JPH059403A - カーボンブラツクの製造炉および製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 燃焼域、原料油注入域、反応域および反応停
止域を連設した炉形態において、反応域より下流側の炉
体が熱交換機能を備える金属製二重筒構造の冷却セルで
構成されたカーボンブラック製造炉。前記の製造炉を用
いて冷却セルに冷却水を流入し、熱交換機能により予熱
された温水を反応停止用クエンチ水の５〜10％範囲の量
で反応域に一次クエンチ水として循環導入するカーボン
ブラックの製造方法。 【効果】 アグリゲート凝集体分布がブロード化したカ
ーボンブラックを効率よく製造することができ、排出テ
ールガス量を減少させて捕集系統設備をコンパクト化す
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、省エネルギータイヤ用
に要求される巾広いアグリゲート凝集体分布を有するカ
ーボンブラックを効率よく得ることができ、かつ捕集系
統設備をコンパクト化することが可能なカーボンブラッ
クの製造炉および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、自動車の高性能化はタイヤ部材と
してのカーボンブラックにも厳しい特性要求を課してお
り、例えば省エネルギータイヤ用に対しては可及的にア
グリゲート凝集体分布がブロード化したカーボンブラッ
ク性状の開発が強く要請されている。

【０００３】従来、このような巾広いアグリゲート凝集
体分布のカーボンブラックを製造する手段として、原料
炭化水素油を発生炉の炉軸方向に多段に分割導入する方
法が有効とされている。例えば、米国特許第4071496 号
明細書にはベンチュリ型カーボンブラック製造炉におい
て、スロート域ベンチュリー後方拡大部と同出口広径円
筒拡大部へ炉周辺から放射状に原料油を分割導入する方
法によりアグリゲート凝集体分布をブロード化したカー
ボンブラックを得ることが開示されている。英国特許第
2151605 号明細書には、ベンチュリ型カーボンブラック
製造炉の前方収斂部および狭径スロート部へ原料油を２
段に分割導入することによりアグリゲート凝集体分布を
ブロード化させる低ヒステリシスカーボンブラックの製
造方法が示されている。また、特開平３−137167号公報
には、テーパー形状炉のテーパー部分に原料油を２段に
分割導入し、かつ２段目の原料油を炉内に導入する噴出
角度 (θ) を特定範囲に規制することでブロード化した
アグリゲート凝集体分布のカーボンブラックを得る本出
願人により開発された製造技術が開示されている。

【０００４】しかしながら、上記の先行技術はいずれも
原料油を分割導入して各注入域に温度分布を持たせるこ
とが共通要素となっており、多数本の原料油注入用ノズ
ル（二重筒水冷方式）を設置する必要があるため設置位
置の高温炉内において炉壁レンガ面に局所的な冷却現象
が生じ、また炉頭燃焼域で生成した燃焼ガスの流れに乱
れが起きるため、操業面での難点となるコークス化等の
発生を促す。

【０００５】また従来のカーボンブラック製造炉は、炉
の内壁が耐火レンガによって構築されているが、この内
張耐火材は最高温度部位でも耐火温度が約1900℃のアル
ミナ系 (ハイアルミナ質または超高アルミナ質) レンガ
が適用されているため、2000℃を越えるような燃焼ガス
流に接触させた場合には溶損などの現象が生じて炉操業
ができなくなる。このため、炉体を強制冷却する方法で
内張耐火炉材の保護を図る考案がなされており、例えば
カーボンブラック製造炉の本体をスチール製の２筒構造
とし、内筒部分にレンガを内張したうえで二重筒間隙に
空気を導入して炉冷し、ここで予熱された空気を燃焼用
空気として循環使用するプロセス（米国特許第3087796
号明細書) や、テーパー型カーボンブラック製造炉の内
張レンガ内にスチール製コイルを配置し、コイル内に冷
却水を送入するプロセス (米国特許第4619812 号明細
書) などが提案されている。

【０００６】これらの炉体を強制冷却する方法は、内張
耐火材のライフを効果的に延命化させることができる
が、炉構造としていずれも耐火レンガを炉本体に内張し
ているために、操業中、レンガ破片の剥離落下（スポー
リングによる損傷）および高温高流速ガスによる摩擦は
避けられず、これがグリットとして生成カーボンブラッ
ク中に混在して製品不良を生じる原因となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
よる炉構造とは異なり、カーボンブラックの熱分解生成
ゾーンとなる反応域以降の炉体を内張耐火材を全く使用
しない金属製の強制冷却二重筒構造としたカーボンブラ
ック製造炉と該製造炉を用いるカーボンブラックの製造
方法を提供するものである。

【０００８】本発明の第１の目的は、前記強制冷却構造
の炉設計により燃焼ガス温度を軸方向および断面方向で
引き下げる温度分布を持たせることにより生成するカー
ボンブラックのアグリゲート凝集体分布をブロード化さ
せることにある。また、本発明の第２の目的は、反応域
以降を強制的に外部冷却することに伴う燃焼ガス温度の
漸減化によって反応停止用のクエンチ水量を減少させ、
後工程の捕集系統設備をコンパクトにすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるカーボンブラック製造炉は、燃料を燃
焼させて高温燃焼ガスを生成させる燃焼域と、引き続く
高温燃焼ガス流に原料炭化水素を噴霧する原料油注入域
と、原料炭化水素を熱分解反応によりカーボンブラック
に転化させる反応域と、反応ガスを急冷して熱分解反応
を終結させる反応停止域とを連設した炉形態において、
前記反応域より下流側の炉体が熱交換機能を備える金属
製二重筒構造の冷却セルで構成されてなることを構造上
の特徴とする。

【００１０】本発明における燃焼域、原料注入域、反応
域および反応停止域を連設した炉形態自体は従来構造の
カーボンブラック製造炉と相違はないが、反応域より下
流側の炉体を熱交換機能を備える冷却セルで構成してい
る点が本発明の主要な要件となる。該冷却セルは、例え
ばステンレス鋼、銅、インコネル等の金属材料で二重管
ジャケット構造に形成され、端部に冷却媒体の送入管お
よび排出管を設置した管状体の１系列もしくは複数系列
を結合して原料注入域に連設されるが、細部の仕様は冷
媒が効率よく熱交換されるよう管内流速などを勘案して
適宜に設計される。この際、セル内での局部加熱を生じ
させないため、可及的にデッドスペースのない形状に設
計することが好ましい。冷却媒体としては、水または空
気が用いられる。

【００１１】上記構造のカーボンブラック製造炉を用い
る本発明によるカーボンブラックの製造方法は、冷却セ
ルに冷却媒体として水を流入し、熱交換機能により予熱
された温水を反応停止用クエンチ水の５〜10％範囲の量
で反応域に一次クエンチ水として循環導入することを構
成上の特徴とする。

【００１２】熱交換された温水を反応域に循環導入する
工程は、反応停止用クエンチ水量の減少化に伴って生じ
る生成カーボンブラックの表面多孔度の低下を是正する
ために重要な操作となるもので、この導入量が反応停止
用クエンチ水の５％未満ではカーボンブラック表面の多
孔度低下を十分に阻止する効果が現れず、他方、クエン
チ水の10％を越える量の温水導入は表面多孔度の上昇に
は効果があるが、冷却セルの炉内断面方向の温度分布を
小さくするばかりでなく、排出テールガス量が増大する
ためクエンチ水量を減少させた効果が減殺されることに
なる。熱交換温水の循環導入位置は、生成カーボンブラ
ックの表面に多孔度を形成するための水性ガス反応を助
長させる目的で反応域の上流側とすることが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明に係るカーボンブラック製造炉は、反応
域より下流側の炉体が冷却セルで構成されて強制冷却さ
れる構造となっているため、炉内を流通する燃焼ガス流
の温度は軸方向および断面方向に徐々に低下する温度分
布となり、この巾広い炉内温度分布が生成カーボンブラ
ックのアグリゲート凝集体分布をブロード化させるため
に機能する。この機能は従来技術のように原料油を分割
導入する必要なしに達成されるから、燃焼ガス流に乱れ
が生じることはなく、安定した炉操業が進行する。ま
た、炉壁には内張耐火材が一切使用されていないため、
カーボンブラックにレンガ破片等が混在する虞れは全く
生じることがない。

【００１４】従来の耐火断熱材料で構築されたカーボン
ブラック製造炉では、生成カーボンブラックを含む高温
ガス流を急冷するために反応停止用として多量のクエン
チ水が注入され、この関係でバッグフィルター等の捕集
工程に入るテールガス量は膨大となる。ところが、本発
明においては反応域以降が強制冷却された炉体で構成さ
れていて反応停止域に至る段階の燃焼ガス温度はかなり
低下しているため、クエンチ水量は通常の1/2 程度まで
減少させることが可能となる。これに伴ってテールガス
量も大幅に減少するので、後工程の捕集系統設備は相当
にコンパクト化することが可能となる。

【００１５】ところが、クエンチ水量の減少は生成カー
ボンブラックの表面多孔度を低下させる特性減退を招く
問題がある。この理由は、炉内で生じる下記の水性ガス
反応がクエンチ水の不足で抑制されることによるもので
ある。

【００１６】

【化１】

【００１７】本発明の製造方法による予熱された温水を
反応域に循環導入する操作は上記の現象を是正するため
に有効作用し、反応停止用クエンチ水の５〜10％範囲の
量で導入することにより上式の水性ガス反応が助長さ
れ、生成カーボンブラック表面に良好な多孔度組織が形
成される。

【００１８】上記のような種々の作用を介して、効率的
かつ安定した操業条件下でブロード化したアグリゲート
凝集体分布を備えるカーボンブラックを製造することが
可能となる。

【００１９】

【実施例】

実施例１〜４、比較例１〜３ 炉頭部に燃焼バーナーを設置したアルミナ質レンガ内張
の内径400mm(下流端部が内径60mmに狭径化) 、長さ500m
m 、耐火断熱層の厚さ200mm の燃焼域と、アルミナ質耐
火レンガにより内張された内径60mm、外径300mm 長さ20
0mm で炉軸と直角方向に装着された原料油噴射ノズルを
備える原料油注入域と、ステンレス鋼で作製された内径
60mm、外径80mm、長さ200mm の二重筒構造による冷却セ
ルを３系列結合した熱分解用の反応域と、内径60mmのス
テンレス鋼チューブにクエンチ用ノズルを設置した反応
停止域とを連設したカーボンブラック製造炉を構築し
た。この際、第１セルの冷却水排出管から出た温水を反
応域の上流側に一次クエンチ水として循環導入するため
のパイプラインを介設した。

【００２０】燃料にはプロパンを用いて燃焼バーナーか
ら供給し、冷却セルの冷却媒体には水または空気を用い
た。原料油は、外部混合型（２本）の噴射ノズルを介し
て周辺から霧化用窒素ガスとともに燃焼ガス流に対し放
射状に霧化噴射した。原料油としては、比重(15/4 ℃)
1.046、トルエン不溶分0.14％、相関係数(BMCI)134 、
硫黄分 0.1％、初留点 195℃、Ｎａイオン3.0ppm、Ｋイ
オン0.3ppmの芳香族炭化水素油を用いた。

【００２１】上記の製造炉を用いて製造したカーボンブ
ラックの特性を製造条件と対比させて表１に示した。な
お、比較例３として反応域から下流側も原料油注入域と
同様にアルミナ質耐火材で内張した従来構造炉を用いた
場合についても表１に併載した。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１の結果から、従来構造炉を用いた比較
例３では炉内温度分布が小さいため、生成カーボンブラ
ックのアグリゲート凝集体分布巾が狭く（ΔＤst低位)
、また多量のクエンチ水を導入するため排出テールガ
ス量が多く、熱的スポーリングで剥落したレンガ破片の
混入でグリット量が多くなっている。これに対し、本発
明構造のカーボンブラック製造炉を用い、熱交換温水を
クエンチ水の５〜10％の範囲の一次クエンチ水として反
応域に導入した実施例１〜４では、ΔＤstの大きいアグ
リゲート凝集体分布がブロード化したカーボンブラック
が得られ、クエンチ水量は比較例３に比べ1/2 程度に減
量できるため排出テールガス量も大幅に減少している。
このため、後工程の捕集系統設備のコンパクト化が可能
となる。

【００２４】しかし、熱交換温水を一次クエンチ水とし
て利用しない比較例１の場合には生成カーボンブラック
の表面多孔度が低下し、またクエンチ水量の10％を越え
る一次クエンチ水(11.0 ％) を反応域に導入した比較例
２の場合にはカーボンブラック表面多孔度は上昇するも
のの、排出テールガス量が多くなる。

【００２５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係るカーボンブ
ラックの製造炉および製造方法を用いればアグリゲート
凝集体分布がブロード化したカーボンブラックを効率よ
く製造することができ、また、排出テールガス量を減少
させて捕集工程の設備をコンパクト化することができ
る。そのうえ、反応域以降の炉体に内張耐火材が使用さ
れていないから、炉壁レンガの溶損劣化、剥落によるグ
リットの混入などの操業トラブルが発生することはな
い。したがって、省エネルギータイヤ用カーボンブラッ
クを量産する装置および方法として極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成さ
   せる燃焼域と、引き続く高温燃焼ガス流に原料炭化水素
   を噴霧する原料油注入域と、原料炭化水素を熱分解反応
   によりカーボンブラックに転化させる反応域と、反応ガ
   スを急冷して熱分解反応を終結させる反応停止域とを連
   設した炉形態において、前記反応域より下流側の炉体が
   熱交換機能を備える金属製二重筒構造の冷却セルで構成
   されてなるカーボンブラック製造炉。
2. 【請求項２】 請求項１のカーボンブラック製造炉を用
   いて冷却セルに冷却媒体として水を流入し、熱交換機能
   により予熱された温水を反応停止用クエンチ水の５〜10
   ％範囲の量で反応域に一次クエンチ水として循環導入す
   ることを特徴とするカーボンブラック製造方法。