JP5750286B2 - 無機質球状化粒子の製造方法、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 - Google Patents

Description

本発明は、無機質球状化粒子の製造方法、それに用いる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に関する。

無機酸化物の球状粒子を製造する方法として各種方法が知られているが、生産性や経済性の面から工業的には火炎法が広く採用されている。この火炎法は、燃料と支燃性ガス（助燃ガス）とをバーナから噴出させて形成した火炎中に原料粉末を投入し、火炎の高温雰囲気内で原料粉末を溶融乃至半溶融させて表面張力により粉末表面を球状化させることで球状粒子を得ている（例えば、特許文献１，２参照。）。

しかしながら、メタンやプロパンを主成分とするガス燃料の燃焼反応により形成される火炎の高温雰囲気内で溶融処理を行う火炎法では、火炎温度以上の融点をもつ材料の溶融は不可能であり、溶融可能な材料に制限があった。例えば、プロパン−酸素系において、化学量論比を満たし、各化学種が完全に混合され、完全に反応した状態の理論最高温度−断熱平衡火炎温度は３０９５Ｋであるから、３０９５Ｋを超える融点を有する材料の溶融処理は理論的に不可能である。

また、融点が３０９５Ｋ以下の材料でも、融点が３０９５Ｋに近づくにしたがい、単位燃料流量当たりの理論溶融処理量［ｋｇ／Ｎｍ^３・ｆｕｅｌ］が減少する事が知られている。
そこで、火炎法を用いた球状粒子の製造方法においては、高圧雰囲気中で火炎を形成することで、理論最高温度以上の火炎温度を形成し、原料粉末を処理する方法も行われている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３に記載された球状粒子の製造方法では、球状粒子製造用バーナに搬送された原料粉末は高圧燃焼チャンバー内の高圧雰囲気中で形成された火炎中に投入され、高温の火炎中で溶融乃至半溶融することによって球状化する。球状化した粒子は高圧用のサイクロン及びキャンドルフィルターで捕捉され、製品球状粒子として回収される。球状粒子を製造して分離回収するまでの系内の圧力は排気弁の開度を制御することによって予め設定された高圧雰囲気に調節される。系内を高圧雰囲気に保つことで火炎の温度を上昇させることができるので、大気圧雰囲気では不可能だった高融点材料の球状化を行うことができる。

図８は、特許文献３に記載された無機質球状化粒子製造用バーナのノズル部を拡大した断面図であり、図９はその先端側から眺めた平面図である。
この高圧燃焼球状粒子製造用バーナのノズル部１００は、キャリアガスに搬送された原料粉末を供給する原料粉末供給路１０１と、原料粉末供給路１０１の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる燃料ガス供給路１０２と、燃料ガス供給路１０２の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる旋回酸素供給路１０３と、旋回酸素供給路１０３の外側の円周上に配置された複数の供給路からなる直進酸素供給路１０４と、直進酸素供給路１０４の外側の円周上に配置された冷却水通路１０５ａ，１０５ｂと、先端側に拡径した燃焼室１０６とを備えている。
また、原料粉末供給路１０１の先端には燃焼室１０６の底部１０８に形成された複数の噴出口からなる原料粉末噴出口１０７、燃料ガス供給路１０２の各供給路の先端には燃料ガス噴出口１０９、旋回酸素供給路１０３の各供給路の先端には旋回酸素噴出口１１０、直進酸素供給路１０４の各供給路の先端には直進酸素噴出口１１１が形成されている。

この高圧燃焼球状粒子製造用バーナでは、上記の圧力の調整による火炎温度の高温化によって高融点材料の球状化を図る他に、直進酸素噴出口１１１から噴出される直進酸素と旋回酸素噴出口１１０から噴出される旋回酸素の流量割合と流速割合とを調節することにより、火炎の形状と火炎の温度分布とを調整することによって高融点材料の球状化を図ることが開示されている。

特開２００５−２８８３９９号公報 特開２００７−１５８８４号公報 特開２０１０−５８０５９号公報

上記のように、高圧雰囲気中で火炎を形成することにより、理論最高温度以上の火炎を形成することが可能となるが、高圧雰囲気場においては、圧力の上昇とともに火炎の長さ（火炎長）が短くなってしまい、原料粉体を球状化するための火炎内滞留時間が確保できないという問題があった。

火炎中において原料粉体を効率よく球状化するためには、粒径や融点といった物理的性質に適した温度履歴を原料粉体に与える必要がある。例えば、平均粒径の大きい原料粉体を処理する場合には、粉体粒子に十分な熱量を与えるため、火炎中に長時間滞留させる必要がある。

一方、平均粒径の小さい粉体を処理する場合には、粉体粒子が長時間火炎中に滞在すると、火炎中で粒子同士が衝突し、融着することにより原料粉体の粒子と比較して粒径が大きくなってしまうという問題が生じるため、短時間で火炎を通過させる必要がある。

本発明は、上記事情を鑑みて為されたものであり、高圧雰囲気中でバーナによって形成された火炎中で高融点物質を球状化する際に、原料粉体の融点に応じて圧力を調整しつつ、火炎長を適切に保つことができる無機質球状化粒子の製造方法、それに用いる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を提供するものである。

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討を行なった結果、火炎中における原料粉体の加熱時間は原料粉体の火炎中の滞留時間に依存し、原料粉体の滞留時間は火炎長に依存し、火炎長はその原料粉体を搬送するキャリアガスの噴出孔における噴出速度によって変更できることに着目した。そして、高融点物質を球状化するためには高圧雰囲気する必要があるが、高圧になることで短くなった火炎長をキャリアガスの噴出速度を調整することにより原料粉体を球状化するのに十分な火炎長に回復し、これによって、様々な高融点物質に対して融点以上の火炎温度を実現しつつ、原料粉体の球状化に最適な火炎内滞留時間を確保して、良好な無機質球状化粒子を製造することに想到して本発明を完成させた。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、高圧雰囲気内でバーナによって発生させた火炎にキャリアガスによって原料粉体を投入して無機質球状化粒子を製造する無機質球状化粒子の製造方法であって、前記バーナは、ノズル部と、該ノズル部に挿入された噴出面積変更部材とを備えており、前記原料粉体の融点に応じて前記高圧雰囲気の圧力を調整するとともに、前記キャリアガスの噴出速度を調整することで前記原料粉体の火炎中の滞留時間を調整し、前記キャリアガスの噴出速度の調整を、前記バーナにおいて原料粉体噴出孔と同軸上に配置された前記噴出面積変更部材を移動させることで、前記原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることによって行うことを特徴とする無機質球状化粒子の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無機質球状化粒子の製造方法に使用するバーナであって、ノズル部と、該ノズル部に挿入された噴出面積変更部材とを備えており、キャリアガスによって原料粉体を噴出するための原料粉体噴出孔と前記噴出面積変更部材とが同軸上に設けられ、前記キャリアガスの噴出速度を調整するために前記噴出面積変更部材を移動させることで前記原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることができ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。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の無機質球状化粒子製造用バーナを炉頂部に鉛直下向きに設けられた竪型炉と、該竪型炉内の圧力を調節する圧力調節弁と、下流にサイクロン及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。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法によれば、原料粉末の融点に応じて高圧雰囲気の圧力を調整することで火炎温度を適切に設定するとともに、キャリアガスの噴出速度を調整することによって形成された火炎長に応じた原料粉末の火炎中の滞留時間を調整する構成を採用したので、様々な高融点物質に対して融点以上の火炎温度を実現しつつ、原料粉体の球状化に最適な火炎内滞留時間を確保して、良好な無機質球状化粒子を製造することができる。また、原料粉体の物性に応じて圧力を調整しつつ、火炎長を適切に保つことができるため、バーナやノズルを交換することなく、球状化粒子を効率よく得ることができる。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法によれば、圧力の調整を行った後にて得られた火炎長に対して、原料粉末の火炎中の滞留時間を適切に保つようにキャリアガスの噴出速度を調整する構成を採用することにより、高圧雰囲気場においてその圧力を変化させた際に、圧力上昇によって火炎が短くなった場合でも、また、圧力降下によって火炎が長くなった場合でも、キャリアガスの噴出速度を調整することで火炎中における原料粉体の滞留時間を適切に管理して良好な無機質球状化粒子を製造することが可能となる。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法によれば、キャリアガスの噴出速度の調整を、バーナにおいて原料粉体噴出孔と同軸上に配置された噴出面積変更部材を移動させることで、原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることによって行う構成を採用することにより、噴出面積を大きくした場合にはキャリアガスの噴出速度が遅くなって火炎中における原料粉体の滞留時間を長くすることができ、また、噴出面積を小さくした場合にはキャリアガスの噴出速度が速くなって火炎中における原料粉体の滞留時間を短くすることができ、高融点物質の種類に応じて良好な無機質球状化粒子を製造することが可能となる。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法によれば、キャリアガスの噴出速度を変化させることにより高圧雰囲気の圧力を制御する構成を採用することにより、高融点物質の種類に適した火炎温度に調整して良好な無機質球状化粒子を製造することが可能となる。

本発明の無機質球状化粒子製造用バーナによれば、キャリアガスによって原料粉体を噴出するための原料粉体噴出孔と噴出面積変更部材とが同軸上に設けられ、キャリアガスの噴出速度を調整するために噴出面積変更部材を移動させることで原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることができる構成を採用したので、様々な高融点物質に対して融点以上の火炎温度を実現しつつ、原料粉体の球状化に最適な火炎内滞留時間を確保して、良好な無機質球状化粒子を製造することができる。

本発明の無機質球状化粒子製造装置によれば、無機質球状化粒子製造用バーナを炉頂部に鉛直下向きに設けられた竪型炉と、該竪型炉内の圧力を調節する圧力調節弁と、下流にサイクロン及びバグフィルターとを備える構成を採用したので、原料粉体の噴出方向と落下方向と燃料の噴出方向が一致するため、原料粉体と一体化した火炎の火炎長が延伸し、より高融点の物質について良好な無機質球状化粒子を製造することが可能となる。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法を実施可能な無機質球状化粒子製造装置の一例を示す系統図である 図１に示す無機質球状化粒子製造用バーナの概略構成を示す断面図であり、噴出面積変更部材を構成する先端部の先端面をノズル部の先端面に対して面一とした状態を模式的に示す図である。 図２に示す無機質球状化粒子製造用バーナのＡ−Ａ線方向の平面図である。 図１に示す無機質球状化粒子製造用バーナを拡大した断面図であり、ノズル部の先端面から噴出面積変更部材を構成する先端部を突出させた状態を模式的に示す図である。 図４に示す無機質球状化粒子製造用バーナのＡ−Ａ線方向の平面図である。 キャリアガスの噴出速度の調整を行った場合と行わなかった場合の炉内圧力とガラス化率の関係を示すグラフである。 キャリアガスの噴出速度の調整を行った場合と行わなかった場合の炉内圧力とシリカ粉末の処理能力の関係を示すグラフである。 従来の無機質球状化粒子製造用バーナの概略構成を示す断面図である。 図８に示す無機質球状化粒子製造用バーナの平面図である。

以下、本発明について、図を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の無機質球状化粒子の製造方法を実施可能な無機質球状化粒子製造装置の一例を示す系統図である。図１において、無機質球状化粒子製造用バーナ１６の延在方向（バーナ中心軸方向）は、鉛直方向を示している。
図１を参照するに、無機質球状化粒子製造装置１０は、キャリアガス供給源１１と、燃料ガス供給源１２と、支燃性ガス供給源１３と、原料フィーダー１４と、冷却水循環供給源１５と、無機質球状化粒子製造用バーナ１６と、竪型炉１７と、送風ブロア１８と、捕集部１９を構成するサイクロン２１及びバグフィルター２３と、空気導入口２２と、空気供給管２４と、ダクト２５，２６と、圧力調整弁２０と、圧力計Ｐと、噴出速度制御装置Ｍとを有する。

キャリアガス供給源１１は、キャリアガスを原料フィーダー１４に供給可能な状態で原料フィーダー１４と接続されている。キャリアガスとしては、例えば、酸素または酸素富化空気を用いることができる。
燃料ガス供給源１２は、無機質球状化粒子製造用バーナ１６に、燃料ガスを供給可能な状態で、無機質球状化粒子製造用バーナ１６（具体的には、後述するノズル部２８）と接続されている。燃料ガスとしては、例えば、ＬＰＧ(Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ)を用いることができる。
支燃性ガス供給源１３は、無機質球状化粒子製造用バーナ１６に、支燃性ガスを供給可能な状態で、無機質球状化粒子製造用バーナ１６と接続されている。支燃性ガスとしては、例えば、酸素または酸素富化空気を用いることができる。

原料フィーダー１４は、無機質原料粉体Ｘを供給するためのものである。原料フィーダー１４から供給された無機質原料粉体Ｘは、キャリアガス供給源１１から供給されたキャリアガスにより、無機質球状化粒子製造用バーナ１６（具体的には、後述するノズル部２８）に輸送される。
無機質原料粉体Ｘとしては、例えば、シリカ（融点は１７２２℃）、アルミナ（融点は２０５３℃）、ジルコニア（融点は２６８０℃）等を例に挙げることができる。

冷却水循環供給源１５は、無機質球状化粒子製造用バーナ１６の後述する筒状部２９に冷却水を供給、及び筒状部２９から冷却水を回収可能な状態で、筒状部２９と接続されている。つまり、冷却水循環供給源１５は、筒状部２９に冷却水を供給すると共に、筒状部２９から回収した冷却水を冷却し、再度、筒状部２９に供給するためのものである。

圧力計Ｐは、竪型炉１７内の圧力を計測するためのものである。
竪型炉１７内の圧力は、原料粉末の融点に応じて、圧力調整弁２０の開度を制御することによってあらかじめ設定された高圧雰囲気に調節される。
圧力調整弁２０の開度の調整は自動又は手動で行うことができる。

噴出速度制御装置Ｍは、後述する噴出面積変更部材３７の移動（進退）を制御して噴出面積を変更し、キャリアガスの噴出速度を調整するものである。具体的には、噴出速度制御装置Ｍは、竪型炉１７内の圧力を示す圧力計Ｐからの圧力値とバーナに供給される燃料量とに基づいてバーナの火炎長を計算し、粒子（原料粉体）の滞留時間が最適になる噴出速度となるように、噴出面積変更部材３７の移動の信号を送り、噴出面積を調整することができる。
噴出速度制御装置Ｍを用いずに、竪型炉１７内の圧力を示す圧力計Ｐからの圧力値とバーナに供給される燃料量とに基づいてバーナの火炎長を計算し、手動で噴出面積変更部材３７の移動を行ってもよい。

球状化した粒子は、送風ブロア１８から竪型炉１７内に供給される加圧された空気によって冷却され、サイクロン２１及びバグフィルター２３で捕捉され、製品球状粒子として回収される。球状粒子を分離した燃焼排ガスは、圧力調整弁２０で大気圧付近まで減圧されて大気中に放出される。球状粒子を製造して分離回収するまでの竪型炉１７内の圧力は、圧力調整弁２０の開度を制御することによってあらかじめ設定された高圧雰囲気に調節される。

このように、竪型炉１７内を高圧雰囲気に保って形成した火炎で無機質原料粉末の球状化を行うことにより、火炎の温度を上昇させることができるので、大気圧雰囲気では不可能だった高融点材料の球状化を行うことができる。

燃料としては、火炎法で一般に使用されているものを使用することができ、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス（１３Ａ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、水素等を使用可能である。支燃性ガスとしては、必要とされる火炎温度によって適当なガスを使用することができるが、高温の燃焼火炎を得るためには酸素が最適である。また、キャリアガスとしては任意のガスを使用可能であるが、例えば酸素や窒素、これらの混合ガス等を使用することができる。

図２は、図１に示す無機質球状化粒子製造用バーナを拡大した断面図であり、噴出面積変更部材３７を構成する先端部６１の先端面６１ａをノズル部２８の先端面３３ａに対して面一とした状態を模式的に示す図である。

図２において、図１に示す無機質球状化粒子製造装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。また、図２において、Ｄは、原料粉体輸送孔３４のうち、ノズル部２８の先端面３３ａから露出された部分の直径（以下、「直径Ｄ」という）を示しており、ｄは、ノズル部２８の先端面３３ａを通過する平面で噴出面積変更部材３７を切断した際の切断面の直径（以下、「直径ｄ」という）を示している。

図２の場合、噴出面積変更部材３７を構成する先端部６１の先端面６１ａをノズル部２８の先端面３３ａに対して面一とした状態を示しているため、図２に示す直径ｄは、噴出面積変更部材３７の先端面６１ａの直径を示している。
さらに、図２では、説明の便宜上、無機質球状化粒子製造用バーナ１６の構成要素ではない、キャリアガス供給源１１、燃料ガス供給源１２、支燃性ガス供給源１３、原料フィーダー１４、及び冷却水循環供給源１５を図示する。

図２を参照するに、ノズル部２８は、鉛直方向に延在しており、火炎が形成される先端３３と、原料粉体輸送孔３４と、基端３５と、原料粉体供給管３６と、噴出面積変更部材３７と、原料粉体噴出用溝（原料粉体噴出孔）３９と、複数の供給管からなる燃料ガス供給管４１と、複数の供給管からなる支燃性ガス供給用空間４２と、複数の燃料ガス噴出孔４４と、複数の支燃性ガス噴出孔４５と、を有する。

ノズル部２８の先端３３は、略円柱形状とされており、火炎が形成される先端面３３ａと、筒状部２９の内壁と接触する外周側面３３ｂと、を有する。
ノズル部２８の先端面３３ａは、ノズル部２８の延在方向に対して直交する平面とされている。ノズル部２８の先端面３３ａは、円形面とされており、燃焼室３１により露出されている。

図２を参照するに、原料粉体輸送孔３４は、ノズル部２８の先端面３３ａから露出されるように、ノズル部２８の先端３３の中央に設けられている。原料粉体輸送孔３４は、酸素または酸素富化空気よりなるキャリアガスに輸送された無機質原料粉体Ｘをノズル部２８の先端面３３ａ側に輸送すると共に、噴出面積変更部材３７の先端部６１を収容するための孔である。原料粉体輸送孔３４は、ノズル部２８の先端面３３ａに向かうにつれて、幅が狭くなる円錐台形状とされている。
ノズル部２８の先端面３３ａに露出された原料粉体輸送孔３４の直径Ｄは、例えば、３０ｍｍとすることができる。

図２を参照するに、ノズル部２８の基端３５は、挿入穴５２と、第１のねじ部５３と、シール材収容溝５５と、を有する。
挿入穴５２は、ノズル部２８の基端３５を貫通するように設けられている。挿入穴５２は、原料粉体供給管３６内に形成される後述する第１の空間５８と対向するように配置されている。挿入穴５２は、第１の空間５８及び原料粉体輸送孔３４に噴出面積変更部材３７を挿入するための穴である。

第１のねじ部５３は、挿入穴５２に露出された基端３５のうち、挿入穴５２に挿入された噴出面積変更部材３７と対向する一部に設けられている。第１のねじ部５３としては、例えば、めねじを用いることができる。

シール材収容溝５５は、挿入穴５２に露出された基端３５のうち、第１のねじ部５３の形成領域よりも燃焼室３１側に位置する部分に設けられている。シール材収容溝５５は、噴出面積変更部材３７の外周側面３７ａと接触するシール材５６を収容するための溝である。
シール材５６としては、例えば、Ｏリングを用いることができる。

図２を参照するに、原料粉体供給管３６は、略円筒形状とされており、ノズル部２８の延在方向に延在している。原料粉体供給管３６の基端側の外周には、キャリアガス及び原料導入口３６Ａが設けられている。キャリアガス及び原料導入口３６Ａは、原料フィーダー１４と接続されている。キャリアガス及び原料導入口３６Ａには、キャリアガスにより輸送された無機質原料粉体Ｘが導入される。

原料粉体供給管３６の先端は、ノズル部２８の先端３３の一部を構成している。原料粉体供給管３６内には、円柱状空間である第１の空間５８が設けられている。第１の空間５８は、原料粉体輸送孔３４及びキャリアガス及び原料導入口３６Ａと接続されている。

第１の空間５８の中心軸は、原料粉体輸送孔３４の中心軸と一致している。また、第１の空間５８の中心軸、及び原料粉体輸送孔３４の中心軸は、ノズル部２８の中心軸に相当する中心軸である。
第１の空間５８には、キャリアガス及び原料導入口３６Ａを介して、キャリアガスに輸送された無機質原料粉体Ｘが供給される。第１の空間５８に供給されたキャリアガス及び無機質原料粉体Ｘは、原料粉体輸送孔３４に輸送される。

図２を参照するに、噴出面積変更部材３７は、先端部６１と、第２のねじ部６２と、を有する。噴出面積変更部材３７は、ノズル部２８の延在方向に延在しており、ノズル部２８の基端３５に設けられた挿入穴５２に挿入されている。
噴出面積変更部材３７の直径は、原料粉体供給管３６の内径よりも小さくなるように構成されている。噴出面積変更部材３７は、噴出面積変更部材３７の中心軸がノズル部２８の中心軸と一致するように、原料粉体輸送孔３４、及び原料粉体供給管３６内（第１の空間５８）に収容されている。

これにより、噴出面積変更部材３７と原料粉体供給管３６との間には、環状空間６４（第１の空間５８の一部）が形成され、環状空間６４により、燃焼室３１側にキャリアガス及び無機質原料粉体Ｘが輸送される。

先端部６１は、先端部６１の中心軸と原料粉体輸送孔３４の中心軸とが一致するように、原料粉体輸送孔３４に配置されている。先端部６１は、先端に向かうにつれて直径が小さくなる円錐台形状とされている。
先端部６１の先端面６１ａは、ノズル部２８の先端面３３ａに対して平行な円形面とされている。ノズル部２８の先端面３３ａに露出された原料粉体輸送孔３４の直径Ｄが３０ｍｍの場合、先端面６１ａの直径は、例えば、２ｍｍとすることができる。

第２のねじ部６２は、噴出面積変更部材３７の基端側の外周に設けられている。第２のねじ部６２は、ノズル部２８の基端３５に設けられた第１のねじ部５３と螺合するねじ部である。第１のねじ部５３がめねじの場合、第２のねじ部６２としては、おねじを用いることができる。

このように、ノズル部２８の基端３５に第１のねじ部５３を設けると共に、噴出面積変更部材３７の基端側の外周に第１のねじ部５３と螺合する第２のねじ部６２を設けることにより、先端部６１を含む噴出面積変更部材３７をノズル部２８の延在方向に移動させることが可能になると共に、ノズル部２８の先端面３３ａに対する噴出面積変更部材３７の先端部６１の位置を規制することができる。つまり、ノズル部２８の先端面３３ａから先端部６１の一部を突出させることが可能となる。

図３は、図２に示す無機質球状化粒子製造用バーナのＡ−Ａ線方向の断面図である。図３において、図２に示す無機質球状化粒子製造用バーナ１６と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２及び図３を参照するに、原料粉体噴出用溝３９は、原料粉体輸送孔３４に露出されたノズル部２８の先端３３の面３９ａと噴出面積変更部材３７を構成する先端部６１の外周側面６１ｂとの間に設けられた環状の溝である。

図２を参照するに、原料粉体噴出用溝３９は、ノズル部２８の先端面３３ａに露出されると共に、環状空間６４と接続されている。原料粉体噴出用溝３９は、環状空間６４により輸送されたキャリアガス及び無機質原料粉体Ｘを燃焼室３１に噴出する。
原料粉体噴出用溝３９から噴出されるキャリアガスの噴出速度は、原料粉体噴出用溝３９の溝幅のうち、ノズル部２８の先端面３３ａに露出された部分の溝幅Ｅ、すなわち、キャリアガスが噴出できる実質的な面積（噴出面積）により決定される。

図４は、図１に示す無機質球状化粒子製造用バーナを拡大した断面図であり、ノズル部２８の先端面３３ａから噴出面積変更部材３７の先端部６１を突出させた状態を模式的に示す図である。図４において、図２に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
図５は、図４に示す無機質球状化粒子製造用バーナのＡ−Ａ線方向の断面図である。図４及び図５に示す原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）は、図２及び図３に示す原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）よりも狭い場合を例に挙げて図示している。

図２〜図５を参照するに、無機質球状化粒子製造用バーナ１６では、ノズル部２８の先端面３３ａに対して噴出面積変更部材３７の先端面６１ａが面一とされた状態（図２及び図３に示す状態）から、燃焼室３１側に向かう方向に円錐台形状とされた先端部６１を移動させて、ノズル部２８の先端面３３ａから噴出面積変更部材３７の先端部６１の一部を突出させる（図４及び図５に示す状態にする）ことで、原料粉体噴出用溝３９の幅のうち、ノズル部２８の先端面３３ａに露出された部分の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変更可能な構成とされている。
つまり、噴出面積変更部材３７は、ノズル部２８の延在方向に移動することで、ノズル部２８の先端面３３ａに露出された原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変更する機能を有する。

例えば、図２に示すように、ノズル部２８の先端面３３ａに対して噴出面積変更部材３７の先端面６１ａを面一にすると、噴出面積変更部材３７の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）が広くなるため、噴出面積変更部材３７から噴出されるキャリアガスの噴出速度を遅くすることが可能となる。
この場合、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間を長くすることが可能となるので、高融点の無機質原料粉体Ｘ１を溶融させる際に適している。

また、図４に示すように、ノズル部２８の先端面３３ａから噴出面積変更部材３７の先端部６１を突出させると、噴出面積変更部材３７の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）が狭くなるため、噴出面積変更部材３７から噴出されるキャリアガスの噴出速度を速くすることが可能となる。
この場合、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間を短くことが可能となるので、上記Ｘ１よりも低い融点の無機質原料粉体Ｘ２を溶融させる際に適している。

このように、ノズル部２８の先端面３３ａに露出された原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変更可能な噴出面積変更部材３７を設けることにより、原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変更するだけで、燃料室３１に噴出されるキャリアガスの噴出速度を変更することが可能となる。

また、燃料室３１に噴出されるキャリアガスの噴出速度は、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間（言い換えれば、火炎が無機質原料粉体Ｘを加熱する加熱時間）を決定する。
したがって、融点の異なる無機質原料粉体Ｘを処理して無機質球状化粒子Ｙを生成する際、無機質球状化粒子製造用バーナ１６、或いはノズル部２８を取り替える必要がなくなるため、所望の形状とされた無機質球状化粒子Ｙを効率よく生成できる。

本発明の無機質球状化粒子の製造方法においては、原料粉末の融点に応じて圧力調整弁２０の開度を調節して当該高融点物質の融点以上の火炎温度になるように高圧雰囲気の圧力を調整し、次いで、噴出速度制御装置Ｍによって、竪型炉１７内の圧力を示す圧力計Ｐからの圧力値とバーナに供給される燃料量とに基づいてバーナの火炎長を計算し、その火炎長を維持して原料粉体の滞留時間が最適になる噴出速度となるように、噴出面積変更部材３７の移動の信号を送り、噴出面積を調整する。

図２を参照するに、燃料ガス供給管４１は、原料粉体供給管３６の外周を囲むように設けられている。燃料ガス供給管４１と原料粉体供給管３６との間には、環状とされた第２の空間６６が設けられている。
燃料ガス供給管４１の基端側には、燃料ガス供給管４１と一体に構成され、かつ燃料ガス供給管４１の外側に突出する燃料ガス導入口４１Ａが形成されている。燃料ガス導入口４１Ａは、燃料ガス供給源１２と接続されている。燃料ガス導入口４１Ａは、燃料ガス供給源１２から供給された燃料ガスを、第２の空間６６に導入するための導入口である。

図２を参照するに、支燃性ガス供給用空間４２は、ノズル部２８の外周側面と筒状部２９の内周面との間に設けられている。支燃性ガス供給用空間４２は、支燃性ガス供給源１３から供給された支燃性ガスを輸送する流路として機能する。

図２及び図３を参照するに、複数の燃料ガス噴出孔４４は、ノズル部２８の先端３３のうち、第２の空間６６と対向する部分を貫通するように設けられている。複数の燃料ガス噴出孔４４は、第２の空間６６と接続されると共に、ノズル部２８の先端面３３ａから露出されている。
複数の燃料ガス噴出孔４４は、原料粉体噴出用溝３９よりも外側の位置に配置されている。複数の燃料ガス噴出孔４４は、原料粉体噴出用溝３９から噴出される無機質原料粉体Ｘ及びキャリアガスの外側から燃料ガスを噴出する。

図２及び図３を参照するに、複数の支燃性ガス噴出孔４５は、ノズル部２８の先端３３のうち、支燃性ガス供給用空間４２と対向する部分を貫通するように設けられている。複数の支燃性ガス噴出孔４５は、支燃性ガス供給用空間４２と接続されると共に、ノズル部２８の先端面３３ａから露出されている。
複数の支燃性ガス噴出孔４５は、複数の原燃料ガス噴出孔４４よりも外側の位置に配置されている。複数の支燃性ガス噴出孔４５は、複数の燃料ガス噴出孔４４から噴出された燃料ガスの外側から支燃性ガスを噴出する。

図３を参照するに、上記説明した原料粉体噴出用溝３９、複数の燃料ガス噴出孔４４、及び複数の支燃性ガス噴出孔４５は、ノズル部２８の先端面３３ａの中心Ｃに対して同軸上に配置されている。
このように、ノズル部２８の先端面３３ａの中心Ｃに対して同軸上に原料粉体噴出用溝３９、複数の燃料ガス噴出孔４４、及び複数の支燃性ガス噴出孔４５を配置することにより、火炎が無機質原料粉体Ｘの噴流を包み込むことが可能となるため、火炎により無機質原料粉体Ｘを効率よく溶融することができる。

図２及び図３を参照するに、筒状部２９は、略円筒形状とされており、ノズル部２９の先端３３から突出するように、ノズル部２８の外周側面に設けられている。
図２を参照するに、筒状部２９は、冷却水用管路６８と、冷却水供給口６９と、冷却水回収口７１と、支燃性ガス導入口７２と、を有する。

図２を参照するに、冷却水用管路６８は、筒状部２９に内設されている。冷却水用管路６８は、ノズル部２８の先端３３を冷却するための冷却水を流動させるための管路である。このように、筒状部２９に冷却水用管路６８を設け、冷却水用管路６８に冷却水を流すことで、火炎の熱によりノズル部２８の先端３３が損傷することを抑制できる。

図２を参照するに、冷却水供給口６９は、冷却水用管路６８の形成領域に対応する筒状部２９の外壁から外側に突出するように設けられている。冷却水供給口６９は、冷却水用管路６８及び冷却水循環供給源１５と接続されている。冷却水供給口６９は、冷却水循環供給源１５から供給される冷却水を冷却水用管路６８に供給するための供給口である。

図２を参照するに、冷却水回収口７１は、冷却水用管路６８の形成領域に対応する筒状部２９の外壁から外側に突出するように設けられている。冷却水回収口７１は、冷却水用管路６８及び冷却水循環供給源１５と接続されている。冷却水回収口７１は、冷却水用管路６８を流動する温度上昇した冷却水を回収するための回収口である。

図２を参照するに、支燃性ガス導入口７２は、支燃性ガス供給用空間４２と対向する筒状部２９の外壁を貫通するように設けられている。支燃性ガス導入口７２は、筒状部２９の外壁から外側に突出している。支燃性ガス導入口７２は、支燃性ガス供給源１３と接続されている。支燃性ガス導入口７２は、支燃性ガス供給源１３から供給された支燃性ガスを支燃性ガス供給用空間４２に供給する。

図２を参照するに、燃焼室３１は、ノズル部２８の先端面３３ａと筒状部２９の内壁２９Ａとで囲まれた空間であり、ノズル部２８の先端面３３ａを露出している。

この無機質球状化粒子製造用バーナによれば、ノズル部２８の先端面３３ａに露出された原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅを変更可能な噴出面積変更部材３７を設けることにより、原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅを変更するだけで、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間（言い換えれば、無機質原料粉体の加熱時間）を、溶融させる無機質原料粉体Ｘの融点に最適な時間に設定することが可能となる。

したがって、融点の異なる無機質原料粉体Ｘを処理して所望の形状（粒径）とされた無機質球状化粒子Ｙを生成する際、無機質球状化粒子製造用バーナ１６、或いはノズル部２８を取り替える必要がなくなるため、所望の形状とされた無機質球状化粒子Ｙを効率よく生成できる。

図１を参照するに、竪型炉１７は、円筒形状とされた炉であり、竪型炉１７の上端には、無機質球状化粒子製造用バーナ１６の先端が収容されている。これにより、無機質球状化粒子製造用バーナ１６が形成する火炎は、竪型炉１７の内部に形成される。
竪型炉１７の下端側には、空気供給管２４が接続されている。また、竪型炉１７の下端側には、空気供給管２４と対向するように、サイクロン２１と接続されたダクト２５が設けられている。
竪型炉１７内では、無機質球状化粒子製造用バーナ１６の火炎により、無機質原料粉体Ｘが溶融され、溶融した無機質原料粉体Ｘが竪型炉１７の下方に移動しながら固まることで無機質球状化粒子Ｙとなる。

送風ブロア１８は、空気供給管２４と接続されている。送風ブロア１８は、空気供給管２４を介して、竪型炉１７の下端に空気を供給する。送風ブロア１８は、空気供給管２４を介して、竪型炉１７の下端に空気を供給することで、無機質球状化粒子Ｙを冷却すると共に、ダクト２５を介して、冷却した無機質球状化粒子Ｙをサイクロン１９に輸送する。

サイクロン２１は、竪型炉１７の下流側に設けられており、ダクト２５を介して、竪型炉１７の下端と接続されている。サイクロン２１は、ダクト２５を介して輸送された無機質球状化粒子Ｙのうち、第１の粒子径とされた無機質球状化粒子を捕集する。第１の粒子径とされた無機質球状化粒子Ｙは、サイクロン２１の下端から捕集される。第１の粒子径は、後述する第２の粒子径よりも大きい値とされている。

空気導入口２２は、サイクロン２１の上端と接続されている。空気導入口２２は、サイクロン２１の上端に接続されたダクト２６と対向するように配置されている。空気導入口２２は、サイクロン２１の上端に空気を導入するための導入口である。
空気導入口２２を介して、サイクロン２１の上端に導入された空気は、無機質球状化粒子を冷却すると共に、ダクト２６を介して、無機質球状化粒子Ｙをバグフィルター２３に輸送する。

バグフィルター２３は、サイクロン２１の下流側に設けられており、ダクト２６を介して、サイクロン２１の上端と接続されている。バグフィルター２３は、ダクト２６を介して、第１の粒子径よりも小さい第２の粒子径とされた無機質球状化粒子Ｙを捕集する。

この無機質球状化粒子製造用バーナによれば、キャリアガス及び無機質原料粉体Ｘを噴出する原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅを変更可能な構成とされた無機質球状化粒子製造用バーナ１６を備えることにより、原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅを変更するだけで、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間（言い換えれば、無機質原料粉体の加熱時間）を、溶融させる無機質原料粉体Ｘの融点に最適な時間に設定することが可能となる。

したがって、融点の異なる無機質原料粉体Ｘを処理して所望の形状（粒径）とされた無機質球状化粒子Ｙを生成する際、無機質球状化粒子製造用バーナ１６、或いはノズル部２８を取り替える必要がなくなるため、所望の形状とされた無機質球状化粒子Ｙを効率よく生成できる。

具体的には、高融点の無機質原料粉体Ｘ１を溶融させる場合には、図２に示すように、噴出面積変更部材３７の幅Ｅを広くする。また、上記Ｘ１よりも低い融点の無機質原料粉体Ｘ２を溶融させる場合には、図４に示すように、噴出面積変更部材３７の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を狭くする。

無機質球状化粒子の製造方法によれば、無機質原料粉体Ｘと共に燃焼室３１に噴出されるキャリアガスの噴出速度が、火炎により溶融させる無機質原料粉体Ｘの融点に最適な噴出速度となるように、原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変更する工程と、燃料ガス及び支燃性ガスで形成される火炎により、無機質原料粉体Ｘを溶融させて無機質球状化粒子Ｙを生成する工程と、を含むことにより、無機質球状化粒子製造用バーナ１６自体、或いは、ノズル部２８を交換することなく、原料粉体噴出用溝３９から噴出されるキャリアガスにより、火炎中における無機質原料粉体Ｘの滞留時間を最適な滞留時間に設定することが可能となる。

これにより、融点の異なる無機質原料粉体Ｘを処理して所望の形状（粒径）とされた無機質球状化粒子Ｙを生成する際、無機質球状化粒子製造用バーナ１６、或いはノズル部２８を取り替える必要がなくなるため、所望の形状とされた無機質球状化粒子Ｙを効率よく生成できる。

以下、具体的な実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。

図１に示す無機質球状化粒子製造装置１０（図２に示す無機質球状化粒子製造用バーナ１６を備えた装置）を用いて、無機質原料粉体Ｘを溶融させて、無機質球状化粒子Ｙを生成し、その後、サイクロン２１及びバグフィルター２３で無機質球状化粒子Ｙを回収した。

このとき、キャリアガス供給源１１からキャリアガスとして、酸素を７．５Ｎｍ^３／ｈの供給量で供給すると共に、原料フィーダー１４から無機質原料粉体Ｘとして、平均粒度２０μｍとされたシリカ粉末を供給した。
また、燃料ガス供給源１２から燃料ガスとして、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ）を５Ｎｍ^３／ｈの供給量で供給すると共に、支燃性ガス供給源１３から支燃性ガスとして、酸素を２０Ｎｍ^３／ｈの供給量で供給した。

（実施例１）
まず、大気圧(１ａｔｍ)の条件において、ガラス化率（η）９９％以上となるようなシリカ粉末の供給条件を決定した。
この条件において、キャリアガスの噴出速度を一定とした条件において、炉内圧力を変化させ、得られるシリカ粉末のガラス化率を測定した。
次に、本発明に係る無機質球状化粒子の製造方法を用いて、各圧力において形成されるバーナ火炎長に対し、火炎内での粒子滞留時間が同じとなるように、図２に示す原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変えることでキャリアガスの噴出速度を調整し、各圧力についてガラス化率（η）を測定した。
この結果を図６に示す。

図６において、「速度調整無し（従来技術）」は、キャリアガスの噴出速度を調整せず、キャリアガスの噴出速度一定の条件の下で、炉内圧力を変化させて得られたシリカ粉末のガラス化率を示すものである。また、「速度調整有り（本発明）」は、各圧力においてキャリアガスの噴出速度を調整して得られたシリカ粉末のガラス化率を示すものである。
図６に示す通り、キャリアガスの噴出速度を調整しなかった場合には、圧力が上昇すると、ガラス化率が低下している。これは、火炎長が短くなって火炎内での粒子滞留時間が短縮したためである。これに対して、本発明に係る無機質球状化粒子の製造方法を用いて、キャリアガスの噴出速度を調整した場合には、ガラス化率（η）９９％以上の無機質球状化粒子を得ることが可能であることが確認された。これは、炉内圧力の上昇に伴って火炎長が短くなったものをキャリアガスの噴出速度を調整することで火炎長を元の長さに回復させ、火炎内での粒子滞留時間を同じになるように維持して無機質球状化粒子の製造を行ったからである。

（実施例２）
まず、大気圧(１ａｔｍ)の条件において、ガラス化率（η）９９％以上となるようなシリカ粉末の供給条件を決定した。
キャリアガスの噴出速度を一定とした条件において、炉内圧力を変化させ、９９％以上のガラス化率が得られるシリカ粉末供給速度を求めた。
次に、本発明に係る無機質球状化粒子の製造方法を用いて、各圧力において形成されるバーナ火炎長に対し、火炎内での粒子滞留時間が同じとなるように、図２に示す原料粉体噴出用溝３９の幅Ｅ（あるいは、噴出面積）を変えることでキャリアガス噴出速度を調整し、９９％以上のガラス化率が得られるシリカ粉末供給速度を求めた。
図７は、大気圧におけるシリカ粉末供給速度をω_p0、各圧力におけるシリカ粉末供給速度をω_pとして、各圧力におけるシリカ粉末の供給速度比ω_p/ω_p0で、従来技術と本発明の効果を比較したものである。

図７に示す通り、キャリアガスの噴出速度を調整しなかった場合には、圧力が上昇すると、シリカ粉末の供給速度比ω_p/ω_p0が低下している。これは、火炎長が短くなって火炎内での粒子滞留時間が短縮したため、９９％以上のガラス化率にまで加熱できるシリカ粉末の量が減少した（シリカ粉末の処理能力が低下した）ためである。これに対して、本発明に係る無機質球状化粒子の製造方法を用いて、キャリアガスの噴出速度を調整した場合には、圧力の上昇に伴い、シリカ粉末の供給速度比ω_p/ω_p0（シリカ粉末の処理能力）が向上させることが可能であることが確認された。

本発明は、無機質球状化粒子の製造方法、それに用いる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に適用可能である。

１０，７０…無機質球状化粒子製造装置、１１…キャリアガス供給源、１２…燃料ガス供給源、１３…支燃性ガス供給源、１４…原料フィーダー、１５…冷却水循環供給源、１６，７１…無機質球状化粒子製造用バーナ、１７…竪型炉、１８…送風ブロア、１９…捕集部、２０…圧力調整弁、２１…サイクロン、２２…空気導入口、２３…バグフィルター、２４…空気供給管、２５，２６…ダクト、２８，７２…ノズル部、２９…筒状部、２９Ａ…内壁、３１…燃焼室、３３…先端、３３ａ，６１ａ…先端面、３３ｂ…外周側面、３４…原料粉体輸送孔、３５…基端、３６…原料粉体供給管、３６Ａ…キャリアガス及び原料導入口、３７…噴出面積変更部材、３７ａ，６１ｂ…外周側面、３９…原料粉体噴出用溝、３９ａ…面、４１…燃料ガス供給管、４１Ａ…燃料ガス導入口、４２…支燃性ガス供給用空間、４４…燃料ガス噴出孔、４５…支燃性ガス噴出孔、５２…挿入穴、５３…第１のねじ部、５５…シール材収容溝、５６…シール材、５８…第１の空間、６１…先端部、６２…第２のねじ部、６４…環状空間、６６…第２の空間、６８…冷却水用管路、６９…冷却水供給口、７１…冷却水回収口、７２…支燃性ガス導入口、Ｍ…噴出速度制御装置、Ｐ…圧力計、Ｘ…無機質原料粉体、Ｙ…無機質球状化粒子、Ｃ…中心、ｄ，Ｄ…直径、Ｅ…幅

Claims (3)

1. 高圧雰囲気内でバーナによって発生させた火炎にキャリアガスによって原料粉体を投入して無機質球状化粒子を製造する無機質球状化粒子の製造方法であって、
   前記バーナは、ノズル部と、該ノズル部に挿入された噴出面積変更部材とを備えており、
   前記原料粉体の融点に応じて前記高圧雰囲気の圧力を調整するとともに、前記キャリアガスの噴出速度を調整することで前記原料粉体の火炎中の滞留時間を調整し、
   前記キャリアガスの噴出速度の調整を、前記バーナにおいて原料粉体噴出孔と同軸上に配置された前記噴出面積変更部材を移動させることで、前記原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることによって行うことを特徴とする無機質球状化粒子の製造方法。
2. 請求項１に記載の無機質球状化粒子の製造方法に使用するバーナであって、
   ノズル部と、該ノズル部に挿入された噴出面積変更部材とを備えており、
   キャリアガスによって原料粉体を噴出するための原料粉体噴出孔と前記噴出面積変更部材とが同軸上に設けられ、前記キャリアガスの噴出速度を調整するために前記噴出面積変更部材を移動させることで前記原料粉体噴出孔の噴出面積を変化させることができることを特徴とする無機質球状化粒子製造用バーナ。
3. 請求項２に記載の無機質球状化粒子製造用バーナを炉頂部に鉛直下向きに設けられた竪型炉と、該竪型炉内の圧力を調節する圧力調節弁と、下流にサイクロン及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。

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