JP2004043599A

JP2004043599A - カーボンブラックの製造方法及び装置

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Publication number: JP2004043599A
Application number: JP2002201593A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kanamaru; 金丸　慎一
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP4175045B2

Abstract

【課題】グリットが少なく粒径分布がシャープなカーボンブラックを生産するカーボンブラックの製造方法及び装置を提供する。
【解決手段】バーナ１１により第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。バーナ１１の燃料の噴出速度、噴出パターン等を制御して燃料の燃焼速度を制御する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンブラックの製造方法及び装置に関するものであり、特にオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オイルファーネス法によるカーボンブラックの製造装置は、燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、該第２反応帯域内にカーボンブラック原料（液体の炭化水素。以下、オイルということがある。）を噴霧するノズルを備えている。
【０００３】
図１はオイルファーネス法によるカーボンブラック製造装置の一例を示す断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【０００４】
第１反応帯域１は円筒形の燃焼筒１０内に設定されている。この燃焼筒１０は後端にバーナ１１が燃焼筒１０と同軸的に設置されている。バーナ１１は、燃焼筒１０内に差し込まれるように設置されている。このバーナ１１の基端側の外周に２次空気を供給するように１次空気供給口１２が設けられている。また、このバーナ１１の先端部の外周側を取り囲む領域に対し、円筒形燃焼筒１０の略接線方向に３次空気を供給するように２次空気供給口１３が設けられている。
【０００５】
第２反応帯域２は大径で短い円筒形の炉体２０内に設定されている。この炉体２０に接線方向に２本の上記燃焼筒１０の先端側が接続されている。２本の燃焼筒１０，１０は平行に且つ炉体２０を挟んで反対側に配置されている。
【０００６】
この炉体２０の中心部にカーボンブラック原料供給用ノズル２５が該炉体２０の一方のエンド面の中央から炉体２０と同軸に差し込まれるようにして設置されている。このノズル２５の先端は、炉体２０の他方のエンド面から所定距離Ｐだけ離隔している。
【０００７】
炉体２０の他方のエンド面中央には、炉体２０よりも著しく小径の円筒形の絞り部２８が接続されており、この絞り部２８を介して円筒形の反応器ケーシング３０が接続されている。このケーシング３０は絞り部２８及び炉体２０と同軸に配置されている。絞り部２８を介してケーシング３０内が炉体２０内に連通している。このケーシング３０内が第３反応帯域として設定されている。ケーシング３０内には水を噴霧してガス温度を降温させるための冷却手段（図示略）が設けれている。
【０００８】
このカーボンブラック製造装置によってカーボンブラックを製造するには、バーナ１１に燃料を供給すると共に１次空気供給口１２及び２次空気供給口１３からそれぞれ空気を供給し、第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。
【０００９】
このカーボンブラックを含むガス流は、旋回しながら絞り部２８を介して第３反応帯域３内に導入され、該第３反応帯域内の水噴霧手段から水噴霧を受けて急冷される。
【００１０】
図示は省略するが、第３反応帯域内のカーボンブラックを含むガス流は、その後煙道を経由してサイクロン又はバッグフィルタ等の捕集手段に導入され、カーボンブラックが捕集される。
【００１１】
図３は別のカーボンブラック製造装置の断面図である。
【００１２】
このカーボンブラック製造装置においては、第２反応帯域２は円筒部２１と円錐部２２とを有した炉体２０’内に設定されている。円筒部２１は前記炉体２０と同一の構成のものであり、前記炉体２０と同様の接続構造にて２本の燃焼筒１０，１０が接続されている。円錐部２２は、該円筒部２１に連なっており、円筒部２１から遠ざかるほど縮径するテーパ形状（円錐台形状）となっている。
【００１３】
この炉体２０’の中心部にカーボンブラック原料供給用ノズル２５が該炉体２０’の一方のエンド面の中央から炉体２０’と同軸に差し込まれるようにして設置されている。
【００１４】
このノズル２５の先端は、円錐部２２の末端から所定距離Ｐだけ円筒部２１側へ離隔している。
【００１５】
この円錐部２２の末端に絞り部２８が連なり、この絞り部２８に反応器ケーシング３０’が連なっている。この反応器ケーシング３０’は、絞り部２８から遠ざかるほど径が若干大きくなるテーパ形状である。この反応器ケーシング３０’内にも、水を噴霧してガス温度を降温させる冷却手段（図示略）が設けられている。
【００１６】
前記図１，２の場合と同様に、このカーボンブラック製造装置によってカーボンブラックを製造するには、バーナ１１に燃料を供給すると共に１次空気供給口１２及び２次空気供給口１３からそれぞれ空気を供給し、第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０’の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料としての炭化水素（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。
【００１７】
このカーボンブラックを含むガス流は、旋回しながら絞り部２８を介して第３反応帯域３内に導入され、該第３反応帯域内の水噴霧手段から水噴霧を受けて急冷される。第３反応帯域内のカーボンブラックを含むガス流は、その後煙道を経由してサイクロン又はバッグフィルタ等の捕集手段に導入され、カーボンブラックが捕集される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のカーボンブラックの製造装置によってカーボンブラックを製造する場合、第１反応帯域から第２反応帯域に流入するガス速度の変動とカーボンブラック製品中のグリット（粉状コークスよりなる粗大な炭素異物）量との間に相関性があることが見出された。
【００１９】
本発明は、グリット混入量が著しく少ないカーボンブラックを製造することができるカーボンブラックの製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のカーボンブラックの製造装置は、バーナから噴出する燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、該第２反応帯域内にカーボンブラック原料を噴霧するノズルと、を有するカーボンブラックの製造装置において、該第１反応帯域における燃料の燃焼速度を制御する手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明のカーボンブラックの製造方法は、かかる本発明装置によってカーボンブラックを製造するものである。
【００２２】
本発明者が上記図１〜３の製造装置によるカーボンブラックの製造工程について種々研究を重ねたところ、第１反応帯域１から第２反応帯域２に流入するガス速度が大きすぎると、第２反応帯域２における旋回が強くなりすぎ、ノズル２５から供給されたカーボンブラック原料が、十分なカーボンブラック生成反応を経る前に遠心力によって絞り部２８の内面に付着し、グリット（ｇｒｉｔ）と称される粉状コークスよりなる粗大な炭素異物（粒径は５０〜１００μｍ程度）が生じ易くなることが見出された。
【００２３】
なお、この第１反応帯域１から第２反応帯域２へ流入するガス速度が小さすぎると、第２反応帯域における旋回が過度に弱くなり、ノズル２５から噴出したカーボンブラック原料とガスとの混合が遅くなり、カーボンブラックの１次粒子径分布がブロードなものとなり易い。そして、この結果、カーボンブラックを配合した樹脂の黒度が低くなる。
【００２４】
本発明装置は、第１反応帯域における燃料の燃焼速度を制御することにより第１反応帯域１から第２反応帯域２に流入するガス速度を制御するようにしたものであり、これにより、グリット混入量が著しく少なく、また樹脂黒度が十分に高いものとなるカーボンブラックを製造することができる。
【００２５】
なお、この第１反応帯域における燃料の燃焼速度を制御する手段としては、バーナからの燃料の噴出速度を制御する手段；バーナからの燃料の噴出パターンを制御する手段；又は、燃料が液体燃料である場合にはバーナから噴出する燃料の液滴径を制御する手段が好適である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００２７】
本発明のカーボンブラックの製造装置は、図１〜３のタイプのものであってもよく、図４，５のタイプのものであってもよい。
【００２８】
第１反応帯域１から第２反応帯域２に入る燃焼ガスの温度は、１０００〜２０００℃、特に１３００〜２０００℃程度が好ましい。この第１反応帯域１から第２反応帯域２に入るガス速度は、１次空気量が多くなるほど第１反応帯域１内のガスの直進速度（第１反応帯域１の長手方向のガス速度）が増大し、１次空気量を減少させるほど、この第１反応帯域１内のガス直進速度は小さくなる。
【００２９】
前記の通り、第１反応帯域１から第２反応帯域２に流入するガス速度が大きすぎると、第２反応帯域２における旋回が強くなりすぎ、ノズル２５から供給されたカーボンブラック原料が、十分なカーボンブラック生成反応を経る前に遠心力によって絞り部２８の内面に付着し、グリットが生じ易くなる。
【００３０】
一方、この第１反応帯域１から第２反応帯域２へ流入するガス速度が小さすぎると、第２反応帯域における旋回が過度に弱くなり、ノズル２５から噴出したカーボンブラック原料とガスとの混合が遅くなり、カーボンブラックの１次粒子径分布がブロードなものとなり易い。
【００３１】
この第１反応帯域１から第２反応帯域２に入るガス速度を制御するために、本発明では、バーナ１１から噴出した燃料の燃焼速度を制御する。この燃焼速度の制御のための手段としては、
バーナ１１からの燃料の噴出速度を制御する（ただし、噴出量は同一とする。）手段；
バーナ１１からの燃料の噴出パターン（例えば、噴出口の数や噴出方向）を制御する手段；
燃料が液体燃料である場合には、バーナから噴出する燃料の液滴径を制御する手段；
が好ましい。
【００３２】
このようにバーナからの燃料の噴出速度、噴出パターンあるいは噴出液滴径を制御するには、バーナ先端に噴出口径の異なる噴出口を設け、口径の異なる該噴出口にそれぞれ別々に燃料を供給すると共に、この供給量を別個に制御するのが好ましい。
【００３３】
図４はこのようなバーナの一例を示す模式的な断面図、図５はバーナ先端部の斜視図である。
【００３４】
図５の通り、バーナ４０は、その先端の中央に比較的小口径の第１の噴出口４１が設けられ、周縁側に比較的大口径の第２の噴出口４２が設けられている。第１の噴出口４１に対してはバーナ４０の中央燃料流路４３を介して燃料が供給され、第２の噴出口４２に対してはバーナ４０の外周側燃料流路４４を介して燃料が供給される。各燃料流路４３，４４に対しては、燃料パイプ５０，５１，５２を介して燃料が供給される。燃料パイプ５０は元管であり、そこから燃料パイプ５１，５２が分岐している。燃料パイプ５１は中央燃料流路４３に連通し、燃料パイプ５２は外周側燃料流路４４に連通している。各燃料パイプ５１，５２に燃料流量制御弁５１ａ，５２ａが設けられている。
【００３５】
燃料パイプ５０からの燃料供給量を同一としておき、弁５１ａ，５２ａの開度を制御することにより、噴出口４１，４２への燃料の供給比を制御する。小口径の噴出口４１への燃料供給量を多くすると、燃料の噴出液滴径が小さくなり、燃料の燃焼速度が増大する。また、小口径の噴出口４１からは、大口径の噴出口４２よりも高速で燃料が噴出する。これにより、燃料と空気との混合速度が増大し、燃焼速度が増大する。
【００３６】
さらに、この実施の形態では、バーナ先端に先細形のテーパ形のバーナチップ４５が設けられ、第１噴出口４１は該バーナチップ４５の側周面に設けられている。
【００３７】
一方、第２噴出口４２は、第１噴出口４１よりも前方を指向したバーナチップの先端面４６に設けられている。そのため、第１噴出口４１から噴出した燃料は、第２噴出口４２から噴出した燃料よりも広く拡散するため、空気との混合が促進され、燃焼速度が増大する。
【００３８】
このように、図４，５のバーナにおいて弁５１ａ，５２ａの開度調整により、各噴出口４１，４２からの噴出量を調整し、燃料の噴出速度、噴出パターンあるいは噴出液滴径を制御することができる。そして、これにより、第１反応帯域１における燃料の燃焼速度を制御し、第１反応帯域１から第２反応帯域２に入るガス速度を制御することができる。
【００３９】
本発明では、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）のように噴出口６１ａ，６２ａ，６３ａの口径の異なるバーナ６１，６２，６３を用いることにより、燃料の噴出速度、噴出パターン、あるいは燃料液滴径を切り替えるようにしてもよい。
【００４０】
なお、第１反応帯域１から第２反応帯域に流入するガス速度が増大するほど、第２反応帯域２内のガス旋回が強くなり、旋回中心部のガス圧力が低くなる。そこで、本発明では、この第２反応帯域２内の絞り部２８の近傍において第２反応帯域２内の旋回中心部のガス圧（静圧）を測定し、この圧力が所定範囲となるように前記第１反応帯域１内のガス直進速度の制御（バーナ１１の噴出燃料の燃焼速度制御）を行うようにしてもよい。
【００４１】
本発明で用いるオイル導入スプレーは、圧力噴霧式スプレー、或いは噴霧媒体を用いる２流体スプレー等、いずれの型式でも用いることが出来るが、噴霧液滴径は微細であることが好ましく、噴霧角度は炉内高温ガス流の旋回度に応じてノズル先端の噴出口からのオイル噴出方向と外軸心線との交叉角度が、５〜９０°の範囲であることが望ましい。
【００４２】
ノズルに対して供給されるカーボンブラック製造用原料（オイル）としては、一般にベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、アントラセン等の芳香族炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油等の石炭系炭化水素、エチレンボトム油、ＦＣＣオイル等の石油系重質油、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタンやヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等が好適に使用される。
【００４３】
ノズル２５の先端と絞り部２８の入り口端との距離Ｐは図１，２のカーボンブラック製造装置の場合、０〜３００ｍｍ特に０〜１００ｍｍ程度が好ましく、図３のカーボンブラック製造装置の場合、０〜１０００ｍｍ特に０〜３００ｍｍ程度が好ましい。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例について説明する。図１，２に示すカーボンブラック製造装置を用い、そのバーナとして図６（ａ），（ｃ）のバーナ６１又は６３を用いカーボンブラックを製造した。なお、ノズル２５の先端の絞り部２８からの距離Ｐは２５ｍｍである。ノズル２５の先端部付近の負圧（静圧）を該ノズル２５に付設した負圧伝達孔を介して測定した。この負圧値を「旋回中心部の負圧」として表２に示した。
【００４５】
製造装置の主用諸元は次の通りである。
【００４６】
【表１】

【００４７】
また、各ノズルチップからのオイル噴出方向とノズル中心線との挟角は１５°とした。
【００４８】
オイルとしてクレオソート油を用い、バーナ燃料として天然ガスを３３３Ｎｍ^３／Ｈｒにて供給し、表２に示す条件でカーボンブラックを製造した。
【００４９】
なお、１次及び２次空気は、熱交換器により４００℃に高められている。１次及び２次空気の合計量は４５００Ｎｍ^３／Ｈｒであり、１次空気量は全空気量の２５％とした。
【００５０】
表２中の製品品質の測定方法は次の通りである。
ヨウ素吸着量：ＪＩＳＫ６２２１に準拠して測定した。
ＤＢＰ吸収量：ＪＩＳＫ６２２１に準拠して測定した。
グリット　　：ＪＩＳＫ６２２１に準拠して測定した。
樹脂黒度：ＰＶＣ樹脂３０ｇを１２５℃に加熱した２本ロールミルにてスリット幅０．３ｍｍで２分間素練りし、試料を０．３ｇ投入後７分間混練して、シート化する。これを同様の方法で「Ｎｅｏ　Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｍａｒｋ　ＩＩ」及び三菱化学（株）製「＃４５」及び「チャンネル＃６００」のＰＶＣ黒色シートの黒度をそれぞれ３０点、１０点、２０点と基準値を定め、試料の黒度を視感判定した結果を黒度指数とする。
【００５１】
【表２】

【００５２】
表２の実施例１と比較例１との対比及び実施例２と比較例２との対比から明らかな通り、同一の製造炉であっても、燃焼バーナの噴出パターンを適切に選択することにより、グリットを抑制したカーボンブラックを製造することが出来、また樹脂黒度の高いカーボンブラックを製造することが出来る。従って、幅広い品質制御が可能になることで目的に応じた品質のカーボンブラックを生産することが出来る。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によると、グリットが少なく、また樹脂黒度を高くするカーボンブラックを生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オイルファーネス法によるカーボンブラック製造装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】カーボンブラック製造装置の別例を示す断面図である。
【図４】バーナの断面図である。
【図５】バーナ先端部の斜視図である。
【図６】別のバーナ先端面を示す正面図である。
【符号の説明】
１　第１反応帯域
２　第２反応帯域
３　第３反応帯域
１１　バーナ
２５Ａ，２５Ｂ　ノズル
２８　絞り部
４０　バーナ
４１　第１噴出口
４２　第２噴出口
６１，６２，６３　バーナ
６１ａ，６２ａ，６３ａ　噴出口

Claims

バーナから噴出する燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、
該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、
該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、
該第２反応帯域内にカーボンブラック原料を噴霧するノズルと、
を有するカーボンブラックの製造装置において、
該第１反応帯域における燃料の燃焼速度を制御する手段を備えたことを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
請求項１において、前記制御手段は前記バーナからの燃料の噴出速度を制御する手段であることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
請求項１において、前記制御手段は、前記バーナからの燃料の噴出パターンを変更する手段であることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
請求項１において、前記燃料は液体燃料であり、
前記制御手段は、前記バーナから噴出する燃料の液滴径を制御する手段であることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のカーボンブラックの製造装置によってカーボンブラックを製造するカーボンブラックの製造方法。