JP5367471B2 - 無機質球状化粒子製造用バーナ及び無機質球状化粒子製造装置、並びに無機質球状化粒子の製造方法 - Google Patents
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なお、本明細書においては、無機質球状化粒子を単に球状化粒子と記すことがある。
原料粉体の球状化には、高温の火炎が必要であることから、通常は、酸素・ガス燃焼方式のバーナが用いられている。
これらのバーナには、予混合型バーナと、拡散型バーナとがある。予混合型とは酸素と燃料ガスとを予め混合させて燃焼場に噴出させるものであり、拡散型とは酸素と燃料ガスとを別々に噴出し、燃焼場で混合させるものである。
特許文献1での拡散型バーナは、同心円状の二重管であって、その内管と外管との間に多数の小管を設けてある。このバーナを竪型炉に設置し、珪素質原料をバーナの中心管(内管)から自然流化または加圧流下させ、小管からの燃料ガスと外管からの酸素ガスとで形成した火炎中に原料粉体を投入し、溶融シリカ球状体を製造するものである。
特許文献3、4に記載の拡散型バーナは、同心の四重管構造であり、中心から酸素ガス又は酸素富化ガスをキャリアガスとして原料粉体を燃焼室に供給し、その外周から燃料ガスを、更にその外周から1次酸素と2次酸素を供給するように形成され、最外周には、バーナを冷却する冷却水通路が設けられている。
また、特許文献3、4には、このような拡散型バーナを用いて無機質球状化粒子を製造する装置が開示されている。
竪型炉E内の火炎中で球状化された粒子を含む排ガスは、経路Fから竪型炉Eの底部に導入された空気により冷却され、後段のサイクロンG、バグフィルターHで球状化粒子が捕集される。
一方、特許文献1に記載された拡散型バーナにおいては、逆火の心配は無いが、火炎中での原料粉体の滞留時間が短いため、単位流量当たりの原料粉体投入量を多くすると、十分に球状化することが出来ない不都合があった。また、滞留時間を確保するために単に流速を下げた場合は、燃料と酸素との混合が不十分になり、この結果、火炎の温度低下や、原料粉体の分散状態が不均一になるなどの不具合を招いてしまう。
特許文献3、4に記載された構造の拡散型バーナにおいては、燃焼室が設けられ、特許文献1に記載のバーナに比べ、製造した無機質球状化粒子の凝集状態に改善がみられる。
また、火炎中で処理された後の球状粒子の平均粒度が、原料粉体の平均粒度より大きくなる傾向が見られた。
したがって、特許文献3、4に記載されたバーナは、酸素燃焼による高温の火炎が形成されるため、効率良く原料粒子を処理出来るといった利点があるが、燃焼ガス量が少ないために火炎中での原料粒子の分散が不十分となり、溶融・球状化された粒子同士が火炎中で融着して粗大化するといった課題があった。すなわち、平均粒度が、より小さい球状化粒子を得るためには、特許文献3、4に記載されたバーナでは不充分であることがわかった。
キャリアガスに同伴された原料粉体を供給する原料供給路と、
前記原料供給路の外周に設けられて燃料ガスを供給する燃料供給路と、
前記燃料供給路の外周に設けられて酸素含有ガスを供給する第一酸素供給路と、
前記第一酸素供給路の外周に設けられて酸素含有ガスを供給する第二酸素供給路と、
前記第二酸素供給路の外周に設けられて混合用ガスを供給する第一気体供給路と、
前記第一気体供給路の外周に設けられて混合用ガスを供給する第二気体供給路と、
前記原料供給路の先端に多数の小孔が形成された粉体分散板を介して接続された原料分散室と、
前記原料分散室に接続され出口側が拡径した燃焼室と、
前記燃焼室の出口側に接続された気体混合室と、を備え、
前記燃焼室の円錐状壁面に、前記燃料供給路、前記第一酸素供給路、前記第二酸素供給路の先端がそれぞれ開口しており、
前記燃料供給路の開口部が、前記燃焼室の壁面からバーナ中心軸に対して並行に燃料を噴出する燃料ガス噴出孔であり、
前記第一酸素供給路の開口部が、燃焼室の壁面から燃焼室内に旋回流を形成する方向に酸素含有ガスを噴出する第一酸素噴出孔であり、
前記第二酸素供給路の開口部が、前記第一酸素噴出孔よりバーナ先端側に開口する第二酸素噴出孔であるとともに、
前記気体混合室の壁面に、前記第一及び第二気体供給路の先端がそれぞれ開口しており、
前記第一気体供給路の開口部が、空気混合室の壁面から空気混合室内に旋回流を形成する方向に混合用ガスを噴出する第一気体噴出孔であり
前記第二気体供給路の開口部が、前記第一気体噴出孔よりバーナ先端側に開口するとともに、空気混合室の壁面から空気混合室内に旋回流を形成する方向に混合用ガスを噴出する第二気体噴出孔であることを特徴とする無機質球状化粒子製造用バーナである。
前記球状化炉の下流に無機質球状化粒子を捕集するサイクロンおよびバグフィルターと、を備えることを特徴とする無機質球状化粒子製造装置である。
請求項5に係る発明は、請求項3又は4に記載の無機質球状化粒子製造装置において、サイクロンを経由してバグフィルターに接続する経路と、サイクロンを経由せずバグフィルターに接続する経路を有し、且つそれぞれの経路が切り替え可能となっていることを特徴とする。
サイクロンにて粗粒子を捕集するとともに、バグフィルターにて微粒子を捕集することを特徴とする無機質球状化粒子の製造方法である。
また、気体混合室には、第一及び第二気体噴出孔が設けられており、これらの第一及び第二気体噴出孔から噴出される気体は、それぞれ独立に流量を制御する事が可能であるため、球状化粒子の製造おいて最適な燃焼状態を容易に調整することができる。
したがって、要求に応じた粒径あるいは粒度分布を有する球状化粒子を製造することができる。
これらの図において、符号1は原料供給管を示し、その内部は原料粉体とキャリアガスとの混合物が供給される原料供給路1Aとなっている。
キャリアガスとしては酸素、酸素富化空気、空気などの酸素含有ガスが用いられる。
原料粉体としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ガラスなどの無機質粉末であって、その粒子形態が角を有する非球形の粒子であるものが用いられる。
第一酸素供給路5Aの出口端は複数の第一酸素噴出孔5B、5B・・となっており、これら第一酸素噴出孔5B、5B・・の出口はバーナ中心軸に向いて開口しており、バーナ中心軸に対して直角方向に酸素を噴射し、後述する燃焼室9B内で旋回流を形成するように構成されている。
これら複数の第一酸素噴出孔5B、5B・・は、円周上に等間隔に形成されており、かつ前記複数の燃料噴出孔4B、4B・・と円周上異なる位置であって2つの燃料噴出孔4B、4Bの中間に配されている。
第一気体供給路7Aの出口端は複数の第一気体噴出孔7B、7B・・となっており、これら第一気体噴出孔7B、7B・・の出口はバーナ中心軸に向いて開口しており、バーナ中心軸に対して直角方向に上記混合用ガスを噴射し、後述する気体混合室9Aで旋回流を形成するように構成されている。
第二気体供給路8Aの出口端は複数の第二気体噴出孔8B、8B・・が形成されている。また、この第二気体噴出孔8B、8B・・は、円周上に等間隔に形成されている。さらに、これら第二気体噴出孔8B、8B・・は、バーナ中心軸に向いて開口しており、バーナ中心軸に対して直角方向に上記混合用ガスを噴射し、後述する気体混合室9Aで旋回流を形成するように構成されている。
さらに、前記第二気体噴出孔8Bは、第一気体噴出孔7Bよりバーナの先端側に開口している。
また、燃焼室9Bの傾斜した壁の部分は、第二酸素供給管6の先端部に設けられた円筒部分の内側の部分と第一酸素供給管5の先端部分を斜めに形成することで構成され、燃焼室9Bの底部は円筒状の原料分散室9Cに続いている。原料分散室9Cは、原料供給管1の出口端部が粉体分散板2よりもバーナの先端方向に向けて薄肉となって円筒状に延びることによって形成されている。
また、前記第二酸素噴出孔6Bは第一酸素噴出孔5Bよりバーナの先端側に開口している。
また、気体混合室9Aには、第一及び第二気体噴出孔7B,8Bが設けられており、これらの第一及び第二気体噴出孔7B,8Bから噴出される気体は、それぞれ独立に流量を制御する事が可能であるため、球状化粒子の製造おいて最適な燃焼状態を容易に調整することができる。
球状化炉11の底部付近には空気導入口13が形成されており、ここから冷却用空気を内部に導入し、排出される燃焼ガスの温度を下げることができるようになっている。
ダクト15は、そのダンパー16の上流側において、ダクト18に接続されて分岐され、このダクト18はバグフィルター19の入口に接続されている。
また、サイクロン17の出口にはダクト21が接続され、このダクト21はダンパー22を介してバグフィルター19の入口に接続されている。
原料フィーダー23には、図示しない制御装置からの原料粉体供給量制御信号に応じて、所定量の原料粉体を送り出す送出機構が備えられている。
キャリアガスには、酸素、酸素富化空気、空気などの酸素含有ガスが用いられる。
キャリアガス供給源24にも、図示しない制御装置からのキャリアガス供給量制御信号に応じて、所定量のキャリアガスを原料フィーダー23に送り出す流量調整弁が備えられている。
燃料ガス供給源26には、図示しない制御装置からの燃料ガス供給量制御信号に応じて、所定量の燃料ガスを送り出す送出機構が備えられている。
第一酸素供給源27には、図示しない制御装置からの第一酸素供給量制御信号に応じて、所定量の酸素含有ガスを送り出す送出機構が備えられている。
第二酸素供給源28にも、図示しない制御装置からの第二酸素供給量制御信号に応じて、所定量の酸素含有ガスを送り出す送出機構が備えられている。
なお、第一酸素供給源27と第二酸素供給源28とを一体化し、これに二基の送出機構を設け、それぞれの送出機構から第一酸素供給パイプと第二酸素供給パイプとに別々に酸素含有ガスを送り出し、バーナ12の第一酸素供給路5Aと第二酸素供給路6Aとにそれぞれ所定量の酸素含有ガスを供給するようにしてもよい。
第一気体供給源29には、図示しない制御装置からの第一気体供給量制御信号に応じて、所定量の混合用ガスを送り出す送出機構が備えられている。
第二気体供給源30にも、図示しない制御装置からの第二気体供給量制御信号に応じて、所定量の混合用ガスを送り出す送出機構が備えられている。
なお、第一気体供給源29と第二気体供給源30とを一体化し、これに二基の送出機構を設け、それぞれの送出機構から第一気体供給パイプと第二気体供給パイプとに別々に混合用ガスを送り出し、バーナ12の第一気体供給路7Aと第二気体供給路8Aとにそれぞれ所定量の混合用ガスを供給するようにしてもよい。
原料フィーダー23から、例えば粒径10μm以上の粗粒の原料粉体をバーナ12の原料供給路1Aにおくり、原料噴出孔3から原料分散室9Cを介して燃焼室9Bに向けて噴出する。
バーナ12の燃料供給路4Aに所定量の燃料ガスを燃料ガス供給源26から送り込み、燃料ガス噴出孔4Bを経て燃焼室9Bに向けて噴出する。
また、第一及び第二気体噴出孔7B,8Bからの混合気体の流量を調整して気体混合室9Aに吹き込むことにより、火炎温度を調整可能となる。
さらに、燃焼ガスの体積を増加させることができるため、火炎中での粒子の滞留時間が増加する。
以上の操作により、得られる球状化粒子の平均粒度を制御するとともに、原料粉体の粒度にほぼ一致した粒度の球状化粒子を効率よく得ることができる。
図3に示す無機質球状化粒子製造装置を用いて球状化粒子を製造した。
原料粉体として全量でシリカ粉末(平均粒度:30μ)20kg/hを7.5Nm3/hの酸素からなるキャリアガスで搬送した。燃料ガスとしてLPG5Nm3/hを供給した。酸素含有ガスとして全量で酸素20Nm3/hをバーナ12に二分して導入した。混合用ガスとして全量で空気100Nm3/hを、バーナ12に二分して導入して球状化粒子を製造し、得られる球状化粒子のガラス化率と平均粒度を求めた。
球状化粒子は、サイクロン17ならびにバグフィルター19でそれぞれ回収した。
表1に処理結果を示す。
特に、例3に示すように、第一気体噴出孔7Bと第二気体噴出孔8Bとに供給する空気の割合を調整して最適化することにより、高いガラス化率と原料粉体に近い平均粒度とを備えた球状化粒子を製造することができる。
1A・・・原料供給路
2・・・粉体分散板
3・・・原料噴出孔
4・・・燃料供給管
4A・・・燃料供給炉
4B・・・燃料ガス噴出孔
5・・・第一酸素供給管
5A・・・第一酸素供給路
5B・・・第一酸素噴出孔
6・・・第二酸素供給管
6A・・・第二酸素供給路
6B・・・第二酸素噴出孔
7・・・第一気体供給管
7A・・・第一気体供給路
7B・・・第一気体噴出孔
8・・・第二気体供給管
8A・・・第二気体供給路
8B・・・第二気体噴出孔
9A・・・気体混合室
9B・・・燃焼室
9C・・・分散室
11・・・球状化炉
12・・・バーナ
17・・・サイクロン
19・・・バグフィルター
23・・・原料フィーダー
24・・・キャリアガス供給源
26・・・燃料供給源
27・・・第一酸素供給源
28・・・第二酸素供給源。
29・・・第一気体供給源
30・・・第二気体供給源
Claims (7)
- 無機質球状化粒子製造用バーナであって、
キャリアガスに同伴された原料粉体を供給する原料供給路と、
前記原料供給路の外周に設けられて燃料ガスを供給する燃料供給路と、
前記燃料供給路の外周に設けられて酸素含有ガスを供給する第一酸素供給路と、
前記第一酸素供給路の外周に設けられて酸素含有ガスを供給する第二酸素供給路と、
前記第二酸素供給路の外周に設けられて混合用ガスを供給する第一気体供給路と、
前記第一気体供給路の外周に設けられて混合用ガスを供給する第二気体供給路と、
前記原料供給路の先端に多数の小孔が形成された粉体分散板を介して接続された原料分散室と、
前記原料分散室に接続され出口側が拡径した燃焼室と、
前記燃焼室の出口側に接続された気体混合室と、を備え、
前記燃焼室の円錐状壁面に、前記燃料供給路、前記第一酸素供給路、前記第二酸素供給路の先端がそれぞれ開口しており、
前記燃料供給路の開口部が、前記燃焼室の壁面からバーナ中心軸に対して並行に燃料を噴出する燃料ガス噴出孔であり、
前記第一酸素供給路の開口部が、燃焼室の壁面から燃焼室内に旋回流を形成する方向に酸素含有ガスを噴出する第一酸素噴出孔であり、
前記第二酸素供給路の開口部が、前記第一酸素噴出孔よりバーナ先端側に開口する第二酸素噴出孔であるとともに、
前記気体混合室の壁面に、前記第一及び第二気体供給路の先端がそれぞれ開口しており、
前記第一気体供給路の開口部が、空気混合室の壁面から空気混合室内に旋回流を形成する方向に混合用ガスを噴出する第一気体噴出孔であり
前記第二気体供給路の開口部が、前記第一気体噴出孔よりバーナ先端側に開口するとともに、空気混合室の壁面から空気混合室内に旋回流を形成する方向に混合用ガスを噴出する第二気体噴出孔であることを特徴とする無機質球状化粒子製造用バーナ。 - 前記混合用気体が、酸素、酸素富化空気、空気などの酸素含有ガス、及び窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスのいずれか又は一以上の混合物であることを特徴とする請求項1記載の無機質球状化粒子製造装置。
- 請求項1又は2に記載のバーナを炉頂部に垂直下向きに備えた竪型の球状化炉と、
前記球状化炉の下流に無機質球状化粒子を捕集するサイクロンおよびバグフィルターと、を備えることを特徴とする無機質球状化粒子製造装置。 - 前記バーナの第一気体供給路と第二気体供給路とに供給する混合用気体を、それぞれ独立して制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項3記載の無機質球状化粒子製造装置。
- サイクロンを経由してバグフィルターに接続する経路と、サイクロンを経由せずバグフィルターに接続する経路を有し、且つそれぞれの経路が切り替え可能となっていることを特徴とする請求項3又は4に記載の無機質球状化粒子製造装置。
- 請求項3乃至5のいずれか一項に記載の無機質球状化粒子製造装置において、
サイクロンにて粗粒子を捕集するとともに、バグフィルターにて微粒子を捕集することを特徴とする無機質球状化粒子の製造方法。 - 前記バグフィルターが粒子を一括捕集することを特徴とする請求項6に記載の無機質球状化粒子の製造方法。
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