JP6810044B2 - シリカ系溶融物の調製のためのプロセス - Google Patents

Description

本発明は、飛灰および／または籾殻灰等の微細シリカ粉末を利用することによる、シリカ系溶融物の調製のためのプロセスに関する。

飛灰は、概して、粗い炉底灰以外の石炭の燃焼後に残る微細残留物として定義される。飛灰の重量比約８０％を上回るものは、４５μｍ未満の粒子サイズを示す。飛灰は、炭素の重量比最大２５％である、一部の残留炭素を含有し得るが、そのような残留炭素は、飛灰のある使用において望ましくない場合がある。その主要な成分は、シリカである。飛灰は、埋め立てゴミ処理によって処分される、またはセメント組成物の中に混成される、廃棄生成物である。また、合成スラグまたは他のガラス質材料の調製のために、飛灰と原材料または鉱物廃棄物を混成することも提案されている。

籾殻灰は、例えば、電力または蒸気発生ユニット内で籾殻の燃焼後に残る残留物である。これは、８０〜９５％およびそれを上回るレベルまで、シリカから成る。粒子サイズは、約３５μｍと様々である。籾殻灰は、一般に、セメントおよび具体的調製、塗料、難燃材、ならびに他の用途において使用される。

それでもなお、そのような微細粉末状材料を操作する困難性を考慮して、飛灰および籾殻灰等の５０μｍ未満、好ましくは、４５μｍ未満の粒子サイズを示す、５０重量％を上回る、好ましくは、６０重量％を上回る、さらに好ましくは、７０または８０重量％を上回る粒子を含有する微細シリカ粉末の経済的に関心を引き、かつ環境に優しい処分のためのさらなるオプションの必要性がある。

本発明は、少なくとも３５重量％シリカ、好ましくは、少なくとも４０重量％シリカ、より好ましくは、少なくとも４５重量％シリカまたは少なくとも５０重量％シリカを備える、シリカ溶融物を、好ましくは、溶融炉の底部内に配列される少なくとも１つの浸漬式燃料バーナを備え、飛灰および／または籾殻灰等の微細シリカ粉末が、バブリング溶融物レベル（ｂｕｂｂｌｉｎｇ ｍｅｌｔ ｌｅｖｅｌ）を下回って、および／または溶融炉内の溶融物のレベルを下回って給送される、浸漬式燃焼溶融炉内で調製することを提案する。溶融物の少なくとも一部は、溶融炉から引き出され、冷却に応じてガラス化され、ガラス化された生成物を生産し得る。ガラス化された生成物は、次いで、必要に応じて、さらに処理され、具体的組成物の調製、建設要素、道路建設等において用途を見出し得る。さらに、ガラス製造プロセス、より具体的には、ガラス溶融プロセスにおけるガラス化された原材料（本質的に、シリカ）としての使用を見出し得る。ガラス化された生成物は、飛灰または籾殻灰等の微細粉末状材料より操作、輸送、および使用が容易かつ環境に優しい。本発明はさらに、そのような微細シリカ粉末を処分する方法と、それを埋め立てゴミ処理するのではなく、それのための使用を見出す方法とを提供する。

シリカ溶融物の調製のためのプロセスは、第ＷＯ２０１５／０１４９１９号、第ＷＯ２０１５／０１４９２０号、または第ＷＯ２０１５／０１４９２１号（それぞれ、参照することによって本明細書に組み込まれる）のいずれかに開示される方法および／または溶融炉を使用して実施されてもよい。

標準的ガラス溶融炉内に、例えば、溶融物の上部にわたって装荷するために、飛灰または籾殻灰のような微細粉末状シリカと原材料を混合することは、溶融物からの燃焼排ガスが軽量粉末状材料を溶融炉機器から同伴するため、不適切と考えられる。浸漬式燃焼溶融炉を検討すると、微細粉末状シリカを備える原材料バッチを溶融物レベルの上方から装填することは、溶融物浴の高乱流と、軽量粉末状材料をシステムから引き出す傾向にある、上昇燃焼排ガス流動とのため、さらに好適ではないと考えられる。依然として、浸漬式燃焼バーナの底部バーナを通る燃料としての低炭素含有量を示す、噴出飛灰または籾殻灰は、そのような浸漬式燃焼バーナ内で発生される高ガス速度のため、灰をシステムから吐出する可能性がある。

浸漬式燃焼溶融炉が、公知である。これらの溶融炉は、バーナ火炎および／または燃焼生成物が、溶融物を通して通過し、エネルギーを直接溶融物に伝達するように、溶融物レベルを下回って、好ましくは、溶融炉底部内に配列される１つまたはそれを上回るバーナノズルを有するという事実によって特徴付けられる。浸漬式燃焼溶融炉はさらに、溶融物中における効率的混合を確実にし、温度プロファイルおよび組成物の観点から、溶融物を均質にする。これはまた、溶融物の中への原材料の吸収に有利に働き、それによって、粉塵粒子が、煙突を通して逃散するリスクを減少させ、新しい原材料への熱伝達を改良する。これは、下流処理および／または形成のための引き出しに先立って溶融炉内で要求される滞留時間を短縮する。

現在、微細シリカ粉末は、有利には、バブリング溶融物レベルを下回って、および／または溶融物レベルを下回って、好ましくは、スクリュー給送機または油圧給送機によって、いかなる事前の調整または調製も伴わずに、溶融炉の底部内に配列される浸漬式バーナを備える浸漬式燃焼溶融炉の中に導入され得ることが見出されている。

本文脈では、「バブリング溶融物レベルを下回って」とは、溶融炉の動作の間、溶融物のバブリングおよび／または発泡状の質量によって到達される、溶融炉底部からの最高点を下回ることを意味するものと理解される。

例証的実施形態では、微細シリカ粉末は、溶融物レベルを下回って導入され、液体溶融物が、溶融炉の動作の間、溶融炉側壁と継続的に接触する、溶融炉の底部からある高さにあることを意味する。

浸漬式燃焼溶融炉内に含有される溶融物は、有利には、乱流状態に維持される。浸漬式燃焼は、溶融物の中に高圧で注入される燃焼ガスのため、およびそれによって溶融物中で発生される対流流動のため、高撹拌および乱流を溶融物浴中に発生させることが公知である。好ましくは、浸漬式バーナは、乱流溶融物の体積が、より少なくとも８％、いかなるバーナ点火も伴わずに有するであろう体積より、好ましくは、少なくとも１０％、さらに好ましくは、少なくとも１５％高いように制御される。液体溶融物の中へのガス注入およびそれによって溶融物中に発生される対流流動は、その密度を減少させることが見出されている。酸素燃料バーナの好適な制御は、所望の密度減少または体積増加を発生させる。好ましくは、プロセスは、有意な発泡層または発泡層が全く溶融物レベルの上部にわたって発生されないように稼働される。そのような発泡層は、溶融炉内のエネルギー伝達、故に、その効率のために不利であることが見出されている。

明確性および完全性のために、バーナが点火していないときに溶融物が有するであろうレベルが、溶融物組成物に基づいて計算され、および／または溶融物を溶融炉内で凍結させることによって立証されてもよい。乱流溶融物のレベルは、１または５分等の所与の時間期間にわたって溶融レベルを平均する、公知のレーザポインタまたは類似デバイス等の適切な測定デバイスによって判定されてもよい。

溶融物浴の増加された体積または減少された密度は、溶融物中の乱流レベルの反映と見なされる。すなわち、溶融物の乱流が多いほど、より多くのガス泡が、溶融物中に吸収され、したがって、溶融物を「曝気」する。溶融物レベルの上部にわたる減少された発泡層はさらに、ガス注入によって発生されるガス泡が、その表面上に蓄積するのではなく、溶融物浴中に維持されることを反映する。

飛灰は、炭素およびシリカに加え、少量の多くの異なる酸化物、金属、および他の材料を備え得る。これは、籾殻灰にも当てはまる。本発明は、微細粉末状シリカ原材料を融剤とともに、さらなる鉱物材料のいかなる有意な添加も伴わずに、溶融することを想起する。用語「有意」とは、本文脈において使用されるように、飛灰−融剤組成物の重量比５％未満、または３％未満、好ましくは、２％未満、より好ましくは、１％未満を意味するものと理解されたい。融剤は、ガラス製造産業において公知である。それらは、溶融粘度およびエネルギー需要を減少させ、より低い温度で所望の粘度を達成するために使用される。例証として、融剤は、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、および酸化ホウ素、ならびにそれらの組み合わせから選択されてもよい。

ガラス溶融の技術分野において経験および技術を有する者は、最終的に得られるガラス化された組成物の所望の用途に照らして、適切な融剤の選択が可能である。融剤としての役割を果たす、いくつかの酸化物は、実際には、ある最終用途では、所望されない場合がある。実施例として、Ｂ_２Ｏ_３は、好ましい融剤であるが、溶融微細シリカ粉末を用いて調整されるガラスのある最終用途では、ホウ素は、望ましくない場合がある。そのような事例では、Ｋ_２Ｏおよび／またはＮａ_２Ｏならびに／もしくはＣａＯ等の異なる融剤が、使用されてもよい。

同様に、融剤の含有量は、組成物の０．５〜２５重量％、好ましくは、０．５〜２０重量％、または１．０〜１５重量％と様々であり得る。

代替発明プロセスでは、微細粉末状シリカは、浸漬式燃焼溶融炉内において、前述で開示されるように、ガラス溶融物または石溶融物の中に導入されてもよい。これは、微細粉末状シリカが、該溶融炉の中に給送され、付加的ガラス化原材料もまた、該溶融炉に給送されることを意味する。付加的ガラス化原材料は、溶融物の上方から放出されてもよい。代替では、付加的ガラス化原材料は、溶融物のバブリングレベルを下回って、または溶融物レベルを下回って配列される給送機を介して、装荷されてもよい。

溶融チャンバ壁は、有利には、冷却され、冷却液体、好ましくは、水を循環させることによって分離される二重鋼鉄壁を備え得る。特に、円筒形溶融チャンバの場合、そのようなアセンブリは、構築が比較的に容易であって、高機械応力に抵抗可能である。溶融炉の円筒形形状は、外壁上の応力平衡を促進する。壁が冷却される、例えば、水冷されるにつれて、溶融物は、好ましくは、固化し、保護層を溶融炉壁の内側に形成する。溶融炉アセンブリは、いかなる内部難燃裏打ちも要求し得ず、したがって、少ないまたは低コスト保守を必要とする。溶融炉壁の内面は、有利には、溶融炉の内側に向かって突出する、タブまたはパステルもしくは他の小型要素を具備し得る。これらは、内部溶融炉壁上に固化された溶融物の層を構成および固定し、熱抵抗を有する裏打ちを発生させ、溶融炉の二重壁内の冷却液体への熱の伝達を減少させることに役立ち得る。

溶融炉は、熱回収機器を具備してもよい。溶融炉からの高温蒸発気は、原材料を予熱するために使用されてもよい、またはそれらの中に含有される熱エネルギーは、別様に回収されてもよい。飛灰は、依然として、ある炭素濃度を示し得ることに留意されたい。そのような炭素は、溶融物プロセスの過程において酸化され、それによって、部分的に、溶融物に伝達され、および部分的に、燃焼排ガスとともに逃散する、熱を発生させる。

同様に、溶融炉の２つの壁の間を循環する、冷却液体中に含有される熱エネルギーもまた、原材料加熱または他の目的のために回収されてもよい。

全体的に、浸漬式燃焼溶融炉のエネルギー効率は、他の溶融炉と比較して、有意に改良される。

当業者に明白となるであろうように、燃焼排ガス組成物は、有利には、制御され、燃焼排ガスは、有利には、環境内への逃散に先立って処理され得る。

溶融物は、継続的にまたはバッチ式に溶融炉から引き出されてもよい。溶融物出口は、好ましくは、原材料入口と反対に配列される。溶融物の断続放出の場合、放出開口部が、例えば、セラミックピストンによって制御されてもよい。代替では、溶融炉内の溶融物レベルを制御する、サイフォンタイプ放出が、使用されてもよい。

浸漬式バーナは、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せられた上向きの進行を生成するために十分である、燃焼生成物の高圧噴流を溶融物の中に注入する。とりわけ、バーナノズルからの退出口における、燃焼および／または可燃性ガスの速度は、≧６０ｍ／秒、≧１００ｍ／秒もしくは≧１２０ｍ／秒、および／または≦３５０ｍ／秒、≦３３０ｍ／秒、≦３００もしくは≦２００ｍ／秒であってもよい。好ましくは、燃焼ガスの速度は、約６０〜３００ｍ／秒、好ましくは、１００〜２００、より好ましくは、１１０〜１６０ｍ／秒の範囲内である。

溶融物の温度は、１２００℃〜１６００℃であってもよい。すなわち、少なくとも１３５０℃もしくは１４００℃および／または１５５０℃もしくは１５２０℃以下であってもよい。

好ましい実施形態によると、浸漬式燃焼は、略垂直回転中心軸を有し、溶融物表面において主要な中心に内向きに収束する流動を備える、略トロイド溶融物流動パターンが溶融物中に発生され、溶融物が、垂直回転中心軸に近接して下向きに移動し、溶融物表面に戻るように上昇移動において再循環され、したがって、略トロイド流動パターンを画定するように行われる。

そのようなトロイド流動パターンの発生は、溶融物の非常に効率的な混合および溶融物の中への微細粉末状シリカを含む原材料の吸収を確実にし、温度プロファイルおよび組成物の観点から、溶融物を均質にする。

有利には、溶融ステップは、溶融物を流動パターンに曝すことによって、前述のように、少なくとも１つの底部バーナを備える浸漬式燃焼溶融炉内において、飛灰および／または籾殻灰等の微細シリカ粉末を溶融させるステップを含み、前記流動パターンは、算出流体動態分析によってシミュレーションされたときに、略トロイド溶融物流動パターンを溶融物中に示し、主要な中心に内向きに収束する流動ベクトルを溶融物表面に備え、トロイドの回転中心軸が略垂直である。

該トロイド流動パターンの垂直回転軸では、流動ベクトルは、下向き成分を有し、該軸に近接する溶融物の有意な下向き移動を反映する。溶融炉底部に向かって、流動ベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、上向き成分を示す。

好ましくは、流体動態モデルは、コードＡＮＳＹＳ Ｒ１４．５であり、固体バッチ材料から変換の過程で発生される液体溶融物およびガスに及ぶ多相流動場と、バッチ／溶融物変換とを考慮する。

トロイド溶融物流動パターンは、略環状バーナゾーン内の溶融炉底部に配列される浸漬式燃焼バーナを使用して、略垂直上向きに指向される速度成分を燃焼ガスに付与することで得られ得る。有利には、バーナは、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００、さらに好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの隣接バーナ間の距離を伴って配列される。隣接する火炎が融合しないことが、好ましい。

前述のトロイド溶融物流動パターンを得るためのバーナ配列および制御は、溶融物中における適切な混合と、溶融物体積を十分に増加（または溶融物密度を減少）させ、本発明の目的に到達するために要求される乱流とを確実にし得ることが見出されている。発泡形成は、特に、溶融物の上部に到達するガス泡が、トロイド流動パターンの結果、溶融物中で再吸収および混合されるため、減少される。

浸漬式バーナにわたって、またはそれに隣接して上向きに移動する溶融物の各バーナ軸および／または速度ベクトルは、垂直から、例えば、とりわけ、溶融炉の中心に向かって、≧１°、≧２°、≧３°、もしくは≧５である、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、若干、傾斜されてもよい。そのような配列は、流動を改良し得、出口開口部から、および／または溶融炉の中心に向かって、溶融物流動を指向し、したがって、トロイド流動および溶融中への微細粉末状シリカ粒子を含む原材料の混入に有利に働く。

一実施形態によると、各中心バーナ軸は、溶融炉の中心垂直軸およびバーナ中心を通して通過する垂直平面に対してある旋回角度だけ、傾斜される。旋回角度は、≧１°、≧２°、≧３°、≧５°および／または≦３０°、≦２０°、≦１５°、もしくは≦１０°であってもよい。好ましくは、各バーナの旋回角度は、ほぼ同一である。ある旋回角度における各バーナ軸の配列は、若干、接線速度成分を上向き噴出火炎に付与し、したがって、トロイド流動パターンに加え、旋回移動を溶融物に付与する。

バーナゾーンは、略環状ゾーンとして画定される。関連ゾーン内において、例えば、楕円形または長円線上のバーナ配列が、可能性として考えられるが、バーナは、好ましくは、略円形バーナ線上に配列される。

好ましくは、流動パターンは、溶融物表面に内向きに収束する流動を備え、その後、トロイドの回転中心軸に近接する下向きに配向された流動が続く。該回転中心軸は、有利には、溶融炉の垂直対称軸に対応する。対称軸とは、中心対称軸を意味し、溶融炉が、いかなる単一の画定された対称軸も有していない横断面を示す場合、溶融炉断面が内接される、円の対称軸を意味する。下向きに配向される流動は、溶融炉の底部における外向きに配向される流動およびバーナに近接する略環状上向き流動が続き、バーナゾーンに向かい、溶融物表面に戻る上昇移動における溶融物の再循環を反映し、したがって、略トロイド流動パターンを画定する。

溶融物表面における内向きに収束する流動ベクトルは、有利には、０．１〜３ｍ／秒から成る速度を示す。垂直回転中心軸に近接する下向きに配向される速度ベクトルは、好ましくは、有意な大きさであって、比較的に高速の下向きへの材料流動を反映する。下向き速度ベクトルは、０．１〜３ｍ／秒であってもよい。溶融炉の少なくとも一部分における、とりわけ、溶融物表面（特に、溶融物表面において内向きに収束する流動ベクトル）における、および／または垂直回転中心軸もしくはそれに近接する、溶融炉内の溶融物および／または原材料は、≧０．１ｍ／秒、≧０．２ｍ／秒、≧０．３ｍ／秒、もしくは≧０．５ｍ／秒である、および／または≦２．５ｍ／秒、≦２ｍ／秒、≦１．８ｍ／秒、もしくは≦１．５ｍ／秒である、速度に到達し得る。

好ましいトロイド流動パターンは、非常に効率的混合を確実にし、温度プロファイルおよび組成物の観点から、溶融物を均質にする。また、溶融物の中への原材料の吸収に有利に働き、それによって、微細粉末状灰が煙突を通して逃散するリスクを減少させ、新しい原材料および溶融物への熱伝達を改良する。これは、原材料が溶融物循環を短縮するリスクを回避または少なくとも減少させながら、引き出しに先立って溶融炉内で要求される滞留時間を短縮する。前述のように、溶融物の上部における発泡形成は、減少され、ガス泡は、溶融物中に維持され、したがって、所望に応じて、溶融物密度を減少させる。

一好ましい実施形態では、バーナは、該溶融チャンバの側壁から約２５０〜７５０ｍｍの距離において、溶融炉底部内に配列される。これは、前述の好ましい流動に有利に働き、溶融チャンバ側壁への火炎誘引を回避する。バーナと側壁との間の距離が短すぎると、側壁を損傷する、または不必要に応力をかけ得る。バーナと壁との間のある溶融物流動は、有害ではない場合があり、さらに、望ましくあり得るが、距離が長すぎると、望ましくない溶融物流動を発生させる傾向になり、溶融炉の中心において溶融物をあまり混合しない、デッドゾーンを生成し、溶融物の減少された均質性につながり得る。

浸漬式バーナ間の距離は、有利には、所望のトロイド流動パターンを溶融物中に提供するだけではなく、また、隣接する火炎が融合することを回避するように選定される。本現象は、溶融物の温度および粘度、バーナの圧力および他の特性等の多くのパラメータに依存するが、約１２００〜２０００ｍｍから成るバーナ円直径を選択することが有利であることが見出されている。バーナタイプ、動作圧力、および他のパラメータに応じて、大きすぎる直径は、火炎の発散につながり、狭すぎる直径は、火炎の融合につながるであろう。

好ましくは、少なくとも６つのバーナが、提供され、例えば、より好ましくは、６〜１０のバーナ、さらに好ましくは、６〜８つのバーナが、溶融炉寸法、バーナ寸法、動作圧力、および他の設計パラメータに応じて、バーナ円線上に配列される。

各バーナまたは複数のバーナ群のそれぞれ、例えば、対向バーナは、個々に、制御されてもよい。原材料放出口に近接するバーナは、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／または圧力で制御され、したがって、溶融炉の中に装填されている新しい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、新しい原材料のバッチ式装填の場合、溶融炉内に含有される溶融物の中への関連装填物の吸収のために要求される時間期間の間だけ、要求されてもよい。

また、溶融物の出口を妨害しないために、溶融物出口に近接して位置するバーナをより低いガス速度／圧力で制御することが望ましくあり得る。

溶融チャンバは、好ましくは、略円筒形断面である。しかしながら、楕円形断面、または、４つを上回る辺、好ましくは５つを上回る辺を示す多角形断面を有してもよい。

本発明による使用のために好適な溶融炉の実施形態が、添付の図面を参照して以下に説明される。

図１ａおよび１ｂは、トロイド流動パターンの略図である。 図１ａおよび１ｂは、トロイド流動パターンの略図である。 図２は、溶融炉を通る垂直断面を示す。 図３は、バーナレイアウトの略図である。

図１ａおよび１ｂを参照すると、トロイド流動パターンは、好ましくは、溶融物が、円形バーナ線２７上に配列される浸漬式バーナ２１、２２、２３、２４、２５、２６に近接して上昇方向に追従し、溶融物表面において円形バーナ線の中心に向かって内向きに流動し、該中心に近接して下向きに流動するように確立される。トロイド流動は、撹拌および乱流を溶融物中に発生させ、溶融物の良好な撹拌ならびに溶融物の中への原材料およびガス泡の吸収を確実にする。

図示される溶融炉１は、溶融物を含有する、内径約２．０ｍを有する円筒形溶融チャンバ３と、上側チャンバ５と、蒸発気の排気のための煙突とを備える。上側チャンバ５は、蒸発気の中に同伴されている溶融物表面１８から投じられるいかなる溶融物の射出も防止する、バッフル７を具備する。原材料給送機１０が、バブリング溶融物レベルを下回って溶融チャンバ壁内に配列され、新しい粉末状灰および融剤を溶融炉１の中に装填するように設計される。粉末状または微細原材料給送機は、溶融物レベルを下回って、および／または溶融物レベルと溶融物のバブリングレベルとの間に配列されてもよい。給送機１０は、ガラス溶融物の調製のために、可能性として、融剤および／または他の原材料と混合される、飛灰および／または籾殻灰を直接溶融物の中に移送する、水平給送手段、例えば、給送スクリューまたはピストンを備える。溶融チャンバの底部は、溶融炉軸と同心であって、直径約１．４ｍを有する、円形バーナ線２７上に配列される、６つの浸漬式バーナ２１、２２、２３、２４、２５、２６を備える。溶融物は、溶融チャンバ３から、給送デバイス１０と略反対にある、溶融炉底部に近接する溶融チャンバ側壁内に位置する制御可能出口開口部９を通して、引き出されてもよい。溶融炉から引き出される溶融物は、次いで、冷却および固化され、可能性として、要求に応じて、下流使用のために研磨されてもよい。そのような下流使用は、ガラス製造における後の使用のためのカレット調製を含んでもよい。また、それ自体が公知である、繊維化を含む、ガラス形成のための溶融物の実際の使用を含んでもよい。他の使用は、セメントおよび／または具体的組成物、建設材料等において使用するためのガラス化された材料の研磨を含む。

溶融物中の温度は、溶融物の組成物、所望の粘度、および他のパラメータに応じて、１２００℃〜１６００℃であってもよい。好ましくは、溶融炉壁は、冷却液体、好ましくは、水によって冷却される、二重鋼鉄壁である。外部溶融炉壁に提供される冷却水接続は、溶融物が、内壁上で固化し、冷却液体、ここでは、水が、沸騰し得ないように、内壁からエネルギーを引き出すために十分な流動を可能にする。

浸漬式バーナは、１００〜２００ｍ／秒、好ましくは、１１０〜１６０ｍ／秒のガス流動で動作する、同心管バーナを備え、燃料ガスおよび酸素含有ガスの燃焼を溶融物中に発生させる。燃焼および燃焼ガスは、上側チャンバの中に、次いで、煙突を通して逃散する前に、溶融物中に撹拌を発生させる。これらの高温ガスは、原材料ならびに／もしくはバーナ内で使用される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス（例えば、酸素、すなわち、産業用酸素は、酸素含有量重量比≧９５％または酸素豊富空気を有する）を予熱するために使用されてもよい。蒸発気は、好ましくは、随意に、フィルタ処理に先立ってその温度まで低下させるために、周囲空気との希釈を使用して、環境への放出に先立って、フィルタ処理または別様に処理される。

本発明要件に従って説明および制御されるような溶融炉内では、溶融物レベルは、バーナが点火していないとき、同一温度において溶融物が有するであろうレベルと比較して、３０〜５０％増加されることが判定されている。バーナ点火を伴わない溶融物レベルは、溶融物組成物に基づいて計算され、溶融物を溶融炉内で硬化させることによって立証されている。乱流「曝気」された溶融物のレベルは、レーザポインタが５分の時間期間にわたって測定された値を平均することによって、正常動作モードで判定された。類似デバイスも、適切であろう。興味深いことに、所望されるような溶融物流動パターンは、溶融物レベルにわたっていかなる有意な発泡も発生させない。ガス泡は、溶融物の上部にわたって蓄積されるのではなく、関連流動によって溶融物の中に再吸収されると理解される。

前述の生成プロセスは、溶融物への改良されたエネルギー伝達、より短い滞留時間、したがって、低熱損失を可能にする、浸漬式燃焼溶融炉の選択肢に起因して、かつ高撹拌および乱流が、減少された溶融物粘度において、より均質な溶融物につながり、ひいては、低下された温度における動作を可能にし得るため、エネルギー効率的である。さらに、浸漬式燃焼は、有利には、水冷却式溶融炉内で行われ得、保守および修理がより簡単かつ低コストであって、さらに、冷却流体から引き出されるエネルギーの再利用を可能にする。さらに、粉末状灰材料の低レベル給送は、蒸発気の汚染のリスクを減少させ、新しく装荷された材料への同時エネルギー伝達に伴って、溶融物の中への粉末状灰材料の混入を容易にする。

第１の実施例として、得られるガラス化された生成物は、７３重量％ＳｉＯ_２と、２２重量％Ｂ_２Ｏ_３と、１．５重量％Ｎａ_２Ｏと、Ｋ_２Ｏと、微量の他の酸化物を備え、１００重量％まで添加される。そのようなガラス化された生成物は、そのように使用されてもよい、または原材料とさらに組み合わせられ、他のガラス組成物を生産してもよい。

代替実施例として、ＣａＯ、ＭｇＯ、ならびにＮａ_２Ｏ、および／または融剤としてのＫ_２Ｏの使用は、６９重量％ＳｉＯ_２、８重量％ＣａＯ、２重量％ＭｇＯ、１５重量％Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ、および微量の他の酸化物のような組成物につながり、１００重量％まで添加され得る。

さらなる実施例として、飛灰、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＮａ_２ＯならびにＫ_２Ｏは、好適な割合で混合され、前述のように底部バーナを具備する浸漬式燃焼溶融炉の出口において、Ｃ−ガラス組成物を生産してもよい。典型的Ｃ−ガラス組成物は、６４〜６８重量％ＳＩＯ_２と、３〜５重量％Ａｌ_２Ｏ_３と、４〜６重量％Ｂ_２Ｏ_３と、１１〜１５重量％ＣａＯと、２〜４ＭｇＯと、７〜１０重量％Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏと、微量の他の酸化物とを備え、１００％まで添加される。

同様に、籾殻灰、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＮａ_２ＯならびにＫ_２Ｏは、好適な割合で混合され、前述のように底部バーナを具備する浸漬式燃焼溶融炉の出口において、Ｅ−ガラス組成物を生産してもよい。典型的Ｅ−ガラス組成物は、５２〜６２重量％ＳＩＯ_２と、１２〜１６重量％Ａｌ_２Ｏ_３と、０〜１０重量％Ｂ_２Ｏ_３と、１６〜２５重量％ＣａＯと、０〜５ＭｇＯと、０〜２重量％Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏと、微量の他の酸化物とを備え、１００％まで添加される。
本発明の好ましい実施形態によれば、例えば、以下が提供される。
（項１）
少なくとも３５重量％シリカ、好ましくは、少なくとも４０重量％シリカ、より好ましくは、少なくとも４５重量％シリカまたは少なくとも５０重量％シリカを備える、シリカ溶融物の調製のためのプロセスであって、微細シリカ粉末が、溶融炉の底部内に配列される少なくとも１つの浸漬式バーナを備える浸漬式燃焼溶融炉内で、バブリング溶融物レベルを下回って給送される、プロセス。
（項２）
前記微細シリカ粉末は、飛灰および／または籾殻灰である、上記項１に記載のプロセス。
（項３）
前記少なくとも１つの浸漬式バーナは、乱流溶融物の体積が、バーナが点火していない場合に前記溶融物が有するであろうレベルより少なくとも８％、好ましくは、少なくとも１０％、より好ましくは、少なくとも１５％高いように、前記溶融物を乱流状態に維持するように制御される、上記項１または２に記載のプロセス。
（項４）
有意な発泡層が溶融物レベルの上部にわたって発生されないように動作される、上記項１−３のいずれかに記載のプロセス。
（項５）
さらに、融剤が、好ましくは、前記微細シリカ粉末と組み合わせて、前記溶融物の中に導入される、上記項１−４のいずれかに記載のプロセス。
（項６）
前記融剤は、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、および酸化ホウ素、ならびにそれらの組み合わせから選択される、上記項５に記載のプロセス。
（項７）
前記融剤は、前記組成物の０．５〜２５重量％、好ましくは、０．５〜２０重量％、または１．０〜１５重量％の範囲の量で添加される、上記項６に記載のプロセス。
（項８）
付加的ガラス化原材料を前記溶融炉の中に給送するステップを含む、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項９）
前記付加的ガラス化原材料は、前記溶融炉内の溶融物レベルの上方に給送される、上記項８に記載のプロセス。
（項１０）
前記ガラス化原材料は、バブリング溶融物レベルを下回って、有利には、溶融物レベルを下回って給送される、上記項８または９に記載のプロセス。
（項１１）
前記溶融物の少なくとも一部は、前記溶融炉から引き出され、冷却に応じてガラス化され、ガラス化された生成物を生産する、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１２）
前記ガラス化された生成物はさらに、必要に応じて、具体的組成物の調製、建設要素、道路建設、またはガラス製造プロセスにおけるガラス化された原材料としての使用、より具体的には、ガラス溶融プロセスのために処理される、上記項１１に記載のプロセス。
（項１３）
溶融チャンバ壁は、冷却され、例えば、冷却液体、好ましくは、水を循環させることによって分離される二重鋼鉄壁を備え、前記冷却液体によって引き出されるエネルギーは、好ましくは、再利用され、内側溶融炉壁は、難燃材料で裏打ちされない、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１４）
熱が、高温蒸発気および／または前記冷却液体から回収される、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１５）
前記溶融物の少なくとも一部は、前記溶融炉から継続的にまたはバッチ式に引き出される、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１６）
前記浸漬式燃焼は、略トロイド溶融物流動パターンが、前記溶融物中に発生され、略垂直回転中心軸を有し、前記溶融物表面における主要な中心に内向きに収束する流動を備えるように行われ、前記溶融物は、垂直回転中心軸に近接して下向きに移動し、前記溶融物表面に戻るように上昇移動で再循環され、したがって、略トロイド流動パターンを画定する、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１７）
前記溶融ステップは、前記溶融物を流動パターンに曝すことによって、前記微細シリカ粉末材料を浸漬式燃焼溶融炉内で溶融させるステップを含み、前記流動パターンは、算出流体動態分析によってシミュレーションされたときに、略トロイド溶融物流動パターンを前記溶融物中に示し、主要な中心に内向きに収束する流動ベクトルを前記溶融物表面に備え、トロイドの回転中心軸が略垂直である、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項１８）
前記溶融炉底部に向かって、流動ベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、上向き成分を示す、上記項１３に記載のプロセス。
（項１９）
浸漬式燃焼バーナが、略環状バーナゾーン内、好ましくは、バーナ円上に前記溶融炉底部に配列される、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項２０）
前記バーナは、約２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、５００〜９００ｍｍ、好ましくは、約６００〜８００、さらに好ましくは、約６５０〜７５０ｍｍの隣接バーナ間の距離を伴って配列される、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項２１）
前記浸漬式バーナにわたって、またはそれに隣接して上向きに移動する前記溶融物の各バーナ軸および／または速度ベクトルは、例えば、とりわけ、前記溶融炉の中心に向かって、≧１°、≧２°、≧３°、もしくは≧５である、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、若干、垂直から傾斜される、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項２２）
各中心バーナ軸は、前記溶融炉の中心垂直軸およびバーナ中心を通して通過する垂直平面に対してある旋回角度だけ傾斜され、前記旋回角度は、≧１°、≧２°、≧３°、≧５°、および／または≦３０°、≦２０°、≦１５°、もしくは≦１０°である、上記項のいずれかに記載のプロセス。
（項２３）
溶融チャンバ（３）と、溶融物出口（９）および燃焼排ガスの排気のための煙突と、前記溶融炉の底部内の溶融物レベルの下に配列されるバーナ（２１、２２、２３、２４、２５、２６）と、前記溶融物レベルを下回っておよび／または前記溶融物レベルとバブリング溶融物レベルとの間に配列される、粉末状または微細材料のための給送機（１０）とを備える、浸漬式燃焼溶融炉（１）であって、前記バーナは、溶融物体積が、いかなるバーナ点火も存在せずに前記溶融物が同一温度で有するであろう体積と比較して、少なくとも８％、好ましくは、少なくとも１０％、より好ましくは、少なくとも１５％増加されるように、正常動作条件において、前記溶融物中に十分な乱流を維持するように、配列および制御される、浸漬式燃焼溶融炉（１）。

Claims (23)

1. 少なくとも３５重量％シリカ、好ましくは、少なくとも４０重量％シリカ、より好ましくは、少なくとも４５重量％シリカまたは少なくとも５０重量％シリカを備える、シリカ溶融物の調製のためのプロセスであって、微細シリカ粉末が、溶融炉の底部内に配列される少なくとも１つの浸漬式バーナを備える浸漬式燃焼溶融炉内で、バブリング溶融物レベルを下回って給送され、ここで、前記微細シリカ粉末は、飛灰および／または籾殻灰である、プロセス。
2. 前記微細シリカ粉末は、５０μｍ未満、好ましくは、４５μｍ未満の粒子サイズを示す、５０重量％を上回る、好ましくは、６０重量％を上回る、さらに好ましくは、７０重量％を上回るかまたは８０重量％を上回る粒子を含有する、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記少なくとも１つの浸漬式バーナは、乱流溶融物の体積が、バーナが点火していない場合に前記溶融物が有するであろうレベルより少なくとも８％、好ましくは、少なくとも１０％、より好ましくは、少なくとも１５％高いように、前記溶融物を乱流状態に維持するように制御される、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 有意な発泡層が溶融物レベルの上部にわたって発生されないように動作される、請求項１−３のいずれかに記載のプロセス。
5. さらに、融剤が、好ましくは、前記微細シリカ粉末と組み合わせて、前記溶融物の中に導入される、請求項１−４のいずれかに記載のプロセス。
6. 前記融剤は、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、および酸化ホウ素、ならびにそれらの組み合わせから選択される、請求項５に記載のプロセス。
7. 前記融剤は、前記シリカ溶融物の０．５〜２５重量％、好ましくは、０．５〜２０重量％、または１．０〜１５重量％の範囲の量で添加される、請求項６に記載のプロセス。
8. 付加的ガラス化原材料を前記溶融炉の中に給送するステップを含む、請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
9. 前記付加的ガラス化原材料は、前記溶融炉内の溶融物レベルの上方に給送される、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記付加的ガラス化原材料は、バブリング溶融物レベルを下回って、有利には、溶融物レベルを下回って給送される、請求項８に記載のプロセス。
11. 前記溶融物の少なくとも一部は、前記溶融炉から引き出され、冷却に応じてガラス化され、ガラス化された生成物を生産する、請求項１〜１０のいずれかに記載のプロセス。
12. 前記ガラス化された生成物はさらに、必要に応じて、具体的組成物の調製、建設要素、道路建設、またはガラス製造プロセスにおけるガラス化された原材料としての使用、より具体的には、ガラス溶融プロセスのために処理される、請求項１１に記載のプロセス。
13. 溶融チャンバ壁は、冷却液体によって冷却され、前記冷却液体によって引き出されるエネルギーは、好ましくは、再利用され、内側溶融炉壁は好ましくは、難燃材料で裏打ちされない、請求項１〜１２のいずれかに記載のプロセス。
14. 溶融チャンバ壁が、冷却液体を循環させることによって分離される二重鋼鉄壁を備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のプロセス。
15. 熱が、高温蒸発気および／または前記冷却液体から回収される、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記溶融物の少なくとも一部は、前記溶融炉から継続的にまたはバッチ式に引き出される、請求項１〜１５のいずれかに記載のプロセス。
17. 浸漬式燃焼が、略トロイド溶融物流動パターンが、前記溶融物中に発生され、略垂直回転中心軸を有し、前記溶融物表面における主要な中心に内向きに収束する流動を備えるように行われ、前記溶融物は、垂直回転中心軸に近接して下向きに移動し、前記溶融物表面に戻るように上昇移動で再循環され、したがって、略トロイド流動パターンを画定する、請求項１〜１６のいずれかに記載のプロセス。
18. 前記溶融物を流動パターンに曝すことによって、前記微細シリカ粉末材料を浸漬式燃焼溶融炉内で溶融させ、前記流動パターンは、算出流体動態分析によってシミュレーションされたときに、略トロイド溶融物流動パターンを前記溶融物中に示し、主要な中心に内向きに収束する流動ベクトルを前記溶融物表面に備え、トロイドの回転中心軸が略垂直である、請求項１〜１７のいずれかに記載のプロセス。
19. 前記溶融炉の前記底部に向かって、流動ベクトルは、配向を変化させ、外向き、次いで、上向き成分を示す、請求項１３または１４に記載のプロセス。
20. 浸漬式燃焼バーナが、略環状バーナゾーン内、好ましくは、バーナ円上に前記溶融炉底部に配列される、請求項１〜１９のいずれかに記載のプロセス。
21. 前記バーナは、２５０〜１２５０ｍｍ、有利には、５００〜９００ｍｍ、好ましくは、６００〜８００、さらに好ましくは、６５０〜７５０ｍｍの隣接バーナ間の距離を伴って配列される、請求項１〜２０のいずれかに記載のプロセス。
22. 前記浸漬式バーナにわたって、またはそれに隣接して上向きに移動する前記溶融物の各バーナ軸および／または速度ベクトルは、例えば、とりわけ、前記溶融炉の中心に向かって、≧１°、≧２°、≧３°、もしくは≧５である、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、垂直から傾斜される、請求項１〜２１のいずれかに記載のプロセス。
23. 各中心バーナ軸は、前記溶融炉の中心垂直軸およびバーナ中心を通して通過する垂直平面に対してある旋回角度だけ傾斜され、前記旋回角度は、≧１°、≧２°、≧３°、≧５°、および／または≦３０°、≦２０°、≦１５°、もしくは≦１０°である、請求項１〜２２のいずれかに記載のプロセス。

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