ガラス溶解炉
シーメンス社製ガラス炉（1878年製）
シーメンス再生炉の歴史 1885年 4ビュー

ガラス溶解炉は、原材料を溶かしてガラスを作るために設計されています。[ 1 ]

用途に応じて、様々な設計のガラス溶融炉が利用可能です。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]それぞれ異なる動力源を使用します。動力源は主に化石燃料または完全電力です。両方のエネルギー源を組み合わせることも可能です。ガラス溶融炉は耐火物で作られています。[ 5 ]

基本

ガラス原料は、バッチ式または連続式でガラス溶融タンクに供給されます。各成分（バッチ）は溶融され、液状のガラス溶融物となります。バッチには、基本成分に加え、エネルギー節約のためリサイクルガラスのカレットも含まれます。カレット含有量は、所望のガラス色の要件に応じて、最大約 85% - 90%（緑色ガラス）となります。ガラス色の変更（再着色）の場合、大型ガラス溶融炉では、全工程に数日かかることがよくあります。経済的な運用のため、いわゆるマスガラス（中空ガラス、板ガラス）の場合、ガラス溶融炉は年間を通じて 24 時間体制で稼働します。炉の稼働を停止させる計画的な小規模な中間修理（1 回から最大 2 回）を除き、一般的な修理（再構築）までのいわゆる炉行程（キャンペーン）は、製品グループに応じて最長 16 年以上続くことがあります。処理能力は約1トンから2000トン以上、1日の生産量は数キログラムから1000トン以上までと幅広く対応します。炉内のいわゆるガラス槽の上の温度は約1550℃です。この温度は、バッチの組成、必要な溶融ガラス量（1日の生産量）、そして設計上のエネルギー損失によって決まります。

ガラス炉は、エネルギー効率を高めるために、 排気ガス熱回収システムを使用して稼働しています。

気候変動の緩和のために必要な CO2 排出量の削減により、化石燃料の使用を削減または置き換えるとともに、リサイクル含有量の増加によってバッチの溶解中に放出される CO2を回避するためのさまざまなコンセプトが生まれました。

デイタンク

ポット炉（歴史）
釜炉（復元）
最先端のポット炉

この歴史的なタイプのガラス溶解タンクは、バッチ式（不連続式）で生産され、少量しか必要とされないガラスの溶解に使用されます。デイタンクの最大溶解面積は10 m²で、溶解能力は溶解面積1 m²あたり0.4～0.8 tです。

ポット炉もその一種です。この炉は、深さ40～60cmの耐火石積みの盆地（下炉）と、その上に直径70～80cmの竪穴（上炉）が設けられています。

21 世紀初頭には、少量の高品質ガラス (光学ガラスなど) を溶かす一部のマウスグラス工房や職人の工房、および一部の特殊ガラス製造工場では、デイタンクがまだ存在していました。

デイタンクは、一日の終わりに使用停止されることはありません。夜間に温度を下げるだけです。耐火物は通常、急激な温度変化に耐えられず、腐食（消耗）が促進されるため、このような急速な冷却はそもそも不可能です。メンテナンスなどのためにデイタンクを休止する場合は、耐火物の種類に応じて、冷却／加熱時間（2日から数日）を遵守する必要があります。ただし、職人の工房に設置される小型炉（スタジオ炉）は例外です。これらの小型炉では、耐火物のライニングはそれに応じて設計されます。

連続運転ガラス溶解炉

連続運転炉は、溶融タンクと作業タンクの 2 つのセクションで構成されています。これらは、通路または狭窄部 (フロートガラス) によって分離されています。溶融タンクでは、ガラスが溶融され、精製されます。次に、溶融物は通路を通って作業タンクに入り、そこから供給装置 (前炉) に送られます。そこでガラスが取り出されます。中空ガラス (中空ガラス) の製造では、下部のガラス製造機にガラス塊が供給されます。板ガラス (フロートガラス) の製造では、ガラスは特殊な幅広の出口からガラスリボンとして、いわゆる液体スズのフロート浴槽を通して供給されます (構造のない板ガラス、窓ガラス、自動車ガラスなど)。または、構造のある板ガラスの場合は、成形ローラーを通して供給されます。

溶融タンクは耐火物で作られており、アルミナ（Al 2 O 3）、シリカ（SiO 2）、マグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO 2）のグループ、およびそれらの組み合わせで構成され、必要な耐火セラミック材料を生成します。ガラス溶融炉（蓄熱室を含む溶融タンク）を作成する場合、中空ガラスセクターでは最大2000トン、板ガラスセクターでは最大9000トンの耐火物を使用できます。2021年の熱源は通常、天然ガス、重油と軽油、および電極によってガラス浴槽に直接供給される電流です。化石燃料による加熱は、多くの場合、補助的な電気加熱と組み合わせられます。完全に電気加熱されたガラス溶融タンクも使用されます。

化石燃料（できればガス）を燃焼させる際に、空気ではなく純酸素を使用するとエネルギーを節約でき、最良の場合、運用コストも削減できます。燃焼温度、ひいては熱伝達が高く、加熱するガスの量は少なくて済みます。しかし、酸素燃焼ガラス炉は、酸素製造コストが高いため、中空ガラスや板ガラスなどのバルクガラスの製造には通常適していません。ガラス溶解炉には様々な種類があります。ガラス製造に使用される炉には、「エンドファイア炉」、「サイドファイア炉」、「酸素燃料炉」などがあります。最新の開発はハイブリッド炉です。現在、このタイプの炉の建設がいくつか進められており、2023年には既に稼働しているものもあります。一般的に、炉のサイズは、1日あたりの生産量（MTPD）で表されたメートルトン数によって分類されます。

ガラス溶解工程でエネルギーを節約するために、できるだけ多くのリサイクルガラスを使用する（カレット10%ごとに約2%のエネルギー節約）ことに加え、再生システムまたは復熱システムを使用して燃焼空気をできるだけ高い温度に加熱することが、工程の基本的な部分となっています。

再生器

最も一般的に使用されている再生器では、高温の排ガス (1300 °C - 1400 °C) が、耐火性の長方形または特殊形状のレンガの格子を通してチャンバーに不連続的に供給されます。このいわゆる格子は、プロセス中に加熱されます。このウォームアップ期間 (格子による排ガスの熱エネルギーの蓄積) の後、ガスの流れの方向は逆転し、燃焼に必要な新鮮で冷たい空気が、予め加熱されたチャンバーの格子を通って流れます。これにより、燃焼用空気は約 1200 °C - 1300 °C に予熱されます。これにより、かなりのエネルギーが節約されます。燃焼後、排ガスは今度は別のチャンバーの格子に入り、そこでさらに予め冷却された格子が再加熱されます。このプロセスは、20 ～ 30 分間隔で定期的に繰り返されます。したがって、チャンバーは不連続的に操作されます。 65%

回復装置

復熱装置は連続運転が可能で、排気ガスと外気を繋ぐ金属製の熱交換器で構成されています。金属製の熱交換器表面（耐熱性高合金鋼管と金属製の二重殻の組み合わせ）のため、復熱装置は低い排気ガス温度でしか運転で​​きず、効率も低下します（40%）。そのため、予熱温度は比較的低く（最高800℃）、熱交換器の効率も低下します。

回収装置は設置費用が安く、設置スペースと投資額も少なくて済みます。そのため、投資コストの面で有利ですが、その効果は効率の低下によって大幅に減少し、長期運転においてはマイナスの影響を与える場合もあります。

再生器の設置に構造上の制約がある場合には、システムの省エネ化や効率的な運用を実現するために、再生器と回収器を組み合わせたシステムも開発・導入されている。[ 6 ]

更なる対策として、排ガスの熱量（温度 > 700 °C）を利用するために、下流の熱電併給は技術的に可能であり、既に大規模に試験されています。しかし、このようなシステムに必要なメンテナンス作業には相当の費用がかかるため、関連する運用コストの観点から重要なものとして評価する必要があります。そのため、この下流エネルギー回収という特定のコンセプトは、現時点では一般的にはこれ以上追求されていません。このコンセプトの革新的な改訂版は、多額の費用をかけて、生産環境で長期間にわたって実際にテストする必要があります。しかし、これには企業側にある程度のリスクを負う覚悟が必要ですが、この業界の熾烈な競争を考えると、一般的にはリスクは負われません。

今後の展開

気候変動に関する議論をきっかけに、生産段階で気候に悪影響を与えるCO2排出量を大幅に削減するための開発・研究プロジェクトがいくつか開始されている。中でも、欧州では新型ガラス溶解炉の開発に向けた取り組みが開始された。[ 7 ]欧州の様々なガラスメーカーが技術サプライヤーと共同でこのプロジェクトに取り組んでおり、工業規模の対応プラントの実現を目指している。このプラントは2022年に稼働開始予定で、溶解能力は1日350トンである。このハイブリッド炉と呼ばれるガラス溶解炉は、再生可能エネルギー源から発電された電力の80%で稼働し、CO2排出量を50%削減できると期待されている。[ 8 ] [ 9 ]

19の欧州容器ガラス企業からなる利益共同体であるこの業界は、EUイノベーション基金による財政支援を受けようとした。[ 10 ]しかし、このプロジェクトはイノベーション、セクター別アプローチ、拡張性の点で非常に高い評価を得たにもかかわらず、EUイノベーション基金からの助成金を獲得することはできなかった。

関係企業はプロジェクトへの財政的貢献を自発的に表明しましたが、EUの助成金は、従来の炉と比較して、追加の設備投資（CAPEX）と運用コスト（OPEX）に依然として大きな影響を与えていました。EUの助成金がなければ、当初の計画通りにプロジェクトを進めることは不可能でした。しかし、業界は現在、脱炭素化への取り組みをどのように進めていくかを検討しています。[ 11 ] 2024年末までにプロジェクト炉が完成し、試運転に入りました。[ 12 ]

さらに、いわゆるグリーン水素を用いてガラス溶融炉を代替加熱する研究プロジェクトも進行中です。水素の燃焼では水蒸気しか生成されませんが、水蒸気は溶融プロセスやガラスの組成、そして製造されるガラスの特性に影響を与えます。この影響を制御・補正する方法については、今後の研究が課題となっています。2021年8月には大規模な産業試験が成功裏に実施されました。[ 13 ]

しかし、水素は天然ガスに比べて1立方メートルあたりの発熱量がかなり低く、天然ガスの約3分の1に過ぎません。そのため、水素を輸送するためのガスパイプラインには新たな要件が生じます。既存の天然ガスネットワークでは、このような要件を満たす設計は容易ではありません。同じ量のエネルギーを供給するには、パイプラインを約70%大きくするか、より高い圧力に対応するように設計するか、あるいは同じ圧力で3倍の流量を実現する必要があります。後者の対策は既存のパイプラインネットワークに適用可能です。しかし、これは主にパイプライン内の既存設備に起因する振動の増加につながり、ひび割れの発生を促進し、長期的には重大な損傷を引き起こす可能性があります。特定の条件下では、100%の水素はこの時点で材料を脆化させ、より深いひび割れの形成を加速することが知られています。しかし、天然ガスに水素を最初に部分的に混合することは可能であり、既に実施されています。現在、この点については、パイプライン供給業者だけでなく、幅広い科学的議論が行われています。

バイオ燃料の代替利用は、大規模な産業試験でも検証された。CO2排出量の80%削減が達成された。しかし、必要なガス量が長期間にわたって完全に供給されなかったため、大規模試験は4日間に限定された。[ 14 ]

参考文献

  1. ^連邦規則集：1949-1984年。米国調達局、国立公文書記録局、連邦官報局。1982年。
  2. ^ 「溶解炉および装置」。
  3. ^ 「フロートガラス炉」。
  4. ^ Orlov, DL; Baiburg, LG; Tokarev, VD; Ignatov, SV; Chubinidze, VA (1986-07-01). 「板ガラス炉におけるガラスの複合電気加熱」. Glass and Ceramics . 43 (7): 285– 288. doi : 10.1007/BF00694861 . ISSN 0361-7610 . S2CID 136857250 .  
  5. ^連邦登録簿（2010年8月）。連邦規則集、第40編、環境保護、PT. 61-62、2010年7月1日改訂。政府印刷局。ISBN 9780160860300。
  6. ^ 「ガラス炉の熱回収強化における新たな現実」（PDF） 。 2022年4月10日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2021年10月22日閲覧。
  7. ^ 「気候中立ガラス包装に向けた基本的なマイルストーン」。
  8. ^ 「気候中立パッケージのビジョン」。
  9. ^ 「未来のための炉：低炭素の未来に向けたガラス業界の共通の野望」 2021年10月10日。
  10. ^ 「欧州連合イノベーション基金」。
  11. ^ 「気候中立ガラス包装に向けた基本的なマイルストーン」。
  12. ^ 「Ardagh Glass Packaging、NextGen Furnace発表イベントにガラス業界のパートナーを歓迎」 2023年11月10日。
  13. ^ 「世界初、水素を動力源とする建築用ガラス製造」(PDF)。
  14. ^ 「セントヘレンズガラス大手によるバイオ燃料試験は脱炭素化に向けた世界初の取り組みとなる」。
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