JPS5817649B2 - 粉末状物質と反応ガスとの懸濁体を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は粉末状物質を反応空間中に環状流として流下せ
しめかつ反応ガスを粉末状物質の環状流を取囲むように
下方に導くことによって粉末状物質と反応ガスとの懸濁
体を製造する方法及びこの方法を実施するための装置に
関する。

反応ガス、と粉末状物質との懸濁体を反応空間中に供給
する場合、従来該懸濁体を適当な吹込装置の手前で形成
させるかあるいは吹込装置そのものによって形成させる
二通りの基本的方法が採用されてきた。

前者の方法は、炭塵燃焼装置の慣用の炭塵バーナーで使
用されているかあるいは空気輸送された微細鉱石又は精
鉱（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）がそのキャリヤーガスと
共に直接反応器中に吹込まれるような冶金装置で使用さ
れている。

この方法を採用する場合には、導入時の吹込速度を反応
の際逆火が起らないように調節せねばならない。

しかしながら、高度の予熱を必要とする場合には、懸濁
体の形成を出来るかぎり反応空間に近い所で行わねばな
らない。

同じことが、たとえば冶金硫化物精鉱と酸素との混合物
の場合のように、形成される懸濁体がきわめて反応性で
ある場合にもいえる。

かかる場合、懸濁体の形成を反応空間内で行うことはな
されていない。

本発明の目的は、反応する物質量の最初の接触が反応空
間内で起るために反応性の高い物質の懸濁体の形成にも
適用される懸濁体の製造方法及びこの方法に用いる装置
を提供することである。

懸濁体の形成に関する文献は種々あるが、その多くは、
空気輸送された微細固体の吹込による直接導入に関する
かあるいは懸濁体のジェット流が反応ガス中に生ずる圧
脈動によりエジェクタ一式に形成されて反応空間中に吹
込まれる装置に関するものである。

かようなジェット流は、１５〜２０°程度の頂角を有す
る円錐を構成し、このジェット流の中心で固体含有量が
最大となる。

この固体物質の分布の形状は主として固体物質の性質及
び懸濁体の流速により左右される。

燃焼溶融炉の反応シャフトのごとく、通常用られる円筒
状反応空間の場合には、以下の詳細な説明から明らかな
ように、この型の円錐状ジェット流の導入効率は小さい
。

かかる円錐状ジェット流の導入効率を改良できる方法は
原則として二つある。

すなわち、供給地点の数をふやして数個の円錐を形成さ
せるかあるいはジェット流の頂角を横方向の速度成分を
ガスに与えることによって大きくすることが出来る。

懸濁体が反応性物質によって構成される場合には懸濁体
を反応空間のすぐ近くに至るまで形成させないことが有
利であり、好ましくは懸濁体を反応空間内で形成させる
ことが最も有利である。

懸濁体中の固体物質の割合は通常かなり大きく、特に冶
金用途の場合には大きくなる。

反応空間の天井張りの厚さ、供給装置の位置等に応じて
固体物質は懸濁体の形成地点に到達する前にある距離を
落下せねばならないので、その垂直方向の運動量はかな
り太きい。

従来の懸濁体形成法では、固体物質は該運動量及びその
質量慣性によって、反応ガスにより保有される水平方向
の速度成分を減衰させ、それによってジェット流を細く
する傾向がある。

本発明では、固体物質の落下運動エネルギーを利用して
、適当な形状の面により固体物質の運動方向を反応ガス
に対して横方向に偏向させることによって懸濁体ジェッ
ト流をより広くするものである。

かくして、反応ガスが水平方向の速度成分を有している
か否かに拘らず、ジェット流の頂角の増大が達成される
。

核部が固体物質のジェット流に対して中央に位置する場
合には、形成される懸濁体ジェット流は実験の結果放物
線の形となることが認められ、それによって反応空間に
対する導入効率が円錐形ジェット流の場合より本質的に
高くなる。

固体物質の分布は適当に配置された分散ガスジェットに
より調節できる。

かかるジェット流は、その末端の下方に位置しかつ懸濁
体を形成するガス流に対して横方向のノズル孔から出る
ガスジェット流であることが有利であり、かようなジェ
ット流の配置は当業者には自明もしくは実験より簡単に
決定されよう。

従って、本発明は、懸濁体を構成する固体物質のジェッ
ト流及び場合により分散ガスジェット流の運動エネルギ
ーを利用することによって、反応器中に流入する懸濁体
のジェット乱流を形成させかつその幅を広げ、それによ
って反応器の容積利用度を改良できる方法及び装置に関
するものである。

本発明によれば、反応空間内における懸濁体ジェット流
の形成及びその幅の広がりは、例えば下記のように反応
空間のカバーに設けられた装置により行われる。

微細固体物質を用いる場合、落下ジェット流は当分野で
既知の方法を適用して形成され、このジェット流は、最
適の場合に垂直面に平行な側線の曲率が該固体物質の滑
り方向に連続的に増大しかつ固体物質の滑り方向におけ
る末端が水平となるような滑り面に沿って進行せしめら
れる。

該末端の下方にはノズル孔が設けられ、そこから放射す
るガスジェット流は、滑り面によりほぼ水平方向に向け
られた該末端の上方を流れる固体物質のジェット流と合
流せしめられる。

反応ガスは該末端を経由後下方に流れて固体物質と混合
される。

この混合は、分散ジェット流により促進され、この分散
ジェット流は、同時に固体物質の分布を調節するのに使
用できる。

懸濁体は後記に示されるように、迅速かつ効果的に形成
され、形成された懸濁体のジェット流はその頂部ですぐ
に広くなり、反応空間を効率的に満す。

このため、反応空間を当初からより小さく構成できある
いは使用される装置の生産能力を高めることができる。

懸濁体が効率的に形成されかつその広がりが効率的に調
節できる結果、本発明による懸濁体の形成方法は、反応
ガスの速度が低くなるためエジェクターの原理により良
好な懸濁体を形成できないとされている低い設備能力の
場合でも有利である。

本発明によれば、操業の開始時においても低い反応ガス
速度を選択でき、それによって幾つかの利点が得られる
。

即ち、懸濁体の反応空間への放出口がより大きくなり、
これによっても反応空間の導入効率が改良され、反応ガ
スの圧損失が低減され、また導管及び通路の成形時に懸
濁体の形成法以外の考察に注意を払うことができる。

本発明では懸濁体の形成は反応空間内で起るため、高い
酸素濃度及び予熱条件の如き困難な状況下においてさえ
、部分的に反応した懸濁体による反応ガスの通路壁に及
ぼす破壊作用が生ずる恐れかない。

次に、下方に向けられたガスジェット流及びこの流れの
中心部に０〜１０ｍ／秒台の速度で落下する微細固体物
質の凝集流から、エジェクターの原理により生起する懸
濁体の自由ジェット流を形成させる方法について説明す
る。

自由ガスジェット流は公知の方法により頂角約１５〜２
０°の円錐形とする。

固体物質及びガスのジェット流の速度が共に低い場合に
は、固体物質のジェット流は凝集性のままであり、懸濁
体は形成されない。

この場合固体物質はガスジェット流にほとんど作用を及
ぼさない。

ガスの流速を固体物質のジェット流の落下速度より実質
的に高くすれば、懸濁体が形成される可能性が生ずる。

この場合固体物質の加速にはガスパルスが用いられ、そ
れによって懸濁体ジェット流の固体物質の速度が低下さ
れ、該ジェット流は膨張する傾向を示す。

固体物質の下方インパルスはこの膨張に逆らう傾向を示
す。

固体物質のこの不利な作用は、固体物質に水平速度成分
を与えることによって軽減もしくは回避できる。

固体物質を加速するために必要なガスジェット流のイン
パルス変化は、固体物質が当初下方速度成分を全くもし
くはほんのわずかしかもたない場合により大きくなるこ
とは当然である。

質量の増加による懸濁体ジェット流の膨張はその流れの
通路壁に障害を設ける場合には当然起り得す、制限のな
い流路から流出する懸濁体ジェット流は実質的に自由な
ガスジェット流の形状を有する。

次に本発明を添付図面を参照しつＮより詳細に説明する
。

第１図において、粉末状物質はコンベヤー１により供給
管２の上端に移送され、それによって第２Ａ図により詳
細に示されるように、反応空間５の頂端にある反応ガス
供給口１０に延びる供給管中を終始落下する。

反応ガス４は供給管２を取囲んでいる導管３から開口１
０を介して反応空間５に供給される。

第２Ａ図及び第２Ｂ図から認められるように、供給管２
の中にはより小さい直径の管６が同軸に設けられており
この管は供給管２の供給口中を下方に延び、湾曲した滑
り面を形成するようにホーン状に広がって落下する粉末
状物質の流れを分散かつ偏向させる。

滑り面はほぼ横方向に直角に位置する末端９を有する。

ホーン状の部分はその下端で閉鎖され、その周囲には多
数の小さい孔、好ましくは放射孔８が設けられており、
それによって管６を通じてホーン状の下部に導かれた分
散ガスを末端９から流出する粉末状物質に対してジェッ
ト流の形とし、その結果粉末状物質を分散せしめる。

ホーン伏滑り面７は末端９の位置において供給管２の供
給口の内径よりわずかに小さい直径を有し、それによっ
て粉末状物質の大部分を滑り面７上に落下させて粉末状
物質の運動方向を垂直からほぼ水平方向に変化せしめる
。

管６から供給されるガス流は粉末状物質と反応ガス流と
の混合を促進し、同時に反応空間中に突出するホーン状
部分を冷却する。

これは特に説明しなかったが、供給管２も冷却される。

供給管２の出口も、例えば滑り面７のホーン状部分と同
じ曲率で、下方に広がっていてもよい。

供給管２の内径と末端９で測定される滑り面の直径との
比は０．５〜１．２５が有利である。

滑り面７は好ましくは回転体形を有し、その曲率は末端
９に向かって次第に増大することが有利である。

ホーン状部分を中心軸に対して直角に切断した断面の輪
郭も、うねりがあるもしくは角があってもよいが、しっ
かりとしてかつ滑らかであることが好ましい。

滑り面７の高さと末端９の面で測定される平均半径との
比は４〜６であることが有利である。

本発明による分散装置は、分散された懸濁体ジェット流
が反応空間５の天井又は開口１０の壁に当らないように
、末端９が反応空間５の天井よりその直径と同程度下方
に位置するような高さで反応空間５内に延びることが有
利である。

粉末状物質の分配を促進するために、分散ノズル又は単
にその中央のホーン状部分をその垂直軸の周りに回転さ
せて遠心力を粉末状物質の拡展に利用することができる
。

次に本発明を実施例によって更に説明する。

実施例 １ 微細固体物質の落下ジェット流により運動量の方向を変
えるために、該固体を例えば円錐面の如き静止面に当て
るようにすることができる。

円錐の頂角の作用を明らかにするために、亜鉛粉末（８
０％く１４０μｍ）を自由空間内で０．４ｍの高さから
黄銅製の滑らかな面の円錐上に、円錐の頂点が直径６０
ｍｍの粉末ジェット流の中心と一致するように落下させ
る試験を行なった。

亜鉛粉末は放物線状のカーテンを形成し、粉末粒子の運
動経路の包絡線は円錐の種々の頂角において第３図の曲
線ａ ｔ ｂ ｔ ｃ ｔ ｄ ＋ ｅ及びｆにより示
される縦断面を呈した。

円錐の末端は原点に位置し、固体物質の円錐面上におけ
る水平方向の変位はすべて試験で同一にした。

第３図から、拡展効率は円錐の頂角が７０〜１００℃の
場合に最大となることが認められる。

実施例 ２ 反応空間の利用度を高めるにはジェット流は頂部におい
てできるだけ大きい幅を有することが望ましいから、固
体物質は拡展面を去る時にできるだけ水平に近い方向を
もつべきである。

この条件は垂直面内の輪郭が外方向に湾曲した拡展面に
より満される。

この型の最も簡単な形状として円弧を用いて実施例１と
同様に試験したところ、直円錐を用いて得られた結果よ
り明らかに優れた結果（第３図の曲線９）が得られた。

しかしながら、固体物質の移動方向に漸進的に増大する
曲率をもつ面を用いた場合にはより一層良好な結果が得
られた。

試験結果は第３図の曲線り、ｉ、ｊ及びｋにより示され
る。

試験条件及び固体物質の流れの水平方向変位は実施例１
の場合と同じにした。

これらの結果から、最良の結果（頂部で最大の幅をもつ
包絡線）は方程式ｙ＝ｋｘｎに従う縦断面の輪郭線をも
つ面を用いて得られることが認められる。

実施例 ３ 粒度が８０％＜ ０．５ ｍｍである砂を自由ジェット
流として直径Ｌｏｏｍｍの管から、方程式ｙ＝ｋｘｎに
従う垂直断面の輪郭線をもつ黄銅製の成形分散体上に落
下させた。

砂の流速は２５０００ｋｇ／時であった。

成形分散体の末端の上方を流れる砂は末端の下方２ｍの
位置において直径約２ｍの放物線状カーテンを形成した
。

この点におけるカーテンの厚さは約１５０〜２００ｍｍ
であった。

成形分散体の末端の下方に位置する開口から空気を水平
方向に３００ｍ″／時で吹込むと、該放物線の幅は最初
の高さにおいて約５ｍに達した。

水平面内の砂の分布は開口から流出するジェット流の配
置を変化させることによって変えることができた。

実施例 ４ 燃焼熔Ｍ？の反応シャフトのごとき竪型円筒状反応空間
の導入効率（ｎｖ）（Ｄ＝直径、Ｈ＝大天井らの距離）
を決定するために、導入口において所定の面積をもつ懸
濁体ジェット流により満される全反応空間容積の部分（
％）を計算した。

同様の計算は異なる形状の反応空間についても当然有効
である。

エジェクター型の懸濁体の形成についての結果は第４Ａ
、４Ｂ 、４Ｃ及び４Ｂ図に示される。

良好な導入効率を得るには多くのジェット流を用いる必
要があることは明らかである。

第４Ｄ及び４Ｂ図は本発明に従って変更を加えた懸濁体
ジェット流ａ −ｃに関して相当する結果を示す。

これらのジェット流は円錐状ジェット流の場合と同じ高
さにおいて反応空間の壁に当る。

注目すべきことに、きわめて高い生産能力の装置に関与
する比較的低いＨ／Ｄ比において効率が向上される。

実施例 ５ 燃焼溶融炉における選鉱バーナーとしてエジェクター型
ダブルコーンバーナーを用いた以外は第１図に示される
ような装置を用いた。

乾燥した供給混合物を該バーナー中を、供給装置から反
応シャフト上の火炎アークの下面までの距離約３．５ｍ
に亘って落下させた。

混合物（Ｃｕ精鉱物干砂十煙塵灰）の供給速度は３１５
００′に９／時であった。

酸素に富む予熱燃焼空気の流速は１７７００ｍ／時とし
た。

バーナーの絞り点の直径は４１０ｍｍであった。

火炎アークの下面の下方４ｍの位置において、固体物質
と熔融液滴との懸濁体ジェット流中の分布をこの目的に
設計された装置を用いて測定した。

測定結果（質量／表面積／時間）を第５Ａ図にグラフに
より示す。

この結果はジェット流の円錐角が約２０＠である典型的
なエジェクター型ジェット流の形成と一致することが認
められる。

実施例 ６ 実施例５で用いた選鉱バーナーに変更を加えて本発明に
従って操作できるようにした。

この変更は、第２図に示される原理に従って、選鉱管の
代りに実施例３に示される形状の分散成形体を有するＣ
ｅｎｔｒａｌ Ｊｅｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒを設け
ることによって行った。

反応シャフトの火炎アークの下面から末端までの距離は
１００ｍＮであった。

該成形体上に自由落下する精鉱ジェット流を水冷式二重
ジャケット管により燃焼空気から単離した。

成形体の末端の下方に設けられた装置から、分散冷却用
空気を８８ｍ／時の流速で吹込んだ。

非ガス状反応生成物の分布を実施例５と同様に測定した
。

測定結果を第５Ｂ図に示す。

この結果から懸濁体ジェット流の幅は著しく増大したこ
とが認められる。

第５図は懸濁体ジェット流の輪郭をスケッチしたもので
ある。

第５Ｂ図の場合利用される反応空間の部分（容積）は第
５Ａ図の場合より２倍以上に増加されることが計算によ
り判明される。

注目すべき別の事実は、冷却及び分散に必要な空気量が
全ガス流のわずか０．５％と低いことである。

実施例 ７ 固体物質の品質により及ぼされる影響を明らかにする目
的で、本発明による懸濁体形成法を、固体としてＣｕ精
鉱、Ｎｉ精鉱、Ｐｂ精鉱、Ｚｎ精鉱及び黄鉄鉱精鉱を用
いて手工業的規模の燃焼熔融炉中で実施した。

懸濁体の製造は効率的であり、エジェクター型の場合に
比してジェット流の拡大は頻著に認められた。

固体物質の密度及び粒度の差から生ずる懸濁体ジェット
流の質の変化は分散ガスジェット流の調節によって排除
できた。

Ｃｕ精鉱を用いる場合には、反応ガスとして工業用酸素
を、分散ガスとして空気を用いる方法も行なった。

懸濁体の形成は高い酸素含量の場合にも防げられなかっ
た。

実施例 ８ 実施例６の選鉱バーナーを銅精鉱の燃焼熔融炉内で用い
た。

中空分散成形体の底部の内側の温度を熱電対で測定した
ところ、この温度は反応シャフト内の温度が約１６００
°にの場合に操業巾約４００°にであった。

操業の中断の量分散体は水冷注入管２内で保護すること
ができた。

バーナーを６ケ月間使用後に調べたところ、なお継続し
て使用できる程良好な状態にあることが認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を燃焼溶融炉に適用した場合の装置を図
式的に示し、第２Ａ図は本発明の実施に用いられる好ま
しい装置の縦断面を示し、第２Ｂ図は第２Ａ図に示され
る装置の下部をより詳細に斜視等角投影で示す。 第３図は種々の成形体を用いた実験により得られた結果
（曲線ａ ＝ ｆは直円錐を用いた場合を、曲線ｇ−に
は本発明に従う成形体を用いた場合を示す）を示す。 第４Ａ図は竪型円筒状反応空間及びこの空間の中央に吹
込まれる円錐状懸濁体ジェット流の断面を図式的に示し
、第４Ｂ図は懸濁体ジェット流の数がｎ ＝ ４である
第４Ａ図と同様の断面を示し、第４Ｃ図はｎ ＝ ７で
ある第４Ｂ図と同様の断面を示し、第４Ｄ図は懸濁体ジ
ェット流の導入効率を図式的に示し、第４Ｅ図は第４Ａ
〜４Ｄ図の場合における反応空間の利用度をグラフによ
り示すものである。 第５Ａ図は従来法による懸濁体を用いて生産炉中でなさ
れた分布測定の結果を示し、第５Ｂ図は本発明の方法に
よる懸濁体を用いて生産炉中でなされた分布測定の結果
を示すものである。 図面において、１はコンベヤー、２は供給管、３は導管
、４は反応ガス、５は反応空間、６は管、７は滑り面、
８は小孔、９は末端、１０は開口を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉末状物質を反応空間中に環状流として流下シせし
   め、かつ反応ガスを粉末状物質の環状流を取囲むように
   下方に導くことによって、粉末状物質と反応ガスとの懸
   濁体を形成させるに当り、できる限り均質でかつ反応空
   間を充分に満す懸濁体を得るように、流下する粉末状物
   質の環状流の運動：エネルギーを利用して反応空間内に
   設けられた滑り面により、該環状流の横幅を次第に広げ
   、かくして横方向に広がった粉末状物質の流れを反応空
   間内で、該反応ガス流とほぼ直角に合流させることを特
   徴とする、粉末状物質と反応ガスとの懸濁・体を製造す
   る方法。 ２ 粉末状物質の横方向に広がった流れに対して、それ
   にほぼ平行に向けられた分散ガスジェット流の１つ以上
   を適用して粉末状物質の主分散及びその懸濁を促進させ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 粉末状物質を、反応室５の上部にある反応ガス供給
   口１０を通じて反応室中に下方に導入せしめる供給管２
   を設けた、粉末状物質と反応ガス４との懸濁体を形成さ
   せる装置において、少くとも一つの滑り而７を備えた管
   ６を供給管２の中央に設け、前記の滑り面は中心軸から
   漸進的に外方向に広がって末端９がほぼ水平となってい
   ることを特徴とする、粉末状物質と反応ガスとの懸濁体
   を製造する装置。 ４ 滑り面の末端の下部に、滑り面から流出する粉末状
   物質の流れ中に分散ガスジェット流を放出するためのほ
   ぼ水平方向の小孔を１個ないし数個設ける特許請求の範
   囲第３項記載の装置。 ５ 滑り面が供給管の中心軸に対して回転対称形を有し
   かつ、この中心軸から、供給管の出口より下方にある滑
   り面の末端に向って外方向に次第に湾曲している特許請
   求の範囲第３項又は第４項記載の装置。 ６ 滑り面の粉末状物質の流れ方向における曲率が、反
   応室内のほぼ水平の末端に向って供給管内のほぼ垂直の
   管状面から次第に増大する特許請求の範囲第５項記載の
   装置。 ７ 滑り面が、供給管内に同軸で設けられた下端が閉鎖
   した下方に延びるホーン状成形体であり、その管部の頂
   端が分散ガスの供給源に接続されており、かつその閉鎖
   下端の周囲に、ホーン状成形体の外面に沿って滑走して
   その末端から流出する粉末状物質の流れに向って分散ガ
   スを噴射するためのほぼ水平方向の小孔を複数個等間隔
   に設けたものである特許請求の範囲第３項ないし第５項
   の何れかに記載の装置。 ８ 供給管の内径対ホーン状成形体の末端における直径
   の比が、０．５〜１．２５である特許請求の範囲第７項
   記載の装置。 ９ ホーン状成形体の高さ対その末端における平均半径
   の比が約４〜６である特許請求の範囲第７項又は第８項
   記載の装置。 １０ 滑り面が、粉末状物質の流れの拡展を促進する
   ために、供給管の縦軸の周りに回転できるものである特
   許請求の範囲第３項ないし第９項の何れかに記載の装置
   。 １１ 供給管の出口が下方にフレア状になっている特
   許請求の範囲第３項ないし第１０項の何れかに記載の装
   置。