JP7256778B2 - 無機質球状化粒子製造装置、及び無機質球状化粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
このような装置・方法で無機質球状化粒子を製造した場合、製品粒子となる無機質球状化粒子の粒径は原料粉末の粒径にほぼ依存し、概ね原料粉末に近い粒径の製品粒子が得られることが知られている。
また、特許文献2,3には、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記載されている。特許文献2,3に記載の装置においては、燃料及び支燃性ガスを燃焼室で混合・燃焼させることで、高温の酸素燃焼火炎を形成させることが可能な構造とされたバーナの構成が記載されている。
しかしながら、都市ガスやLPG等の気体燃料は炭素源を含むため、このような炭素源を含む気体燃料を用いると、特に、不完全燃焼が生じた場合に、固体炭素である煤が発生し、不純物として無機質球状化粒子中に混入してしまうことから、製品品質が低下するという問題があった。
即ち、請求項1に係る発明は、火炎中に無機質原料粉末が吹き込まれることで該無機質原料粉末を溶融・球状化する球状化用バーナを備えた球状化炉を有してなる無機質球状化粒子製造装置であって、前記球状化炉は、前記球状化用バーナに供給する燃料として、炭素源を含まない可燃性ガスを含有する気体燃料を供給することを特徴とする無機質球状化粒子製造装置である。
このように、炭素源を含まない気体燃料を用いたバーナを採用することで、燃焼時に発生する二酸化炭素(CO2)を大幅に削減できるとともに、燃料中の炭素源に起因する煤の発生を抑制できるので、製品となる無機質球状化粒子中への固体炭素の混入を抑制することが可能となる。
従って、製造設備や工程を複雑化させることなく、製品品質に優れた無機質球状化粒子を歩留まりよく且つ安全に製造することが可能になる。
このように、炭素源を含まない気体燃料を用いたバーナを有する球状化炉を備えた無機質球状化粒子製造装置を用いて、無機質球状化粒子を製造することで、上記同様、燃焼時に発生するCO2を大幅に削減できるとともに、無機質球状化粒子中への固体炭素の混入を抑制することが可能となる。
従って、工程を複雑化させることなく、製品品質に優れた無機質球状化粒子を歩留まりよく且つ安全に製造することが可能になる。
本発明の無機質球状化粒子は、無機質原料粉末を火炎中に通過させて表面を溶融し、球状化することで得られるものである。
本発明の無機質球状化粒子を得るための無機質原料粉末としては、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ガラス等の原料粉末が挙げられる。本発明においては、例えば、無機質原料粉末として酸化ケイ素を用いることで、無機質球状化粒子として溶融シリカ球状体を得ることができる。
以下、本実施形態の無機質球状化粒子製造装置1(以下、単に製造装置1と略称する場合がある)について説明する。
図1は、本実施形態の無機質球状化粒子製造装置1を模式的に説明する図であり、サイクロン及びバグフィルターを備えた製造装置の一例を概略で示す全体構成図である。また、図2は、図1中に示した製造装置1に備えられる球状化炉2を拡大して示すとともに、球状化炉2における、球状化部3に設置された圧力センサ31、球状化部温度計32及びガスモニター33の配置構成を示す概略断面図である。また、図3は、助燃部4に設置された助燃部温度計41と、助燃制御部46との間の接続構成の一例を示す要部拡大図である。また、図3の概略構成図には、助燃制御部46との間で燃料流量制御バルブ54及び支燃性ガス流量制御バルブ55を介して接続される助燃用バーナ42の接続構成の一例も示している。
球状化炉2は、上記のように、内部空間2Aにおいて、球状化用バーナ21の火炎によって無機質原料粉末Mを溶融・球状化して無機質球状化粒子Pを生成する、概略円筒形状の竪型炉である。図1~図3に示すように、本実施形態の製造装置1に備えられる球状化炉2は、球状化部3及び助燃部4を備え、球状化部3の内部空間3Aと助燃部4の内部空間4Aとが連通するように配置されることで、上記の内部空間2Aが形成されている。内部空間2A(内部空間3A及び内部空間4A)は、概略円筒形状とされている。また、球状化部3と助燃部4とは、軸方向(中心軸Jに沿った方向)で連通するように配置され、球状化部3の一端3a側に球状化用バーナ21が設置されているとともに、軸方向で球状化用バーナ21とは反対側、即ち、球状化部3の他端3b側に助燃部4が配置され、図示例では、球状化部3の他端3bに助燃部4の一端4aが接続されている。
球状化用バーナ21は、上述したように、火炎によって無機質原料粉末Mを加熱し、溶融・球状化して無機質球状化粒子Pを生成するものである。球状化用バーナ21は、図1~図3では詳細な図示を省略しているが、気体燃料G1を噴出して火炎を形成する側の先端21A側が、球状化部3の内部空間3Aに露出するように配置されている。また、球状化用バーナ21は、球状化炉2の内部空間2A(球状化部3の内部空間3A)と同軸である中心軸J上に配置されている。
また、原料供給管22の噴出口は、先端21Aに開口するとともに中心軸J上に配置され、原料供給管22から供給される無機質原料粉末Mを球状化部3の内部空間3Aに向けて噴出する。
本実施形態においては、原料供給管22及びその噴出口を単管及び単孔で構成してもよいが、複数で設けられていても構わない。
気体燃料供給管23は、燃料供給源81に接続されており、この燃料供給源81から気体燃料G1が供給される。また、燃料供給源81と気体燃料供給管23との間には、気体燃料制御弁51が設けられており、この気体燃料制御弁51によって気体燃料G1の流量を調整する。
支燃性ガス供給管24は、支燃性ガス供給源82に接続されており、この支燃性ガス供給源82から支燃性ガスG2が供給される。また、支燃性ガス供給源82と支燃性ガス供給管24との間には、支燃性ガス制御弁52が設けられており、この支燃性ガス制御弁52によって支燃性ガスG2の流量を調整する。
これらのうち、無機質原料粉末Mが融点の高い粒子である場合には、より高い火炎温度が得られるという観点からは、可燃性ガスとしてH2を含む気体燃料G1を球状化用バーナ21に供給することが好ましい。
一方、NH3は、保管する際の圧力が低くて済み、輸送が容易であるとともに、H2に比べて安価であるというメリットがある。
また、発生する燃焼ガスの量や組成もNH3とH2とでは異なるため、被加熱原料である無機質原料粉末Mの特性に合わせて、気体燃料G1に含まれる可燃性ガスを選択することが好ましい。
球状化部3は、上述したように、球状化用バーナ21が一端3a側に取り付けられるともに、球状化用バーナ21による火炎が内部空間3Aに形成されるものであり、円筒形状の内部空間3Aを有する。また、球状化部3の他端3b側に、詳細を後述する助燃部4が配置されていることにより、球状化炉2全体として所謂「竪型炉」を構成している。球状化部3は、内部空間3Aにおいて、球状化用バーナ21で生成される高温の火炎によって無機質原料粉末Mを溶融・球状化し、無機質球状化粒子Pを生成する。
助燃部4は、上述したように、図示例のような竪型炉として構成される球状化炉2において、球状化部3に対して、球状化用バーナ21と軸方向(中心軸Jに沿った方向)で反対側に、球状化部3と連通するように配置され、この球状化部3とともに、竪型炉である球状化炉2を構成する。また、助燃部4の炉壁4Bには、内部空間4Aに火炎を形成するか、あるいは、内部空間4Aに支燃性ガスG4を供給するための複数の助燃用バーナ42が設置されており、図2に示す例では、球状化炉2の中心軸Jに沿って、4箇所ずつ2列で合計8箇所に設置されている。また、図示例の助燃部4は、他端4b側に下部カバー47が設けられている。
一方、排ガスG5中におけるNH3の濃度が基準値を超えておらず、且つ、助燃部4の炉内温度がNH3の自己発火温度以上である場合には、助燃用バーナ42を消火させるか、又は、助燃用バーナ42に供給する気体燃料G3と支燃性ガスG4との流量比を調整することにより、これら気体燃料G3及び支燃性ガスG4の消費量を抑制する。
本実施形態の製造装置1においては、球状化炉2の最後段側、即ち、助燃部4の他端4bの下部カバー47の近傍に、気体供給ブロワ36で発生した空気からなる搬送気体G7が導入される導入口44と、球状化炉2内で生成された無機質球状化粒子Pを搬送気体G7によって外部に搬送するとともに、球状化炉2内で発生した排ガスG5を外部に排出するための導出口45が備えられている。そして、導出口45にはサイクロン6が接続されており、さらに、サイクロン6の後段側には、バグフィルター7が接続されている。
サイクロン6は、球状化炉2で得られた無機質球状化粒子Pが搬送気体G7によって内部に搬送、導入され、無機質球状化粒子Pのうち、粗粒を捕集して回収する。回収された無機質球状化粒子Pの粗粒は、サイクロン6の下部に設けられた搬出バルブ61を介して外部に排出される。
なお、搬送気体G7は、気体供給ノズル34によって球状化部3に供給される気体G6と同様、気体供給ブロワ36で発生した空気からなる気体である。
サイクロン6としては、従来からこの分野で用いられているものを何ら制限無く採用することができる。
バグフィルター7は、球状化炉2で得られた無機質球状化粒子Pのうち、サイクロン6で回収された粗粒以外のものが気体G6によって搬送、導入され、微粒を捕集して回収する。回収された無機質球状化粒子Pの微粒は、バグフィルター7の下部に設けられた搬出バルブ71を介して外部に排出される。
バグフィルター7としても、従来からこの分野で用いられているものを何ら制限無く採用することができる。
本実施形態において説明する無機質球状化粒子の製造方法は、上記構成とされた本実施形態の無機質球状化粒子製造装置を用いて無機質球状化粒子を製造する方法である。
即ち、図1に示すような製造装置1を用い、球状化炉2で無機質球状化粒子Pを生成させ、球状化炉2の後段側に配置されたサイクロン6によって無機質球状化粒子Pの粗粒を捕集するとともに、サイクロン6の後段側に配置されたバグフィルター7によって無機質球状化粒子Pの微粒を捕集する方法である。
この際、無機質球状化粒子Pは、サイクロン6によって粗粒分が捕集され、比較的大径の無機質球状化粒子Pとして、製品粒子とされる。
また、サイクロン6で粗粒分が回収された後の無機質球状化粒子Pは、バグフィルター7によって細粒分が捕集され、比較的小径の無機質球状化粒子Pとして、製品粒子とされる。
以上説明したように、本実施形態の無機質球状化粒子製造装置1によれば、球状化炉2が、球状化用バーナ21に供給する燃料として、炭素源を含まない可燃性ガスを含有する気体燃料G1を供給する構成を採用している。このように、炭素源を含まない気体燃料G1を用いた球状化用バーナ21を採用することで、燃焼時に発生する二酸化炭素(CO2)を大幅に削減できるとともに、燃料中の炭素源に起因する煤の発生を抑制できるので、製品となる無機質球状化粒子P中への固体炭素の混入を抑制することが可能となる。
従って、製造設備や工程を複雑化させることなく、製品品質に優れた無機質球状化粒子Pを歩留まりよく且つ安全に製造することが可能になる。
従って、工程を複雑化させることなく、製品品質に優れた無機質球状化粒子Pを歩留まりよく且つ安全に製造することが可能になる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記のような特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
[製造条件]
本実施例においては、図1~図3に示すような、本発明に係る無機質球状化粒子製造装置1を用いて実験を行った。
具体的には、原料供給器83から原料供給管22に供給する無機質原料粉末Mとして、平均粒度:30μmのシリカ粉末:20kg/hを、酸素(キャリアガス):7.5Nm3/hで搬送した。
また、気体燃料供給管23に供給する気体燃料G1として、アンモニアガス(NH3):32Nm3/hを用いるとともに、支燃性ガス供給管24に供給する支燃性ガスG2として、酸素:24Nm3/hを用い、球状化部3の内部空間3Aに向けて火炎を形成した。
そして、無機質原料粉末Mを火炎中に噴出させて加熱することにより、溶解・球状化させることにより、無機質球状化粒子Pのサンプルを得た。
上記条件及び手順で得られた無機質球状化粒子Pについて、市販の測定装置を用い、従来公知に方法で、粒子中に含まれる炭素濃度を測定した。
比較例においては、上記実施例と同様の構成を有する製造装置を用いるとともに、バーナの気体燃料供給管に供給する気体燃料として、液化プロパンガス(LPG):5Nm3/hを用いた点以外は、実施例と同様の条件及び手順で無機質球状化粒子を製造し、同様の方法で評価した。
上記評価試験の結果、本実施例で得られた無機質球状化粒子Pは、粒子中に含まれる炭素濃度が0.001(wt%)以下であり、非常に低く抑制されていることが確認できた。
ここで、本実施例では、球状化用バーナ21に供給する気体燃料G1として、炭素源を含まないNH3を用いていることから、無機質球状化粒子P中に含まれる微量の炭素も燃料に由来するものではなく、系外からの不純物等に由来するものと考えられる。
これは、本比較例においては、気体燃料としてLPGを用いているため、燃焼による排ガス中に、気体燃料中に含まれる炭素源に由来する大量の煤等が含まれることから、この煤が粒子中に大量に入り込むか、あるいは、粒子表面に大量に付着したものと考えられる。
2…球状化炉
2A…内部空間
21…球状化用バーナ
21A…先端
22…原料供給管
23…気体燃料供給管
24…支燃性ガス供給管
3…球状化部
3a…一端
3b…他端
3A…内部空間
3B…炉壁
31…圧力センサ
32…球状化部温度計
33…ガスモニター
34…気体供給ノズル
35…流量制御弁
36…気体供給ブロワ
4…助燃部
4a…一端
4b…他端
4A…内部空間
4B…炉壁
41…助燃部温度計
42…助燃用バーナ
43…ガスモニター
44…導入口
45…導出口
46…助燃制御部
47…下部カバー
51…気体燃料制御弁
52…支燃性ガス制御弁
53…キャリアガス制御弁
54…燃料流量制御バルブ
55…支燃性ガス流量制御バルブ
56…気体送出開閉弁
57…ガス抜き開閉弁
58…気体排出開閉弁
6…サイクロン
61…搬出バルブ
7…バグフィルター
71…搬出バルブ
72…バグフィルター温度計
73…吸引ブロワ
81…燃料供給源
82…支燃性ガス供給源
83…原料供給器
J…中心軸
G1…気体燃料
G2…支燃性ガス
G3…気体燃料
G4…支燃性ガス
G5…排ガス
G6…気体
G7…搬送気体
G8…キャリアガス
Claims (8)
- 火炎中に無機質原料粉末が吹き込まれることで該無機質原料粉末を溶融・球状化する球状化用バーナを備えた球状化炉を有してなる無機質球状化粒子製造装置であって、
前記球状化炉は、前記球状化用バーナに供給する燃料として、炭素源を含まない気体燃料を供給し、
前記球状化炉は円筒形状とされるとともに、一端側に前記球状化用バーナが取り付けられ、且つ、前記球状化用バーナによる火炎が内部空間に形成される球状化部を備え、
前記球状化部は、前記内部空間が円筒形状とされ、且つ、前記球状化部の内径D1と、前記球状化部の前記内部空間における軸方向の長さL1とが、次式{2≦L1/D1≦5}で表される関係を満たし、
前記球状化炉は、さらに、前記球状化部の他端側に連通して配置される助燃部を備えており、
前記助燃部は、内部空間が円筒形状とされ、且つ、前記助燃部の内径D2と、前記球状化部の内径D1との関係が、次式{D1<D2}で表される関係を満たすことを特徴とする無機質球状化粒子製造装置。 - 前記球状化部は、該球状化部の炉壁に、前記球状化部の炉内における雰囲気温度を調整するための気体を供給する気体供給ノズルと、前記球状化部の炉内圧力を計測する圧力センサと、前記球状化部の炉内温度を測定する球状化部温度計と、前記球状化部の炉内におけるガス組成を測定するガスモニターと、が設置されており、
前記助燃部は、該助燃部の炉壁に、助燃用バーナと、前記助燃部の炉内温度を測定する助燃部温度計とが設置されているとともに、前記助燃用バーナには、燃料の流量を制御する燃料流量制御バルブ、及び、支燃性ガスの流量を制御する支燃性ガス流量制御バルブが接続されていることを特徴とする請求項1に記載の無機質球状化粒子製造装置。 - さらに、前記助燃部温度計によって測定された前記助燃部の炉内温度に基づき、前記助燃用バーナに供給する燃料及び支燃性ガスの流量を制御することにより、前記助燃部の炉内温度を一定の範囲内に保持する助燃制御部を備えることを特徴とする請求項2に記載の無機質球状化粒子製造装置。
- さらに、前記圧力センサで計測された前記球状化部の炉内圧力、前記球状化部温度計で測定された前記球状化部の炉内温度、前記ガスモニターによって測定された前記球状化部の炉内におけるガス組成に基づき、前記球状化用バーナに供給する気体燃料及び支燃性ガスの流量を制御する燃焼制御部を備えることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の無機質球状化粒子製造装置。
- 前記燃焼制御部は、前記気体供給ノズルに供給する前記気体の流量を制御することを特徴とする請求項4に記載の無機質球状化粒子製造装置。
- さらに、前記助燃部温度計によって測定された前記助燃部の炉内温度に基づき、前記助燃用バーナに供給する燃料及び支燃性ガスの流量を制御することにより、前記助燃部の炉内温度を一定の範囲内に保持する助燃制御部を備え、
前記助燃制御部は、前記助燃部の炉内温度を450℃以上に保持するように、前記助燃用バーナに供給する燃料及び支燃性ガスの流量を制御することを特徴とする請求項3~請求項5の何れか一項に記載の無機質球状化粒子製造装置。 - 前記炭素源を含まない気体燃料が、アンモニアガス又は水素ガスの少なくとも何れかであることを特徴とする請求項1~請求項6の何れか一項に記載の無機質球状化粒子製造装置。
- 請求項1~請求項7の何れか一項に記載の無機質球状化粒子製造装置を用い、前記球状化炉で無機質球状化粒子を生成させ、前記球状化炉の後段側に配置されたサイクロンによって前記無機質球状化粒子の粗粒を捕集するとともに、前記サイクロンの後段側に配置されたバグフィルターによって前記無機質球状化粒子の微粒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。
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