JP6426736B2 - サブマージ燃焼バーナを使用して固体バッチ原材料を溶解するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、とりわけ、ガラス質またはガラス化可能材料を溶解するためのサブマージ燃焼溶解装置と、サブマージ燃焼溶解装置を使用するプロセスとに関する。

ガラス質材料は、概して、例えば、ケイ酸塩、玄武岩、石灰岩、ソーダ灰、および他の微量成分等の原材料の混合物から製造され、これらは、溶解装置の中に導入され、約１２５０〜１５００℃の温度で粘稠液状態に溶解され、溶解物は、次いで、形成プロセスに供給される。例えば、板ガラス、中空ガラス、強化目的のための連続繊維、または絶縁目的のための繊維の製造のため等、溶解物の意図される使用に応じて、溶解物の精錬ステップが、形成プロセスの上流で要求され得る。溶解物の化学組成およびその物理特性が、意図される使用および形成プロセスに応じて選択される。

従来のガラス溶解装置は、ガラス溶解物表面上方からの、例えば、ガラス溶解物表面と溶解装置の被冠部との間の空間内に火炎を生成するバーナからのエネルギー供給を備え、それによって、熱が、火炎自体によって、および被冠部材料からの放熱によって、ガラス溶解物に伝達される。溶解されるべきバッチ原材料が、溶解装置内のガラス溶解物の上部に装填され、熱が、溶解物から、溶解物中に組み込まれるバッチ材料に伝達される。

いくつかのガラス溶解装置では、エネルギーは、溶解物の表面下方に配列された電気加熱電極によって供給され、そのような電極は、唯一の熱源を提供するか、またはバーナとの組み合わせにおいて使用され得る。

さらなる種類のガラス溶解装置は、バーナの火炎および／または燃焼生成物が溶解物を通過するように、溶解物の表面下方に配列された、１つ以上のバーナノズルを有する。本配列は、サブマージ燃焼と称される。

ストーンウール絶縁体を製造するために使用されるガラス溶解装置は、伝統的に溶銑炉である。

本発明は、ここで、バッチ材料を焼結および／または溶解するための、改良された高度に効率的なプロセスを提供することを追求する。そのようなプロセスは、改良された最終製品の品質につながる、温度分布および組成の観点からの均質性を含む、改良された溶解物特性と併せて、低減されたエネルギー消費を示す。これは、多種多様な材料、とりわけ、ガラス化可能材料の溶解を可能にし、プロセスパラメータを制御する際の高い柔軟性を示す。

別の側面によると、本発明はまた、材料、とりわけ、ガラス質またはガラス化可能材料の溶解のための改良型サブマージ燃焼溶解装置を提供することも追求し、これは、原材料の熱伝達および溶解においてさらなる向上された効率性を示す。

より具体的には、本発明は、とりわけ、溶解物の上部に添加されるとき、溶解物内の未加工の原材料の吸収および未加工の原材料への熱の伝導の効率性を改良し、したがって、溶解物の温度プロファイルおよび組成の観点からの全体的な均質性を改良することを追求する。同時に、溶解装置を通しての原材料の任意の迂回は、大幅に回避される、または少なくとも減少され、したがって、バッチ材料の効率的な溶解、ひいては、所与の出力フローに対してより小さい溶解装置につながる。

その側面の１つによると、本発明は、請求項１に定義されるように、サブマージ燃焼溶解装置を提供する。他の独立請求項は、本発明の他の側面を定義する。従属請求項は、好ましいおよび／または代替実施形態を定義する。

サブマージ燃焼溶解および／または溶解装置にも関する、以下の特許出願に説明される１つ以上の側面が、本特許出願の発明に対して使用され得、以下の特許出願のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。

一特定の側面によると、本発明は、材料、とりわけ、ガラス化可能材料を溶解するためのプロセスを提供し、プロセスは、固体バッチ材料を溶解装置の中に導入するステップと、サブマージ燃焼によって溶解装置内の固体バッチ材料を溶解するステップと、溶解物にフローパターンを受けさせるステップとを含み、フローパターンは、コンピュータ流体動力学分析を用いてシミュレートされるとき、実質的にトロイダルである溶解フローパターンを溶解物内に示し、フローパターンは、溶解物表面における大規模な中心に内向きに収束するフローベクトルを備え、実質的に垂直であるトロイドの回転中心軸を伴う。好ましくは、溶解装置内の溶解物は、単一のそのようなトロイダルフローパターンを備える。

該トロイダルフローパターンの垂直回転軸の近くで、フローベクトルは、配向を変化させ、下向き成分を示し、したがって、該軸の付近における溶解物の有意な下向き移動を反映する。溶解装置の底部において、フローベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、上向きに配向される成分を示す。

好ましくは、流体動力学モデルコードは、ＡＮＳＹＳ Ｒ１４．５であり、固体バッチ材料から液体溶解物の範囲の相を伴う多相流動場を、バーナによる燃料および酸化剤の燃焼ならびにバッチ−溶解物間の転換プロセスの過程において生成されるものの両方と関連付けられる種々のガス種に考慮する。

溶解物は、平板ガラスもしくは容器ガラスの形成、連続繊維の形成、またはミネラルウール繊維の生産を含む、さらなる下流の処理のために引き出され得る。ミネラルウール繊維の生産の場合では、生産品は、好ましくは、精錬ステップなしで、直接繊維化される。

好ましい実施形態によると、トロイダル溶解フローパターンは、溶解装置底部に配列された機能サブマージ燃焼バーナによって得られ、実質的に環状であるバーナ区域において、実質的に垂直な上向き方向速度成分を、燃焼ガスに付与する。有利には、バーナは、隣接するバーナ間の、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、約５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの距離に配列される。

サブマージバーナにわたって、または隣接して上向きに移動する溶解物の速度ベクトルは、垂直面からわずかに、例えば、≧１°、≧２°、≧３°、または≧５および／または≦３０°、好ましくは≦１５°、より好ましくは、≦１０°である角度だけ、とりわけ、溶解装置の中心に向かって傾斜され得る。そのような配列は、フローを改良し、溶解フローを出口開口部から離れさせ、溶解装置の中心に向かわせ、したがって、前述のようにトロイダルフローに有利であり得る。火炎は、溶解装置壁に当たらないことが好ましい。

好ましい実施形態によると、バーナは、実質的に円形のバーナライン上に配列される。代替として、他のバーナ配列が、望ましいトロイダルフローパターンを達成するために使用され得る。溶解装置は、多くのバーナを備え得、本明細書に使用されるように、「バーナ」という用語は、機能または動作バーナ、すなわち、本発明に従って動作されるバーナを意味すると理解される。

シミュレートされたフローパターンは、溶解物表面における中心に内向きに収束するフローに続き、トロイドの回転中心軸の付近に下向きに配向されるフローを反映する。該回転中心軸は、有利には、溶解装置の垂直な対称軸に対応する。対称軸とは、対称中心軸と、溶解装置が任意の単一の画定される対称軸を有さない横断面を示す場合、溶解装置の区分が内接される円の対称軸とを意味する。下向きに配向されるフローは、その後に溶解装置の底部で外向きに配向されるフローと、バーナの付近で実質的に環状の上向きフローとが続き、バーナ区域に向かう溶解物の、溶解物表面に戻る上昇移動における再循環を反映し、したがって、実質的にトロイダルであるフローパターンを画定する。

溶解物表面における内向きに収束するフローベクトルは、有利には、約２ｍ／秒までの速度を示す。垂直回転中心軸の付近における下向きに配向される速度ベクトルは、下向きに流れる材料の比較的速い速度を反映する有意な長さまたは強度である。下向き速度ベクトルは、約２ｍ／秒までの材料の速度を反映する。少なくとも溶解装置の一部において、とりわけ、溶解物表面（特に、溶解物表面において内向きに収束するフローベクトル）および／または垂直回転中心軸またはその付近において、溶解装置内の溶解物および／または原材料は、≧０．１ｍ／秒、≧０．２ｍ／秒、≧０．３ｍ／秒、または≧０．５ｍ／秒および／または≦２．５ｍ／秒、≦２ｍ／秒、≦１．８ｍ／秒、または≦１．５ｍ／秒である速度に到達し得る。

そのようなトロイダルフローパターンの生成は、高度に効率的な混合を確実にし、温度プロファイルおよび組成の観点から溶解物を均質化する。その上さらに、本発明のフローパターンは、原材料の溶解物中への吸収に有利であり、したがって、さらなる形成のための引き出しに先立って、溶解装置内で未加工の原材料への熱伝達を改良し、要求される滞留時間を減少する一方、原材料が溶解物循環をショートカットするリスクを回避または少なくとも低減する。

別の側面によると、本発明は、材料、とりわけ、ガラス化可能バッチ原材料を溶解するための溶解装置アセンブリを提供し、溶解装置アセンブリは、それぞれ、その出口から突出する中心バーナ軸を有する、少なくとも５つのサブマージ燃焼バーナを具備する溶解チャンバと、原材料供給装置と、溶解チャンバの底部付近の溶解物出口とを備え、サブマージ燃焼バーナは、実質的に環状のバーナ区域において、該溶解チャンバの底部に、隣接するバーナ間のある距離に配列され、コンピュータ流体動力学分析を用いたシミュレーションが、実質的に垂直であるトロイドの回転中心軸を伴い、溶解物表面における大規模な中心に内向きに収束するフローベクトルを備える、溶解物内に生成される実質的にトロイダルである溶解フローパターンを示すように制御され、関連があるバーナの中心バーナ軸は、垂直面から３０°未満の角度に配列される。

一実施形態によると、各中心バーナ軸は、溶解装置の中心垂直軸と、バーナの中心とを通過する垂直面に対して、ある旋回角だけ傾斜される。旋回角は、≧１°、≧２°、≧３°、≧５°および／または≦３０°、≦２０°、≦１５°、または≦１０°であり得る。好ましくは、各バーナの旋回角は、ほぼ同じである。ある旋回角における各バーナの配列は、わずかに正接な速度成分を、上向きに吹く火炎に与え、したがって、トロイダルフローパターンに加えて、旋回移動を溶解物に付与する。得られる溶解フローパターンはさらに、溶解物中への原材料の混合と、溶解物の均質性とを改良する。好ましくは、関連があるバーナの中心バーナ軸は、１５°未満、より好ましくは、１０°未満の旋回角に配列される。

一好ましい実施形態では、機能バーナは、実質的に円形のバーナライン上に配列される。

前述のように、フローベクトルは、好ましくは、配向を変化させ、実質的に円形のバーナ区域の中心を通過する回転中心垂直軸の付近において下向き方向を示し、したがって、該軸の付近における溶解物の有意な下向き移動を反映する。溶解チャンバの底部において、フローベクトルは、好ましくは、配向を変化させ、バーナ区域への外向き方向、次いで、該バーナの付近において上向き方向を示し、バーナ区域に向かう溶解物の、溶解物表面に戻る上昇移動における再循環を反映し、したがって、実質的にトロイダルであるフローパターンを画定する。

溶解物が、実質的に関連があるバーナにわたって、または隣接して上昇し、溶解物表面において該円形のバーナ区域の中心に向かって内向きに、中心において下向きに収束するトロイダル溶解フローパターンの生成は、温度プロファイルおよび組成の観点からの溶解物の均質性に有利である。バーナ間の距離は、バーナの設計、動作圧、溶解物の粘度、および他のパラメータに応じて変動し得る。しかしながら、過度に狭いバーナ間の距離は、好ましくは、回避されるべき現象である、火炎の融合につながり得ることに留意されたい。

任意の２つ、好ましくは、任意の全ての隣接するバーナは、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、約５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの距離に配列され得る。

好ましい実施形態によると、バーナは、該溶解チャンバの側壁から、約２５０〜７５０ｍｍの好適な距離に配列され、これは、前述のフローに有利であり、溶解チャンバ側壁への火炎の引きつけを回避する。過度に狭いバーナと側壁との間の距離は、側壁を損傷し、またはこれに不必要に応力を与え得る。壁における凝固した材料の過度に大きな層の積み上げを回避するために、バーナと壁との間のある溶解フローは、損傷を与え得ず、または望ましくさえあり得る一方、過度に広い距離は、望ましくない溶解フローを生成するであろうし、溶解物装置の中心において、より少ない溶解物を混合する無炎領域の原因となり、したがって、低減された溶解物の均質性につながり得る。

サブマージバーナ間の距離は、有利には、溶解物内の望ましいトロイダルフローパターンを確実にし、また、その隣接する火炎が併合し、反対の火炎が発散すること回避するように選ばれる。この現象は、溶解物の温度および粘度、バーナの圧力、ならびに他の特性等、多くのパラメータに依存するが、約１２００〜２０００ｍｍで構成されるバーナ円直径を選択することが有利であることが分かっている。バーナの種類、動作圧、および他のパラメータに応じて、過度に広い直径は、発散する火炎につながり得、過度に狭い直径は、併合する火炎につながり得る。

好ましい実施形態によると、少なくとも６個のバーナ、好ましくは、６〜１０個のバーナ、より好ましくは、６〜８個のバーナが、溶解装置の寸法、バーナの寸法、動作圧、および他の設計パラメータに応じて、バーナ円ライン上に配列される。

特に、ガラス溶解装置の場合では、各バーナは、好ましくは、とりわけ、炭化水素を備える可燃性ガス、例えば、天然ガスと、酸素含有ガス、とりわけ、酸素、工業級酸素（例えば、少なくとも重量比９５％の酸素含有量を有するガス）、または酸素富化空気とを供給される。好ましくは、可燃性ガスおよび酸素含有ガスは、別個にバーナに供給され、バーナおよび／またはバーナのノズルにおいて組み合わせられる。代替として、他の燃料の種類、例えば、液体燃料または固体微粉燃料が、とりわけ、廃棄物のガラス化のために使用され得る。

明確にするために、トロイダルフローパターンとは、コンピュータ流体動力学分析を用いたシミュレーションによって生成される、移動する流体材料の速度ベクトルが、循環パターンを形成し、それらが、その回転中心軸として実質的に円形のバーナ区域の中心を通過する垂直軸と、およそ外径として該円形のバーナ区域の外径とを有する、トロイドの断面を、外側から溶解物表面における中心に向かって流れる材料で満たすことを意味する。

そのようなトロイダルフローは、急速かつ容易に溶解し、さらには、溶解物の均質性を向上させるために、未加工の原材料を、ガラス溶解装置の中に、中心深くに取り込み、未加工の原材料に熱を伝導する際の効率性を改良する。

固体原材料は、有利には、溶解物表面上方に供給され得る。好ましくは、原材料は、連続的に装填される、またはバッチ装填を通して溶解装置の中に実質的に連続的に装填することも可能である。

溶解装置アセンブリは、各バーナの個々の制御、または対向バーナ等、複数のバーナの群のそれぞれの個々の制御を可能にし得る。原材料の放出口に近いバーナは、隣接するバーナと異なる、好ましくは、より高いガス速度および／または圧力で制御可能であり、したがって、溶解装置中に装填されている未加工の原材料への改良された熱伝達を可能にし得る。より高いガス速度は、一時的にのみ、すなわち、未加工のバッチ原材料のバッチ式装填の場合に、本発明の溶解装置内に含有される溶解物の中への関連がある装填物の吸収に要求される時間周期中にのみ要求され得る。

また、溶解物の出口を妨げないために、適合された、有利には、より低いガス速度／圧力において、溶解物出口の近くに位置するバーナを制御することも望ましくあり得る。

溶解チャンバは、好ましくは、実質的に円筒形であり、他の可能性として考えられる形状は、楕円形の断面または４つの辺、好ましくは、５つを上回る辺を示す多角形の断面を含み、本質は、配列が、前述のように、一般的流体動力学方程式を利用するコンピュータにおいてシミュレートされるようなトロイダル溶解フローの生成を可能にすることである。また、前述のサブマージバーナと側壁との間の距離は、好ましくは、少なくともバーナの大部分に対してであることにも留意されたい。バーナと側壁との間の距離がより均一になるほど、トロイダル溶解フローはより均一になるであろう。

溶解装置内の溶解プールの高さは、特に、溶解チャンバが実質的に円筒形であり、好ましくは、１．５ｍ〜３ｍ、より好ましくは、１．７５〜２．５ｍの溶解チャンバの内径を伴うとき、以下であり得る。
≧約０．７５ｍ、≧約０．８ｍ、≧約０．８５ｍまたは≧約０．９ｍおよび／または
≦約２．２ｍ、≦約２ｍ、≦約１．８ｍ、または≦約１．６ｍ

バッチ原材料は、溶解物表面上方の溶解装置壁における開口部を通して、溶解装置の中に装填され得る。該開口部は、熱および蒸気の逃散を減少させるために、有利には、例えば、ピストンによって閉鎖可能である。原材料は、得られるべき関連がある溶解物に対して適切であるように調製され、中間傾斜台の中に充填され得る。溶解装置壁における開口部が開放されているとき、材料は、火炉の中に、逃散している蒸気の反対方向に落下し、したがって、予熱され、溶解物表面上に落下する。原材料バッチは、溶解装置のサイズおよび生産率に応じて、２０〜５０ｋｇであり得る。また、バッチ装填の頻度も、これらのパラメータに依存し、約７００００ｋｇ／日まで生産する溶解装置に対して、２０〜５０ｋｇ／分であろう。溶解物の温度制御および均質性を含む、プロセス制御の理由から、大量のバッチを低頻度で供給するのではなく、少量のバッチを高頻度で、したがって、連続的供給に近づけて供給することが好ましい。

溶解物は、連続的に、またはバッチ式で、例えば、横方向に、溶解装置底部またはそれに向かって、引き出され得る。バッチ原材料が溶解装置壁の近くに装填される場合では、溶解物出口は、好ましくは、原材料入口の反対に配列される。溶解物の非連続的放出の場合では、放出孔の開放および閉鎖は、例えば、セラミックのピストンによって制御され得る。

サブマージバーナは、好ましくは、液体圧力を克服し、火炎および燃焼生成物の押進された上向き進行を生成するのに十分である、燃焼生成物の高圧ジェットを溶解物中に注入する。燃焼および／または可燃性ガスの速度は、とりわけ、バーナノズルからの出口において、≧６０ｍ／秒、≧１００ｍ／秒、または≧１２０ｍ／秒および／または≦３５０ｍ／秒、≦３３０ｍ／秒、≦３００、または≦２００ｍ／秒であり得る。好ましくは、燃焼ガスの速度は、約６０〜３００ｍ／秒、好ましくは、約１００〜２００ｍ／秒、より好ましくは、１１０〜１６０ｍ／秒の範囲である。

溶解物の温度は、１１００℃〜１６００℃または１６５０℃であり得、バッチ材料の組成および溶解物の望ましい粘度に応じて、少なくとも１２００℃または１２５０℃および／または高くても１５００℃または１４５０℃であり得る。好ましい実施形態によると、溶解チャンバ壁は、循環冷却液によって分離される二重の鋼壁を備える。特に、円筒形の溶解チャンバの場合では、そのようなアセンブリは、比較的建造が容易であり、高い機械的応力に抵抗することが可能である。溶解装置の円筒形の形状は、外壁に対する応力の平衡を促進する。壁が冷却される、好ましくは、水冷されるにつれて、溶解物は、凝固し、溶解装置壁の内側に保護層を形成する。好ましくは、溶解装置アセンブリは、いずれの内側の耐火物ライニングも要求せず、したがって、より少ないまたはより安価な保守を必要とする。加えて、溶解物は、内側の耐火物ライニングから浸食された耐火物材料の任意の望ましくない成分によって汚染されない。例えば、ガラス溶解物の場合では、ガラスは、冷却された壁に凝固し、絶縁性層または境界層を形成し、ガラスは、したがって、ガラス内で溶解され、溶解物は、任意の耐火物材料の浸食残留物によって汚染されない。溶解装置壁の内面は、有利には、火炉の内側に向かって突出するタブ、パスティル、または他の小さな要素を具備し得る。これらは、溶解装置の二重壁において、熱抵抗を生成し、冷却液への熱の伝達を低減する、凝固した溶解物の層を内側の溶解装置壁に構成および固定することに役立ち得る。

溶解装置は、熱回収機器を具備し得、溶解装置からの高温の蒸気が、バッチ原材料を予熱するために使用され得る、またはそれらに含有される熱エネルギーが、生産ライン、例えば、絶縁性繊維製品のための生産ラインの上流または下流の機器において、他の目的のために抽出および／または使用され得る。同様に、溶解装置の２つの壁間を循環する冷却液内に含有される熱エネルギーが、回収され得る。

溶解装置は、原材料を焼結および／または溶解するように適合および／または構成され得る。これは、「ガラス溶解装置」、すなわち、ガラス、ガラス質材料、石、および岩から選択された材料を含む、ガラス状材料を溶解するように適合および／または構成された溶解装置であり得る。ガラス溶解装置は、板ガラス、中空ガラス、ガラス繊維、強化目的のための連続繊維、絶縁目的のための鉱物繊維、ミネラルウール、ストーンウール、またはグラスウールを製造するために使用され得る。溶解装置は、ガラス原料、セメントクリンカ、とりわけ、アルミナセメントクリンカ、または研磨剤、とりわけ、溶解によって生成される研磨剤を製造するために、原材料を変換するために使用され得る。溶解装置は、例えば、医療廃棄物のガラス化、とりわけ、焼却炉からの灰のガラス化、例えば、鋳鉄または他の金属の鋳造からのごみ等の粉末のガラス化、ガルバニックスラッジ、皮なめしスラッジ、または鉱業廃棄物のガラス化、とりわけ、ガラス化による、例えば、汚染された土壌、重金属またはタールによって汚染された土壌、泥濾過物、スラッジ、活性炭、放射性廃棄物、鉛または亜鉛を含有する鉱滓、耐火物、とりわけ、クロムを含有する耐火物の廃棄物処理等、とりわけ、ガラス化によって、原材料を変換するために使用され得る。特に、ガラス溶解装置の場合では、原材料は、ケイ酸塩、玄武岩、石灰岩、ソーダ灰、ゼオライト触媒、使用済み触媒、使用済みポットライナ、耐火物材料、アルミニウムドロス、アルミニウム溶解スカム、砂ベースの消火器廃棄物、スラッジ、ガルバニックスラッジ、クリンカ、廃棄材料、灰、およびそれらの組み合わせを備え得る。

開示される方法および溶解装置は、特に、全ての種類のガラス化可能材料を、効率的な方法で、低減されたエネルギー消費および削減された保守コストで溶解することに好適である。本発明による溶解装置は、したがって、特に、鉱物繊維製品、例えば、ガラス繊維、グラスウール、およびストーンウールの製造のための生産ラインにおける使用に対して魅力的である。特に、ミネラルウール繊維生産の場合では、生産品は、好ましくは、精錬ステップなしで、直接繊維化される。

ガラス溶解物の場合では、生成される溶解物の組成は、以下の１つ以上を備え得る。

Ｂ２Ｏ３として表される、生成されるガラスのホウ素含有率は、≧１ｗ％、≧２ｗ％、≧３ｗ％、≧５ｗ％および／または≦２０％、≦１８％、≦１５％または≦１０ｗ％であり得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
溶融材料を提供するプロセスであって、前記プロセスは、
固体バッチ材料を溶解装置の中に導入することと、
サブマージ燃焼によって前記溶解装置内の前記固体バッチ材料を溶解することと、
溶解物にフローパターンを受けさせることと
を含み、
前記フローパターンは、コンピュータ流体動力学分析を用いてシミュレートされるとき、前記溶解物表面における大規模な中心に内向きに収束するフローベクトルを備え、実質的に垂直であるトロイドの回転中心軸を伴う、前記溶解装置内の前記溶解物内に生成される実質的にトロイダルである溶解フローパターンを示す、プロセス。
（項目２）
前記トロイダルフローパターンの前記回転中心軸の付近において、前記フローベクトルは、配向を変化させ、下向き配向を示し、したがって、前記軸の付近における前記溶解物の有意な下向き移動を反映する、項目１に記載のプロセス。
（項目３）
前記溶解装置底部において、前記フローベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、再度上向きである配向を示す、項目２に記載のプロセス。
（項目４）
前記コンピュータ流体動力学分析のために選ばれたコンピュータ流体動力学モデルコードは、ＡＮＳＹＳ Ｒ１４．５であり、固体バッチ材料から液体溶解物の範囲の相を伴う多相流動場を、バーナによる燃料および酸化剤の燃焼ならびにバッチ−溶解物間の転換プロセスの過程において生成されるものの両方と関連付けられる種々のガス種に考慮する、項目１〜３のいずれかに記載のプロセス。
（項目５）
前記溶解物は、平板ガラスもしくは容器ガラスの形成、連続繊維の形成、またはミネラルウール繊維の生産を含む、さらなる下流の処理のために引き出される、項目１〜４のいずれかに記載のプロセス。
（項目６）
関連があるトロイダル溶解フローパターンは、前記溶解装置底部における前記サブマージ燃焼バーナの配列によって得られ、実質的に環状であるバーナ区域において、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、約５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの隣接するバーナ間の距離において、実質的に垂直な上向き方向速度成分を、火炎および燃焼ガスに付与する、項目１〜５のいずれかに記載のプロセス。
（項目７）
前記溶解物表面における前記内向きに収束するフローベクトルは、有利には、およそ２ｍ／秒までの速度を示す、項目１〜６のいずれかに記載のプロセス。
（項目８）
前記垂直回転中心軸の付近における下向きに配向された速度ベクトルは、２ｍ／秒までの下向き速度成分を示す、項目１〜７のいずれかに記載のプロセス。
（項目９）
正接速度成分は、上向きに吹く燃焼ガスに付与される、項目１〜８のいずれかに記載のプロセス。
（項目１０）
固体バッチ原材料を溶解するための溶解装置アセンブリであって、前記溶解装置アセンブリは、
それぞれ、その出口から突出する中心バーナ軸を有する、少なくとも５つのサブマージ燃焼バーナ（２１）を具備する溶解チャンバ（３）と、
原材料供給装置（１０）と、
前記溶解チャンバの底部付近の溶解物出口（９）と
を備え、
前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、実質的に環状のバーナ区域において、前記溶解チャンバ（３）の底部に、隣接するバーナ（２１）間のある距離に配列され、一般的流体動力学方程式を利用するコンピュータシミュレーションが、実質的に垂直であるトロイドの回転中心軸を伴い、前記溶解物表面における大規模な中心に内向きに収束するフローベクトル成分を備える、前記溶解物内に生成される実質的にトロイダルである溶解フローパターンを示すように制御され、関連があるバーナ（２１）の中心バーナ軸は、垂直面から３０°未満の角度に配列されている、溶解装置アセンブリ。
（項目１１）
前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、前記溶解チャンバ（３）の底部を通して、実質的に環状のバーナライン上に配列されている、項目１０に記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１２）
前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、約５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの隣接するバーナ間の距離において配列されている、項目１０または１１に記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１３）
前記バーナ軸は、正接速度成分を前記燃焼ガスに付与するように、垂直面から３０°未満だけ傾斜されている、項目１０〜１２のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１４）
前記バーナ（２１）は、前記溶解チャンバ（３）の側壁から、約２５０〜７５０ｍｍの距離に配列されている、項目１０〜１３のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１５）
バーナ円の直径は、約１２００〜２０００ｍｍで構成されている、項目１１〜１４のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１６）
少なくとも６つのバーナ（２１）、好ましくは、６〜１０個のバーナ、より好ましくは、６〜８個のバーナは、前記バーナ円ライン上に配列されている、項目１０〜１５のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１７）
前記原材料は、前記溶解物表面の上方に供給される、項目１０〜１６のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１８）
前記バーナ（２１）またはバーナの群は、個別に制御される、項目１０〜１７のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目１９）
前記溶解チャンバ（３）は、実質的に円筒形であり、または楕円形の断面もしくは４つの辺、好ましくは、５つを上回る辺を示す多角形の断面のような他の形状を示す、項目１０〜１８のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２０）
前記溶解装置は、前記溶解物表面上方の、前記溶解装置壁内に、ピストンまたは同等の手段を用いて開放および閉鎖されることが可能な孔を備える、項目３〜１９のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２１）
溶解物放出孔（９）は、原材料入口（１０）と反対の、周辺溶解装置壁において、前記溶解チャンバの底部付近に配列され、その中で、前記放出孔は、それ自体が公知である手段によって制御される、項目１０〜２０のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２２）
前記サブマージバーナ（２１）は、約６０〜３００ｍ／秒、好ましくは、約１００〜２００ｍ／秒、より好ましくは、１１０〜１６０ｍ／秒の範囲における燃焼ガスの速度で、燃焼生成物の高圧ジェットを前記溶解物中に注入する、項目１０〜２１のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２３）
前記溶解チャンバ壁は、循環冷却液、好ましくは、水によって分離される二重の鋼壁を備える、項目１０〜２２のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２４）
前記溶解装置は、熱回収機器を具備する、項目１０〜２３のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
（項目２５）
項目１０〜２４のいずれかに記載の溶解装置アセンブリを備える、ガラス繊維、グラスウール、またはストーンウールのための生産ライン。

本発明の実施形態が、以下の添付される図面を参照して、以下により詳細に説明されるであろう。

図１ａおよび１ｂは、本発明による、コンピュータシミュレーションによって生成されるトロイダルフローパターンの表現である。 図１ａおよび１ｂは、本発明による、コンピュータシミュレーションによって生成されるトロイダルフローパターンの表現である。 図２は、溶解装置を通しての垂直断面である。 図３は、バーナ配置の略図である。

ガラス溶解装置におけるトロイダルフローパターンが、図１ａおよび１ｂに例証される。溶解物は、実質的に円形のバーナライン上に配列されたサブマージバーナの近くの上昇方向に辿り、溶解物表面において、関連がある円ラインの中心に向かって内向きに、次いで、該中心の付近において、再度下向きに流れる。そのようなトロイダルフローは、良好な溶解物の攪拌および未加工の原材料の吸収を確実にする。

以下で後に分かるであろうように、付加的なフロー循環が、起こり得る。溶解物は、バーナと側壁との間を流れ得る。他のフローが、バーナ間に起こり得る。これらは、必ずしも不利ではなく、逆に、望ましくさえあり得る。

トロイダルフローパターンは、コンピュータシミュレーションによって生成されており、当業者によく知られている、一般的オイラーの多相流体動力学モデリング技法を考慮する。この使用のために選択されるコンピュータ流体動力学コードは、有利には、ＡＮＳＹＳ Ｒ１４．５である。モデルは、有利には、液体中の分散したガス気泡から、ガス中の分散した固体粒子または液滴までの混合割合の全ての範囲に及ぶ多相流動場を、液相溶解物および気相種を生成する多相の、熱−化学転換反応を受ける固相バッチとともに考慮する。本システムは、二酸化炭素および水蒸気を生成するために、燃料と、酸素の気相種とのサブマージ燃焼を利用する。加えて、溶解物の粘度は、温度に大きく依存する。複合的なバッチ−溶解物転換プロセスは、アレニウスの速度則に従う以下の反応ステップによってモデル化され得る。
バッチ_固体＋ΔＨ_ｒ＞溶解物_液体＋０．０７４ＣＯ_２＋０．０９３Ｈ_２Ｏ
アレニウスの反応速度ｋ＝ＡＴ^２ｅ^{（−Ｅ／Ｔ）}である。
アレニウスの速度定数は、文献（Ａ ＵｎｇａｎおよびＲ Ｖｉｓｋａｎｔａによる、「Ｍｅｌｔｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｌｏｏｓｅ ｂａｔｃｈ ｂｌａｎｋｅｔｓ ｉｎ ｇｌａｓｓ ｍｅｌｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅｓ」（Ｇｌａｓｔｅｃｈ．Ｂｅｒ．５９（１９８６年）Ｎｒ．１０、２７９−２９１ページ）を参照されたい）から求められている。この反応におけるバッチガスのモル比は、１ｋｇのバッチからの０．０５０３ｋｇのＣＯ_２および０．０２５８ｋｇのＨ_２Ｏの生成と一致する。反応の熱は、化学転換および相変化の両方の熱要件を含む、バッチを液相溶解物およびガス種に転換するために要求される全てのエネルギーを構成する。バッチおよび溶解物に関する物理特性は、利用可能である限りは文献から求められ得、および／またはそれ自体が公知である方法によって判定され得る。放射熱交換が、離散座標放射モデルとともに、灰色ガスの加重和モデルを使用して推定される気相吸収係数と、（３００ｌ／ｍの高値に）規定される溶解物の吸収係数と、有利には、他の流体に対して不透明にするように規定される、バッチの吸収係数を使用してシミュレートされる。溶解物が、一次流体相として割り当てられる一方、ガスは、５ｍｍの均一な気泡の直径を有する二次流体相として割り当てられる。予測される槽の高さ上方の液相および気相間の運動量交換は、人為的に抑制される。

例証される溶解装置１は、溶解物を含有し、上側チャンバ５の中に、次いで、蒸気の排出のための排気筒の中に延在し、約２．０ｍの直径を有する円筒形の溶解チャンバ３を備える。上側チャンバ５は、任意の溶解物の突出が蒸気中に取り込まれることを防ぐ、バッフル７を具備する。原材料供給装置１０が、上側チャンバ５のレベルに配列され、未加工の原材料を、溶解装置１の中に、溶解物表面の上方かつ溶解装置の側壁の近くに位置する点１１において装填するために設計される。供給装置１０は、溶解装置の動作の制御によって、要求に応じて垂直ピストンによって底部が開放され得る、火炉に締結されるホッパに、原材料の混合物を運ぶ、水平な供給手段、例えば、スクリュ供給装置を備える。溶解チャンバの底部は、バーナ軸と同心円であり、約１．４ｍの直径を有する、円形のバーナライン上に配置されるサブマージバーナを備える。バーナ配置が、図３に図式的に表される。明確にするために、図に表される設計は、バーナラインの周囲に分散される６つのサブマージバーナを伴う好ましい配置を有する。異なる配置が、溶解装置の寸法、溶解物の粘度、およびバーナの特性に応じて可能である。但し、その配列が、前述のようにトロイダル溶解フローを生成することが本質である。溶解物は、溶解チャンバから、実質的に供給デバイス１０と反対の、溶解装置底部に近い、溶解チャンバ側壁に位置する、制御可能な出口開口部９を通して引き出され得る。

溶解物内の温度は、溶解物の組成、望ましい粘度、および他のパラメータに応じて、１１００℃〜１６００℃もしくは１６５０℃、または１２００℃〜１５００℃、または１２００℃〜１４５０℃、好ましくは、１２５０℃〜１４００℃で構成され得る。好ましい実施形態によると、溶解装置壁は、冷却液、好ましくは、水によって冷却される二重の鋼壁である。冷却水接続が、外部壁上に提供される。そのような接続は、それ自体が公知であり、溶解物が内部壁に、約１５０℃で凝固し得、冷却液、ここでは、水が沸騰しないように、内側壁からエネルギーを引き出すのに十分なフローを可能にするように計算されるべきである。

図に表される溶解装置は、有利には、実質的に円筒形である。サブマージ燃焼は、溶解装置壁に作用する高応力成分を生成し、溶解装置は、激しい振動を受ける。これらは、円筒形の溶解チャンバの場合では、著しく低減され得る。そのように望まれる場合、溶解装置はさらに、振動的移動のほとんどを吸収するように設計されるダンパ上に搭載され得る。

サブマージバーナは、１００〜２００ｍ／秒、好ましくは、１１０〜１６０ｍ／秒の溶解物におけるガスフローまたは速度において動作される、同心円チューブバーナ（また、チューブバーナ内のチューブとしても知られる）を備え得る。バーナは、好ましくは、燃料ガスならびに空気および／または溶解物内の酸素の燃焼を生成するように設計される。燃焼および燃焼ガスは、それらが上側チャンバの中に、次いで、排気筒を通して逃散する前に、溶解物内に高度の混合を生成する。これらの高温ガスは、原材料および／または燃料ガスおよび／またはバーナにおいて使用される酸化剤（空気および／または酸素）を予熱するために使用され得る。蒸気は、概して、環境に放出されるに先立って、濾過される。濾過が低減された温度において発生する必要がある場合、より冷たい周囲空気を用いた蒸気の事前希釈が、使用され得る。

バーナは、それらの付近において溶解物の上昇移動および溶解物内に循環を生成する。溶解チャンバの底部における、円形のバーナライン上のバーナの配列は、本発明による、前述の望ましいようなトロイダル移動を生成する。当業者は、バーナの火炎が融合する、または壁に引きつけられる、そうでなければ、中心バーナ軸から迂回されることを回避するように、所与のバーナ設計に対して、バーナ間およびバーナと壁との間の距離を適合する必要があるであろう。

本発明の溶解装置はまた、起動するとき、またはサブマージバーナのうちの少なくとも１つの故障の場合に、または付加的な熱が一時的に要求される場合に、溶解装置を予熱する場合に活用され得る補助バーナも具備し得る。一構成では、補助バーナは、これが溶解装置壁において提供される閉鎖可能な開口を通して誘導され得るように、レール上に搭載される。

本発明による溶解装置は、これが低減されたエネルギー消費および原材料組成の容易な変更を可能にする柔軟性につなげるのに特に効率的であるため、特に、ガラス繊維、グラスウール、またはストーンウールの生産ラインにおいて有利である。該溶解装置の保守の容易性および低生産コストもまた、そのような生産ラインを建造する際に大きな利益となる。

前述の溶解装置のコンピュータ流体動力学モデリングに関して（図１に示されるフローパターンを参照されたい）、２７℃の入口温度における０．８３３ｋｇ／秒のバッチ入口が、モデルにおいて設定されており、７２Ｔ／日の生産率と一致する。バーナ入口は、以下のように設定される。発火率＝５．２ＷＭ（ＬＨＶに基づく）。バーナ毎に０．１０９ｋｇ／秒の質量流量。モル組成＝０．１１Ｃ_３Ｈ_８、０．８９Ｏ_２。１５℃の入口温度。壁は、絶縁体の役割を果たす凝固したガラスの厚さの背後の、１５２℃の均一な表面温度を規定することによってモデル化された。ガラスに対して規定された熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫである。公称上、１５ｍｍであるガラスの厚さは、５０〜７０ｋＷ／ｍ^２の平均熱流束を達成するように変動される。

Claims (25)

1. 溶融材料を提供するプロセスであって、前記プロセスは、
   固体バッチ材料を溶解装置の中に導入することと、
   サブマージ燃焼によって前記溶解装置内の前記固体バッチ材料を溶解することと、
   溶解物にフローパターンを受けさせることと
   を含み、
   前記フローパターンは、コンピュータ流体動力学分析を用いてシミュレートされるとき、前記溶解物表面におけるトロイドの中心に向かって内向きに収束するフローベクトルを備える、前記溶解装置内の前記溶解物内に生成される実質的にトロイダルである溶解フローパターンを示し、前記トロイドの回転中心軸は、実質的に垂直である、プロセス。
2. 前記トロイダルであるフローパターンの前記回転中心軸の付近において、前記フローベクトルは、配向を変化させ、下向き配向を示し、したがって、前記軸の付近における前記溶解物の有意な下向き移動を反映する、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記溶解装置底部において、前記フローベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、再度上向きである配向を示す、請求項２に記載のプロセス。
4. コンピュータ流体動力学分析のために選ばれたコンピュータ流体動力学モデルコードは、ＡＮＳＹＳ Ｒ１４．５であり、固体バッチ材料から液体溶解物の範囲の相を伴う多相流動場を、バーナによる燃料および酸化剤の燃焼ならびにバッチ−溶解物間の転換プロセスの過程において生成されるものの両方と関連付けられる種々のガス種に考慮する、請求項１〜３のいずれかに記載のプロセス。
5. 前記溶解物は、平板ガラスもしくは容器ガラスの形成、連続繊維の形成、またはミネラルウール繊維の生産を含む、さらなる下流の処理のために引き出される、請求項１〜４のいずれかに記載のプロセス。
6. 関連があるトロイダルである溶解フローパターンは、前記溶解装置底部におけるサブマージ燃焼バーナの配列によって得られ、実質的に環状であるバーナ区域において、約２５０〜１２５０ｍｍの隣接するバーナ間の距離において、実質的に垂直な上向き方向速度成分を、火炎および燃焼ガスに付与する、請求項１〜５のいずれかに記載のプロセス。
7. 前記溶解物表面における前記内向きに収束するフローベクトルは、およそ２ｍ／秒までの速度を示す、請求項１〜６のいずれかに記載のプロセス。
8. 前記垂直回転中心軸の付近における下向きに配向された速度ベクトルは、２ｍ／秒までの下向き速度成分を示す、請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
9. 正接速度成分は、上向きに吹く燃焼ガスに付与される、請求項１〜８のいずれかに記載のプロセス。
10. 固体バッチ原材料を溶解するための溶解装置アセンブリであって、前記溶解装置アセンブリは、
    それぞれ、その出口から突出する中心バーナ軸を有する、少なくとも５つのサブマージ燃焼バーナ（２１）を具備する溶解チャンバ（３）と、
    原材料供給装置（１０）と、
    前記溶解チャンバの底部付近の溶解物出口（９）と
    を備え、
    前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、実質的に環状のバーナ区域において、前記溶解チャンバ（３）の底部に、隣接するバーナ（２１）間のある距離に配列され、一般的流体動力学方程式を利用するコンピュータシミュレーションが、前記溶解物表面におけるトロイドの中心に向かって内向きに収束するフローベクトル成分を備える、前記溶解物内に生成される実質的にトロイダルである溶解フローパターンを示すように制御され、前記トロイドの回転中心軸は実質的に垂直であり、関連があるバーナ（２１）の中心バーナ軸は、垂直面から３０°未満の角度に配列されている、溶解装置アセンブリ。
11. 前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、前記溶解チャンバ（３）の底部を通して、実質的に環状のバーナライン上に配列されている、請求項１０に記載の溶解装置アセンブリ。
12. 前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、約２５０〜１２５０ｍｍの隣接するバーナ間の距離において配列されている、請求項１０または１１に記載の溶解装置アセンブリ。
13. 前記バーナ軸は、正接速度成分を燃焼ガスに付与するように、垂直面から３０°未満だけ傾斜されている、請求項１０〜１２のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
14. 前記バーナ（２１）は、前記溶解チャンバ（３）の側壁から、約２５０〜７５０ｍｍの距離に配列されている、請求項１０〜１３のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
15. バーナ円の直径は、約１２００〜２０００ｍｍで構成されている、請求項１１〜１４のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
16. 少なくとも６つのバーナ（２１）が、実質的に環状のバーナライン上に配列されている、請求項１０〜１５のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
17. 前記原材料は、前記溶解物表面の上方に供給される、請求項１０〜１６のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
18. 前記バーナ（２１）またはバーナの群は、個別に制御される、請求項１０〜１７のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
19. 前記溶解チャンバ（３）は、実質的に円筒形であり、または楕円形の断面もしくは少なくとも４つの辺を示す多角形の断面のような他の形状を示す、請求項１０〜１８のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
20. 前記溶解装置アセンブリは、前記溶解物表面上方の、前記溶解装置壁内に、ピストンまたは同等の手段を用いて開放および閉鎖されることが可能な孔を備える、請求項１０〜１９のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
21. 溶解物放出孔（９）は、原材料入口（１０）と反対の、周辺溶解装置壁において、前記溶解チャンバの底部付近に配列され、その中で、前記放出孔は、それ自体が公知である手段によって制御される、請求項１０〜２０のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
22. 前記サブマージ燃焼バーナ（２１）は、約６０〜３００ｍ／秒の範囲における燃焼ガスの速度で、燃焼生成物の高圧ジェットを前記溶解物中に注入する、請求項１０〜２１のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
23. 前記溶解チャンバの壁は、循環冷却液、または、水によって分離される二重の鋼壁を備える、請求項１０〜２２のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
24. 前記溶解装置アセンブリは、熱回収機器を具備する、請求項１０〜２３のいずれかに記載の溶解装置アセンブリ。
25. 請求項１０〜２４のいずれかに記載の溶解装置アセンブリを備える、ガラス繊維、グラスウール、またはストーンウールのための生産ライン。