JP7007826B2

JP7007826B2 - 噴霧熱分解装置

Info

Publication number: JP7007826B2
Application number: JP2017144261A
Authority: JP
Inventors: 紀彦三崎; 雄一館山; 広樹山崎; 賢太増田; 克己松井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: JP2019025385A

Description

本発明は、酸化物中空粒子の製造に適した噴霧熱分解装置に関する。

酸化物中空粒子等の微粒子の製造装置として、熱分解炉の内部に燃焼バーナーを装備した内燃焼式の噴霧熱分解装置が知られている。特許文献１には、円筒状の粉体生成塔内に多数の火炎噴射ノズルが高さをずらして配置した装置が記載されている。特許文献２には、燃焼室の外側の空間に多数のバーナーを配置した装置が記載されている。また、単独又は複数のバーナーによる火炎により噴霧ミストを直接加熱する装置（特許文献３、４）が報告されている。

特開２００７－８４３５５号公報特開２０１３－２０２６０３号公報特開２００１－１３７６９９号公報特開２００４－２９２２２３号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、多数のバーナーが配置されているため、炉内の温度コントロールが極めて難しく、温度管理の困難さから、燃焼バーナーの失火を招くことがある。このように炉内の温度管理が難しく、炉内の温度分布が不均一になるため、合成物のばらつきが生じる。さらには、バーナーの失火により局所的なガス量の増減が生じるため、安定した運転自体が非常に困難であり実用的ではない。また、特許文献２の装置では、構造、且つ、制御が極めて複雑なうえ、バーナーより発生した熱の大半が外燃室の内壁に奪われて熱効率が悪いため、同一熱量の焼成炉と比較し、スケールが一回り大きくなるなど、経済性が極めて悪く、実用的ではない。また、炉の構造上、炉の内壁（バーナー部）が高温になり易く、炉の中心部と内壁近傍との温度差が生じ、粒子に不均一性を生じやすい。また、燃焼ガス導入口の無い、炉の内壁は、高温であるため、粒子が溶着しやすいといった問題がある。
特許文献３の装置では、バーナーの火炎で直接噴霧された溶液を加熱するため、密実な粒子となり好ましくない。特許文献４の装置では、バーナーにより溶融した粒子がバーナーの気流に乗って、バーナー側面部に接触し溶着、粒子の変形や割れが発生するため好ましくない。

このように、内燃式の噴霧熱分解装置は、熱分解炉の内部に燃焼バーナーを配置し、燃料を燃焼させ熱源とするが、この燃料の燃焼に伴い発生する燃焼ガスのため、炉内の風速は早く、特にバーナーの火炎近傍は、一段と速くなるといった特徴がある。このため、噴霧させた溶液を熱分解させ、微粒子を合成するために必要な熱量、すなわち、炉内の滞留時間を一定時間確保する必要があるが、前述の理由により、装置が大型化する。また、バーナーの火炎部近傍は、特に高温であるため、火炎部に入った粒子は密実化し、この結果、合成物が中実粒子と中空粒子の混合物となり、合成物の不均一性を生じるといった課題がある。

従って、本発明の課題は、複雑な構造にすることなく、燃焼バーナーからの熱を噴霧ミストに略均一に付与することにより、均質な微粒子を高収率で得ることのできる内燃焼式の噴霧熱分解装置を提供することにある。

そこで本発明者は、噴霧用ノズルを堅型円筒状熱分解炉の底部に設置し、燃焼バーナー２基を炉体内の接線方向に対角させて配備することにより、燃料の燃焼ガスにより炉内に強力な旋回流を発生させることができ、噴霧ミストを、炉長に対して、炉内の滞留時間を長く取ることが可能となり、装置がコンパクト、且つ、簡便であるうえ、炉内温度の均質化と粉体の付着防止を図ることが可能となること、さらに、燃焼バーナーの火炎が炉内に入らないよう配置することで、密実な粒子の合成を抑制し、所望とする中空粒子を効率良く得ることが可能となることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の〔１〕～〔５〕を提供するものである。

〔１〕堅型円筒熱分解炉の底部に上向き噴霧用ノズルを有し、燃焼バーナー２基を、熱分解炉の底部から略同じ距離に対角させ、熱分解炉体内の接線方向に配置したことを特徴とする内燃焼式の噴霧熱分解装置。
〔２〕熱分解炉内の噴霧ミストの滞留時間が０．１秒～６００秒である〔１〕記載の噴霧熱分解装置。
〔３〕燃焼バーナーに用いる燃料が、液体燃料又は気体燃料である〔１〕又は〔２〕記載の噴霧熱分解装置。
〔４〕噴霧用ノズルが、単数又は複数の２～４流体ノズルである〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の噴霧熱分解装置。
〔５〕熱分解炉頂に、炉頂部に冷却エアーを導入可能な空間を設けてなる〔１〕～〔４〕のいずれかに記載の噴霧熱分解装置。

本発明の製造装置を用いれば、２基の燃焼バーナーの配置により、燃焼ガスによる強力な旋回流が生じ、底部から発生させた噴霧ミストが旋回流に乗って炉長よりも長時間を要して熱分解されるため、熱分解時間が均一になり、中空微粒子が選択的かつ高収率で得られる。

熱分解装置における、燃焼バーナーと噴霧用ノズルの配置状況を示す図である。本発明熱分解装置の全体概略図の例である。本発明熱分解装置の全体概略図の例である。本発明熱分解装置の全体概略図の例である。本発明熱分解装置の全体概略図の例である。実施例１により得られた中空粒子の走査電子顕微鏡像を示す。

本発明の噴霧熱分解装置は、内燃焼式である。すなわち、熱分解炉内に原料液を噴霧する噴霧ノズルを有し、噴霧されたミスト（液滴）を熱分解するための加熱源である燃焼ガスを発生させる燃焼バーナーを熱分解炉内に有する噴霧熱分解装置である。

熱分解炉の形状は、堅型円筒状である。堅型円筒状とすることにより、特定の位置に配置された２基の燃焼バーナーから発生した燃焼ガスにより炉内に強力な旋回流が発生する。

噴霧用ノズルは、熱分解炉の底部に上向きに噴霧するように配置される（図１）。噴霧用ノズルは、１基でも２基以上でもよい。噴霧用ノズルは２～４流体ノズルであるのが好ましく、また、キャリアーエアとして、圧縮空気を用いて、噴霧ミストの周辺に空気のシールドが形成されるように噴霧ノズルを二重にして、溶液を噴霧しても良い。

噴霧用ノズルは、熱分解炉の底部に上向きに原料液のミストを噴霧するように配置される。上向きに噴霧されたミストは、燃焼バーナーから発生した火炎方向に到達する（図１）。

燃焼バーナーは、２基設置される。その２基の燃焼バーナーは、熱分解炉の底部から略同じ距離に対角させて、熱分解炉内の接線方向に配置するが、（図１参照）０°～６０°の角度をもって上向きに配置しても良く。この場合は、旋回流を効率良く生じさせる点から、２基ともに、同角度にすると良い。また、バーナーの火炎が炉内に入ることを避けたい場合は、前後方向にバーナーを可動できる機構を設け必要に応じ調整するとなお良い。このように配置することにより、２基の燃焼バーナーから生じた相対する方向からの燃焼ガスにより、炉内に強力な旋回流が生じる。この旋回流は、炉の下から上方向に進行するため、噴霧用ノズルから噴霧された噴霧ミストもこの旋回流により旋回しながら上昇する。従って、噴霧ミストは、燃焼バーナーから生じた火炎に直接接触することなく、炉の長さよりも長い距離、炉内に滞留し、長時間の熱分解反応を受けることができる。
燃焼バーナーは、一般的に販売されているものであれば、何れも使用することができる。炉の容積、および燃焼種類など炉の仕様を考慮し、これにあった型式の燃焼バーナーを選定すると良く、また、炉の仕様に応じたものを製作して用いても良い。

噴霧ミストの炉内の滞留時間は、０．１秒～６００秒に設定することができる。好ましくは、１秒～３００秒、さらに好ましくは、１．５秒～６０秒に設定するとよい。
このように熱分解反応時間を長く設定することにより、安定して微小中空粒子を効率良く製造することができる。無機酸化物の原料となる原料液を用いて噴霧熱分解する場合、原料液滴が直接火炎に接触しなければまず乾燥反応が進行し、ミストは中空粒子状になる。続いて熱分解反応が進行すれば、無機酸化物中空微粒子が得られる。ここで、無機酸化物としては、例えば金属酸化物、アルミナ、シリカ、カルシア、マグネシア、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、カルシウム酸化物、ナトリウム酸化物、カリウム酸化物、リチウム酸化物、ホウ素酸化物、リン酸化物、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く、溶液のｐＨ調整剤として、酸やアルカリを添加しても良い。酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、有機酸などを用いることができ、アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウムなどを用いても良い。

燃焼バーナーに用いる燃料としては、液体燃料及び気体燃料のいずれも用いることができる。具体的には、ＬＰＧ、都市ガス、気化した有機物などの気体燃料や灯油、軽油、重油、再生油などの液体燃料を用いることができる。

炉体は、炉材として使用されている材質であれば何れも用いることができ、使用する温度等を考慮し選定すると良い。
金属製のシェルの内壁に、耐火レンガ、断熱レンガ、および、キャスタブルなどを単体、あるいは、組み合わせて用いるのが一般的である。

熱分解炉内の下部から上部に旋回流に乗って熱分解反応によって生じた微粒子は、熱分解炉上部から回収される。ここで、微粒子を効率的に回収するには、熱分解炉頂部に冷却エアーを導入可能な空間を設け、ここに冷却エアーを導入することにより、冷却回収するのが好ましい（図２～図５）。冷却エアーの導入手段としては、冷却エアーの吸入部の設置（図２）、ファンやブロアから冷却エアーを送り込む手段（図３～図５）等を採用することができ、これらは複数の箇所から行なっても良い。目的微粒子の回収には、バグフィルター等を用いることができる。
このバグフィルターの前段に、バグフィルターの負荷低減、粗粒や異物回収のため、サイクロンを配置しても良く、この他に、熱交換器を配置すると余熱利用や排ガス量の低減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、スクラバーなどの徐塵、浄化設備を配置しても良い。

次に実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。
なお、実施例においては、炉内温度は、Ｋ熱電対で測定した。また、粒子密度はアキュピックで測定した。粒度分布はマイクロトラック（レーザー回折散乱式）で測定した。
（１）製造条件
イオン交換水１００Ｌに、オルトケイ酸テトラエチル１９９２ｇ、硝酸アルミニウム九水和物１３１ｇ、硝酸マグネシウム六水和物４５５ｇ、硝酸カルシウム四水和物５１６ｇ、四ホウ酸ナトリウム十水和物１６６６ｇ、濃硝酸１Ｌを竪型ガス炉の溶液タンクに投入し攪拌した。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で竪型ガス炉（Φ１０００×３０００）に噴霧され、目標温度になるよう燃料（都市ガス）の燃焼ガス量を調整して合成した中空粒子をバグフィルターにて回収した。

（２）実施例の条件
実施例１
実施例１により得られた中空粒子のＳＥＭ像を図６に示す。
実施例１の運転条件を表１に示す。
実施例１により得られた粒子の性状を表２に示す。

Claims

堅型円筒熱分解炉の底部に上向き噴霧用ノズルを有し、燃焼バーナー２基を、熱分解炉の底部から略同じ高さになる距離に対角させ、熱分解炉体内の接線方向に、燃焼バーナーの火炎が炉内に入らないように配置し、熱分解炉内の噴霧ミストの滞留時間が１秒～６００秒になるように設定したことを特徴とする内燃焼式の噴霧熱分解装置。
燃焼バーナーに用いる燃料が、液体燃料又は気体燃料である請求項１記載の噴霧熱分解装置。
噴霧用ノズルが、単数又は複数の２～４流体ノズルである請求項１又は２記載の噴霧熱分解装置。
熱分解炉頂に、炉頂部に冷却エアーを導入可能な空間を設けてなる請求項１～３のいずれか１項記載の噴霧熱分解装置。