焼ガスの体積により維持される。空気燃焼において、この体積は安定化される。一連の燃焼ガス排出ダンパーは、監視し、調節する必要がある圧力を調節することができる。オキシ燃焼において、燃焼ガスの体積はより低く、加えて、パワーによって大きく変化し、よって、供給装置内の圧力を制御することを困難にする。従って、瞬間的なパワー条件とは無関係な、圧力が安定な方法が求められる。

上記の欠点を有さないオキシ燃料バーナーを用いてガラス供給装置を加熱するための方法を提案することが、本発明の目的である。

柔軟性があり、容易に修飾され得るオキシ燃料バーナーを用いてガラス供給装置を加熱するための方法を提案することが、本発明の目的である。

この目的のために、本発明の主題は、ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するための、可燃性ガスと酸素を供給されるバーナーの操作を制御するための方法であって、、、追加のガスを、追加のガスの流量、酸素の流量および可燃性ガスの流量の合計が、バーナーの最小冷却流量Ｄ_ＭＩＮよりも大きいか、等しいように、酸素ガスに対する補足として注入する方法である。

本発明は、また、
オキシ燃料バーナー、
上記バーナーに燃料を供給するための手段、
酸素供給手段および追加のガスの供給手段と協働する、上記バーナーに酸化剤を供給するための手段、
少なくとも酸素または燃料の流量を測定するための手段、および
追加のガスの流量を制御するための手段
を備える燃焼システムに関する。

最後に、本発明は、ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するための上記システムの使用に関する。

本発明の他の特徴および利点は、以下の記載を読むと明らかになるであろう。本発明の態様とそれを実行するための方法は、図１に示される限定されない例として与えられ、図１は、本発明の方法およびシステムにより得られる、および従来技術の方法により得られるパワーレベルの範囲を示す。

従って、本発明は、まず、ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するための、可燃性ガスと酸素を供給されるバーナーの操作を制御するための方法であって、、追加のガスを、追加のガスの流量、酸素の流量および可燃性ガスの流量の合計が、バーナーの最小冷却流量Ｄ_ＭＩＮよりも大きいか、等しいように、酸素ガスに対する補足として注入する方法に関する。

本発明は、従って、オキシ燃料バーナーの操作を制御することを可能にする。「オキシ燃料バーナー」という語は、燃料と酸素を混合することにより得られるオキシ燃焼を実行するバーナーを意味すると解される。「酸素」という語は、９０体積％を超える酸素を含む酸素含有ガスを意味すると解される。ＶＳＡ（真空スイング吸着）プロセスにより生成される酸素が特に適している。本発明の本質的な特徴によれば、追加のガスを、酸素に対する補足としてバーナー中に注入する。一般的に、追加のガスを、燃料と接触させる前に、例えば事前混合チャンバ内で酸素と混合する。酸素に対する、および燃料に対する補足として注入される追加のガスの量は、バーナーの操作を以下のルールに従って制御することを可能にする。すなわち、追加のガスの流量、酸素の流量および可燃性ガスの流量の合計は、バーナーの最小冷却流量Ｄ_ＭＩＮよりも大きくなければならない。Ｄ_ＭＩＮの値は、バーナー中に導入される燃料の流量に従って、バーナーのそれぞれのタイプについて定められ得る。より正確には、Ｄ_ＭＩＮの値は、以下の様式において定められ得る。すなわち、Ｄ_ＭＩＮは、バーナーを冷却するに十分である必要がある。冷却するために必要なこの流量値は、使用されるバーナーに特有であり、当業者により、当該バーナーが耐える温度に従って決定され得る。このバーナーが耐える温度は、それ自体、試験により前もって測定される。実際に、追加のガスの流量は、バーナーに酸素を送給するためのライン中に挿入された圧力調整器により制御され、定めた圧力で酸素および追加のガスの流れを送給するように調節され得る。この圧力は、バーナーを冷却するために必要とされる最小ガス流量に対応するように設定される。従って、燃料流量の変化に伴い、酸素流量が変化した場合に、および一定の可燃性ガス／酸素の化学量論比を維持するように、追加のガスの流量もまた、バーナー中の酸素流量の変化を補う、または補わないように変化する。

本方法の第１のさらに改良された変形によれば、追加のガスの流量を、酸素流量と可燃性ガス流量に従って、後者の２つの流量を永続的に測定することにより、並びに酸素流量、追加のガスの流量および燃料流量がＤ_ＭＩＮよりも大きくなるように追加のガスの流量を調節することにより変えることができる。

第２の、単純化された本発明の特定の変形によれば、追加のガスの流量および酸素ガス流量の合計が、バーナーの最小冷却流量Ｄ_ＭＩＮよりも大きいか、または等しいということを確実にすることが必要とされる全てのことである。いわんや、追加のガスの流量、酸素の流量および可燃性ガスの流量の合計は、バーナーの最小冷却流量Ｄ_ＭＩＮよりも大きい。この特定の実行方法は、可燃性ガス流量の値を考慮することなく、例えば、単純な圧力調整器により、追加のガスの流量を酸素流量の測定に単に隷属させることが問題となるだけとなるので、より簡便である。

本発明によれば、追加のガスは、酸素とは異なる酸化剤ガスであるか、燃料に対して不活性であるガスであり得る。以下のガスの少なくとも１つが好ましい。すなわち、空気、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、窒素またはこれらのガスの混合物である。空気が、その低いコストとその組成のために、一般的に最も良く適している。約２１体積％という量の酸素と、酸素とは異なる少なくとも１種の他のガスから構成された追加のガスは、一方で、燃焼に好ましいために、他方で、導入する酸素の量を、燃料を燃やすために注入される主の酸素から差し引くことができるために、有益である。

バーナーのパワーの変化の間、燃料流量と酸素流量は、一定の予め定めた化学量論比を維持するように、比例的に増加し、または減少する。用いられる酸素流量の値に依存して、追加のガスは、酸素と追加のガスの合計流量が、Ｄ_ＭＩＮよりも大きいか、等しくなるように、酸素に対する補足として添加される。従って、低流量での酸素および燃料の注入にも関わらず、追加のガスが、バーナーを冷却するために必要とされるガス体積を提供するために、バーナーは、いかなる低パワー劣化（low-power deterioration）を受けることがない。この追加のガスは、また、バーナーのエンドフィッティングが、ガラス沈着物により詰まってしまうことを防止し、それを損傷を受けることから防ぐ。さらに、追加のガスは、オペレーターが供給装置内の過剰圧力を入手し、制御することを可能にする燃焼ガスの体積を作り出す。高いパワーにおいては、追加のガスの流量は、酸素のみでの操作を行わせるために、任意にゼロにまで減じられ得る。この場合に、酸素流量と可燃性ガス流量の合計は、Ｄ_ＭＩＮよりも大きい。

本方法の第１の好ましい変形によれば、これは、US 5 500 030に記載されているタイプのバーナーを用いる。より詳細には、このタイプのバーナーは、
酸素の通過のための第１の導管、
上記第１の導管と同軸であり、上記第１の導管の内部に配置された、燃料の通過のための第２の導管
を含む。

第２の導管の端は、第１の導管の端から後退して配置されることが好ましい。さらに好ましくは、このタイプのバーナーは、第１の導管の内径の第２の導管の内径に対する比が、２／１〜８／１であるものが用いられる。

本方法の第２の好ましい変形によれば、これは、US-B1-6 431 467に記載されているタイプのバーナーを用いる。より詳細には、このタイプのバーナーは、
酸素の通過のための第１の導管、
上記第１の導管と同軸で、上記第１の導管の内部に配置される、燃料の通過のための第２の導管、
第１の導管の端に配置されるエンドフィッティング、
第２の導管の端に配置されるノズル、
第２の導管の端のノズルに配置される、燃料を渦巻かせるための手段
を含む。この第２の変形によれば、燃料を渦巻かせるための手段は、第２の導管のノズル内部の空気力学的に中心に位置された細長い形状の物体を含み、上記ノズルの内径は、燃料を渦巻かせるための手段の細長い形状の物体の直径よりも大きい。燃料を渦巻かせるための手段の細長い形状の物体は、その長さ部分に渡る少なくとも１つのらせん状のロッドから成り得る。このバーナーは、また、第１の導管の端におけるエンドフィッティングに配置される、酸化剤を渦巻かせるための手段も含み得る。酸化剤を渦巻かせるためのこの手段は、らせん状のバネから成り得る。このタイプのバーナーは、パワーの変化に関係なく、一定の長さの炎を生じさせるので、本発明の方法を実行するために特に適している。

本発明は、また、
オキシ燃料バーナー、
バーナーに燃料を供給するための手段、
酸素供給手段および追加のガス供給手段と協働する、バーナーに酸化剤を供給するための手段、
少なくとも酸素または燃料の流量を測定するための手段、および
追加のガスの流量を制御するための手段
を含むシステムに関する。

この燃焼システムは、バーナーのパワーにおける変化が、このタイプのバーナーが直面する欠点を伴うことなく、精密に制御されることを可能にする。このようなシステムは、上記したようなオキシ燃料バーナーの操作を制御するための方法が実行されることを可能にする。一般的に、追加のガスの流量を制御するための手段は、少なくとも酸素または燃料の流量を測定するための手段に従動される。追加のガスの流量を制御するためのこの手段は、圧力調整器またはサーボバルブ、すなわち、制御バルブに従動するバルブであり得る。追加のガスの流量を制御するための手段が圧力調整器である場合、送給されるこの追加のガスと酸素により生ずる圧力が、最小酸化剤流量Ｄ_ＭＩＮを得るために必要とされる圧力よりも大きくなるまで、追加のガスを送るように圧力調整器を調節することが、必要とされる全てのことである。追加のガスの流量を制御するための手段がサーボバルブである場合、追加のガス供給手段の開口を、１つの以下の制御値、すなわち、一定の酸素／燃料化学量論比を考慮に入れた、酸素流量または燃料流量に従動させることが可能である。追加のガスが空気であるところの１つの特定の実行方法によれば、サーボバルブは、酸素／燃料化学量論比の計算において、空気からの酸素の供給を考慮に入れることができる。この実行方法は、酸素の消費を節約することを可能にする。

最後に、本発明は、ガラス炉に由来する液状ガラスの供給経路を加熱するための上記システムの使用に関する。

図１に示されるグラフは、本発明の方法およびシステムにより得られる、並びに従来技術の方法により得られるパワー範囲を示す。本発明のシステム（実線の曲線）、および従来技術のオキシ燃料バーナー（・・・・・・と・−・−・−タイプの点線の曲線）の場合、曲線は、発生されたパワー（ｋＷ）の関数として移行することができるパワー（ｋＷ）を与える。発生されたパワーは、酸素のみを含む酸化剤を用いる化学量論的燃焼により生じるパワーである。移行されるパワーは、実際に、ガラスに移行されるパワーである。酸素のみを含む酸化剤を用いるオキシ燃焼の場合（従来技術のオキシ燃料バーナー）、移行されるパワーは、発生されるパワーに対応することを見ることができる。酸素を含む酸化剤と追加のガスを用いる燃焼については、従来技術のバーナーと同じパワーが発生するが、本発明を実行するバーナーにより移行されるパワーは、あるパワー範囲における燃焼ガスの体積によるパワー損失のために、より低くなり得ることを見ることができる。従来技術のバーナーは、、移行エネルギーおよび発生エネルギーに関して７〜１０ｋＷの範囲内の操作に制限されることが観察された。これは、７ｋＷ未満では、バーナーは、十分なガス流が存在しないことによる劣化を被ることなく動作することができないからである（・・・・タイプの点線の曲線により規定される範囲における劣化）。本発明のシステムにより、この同じバーナーは、その操作範囲が０．１５〜１０ｋＷに広がる。本発明の方法および装置は、そのパワー範囲において機能させると劣化を引き起こすために従来技術において到達できず、図１における・・・・タイプの点線曲線に対応するパワー範囲における従来技術のバーナーの操作範囲を広げることを可能にするということを強調することができ、この「劣化」パワー範囲は、１ｋＷの移行パワー以下に下がることができないのに対して、本発明の方法は、０．１５〜１ｋＷの移行パワーレベルに到達することができることを見ることができる。

本発明の方法およびシステムを実行することにより、オキシ燃料バーナーの利点、すなわち、高いパワーレベルについて空気／ガスバーナーよりも広い操作範囲、、任意に、制御された炎の長さおよび燃料消費の減少を維持しながら、一方でバーナーの劣化を伴うことなく低パワー加熱プロファイルを改善しつつガラス炉に由来する溶融ガラスの供給装置を加熱することができる。

本発明は、低パワーでの全酸素燃焼中よりも高い燃焼ガス体積のために、安定した圧力を供給装置において維持することができるという利点をも有する。

低パワーのバーナーを用いて実施できるという可能性のために、本発明は、低パワーで動作する多くのバーナーを用いて実施することができ、従って、加熱はより均一であり得、およびガラスへの移行の質を改善する。

加えて、酸素中への追加のガスの補助的な注入は、燃焼効率を低下させるが、しかしながら、ガラスに移行されるパワーを非常に精密に調節することを可能にする。

燃焼効率は、バーナーが低パワーで動作するとき最小となる。しかしながら、これらのレベルにおいて、燃料の節約は、潜在的により低い。この方法は、経済性に殆ど影響を与えない。

本発明の他の利点は、バーナーのパワーを、供給装置を通るガラス流の性質に従って、迅速に調節することができるということである。この利点は、流行の動向（色等）に従うように生産されるガラスに成される絶え間ない変更のために、今日においてよりとりわけ重要である。

本発明の方法およびシステムにより得られる、並びに従来技術の方法により得られるパワーの範囲を示すグラフ。

Claims (16)

1. ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するための、可燃性ガスと酸素を供給されるオキシ燃料バーナーの操作を制御するための方法であって、
   一定の所定の化学量論比を維持するように可燃性ガスと酸素の流量を比例的に増加または減少させることにより、バーナーのパワーを変更することと、
   酸素に対する補足としての追加のガスを注入し、その際に注入された追加のガス量が、追加のガス、酸素および可燃性ガスの流量の総量がオキシ燃料バーナーを冷却するための最小流量Ｄ _ＭＩＮ よりも大きいか、または等しいように制御されること
   を特徴とする方法。
2. 前記追加のガスが、以下のガス、すなわち、空気、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムおよび窒素の少なくとも１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記追加のガスが、前記燃料と接触する前に、酸素と混合されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ＤＭＩＮの値が、前記燃料の流量に従って設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記追加のガスの流量および前記酸素の流量の合計が、前記オキシ燃料バーナーの最小冷却流量ＤＭＩＮよりも大きいか、等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記追加のガスの流量が、前記オキシ燃料バーナーに酸素を送給するためのライン中に挿入された圧力調整器により制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記オキシ燃料バーナーが、
   酸素の通過のための第１の導管、
   前記第１の導管と同軸であり、前記第１の導管の内部に配置された、燃料の通過のための第２の導管
   を備え、前記第２の導管の端が、前記第１の導管の端から後退して配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記オキシ燃料バーナーが、
   酸素の通過のための第１の導管、
   前記第１の導管と同軸であり、前記第１の導管の内部に配置された、燃料の通過のための第２の導管、
   前記第１の導管の端に配置されたエンドフィッティング、
   前記第２の導管の端に配置されたノズル、
   前記第２の導管の端のノズルに配置された、燃料を渦巻かせるための手段を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
9. 燃料を渦巻かせるための手段が、前記第２の導管のノズル内部で空気力学的に中心に位置された細長い形状の物体を含み、前記ノズルの内径が、前記燃料を渦巻かせるための手段の前記細長い形状の物体の直径よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記燃料を渦巻かせるための手段の前記細長い形状の物体が、その長さの一部に渡って少なくとも１つのらせん状のロッドを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記オキシ燃料バーナーが、前記第１の導管の端のエンドフィッティングに配置された、酸化剤を渦巻かせるための手段を含むことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法であって、該方法は、
    オキシ燃料バーナー、
    前記オキシ燃料バーナーに燃料を供給するための手段、
    酸素供給手段および追加のガス供給手段と協働する、前記オキシ燃料バーナーに酸化剤を供給するための手段、
    少なくとも前記酸素または前記燃料の流量を測定するための手段、および
    前記追加のガスの流量を制御するための手段
    を備える燃焼システムを用いて実施される方法。
13. 前記追加のガスの流量を制御するための手段が、少なくとも前記酸素または前記燃料の流量を測定するための手段に従動することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記追加のガスの流量を制御するための手段が、圧力調整器であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記追加のガスの流量を制御するための手段が、サーボバルブであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
16. ガラス炉に由来する液状ガラスの供給装置を加熱するための、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法の使用。

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