JPH1192131A - 無機質球状化粒子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無機質球状化粒子製造用のバーナーにおける
最適運転条件を迅速かつ的確に特定することができ、効
率的に無機質原料粉体を溶融して球状化することができ
る無機質球状化粒子の製造方法を提供する。 【解決手段】 酸素・ガス燃焼バーナーの火炎中で無機
質粉体原料を溶融球状化して無機質球状化粒子を製造す
るにあたり、前記火炎の中心軸における燃焼ガスの流速
が毎秒２０ｍに低下するバーナー先端からの距離Ｌｘ20
［ｍｍ］を、Ｌｘ20＝Ｌｏ×（Ｑ／１０９）^1/3 （式
中、Ｌｏは定数であって１００〜４００の範囲、Ｑは１
時間当たりの燃料の低発熱量［Ｍｃａｌ／ｈ］であって
１０９〜１３００の範囲）の範囲内に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無機質球状化粒子
の製造方法に関し、詳しくは、無機質粉体原料を酸素・
ガス燃焼バーナーの火炎中に通して溶融球状化すること
により、無機質球状化粒子を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】無機質球状化粒子、例えば球状化シリカ
粒子は、一般に、無機質粉体原料を酸素・ガス燃焼バー
ナーの２０００Ｋ以上の燃焼火炎（燃焼ガス）中に通し
て溶融球状化することにより製造されている。図１は、
酸素・ガス燃焼バーナーを用いた無機質球状化粒子の製
造装置の一例を示すもので、原料粉体は、通常のフィー
ダー１から切り出され、経路２から供給されるキャリア
ガスに同伴されて酸素・ガス燃焼バーナー３に搬送され
る。この酸素・ガス燃焼バーナー３には、酸素供給設備
４からの酸素と、ＬＰＧ供給設備５からの燃料ガスとが
供給されている。炉６内の火炎中で球状化した粒子は経
路７から炉６内に導入された空気により温度希釈され、
後段のサイクロン８やバグフィルター９で回収される。

【０００３】また、図２及び図３は、上記装置に用いら
れる酸素・ガス燃料バーナー３の一例を示すものであ
る。この酸素・ガス燃料バーナー（以下、バーナーとい
う）３は、拡散型のバーナーであって、中心から順に、
酸素又は酸素富化空気をキャリアガスとして原料粉体を
供給する原料粉体供給路１１と、原料粉体供給路１１の
外周に配置された燃料ガス供給路１２と、燃料ガス供給
路１２の外周に配置された酸素供給路１３と、酸素供給
路１３の外周に設けられた冷却水通路１４，１５とを有
する同心５重管構造に構成されており、先端部には、原
料粉体供給路１１，燃料ガス供給路１２及び酸素供給路
１３にそれぞれ噴出口を介して接続する燃焼室１６が設
けられている。

【０００４】上記燃焼室１６は、出口側が拡径したコー
ン形状に形成されており、該燃焼室１６と原料粉体供給
路１１との間には、小孔からなる原料粉体噴出口１７を
多数有する粉体拡散板１８が装着されている。また、燃
焼室１６と燃料ガス供給路１２との間には、燃料噴出口
１９が設けられ、燃焼室１６と酸素供給路１３との間に
は、上流側の第１噴出口２０と下流側の第２噴出口２１
とが設けられている。通常、原料粉体噴出口１７は、燃
焼室出口方向に向かって放射状に広がる方向に形成さ
れ、燃料噴出口１９は、粉体拡散板１８を囲繞するよう
に設けられる。さらに、第１噴出口２０は、燃焼室１６
内に旋回流を形成するように、また、第２噴出口２１
は、燃焼室１６の中心軸方向に収斂するように、それぞ
れ酸素の噴出方向が設定されている。

【０００５】上記構造のバーナー３は、逆火を生じるお
それがなく、原料粉体の平均粒径に適合した球状化処理
を実現できるという利点を有している。また、このバー
ナー３は、燃焼室１６の形状や各噴出口の径、個数又は
ガス流量によって燃焼ガスの流速分布や温度分布の異な
るものを提供することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなバーナーを用いて無機質球状化粒子を製造するに際
しては、供給する原料の形状や性質、生産量等に応じて
予備試験を行い、試行錯誤的に最適な運転条件を特定す
る必要があった。

【０００７】そこで本発明は、無機質球状化粒子製造用
のバーナーにおける最適運転条件を迅速かつ的確に特定
することができ、効率的に無機質原料粉体を溶融して球
状化することができる無機質球状化粒子の製造方法を提
供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、シリカをバーナー火炎中で溶融球状
化する際のバーナー火炎の温度分布や流速分布等が、溶
融球状化効率にどのように影響するかについて種々考究
した。その結果、溶融球状化に対してバーナー火炎中の
燃焼ガスの流速分布が大きな影響を与えることを知見し
た。

【０００９】すなわち、無機質球状化粒子の製造におい
て、バーナー火炎中で無機質原料粉体を溶融させて球状
化するためには、原料粉体を溶融させることができる温
度範囲を十分に広く分布させることと、原料粉体をその
温度範囲内に十分な時間滞留させることとが必要であ
る。

【００１０】例えば、溶融温度以上の範囲が広く分布し
ていても、その温度範囲内での原料粉体の滞留時間が短
ければ、原料粉体を十分に溶融させることができないた
め、球状化粒子の製造効率は低くなる。

【００１１】したがって、酸素・ガス燃焼バーナーの燃
焼火炎として、原料粉体を溶融可能な温度範囲が広く、
かつ、その温度範囲内に原料粉体を長時間保持すること
ができる燃焼火炎が得られれば、球状化粒子の製造効率
を向上させることができる。

【００１２】本発明の無機質球状化粒子の製造方法は、
前記知見に基づいて成されたものであって、酸素・ガス
燃焼バーナーの火炎中で無機質粉体原料を溶融球状化し
て無機質球状化粒子を製造する方法において、前記火炎
の中心軸における燃焼ガスの流速が毎秒２０ｍに低下す
るバーナー先端からの距離Ｌｘ20［ｍｍ］を、Ｌｘ20＝
Ｌｏ×（Ｑ／１０９）^1/3 （式中、Ｌｏは定数であって
１００〜４００の範囲、Ｑは１時間当たりの燃料の低発
熱量［Ｍｃａｌ／ｈ］であって１０９〜１３００の範
囲）の範囲内に設定することを特徴としている。

【００１３】なお、上述の火炎の状態は、酸素・ガス燃
焼バーナーを炉内あるいは開放系に設置して原料粉体を
供給することなく、酸素及び燃料の供給量や流速、バー
ナーノズルの形状等を調節することにより得たものでよ
く、上記状態の火炎が得られる条件を設定してから実際
の運転に用いるようにすればよい。

【００１４】上述のように燃焼ガスの流速を制御するこ
とにより、溶融球状化を高効率で行うことができる。一
方、火炎の中心軸における燃焼ガスの流速が毎秒２０ｍ
に低下するバーナー先端からの位置が、１時間当たりの
燃料の低発熱量Ｑ［Ｍｃａｌ／ｈ］が１０９〜１３００
の範囲において、１００×（Ｑ／１０９）^1/3 ｍｍ未満
の場合は、黒煙が発生するなど、正常な火炎を形成する
ことが困難となり、満足に溶融球状化することができな
くなる。また、４００×（Ｑ／１０９）^1/3 ｍｍを超え
る場合も、溶融球状化効率が低下する。これは、燃焼ガ
スの流れが速いために、溶融温度以上の範囲における原
料粉体の滞留時間が短くなるためなどの影響と考えられ
る。

【００１５】

【実験例】

実験例１ まず、無機質球状化粒子である球状シリカ粒子は、通
常、天然の水晶（α−石英）を粉砕した粉体原料をバー
ナーに供給し、バーナー火炎中で溶融状態を経て球状化
されて得られる。水晶が溶融状態を経て固化すると結晶
性が失われ、無定形（アモルファス）のガラス状態とな
る。

【００１６】したがって、原料の水晶砕粉粒子が、どの
程度球状化したかの判定は、得られた球状粉のガラス化
率で表すことができる。すなわち、ガラス化率が０％の
ときは、水晶粉が全く溶融状態を経ていないことを意味
し、球状化率も０％である。一方、原料水晶粉の全量を
球状化するためには、全ての原料水晶粉が溶融状態を経
ることが必須であり、このときのガラス化率は１００％
になる。このガラス化率は、粉末Ｘ線回折法によるα−
石英の（１０１）面の回折線の強度の相対比によって求
めることができる。すなわち、原料粉末の回折線強度を
Ｉｏとし、球状化粉の回折線強度をＩｓとすれば、次式
によりガラス化率ηを算出することができる。なお、無
機質球状化粒子を工業的に製造するに際しては、ガラス
化率ηが８５％以上であれば十分といえる。 η［％］＝｛（Ｉｏ−Ｉｓ）／Ｉｏ｝×１００

【００１７】まず、図４に示すようにバーナー先端部の
開口径Ｄが小さいバーナーＡと、図５に示すようにバー
ナー先端部の開口径Ｄが大きい２種類のバーナーを製作
した。なお、両バーナーの基本的な構造は、前記図２及
び図３に示したバーナーと同じであるから、同一要素の
ものには同一符号を付しておく。

【００１８】最初に、両バーナーＡ，Ｂを、炉内ではな
く開放系に設置し、両者の燃焼ガスの流速分布について
検討した。燃料ガスであるＬＰＧを５Ｎｍ^３／ｈ、支燃
性ガスとしての主酸素ガスを１７．５Ｎｍ^３／ｈ、原料
水晶粉を搬送するためのキャリアガスとしての酸素ガス
を７．５Ｎｍ^３／ｈでそれぞれ供給し、このときの温度
分布と流速分布とを測定した後、前記キャリアガスに同
伴させて原料水晶粉を１０〜３０ｋｇ／ｈで供給し、火
炎中の粉体試料を採取した。なお、１Ｎｍ^３当たりのＬ
ＰＧの低発熱量Ｑを、２１．８Ｍｃａｌとすると、この
ときの１時間当たりの低発熱量Ｑは、１０９Ｍｃａｌ／
ｈとなる。

【００１９】火炎温度（燃焼ガス温度）の測定は、火炎
温度を直接測定することが困難なため、火炎中の所定位
置のガスを採取し、そのガス組成を分析することにより
温度を算出した。すなわち、物質収支，化学平衡及びエ
ネルギー保存則に基づいて平衡温度を算出し、火炎中の
その位置における温度とした。また、流速分布は、所定
位置にピトー管を配して直接測定した。さらに、採取し
た粉体試料は、Ｘ線回折により上述のようにしてガラス
化率ηを測定した。

【００２０】図６は、開口径が小さいバーナーＡにおけ
る燃焼ガスの温度分布と流速分布とを示すもので、図７
は、開口径が大きいバーナーＢにおける燃焼ガスの温度
分布と流速分布とを示すものである。各図において、横
軸のＬｘは、バーナー先端（図において右端）からの距
離を、縦軸のＬｙは、バーナーの中心軸、即ち火炎の中
心軸（図において上端）からの距離を、それぞれ表して
いる。なお、火炎は、中心軸（Ｌｙ＝０）を中心として
同心状に同じ温度分布及び流速分布で広がっている。

【００２１】図６及び図７から、各バーナーから発生し
た燃焼ガスの温度及び流速は、Ｌｘ、Ｌｙの増加に伴っ
て低下していることがわかる。しかし、開口径が小さい
バーナーＡでは、開口径が大きいバーナーＢに比べてバ
ーナーからの火炎の噴出速度が高く、燃焼ガスの流速の
低下が緩やかで温度低下が急激であるのに対し、バーナ
ーＢでは、急速に燃焼ガスの流速が低下する反面、温度
低下が緩やかであることがわかる。

【００２２】また、燃焼ガスの流速分布に注目すると、
バーナーＡでは、中心部の温度が２０００Ｋに低下する
Ｌｘ＝４００ｍｍの地点でも毎秒６０ｍ以上の高速であ
ることから、バーナーから噴出した原料粉体は、極短時
間で燃焼火炎の高温域を通過してしまうため、十分な溶
融球状化を行えないであろうと判断される。一方のバー
ナーＢにおいては、燃焼ガスの温度が２０００Ｋ以上の
部分で毎秒２０ｍ以下に低下している。したがって、バ
ーナーから噴出した原料粉体が高温領域に比較的長時間
滞留する状態になるため、十分な溶融球状化が行えると
予測される。

【００２３】表１は、両バーナーＡ，Ｂの火炎中から採
取した試料のガラス化率η［％］と採取位置における温
度［Ｋ］（括弧内に表示）とを示すもので、この表か
ら、バーナーＡに対してバーナーＢは、全般的にガラス
化率が高いことがわかる。さらに、バーナーＢの燃焼ガ
スは、バーナー先端からの距離Ｌｘが４００ｍｍの地点
でも、中心部は２０００Ｋ以上の温度を維持しているこ
とから、これより先においても溶融球状化が進むと思わ
れる。

【００２４】

【表１】

【００２５】これらの結果から、バーナーの開口径（燃
焼室体積）が変化することによって燃焼ガスの温度分布
及び流速分布が変化し、これに伴ってガラス化率も変化
することがわかる。

【００２６】実験例２ 開口径Ｄが２８ｍｍ，４８ｍｍ，６７ｍｍ，１０２ｍｍ
の４種類のバーナーを製作して図１に示す装置にそれぞ
れ装着し、ガスの供給量等を実験例１と同様にしてシリ
カの球状化実験を行い、ガラス化率ηを算出した。そし
て、開放系での燃焼試験によって火炎の中心軸上におけ
る燃焼ガスの流速を測定し、これが毎秒２０ｍに低下す
るバーナー先端からの距離Ｌｘ20を求めた。その結果を
表２に示す。また、図８には、火炎の中心軸上における
燃焼ガスの流速が毎秒２０ｍに低下するバーナー先端か
らの距離Ｌｘ20とガラス化率ηとの関係を示す。なお、
開口径Ｄを１０２ｍｍにしたバーナーは、正常な火炎が
形成されなかった（表中に「×」印で示す。以下同
じ。）。

【００２７】

【表２】

【００２８】この結果から、火炎の中心軸における燃焼
ガスの流速が毎秒２０ｍに低下するバーナー先端からの
距離Ｌｘ20が、バーナー先端から１００〜４００ｍｍの
範囲、すなわち、ＬＰＧの供給量が５Ｎｍ^３／ｈで、１
時間当たりの低発熱量Ｑが１０９Ｍｃａｌ／ｈの場合に
は、Ｌｘ20＝１００〜４００×（１０９／１０９）^{1/ 3}
＝１００〜４００ｍｍの範囲内になるように設定するこ
とにより、高効率で溶融球状化が行えることがわかる。

【００２９】実験例３ 実験例１，２で使用したバーナーをもとにして、ＬＰＧ
量１２．５Ｎｍ^３／ｈ（１時間当たりの低発熱量Ｑ＝２
７２．５Ｍｃａｌ／ｈ）にスケールアップしたバーナー
を製作した。燃焼室１６，原料粉体噴出口１７，燃料噴
出口１９，第１噴出口２０，第２噴出口２１の各直径
は、ＬＰＧ量や酸素量（主酸素ガス４８．５Ｎｍ^３／
ｈ，キャリアガス１４Ｎｍ^３／ｈ）に比例させてスケー
ルアップをそれぞれ行い、各ガスの噴出流速が等しくな
るようにした。開口径Ｄは、４４ｍｍ，７６ｍｍ，９６
ｍｍ，１６３ｍｍの４種類とした。

【００３０】上述の４種類のバーナーを使用し、実験例
２と同様にして流速が毎秒２０ｍに低下するバーナー先
端からの距離Ｌｘ20とガラス化率ηとを測定した。各開
口径Ｄにおける距離Ｌｘ20及びガラス化率ηの測定結果
を表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】実験例４ 実験例３と同様にして、ＬＰＧ量３０．０Ｎｍ^３／ｈ
（１時間当たりの低発熱量Ｑ＝６５４Ｍｃａｌ／ｈ）、
主酸素ガス量４８．５Ｎｍ^３／ｈ，キャリアガス量１４
Ｎｍ^３／ｈにそれぞれ対応するように各部をスケールア
ップし、開口径Ｄが６９ｍｍ，１１８ｍｍ，１６３ｍ
ｍ，２５２ｍｍの４種類のバーナーを製作した。この４
種類のバーナーを使用し、実験例２と同様にして距離Ｌ
ｘ20とガラス化率ηとを測定した。各開口径Ｄにおける
距離Ｌｘ20及びガラス化率ηの測定結果を表４に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】実験例５ 実験例３と同様にしてＬＰＧ量６０．０Ｎｍ^３／ｈ（１
時間当たりの低発熱量Ｑ＝１３０８Ｍｃａｌ／ｈ）、主
酸素ガス量２５０Ｎｍ^３／ｈ，キャリアガス量５０Ｎｍ
^３／ｈにそれぞれ対応するようにスケールアップし、開
口径Ｄが９７ｍｍ，１６６ｍｍ，２３０ｍｍ，３５７ｍ
ｍの４種類のバーナーを製作した。この４種類のバーナ
ーを使用し、実験例２と同様にして距離Ｌｘ20とガラス
化率ηとを測定した。各開口径Ｄにおける距離Ｌｘ20及
びガラス化率ηの測定結果を表５に示す。

【００３５】

【表５】

【００３６】図９に、実験例２〜５における距離Ｌｘ20
とガラス化率ηとの関係を示す。また、実験例２〜５の
結果から、１時間当たりのガス燃料の低発熱量Ｑに対し
て高効率で溶融球状化が行える距離Ｌｘ20の範囲を求め
ると、表６及び図１０に示すようになる。

【００３７】

【表６】

【００３８】そして、図１０に示した距離Ｌｘ20の上限
及び下限の曲線Ｕ，Ｌは、表６の測定値から算出した近
似曲線であり、１時間当たりのガス燃料の低発熱量Ｑが
１０９〜１３００Ｍｃａｌ／ｈの範囲の任意の発熱量の
バーナーを使用した場合において、曲線Ｕは、Ｌｘ20＝
４００×（Ｑ／１０９）^1/3 で表すことができ、曲線Ｌ
は、Ｌｘ20＝１００×（Ｑ／１０９）^1/3 で表すことが
できる。したがって、１時間当たりの燃料の低発熱量Ｑ
が１０９〜１３００Ｍｃａｌ／ｈの範囲において、火炎
の中心軸における燃焼ガスの流速が毎秒２０ｍに低下す
るバーナー先端からの距離Ｌｘ20が、図１０の曲線Ｕ，
Ｌの範囲内、すなわち、距離Ｌｘ20が、１００×（Ｑ／
１０９）^1/3 〜４００×（Ｑ／１０９）^1/3 の範囲内、
１００〜４００の範囲を定数Ｌｏで示せば、Ｌｘ20＝Ｌ
ｏ×（Ｑ／１０９）^1/3 範囲内であれば、高効率で溶融
球状化を行えることがわかる。

【００３９】なお、各実験例では、図２及び図３に示す
構造の酸素・ガス燃焼バーナーを用いたが、バーナーの
構造はこれに限定されるものではなく、本発明は、各種
の無機質球状化粒子製造用のバーナーにも適用すること
が可能であり、ＬＰＧ以外の他のガス燃料を使用するこ
ともできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の無機質球
状化粒子の製造方法によれば、無機質球状化粒子を効率
よく製造することが可能であり、運転条件の設定も容易
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 無機質球状化粒子の製造装置の一例を示す系
統図である。

【図２】 無機質球状化粒子製造用バーナーの一例を示
す断面図である。

【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

【図４】 実験例１で用いた開口径が小さいバーナーの
断面図である。

【図５】 同じく開口径が大きいバーナーの断面図であ
る。

【図６】 実験例２における開口径が小さいバーナーの
燃焼ガスの温度分布と流速分布とを示す図である。

【図７】 実験例２における開口径が大きいバーナーの
燃焼ガスの温度分布と流速分布とを示す図である。

【図８】 実験例２におけるバーナーの開口径と火炎の
中心軸上の燃焼ガスの流速が毎秒２０ｍに低下するバー
ナー先端からの距離Ｌｘ20とガラス化率ηとの関係を示
す図である。

【図９】 実験例２〜５における距離Ｌｘ20とガラス化
率ηとの関係を示す図である。

【図１０】 １時間当たりのガス燃料の低発熱量Ｑに対
して高効率で溶融球状化が行える距離Ｌｘ20の範囲を示
す図である。

【符号の説明】

１…フィーダー、３…酸素・ガス燃焼バーナー、４…酸
素供給設備、５…ＬＰＧ供給設備、６…炉、８…サイク
ロン、９…バグフィルター、１１…原料粉体供給路、１
２…燃料ガス供給路、１３…酸素供給路、１４，１５…
冷却水通路、１６…燃焼室、１７…原料粉体噴出口、１
８…粉体拡散板、１９…燃料噴出口、２０…第１噴出
口、２１…第２噴出口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素・ガス燃焼バーナーの火炎中で無機
   質粉体原料を溶融球状化して無機質球状化粒子を製造す
   る方法において、前記火炎の中心軸における燃焼ガスの
   流速が毎秒２０ｍに低下するバーナー先端からの距離Ｌ
   ｘ20［ｍｍ］を、Ｌｘ20＝Ｌｏ×（Ｑ／１０９）
   ^1/3 （式中、Ｌｏは定数であって１００〜４００の範
   囲、Ｑは１時間当たりの燃料の低発熱量［Ｍｃａｌ／
   ｈ］であって１０９〜１３００の範囲）の範囲内に設定
   することを特徴とする無機質球状化粒子の製造方法。