JP2002531625A - カーボンブラックの製造方法 - Google Patents

カーボンブラックの製造方法

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JP2002531625A JP2000585335A JP2000585335A JP2002531625A JP 2002531625 A JP2002531625 A JP 2002531625A JP 2000585335 A JP2000585335 A JP 2000585335A JP 2000585335 A JP2000585335 A JP 2000585335A JP 2002531625 A JP2002531625 A JP 2002531625A
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gas
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burner
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ダブリュ． テイラー，ロスコー
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Abstract

(57)【要約】 カーボンブラック炉からのオフガスは、ある態様にしたがって、同一もしくは異なるカーボンブラック炉のバーナーもしくは燃焼帯域に燃焼ガス供給流として使用され、適切な導管およびバルブがオフガスをいかなる、もしくは多数の異なるカーボンブラック炉からバーナーに通すのに用いられ、そこからカーボンブラックは実質的に除去されている。オフガスは好ましくはプラズマ加熱により加熱され、そして脱水される。二酸化炭素ストリップ、またはむしろ脱水、加熱されたオフガスからのガス成分ストリッピングは、オフガス再循環の経済的に好ましい使用を得るのには不必要であることがわかった。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明はカーボンブラックを製造するための方法および装置に関する。特に、
本発明は、タイヤ等のようなゴム物品の製造において、複写、エレクトロニクス
およびケーブル被覆において、ワニスおよび塗料の製造において使用されるのに
適した種々の種類もしくはグレードのカーボンブラックを製造するのに使用され
得、カーボンブラックの補強および／または顔料の性質が要求される用途の使用
を含む。 背景 種々の異なる方法もしくは技術が、カーボンブラックの製造分野で知られてい
る。そのような１つの方法は、ファーネスカーボンブラック製造方法といわれる
ことがあるが、反応器に続くバーナーもしくは燃焼チャンバーを有する炉を使用
する。燃焼ガス供給流は、通常天然ガス等のような炭化水素ガス流であり、空気
もしくは酸素のような酸化体供給ガス流とともに炉のバーナー部分で燃焼され、
高温燃焼ガスを生成し、ついで炉の反応器部分に送られる。反応器において、炭
化水素原料は高温燃焼ガスにさらされる。原料の１部は燃焼されるが、残りはカ
ーボンブラックに分解される。反応生成物は約２３０℃の温度に急冷されるのが
通常であり、そこでカーボンブラックの中味は種々の従来法により捕集される。
ファーネスカーボンブラック法は望ましい効率レベルで操業されていないことは
広く認識されている。バーナーへの供給流として空気および天然ガスを使用する
と、効率はリーン燃焼操業、すなわち天然ガスは空気供給流の酸素含量に対して
化学量論的に低い量で供給される操業について６０％を超えないのが通常である
。
【０００２】 炭化水素原料、カーボンブラックを製造する「メーク炭化水素」（“ｍａｋｅ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ”）ともいわれる、の効率的な熱分解を実施するため
に十分に高い温度バーナーで生成される高温燃焼ガスを得ることが望ましいが、
過度に高い燃焼ガスの温度は、燃焼帯域および／または反応帯域の耐火物内張に
損傷を引越しうる。化学量論的条件近くでの操業は、流量の要求および他の必要
な操業条件に適合するのに十分高い供給速度を伴い、過度に高い温度を形成しう
る。燃焼リッチ条件での操業、すなわち酸素もしくは他の酸化体ガス流に対して
過剰の天然ガスを使用することは、改良された収率、６０％を超える収率さえも
、伴う許容しうる燃焼温度を形成しうる。しかし、このような操業条件下で、原
料コストは経済的でないほど高いのが通常である。したがって、得られる低カー
ボンブラック収率にもかかわらず、適切な流量および許容しうる原料コストを得
るために燃焼リーン燃焼戦略下で操業するのが通常である。
【０００３】 カーボンブラックとともに生成されるオフガスもしくはテールガスはファーネ
スカーボンブラック製造方法の性質により、有意のエネルギー値を有すると長く
認識されてきた。ファーネスカーボンブラック製造方法において、反応器フィル
ター系からのテールガス、すなわちそこからカーボンブラックが除去される、は
可燃性ガス成分を含有するのが通常である。このようなオフガスのエネルギー含
量を活用することが非常に望ましいことは長く認識されてきた。たとえば、ファ
ーネスカーボンブラック製造方法において、バーナーへの燃焼ガス供給流を予熱
することが用いられてきた。さらに反応器へ供給される炭化水素原料を予熱する
ことも用いられてきた。加えてファーネスカーボンブラック製造プロセスからの
テールガスは、カーボンブラック製造設備での使用、もしくは輸出のために電気
を生成する発電機を運転するために燃焼されてきた。
【０００４】 さらに、ファーネスカーボンブラック製造プロセスにおいてバーナーへ酸化体
ガス供給流とともに供給される燃焼ガス供給流の全部もしくは部分としてそのよ
うなテールガスを使用することも提案されている。すなわち、炭化水素原料の熱
分解のための燃焼ガスを生成するためにカーボンブラック炉の燃焼チャンバーで
酸化体ガス供給流とともにそれを燃焼することにより、オフガスのエネルギー含
量を活用しようとする提案がなされている。しかし、このような炉オフガスの燃
焼によりカーボンブラックを製造しようとする試みにおいては、数多くの問題が
あり、燃焼ガスの温度、燃焼ガスの酸素含量および燃焼ガスの流速を制御する問
題を含む。このような問題は、もしファーネスカーボンブラック製造プロセスの
商業的な実施が同一もしくは異なるカーボンブラック製造炉への燃焼ガス供給流
として炉オフガスを使用するのであれば、ほとんど生じない。このような従来の
試みの例はＰｏｌｌｏｃｋの米国特許第２，７９６，３３２号明細書であり、そ
こではオフガスはカーボンブラック炉からそれ自体の燃焼チャンバーに再循環さ
れる。テールガスは予熱され二酸化炭素の除去のために処理される。二酸化炭素
の除去はコストおよび製造プロセスの複雑さを付加する。Ｓｃｏｔｔらの米国特
許第４，２６１，９６４号明細書において、水素ガスおよび一酸化炭素はカーボ
ンブラックオフガスからストリッピングされ、同一の燃焼チャンバーに供給され
る天然ガスを置換するのに用いられる。Ｃｒｏｕｃｈの米国特許第３，６４５，
６８５号において、カーボンブラック炉オフガスは同一炉の反応器部分に再循環
される。Ａｕｓｔｉｎの米国特許第４，３１５，８９４号明細書において、同一
もしくは他のカーボンブラック炉からのオフガスが急冷流体として使用される。
通常、このような従来の教示におけるオフガスは燃焼リーン燃焼戦略に使用され
、外見上、天然ガスもしくは他のＢＴＵ含量燃焼ガスが用いられるときに通常使
用される燃焼リーン戦略につづく。Ｓｍｉｔｈの米国特許第４．３９３，０３４
号明細書はこの例であり、燃焼リーン燃焼戦略において脱水オフガスを使用する
。
【０００５】 本発明の目的はファーネスカーボンブラック製造プロセスからのオフガスを、
カーボンブラック炉の燃焼帯域への燃焼ガス供給流として使用する過去の試みで
出会ったいくつかの問題を克服することである。ファーネスカーボンブラック製
造プロセスを操業する同一もしくは異なるカーボンブラック炉のバーナーに燃焼
ガスとして、ファーネスカーボンブラックからのオフガスの商業的に実施しうる
使用を提供することが本発明の特別の目的である。 要約 第１の態様によれば、ファーネスカーボンブラックからのオフガスは同一もし
くは異なるファーネスカーボンブラック製造プロセスの燃焼帯域への燃焼ガス供
給流として使用される。「再循環」もしくは「オフガス再循環」等の用語は、も
し他の特定が文中でなければ、ここでは炉オフガスを同一もしくは異なるカーボ
ンブラック製造炉の燃焼帯域に供給することを意味するのに使用される。これに
関して、本発明のある好適な態様によれば、カーボンブラック炉からのオフガス
は第２の炉で燃焼ガス供給流として使用される。テールガスのエネルギー値は炉
で製造されるカーボンブラックのグレートによることが多い。したがって、多数
の異なるカーボンブラック炉の中から利用しうる最高の発熱量のオフガスを使用
するある態様が経済的に有利である。本発明の１つの態様において、適切な導管
およびバブルが１つもしくは多数の異なるカーボンブラック炉からカーボンブラ
ック炉の燃焼ガス供給入口にオフガス（そこからカーボンブラックは実質的に除
去されている）を送ることが提供される。異なる炉からのオフガスの選択はいつ
も利用しうる最適なオフガスを使用するために適切に時々変更されうる。多数の
異なるカーボンブラック炉から選定され混合したオフガスの選択を与えることに
より、有意に改良された製造柔軟性および経済性が得られ、特定グレードのカー
ボンブラックがオフガスのエネルギー値の変化の結果として時々、種々の異なる
炉を変更して製造される。
【０００６】 もう１つの態様において、ファーネスカーボンブラック製造プロセスは同一も
しくは異なるカーボンブラック炉からのオフガスを用い、オフガスは脱水および
加熱され、燃料リッチ燃焼戦略で使用される。オフガス再循環の経済的使用はこ
の特徴の燃焼により達成されうることがわかった。オフガスからの二酸化炭素も
しくは他のガスをストリッピングするコストは避けることができ、それによりさ
らに経済的なオフガス再循環の達成がさらに容易になる。燃焼ガスとしてのオフ
ガス再循環についての、ここでの、そして以下の言及は実質的にすべてのカーボ
ンブラックが除去されたオフガスを意味すると理解されるべきである。
【０００７】 もう１つの態様において、ファーネスカーボンブラック製造プロセスは濃い（
ｄｅｅｐ）燃料リッチ燃焼戦略のもとで同一もしくは異なるカーボンブラック炉
からのオフガスで操業される。特に、燃焼ガス供給流と結合される酸化体ガス供
給流の量はそのような燃焼ガス供給流の可燃性成分を完全に燃焼するのに要求さ
れる量の８０％より少ない好ましくは、そのようなラジカルな燃料リッチ燃焼戦
略はすぐ上で述べたようにオフガスを使用する。すなわち、それは加熱され、脱
水されたオフガスを用い、そこからカーボンブラックは実質的に除去されている
。増加したコスト利益は加熱され、脱水されたオフガスからの二酸化炭素もしく
は他のガスをストリッピングしないことにより達成されることが見出される。
【０００８】 なおもう１つの態様において、ファーネスカーボンブラック製造プロセスはプ
ラズマ加熱で操業される、ある好ましい態様において、プラズマ加熱はバーナー
への可燃性の燃料供給流を予熱するために使用される。可燃性燃料は、同一もし
くは異なるカーボンブラック炉からのオフガスであり得、燃焼ガス供給流として
そのようなオフガスを使用する前にプラズマ加熱される。ある好適な態様におい
て、プラズマ加熱はバーナーへの酸化体ガス供給流を予熱するのに使用される。
ある態様においてプラズマ加熱は、メーク炭化水素原料を予熱するのに使用され
る。ある態様において、プラズマ加熱はこれらの供給流の２つ以上を予熱するの
に使用される。ある好適な態様において、プラズマ加熱は、それらが反応器に送
られる際にバーナーで生成される燃焼ガスの温度を上げるために使用される。プ
ラズマ加熱は当業者に公知の方法にしたがって達成されうる。プラズマトーチは
、Ｌｙｎｕｍらの米国特許５，７２５，６１６号明細書に開示される原理により
一般的に使用され得、その全開示は引用によりここに組入れられ、さらにＬｙｎ
ｕｍの米国特許第５，４８６，６７４号明細書の開示にしたがい使用され得、そ
の全開示も引用によりここに組入れられる。加えて、カーボンブラックに関連し
てプラズマ加熱を使用する他の原理もＳｕｒｏｖｉｋｉｎらの米国特許第４，１
０１，６３９号明細書に開示されており、その全開示は引用によりここに組入れ
られる。
【０００９】 もう１つの態様において、ファーネスカーボンブラック製造プロセスは濃い燃
料リッチ燃焼戦略を使用し、すなわち、化学量論的酸素の８０％未満を供給する
酸化体ガス流を使用し、そこでは炉の燃焼帯域への可燃性ガス供給流は実質的に
完全に、同一および／または異なるカーボンブラック炉からのオフガスであり、
そこではそのようなオフガス（そこからカーボンブラックは実質的に除去されて
いる）はプラズマ加熱により、脱水および予熱され、そして酸化体ガス流は空気
、任意には酸素が増強されている。
【００１０】 もう１つの態様において、カーボンブラックは、カーボンブラック炉の燃焼チ
ャンバーもしくはバーナーに供給されるオフガスの燃焼値をモニターするための
センサー手段からなる制御手段を使用する燃料リッチ再循環プロセスにより、任
意にプラズマ加熱を用いて、製造されうる。このような制御手段は、好ましくは
さらに、オフガスの供給比および／または酸化体供給流の供給比を調節するため
に、たとえば燃焼比に対応するセンサー手段により発生される制御信号に応答す
る流量制御手段のような燃焼制御手段を含む。ある好適な態様によれば、流量制
御手段はバーナーへの増強酸素供給量を制御する。好適なセンサー手段は商業的
に利用しうる装置を含み、それらはこの開示により利益をうける当業者に明白で
あろう。好適なセンサー手段は商業的に利用しうるＷｏｂｂｉｅ Ｍｅｔｅｒを
含む。ある好適な態様において、制御手段はカーボンブラック炉のバーナーおよ
び／または反応器の燃焼温度を検知するための温度センサー手段を含み、そして
温度センサーからの温度制御信号に応答して燃焼パラメータを調節するための燃
焼制御手段を含む。温度センサーとともに使用される好適な燃焼制御手段は、た
とえば上述の流量制御手段を含む。適切な商業的に利用しうる温度センサー手段
はＩｎｆｒａｖｉｅｗ Ｐｙｒｏｍｅｔｅｒを含む。
【００１１】 本発明のさらなる特徴および利点は、ある好適な態様の次の詳細な説明を含む
説明から当業者に明白であろう。 ある好適な態様の詳細な説明 ある好適な態様の次の詳細な説明はここで開示される発明の主題事項の種々の
態様、ならびにそのような発明の主題事項の種々の態様の原理を例示する。先述
の説明および次の詳細は説明によって、本発明の主題事項の数多くの代替・変更
の適用は当業者に明白であろう。
【００１２】 図１に関して、ファーネスカーボンブラック製造プロセスおよび装置は本発明
のある態様にしたがって例示され、好適な態様にしたがうある任意の要素を含む
。カーボンブラック炉１０は、バーナー部分１２および反応器部分１４からなる
ことがわかる。バーナー部分１２は酸化体ガス供給流を受取るガス供給ポートを
備え、特に供給ライン１６による燃焼空気、燃焼ガス供給流、図１に例示される
態様において、炉１０および／またはさらに下で述べる１つ以上の他のカーボン
ブラック炉、からの供給ライン１８によるオフガス、たとえば天然ガス、オイル
等を供給するための供給ライン２０による任意の補助燃焼燃料、そして供給ライ
ン２２による酸素増強供給流である。供給ライン２２におけるバルブ２４は酸素
源３０からの供給ライン２８を経由する酸素富化流を制御するために適用される
。酸素源３０は、酸化体ガス供給流のための富化酸素を製造するための比較的低
い操業コストの観点から圧力スウィング吸着（「ＰＳＡ」）法を好ましくは操業
する。任意に、供給ライン２２を経由する補助酸素が、燃焼チャンバー１２に別
々に供給されるよりもむしろ供給ライン１６で燃焼用空気と混合される。
【００１３】 バーナー１２で生成される高温燃焼ガスは通路３２を通って反応器１４に供給
される。メーク炭化水素原料は供給ライン３４を経由して通路３２に供給され、
高温燃焼ガスにより反応器１４に運ばれ、そこでカーボンブラックおよびオフガ
スに転換される。任意に、急冷水は急冷水供給ライン３６を経由して反応器１４
の適切な下流位置に供給される。カーボンブラックを保持するオフガスは熱交換
器３８を通って反応器１４から送り出され、熱交換器３８で、好ましくはライン
１６を経由してバーナーに供給される燃焼用空気を予熱することにより冷却され
る。まだカーボンブラックを保持するオフガスは、第２の熱交換器４０を通過し
、そこで供給ライン３４を経由して炉１０に供給される炭化水素原料に熱交換さ
れてさらに冷却される。任意には、追加の水がバルブ４４で供給ライン４２を経
由してオフガスに添加される。カーボンブラックは、カーボンブラックフィルタ
ーハウジング４６または当業者に周知の適切な他のカーボンブラック除去手段に
より除去される。オフガスは今や冷却され、そしてそこからカーボンブラックは
実質的に除去されており、供給ライン４８を経由してさらなる処理および他の用
途のために送られ得、または代りに、本発明にしたがってさらなる処理のために
供給ライン５０を経由して送られうる。特に、オフガス供給ライン５０は脱水装
置５２に通じる。例示される好ましい態様において、脱水装置５２は、公知の設
計および冷却法にしたがって、スプレー塔５４およびファン５８を備える冷却塔
５６の一群のカラムからなる。任意に、第２の脱水ユニットがポンプ７０もしく
は熱交換器７４にオフガスを送る前にさらにオフガスを脱水するのに使用される
。代替の脱水法および装置はたとえばフィンファンクーラー、代替熱交換器等を
含む、本発明の開示から当業者に明らかであろう。
【００１４】 本発明の任意の態様において、ある非常に好適な態様は１つ以上の他のカーボ
ンブラック炉からカーボンブラック炉１０のバーナー１２に選択的にオフガスを
供給するのに適用されるバルブ６０を使用する。このように他のカーボンブラッ
ク炉からのオフガスは炉１０からのオフガスとともに、または代わりに、バーナ
ー１２への燃焼ガス供給流として使用されうる。図１にみられるように、バルブ
６０は第２，３、および４のカーボンブラック炉からそれぞれオフガスを運ぶオ
フガス供給ライン６２，６４および６６を有する。他のカーボンブラック炉から
のこのようなオフガスは本発明の開示にしたがって処理される。すなわち、カー
ボンブラックはそこから実質的に除去され、脱水される。さらに、図１をさらに
参照して説明するように、加熱される。ポンプ７０は冷却され脱水されたオフガ
スを（そこからカーボンブラックは実質的に除去される）供給ライン７２を通っ
てブースターヒーター７４にポンプで送る。ブースターヒーター７４において、
テールガスはたとえば約７５０℃に加熱される。好適にはオフガスの１部は供給
ライン７６を経由してブースターヒーターに供給され、そして加熱用空気は供給
ライン７８を経由してブースターヒーターに供給され、通常約１１００℃の燃焼
温度を発生する。ブースターヒーター７４からの排ガスはライン８０を経由して
ドライヤースタックに排気されうる。カーボンブラックがそこから実質的に除去
された、加熱、脱水されたオフガスは上述のように炉１０のバーナーもしくは燃
焼チャンバー１２に供給される。カーボンブラック炉への燃焼ガス供給流として
のオフガスの経済的使用は、もし、カーボンブラックが実質的にそこから除去さ
れるならば、達成され得ることは本発明の著しい利点であり、上述のように、そ
れは脱水され、そして加熱される。商業的に受け入れられる採算は脱水されたオ
フガスからの二酸化炭素もしくは他のガスをストリッピングするコストおよび複
雑さを回避することにより達成されることがわかる。さらに、下で述べるように
、ある好適な態様において、オフガスは濃い燃料リッチ燃焼戦略に使用される。
上述のように、「濃い燃料リッチ」（“ｄｅｅｐ ｆｕｅｌ ｒｉｃｈ”）とい
う用語は本発明の非常に有利に好適な態様を特定するためにここで使用され、そ
こではオフガスが、好ましくは天然ガスもしくは他の補助的な可燃性ガス供給流
なしに、化学量論量の８０％より少ない量の酸素を供給する酸化体ガス流で用い
られる。好ましくは、本発明の濃い燃料リッチ法は化学量論的量の酸素の８０％
より少ない５０％、もっと好ましくは６２％〜７８％で操業される。このような
非常に好ましい態様によると、カーボンブラック炉オフガスの経済的使用はカー
ボンブラックの商業的に価値あるグレードの生産とともに達成される。ある好適
な態様によると、カーボンブラックは、好ましくは脱水された、予熱オフガスを
用いて初期燃焼（ＰＣ）比７０〜８０％で濃い燃料リッチ燃焼法で製造される。
このような好ましい態様は任意に低下した原料コストを達成することが見出され
る。
【００１５】 ある好適な態様によれば、カーボンブラックは予熱オフガス、好ましくは脱水
されて、ＰＣ比７０％未満で濃い燃料リッチ燃焼法で製造される。このような好
適な方法は最低の管理しうるＰＣ比で最適製品流量を達成することが見出される
。 本発明によれば、ファーネスカーボンブラック製造プロセスは、いかなる反応
器流であっても最高の管理しうる温度に予熱することにより、所定の表面積で比
較的高い収率のカーボンブラック、およびもっと良好な製造採算性を発生させる
。たとえば、該流はバーナーへの空気および酸素増強供給流、天然ガスもしくは
他の補助的な燃焼ガス供給流、バーナーへのオフガス供給流、バーナーから反応
器に炉内を通る燃焼ガス、および／または炭化水素原料を含む。このような補助
的加熱は燃焼ヒーター、熱交換器、電機機器および／または、本発明のある非常
に好適な態様によれば、電機アークもしくはプラズマ加熱ユニットから得ること
ができる。このように、ある好適な態様によれば、プラズマ加熱は燃焼ガス供給
流として加熱され、脱水されたオフガスを使用してカーボンブラック炉の経済的
実施をさらに向上するのに用いられる。プラズマ加熱は最も好適には、たとえば
カーボンブラック炉からのオフガスの出口温度もしくは近傍で操業しようとする
高温熱交換器のような、適切な熱交換器手段によりある程度すでに加熱されてい
るオフガスをさらに加熱するのに使用される。再び図１をみると、プラズマ加熱
ユニット８４は燃焼チャンバー１２にオフガスを供給する前に供給ライン７２で
オフガスを加熱することが示されている。プラズマ加熱ユニット８４はブースタ
ーヒーター７４とともにまたは代って使用されうる。プラズマ加熱ユニット８６
は燃焼帯域１２に供給される燃焼用空気を加熱するために供給ライン１６に示さ
れる。燃焼用空気を加熱するためにプラズマ加熱を使用する本発明の好適な態様
において、このようなプラズマ加熱は熱交換器３８による加熱の代わりに、もし
くはそれに加えて使用されうる。いずれにしても、ブースターヒーター７４にラ
イン８８を経由して供給される燃焼用空気を加熱するための熱交換器３８を使用
することは望ましくあり得る。ある好適な態様において、プラズマ加熱ユニット
９０は燃焼チャンバー１２にライン２０を経由して供給される補助的な燃焼ガス
供給流の予熱に用意されうる。さらにプラズマ加熱ユニット９２は供給ライン２
２およびバルブ２４を経由して燃焼チャンバー１２に供給される富化酸素を予熱
するのに使用されうる。さらにプラズマ加熱ユニット９４は燃焼チャンバー１２
から反応器１４に送られる燃焼ガスをさらに加熱するのに用意されうる。ある好
適な態様において、プラズマ加熱ユニット９６は供給ライン３４を経由して炉１
０に供給されるメーク炭化水素を予熱するのに使用される。
【００１６】 上述のように、多くの試みが、炉のバーナー部分の燃焼ガスとして同一もしく
は異なる炉からのオフガスの使用により、ファーネスカーボンブラック製造プロ
セスの経済性を改良するために過去になされてきた。大部分の場合、酸化体ガス
流との化学量論的混合物の点までの量でオフガスを使用することが提案されてい
る。しかし、燃料リーン燃焼プロセスにおいてオフガスの使用について、商業的
に成功した実施は知られていない。燃料リッチ燃焼（サブ化学量論的といわれる
ことがある）におけるオフガスの使用に関するいくつかの提案も商業的に成功し
た方法をもたらしていない。１つのこのような提案は、上述のＣｒｏｕｃｈの米
国特許第３，６４５，６８５号明細書において、そこからカーボンブラックがま
だ除去されていないオフガスを循環することを提示した。Ｃｈｅｎｇの米国特許
第４，４９０，３４６号明細書において、空気および付加的なオフガスから選ば
れる希釈ガスの添加により和らげられた化学量論的量に近い量の酸化体ガスを使
用することが提案されている。Ｃｈｅｎｇ特許は、化学量論的量に近いという用
語は、燃料ガス流と結合する酸化体の量は燃料ガス中で可燃成分を完全に燃焼さ
せるのに要求される量の約２０％以内であることを意味すると教示する。これら
の従来の不成功の戦略に対して、本発明の好適な態様は濃い燃焼リッチ燃焼戦略
において脱水され、加熱されたオフガスを使用する。濃い燃料リッチは、その加
熱され脱水されたオフガス流と結合する酸化体の量が、カーボンブラックのバー
ナー部分にそれとともに供給される補助的燃焼ガスとともに、オフガス中の可燃
成分を完全に燃焼するのに必要な量の８０％より小さいことを意味する。これら
の好適な態様によると、改良された経済的利益は達成され、成功する商業的実施
に十分である。それは同一もしくは異なるカーボンブラック炉からのカーボンブ
ラック炉オフガスを単独で使用する濃い燃料リッチ燃焼戦略により、達成され、
そこではオフガスは、上述のように、加熱され、そして脱水され、二酸化炭素を
ほとんどが、全く含まない。バーナーへの循環の前に二酸化炭素をストリッピン
グするプロセスによりオフガスを通過されるコストおよび複雑さを受ける従来の
提案と比較して、本発明の濃い燃料リッチ燃焼戦略は二酸化炭素が実質的にない
オフガスを生成することがわかる。理論に縛られることなく、二酸化炭素および
水は炭化水素原料を酸化し、一酸化炭素と水素を生成すると理解される。濃い燃
料リッチ燃焼戦略においてオフガスの使用は実質的に炉におけるこれらの種の濃
度、ならびに空気および酸素富化の燃焼からの全酸素の消費を低下する。したが
って、濃い燃料リッチ燃焼戦略において加熱され、脱水されたオフガスを使用す
ることは二酸化炭素および水の濃度を実質的に減少させ、ならびに相応して、炭
化水素原料からのカーボンブラックの収率を実質的に増加することが見出される
。
【００１７】 好ましくは、最強の利用しうるオフガス、すなわち、最高の発熱量もしくはエ
ネルギー値を有するオフガスが燃焼ガス供給流として使用される。通常、たとえ
ば、高燃焼値のオフガスは低表面積カーボンブラック、特にヨウ素吸着指数が６
０未満であるカーボンブラックを製造するカーボンブラック炉から得られる。 したがって、本発明のある非常に好ましい態様は、濃い燃料リッチ燃焼戦略に
おいて、異なるカーボンブラック炉のバーナーへの単独の燃焼ガス供給流として
低い表面積のカーボンブラックからの加熱され、脱水されたオフガスを使用する
。あるいは他の好適な態様にしたがって、天然ガスのような補助燃料の量は、合
計のバーナー燃料混合物の燃焼熱を増加するのに使用される。
【００１８】 ある代わりの態様によると、二酸化炭素は再循環されたオフガスからストリッ
ピングされうる。任意に、圧力スウィング吸着（ＰＳＡ）ユニットがそのような
ストリッピング操作に使用されうる。しかし上述のように、濃い燃料リッチ燃焼
戦略の下で操業される本発明のある好ましい態様の著しい利点は、少量の二酸化
炭素しか得られるオフガスに存在しないことである。そのようなオフガスを用い
て、カーボンブラックプロセスにおける有利な改良がそのようなオフガスの二酸
化炭素ストリッピングの必要なしに達成される。
【００１９】 本発明による好ましい態様の計算された分析は、良好な収率および望ましいカ
ーボンブラック表面積および生産量とともに原料コスト（ＲＭＣ）の減少を示す
。一般に燃焼プロセスに熱を加えることは、上述のように、実質的にすべての態
様において、プロセスの経済性を改良することが見出される。電気加熱もしくは
プラズマアークによる加熱は少し高い原料コストでもっと高い生産量を有利に得
ることが見出される。一連の計算されたファーネスカーボンブラック製造プロセ
スは下の表１に示される。特に、炉バーナーへの燃焼ガス供給流として天然ガス
のみを使用する対照法の「ＮＧ」を含んで、６つのプロセスが示される。本発明
の開示による５つのプロセスも示され、低表面積カーボンブラック製造炉からの
加熱され、脱水されたオフガスを使用する。これらの５つの４つは、補助の天然
ガスを使用することなく濃い燃料リッチ燃焼戦略を使用する。これらの４つの方
法は「ＤＦＲＯＧ−１」〜「ＤＦＲＯＧ−４」として示される。本発明の開示に
よる５つの方法の最後は、ＦＲＯＧ−５として示され、低表面積カーボンブラッ
ク製造炉からの加熱され、脱水されたオフガスを使用し、再び、補助の天然ガス
を使用しない。すべての関連するプロセスパラメーターは、特に言及がなければ
表１に比較される６つのプロセスと、同一である。すべての場合において、オフ
ガスはＨ2 Ｏ含量５％に脱水される。表１に示される方法はＮ３３９級のカーボ
ンブラックを生成すると考えられる。表１に示されるすべての方法において、酸
化体ガス流は５５０℃で予熱された空気である。上述のようにもっと高い予熱温
度は商業的に利用しうる加熱装置を用いて有利に達成される。濃い燃料リッチオ
フガス法において、増強酸素は表１に示される酸素濃度を生じるように空気に添
加される。増強酸素の増加する量とともに原料コストは上昇するとみられうる。
表１（および表２）において、原料コスト（ＲＭＣ）は対照ラン「ＮＧ」に対す
る原料コストに対して標準化された値で示される。このように、対照例「ＮＧ」
に対する原料コストは１００％として示され、たとえばＤＲＯＧ−４（７８％の
初期燃焼率でのラン）に対する原料コストは対照例「ＮＧ」に対する比較の原料
コストの６９．６％にすぎないことがわかる。４つの濃い燃料リッチオフガス法
のそれぞれ、そしてＦＲＯＧ−５プロセスにおいて、原料コストは天然ガス法の
原料コストより実質的に低いことがわかる。初期燃焼比は５つのプロセスそれぞ
れについて示される。天然ガスは初期燃焼比１２５で燃料リーンで行なわれ、一
方濃い燃料リッチオフガスプロセスは化学量論量の６５〜７８％の範囲の初期燃
焼比を有し、ＦＲＯＧ−５プロセスは８５％の比を有する。濃い燃料リッチオフ
ガスプロセスに使用されるオフガスは、それぞれの場合、電気加熱装置で５５０
℃の温度に予熱された。計算されたプロセスは天然ガス価格を１Nm3 あたりＵＳ
＄０．１０と想定した。酸素価格ＵＳ＄０．０６／Nm3 およびメーク炭化水素価
格＄０．１１／kgおよび電気価格ＵＳ＄０．０４５／KWh である。当業者は、異
なる価格が異なる最適操業条件を発生することを認識するであろう；想定価格で
、下の表１は、補助の燃焼ガス供給流を用いない、濃い燃料リッチ燃焼戦略にお
ける脱水され、加熱されたオフガスの使用は所定のグレードと生産量のカーボン
ブラックを製造するために最低原料コストをもたらすことを明確に示す。さらな
る増加した収率はオフガスから二酸化炭素をストリッピングすることにより得ら
れうることが認識されるべきである。しかし、これに関して、成功した経済性は
資本投下および二酸化炭素ストリッピング操作コストを負担しないでカーボンブ
ラックのバーナーへの燃焼ガス供給流としてオフガスを使用することに対して示
される。一般にこのようなコストは、比較的低い二酸化炭素含量が発生するよう
な潜在的にもっと高い収率にもっと価値を置きうる。
【００２０】 バーナーへの酸化体ガス流の酸素増強は生産量を増加するのに使用され得、さ
らにはカーボンブラック品質（表面積および構造を含む）の付加的コントロール
を提供することは、少くともある好適な態様の利点である。このように表１に示
されるように、少し高い原料コストにもかかわらず、本発明のある好適な態様に
よると、酸化体ガス流への酸素増強の使用は、有意の付加的な商業的利点を与え
る。同様に酸素増強の使用に代って、もしくは加えて、たとえば天然ガス等の補
助燃焼ガスの使用、および／またはオフガス、酸化体ガス流、炭化水素原料、お
よびバーナーで生成される燃焼ガスの追加加熱は、特に電気の使用により、たと
えばプラズマ加熱ユニットで、カーボンブラック炉自体のオフガスの使用を容易
にする。このような追加の柔軟性は、製品品質への加えられたコントロールとと
もに好適な態様において、少し高い原料コストを正当化する。特に、原料コスト
は本発明の好適な態様によれば実質的に低下するからである。
【００２１】
【表１】
【００２２】 下の表２は３つのファーネスカーボンブラック製造プロセスのパイロットプラ
ント実験比較を示す。最初の２つは燃焼ガス供給流として天然ガスを使用する。
「ＮＧリーン」プロセスは燃料リーン燃焼戦略に天然ガスを使用した。そして「
ＮＧ濃いリッチ」プロセスは濃い燃料リッチ燃焼戦略（７０％）で天然ガスを使
用し、「ＯＧ濃い燃料リッチ」は加熱され、脱水された（５％Ｈ2 Ｏ）オフガス
（上述の本発明の原理によりそこからカーボンブラックは実質的に除去された）
は濃い燃料リッチ燃焼戦略（７５％）を使用した。ＮＧ濃いリッチプロセスは比
較のために濃い燃料リッチプロセスである。下の表２においてＯＣは合計燃料レ
ベルである。各場合において、Ｎ３３９タイプのカーボンブラックが得られた。
【００２３】
【表２】
【００２４】 原料コストは、バーナーへの供給原料流として天然ガスを使用する方法と比較
して、本発明による濃い燃料リッチオフガスプロセスについて実質的に低下して
いることがわかる、特に、これはバーナーへの酸化体ガス流に酸素増強の使用を
したにもかかわらず達成される。さらにオフガスは上述の本発明の原理にしたが
って５７７℃の温度で予熱されたことも注目すべきである。さらに有利には、比
較的低原料コストが表２で示される本発明の濃い燃料リッチオフガスプロセスで
得られるが、同時に天然ガスプロセスで達成されるよりも有意に高い収率が得ら
れる。特に、ＯＧ濃い燃料リッチプロセスはＮＧリーンプロセスのそれより１９
．７％大きく、ＮＧ濃いリッチプロセスの収率よりも実質的に大きい、このよう
に比較的高い収率および低下した原料コストが、実質的に同一のカーボンブラッ
ク製品を得るのに、天然ガスプロセスと比較して達成される。
【００２５】 本発明の開示から、フレアもしくは焼却炉での焼成よりも有意の利益がここに
開示されるようにプラズマ加熱の使用により達成される（たとえば循環オフガス
および／またはオフガス循環（ここでは、循環は同一または異なるカーボンブラ
ック炉での使用をいう））ことが当業者には容易に理解されよう。 前述の説明から、有意の利益が、ここで開示される本発明の主題事項から達成
されることが当業者に理解されよう。上述のファーネスカーボンブラックの製造
方法の種々の変更、付加は本発明の利益を与えられる当業者に明らかであろう。
【００２６】 本発明の範囲に該当する変更および付加は、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるファーネスカーボンブラックの製造方法を示す模式図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年６月２２日（２００１．６．２２）
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ， ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｃ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，Ｔ Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 テイラー，ロスコー ダブリュ． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01432−1110，エイヤー，プリーザント ストリート 71 (72)発明者 トゥームズ，アルビン イー． アメリカ合衆国，メーン 04562，フィッ プスバーグ，キャプテン ジョン パーカ ー ロード 293，ピー．オー．ボックス 33 Ｆターム(参考） 4J037 BB12 BB15 BB21 BB26

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カーボンブラック炉からのオフガスが、そこからのカーボン
    ブラックの実質的な除去につづいて、脱水され、加熱され、そして同一もしくは
    異なるカーボンブラック炉のバーナー部分に燃焼ガス供給流として供給されるこ
    とを特徴とするファーネスカーボンブラックの製造方法。
  2. 【請求項２】 加熱され、脱水されるオフガスが、バーナーへの他の燃焼し
    うるガス供給流なしに濃い燃焼リッチ燃焼戦略に使用される請求項１記載のファ
    ーネスカーボンブラックの製造方法。
  3. 【請求項３】 加熱され、脱水されるオフガスが、圧力スウィング吸着によ
    って脱水される請求項１記載のファーネスカーボンブラックの製造方法。
  4. 【請求項４】 オフガスが、そこからのカーボンブラックの除去につづいて
    、そしてバーナーに供給される前にプラズマ加熱に供される請求項１記載のファ
    ーネスカーボンブラックの製造方法。
  5. 【請求項５】 バーナーへの酸化体ガス供給流がバーナーへ供給される前に
    プラズマ加熱に供される請求項１記載のファーネスカーボンブラックの製造方法
    。
  6. 【請求項６】 炭化水素原料が炉へ供給される前にプラズマ加熱に供される
    請求項１記載のファーネスカーボンブラックの製造方法。
  7. 【請求項７】 加熱され、脱水されるオフガスと、酸化体ガス供給流との燃
    焼によりバーナーで生成される燃焼ガスが、カーボンブラック炉の反応器におい
    てメーク炭化水素原料と接触する前にプラズマ加熱に供される請求項１記載のフ
    ァーネスカーボンブラックの製造方法。
  8. 【請求項８】 バーナーへの酸化体ガス供給流が、空気に酸素を加えた増強
    物からなり、酸素増強物は圧力スウィング吸着法により生成される請求項１記載
    のファーネスカーボンブラックの製造方法。
  9. 【請求項９】 プラズマ加熱が使用されるファーネスカーボンブラックの製
    造方法。
  10. 【請求項１０】 オフガスが、そこからカーボンブラックを除去するのにつ
    づいて、そして同一もしくは異なるカーボンブラック炉のバーナー部分に供給さ
    れる前に、プラズマ加熱に供される請求項９記載のファーネスブラックの製造方
    法。
  11. 【請求項１１】 同一もしくは異なるカーボンブラック炉のバーナー部分に
    供給される酸化性ガス供給流がバーナーに供給される前にプラズマ加熱に供され
    る請求項９記載のファーネスカーボンブラックの製造方法。
  12. 【請求項１２】 炭化水素原料が炉に供給される前にプラズマ加熱に供され
    る請求項９記載のファーネスカーボンブラックの製造方法。
  13. 【請求項１３】 同一もしくは異なるカーボンブラック炉のバーナー部分で
    生成される燃焼ガスがカーボンブラック炉の反応器においてメーク炭化水素原料
    と接触する前にプラズマ加熱に供される請求項９記載のファーネスカーボンブラ
    ックの製造方法。
  14. 【請求項１４】 バーナーへの酸化体ガス供給流が空気に酸素を加えた増強
    物からなり、酸素増強物は圧力スウィング吸着法により生成される請求項９記載
    のファーネスカーボンブラックの製造方法。
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