KR101524790B1 - 무기질 구상화 입자 제조용 버너 - Google Patents

무기질 구상화 입자 제조용 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명의 무기질 구상화 입자 제조용 버너는 캐리어 가스에 동반되는 원료 분체를 공급하는 제 1 원료 공급로(1A), 이 제 1 원료 공급로(1A)의 외주에 설치되어 연료 가스를 공급하는 연료 공급로(4A), 이 연료 공급로(4A)의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 1 산소 공급로(5A)와, 이 제 1 산소 공급로(5A)의 외주에 설치되어 캐리어 가스에 동반되는 원료분체를 공급하는 제 2 원료 공급로(6A), 이 제 2 원료 공급로(6A)의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 2 산소 공급로(7A), 상기 제 2 원료 공급로(7A)의 선단에 다수의 작은 구멍이 형성된 분체 분산판(2)을 통해 접속되는 원료 분산실(9)과, 이 원료 분산실(9)에 접속된 출구측의 직경이 확장된 연소실(8)을 구비한다.

Description

무기질 구상화 입자 제조용 버너{Burner for Producing Inorganic Spherical Particles}
본 발명은 무기질 구상화 입자를 제조할 때 사용되는 버너 및 이 버너를 사용한 무기질 구상화 입자 제조장치에 관한 것이다.
본원은 2008년 8월 4일에 일본에 출원된 특허 출원 제 2008-201301 호에 근거하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
무기질 구상화 입자는 규석 등을 분쇄한 원료분체를 고온의 화염속에서 용융하여 표면 장력에 의해 구상화시킨 것이다.
예를 들면, 원료로서 규석을 이용하는 고순도의 구상 실리카는 반도체 소자의 에폭시 봉지재용의 충전재로 널리 사용되고 있으며, 구상화에 의해 봉지재의 유동성 향상, 고충전, 내마모성 향상 등 다양한 장점을 얻을 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 무기질 구상화 입자를 단순히 구상화 입자라고 기재하는 경우가 있다.
무기질 구상화 입자의 제조에 관한 종래 기술로서 특허 문헌 1∼4에 개시되어 있는 방법이 있다.
원료분체의 구상화에는 고온의 화염이 필요하기 때문에, 통상은 산소·가스 연소 방식의 버너가 이용되고 있다.
이러한 버너에는, 예혼합형 버너와, 확산형 버너가 있다. 예혼합형은 산소와 연료가스를 미리 혼합시켜 연소지점에 분출시키는 것이고, 확산형은 산소와 연료 가스를 별도로 분출하여 연소지점에서 혼합시키는 것이다.
특허 문헌 2에 개시된 방법에서는 예혼합형 버너가 사용되고 있고, 특허 문헌 1,3,4에 기재된 방법에서는 확산형 버너가 사용되고 있다.
특허 문헌 1에서의 확산형 버너는, 동심원 형태의 이중관이고, 그 내관과 외관과의 사이에 다수의 소관들을 설치하고 있다. 이 버너를 수직형로에 설치하여 규소질 원료를 버너의 중심관(내관)으로부터 자연 대류화 또는 가압 대류시켜 소관에서의 연료 가스와 외관으로부터의 산소 가스로 형성되는 화염중에 원료분체를 투입하여 용융 실리카 구상체를 제조하는 것이다.
특허 문헌 2에 기재된 예혼합형 버너는, 버너내에서 원료분체, 산소, LPG가 충분히 혼합되어 버너 끝단에 형성되는 화염중에 원료분체가 공급되는 것이다.
특허 문헌 3,4에 기재된 확산형 버너는, 동심의 4중관 구조이고, 중심으로부터 산소 가스 또는 산소 부화(富化)가스를 캐리어 가스로 하여 원료분체를 연소실에 공급하고, 그 외주로부터 연료가스를, 더욱이 그 외주로부터 1차 산소와 2차 산소를 공급하도록 형성되고, 가장 바깥쪽에는 버너를 냉각하는 냉각수 통로가 설치되어 있다.
또한, 특허 문헌 3,4에는 이러한 확산형 버너를 사용하여 무기질 구상화 입자를 제조하는 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 4에 개시되어 있는 무기질 구상화 입자 제조 장치에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 원료분체가 원료 공급기(A)로부터 잘라져 나와 캐리어 가스 공급 장치(A')로부터 공급되는 캐리어 가스에 동반되어 버너(B)에 반송된다. 이 버너(B)에는 산소 공급설비(C)로부터의 산소와 LPG 공급설비(D)로부터의 액화석유가스(LPG)가 공급된다.
수직형로(E)내의 화염속에서 구상화된 입자를 포함한 배기 가스는 경로(F)로부터 수직형로(E)의 바닥부에 도입된 공기에 의해 냉각되고, 후단의 사이클론(G), 버그 필터(H)에서 구상화 입자가 포집된다.
[특허 문헌 1] 특개소 58-145613 호 공보 [특허 문헌 2] 특개소 62-241543 호 공보 [특허 문헌 3] 특허 제 3331491 호 공보 [특허 문헌 4] 특허 제 3312228 호 공보
특허 문헌 2에 개시되어 있는 예혼합형 버너에서는 산소 등과 LPG 등의 연료가스를 버너내에서 미리 혼합하고 있다. 이러한 버너는 노즐의 선단으로부터 산소와 연료가스와의 혼합물이 분출하는 구조이므로 버너 내로 역화할 가능성이 있다.
한편, 특허 문헌 1에 기재된 확산형 버너에서는 역화의 우려는 없지만, 원료 분출공과 연료 분출공이 인접하고 있기 때문에 원료 입자는 산소와의 혼합이 불충분하고, 온도가 낮은 연료 가스 속으로 분출된다. 이 때문에, 화염에 의한 충분한 가열을 얻을 수 없고, 용융상태가 불충분하게 되고, 입자의 유리화율이 낮다고 하는 문제가 보여진다. 구상화 입자의 유리화율이 98% 미만에서는 이것을 반도체 소자의 봉지재용 충전재로 한 때에 열팽창의 관점에서 바람직하지 않다고 되어 있다.
그런데, 원료분체는 화염중에서 주로 화염으로부터의 강제 대류 열전달에 의해 가열·용해되어 표면 장력에 의해서 구상화한다.
특허 문헌 3, 4에 기재된 구조인 확산형 버너에서는 연소실이 설치되고, 특허문헌 1에 기재된 버너에 비해 제조된 무기질 구상화 입자의 응집 상태에 개선이 보여진다.
그러나, 여러 가지의 평균 입자 직경을 가진 원료분체를 동일 연소량으로 구상화 처리하였더니, 원료분체의 평균 입도가 작아짐에 따라 응집이 진행되고, 구상화 처리할 수 있는 양이 감소하는 경향을 보였다.
또한, 화염중에서 처리된 후의 구상 입자의 평균 입도가 원료분체의 평균 입도보다 커지는 경향을 보였다.
따라서, 평균 입도가 보다 작은 구상화 입자를 얻기 위하여는 특허 문헌 3,4에 기재된 버너에서는 불충분하다는 것을 알았다.
또한, 이 버너를 이용하여, 볼 밀(Ball mill) 분쇄에 의하여 얻어지도록 입도 분포가 넓은 원료분체를 처리한 경우에서는 화염중에 있어서 미세 입자끼리 혹은 미세입자와 굵은 입자(粗粒)의 융착이 발생하므로, 투입한 원료분체의 입도 분포를 얻을 수 있는 구상화 입자 제품의 입도 분포가 달라지는 상황을 볼 수 있었다.
그런데, 본 발명에서의 과제는 역화를 일으킬 우려가 없고, 유리화율이 높은 무기질 구상화 입자를 제조할 수 있고, 더욱이 원료분체의 평균 입자 직경이 입상화의 과정에서 변동하는 것이 적고, 목적하는 입도 분포를 갖는 구상화 입자를 얻을 수 있는 무기질 구상화 입자 제조용 버너 및 무기질 구상화 입자 제조 장치를 제공하는 것에 있다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 형태는 무기질 구상화 입자 제조용 버너에서, 캐리어 가스에 동반되는 원료분체를 공급하는 제 1 원료 공급로와, 이 제 1 원료 공급로의 외주에 설치되어 연료 가스를 공급하는 연료 공급로와, 이 연료 공급로의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 1 산소공급로와, 이 제 1 산소공급로의 외주에 설치되어 캐리어 가스에 동반된 원료분체를 공급하는 제 2 원료 공급로와, 이 제 2 원료 공급로의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 2 산소 공급로와, 상기 제 1 원료 공급로의 선단에 다수의 작은 구멍이 형성된 분체 분산판을 끼워서 접속된 원료 분산실과, 이 원료 분산실에 접속되어 출구측의 직경이 확장된 연소실을 가지며, 상기 연소실의 원추형 벽면에 연료 공급로, 제 1 산소공급로, 제 2 원료 공급로, 제 2 산소공급로의 선단이 각각 개방되어 있고, 상기 연료 공급로의 개구부가 연소실의 벽면으로부터 버너 중심축에 대하여 나란하게 연료를 분출하는 분출공이 있고, 상기 제 1 산소공급로의 개구부가 연소실의 벽면으로부터 연소실내에 선회류를 형성하는 방향으로 산소 함유 가스를 분출하는 제 1 산소 분출공이 있고, 상기 제 2 원료 공급로의 개구부가 제 1 산소 분출공에서 버너 선단측으로 개방된 분출공이 있으며, 상기 제 2 산소공급로의 개구부가 제 2 원료 분출공에서 버너 선단측으로 개방된 분출공이 있는 무기질 구상화 입자 제조용 버너이다.
본 발명의 제 2 형태는, 상기 버너를 로의 꼭대기 부분에 수직 하향되게 설치한 수직형의 구상화로와, 이 구상화로의 하류에 무기질 구상화 입자를 포집하는 사이클론 및 버그 필터를 구비한 무기질 구상화 입자 제조 장치이다.
본 발명의 제 2 형태에서는, 상기 버너의 제 1 원료 공급로와 제 2 원료 공급로에 공급하는 캐리어 가스 및 원료분체를 각각 독립하여 제어하는 제어수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 2 형태에서는, 사이클론을 경유하여 버그 필터에 접속하는 경로와, 사이클론을 경유하지 않고 버그 필터에 접속하는 경로를 가지며, 한편 각각의 경로가 절환 가능하게 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 2 형태에서는, 상기 버너의 제 1 원료 공급로와 제 2 원료 공급로에 서로 다른 입자 직경의 원료분체를 공급하는 2개의 원료 공급 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 2 형태에서는, 상기 사이클론이 굵은 입자를 포집하는 것이고, 버그 필터가 미립자를 포집하는 것으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 2 형태에서는, 상기 버그 필터가 입자를 일괄 포집하는 것이 바람직하다.
본 발명의 버너에 있어서는, 확산형 버너이기 때문에 역화를 발생하지 않는다. 또한, 제 1 원료 공급로에 입자 직경이 큰 원료분체를, 제 2 원료 공급로에 입자 직경이 작은 원료분체를 공급하도록 하면, 화염 외주부의 온도가 낮은 영역에 서 입자 직경이 작은 입자를 충분히 용융할 수 있고, 화염 중심부의 온도가 높은 영역에서 입자 직경이 큰 입자를 충분히 용융할 수 있다. 또한, 입자 직경이 작은 입자는 분산성이 좋지 않기 때문에 이것을 분산 체적이 커지는 제 2 원료 공급로로부터 분사시켜 화염속으로 양호하게 분산할 수 있다. 한편, 입자 직경이 큰 입자는 분산성이 좋기 때문에 이것을 분산 체적이 작게 되는 제 1 원료 공급로에서 분사시켜 화염속으로 양호하게 분산할 수 있다.
그리하여, 본 발명의 구상화 입자의 제조 장치에 의하면, 큰 입자 직경의 입자도 작은 입자 직경의 입자도, 그 입자 직경을 거의 유지하여 구상화할 수 있고, 또한 유리화율이 높은 입자를 얻을 수 있다.
따라서, 투입되는 원료에 따른 입자 직경 또는 입도 분포를 갖는 구상화 입자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 버너의 일례를 보여주는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 버너의 일례를 보여주는 개략 측면도이다.
도 3은 본 발명의 무기질 구상화 입자의 제조 장치의 예를 보인 개략적인 구성도이다.
도 4는 실시예에서 1차 산소와 2차 산소와의 유량비율과 유리화율과의 관계를 보여주는 도표이다.
도 5는 실시예에서 1차 산소와 2차 산소와의 유량비율과 유리화율과의 관계를 보여주는 도표이다.
도 6은 종래의 무기질 구상화 입자의 제조 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 무기질 구상화 입자 제조용 버너(이하, 단순히 버너라고 함)의 일례를 나타내는 것으로, 도 1은 버너 중심축을 따라 절단한 단면도이고, 도 2는 버너를 그 선단측에서 바라본 측면도이다. 도 2에서는 원료분체, 연료, 산소의 분출공만을 보여주고 있다.
이들의 도면에서 부호 1은 제 1 원료 공급관을 나타내며, 그 내부는 원료분체와 캐리어 가스와의 혼합물이 공급되는 제 1 원료 공급로(1A)로 되어 있다.
캐리어 가스로서는 산소, 산소 농도 20 vol% 이상의 산소 부화 공기, 공기 등의 산소 농도 20 vol% 이상의 산소 함유 가스가 사용된다.
원료분체로서는 산화 규소, 산화 알루미늄, 유리 등의 무기질 분말이며, 그 입자 형태가 각을 가지는 비구형의 입자인 것이 사용된다.
원료분체 중, 굵은 입자(粗粒)는 평균 입도가 대략 10μm 이상의 입자 직경인 큰 분체를 말하고, 미세 입자는 평균 입도가 대략 10μm 미만의 입자 직경인 작은 분체를 말하는 것으로 한다.
이 제 1 원료 공급관(1)의 출구단에는 분체 분산판(2)이 형성되어 있다. 이 분체 분산판(2)은 원료분체와 캐리어 가스와의 혼합 분체를 버너 출구 방향으로 향해서 방사형으로 분출시키는 것으로, 경사진 바깥쪽으로 향한 복수의 제 1 원료 분출공(3)이 원주상에 등간격으로 형성되어 있다.
제 1 원료 공급관(1)의 외측에는 연료 공급관(4)이 동축적으로 설치되어 있으며, 원료 공급관(1)과 연료 공급관(4)과의 사이의 공극은 연료 공급로(4A)가 되어 액화석유가스(LPG) 등의 연료 가스가 공급되도록 되어 있다. 연료 공급로(4A)의 출구단은 복수의 연료 가스 분출공(4B)으로 되어 있으며, 버너 중심축에 대하여 평행하게 연료를 분출하도록 되어 있다. 이들 복수의 연료 가스 분출공(4B)은 원주상에 등간격으로 형성되어 있다.
연료 공급관(4)의 외측에는 제 1 산소 공급관(5)이 동축적으로 설치되어 있고, 연료 공급관(4)과 제 1 산소 공급관(5)과의 사이의 공극은 제 1 산소공급로(5A)로서 산소, 산소 농도 20 vol% 이상의 산소 부화 공기, 공기 등의 산소 농도 20 vol% 이상의 산소 함유 가스가 공급되도록 되어 있다.
제 1 산소공급로(5A)의 출구단은 복수의 제 1 산소 분출공(5B)으로 되어 있으며, 이들 제 1 산소 분출공(5B)의 출구는 버너 중심축을 향해 개방되어 있고, 버너 중심축에 대해 직각 방향으로 산소를 분사하고, 후술하는 연소실(8) 내에서 선회 류를 형성하도록 구성되어 있다.
이들 복수의 제 1 산소 분출공(5B)은 원주상에 등간격으로 형성되어 있고, 또한 상기 복수의 연료 분출공(4B)과 원주상 다른 위치에서 2개의 연료 분출공(4B)의 중간에 배치되어 있다.
제 1 산소 공급관(5)의 외측에는 제 2 원료 공급관(6)이 동축적으로 설치되어 있고, 제 1 산소 공급관(5)과 제 2 원료 공급관(6)과의 사이의 공극은 제 2 원료 공급로(6A)로 되어 있다. 제 2 원료 공급로(6A)의 출구 부분은 복수의 제 2 원료 분출공(6B)이 형성되어 버너 중심축에 대해 평행하게 원료가 분출되도록 되어 있다.
복수의 제 2 원료 분출공(6B)은 원주상에 등간격으로 형성되어 있다.
제 2 원료 공급관(6)의 외측에는 제 2 산소 공급관(7)이 동축적으로 설치되어 있으며, 제 2 원료 공급관(6)과 제 2 산소 공급관(7)과의 사이의 공극은 제 2 산소 공급로(7A)로 되어 있다. 이 제 2 산소공급로(7A)는 제 1 산소공급로(5A)와 비교해서 그 단면적이 넓게 되어 있어 많은 산소를 공급할 수 있도록 되어 있다. 제 2 산소공급로(7A)의 출구단은 복수의 제 2 산소 분출공(7B)이 형성되고, 이 제 2 산소 분출공(7B)은 원주상에 등간격으로 형성되어 있다. 이들 제 2 산소 분출 공(7B)은 버너 중심축으로 평행 방향으로 개방되어 있어 산소 함유 가스가 버너 중심축에 대해 평행 방향으로 분출하도록 되어 있다.
또한, 제 2 산소 공급관(7)은 그 두께가 두껍게 되어 있고, 그 내부에는 냉각수가 순환하여 흐르는 냉각수 통로(71)가 형성되어 버너 자체를 냉각할 수 있도록 되어 있다.
게다가, 버너의 선단부분은 외측 방향으로 확대된 절구 모양으로 움푹 들어가 있고, 이 부분이 연소실(8)로 되어 있다.
즉, 연소실(8)의 경사진 벽 부분은 제 2 산소 공급관(7)과 제 2 원료 공급관(6) 및 제 1 산소 공급관(5)의 선단 부분을 경사지게 형성하는 것으로 구성되고, 연소실(8)의 바닥부는 원통형의 원료 분산실(9)에 이어져 있다. 원료 분산실(9)은 원료 공급관(1)의 출구 단부가 분체 분산판(2)보다도 버너의 선단 방향을 향해서 얇은 두께로 되어 원통형으로 연장되는 것에 의해서 형성되어 있다.
게다가, 연소실(8)의 원추형 벽면에는 연료 가스 분출공(4B), 제 1 산소 분출공(5B), 제 2 원료 분출공(6B), 제 2 산소 분출공(7B)이 각각 개방되어 있다.
또한, 상기 제 2 원료 분출공(6B)은 제 1 산소 분출공(5B)보다 버너의 선단측으로 개방되고, 상기 제 2 산소 분출공(7B)은 제 2 원료 분출공(6B)보다도 버너 선단측으로 개방되어 있다.
이러한 구조의 무기질 구상화 입자 제조용 버너에 있어서는, 제 1 원료 공급로(1A)의 선단이 다수의 작은 구멍을 가진 분체 분산판(2)을 개재시켜 원료 분산실(9)에 접속되고 제 1 원료 공급로(1A)의 외주에 설치된 연료 가스 공급로(4A)와, 이 연료 가스 공급로(4A)의 외주에 설치된 제 1 산소공급로(5A)가 각 공급로의 선단에 접속하는 출구측의 직경이 확대된 연소실(8)로 향해 개방되어 있기 때문에 버너 화염속에서 원료분체의 분산성이 향상된다.
제 1 원료 공급로(1A)와 제 2 원료 공급로(6A)에 각각 입도가 다른 원료분체를 공급하도록 하면, 화염 중심부의 온도가 높은 영역에서는 평균 입도가 큰 입자를, 화염 외주부의 온도가 낮은 영역에서는 평균 입도가 작은 입자를 효율적으로 분산시키면서 처리할 수 있다.
평균 입도가 큰 입자는 비교적 분산되기 쉽기 때문에 분산 면적이 작고, 화염 중심부에 위치한 제 1 원료 공급로(1A)로부터 공급하고, 평균 입도가 작은 입자는 분산이 어렵기 때문에 분산 면적이 큰 제 2 원료 공급로(6A)로부터 화염속으로 공급한다. 이렇게 하여 원료분체를 화염속으로 효율적으로 분산시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 평균 입도가 큰 입자와, 평균 입도가 작은 입자를 하나의 버너에서 한번에 최적인 상태로 처리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 무기질 구상화 입자 제조 장치의 일례를 나타내는 것으로, 도면중 부호 11은 구상화로를 보여준다. 이 구상화로(11)는 원통형의 수직형 로이며, 그 천정부에는 상술한 버너(12)가 그 선단측을 로내로 향하도록 수직으로 장착되어 있다.
구상화로(11)의 바닥 부근에는 공기 도입구(13)가 형성되어 있고, 여기로부터 냉각용 공기를 내부로 도입하여 배출되는 연소 가스의 온도를 낮출 수 있도록 되어 있다.
구상화로(11)의 바닥 부근에는 연소 가스 배출구(14)가 형성되어 있고, 여기로부터 생성한 구상화 입자가 연소 가스에 반송되어 도출되고, 덕트(15), 댐퍼(16)를 통해 사이클론(17)의 입구로 보내지도록 되어 있다.
덕트(15)는 그 댐퍼(16)의 상류측에서 덕트(18)에 접속되어 분기되고, 이 덕트(18)는 버그 필터(19)의 입구에 접속되어 있다.
덕트(18)에는 그 중간에 공기 도입 포트(20)가 설치되어 있으며, 이 포트(20)로부터 적당한 공기를 덕트(18)내에 주입하는 것으로, 덕트(18)내를 흐르는 연소 가스의 온도를 낮춰서 조절할 수 있게 되어 있다.
또한, 사이클론(17)의 출구에는 덕트(21)가 접속되고, 이 덕트(21)는 댐퍼(22)를 통해 버그 필터(19)의 입구에 접속되어 있다.
버너(12)의 제 1 원료 공급로(1A)에는 제 1 원료 공급 파이프(미도시)가 접속되고, 이 제 1 원료 공급 파이프는 제 1 원료 피더(23)에 접속되어 있다. 제 1 원료 피더(23)에는 입자 직경이 굵은 입자(粗粒)의 원료분체가 저장되고, 캐리어 가스 공급원(24)으로부터 캐리어 가스가 보내져 이 캐리어 가스에 소정량의 원료분체가 반송되어 상기 제 1 원료 공급 파이프를 통해 버너(12)의 제 1 원료 공급로(1A)로 보내지도록 되어 있다.
제 1 원료 피더(23)에는 도시되지 않은 제어 장치에서의 원료 분체 공급량 제어 신호에 따라, 소정량의 원료분체를 송출하는 송출기구가 구비되어 있다.
캐리어 가스에는 산소, 산소 부화공기, 공기 등의 산소 농도 20 vol% 이상의 산소 함유 가스가 사용된다.
캐리어 가스 공급원(24)에도 도시되지 않은 제어 장치에서의 캐리어 가스 공급량 제어 신호에 따라, 소정량의 캐리어 가스를 제 1 원료 피더(23) 및 제 2 원료 피더(25)로 각각 송출하는 유량 조정 밸브가 구비되어 있다.
버너(12)의 제 2 원료 공급로(6A)에는 제 2 원료 공급 파이프(미도시)가 접속되고, 이 제 2 원료 공급 파이프는 제 2 원료 피더(25)에 접속되어 있다. 제 2 원료 피더(25)에는 입자 직경이 미세한 미세입자 원료분체가 저장되고, 캐리어 가스 공급원(24)에서의 캐리어 가스가 보내지고, 이 캐리어 가스에 소정량의 원료분체가 반송되어 상기 제 2 원료 공급 파이프를 통해 버너(12)의 제 2 원료 공급로(6A)로 보내지도록 되어 있다.
제 2 원료 피더(25)에도 도시되지 않은 제어 장치에서의 원료분체 공급량 제어 신호에 따라, 소정량의 원료분체를 송출하는 송출기구가 구비되어 있다.
버너(12)의 연료 공급로(4A)에는 연료 공급 파이프(미도시)가 접속되고, 이 연료 공급 파이프는 연료 가스 공급원(26)에 접속되어 있다. 연료 가스 공급원(26)은 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG) 등의 연료 가스를 저장하고, 이것을 송출하는 것에 있어서, 소정량의 연료 가스가 상기 연료 가스 공급 파이프를 통해 버너(12)의 연료 공급로(4A)로에 보내지도록 되어 있다.
연료 가스 공급원(26)에는 도시되지 않은 제어 장치에서의 연료 가스 공급량 제어 신호에 따라, 소정량의 연료 가스를 송출하는 송출기구가 구비되어 있다.
버너(12)의 제 1 산소공급로(5A)에는 제 1 산소 공급 파이프(미도시)가 접속되고, 이 제 1 산소 공급 파이프는 제 1 산소 공급원(27)에 접속되어 있다. 제 1 산소 공급원(27)은 상기 산소 함유 가스를 저장하고, 이것을 송출하는 것에 있어서, 소정량의 산소 함유 가스가 상기 제 1 산소 공급 파이프를 통해 버너(12)의 제 1 산소 공급로(5A)로 보내지도록 되어 있다.
제 1 산소 공급원(27)에는 도시되지 않은 제어장치에서의 제 1 산소 공급량 제어신호에 따라, 소정량의 산소 함유 가스를 송출하는 송출기구가 구비되어 있다.
버너(12)의 제 2 산소공급로(7A)에는 제 2 산소 공급 파이프(미도시)가 접속되고, 이 제 2 산소 공급 파이프는 제 2 산소 공급원(28)에 접속되어 있다. 제 2 산소 공급원(28)은 상기 산소 함유 가스를 저장하고, 이것을 송출하는 것에 있어서, 소정량의 산소 함유 가스가 상기 제 2 산소 공급 파이프를 통해 버너(12)의 제 2 산소공급로(7A)에 보내지도록 되어 있다.
제 2 산소 공급원(28)에도 도시되지 않은 제어장치에서의 제 2 산소 공급량 제어신호에 따라, 소정량의 산소 함유 가스를 송출하는 송출기구가 구비되어 있다.
또한, 제 1 산소 공급원(27)과 제 2 산소 공급원(28)을 일체화하고, 이것에 두 개의 송출기구를 설치하고, 각각의 송출기구에서 제 1 산소 공급 파이프와 제 2 산소 공급 파이프에 별도로 산소 함유 가스를 송출하여, 버너(12)의 제 1 산소공급로(5A)와 제 2 산소공급로(7A)에 각각 소정량의 산소 함유 가스를 공급하도록 해도 좋다.
다음으로, 이러한 제조 장치를 이용한 구상화 입자의 제조 방법을 설명한다.
제 1 원료피더(23)에서, 예를 들면 입자 직경 10μm 이상의 굵은 입자(粗粒)의 원료분체를 버너(12)의 제 1 원료 공급로(1A)로 보내서 제 1 원료 분출공(3)에서 원료 분산실(9)을 통해 연소실(8)을 향해 분출한다. 제 2 원료 파이프(25)에서, 예를 들면 입자 직경 10μm 미만의 미세 입자의 원료분체를 버너(12)의 제 2 원료 공급로(6A)로 보내서 제 2 원료 분출공(6B)에서 연소실(8)을 향해 분출한다.
여기서, 원료분체의 공급처를 그 평균 입도 10μm로 분리한 이유는, 10μm 미만의 원료분체는 분산하기 어려운 특성이 있기 때문이다.
버너(12)의 제 1 산소공급로(5A), 제 2 산소공급로(7A)에 각각 소정량의 산소 함유 가스를 제 1 산소 공급원(27), 제 2 산소 공급원(28)으로부터 보내서 제 1 산소 분출공(5B), 제 2 산소 분출공(7B)을 거쳐 연소실(8)을 향해 분출한다.
버너(12)의 연료 공급로(4A)에 소정량의 연료 가스를 연료 가스 공급원(26)으로부터 보내서 연료 가스 분출공(4B)을 거쳐 연소실(8)을 향해 분출한다.
화염속으로 분출된 입자 직경이 다른 두 종류의 원료분체는 각각 화염이 고온의 중심 영역, 저온의 외측 영역에서 가열되어 용융되고, 구상화하여 입자 직경이 다른 구상화 입자로 된다.
이 구상화 입자는 버너(12)에서 생성된 연소 가스와 공기 도입구(13)로부터 도입되는 공기와의 가스에 부유(浮游)하여 구상화로(11)의 연소 가스 배출구(14)로부터 덕트(15), 댐퍼(16)를 거쳐 사이클론(17)으로 보내진다. 연소 가스에 공기를 혼합하는 것으로 사이클론(17)으로 도입되는 가스의 온도가 저하되어 사이클론(17)에서의 입자 포집에 적절한 온도로 된다.
사이클론(17)에서는 가스 중에 부유하고 있는 구상화 입자 가운데 굵은 입자(粗粒)의 구상화 입자가 포집된다. 사이클론(17)으로부터 도출된 가스는 덕트(21)를 통해 버그 필터(19)로 보내지고, 여기서 구상화 입자 가운데 미세 입자의 구상화 입자가 포집된다.
또한, 필요에 따라서, 덕트(15)의 댐퍼(16)를 닫아, 가스를 덕트(18)에 흘려 직접 버그 필터(19)로 보내서 모든 구상화 입자를 여기서 포집하는 것도 가능하다. 이때, 가스의 온도를 낮출 필요가 있는 경우에는 공기 도입 포트(20)로부터 적당량의 공기를 가스에 혼입하는 것도 가능하다.
이상의 조작에 의해, 원료분체의 입도에 거의 일치한 입도의 구상화 입자를 효율적으로 얻을 수 있다.
[실시 예]
이하, 구체적인 예를 보여준다.
(실시예 1)
도 3에 나타낸 무기질 구상화 입자 제조 장치를 이용하여 구상화 입자를 제조했다.
원료분체로서 전량으로 실리카 분말 20 kg/h를 7.5 Nm3/h의 산소로 된 캐리어 가스로 반송했다. 연료 가스로서 LPG 5 Nm3/h를 공급했다. 산소 함유 가스로서 전량으로 산소 20 Nm3/h를 버너(12)에 이등분으로 도입하여 구상화 입자를 제조해, 98% 이상의 유리화율이 얻어지는 구상화 처리 능력을 구했다.
이때, 원료분체의 입도에 따라서 상기 제 1 산소 분출공(5B)(1차 산소) 및 제 2 산소 분출공(7B)(2차 산소)에 공급하는 산소의 비율을 1차 산소 0∼100%, 2차 산소 100∼0%의 범위에서 변경하여 98% 이상의 유리화율을 달성할 수 있는 조건을 검토하였다.
평균 입도 30μm와 평균 입도 2μm의 원료분체에 대한 처리 결과를 도 4, 도 5, 표 1에 나타낸다.
30μm 원료를 처리하는 경우에는 제 1 원료 분출공(3)에서 원료분체를 분출하고, 2μm 원료를 처리하는 경우에서는 제 2 원료 분출공(6B)에서 원료분체를 분출했다.
30μm 원료분체에 대해서는 사이클론(17)에서 포집하고, 2μm 원료에 대해서는 사이클론(17)을 통하지 않고 버그 필터(19)에서 일괄 포집했다.
또한, 종래 기술과의 비교를 위해, 특허 문헌 3에 기재된 무기질 구상화 장치와 동일 형태의 것을 사용하여 상기 조건하에서 구상화 입자를 제조했다.
원료분체
평균입도
[μm ]		 1차산소
[ % ]		 2차산소
[ % ]		 처리능력
[kg / h]		 구상화 입자평균입도[μm ]
종래기술 본 발명
30 25 75 20 36 31
2 40 60 20 7 3
그 결과, 도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 어떠한 입자 직경의 원료에서도 1차 산소 50% 이상, 2차 산소 50% 이하의 조건에서는 98% 이상의 유리화율은 얻을 수 없었다.
또한, 종래 기술과의 비교에 있어서도, 1차 산소 및 2차 산소의 영향에 대해서는 의미 있는(有意) 차이는 볼 수 없었다.
또한, 표 1의 결과에서 본 발명의 버너를 이용하는 것으로, 보다 원료 입도에 가까운 무기질 구상화 입자를 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
(실시예 2)
원료분체로서 실리카 분말을 사용하고, 평균 입도 15μm의 원료분체(A), 평균 입도 2μm의 원료분체(B), 원료분체(A) 35 wt%와 원료분체(B) 65 wt%를 혼합한 평균 입도 5μm의 원료분체(C)의 3종류의 원료분체를 준비했다.
특허 문헌 3에 기재된 종래기술의 버너를 사용하고, 원료분체(C) 20 kg/h를 7.5 Nm3/h의 산소로 된 캐리어 가스로 반송하여 공급했다. 연료 가스로서 LPG 5 Nm3/h를 공급했다. 산소 20 Nm3/h를 공급하여 구상화 입자를 제조하고, 98% 이상의 유리화율이 얻어지는 구상화 처리 능력을 구했다.
본 발명의 버너를 사용하고, 재료(A) 7kg/h를 5.25 Nm3/h의 산소로 된 캐리어 가스로 제 1 원료 분출공(3)으로 반송하고, 원료(B) 13 kg/h를 2.25 Nm3/h의 산소로 된 캐리어 가스로 제 2 원료 분출공(6B)으로 반송했다. 연료 가스로서 LPG 5 Nm3/h를 연료 가스 분출공(4B)에 공급하고, 산소 전량 20 Nm3/h를 제 1 산소 분출공(5B)과 제 2 산소 분출공(7B)으로 분할 공급하여 구상화 입자를 제조하고, 98% 이상의 유리화율이 얻어지는 구상화 처리 능력을 구했다.
이때, 원료분체의 입도에 따라서 상기 제 1 산소 분출공(5B)(1차 산소) 및 제 2 산소 분출공(7B)(2차 산소)에 공급하는 산소의 비율은 1차 산소 30%, 2차 산소 70%의 비율로 고정하고, 원료분체 공급량을 조정하는 것으로, 버너의 처리 능력을 검토했다.
결과를 표 2에 나타낸다.
원료평균입도
[μm]		 처리능력
[kg/h]		 구형화입자
유리화율
[%]		 구형화입자
평균입도
[μm]
본 발명 원료A : 15
원료B : 2		 합계 : 20
원료A ; 7
원료B : 13		 99 7
종래기술 원료C : 5 16 98 10
표 2의 결과에서, 본 발명 버너 구조를 이용하는 것으로, 보다 원료 입도에 가까운 무기질 구상화 입자를 효율적으로 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
1 : 제 1 원료 공급관 1A : 제 1 원료 공급로
2 : 분체 분산판 3 : 제 1 원료 분출공
4 : 연료 공급관 4A : 연료 공급로
4B : 연료 가스 분출공 5 : 제 1 산소 공급관
5A : 제 1 산소 공급로 5B : 제 1 산소 분출공
6 : 제 2 원료 공급관 6A : 제 2 원료 공급로
6B : 제 2 원료 분출공 7 : 제 2 산소 공급관
7A : 제 2 산소 공급로 7B : 제 2 산소 분출공
8 : 연소실 9 : 원료 분산실
11 : 구상화로 12 : 버너
17 : 사이클론 19 : 버그 필터
23 : 제 1 원료피더 24 : 캐리어 가스 공급원
25 : 제 2 원료피더 26 : 연료 공급원
27 : 제 1 산소 공급원 28 : 제 2 산소 공급원

Claims (7)

  1. 무기질 구상화 입자 제조용 버너에 있어서,
    캐리어 가스에 동반된 원료분체를 공급하는 제 1 원료 공급로와,
    이 제 1 원료공급로의 외주에 설치되어 연료가스를 공급하는 연료공급로와,
    이 연료공급로의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 1 산소 공급로와,
    이 제 1 산소 공급로의 외주에 설치되어 캐리어 가스에 동반된 원료분체를 공급하는 제 2 원료 공급로와,
    이 제 2 원료 공급로의 외주에 설치되어 산소 함유 가스를 공급하는 제 2 산소 공급로와,
    상기 제 1 원료 공급로의 선단에 다수의 작은 구멍이 형성된 분체 분산판을 통해 접속된 원료 분산실과,
    이 원료 분산실에 접속되어 출구측 직경이 확대된 연소실을 구비하며,
    상기 연소실의 원추형 벽면에 연료 공급로, 제 1 산소 공급로, 제 2 원료 공급로, 제 2 산소 공급로의 선단이 각각 개방되어 있으며,
    상기 연료 공급로의 개구부가 연소실의 벽면으로부터 버너 중심축에 대해서 나란하게 연료를 분출하는 분출공이 있으며,
    상기 제 1 산소 공급로의 개구부가 연소실의 벽면으로부터 연소실내에 선회 류를 형성하는 방향으로 산소 함유 가스를 분출하는 제 1 산소 분출공이 있고,
    상기 제 2 원료 공급로의 개구부가 제 1 산소 분출공에서 버너 선단측으로 개방되는 분출공이 있으며,
    상기 제 2 산소 공급로의 개구부가 제 2 원료 분출공에서 버너 선단측으로 개방되는 분출공인 무기질 구상화 입자 제조용 버너.
  2. 청구항 1에 기재된 버너를 로의 꼭대기 부분에 수직 하향되게 구비하는 수직형의 구상화로와, 이 구상화로의 하류에 무기질 구상화 입자를 포집하는 사이클론 및 버그 필터를 구비한 무기질 구상화 입자 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 버너의 제 1 원료 공급로와 제 2 원료 공급로에 공급하는 캐리어 가스 및 원료분체를 각각 독립하여 제어하는 제어수단을 구비하고 있는 무기질 구상화 입자 제조장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 사이클론을 경유하여 버그 필터에 접속하는 경로와, 사이클론을 경유하지 않고 버그 필터에 접속하는 경로를 가지며, 각각의 경로가 절환 가능하도록 되어 있는 무기질 구상화 입자 제조장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 버너의 제 1 원료 공급로와 제 2 원료 공급로에 서로 다른 입자 직경의 원료분체를 공급하는 2개의 원료공급장치를 설치한 무기질 구상화 입자 제조장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 사이클론이 굵은 입자(粗粒)를 포집하는 것이고, 버그 필터가 미세 입자를 포집하는 것인 무기질 구상화 입자 제조장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 버그 필터가 입자를 일괄 포집하는 것인 무기질 구상화 입자 제조장치.
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