JP2019055365A

JP2019055365A - 噴霧熱分解装置

Info

Publication number: JP2019055365A
Application number: JP2017181385A
Authority: JP
Inventors: 広樹山崎; Hiroki Yamazaki; 雄一館山; Yuichi Tateyama; 松井　克己; Katsumi Matsui; 克己松井; 三崎　紀彦; Norihiko Misaki; 紀彦三崎; 増田　賢太; Kenta Masuda; 賢太増田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-04-11

Abstract

【課題】反応炉内で熱分解反応を行なわせる噴霧熱分解装置において、反応管下部への堆積物の発生が十分に防止された装置の提供。【解決手段】液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧装置と、加熱反応ゾーン及び冷却反応ゾーンからなる反応装置と、粉体捕集装置とを有する噴霧熱分解装置であって、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に粉体進行方向と直交する方向の全周に渡って両ゾーンを分離する空気導入用クリアランスを設けたことを特徴とする噴霧熱分解装置。【選択図】図１

Description

本発明は、噴霧熱分解装置に関する。

噴霧熱分解装置は、基本的に液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧装置と、噴霧された液滴を乾燥、熱分解する加熱反応ゾーンと、熱分解により生じた粒子を捕集する捕集装置とからなる（例えば、特許文献１）。このような噴霧熱分解装置において、反応炉内の温度を７００〜１５００℃のような高温に設定した場合に、得られる粒子が軟化温度・融点近くまで熱せられるケースがある。融点近くまで加熱された微粒子は、軟化しているため反応管や配管の内部で付着しやすく、管内に堆積物を発生させ、安定運転の妨げとなる。具体的には、反応管を通過した後、反応管下部と、捕集装置を繋ぐ配管との間にあるテーパー部に軟化している粒子が衝突し、堆積物および管閉塞が発生する課題がある。

噴霧乾燥装置において、得られる粒子の堆積を防止するため、ホットゾーンの周囲に冷ガスを導入して冷風ゾーンを形成する方法（特許文献２）、出口に近い部分に圧縮ガスを噴流するように噴射する方法（特許文献３）、円錐部の内面に沿って下向き又は斜め下向きへ気流を導入する方法（特許文献４）が報告されている。

特開２０１５−２２９６２２号公報特開昭６３−２６７４０１号公報特表平７−５０６５３０号公報特開２００２−４５６７５号公報

しかしながら、装置内で熱分解反応を行なわせる噴霧熱分解装置においては、特許文献２〜４のような噴霧乾燥反応装置に比べて反応炉内の温度が高い、例えば反応炉の出口部分の炉内温度は７００〜１０００℃となる。このため、特許文献２〜４などのように冷却ガスを導入しても、炉内温度が高いため、粒子を含有する高熱ガスの中心部の冷却性が低く、粒子が配管等に融着するのを十分に防ぐことができない。また、内壁や円錐部に冷却ガスを沿わせるように導入する場合、冷却ガスにより粒子を冷却する部分が長い大型の装置でないと十分な冷却効果が得られにくい。
従って、本発明の課題は、反応炉内で熱分解反応を行なわせる噴霧熱分解装置において、反応管下部への堆積物の発生が十分に防止された装置を提供することにある。

そこで本発明者は、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に両者の外周全体に渡って明確に分離する空気導入用クリアランスを設ければ、反応装置から粉体装置への引圧により、大量の空気が冷却反応ゾーンに導入され、冷却反応ゾーンの内壁全体に均一に引き込まれるため、粒子の堆積物の発生が防止でき、安定した連続運転が可能になることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の〔１〕及び〔２〕を提供するものである。

〔１〕液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧装置と、加熱反応ゾーン及び冷却反応ゾーンからなる反応装置と、粉体捕集装置とを有する噴霧熱分解装置であって、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に粉体進行方向と直交する方向の全周に渡って両ゾーンを分離する空気導入用クリアランスを設けたことを特徴とする噴霧熱分解装置。
〔２〕前記空気導入用クリアランスの間隔を調整可能な開閉装置を有する〔１〕記載の噴霧熱分解装置。

加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンの間に外周全体に渡ってクリアランスを設けるため、粉体捕集装置の吸引ファンにより、クリアランスより外部から冷却反応ゾーン内に空気（外気）が吸引され、急速な冷却が可能となる。また、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンの間に外周全体に渡ってクリアランスを設けるため、加熱反応ゾーン内壁から冷却反応ゾーン内壁への熱伝達を遮る効果も得ることができる。導入される冷却空気は、反応管の外周全体に渡って、均一に引き込まれるため、空気（外気）と微粒子を含有する高熱ガスが十分に混合されることから、一方向より導入される空気（外気）よりも粒子の融着による堆積物がより発生しにくく、安定した連続運転を行うことができる。また、空気（外気）は大気から導入されるため、冷却ガス導入設備も必要としない。

従来の噴霧熱分解装置の概略図である。本発明の上から噴霧するタイプの噴霧熱分解装置の概略全体像を示す図である。本発明の下から噴霧するタイプの噴霧熱分解装置の概略全体像を示す図である。本発明装置と従来装置の温度変化を示す図である。本発明装置における空気導入クリアランス部分の詳細を示す図である。

本発明の噴霧熱分解装置は、図２及び図３のように、液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧装置と、加熱反応ゾーン及び冷却反応ゾーンからなる反応装置と、粉体捕集装置とを有する噴霧熱分解装置であって、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に粉体進行方向と直交する方向の全周に渡って両ゾーンを分離する空気導入用クリアランスを設けたことを特徴とする。

噴霧装置は、原料液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧ノズルからなる。原料溶液は、通常ポンプを介して噴霧ノズルに供給される。

原料溶液としては、熱分解により得られる酸化物を構成する元素を含有する溶液が挙げられる。ここで、酸化物を構成する元素を含む原料としては、水等の溶媒に溶解する化合物であり、無機塩、金属アルコキシド等が挙げられる。より具体的には、アルミニウム塩、チタン塩、マグネシウム塩、アルミノケイ酸塩、アルミニウムアルコキシドやテトラエトキシシラン、テトラメトキシシランなどのケイ酸アルコキシド等が挙げられる。また、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物を溶媒に分散した溶液、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物のゾル溶液も原料溶液として用いることができる。さらに、溶融温度、耐熱性、粒子強度を調整するために、他の元素の原料を添加することもできる。また、これらの原料化合物から得られる酸化物としては、無機酸化物であり、例えば金属酸化物、アルミナ、シリカ、アルミニウムおよびケイ素からなる酸化物等が挙げられ、より具体的には、アルミナ、シリカ、アルミニウムおよびケイ素からなる酸化物、チタン酸化物、マグネシウム酸化物、ジルコニウム酸化物、バリウム酸化物、セリウム酸化物、イットリウム酸化物等が挙げられ、これら酸化物を組みあわせた複合酸化物も挙げられる。
これらの酸化物を構成する元素の原料を溶解あるいは分散する溶媒としては、水及び有機溶媒が挙げられるが、環境への影響、製造コストの点から水が好ましい。

前記溶液は、超音波式の液滴化装置を使用することができるが、生産性の観点から圧縮空気によって噴霧液滴とするのが好ましい。具体的には、２流体ノズルや４流体ノズルで噴霧するのが、粒子径の調整、生産性の点で好ましい。ここで２流体ノズルの方式には、空気と前記溶液とをノズル内部で混合する内部混合方式と、ノズル外部で空気と前記溶液を混合する外部混合方式があるが、いずれも採用できる。また、前記溶液は、超音波振動子で振動させてミストを発生させる方式でミストを発生させてもよい。

噴霧ノズルは、図２のように装置の上部に設置されていてもよく、図３のように装置の下部に設置されていてもよい。噴霧ノズルが下部に設置されている場合には、加熱方式は図３のようにバーナーであるのが好ましい。

加熱反応ゾーンは、噴霧された液滴を加熱分解するゾーンであり、通常６００〜１５００℃に加熱される反応炉である。当該加熱反応ゾーンは、目的とする粒子が中空粒子である場合には、乾燥ゾーン及び熱分解ゾーンを有するのが好ましい。

本発明の装置の乾燥ゾーンは、前記溶液の噴霧液滴から溶媒を除去する乾燥ゾーンであり、ここでは、噴霧液滴粒子から溶媒が蒸発し、液滴粒子表面に無機塩等が析出し、粒子内部に空隙が形成される。この乾燥ゾーンの温度は、用いる原料溶液の噴霧液滴から、溶媒が蒸発する温度であればよいが、乾燥ゾーン内で無機塩等が析出する必要性から、室温〜６００℃の範囲内であって０．１秒から１分程度で当該蒸発及び析出が生じる温度であるのが好ましい。より好ましくは１００℃〜６００℃であり、さらに好ましくは１５０℃〜５００℃であり、さらに好ましくは１５０〜４００℃である。

熱分解ゾーンは、乾燥された液滴および粒子を熱分解して酸化物中空粒子を形成するゾーンであり、ここでは、液滴および粒子の無機塩が、熱分解および酸化されて酸化物中空粒子が生成する。この熱分解ゾーンの温度は、熱分解および酸化反応が進行する温度であればよいが、熱分解ゾーン内で熱分解反応が終了する必要性から、１５０℃〜１０００℃が好ましい。また０．１秒〜１分程度で当該酸化反応が終了する温度が好ましく、具体的には、４００℃〜９００℃が好ましく、５００℃〜９００℃がより好ましい。

本発明の装置においては、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に、粉体進行方向と直交する方向の全周に渡って両ゾーンを分離する空気導入用クリアランスを設ける（図２、図３、図５）。この空気導入用クリアランスは、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとを全周に渡って分離するように設置される（図５参照）。図５において、加熱反応ゾーン（上部）と冷却反応ゾーン（下部）とは、調節ネジによって支えられている。従って、冷却エアは、両ゾーンの間隔、すなわち空気導入用クリアランス全周から、冷却エアが導入される。導入された冷却エアは、粉体捕集装置（回収装置）に設置されたファンにより、回収装置側に向かって進行するため、図４の実施例の装置のように進行する。一方、従来の装置のように、空気導入用クリアランスのない装置では、図４の比較例のように高温の流れが進行する。
従って、本発明の装置では、図４のように、高温の粉体が冷却空気で冷却されるとともに、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンが分離していることにより反応管の熱伝導も遮断されるため粉体の冷却が効果的に進行し、冷却反応ゾーンのテーパー部への堆積物の発生が防止される。また、冷却空気の流れは、冷却反応ゾーンから回収装置方向へ均一に進行するため、乱流がなく、粉体同士の付着も防止される。一方、従来の装置では、冷却反応ゾーンのテーパー部への粉体の堆積が発生する。

空気導入用クリアランスは、図５のように、その間隔を調整可能な開閉装置であるのが好ましい。間隔は、例えば調節ネジにより可能である。

加熱反応ゾーンの温度は６００〜１５００℃程度であるが、空気導入用クリアランスの設置により、冷却反応ゾーンの温度を４００℃以上低下させるのが好ましく、５００℃以上低下させるのがより好ましく、具体的には１５０〜６００℃、より好ましくは１５０〜５００℃、さらに好ましくは１５０〜４００℃とすることができる。このような温度低下が生じるように、冷却エア（空気）導入量を計算し、冷却エア（空気）導入用クリアランス幅を計算して調整することができる。冷却エア（空気）導入量は、ボイルシャルルの法則を利用して求めることができ、冷却エア（空気）導入用クリアランスの幅はベルヌーイ則を利用して求めることができる。

例えば、冷却反応エア導入量（体積）Ｖ_bは、次式で求めることができる。

反応管内ガスA
・温度T_a[K]
・体積V_a[m³/ｈ]
冷却エアB
・温度T_b[K]
・体積V_b[m³/h]
混合後のガスC
・温度T_c[K]
・体積T_c=V_a+V_b[m³/h]

また、冷却エア導入クリアランス幅（Ｚ）は次式で求めることができる。

式中の記号は次のとおりである。
・冷却エア導入クリアランス幅x[m]
・反応管直径y[m]
・冷却エア導入口面積Z[m²]
・冷却エア導入量V_b[m³/h]
・反応管内圧力P₁[Pa]
・冷却エア静圧P₂[Pa]
・冷却エア流量係数f（=0.5）
・反応管内ガス実密度ρ（=0.3）[kg/m³]

冷却反応ゾーンは、図２〜図４のように、反応管にテーパーを設けるのが好ましい。

粉体捕集装置（回収装置）は、バグフィルターを用いた粉体回収装置を用いることができる。バグフィルターの前段に、バグフィルターの負荷低減、粗粒や異物の分離除去をするために、サイクロンを配置しても良く、また、熱交換器等を配置すると余熱利用や排ガス量を低減することができるため好ましい。
また、バグフィルターの後段に、必要に応じて、スクラバーなどの除塵、浄化設備を配置しても良い。
また、粒子の回収にあたっては、フィルターを通過させることにより、粒子径の調整を行なうことができる。

次に実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

実施例１〜３（図２）及び比較例１（図１）
加熱反応ゾーン（管長：２６００ｍｍ、管内径：２０５ｍｍ）と冷却反応ゾーン（管長：３００ｍｍ、管内径：２０５ｍｍ）の間にクリアランス開閉機構を設けた。次いで蒸留水１リットルに硝酸アルミニウムを０．０４ｍｏｌ、オルトケイ酸テトラエチルを０．１６ｍｏｌ溶解したアルミニウム及びケイ素の混合水溶液を溶液タンクに投入した。投入された水溶液は送液ポンプにより、２流体ノズルを介してミスト状に噴霧され、乾燥ゾーン（約４００℃）、次いで熱分解ゾーン（１０００℃）を通過させた。その後バグフィルターを用いて粒子を回収した。
８時間後、冷却反応ゾーン下部のテーパー部に発生した粒子溶融物による堆積物発生の有無を確認した。
上記における、冷却空気導入部のクリアランスの有無および開度、テーパー部の温度、テーパー部堆積量を表１に示す。

Claims

液滴を加熱反応ゾーンに噴霧する噴霧装置と、加熱反応ゾーン及び冷却反応ゾーンからなる反応装置と、粉体捕集装置とを有する噴霧熱分解装置であって、加熱反応ゾーンと冷却反応ゾーンとの間に粉体進行方向と直交する方向の全周に渡って両ゾーンを分離する空気導入用クリアランスを設けたことを特徴とする噴霧熱分解装置。
前記空気導入用クリアランスの間隔を調整可能な開閉装置を有する請求項１記載の噴霧熱分解装置。