CN101675301B

CN101675301B - 无机质球状化粒子制造用燃烧器

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Publication number: CN101675301B
Application number: CN2007800530985A
Authority: CN
Inventors: 萩原义之; 铃木一路; 三宅新一; 山本康之
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: JPWO2008146373A1; JP4922400B2; WO2008146373A1; CN101675301A; US20100167054A1; US8393892B2; KR20100005142A; KR101129628B1

Abstract

本发明的无机质球状化粒子制造用燃烧器，具备使用氧气或富氧空气作为载气来供给原料粉末的原料粉末供给路，安装在上述原料粉末供给路的下游端的具有多个小孔的粉末分散板，通过安装在上述粉末分散板的下游端的分散管形成的原料分散室，配置在上述原料粉末供给路的外周的燃料供给路，配置在上述燃料供给路的外周的氧气供给路，和配置在上述原料分散室的下游侧、内径沿着下游方向增大且与上述燃料供给路及上述氧气供给路连通的燃烧室。

Description

无机质球状化粒子制造用燃烧器

技术领域

本发明涉及制造无机质球状化粒子时使用的燃烧器、使用该燃烧器的无机质球状化粒子制造装置、以及使用该装置的无机质球状化粒子的制造方法和得到的球状粒子。

背景技术

无机质球状化粒子为在高温火焰中熔融粉碎的原料粉末，利用表面张力而球状化得到的粒子。例如，使用硅石作为原料的高纯度的球状二氧化硅被广泛用作半导体元件的环氧密封材料用填充材料，通过球状化，可以得到填充材料的流动性的提高、高填充、耐磨损性提高等各种优点。而且，在本说明书中，有时将无机质球状化粒子仅记载为球状化粒子。

对于无机质球状化粒子的制造，作为现有技术存在专利文献1～4中公开的方法。为了原料粉末的球状化而需要高温火焰，所以通常使用氧气、气体燃烧方式的燃烧器。

这些燃烧器存在预混合型燃烧器和扩散型燃烧器。预混合型指的是预先使氧气与燃烧气体混合并喷出到燃烧场所的情况，扩散型指的是分别喷出氧气和燃烧气体，将它们在燃烧场所混合的情况。专利文献2中公开了预混合型燃烧器，专利文献1、3和4中公开了扩散型燃烧器。

专利文献1的扩散型燃烧器为同心圆状的双层管，在其内管与外管之间设置有多个小管。将该燃烧器设置于立式炉中，使硅质原料由燃烧器的中心管(内管)自然流下(或加压流下)，向由来自小管的可燃气体和来自外管的氧气形成的火焰中投入原料粉末，制造熔融二氧化硅球状体。

专利文献2中记载的预混合型燃烧器中，在燃烧器内充分混合原料粉末、氧气、液化石油气(LPG)，向形成在燃烧器顶端的火焰中供给原料粉末。

专利文献3和4中记载的扩散型燃烧器为同心圆状的四层管结构，形成为由中心将作为运送气体(载气)的氧气或富氧气体、原料粉末供给到燃烧室中，由其外周供给燃料气体，由其更外周供给一次氧气和二次氧气，在最外周设置有冷却燃烧器的冷却水通路。

此外，专利文献3和4中公开了使用扩散型燃烧器制造无机质球状化粒子的装置。

在专利文献4中公开的无机质球状化粒子制造装置中，如图3所示，将原料粉末由通常的原料供给机A切出，与由路径A’供给的载气一起运送到燃烧器B中。向该燃烧器B中供给来自氧气供给设备C的氧气和来自LPG供给设备D的燃烧气体，将在立式炉E内的火焰中球状化的粒子通过由路径F导入到立式炉E中的空气进行温度稀释，用后段的旋风分离器G、袋滤器H回收。

专利文献1：日本特开昭58-145613号公报

专利文献2：日本特开昭62-241543号公报

专利文献3：日本专利第3331491号公报

专利文献4：日本专利第3312228号公报

专利文献2中公开的预混合型燃烧器在燃烧器内预先混合氧气等和LPG等燃料流体。这种燃烧器由于从喷嘴顶端喷出助燃性气体和燃烧气体的混合物，所以有可能会向燃烧器内回火。

另一方面，在专利文献1记载的扩散型燃烧器中，虽然不会回火，但由于原料喷出孔与燃料喷出孔邻接，原料粒子与氧气的混合不充分而喷出到温度低的燃料气体中。因此，不能通过氧气燃烧火焰得到充分的加热，存在熔融状态不充分的不良问题。

原料粉末通过在火焰中、主要是通过来自火焰的强制对流传热而进行加热、熔融，利用表面张力而球状化。专利文献3和4中记载的扩散型燃烧器结构中，设置了燃烧室，与专利文献1中记载的燃烧器相比，制造的无机质球状化粒子的凝聚状态得到改善。

但是，以相同的燃烧量对具有各种平均粒径的原料粉末进行球状化处理时，随着平均粒径减小，凝聚增强，存在可球状化处理的量减少的趋势。此外存在火焰中处理后的球状粒子的平均粒径大于原料粉末的平均粒径的趋势。

由此可知，为了得到平均粒径更小的球状化粒子，专利文献3和4中记载的燃烧器是不充分的。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供不会回火，可有效地制造无机质球状化粒子，进而可以进行适合于原料粉末的平均粒径的球状化处理的无机质球状化粒子制造用燃烧器。

本发明人发现，可球状化处理的量减少，或在火焰中处理后的球状粒子的平均粒径大于原料粉末的平均粒径的原因在于原料粉末的凝聚状态。具体地说，原料粉末在原料粉末供给管中形成凝聚状态。然后，在将原料粉末导入到燃烧室中的阶段，该原料粉末的凝聚状态解除。即，原料粉末开始分散。之后，对分散的原料粉末进行加热使其球状化。由此，如果燃烧室中的原料粉末的分散不充分，则原料粉末之间熔合，得到的球状化粒子的平均粒径增大。例如，专利文献3和4中记载的燃烧器由于原料喷出孔和燃料喷出孔配置在同一面上，认为燃烧室中的原料粉末的分散不充分。本发明人基于该发现完成本发明。

即，本发明的第一实施方式为无机质球状化粒子制造用燃烧器，具备使用氧气或富氧空气作为载气来供给原料粉末的原料粉末供给路，安装在所述原料粉末供给路的下游端的具有多个小孔的粉末分散板，通过安装在所述粉末分散板的下游端的分散管形成的原料分散室，配置在所述原料粉末供给路的外周的燃料供给路、配置在所述燃料供给路的外周的氧气供给路，和配置在所述原料分散室的下游侧、内径沿着下游方向增大且与所述燃料供给路及所述氧气供给路连通的燃烧室，所述燃料供给路具有相对于燃烧器的中心轴平行地从燃烧室的侧面喷出燃料的多个燃料喷出孔，所述氧气供给路具备在燃烧室内形成旋流的方向上从燃烧室的侧面喷出氧气的多个第一氧气喷出孔，以及位于该第一氧气喷出孔的下游侧、相对于燃烧室的中心轴平行地从燃烧室的侧面喷出氧气的多个第二氧气喷出孔。

本发明中优选进一步具备对所述氧气供给路中的氧气供给量进行控制的控制单元，所述氧气供给路具有与所述第一氧气喷出孔连通的一次氧气供给路和与所述第二氧气喷出孔连通的二次氧气供给路，所述一次氧气供给路和所述二次氧气供给路中的氧气供给量通过所述控制单元分别控制。

此外，本发明中优选设置在所述粉末分散板上的小孔形成为沿着下游方向以放射状扩展。

本发明的第二方式为无机质球状化粒子制造装置，包括在炉顶部具备垂直向下的本发明第一方式的无机质球状化粒子制造用燃烧器的立式炉、和配置在其下游侧的旋风分离器和袋滤器。

本发明的第三方式为无机质球状化粒子的制造方法，该方法中，使用本发明第一方式的无机质球状化粒子制造用燃烧器制造无机质球状化粒子，并且将一次氧气与二次氧气的流量比调整为一次氧气小于50％，由此得到玻璃化率为98％以上的无机质球状化粒子。

本发明的第四方式为无机质球状化粒子的制造方法，该方法中，使用本发明第二方式的无机质球状化粒子制造装置，用配置在立式炉的下游侧的旋风分离器捕集粗粒子，用配置在该旋风分离器的下游侧的袋滤器捕集微粒。

而且，本发明中，粗粒子指的是粒径超过约10μm的粒子，微粒指的是粒径为约10μm以下的粒子。

本发明的第五方式为通过本发明的无机质球状化粒子制造方法得到的无机质球状化粒子。

本发明中，由于无机质球状化粒子制造用燃烧器为将燃料和氧气在燃烧室内混合并使其燃烧的扩散型，因此不会回火。此外，由于使用氧气或富氧空气作为载气来供给原料粉末，因此可抑制由于配管的自然磨损而产生泄漏。由此，安全性高，操作容易。

此外，本发明中，由于并用粉末分散板和原料分散室，原料粉末从形成在粉末分散板上的多个小孔(即原料喷出孔)喷出到原料分散室中时，原料粉末的凝聚状态解除的同时，原料粉末良好地分散在原料分散室内。而且，将原料粉末在保持该分散状态下供给到燃烧室中。由此，火焰中的原料粉末的分散良好，原料粉末之间的熔合得到抑制。即，制造大直径的球状化粒子得到抑制，得到粒径与原料粉末的粒径大致相同程度的球状化粒子。此外，可以防止可球状化处理的量减少。

此外，本发明中，由于第二氧气喷出孔相对于燃烧器的中心轴方向平行地喷出氧气，不会阻碍通过粉末分散板和原料分散室实现的原料粉末的分散效果，可形成最优的火焰。此外，由于可以对一次氧气供给路和二次氧气供给路中的氧气供给量分别进行控制，因此可调整制造球状化粒子时的最优燃烧状态。

附图说明

图1为表示本发明的燃烧器的一例的概要截面图；

图2为表示本发明的燃烧器的一例的概要侧视图；

图3为表示本发明的无机质球状化粒子的制造装置的例子的概要结构图；

图4为表示实施例的一次氧气的流量比例与玻璃化率的关系的图；

图5为表示实施例的一次氧气的流量比例与玻璃化率的关系的图。

符号说明

1A原料供给路，2粉末分散板，4A原料分散室，5A燃料供给路，5B燃料喷出孔，6A一次氧气供给路，6B第一氧气喷出孔，7A二次氧气供给路，7B第二氧气喷出孔，8燃烧室，6D、7D流量控制阀，10氧气供给量控制部

具体实施方式

图1和图2表示本发明的无机质球状化粒子制造用燃烧器(以下有时仅记载为燃烧器)的一例。图1为沿着燃烧器的中心轴切断的截面图。图2为从燃烧器的顶端侧观察的侧视图，仅示出了原料粉末、燃料和氧气的喷出孔。

在这些图中，符号1表示原料供给管，其内部形成供给原料粉末和载气的混合物的原料粉末供给路1A。载气使用氧气或氧气浓度为20vol％以上的富氧空气。原料粉末使用粒子形态具有角的非球形粒子的氧化硅、氧化铝、玻璃等无机质粉末。

而且，在图1中，原料粉末从右侧流向左侧。

在该原料供给管1的下游端一体安装有粉末分散板2。该粉末分散板2将原料粉末和载气的混合粉末沿着下游方向以放射状扩散喷出，向着斜外方的多个小孔3、3...等间隔地形成在圆周上。而且，在本发明中，小孔的意思与原料喷出孔相同。

在粉末分散板2的下游端一体安装有分散管4。该分散管4与上述粉末分散板2一起形成原料分散室4A。该原料分散室4A提供用于充分分散从小孔3、3...喷出的原料粉末的空间。

分散管4的形状为可以形成可充分分散原料粉末的原料分散室4A的形状即可。可以举出例如与原料供给管1相同的形状，与小孔3、3...同样地沿着下游方向以放射状扩展的形状，但本发明不限于这些形状。

若分散管4相对于燃烧器的中心轴方向的长度过长，则从小孔3、3...喷出的原料粉末与分散管4接触，会阻碍分散效果，因此有必要设定为合适的长度。具体的长度可以根据燃烧器的规模、形状变化而变化，如果是本领域技术人员，可以考虑到整体的平衡来容易地设定。

为了防止原料粉末之间熔合，原料分散室4A内的温度有必要调整为低于原料粉末的熔点的温度。作为温度的调整方法，可以举出相对于形成火焰的燃料流量，将载气的流量调整为低的流量，从而降低燃烧温度的方法。由此，即使燃料混入原料分散室4A内而产生火焰，也可防止原料分散室4A内的温度达到原料粉末的熔点。

而且，对于载气的流量，根据原料粉末的量存在最优值。由此，作为原料分散室4A内的温度调整方法，调整载气流量时，优选不大幅偏离该最优值。

在原料供给管1的外侧设置同轴的燃料供给管5，原料供给管1与燃料供给管5之间的空隙形成燃料供给路5A。在该燃料供给路5A中供给LPG等气体状燃料。燃料供给路5A的出口端形成多个燃料喷出孔5B、5B...，形成为相对于燃烧器中心轴平行地喷出燃料。这些多个燃料喷出孔5B、5B...等间隔地形成在圆周上。

在燃料供给管5的外侧设置同轴的一次氧气供给管6，燃料供给管5与一次氧气供给管6之间的空隙形成一次氧气供给路6A。一次氧气供给路6A的出口部分向着燃烧器中心轴大致弯曲成直角，形成多个第一氧气喷出孔6B、6B...，向着燃烧器中心轴成直角喷出氧气，在后述的燃烧室8内形成旋流。

多个第一氧气喷出孔6B、6B...等间隔地形成在圆周上，配置成使各第一氧气喷出孔6B位于邻接的两个上述燃料喷出孔5B的大致中间的位置。

在一次氧气供给管6的外侧设置同轴的二次氧气供给管7，一次氧气供给管6与二次氧气供给管7之间的空隙形成二次氧气供给路7A。该二次氧气供给路7A与一次氧气供给路6A相比，其截面积大，可供给更多的氧气。二次氧气供给路7A的出口端形成多个第二氧气喷出孔7B、7B...，形成为相对于燃烧器平行地喷出氧气。这些多个第二氧气喷出孔7B、7B...等间隔地形成在圆周上。

而且，在图1中示出了第一氧气喷出孔和第二氧气喷出孔分别与一次氧气供给管6和二次氧气供给管7连通的例子，但第一氧气喷出孔和第二氧气喷出孔与共用的氧气供给管连通的例子也在本发明的范围内。

此外，二次氧气供给管7，其厚度增厚，在其内部形成循环流通冷却水的冷却水通路71，可冷却燃烧器自身。

进一步地，燃烧器的顶端部分凹陷为向外方扩展的研钵状，该部分形成燃烧室8。即，燃烧室8的倾斜的壁部分通过倾斜地形成二次氧气供给管7和一次氧气供给管6的顶端部分来构成。此外，燃烧室8的底的部分对应于原料分散室4A的下游端。

一次氧气供给路6A和二次氧气供给路7A分别与由氧气供给源9输送氧气的配管6C、7C连接，这些配管6C、7C中分别设置有检测氧气的供给量且控制供给量的流量控制阀6D、7D。这些流量控制阀6D、7D基于来自氧气供给量控制部10的控制信号控制其开度，独立地调整对一次氧气供给路6A和二次氧气供给路7A的氧气供给量。如此流量控制阀6D、7D和氧气供给量控制部10构成了控制氧气供给量的控制单元。

而且，对于燃烧室8中的氧气供给量，根据燃料供给量存在最优值。即，氧气供给量与燃料供给量存在用于形成不产生烟的良好火焰的最优比例。由此，一次氧气和二次氧气的供给量之和考虑到燃料供给量和载气中的氧气供给量来决定最优值。

本发明的无机质球状化粒子制造用燃烧器由于具有上述结构，将原料粉末通过粉末分散板2和原料分散室4A后良好地分散，在保持该分散状态下供给到燃烧室8中。由此，火焰中的原料粉末的分散良好，粉末粒子之间的熔合得到抑制。

此外，本发明中，由于第二氧气喷出孔7B相对于燃烧器的中心轴方向平行地喷出氧气，不会阻碍通过粉末分散板2和原料分散室4A实现的原料粉末的分散效果，而可形成最优的火焰。在上述现有技术中，从配置在最外周的氧气供给路的氧气喷出孔喷出的氧气在向着燃烧器中心轴收敛的方向上喷出。这是由于，通过将喷出到燃烧室内的原料粉末、燃料和氧气集中在狭窄的空间内，燃烧效率提高。但是，利用该喷出方法时有可能阻碍本发明的上述分散效果。由此，在本发明中，使氧气的喷出方向不向着燃烧器的中心轴是重要的。

此外，从第一氧气喷出孔6B、第二氧气喷出孔7B喷出的氧气由于可分别独立地控制流量，所以可调整制造球状化粒子时的最优燃烧状态。

例如，通过使从第一氧气喷出孔6B喷出的氧气比例小于从第二氧气喷出孔7B喷出的氧气比例，减缓从燃料喷出孔5B喷出的燃料和从第一氧气喷出孔6B喷出的氧气的混合。因此，火焰的直线传播性增加，可形成较长的火焰。由此，可延长粒子在火焰中的滞留时间，可以延长粒子的加热时间。从而可以提高原料粉末的玻璃化率。

而且，玻璃化率指的是球状化粒子的非晶质量与原料粉末的非晶质量的比例。

相反地，通过使从第一氧气喷出孔6B喷出的氧气比例大于从第二氧气喷出孔7B喷出的氧气比例，促进从燃料喷出孔5B喷出的燃料和从第一氧气喷出孔6B喷出的氧气的混合，减缓从第二氧气喷出孔7B喷出的氧气的流通。因此，可形成回旋成分多的较短的火焰。由此，可缩短粒子在火焰中的滞留时间，可抑制粒子熔合。从而得到粒径与原料粉末的粒径大致相同程度的球状化粒子。

如此本发明可根据用途容易地分别制造球状化粒子。

本发明的无机质球状化粒子制造装置中，使燃烧室4A铅直向下来将本发明的燃烧器配置在图3所示的无机质球状化粒子制造装置的立式炉E的炉顶部，在该立式炉E的下游侧配置旋风分离器G和袋滤器H。根据本发明的无机质球状化粒子制造装置，将由原料供给机A切出的原料粉末供给到燃烧器B中并在立式炉E内进行球状化，用旋风分离器G和袋滤器H回收球状化粒子，由此可得到粒径与原料粉末的粒径大致相同程度的球状化粒子，且可以防止可球状化处理的量减少。

本发明的无机质球状化粒子的制造方法中，使用本发明的燃烧器和无机质球状化粒子制造装置制造球状化粒子，球状化粒子的制造过程如上所述。

如后述的实施例所记载，通过将一次氧气调整为50％以下(二次氧气为50％以上)，可得到98％以上的玻璃化率。由此，本发明的无机质球状化粒子的制造方法中优选将一次氧气调整为50％以下。

实施例

以下参照实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明不被这些实施例所限定。

将图1和图2所示的本发明的燃烧器配置在图3所示的无机质球状化粒子制造装置的立式炉E的炉顶部，将由原料供给机A切出的原料粉末供给到燃烧器B中并在立式炉E内进行球状化。

具体地说，由原料供给路1A将作为原料粉末的20kg/h的二氧化硅粉末用7.5Nm³/h的氧气(载气)运送，经过粉末分散板2导入到原料分散室4A中。此外，由燃料供给路5A将作为燃料气体的LPG以5Nm³/h导入到燃烧室8中，由一次氧气供给路6A和二次氧气供给路7A以20Nm³/h将氧气导入到燃烧室8中。之后，向由燃料气体和氧气形成的火焰中运送原料粉末制造球状化粒子。制造的球状化粒子分别用旋风分离器G和袋滤器H回收。

而且，来自一次氧气供给路6A和二次氧气供给路7A的氧气指的是一次氧气(从第一氧气喷出孔6B喷出的氧气)和二次氧气(从第二氧气喷出孔7B喷出的氧气)的总计，不包括运送二氧化硅粉末的载气的氧气。

此时，在一次氧气0～100％、二次氧气0～100％的范围内改变上述一次氧气和二次氧气的供给量的比例来研究可实现98％以上的玻璃化率的条件。

图4为表示原料粉末的平均粒径为30μm时的一次氧气的比例与玻璃化率的关系的图。由该图可知，一次氧气的比例为25％时，得到最优的玻璃化率。

图5为表示原料粉末的平均粒径为10μm时的一次氧气的比例与玻璃化率的关系的图。由该图可知，一次氧气的比例为40％时，得到最优的玻璃化率。

由以上结果可知，在一次氧气和二次氧气的比例中，对应于平均粒径存在用于使玻璃化率为98％以上的最优值。此外可知，该比例根据原料粉末的平均粒径不同而稍微不同。平均粒径为10～50μm时，在一次氧气50％以上(二次氧气50％以下)的条件下得不到98％以上的玻璃化率。即可知在一次氧气50％以下(二次氧气50％以上)的条件下得到98％以上的玻璃化率。

为了进行比较，使用不具有专利文献4公开的分散室的燃烧器进行与本实施例相同的实验。该燃烧器除了不具有分散室以外，为与本发明的燃烧器大致相同的结构。实验结果表示在图3和4中。由这些图可知，在专利文献4公开的燃烧器中，也表现出与本发明的燃烧器大致相同的趋势。

接着，在各燃烧器中，对在一次氧气和二次氧气的最优比例下使用相同的原料粉末得到的球状化粒子的平均粒径进行比较。表1示出了原料粉末的平均粒径为30μm和10μm时的结果。使用现有的燃烧器时，得到的球状化粒子的粒径大于原料粉末的平均粒径。另一方面，使用本发明的燃烧器时，得到粒径与原料粉末大致相同的球状粒子。

[表1]

由本实施例可确认，通过使用本发明的燃烧器，可得到比现有技术更接近原料粉末的平均粒径的无机质球状化粒子。

产业上的可利用性

根据本发明，可有效地制造粒径与原料粉末的粒径大致相同程度的球状化粒子。由此，本发明在产业上是有用的。

Claims

1.一种无机质球状化粒子制造用燃烧器，具备：

原料粉末供给路，使用氧气或富氧空气作为载气来供给原料粉末；

粉末分散板，安装在所述原料粉末供给路的下游端，具有多个小孔；

原料分散室，通过安装在所述粉末分散板的下游端的分散管形成；

燃料供给路，配置在所述原料粉末供给路的外周；

氧气供给路，配置在所述燃料供给路的外周；和

燃烧室，配置在所述原料分散室的下游侧，内径沿着下游方向增大，且与所述燃料供给路及所述氧气供给路连通，

所述燃料供给路具有相对于燃烧器的中心轴平行地从燃烧室的侧面喷出燃料的多个燃料喷出孔，

所述氧气供给路具备在燃烧室内形成旋流的方向上从燃烧室的侧面喷出氧气的多个第一氧气喷出孔，以及位于该第一氧气喷出孔的下游侧、相对于燃烧室的中心轴平行地从燃烧室的侧面喷出氧气的多个第二氧气喷出孔。

2.根据权利要求1所述的无机质球状化粒子制造用燃烧器，

进一步具备对所述氧气供给路中的氧气供给量进行控制的控制单元，

所述氧气供给路具有与所述第一氧气喷出孔连通的一次氧气供给路和与所述第二氧气喷出孔连通的二次氧气供给路，

所述一次氧气供给路和所述二次氧气供给路中的氧气供给量通过所述控制单元分别控制。

3.根据权利要求1所述的无机质球状化粒子制造用燃烧器，所述粉末分散板的小孔形成为沿着下游方向以放射状扩展。

4.一种无机质球状化粒子制造装置，包括：

立式炉，在炉顶部具备垂直向下的权利要求1所述的无机质球状化粒子制造用燃烧器；和旋风分离器及袋滤器，配置在所述立式炉的下游侧。

5.一种无机质球状化粒子的制造方法，该方法中，使用权利要求2所述的无机质球状化粒子制造用燃烧器制造无机质球状化粒子，

并且将一次氧气与二次氧气的流量比调整为一次氧气小于50％，由此得到玻璃化率为98％以上的无机质球状化粒子。

6.一种无机质球状化粒子的制造方法，该方法中，使用权利要求4所述的无机质球状化粒子制造装置，用配置在立式炉的下游侧的旋风分离器捕集粗粒子，用配置在该旋风分离器的下游侧的袋滤器捕集微粒。