(57)【要約】本発明は、カーボンブラック製造用の原子炉（１００）を開示するものであり、当該原子炉（１００）は、吸気口（１０８）から入る燃焼用空気の流路を変えるため、燃料バーナー（１０６）と吸気口（１０８）の間に配置された流路ガイド機構（１１０）を内蔵しており、それにより燃料と燃焼用空気の混合を改善し、次いで反応室（１０４）に送られ炭素燃料と反応しカーボンブラックを生産するため、より高い温度の高温燃焼ガスを作ります。本発明の反応炉（１００）は、カーボンブラックの生産量を５〜２０％の割合で増加させることができます。さらに、流路ガイド機構（１１０）の配置により、燃料バーナー（１０６）の炎を反応炉の作動軸縦方向に沿った状態で保たせることにより安定させることができ、結果として、耐火性内張（１１４）の寿命を増加させることができます。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファーネス法によるカーボンブラックの製造のための反応炉。当該反応炉は下記のものを含みます。
・高温燃焼ガス生産用の燃焼室。当該燃焼室は下記のものから構成されています。 
・  前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って配置された燃料バーナー；
・  前述の燃料バーナーに対して直角方向に位置し、燃焼用空気の吸気を受ける吸気口；
・  前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って、燃焼用空気の流路を変えるため流路内に位置するよう、前述の燃料バーナー付近で、かつ前述の燃料バーナーおよび前述の吸気口の間に配置された流路ガイド機構；および
・前述の反応炉また前述の燃焼室の動作軸縦方向に沿って位置する反応室で、当該反応室は前述の燃焼室より高温燃焼ガスの吸気と炭素原料を受け入れるよう調整されており、それによりカーボンブラックが形成されます。 
【請求項２】
流路ガイド機構が一揃いの円筒である請求項１で請求されている反応炉。 
【請求項３】
流路ガイド機構が一揃いの先細円筒である請求項１で請求されている反応炉。 
【請求項４】
流路ガイド機構が、同型の円筒、先細の円筒、調整板、羽根、フィン、またはそれに類するもので構成される一群より選ばれた一つ以上のものである請求項１で請求されている反応炉。
【請求項５】
流路ガイド機構が、一揃いの円筒と共に提供される、円筒の作動長に沿った、調整板、羽根、およびフィンで構成された一群より選ばれた一つ以上のものである請求項１で請求されている反応炉。 
【請求項６】
カーボンブラック製造法は下記の段階で構成されています。
・カーボンブラック製造用反応炉の動作軸縦方向に位置する燃料バーナーでの燃料燃焼；  
・前述の燃料バーナーの直角方向に位置する吸気口より燃焼用空気を吸気；  
・前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って、燃焼用空気の流路を変えるため流路内に位置するよう、前述の燃料バーナー付近で、かつ前述の燃料バーナーおよび前述の吸気口の間に配置された流路ガイド機構により、燃焼用空気の流路を変更；  
・燃焼室にて燃焼用空気と燃料の高度な混合を実現し、1000〜2200℃の温度範囲の高温燃焼ガスを生産；および  
・前述の反応炉また前述の燃焼室の動作軸縦方向に沿って位置する反応室で、カーボンブラックを生産するため、高温燃焼ガスの吸気と炭素原料を供給。  
【請求項７】
ハードブラックとソフトブラックにより構成される一群より選ばれたグレードのカーボンブラックの製造段階を含む、請求項６で請求されている製造法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカーボンブラック製造用反応炉に関するものです。
特に、本発明は、カーボンブラック製造に際し、炭素原料と燃焼用空気の混合を改善する、反応炉に関するものです。
【背景技術】
【０００２】
一般的なカーボンブラックの製造法は、原料が気体であっても液体であっても、炭素原料の部分的な熱分解工程を包含しています。カーボンブラックを入手するためにはいくつかの方法が用いられてきましたが、最も一般的に利用されているのは、ＦＣＣタール、コールタール、エチレン熱分解タールなど、重質石油製品を含有する液体原料の不完全燃焼によってカーボンブラックを生産する、ファーネス法と呼ばれる製法です。
【０００３】
ファーネス法では、まず、耐火材料で内張りされた空間で、空気流や酸素含有気体の導入により酸素が過剰になった状態で、天然ガスや燃料油など炭化水素燃料を燃焼させることにより、高温の燃焼ガスを生産します。さらに、熱分解および脱水素化する液体原料を、高温の燃焼ガス内に噴霧し、気体に浮遊したカーボンブラック粒子を含むエアロゾルを得ます。その後、ふわふわとした粉末状のカーボンブラック粒子が気体から分離され、収集されます。収集された粒子は、次いで通常のペレット加工法を通じて、ペレット化されます。このカーボンブラックが自動車や航空機用タイヤの製造や、エラストマー強化用の賦形剤、プラスチックやペンキ、また印刷用インクの顔料や染料として利用されます。
【０００４】
ファーネス法に利用される反応炉は、一般的に、燃焼室、混合室、および反応室から構成されています。これら各室は、反応炉の軸に沿って配置されており、反応媒質が燃焼室から混合室を通って反応室に至るまでの流路を形成しています。液体原料と高温の燃焼ガスの強力な混合を実現するため、通常、液体原料は混合室内に噴霧されます。その混合体は、次に反応室へ入り、実際のカーボンブラック形成処理が行なわれます。最後に、処理流路の下流にて、水を噴霧し反応を停止させます。
【０００５】
カーボンブラックの形成に影響する要因として、高温の燃焼ガスへの空気または酸素の過給、燃焼ガスの温度、燃料燃焼効率、および燃料の高温燃焼ガス内での混合から反応完了に至るまでの反応時間または滞留時間をあげることができます。燃料燃焼効率は、燃料と燃焼用空気または酸素との混合に大きく依存します。一般的に、燃焼用空気は８００℃の温度で予熱し、燃焼室で燃料と混合することにより、高温の燃焼ガスを入手します。燃焼用空気と燃料の混合を改善することにより、燃焼効率を向上させ、結果として燃焼ガスの温度を上げることができます。燃焼ガスの温度が高ければ高いほど、おしなべて、カーボンブラックの粒子は微細になります。
【０００６】
さらに高効率で、改善された工程管理と共に、様々な粒子グレードのカーボンブラックを生産するため、ファーネス法の製法を改善するカーボンブラック反応炉を作る試みが、過去に何度かなされてきました。それら開示情報のいくつかは、下記の既知の発明の中に記載されています。
【０００７】
米国特許番号：７６２５５２７では、燃料からカーボンブラックへの変換率を向上させるため、燃焼ガスと燃料の接触効率を向上させることのできるカーボンブラック反応炉が開示されています。このカーボンブラック反応炉は、高温燃焼ガス生成用の燃焼部、燃焼ガスを複数に分割された気流内で導入された燃料と接触させることによりカーボンブラックを生産する、２個以上の燃料導入ポイントを持つ反応部、また冷却剤を注入することにより反応を停止する急冷部から構成されており、これら３つの部分は横方向に並んで配置されています。このカーボンブラック反応炉は、特に凝集サイズの分布において、同一の特性を持つカーボンブラックを生産することができます。
【０００８】
中国特許番号：２３４１７０８では、カーボンブラックの表面酸化用流体化層反応炉が開示されています。この反応炉は、反応炉本体、ファーネスブラック導入部、ファーネスブラック排出部、化合物分配盤、空気室、吸気口、および排気口から構成されています。反応炉内には３〜７枚の調整版が配置され、４〜８つの流体化室を構成しており、多段式混合流路が得られるようになっています。この反応炉は、製造が容易で低コストで、様々な業界での着色用ブラックカーボンの生産に利用されます。
【０００９】
米国特許番号：４５９００４０では、前燃焼部における過剰な乱気流に起因する圧力低下を軽減できるよう調整された、カーボンブラック反応炉が開示されています。このカーボンブラック反応炉は、円筒形の側壁があり上流端と下流端を持つ前燃焼部、燃焼ガスを運ぶ複数のトンネル部、側壁を通って前燃焼部へ接線方向でつながるトンネルから構成されており、さらに、前燃焼部には、上流端を設定し、接線方向で導入される燃焼ガスの流れを導く、半円形の傾斜台が複数配置されています。この配置により、接線方向で導入される気体の流れが乱気流的に衝突することを防ぎ、炉内の圧力低下を軽減します。
米国特許番号：４３４７２１８では、特に反応炉の炭化水素および空気の導入部における熱過大応力を防ぐと共に、微粉度の異なるグレードのカーボンブラックを生産する装置の開示がなされています。この装置は、カーボンブラック形成のための反応室、および反応室内に空気を供給し、排出口付近で炭化水素を噴霧する複数の非被覆供給ユニットを含む反応炉、また反応炉排出ガスおよび生産されるカーボンブラックの温度を制御するための熱交換装置から構成されています。
【００１０】
米国特許申請番号：２００４２１３７２８では、流路軸を持つファーネス反応炉でのファーネスブラック生産法を開示しています。この生産法では、ガスバーナーへ燃料および燃焼用空気の導入し、軸方向へガスバーナーへと蒸気を噴出することにより、燃焼室での燃焼ガスの流れを作ります。さらに、高温の燃焼ガスを流路軸に沿って、燃焼室から狭路点を通って反応部へと供給し、その狭路点の上流、内部、また下流にてカーボンブラック原料を高温燃焼ガスと混合させます。最後に下流の反応炉にて水を噴霧し、反応を停止させます。この製造法では、ファーネス反応炉で深い色のファーネスブラックが生産できます。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の既知の発明は、生産効率の向上、工程管理の強化、あるいは微粉度グレードの異なるカーボンブラック生成のために適合した、カーボンブラック反応炉を開示するものでした。本発明では、燃焼用空気または酸素と燃料の混合を改善し、燃焼効率を向上し、燃焼ガスの温度を上げることに適合する、同様のカーボンブラック反応炉を提供します。さらに、本発明では、反応炉への原料流量率を向上しつつも、カーボンブラックの品質パラメーターの維持が可能な機構を備えた、カーボンブラック反応炉を提供します。
【００１２】
本発明の目的
本発明の目的はカーボンブラック製造用反応炉を提供することにあります。
【００１３】
本発明のもう一つの目的は、カーボンブラック製造時において、燃焼室での燃焼用空気と燃料の混合を改善する、反応炉を提供することにあります。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、反応炉への原料流量率を向上させつつも、品質を全く損なわない機構を持つ、反応炉を提供することにあります。
【００１５】
さらに、本発明では、改善された工程生産性と製品質の向上を提供できる、カーボンブラック製造用反応炉を提供することを目指します。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
本発明において、ファーネス法によるカーボンブラック製造のための反応炉の開示に関し、当該の反応炉とは下記のものを含みます。
【００１７】
・高温燃焼ガス生産用の燃焼室。当該燃焼室は下記のものから構成されています。 
・  前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って配置された燃料バーナー；
・  前述の燃料バーナーに対して直角方向に位置し、燃焼用空気の吸気を受ける吸気口；
・  前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って、燃焼用空気の流路を変えるため流路内に位置するよう、前述の燃料バーナー付近で、かつ前述の燃料バーナーおよび前述の吸気口の間に配置された流路ガイド機構；および
・前述の反応炉また前述の燃焼室の動作軸縦方向に沿って位置する反応室で、当該反応室は前述の燃焼室より高温燃焼ガスの吸気と炭素原料を受け入れるよう調整されており、それによりカーボンブラックが形成されます。 
【００１８】
通常は、本発明において流路ガイド機構は、一揃いの円筒となっています。  
【００１９】
あるいは、本発明において流路ガイド機構は、一揃いの先細の円筒となっています。
望ましくは、本発明において流路ガイド機構は、同型の円筒、先細の円筒、調整板、羽根、フィン、またはそれに類するもので構成される一群より選ばれた、一つ以上のものとなっています。
【００２０】
あるいは、本発明において流路ガイド機構は、一揃いの円筒と共に提供される、円筒の作動長に沿った、調整板、羽根、およびフィンで構成された一群より選ばれた、一つ以上のものとなっています。
【００２１】
本発明において、ファーネス法によるカーボンブラック製造のための製造法の開示に関し、当該の製造法とは下記の段階を含みます。
【００２２】
・カーボンブラック製造用反応炉の動作軸縦方向に位置する燃料バーナーでの燃料燃焼；  
・前述の燃料バーナーの直角方向に位置する吸気口より燃焼用空気を吸気；  
・前述の反応炉の動作軸縦方向に沿って、燃焼用空気の流路を変えるため流路内に位置するよう、前述の燃料バーナー付近で、かつ前述の燃料バーナーおよび前述の吸気口の間に配置された流路ガイド機構により、燃焼用空気の流路を変更；  
・燃焼室にて燃焼用空気と燃料の高度な混合を実現し、１０００〜２２００℃の温度範囲の高温燃焼ガスを生産；および  
・前述の反応炉また前述の燃焼室の動作軸縦方向に沿って位置する反応室で、カーボンブラックを生産するため、高温燃焼ガスの吸気と炭素原料を供給。 
【００２３】
通常は、本発明において、製造法には、ハードブラックとソフトブラックにより構成される一群より選ばれたグレードのカーボンブラックの製造段階を含みます。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明における流路ガイド機構を示した、カーボンブラック反応炉の図表となっています。
【図２】図２は、本発明におけるカーボンブラック反応炉内で提供される、流路ガイド機構の代替実施態様の図表となっています。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付図面の詳細説明
本発明を添付図面を参照しつつ説明します。ただし、添付図面は本発明の適用範囲や領域を限定するものではありません。提供する説明は、純粋に例と解説のためのものです。
【００２６】
本発明は、カーボンブラック製造のための反応炉と、それによるファーネス法を想定しています。本発明の反応炉は、燃料燃焼効率を向上させ、１０００〜２２００℃の温度を持つ高温燃焼ガスを生産できるよう、燃焼室での燃焼用空気と燃料の混合を強化するよう調整されています。その後、高温の燃焼ガスは、反応炉にて炭素原料と反応し、カーボンブラックが生産されます。本発明により、ブラックカーボンの生産量が最大２０％上昇します。
【００２７】
図１を参照すると、本発明におけるカーボンブラック反応炉が図解されています。図１では通常、反応炉は数字の１００で示されています。反応炉１００は、燃料バーナー１０６、吸気口１０８、流路ガイド機構１１０を持つ燃焼室１０２、また反応炉１００のから燃焼室１０２へ至る、縦方向の流路軸に沿った反応室１０４から構成されています。燃焼室１０２内で燃料油や天然ガスなどの炭化水素燃料を、通常、ここでは燃焼用空気と呼ぶ空気流により酸素が過剰に供給された状態で燃焼させ、高温の燃焼ガスを生産する。燃焼室１０２内で、燃料バーナー１０６は、反応炉１００の動作軸縦方向に沿って位置しており、吸気口１０８は通常、燃料バーナー１０６の直角方向に位置しています。燃焼用空気は吸気口１０８から入り、燃料バーナー１０６に向かって移動します。
【００２８】
流路ガイド機構１１０は、燃料バーナー１０６と吸気口１０８の間の燃焼用空気の流路に位置しています。流路ガイド機構１１０は、例として吸気口１０８よりも燃料バーナー１０６の近くになるよう、反応炉１００の動作軸縦方向に沿って位置しています。吸気口１０８より入った燃焼用空気は、図１での１１２で記された流路を通ります。燃焼用空気の流路１１２は、流路ガイド機構１１０によって変えられ、燃料バーナー１０６に到達し燃料に接触します。燃焼用空気の流路１１２の変化により、燃料と燃焼用空気の混合が強化され、結果として燃料燃焼効率が向上します。そのため、燃焼ガスの温度が、通常１０００〜２２００℃の高温になります。流路ガイド機構１１０は、さらに燃料バーナー１０６の炎を安定させ、炎を反応炉１００の動作軸の縦方向に沿った状態に保ちます。またこのことは、反応炉１００の耐火性内張１１４の寿命増加に寄与します。
【００２９】
流路ガイド機構１１０は、同型の円筒、先細の円筒、調整板、羽根、フィン、またはそれに類するもので構成される一群より選ばれた、一つ以上のものとなっています。流路ガイド機構１１０は、（図１に図説されているような）一揃いの円筒か、あるいは一揃いの先細円筒（図説されていない）である場合があります。さらに、図２に図解されているように、これらの円筒は、その長さ方向に沿って、内部壁に複数の羽根、調整板、あるいはフィンを備えている場合もあります。また、複数の先細か同型の円筒が、最深部の円筒にある複数の羽根やフィンと共に備えられている場合もあります。図２を参照すると、流路ガイド機構１１０の様々な代替的実施態様が、図２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｆに例示されており、ここではフィン２０４が、円筒２０２の中に取り付けられています。羽根またはフィン２０４は、図２ｄおよび２ｅで図説されています。
【００３０】
流路ガイド機構１１０により、結果として得られる燃焼ガスの温度が上昇します。この高温燃焼ガスは、燃焼室１０２から反応室１０４まで、反応炉１００の中を縦断します。反応室１０４で、このガスは炭素原料と相互作用を起こし、カーボンブラックが生産されます。流路ガイド機構１１０の使用により、カーボンブラック生産は５〜２０％増加します。本発明の反応炉と、それによる製造法は、ハードブラックまたはソフトブラックグレードのカーボンブラックの製造に適しています。
【００３１】
実験結果
本発明を下記の例に基づき説明します。ただし、下記の例は本発明の適用範囲や領域を限定するものではありません。
［実施例１］
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１から、流路ガイド機構１１０を使用した場合、原料流量率が４１００ｋｇ／時で気流ガイド機構を使用しなかった場合と比較すると、カーボンブラック生産は５．７５％増加し、原料流量率が３７００ｋｇ／時で気流ガイド機構を使用しなかった場合と比較すると、カーボンブラック生産は１４．９４％増加しました。さらに、流路ガイド機構１１０を使用した場合、燃料消費量も低減されました。
［実施例２］
【００３４】
【表２】
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【００３５】
表２から、流路ガイド機構１１０を使用した場合、原料流量率が４３５０ｋｇ／時で気流ガイド機構を使用しなかった場合と比較すると、カーボンブラック生産は９．１９５％増加し、原料流量率が４２００ｋｇ／時で気流ガイド機構を使用しなかった場合と比較すると、カーボンブラック生産は１３．０９％増加しました。さらに、流路ガイド機構１１０を使用した場合、燃料消費量も低減されました。
【００３６】
技術的利点
本発明におけるカーボンブラック製造用反応炉は、当該反応炉の動作軸縦方向に沿って燃料バーナーと吸気口の間に取り付けられ、吸気口から入る燃焼用空域の流路を変える流路ガイド機構を内蔵しており、それにより燃料と燃焼用空気の混合を改善し、次いで反応室に送られ炭素燃料と反応しカーボンブラックを生産するため、より高い温度の高温燃焼ガスを作ることができます。；本発明にて説明されている反応炉と、それによる生産法はいくつかの技術的利点を持っています。したにその例を挙げますが、利点はこれらに限定されるものではありません。
【００３７】
・本発明の反応炉は、流路ガイド機構を持たない反応炉と比較して、カーボンブラック生産を５〜２０％増加することができます。また、 
・流路ガイド機構を取り付けることにより、さらに、燃料バーナーの炎を反応炉の作動軸縦方向に沿った状態で保たせることにより安定させることができ、結果として、反応炉の耐火性内張の寿命を増加させることができます。      
・流路ガイド機構により、流路ガイド機構を持たない反応炉と比較して、原料流量率を５〜２０％増加させることができます。
【００３８】
言及されている様々な物理的なパラメーター、寸法、また量の数値は近似値でしかありません。パラメーター、寸法、また量に割り当てられている数値よりも、高い、あるいは低い値は、本発明の範囲に収まると想定されています。ただし、仕様書にそれに相反する記述がある場合はこの限りではありません。値の範囲が指定されているところはどこでも、指定された範囲の最低値と最高値の数値を、それぞれ１０％下回る、あるいは上回る値までは、発明の範囲に含まれています。
【００３９】
本発明の原理が適用されうる実施態様の多様性を鑑み、図解説明されている実施態様は例に過ぎないものとします。本発明の特定の要素について特に重きが置かれているものの、本発明の原理から離れることなく、様々な変更例を作ることができること、また好適な実施態様において多岐に渡る変更を加えることができるものであることは理解されることでしょう。本発明の性質のこれらのまた他の変更例や好適な実施態様は、当該技術において熟練している人々には、本件の開示により容易に判別できるものであり、従って、前述の説明は、本件の実例としてのみ解釈されるべきもので、本発明の制限ではないことを、明確に理解させるべきものとします。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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