KR100312609B1 - 카본블랙제조반응로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본블랙 제조반응로의 내화물의 보호 및 생산성 향상을 위한 제조방법들을 원활히 수행할 수 있도록 하는 카본블랙 제조반응로에 관한 것이다. 연소공기 및 연소불꽃온도가 고온으로 카본블랙 제조반응로에 적용될 경우 생산성이 향상되는 것은 종래부터 잘 알려진 사실이나 이러한 고생산성 제조기술은 그 수행에 있어 제조반응로 내화물의 내열온도 한계 봉착이라는 문제를 안고 있다.

본 발명에서는 이러한 고생산성 운전조건을 원활히 수행할 수 있도록 내화물을 내벽으로 하여 연소실 입구로 부터 원료유 투입부 까지 일체로 연결된 2 중관을 구성하고 2 중관 사이로 냉각수를 도입 순환하므로서 내화물의 적열현상을 방지하여 종래보다 고생산성 운전조건에서 카본블랙 제조를 가능케 한 카본블랙 제조반응로이다.

Description

카본블랙 제조 반응로

본 발명은 생산성 증대를 위해서 최근까지 개발 개선되어온 생산성 향상을 위한 카본블랙 제조방법들을 근간으로 카본블랙 제조반응로 내화물의 보호 및 이러한 생산성 향상을 위한 제조방법들을 원활히 수행할 수 있도록 고안된 카본블랙 제조반응로에 관한 것이다.

1904 년 영국의 화학자 모트에 의해 고무보강제로서의 카본블랙이 종래의 산화아연 대비 탁월성이 입증되고, 1912 년에는 미국의 굿리치사에 의해 세계 최초로 타이어에 응용되면서 고무산업에 있어서 카본블랙의 중요성은 크게 부각되게 되었다. 연구에 대한 전성기라고 할 만큼 카본블랙 관련 연구보고서가 홍수처럼 쏟아져 나왔다. 70 년대를 총제적으로 보면 주 관심분야는 카본블랙 특성 및 형태를 규명하기 위한 분석법에 관한 것이었고 그중 75 년의 경우에는 1993 년의 40 여종 대비 50 여종이라는 사상 유래없는 다수의 품종이 사용된 것만 보아도 당시의 카본블랙에 대한 관심도를 짐작할 수 있다. 그리고 70 년대는 새로운 카본블랙 제조기술로서 개질 카본블랙이 개발되었으며, 종래의 카본블랙과 개질 카본블랙을 차별화 하기위해 표면화학적인 특성 시험법이 개발된 시기이기도 하다.

70 년대에 이어 80 년대에도 계속적으로 카본블랙에 대한 많은 연구가 진행되었으며 이때는 카본블랙 분산성 및 생산성 향상을 위한 혼련시간의 단축등 혼련기술 개발에 관한 연구가 주였다. 80 년대 들어 또하나의 특징은 73 년 및 78 년의 1, 2차 오일쇼크의 영향으로 저연비 카본블랙에 대한 요구증대가 그것이다. 뿐만 아니라 고성능 타이어의 등장, 트럭 및 버스용 고내마모성 카본블랙에 대한 요구가 증대된 점이다.

90 년대에 들어 개발되는 신품종을 살펴보면 80 년대와 마찬가지로 저연비성 카본블랙 및 트럭, 버스용 타이어의 내구성 향상을 위한 고보강성 카본블랙이다. 이러한 품종의 개발을 위해서 마모성과 히스테리시스 라는 이율배반적인 특성을 여하히 조절할 것인가 또한 트럭 및 버스용 타이어의 내마모성을 향상시키기 위해서는 입자경이 작으면서 분산이 잘되지 않는 카본블랙을 사용해야 하기 때문에 카본블랙의 혼련성 및 분산등에 관한 연구가 지속되고 있다. 90 년대에 들어 카본블랙 산업에 있어 또 다른 하나의 특징은 국내시장 뿐만 아니라 세계시장은 공급과잉이라는 난제를 안게된 점인데 그 배경을 살펴보면 20 세기 초기에 고무보강제로서의 카본블랙 중요성이 인식된 이래 타이어의 레디알화, 경량화, 저연비성 타이어화, 타이어의 소형화, 소형타이어의 경트럭에 응용등의 신기술 개발에 힘입어 괄목할 만한 수요를 유발시킨 결과 기존 카본블랙 사업자의 생산시설 확충 및 신사업자의 다발참여에 기인한다.

따라서 최근에는 신품종의 개발보다는 공급과잉 이라는 난제의 해결을 위해 카본블랙 제조사들은 범용품종의 합리화로 제조 품종수를 줄이고, 품질균일화 및 생산성 향상, 원가 절감등을 통해 국제경쟁력 향상에 노력을 집중하고 있다.

일반적으로 퍼네이스법에 의한 카본블랙 제조반응로는 원통형으로서 반응로 도입부에 산소를 함유하는 예열공기 및 연료를 도입하고 그 연료유의 연소에 의해 발생하는 고온연소가스를 하류의 반응구역으로 이동시키면서 고온가스 흐름중에 원료유 탄화수소를 고온가스 흐름방향 또는 직각방향으로 도입하므로서 카본블랙이 생성되며, 그 하류에서 고온가스 흐름중에 카본블랙 생성반응이 중지되도록 냉각수를 사용하여 급냉하며 카본블랙 미립자는 혼합가스 속에서 포집공정을 거쳐 수집된다. 또한 이러한 카본블랙 제조반응로에서 생성성을 향상시키는 종래의 기술 및 제조방법을 살펴보면 한국특허 제 82-2299 호에서는 카본블랙의 산출량을 증가시키기 위하여 반응혼합물을 약 600 내지 750℃, 가능하면 700℃ 로 예열함에 의해 종래의 400 내지 500℃에 비해 카본블랙 산출율은 약 5.6% 증가하고 카본블랙 생산량은 약37% 증가 하였다고 한다. 또 미합중국 특허 제 4,283,378 호에 의하면 카본블랙 제조반응로의 소직경부에서 원료 탄화수소가 유입되는 구역의 연소가스 온도는 제조품종에 따라 다소 차이는 있지만 적어도 1316℃, 더욱 바람직하게는 1650℃ 이상이라고 한다. 이처럼 연료유가 산소함유 예열공기에 의해 연소될 때 발생하는 연소열에 의해 원료 탄화수소가 열분해 되면서 카본블랙이 형성되며 이때 연소공기의 온도가 높을수록 생산성에 유리함을 알 수 있다. 생산성 향상기술로서 종래의 또 다른 예를보면 미합중국 특허 제 4,370,308 호에서는 생산성 향상방안의 일환으로 염화칼슘 등과 같은 금속염을 원료유가 투입되는 부분에서 원료유와 함께 혹은 그 상류에 투입하므로서 생산성을 향상시킬 수 있다고 한다. 이외에 생산성을 향상시키는 종래의 기술로서 연료유의 연소불꽃온도 향상 및 원료유의 예열온도 향상에 의한 것은 이미 잘 알려진 기술들이다.

그러나 이러한 제조 기술들을 종래의 카본블랙 제조반응로에 적용할 경우 중요한 문제점에 봉착한다. 산소를 함유하는 연소공기 및 원료유등의 예열온도 향상 그리고 연료유의 연소불꽃온도 향상 조건의 경우 카본블랙 제조반응로에 도입되기 전 단계에서 아무리 예열온도가 높다 하더라도 연료유가 연소되는 연소실 내화물의 내열온도 이상으로는 불가능한 것이다. 제조사 및 재질에 따라 다소 차이는 있지만 현재 판매되고 있는 카본블랙 제조반응로용 내화물의 경우 최대 내열한계 온도가 1900℃ 내외로 생산성 향상을 위한 각 요소의 온도 향상에 제한요인으로 작용해 왔다. 이처럼 카본블랙 제조반응로 내화물의 내열온도 한계에 봉착하는 등의 문제가 있었다.

염화칼슘 등의 금속염을 원료유 투입부위 혹은 그 상류에서 카본블랙 제조반응로로 투입하는 기술은 제조 카본블랙의 기본 입자경에 따라 상이 하지만 원료유 투입부에서의 연소가스 온도가 1300℃ 이상이 되지 않으면 안되는 것으로 알려져 있다. 그리고 금속염이 염화칼슘인 경우에는 보일링 포인트가 1600℃ 이상이므로 카본블랙 생성반응 온도가 1600℃ 이상인 품종, 즉 요오드 흡착가가 130 이상인 경우에만 생산성 향상 효과가 큰 것으로 알려져 있는데 이러한 입자경의 카본블랙을 제조시 첨가제 염화칼슘의 칼슘염은 카본블랙 제조반응로 내벽 내화물의 온도가 1700℃ 이상일 경우 내화물중의 알루미나와 반응하여 초기의 알루미나계 내화물의 내열온도 1900℃ 보다 낮은 1700℃ 내외의 내열 한계온도를 가진 알루미나칼슘산화물을 생성시켜 결국 내화물의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 금속염 첨가제 투입에 의해 생산성을 높이는 것이 불가능하게 되는 것이었다.

본 발명에서는 최근들어 더욱 중요하게 부각되고 있는 생산성 향상의 목적을 달성하기 위해 종래부터 지금까지 개발 개선되어 카본블랙 제조반응로에 적용되어온 고생산성 제조기술, 즉 연소공기의 예열온도 향상, 연료유의 연소불꽃온도 향상, 원료유의 예열온도 향상 및 염화칼슘 등의 금속염을 원료유 도입부 주변에서 원료유와 함께 혹은 단독으로 카본블랙 제조반응로 내부로 투입하는 기술 등 이러한 제조기술들을 종래의 카본블랙 제조반응로에 적용시 발생되는 내화물의 내열온도 한계 혹은 금속염 첨가제에 의한 내화물의 부식 등을 방지하고 동시에 더욱 고생산성 조건하에서 카본블랙 제조가 가능토록 하는 신카본블랙 제조반응로를 제공하는 것이 목적이다.

상기의 문제점들을 해결하기 위해 개발된 본 발명의 카본블랙 제조반응로에 대해 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 카본블랙 제조반응로는 종래의 전형적인 퍼네이스법 제조반응로인 원통형으로서 반응로 도입부로 부터 산소를 함유하는 연소공기 도입부(A), 연소실(B), 원료유 투입부인 쓰로트부(C), 카본블랙 생성 반응구역(D)으로 구성되고 연소실(B) 및 원료유 투입부(C)는 반응로 내화물(4)의 외벽을 내벽으로 한 냉각용 매질수장실(5)을 형성하여 내화물(4)과 함께 일체형의 2 중관으로 구성되며 연소실(B) 입구 및 원료유 투입부(C) 주위에 냉각용 매질을 2 중 관내로 도입 혹은 도출 할 수 있도록 다수의 냉각용 매질 유도관(2)(2')을 설치한 것이다. 카본블랙 제조반응로로 유입되는 연소공기의 예열온도를 종래 대비 향상시키고, 종래대비 연소불꽃온도를 고온으로 운전가능토록 하고 원료유 투입부(C)의 연소가스 온도는 1300℃ 이상으로 하면서 동시에 내화물(4) 온도는 1700℃ 이하로 유지하기 위해서 본 발명에서는 원통형의 2 중관인 냉각용 매질수장실(5)에 냉각용 매질을 투입하는데 매질로서는 공기 혹은 물 등이 사용될 수 있으며 좋게는 물을 사용하는 것이 효율상 유리하다. 그리고 냉각용 매질을 도입하는 것은 연소실(B) 입구 혹은 원료유 투입부(C) 주변 모두 가능하나 좋게는 원료유 투입부(C) 주변의 냉각수 유도관(2')을 입구로 사용하고 연소실(B) 입구의 유도관(2)을 출구로 하는 것이 유리하다. 그리고 입구로서 원료유 투입부(C) 주변의 유도관(2')은 다수를 사용하고 출구로서 연소실(B) 입구의 유도관(2)은 적은수를 사용하는 것이 유리하다. 더욱 좋게는 냉각수 입구 유도관(2')은 4 개 이상, 출구 유도관(2)은 2 개 이하를 사용하는 것이좋다.

실시예

원료유 투입부(C) 주변의 유도관(2') 4 개를 냉각수 입구로 하고, 연소실(B) 입구 유도관(2) 1 개를 출구로 하여 연소실 내화물 내벽의 온도를 1900℃ 이하로, 원료유 투입부(C) 주변 내화물의 온도를 1700℃ 이하로 유지시키기 위해 주입 냉각수량을 조절하면서 동시에 연소공기의 예열온도 및 연소불꽃온도를 변경하면서 카본블랙 제조반응로 내의 내화물 상태 및 시간당 유입되는 원료유량과 시간당 생산되는 카본블랙 생산량을 측정하여 표 1 에 나타내었다.

표 1 : 실시예

표 1 에서 보는 바와같이 본 발명에서 고안된 카본블랙 제조반응로의 원통형 2 중관을 통해 냉각수를 주입, 순환하여 연료유의 연소에 의하여 발생된 고온 가스에 의해 손상되기 쉬운 내화물의 적열 현상을 방지하므로써 종래의 경우 제조반응로 내화물의 내열온도 한계 때문에 실시가 불가능했던 각종 요소의 고온조건 하에서도 원활하게 카본블랙 생산이 가능하게 했다. 또한 생산성 측면에서 살펴보면 연소불꽃온도 및 연소공기 예열온도를 56℃ 증가시킴에 따라 시간당 투입되는 연료유량은 전자 및 후자에 의해 각각 5.70% 증가 및 2.92% 감소하고, 시간당 투입되는 원료유량은 각각의 요인에 의해 0.02% 및 4.77% 증가하고, 시간당 생산되는 카본블랙량은 각각 1.91% 및 5.40% 증가함을 알 수 있다.

제 1 도는 본 발명의 카본블랙 제조반응로를 개략적으로 도시한 종단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

A: 연소공기 도입부 1: 연료유 도입관

B: 연소실 2,2': 냉각용 매질 유도관

C: 원료유 투입부(쓰로트 부) 3: 원료유 도입관

D: 반응구역 4: 내화물

5: 냉각용매질수장실

Claims (4)

1. 카본블랙 제조반응로 입구로 부터 산소를 함유하는 연소공기 도입부, 연소실, 원료유 투입부인 쓰로트부 및 카본블랙 생성 반응구역으로 구성된 일체형이고 제조반응로 내화물의 외벽을 내벽으로 하여 연소실 입구로 부터 원료유 투입부 까지 하나로 연결된 2 중관을 구성한 카본블랙 제조반응로.
2. 제 1 항에 있어서, 연소실 입구 및 원료유 투입부 주변에 냉각용 매질을 2 중관 내료 도입 혹은 도출할 수 있도록 다수의 유도관을 설치한 카본블랙 제조반응로.
3. 제 2 항에 있어서, 연소실 입구의 냉각용 매질 유도관을 출구로, 원료유 투입부 주변의 냉각용 매질 유도관을 입구로 하는 카본블랙 제조반응로.
4. 제 3 항에 있어서, 냉각용 매질의 출구 유도관을 2 개 내지 그 이하로 하고, 냉각용 매질의 입구 유도관을 4 개 내지 그 이상으로 하는 카본블랙 제조반응로.