(57)【要約】　　　（修正有）【課題】カーボンブラック製造装置内におけるノズルセットを容易に固定させ、高温ガスによるノズルの損傷、ノズル内部のコーキング現象を防止することにより安定した原料噴霧を可能とする原料導入装置。【解決手段】燃焼ガス発生帯域、カーボンブラック生成帯域、反応停止帯域とから構成される３つの帯域からなるカーボンブラック製造装置において、（ａ）カーボンブラック原料を流通せしめる抜き差し可能な管状通路手段１３、（ｂ）前記管状通路手段の下流側に脱着可能に連結され、かつ先端部が先細り截頭円錐形状を有する原料噴霧手段１２、（ｃ）前記（ａ）および（ｂ）の各手段の外側に空間を形成させ、該空間内に冷却媒体を流通せしめる外筒手段、（ｄ）前記先細り截頭円錐形を有する原料噴霧手段の形状に少なくとも一部が嵌合する形状を有し、かつ前記（ｃ）の下流側に堅く連結された外筒先端形成手段とからなる。【選択図】　　　　図２
2004059598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料と酸素含有ガスとの混合物を燃焼させることにより高温の燃焼ガス流を生成せしめる第１の燃焼ガス発生帯域、前記燃焼ガス流中にカーボンブラック生成用原料を導入することにより原料を熱分解または不完全燃焼せしめてカーボンブラックを生成させる第２のカーボンブラック生成帯域、生成されたカーボンブラック含有ガス流中に冷却媒体を導入してカーボンブラック反応を停止せしめる第３の反応停止帯域とから構成される３つの帯域からなるカーボンブラック製造装置において、
（ａ）カーボンブラック原料を流通せしめる抜き差し可能な管状通路手段、
（ｂ）前記管状通路手段の下流側に脱着可能に連結され、かつ先端部が先細り
截頭円錐形状を有する原料噴霧手段、
（ｃ）前記（ａ）および（ｂ）の各手段の外側に空間を形成させ、該空間内に
冷却媒体を流通せしめる外筒手段、
（ｄ）前記先細り截頭円錐形を有する原料噴霧手段の形状に少なくとも一部が
嵌合する形状を有し、かつ前記（ｃ）の下流側に堅く連結された外筒先端
形成手段
とからなるカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とするカーボンブラック製造装置。
【請求項２】
前記先細り截頭円錐形の原料噴霧装置の少なくとも一部が平面状に裁断されている形状を有するカーボンブラック製造用原料導入装置を有することを特徴とする請求項１記載のカーボンブラック製造装置。
【請求項３】
前記（ａ）と（ｂ）の間にさらに空間を形成せしめる手段を有し、該空間内にもう１つの冷却媒体を導入する手段を設けたカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とする請求項１または２いずれか記載のカーボンブラック製造装置。
【請求項４】
前記先細り截頭円錐形の原料噴霧装置の噴霧孔を含む炉内暴露面の面積（Ａ）と原料噴霧ノズルの噴霧孔の断面積（Ｓ）との比Ａ／Ｓが１００以下であるカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のカーボンブラック製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカーボンブラック製造装置に関し、特に新規な原料導入装置に関する。より詳しくは、カーボンブラック製造装置でのノズルの一定位置のセットを容易にし、かつ高温ガスによるノズルの損傷、ノズル内部および外部でのコーキングによる閉塞現象を防止することにより、安定した噴霧を可能にする原料導入装置を備えたことを特徴とするカーボンブラック製造装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
カーボンブラックは、厳密に制御された条件下のファーネス炉内で発生させた、および／または外部で発生させて炉内に導入された高温燃焼ガス中へ原料炭化水素を導入し、この原料炭化水素の熱分解または不完全燃焼により生産される産業上有用な原材料であり、ゴム配合時の組成物に対して機械的性質、特に引張り強さ、耐摩耗性などの特性を飛躍的に向上させることができるという特異な性質を有することから、タイヤをはじめとする各種ゴム製品の充填補強剤として広く用いられるとともに、その色彩的特徴である黒色度を利用して各種塗料、インキ用の着色顔料などとしても利用されている。
【０００３】
カーボンブラックの製造では原料を導入する位置の高温燃焼ガスの温度は１５００℃を超え、原料を導入するための噴霧ノズルは非常に苛酷な条件下にある。高温燃焼ガスによって噴霧ノズルが異常に加熱され、ノズルが損傷したり、ノズル内部の原料がコーキングしてノズル内部を閉塞させるなどの現象により、安定した原料噴霧はしばしば困難となる。カーボンブラック原料導入ノズルは種々の形状のものが使用されており、その材質としてはステンレス鋼などが一般的である。通常ノズルはノズル内部の原料との熱交換やノズル周辺への冷却媒体の導入、例えば空気や窒素などの気体によって冷却されているがノズルの損傷や内部のコーキングを防止するにはいまだ十分でない。
【０００４】
これらの問題点を解決する手段として、本出願人により特公昭６２−３４２７２号公報に提案されている防熱冷却用ジャケットを備えたカーボンブラック製造装置がある。これはノズル付きの原料導入管を、冷却媒体を流通させている防熱冷却用ジャケット内に挿入することにより高温燃焼ガスからノズルを保護する構造を有するカーボンブラック製造装置に関するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年では高性能を有するカーボンブラックを製造するために、反応炉内の高温化、高流速化が要求され、このためにノズルに対する苛酷度はより増している。したがって、本出願人が開示した特公昭６２−３４２７２号公報の構造にかかる防熱冷却用ジャケットではノズルが高温に曝されている面積が大きく、またノズル先端の冷却は不充分であり、ノズルの損傷や原料のコーキングを完全に防止することは困難であった。
また、現在の高性能カーボンブラックの製造では、原料は反応炉内の燃焼ガス流れ方向に対して垂直な方向から複数本の噴霧ノズルから導入されるのが一般的であり、原料導入ノズル先端位置はノズルの損傷や原料のコーキングを発生させないように防熱冷却用ジャケットと共に反応炉内壁面と一致させるか、ノズル先端が若干炉内に入るように調整する必要がある。このノズル先端位置が防熱冷却用ジャケット先端よりジャケット内に引込んでいる状態で原料を噴霧すると、ジャケット先端部に接触した原料が熱により固化・堆積し製造が続けられない状態を招来させる。一方、ノズル先端が防熱冷却用ジャケットよりも炉内に入り込んだ状態で原料を噴霧した場合には、ジャケットの冷却効果が十分に受けられず高温ガスによりノズルが異常に加熱され、ノズルの損傷やノズル内部のコーキング現象を発生させ、安定した製造が続けられない状況を生じさせる。従って、ノズル先端の位置合わせは非常に慎重に行う必要があった。
【０００６】
本発明の目的は、カーボンブラック製造装置内におけるノズルセットを容易に目的とする位置に固定させ、かつ高温ガスによるノズルの損傷、ノズル内部のコーキング現象を防止することにより安定した原料噴霧を可能とする原料導入装置を備えたカーボンブラック製造装置の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、原料噴霧ノズル先端の異常過熱を防ぐために種々の形状の組合せを作成し、その結果、原料噴霧ノズルと防熱冷却用ジャケットを特定の形状の組合せとすることによりこの問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわちまず第１に原料噴霧ノズルの先端を先細り截頭円錐形とし、防熱冷却用ジャケット内部先端部を原料噴霧ノズルと嵌合する形状としたことである。これにより原料噴霧ノズルが高温ガスへ曝される面は小さくなり、これとともにノズル先端が防熱冷却用ジャケットと接触するので従来よりもずっと効果的に冷却できるようになる。これに加えて、これらの形状は原料噴霧ノズル先端位置と防熱冷却用ジャケット先端位置が一致するように作製されている。そのため、ノズル先端は予め予定された位置で固定され、位置合わせは不用である。これらの従来にはない特定の構造を有する原料噴霧装置を用いることにより長時間安定した原料噴霧が可能となり、ノズルに関するトラブル、すなわちノズルの損傷あるいは原料のコーキングによる閉塞などを皆無にすることに成功し、本発明に至ったものである。
【０００８】
本発明の第１は、炭化水素燃料と酸素含有ガスとの混合物を燃焼させることにより高温の燃焼ガス流を生成せしめる第１の燃焼ガス発生帯域、前記燃焼ガス流中にカーボンブラック生成用原料を導入することにより原料を熱分解または不完全燃焼せしめてカーボンブラックを生成させる第２のカーボンブラック生成帯域、生成されたカーボンブラック含有ガス流中に冷却媒体を導入してカーボンブラック反応を停止せしめる第３の反応停止帯域とから構成される３つの帯域からなるカーボンブラック製造装置において、
（ａ）カーボンブラック原料を流通せしめる抜き差し可能な管状通路手段、
（ｂ）前記管状通路手段の下流側に脱着可能に連結され、かつ先端部が先細り截頭円錐形状を有する原料噴霧手段、
（ｃ）前記（ａ）および（ｂ）の各手段の外側に空間を形成させ、該空間内に冷却媒体を流通せしめる外筒手段、
（ｄ）前記先細り截頭円錐形を有する原料噴霧手段の形状に少なくとも一部が嵌合する形状を有し、かつ前記（ｃ）の下流側に堅く連結された外筒先端形成手段
とからなるカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とするカーボンブラック製造装置に関する。
本発明の第２は、前記先細り截頭円錐形の原料噴霧装置の少なくとも一部が平面状に裁断されている形状を有するカーボンブラック製造用原料導入装置を有することを特徴とする請求項１記載のカーボンブラック製造装置に関する。
本発明の第３は、前記（ａ）と（ｂ）の間にさらに空間を形成せしめる手段を有し、該空間内にもう１つの冷却媒体を導入する手段を設けたカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とする請求項１または２いずれか記載のカーボンブラック製造装置に関する。
本発明の第４は、前記先細り截頭円錐形の原料噴霧装置の噴霧孔を含む炉内暴露面の面積（Ａ）と原料噴霧ノズルの噴霧孔の断面積（Ｓ）との比Ａ／Ｓが１００以下であるカーボンブラック原料導入装置を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のカーボンブラック製造装置に関する。
【０００９】
【発明実施の形態】
以下、本発明の構成をカーボンブラック製造装置の一例を用いて詳細に説明するが、あくまで例示にすぎず、本発明の主旨を満たすものは本発明に包含されることは言うまでもない。
なお、以下で用いる酸素含有ガス導入室とは燃料が導入されるまでの領域を意味し、燃焼ガス発生帯域とは燃料導入点から原料油導入点までの領域を意味し、カーボンブラック生成帯域とは原料油導入点から冷却媒体導入点までの領域を指すものである。
そして、前記（ａ）の一具体例は図２の原料供給管１３であり、前記（ｂ）の一具体例は図２の原料噴霧ノズル１２、さらに具体的には図３であり、前記（ｃ）の一具体例は図２や図４の防熱冷却用ジャケット１１であり、前記（ｄ）の一具体例は図４におけるノズル先端嵌合部２８である。
【００１０】
本発明は、図１において示されるように、炭化水素燃料と酸素含有ガスとの混合物を燃焼させることにより高温の燃焼ガス流を生成せしめる燃焼ガス発生帯域２、前記燃焼ガス流中にカーボンブラック生成用原料を導入することにより原料を熱分解または不完全燃焼せしめてカーボンブラックを生成させるカーボンブラック生成帯域３、生成されたカーボンブラック含有ガス流中に冷却媒体を導入してカーボンブラック反応を停止せしめる反応停止帯域４とから構成される３つの帯域からなる全体が耐火物で形成されたカーボンブラック製造装置１における原料導入装置に関するものである。図中の５は酸素含有ガス導入室、６は燃料導入装置、７は原料導入装置、８は反応停止冷却媒体導入装置である。
【００１１】
図２は本発明に係わる原料導入装置が反応炉内にセットされた概略図を示す。防熱冷却用ジャケット１１は内部を第１の冷却媒体が流通しており、冷却媒体としては水などの液体が使用される。この防熱冷却用ジャケット１１は耐火物９で成形された反応炉の稼動面１０と先端位置を合わせるようにセットされる。原料噴霧ノズル１２は先端部が防熱冷却用ジャケット１１と接触する構造になっている。原料噴霧ノズル１２は原料供給管１３と堅く連結されており、バルブ１８を介して抜き差しが自由にできる構造になっており、生産される品種グレードの変更などの際に容易にノズルを交換できる構成となっている。これに加えて、原料噴霧ノズル１２および原料供給管１３と防熱冷却用ジャケット１１の間には空気、窒素などの第２の冷却媒体を導入できる構成とするのがより好ましい。冷却媒体導入口１７から炉内に導入されるこの冷却媒体は原料供給管１３内の原料が防熱冷却用ジャケット１１によって冷却されすぎないように導入されるものであり、冷却媒体としては通常空気が用いられる。
【００１２】
図３は原料噴霧ノズル１２の拡大図である。原料油は先端の原料噴霧孔２０から噴霧される。原料噴霧孔２０の形状や原料噴霧ノズルの内部構造を変更することで種々の噴霧状態を作り出すことができる。原料噴霧孔２０の穴径は製造するカーボンブラックの品種、カーボンブラック製造装置のスケール、特に導入点での空間面積などによって適宜設定する必要がある。ゴム配合時に高い性能を発揮するカーボンブラックを生産しようとする場合噴霧粒径を小さくする必要があり、このため噴霧孔の穴径も小さくなるという傾向がある（なお、本発明では、ノズルは１本でも複数本でもよい）。これは原料油の噴霧状態をより均一化することによりカーボンブラック性状を均一化できるためである。このように原料噴霧量が減少すると低温度で導入される原料油自体によるノズル先端部への温度低下効果も小さくなり、その結果としてノズルが損傷しやすくなるという現象が発生することになる。この現象に関し本発明者は詳細に現状調査を行い、原料導入管外部空間に冷却媒体を通過させ、かつ截頭円錐形状の噴霧先端部と少なくとも一部合致した形状を有する防熱冷却用ジャケットとするのに加えて原料噴霧孔２０の断面積Ｓと原料噴霧孔を含む高温ガスに曝される截頭円錐形状の原料噴霧装置先端部の截頭面（すなわち原料噴霧装置の噴霧孔を含む炉内暴露面）２３の面積Ａの関係に着目し、Ａ／Ｓをある一定数値以下に小さくすることがノズルの損傷を防止するより好ましい要件であることを見い出した。すなわちノズル先端を先細り截頭形状とするとともに、高温ガスに曝される截頭面２３の面積Ａと原料噴霧孔２０の断面積Ｓの比Ａ／Ｓを１００以下とすることが、高温ガスによるノズル損傷を防止する要件となることを見いだし、本発明を完成させたものである。この比は、５０以下とすることにより更に好ましい効果を発現させることが出来る。
これに加えて、原料噴霧ノズルの截頭円錐形状部２２は前記防熱冷却用ジャケット１１の出口形状と嵌合するように構成されるが、その円錐部分の一部は平面により切断され、切断面２１が形成（図３の場合、４つの面２１がある。）されており、この切断面２１と防熱冷却用ジャケット１１の内部とにより形成される冷却媒体導入空間２９（図４参照）を経て冷却媒体（通常は空気）が炉内に入る構造になっている。２４は原料供給管との接合部である。
【００１３】
図４は本発明の原料導入装置の原料噴霧ノズル１２と防熱冷却用ジャケット１１との空間的位置関係を示す拡大図である。図４の（Ａ）は断面図であり図４の（Ｂ）は先端を正面から見た図である。図４の（Ａ）より原料噴霧ノズル１２の先端部は防熱冷却用ジャケット１１の先端のノズル先端嵌合部２８と嵌合するような形状となっておりノズルの位置合わせは不用である。また、原料噴霧ノズル１２の先端が細くなっており高温ガスに曝される面が非常に小さいのでノズルの損傷、ノズル内部のコーキング等を防止するのに最適であり、長時間にわたってカーボンブラック製造炉内への安定した原料噴霧が可能となる。これに加えて、原料噴霧ノズル１２の外側には第２の冷却媒体（通常は空気）を通過させる冷却媒体導入空間２９があり、冷却媒体は図３における截頭円錐部２２の切断面２１から反応炉空間内に導入される。この第２の冷却媒体は原料供給管１３内の原料が防熱冷却用ジャケット１１により大きな温度低下を生じさせないようにする役割を果している。
【００１４】
図５は従来のタイプの原料導入装置の先端部拡大図であり、原料噴霧ノズル２６の表面積（熱を受ける炉内暴露面の面積Ａ′）が大きく、ノズルの損傷あるいはノズル内部でのコーキングの発生という問題が起こりやすくなる。これは従来のタイプにおいては前記炉内暴露面２６の面積をＡ′とし、原料噴霧孔２０の面積をＳ′とすると、Ａ′／Ｓ′は２００〜３００と非常に大きいためである。
【００１５】
【実施例】
以下に実施例、比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００１６】
内径４５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの酸素含有ガス導入室５、その下流に収斂角度５．３°、下流端内径８０ｍｍでしだいに収斂する、燃料導入装置を備えた燃焼ガス発生帯域２、と複数の原料導入装置７を備えた原料を導入するカーボンブラック生成帯域３、更にその下流には内径１４０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの反応停止冷却媒体導入装置８を備えた反応停止帯域４、からなる全体が耐火物で覆われたカーボンブラック製造装置１を用いて、以下の実施例、比較例を実施した。
【００１７】
燃料には比重０．８６２２（１５℃／４℃）のＡ重油を用い、原料としては表１に示した性状の重質油を使用した。
【００１８】
【表１】
2004059598.tif 000003
【００１９】
本発明により開示した図２に示された原料導入装置を用いた実施例１〜３および図５に示された従来の原料噴霧装置を用いた比較例１〜２、および防熱冷却用ジャケットを装着しなかった比較例３のそれぞれの製造条件を表２に示した。実施例、比較例共に燃焼ガス温度が高く、原料油導入ノズルへの熱負荷が大きい超耐摩耗性ファーネスカーボンブラック（ＳＡＦ）クラスのカーボンブラックを製造した。原料油導入場所は収れん部分の最下流地点（内径８０ｍｍ）から上流へ１００ｍｍ地点でガス流れ方向に対して垂直な方向から４本の原料噴霧装置を用いて導入した。カーボンブラック生成反応の停止は原料噴霧地点から１１００ｍｍ下流の地点で炉内へ冷却水を導入することにより行った。また、各実施例および比較例の条件で製造されたカーボンブラックの特性についても表２に示した。
【００２０】
【表２】
2004059598.tif 000004
【００２１】
上記の表２に示した各実施例および比較例のカーボンブラック特性は下記の方法により測定される。
【００２２】
ＣＴＡＢ吸着比表面積
ＪＩＳ　Ｋ６２１７（１９９７）の６項に記載の方法により測定され、単位重量当たりの比表面積ｍ２／ｇで表示される。
【００２３】
２４Ｍ４ＤＢＰ吸収量
ＪＩＳ　Ｋ６２１７（１９９７）の１０項に記載の方法で測定され、カーボンブラック１００ｇ当たりに吸収されるジブチルフタレート（ＤＢＰ）の量ｍｌで表示される。
【００２４】
表３に、表２の条件によってＳＡＦ級カーボンブラックを製造した場合の噴霧の状態、ノズルの損傷あるいは閉塞による交換頻度、平均噴霧継続可能時間および製造後の原料噴霧ノズルの状態をまとめて示した。なお、各条件について２４時間製造を行った結果を示したものである。
【００２５】
【表３】
2004059598.tif 000005
【００２６】
実施例１〜３は２４時間にわたるＳＡＦ級カーボンブラックの製造中、噴霧状態は極めて安定しており、２４時間経過後も原料噴霧ノズルの交換なしで製造でき、また製造終了後のノズルにおいても外部の損傷や内部のコーキングなどは全くなくまだまだ使用可能な状態であった。これに対して、比較例１のノズルでは平均して約８時間経過すると内部のコーキングによって噴霧状態が悪化し、ノズルの交換をしなければならなかった。また、使用後ノズルは先端部の肉厚が若干減少しており、高温燃焼ガスによってかなり損傷を受けたことが認められた。さらに、ノズル内部の観察では一部原料が熱により固化したコーキングが少しみられた。噴霧孔断面積（Ｓ）と噴霧孔を含む炉内暴露面の面積（Ａ）との比較がさらに高い比較例２のノズルではこの不利益は更に顕著で、ノズルは約３時間しかもたなかった。内部のコーキング状態も非常に悪く、内部はほとんど閉塞していた。防熱冷却用ジャケットを装着しなかった比較例３ではノズルが１時間ともたず安定した製造は不可能であった。
【００２７】
【発明の効果】
（１）本発明によりカーボンブラック製造装置内へのノズルセットを容易にし
、かつ高温ガスによるノズルの損傷、ノズル内部のコーキング現象を防止
することができる。
（２）本発明の原料導入装置を使用することにより同じ防熱冷却用ジャケット
を備えた原料噴霧装置でありながら、安定した噴霧状態を長時間継続的に維
持することが可能となり、これにより原料噴霧装置のトラブルを大きく減
少させて高性能カーボンブラックの製造が続けて長時間可能となるという
大きな産業的利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施に適切なカーボンブラック製造装置の一例の略断面図である。
【図２】図２は本発明の原料導入装置がカーボンブラック製造装置の耐火物層空間内にセットされた状態の略断面図である。
【図３】図３の（Ａ）は本発明の原料噴霧ノズルの側面図であり、（Ｂ）はその正面図である。
【図４】図４の（Ａ）は本発明の原料導入装置の先端部を拡大した略断面図である。図４の（Ｂ）は本発明の原料導入装置の先端部の正面図である。
【図５】図５の（Ａ）は従来の原料導入装置の先端部を拡大した略断面図である。図５の（Ｂ）は従来の原料導入装置の先端部の正面図である。
【符号の説明】
１　カーボンブラック製造装置
２　燃焼ガス発生帯域
３　カーボンブラック生成帯域
４　反応停止帯域
５　酸素含有ガス導入室
６　燃料導入装置
７　原料導入装置
８　反応停止冷却媒体導入装置
９　耐火物
１０　反応炉稼動面
１１　防熱冷却用ジャケット
１２　原料噴霧ノズル
１３　原料供給管
１４　シール部
１５　冷却媒体導入口
１６　冷却媒体排出口
１７　冷却媒体導入口（気体）
１８　バルブ
１９　外面鉄皮
２０　原料噴霧孔
２１　切断面
２２　截頭円錐状部
２３　截頭面（原料噴霧装置の噴霧孔を含む炉内暴露面）
２４　原料供給管との接合部
２５　防熱冷却用ジャケット
２６　原料噴霧ノズル
２７　冷却媒体
２８　ノズル先端嵌合部
２９　冷却媒体導入空間
【図１】
2004059598.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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