(57)【要約】【課題】原料油の予熱を効率的に行い、ノズル本体が強度を有して寿命の長いカーボンブラックの製造に使用する原料油噴霧ノズル装置を提供する。【解決手段】高温燃焼ガス流中に原料油を噴霧してカーボンブラックを製造するのに使用する原料油噴霧ノズル装置１０であって、原料油を噴き出す１つ以上の噴霧孔２３が先端に設けられているノズル本体１２と、ノズル本体１２を中央にしてその外側を囲むジャケット１３とを有し、しかも、ノズル本体１２の先部がジャケット１３の先端から突出する突出部を有し、更にノズル本体１２の材質が金属で構成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃焼ガス流中に原料油を噴霧してカーボンブラックを製造するのに使用する原料油噴霧ノズル装置であって、
前記原料油を噴き出す１つ以上の噴霧孔が先端に設けられているノズル本体と、該ノズル本体を中央にしてその外側を囲む冷却又は加熱手段とを有し、しかも、前記ノズル本体の先部が前記冷却又は加熱手段の先端から突出する突出部を有し、更に前記ノズル本体の材質が金属で構成されていることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項２】
請求項１記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記ノズル本体を構成する金属には、炭素鋼、ステンレス鋼、インコネル、ハステロイ、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれか１又は２以上が使用されていることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記ノズル本体は２つ以上の噴霧孔を有する２流体噴霧ノズルであることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記原料油の通路が前記ノズル本体の外側に実質的に形成されていることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項５】
請求項４記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記原料油の通路は、前記ノズル本体の先端部では該ノズル本体の中央側にその流れを変更し、前記原料油の通路の内側にある気体通路は、前記ノズル本体の先端部では該ノズル本体の外側にその流れを変更していることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記ノズル本体は前記冷却又は加熱手段に対して進退調整可能に設けられていることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項の記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記原料油は前記ノズル本体の前記突出部で、該原料油の沸点又は沸点近傍の温度まで加熱されることを特徴とするカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温燃焼ガス流に、例えば炭化水素油等からなる原料油を噴霧ノズルを用いて噴霧し、カーボンブラックを製造する設備に使用する原料油噴霧ノズル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オイルファーネス法によりカーボンブラックを製造するには、例えば、特許文献１に記載のように、一般に円筒状のカーボンブラック製造炉の基側に、炉軸方向又はその接線方向に酸素含有ガスと燃料を導入して、これらの燃焼によって高温燃焼ガス流を形成し、この高温燃焼ガス流中に原料油噴霧ノズル装置より原料炭化水素を導入してカーボンブラックを生成させている。
そして、原料油噴霧ノズル装置は周囲の高温燃焼ガス流によって加熱されるので、外側に筒状の冷却媒体のジャケット部を有し、原料油が通過するノズル本体の温度上昇を抑制している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−６８６６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしなから、従来の外側に冷却手段を設けた原料油噴霧ノズル装置については、冷却手段の冷媒に水を使用しているので、ノズル本体を通過する原料油が冷やされ、導入された原料油の粘度が上がって霧化が十分に行えないという問題があった。
また、ノズル本体から噴出した原料油の温度も低いので、気化させるのに時間がかかってコークス状のグリットと呼ばれる成分が発生し易くなり、粒径が細かくストラクチャーが大きいカーボンブラックの効率的な製造が困難であるという問題があった。
更には、高温度に曝されるノズル本体の先部又は全部にセラミックを用いて構成することも可能であるが、セラミックは熱伝導性が悪く、熱衝撃にも弱いので実際の製造は困難であり、仮に製造可能であっても寿命が短いという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、外側の冷却又は加熱手段に対して内側のノズル本体の先部を突出させて供給される原料油の予熱を効率的に行い、更には強度を有して寿命の長いカーボンブラックの製造に使用する原料油噴霧ノズル装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、高温燃焼ガス流中に原料油を噴霧してカーボンブラックを製造するのに使用する原料油噴霧ノズル装置であって、前記原料油を噴き出す１つ以上の（好ましくは複数の）噴霧孔が先端に設けられているノズル本体と、該ノズル本体を中央にしてその外側を囲む冷却又は加熱手段とを有し、しかも、前記ノズル本体の先部が前記冷却又は加熱手段の先端から突出する突出部を有し、更に前記ノズル本体の材質が金属で構成されている。
ここで、前記ノズル本体を構成する金属には、炭素鋼、ステンレス鋼、インコネル、ハステロイ、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれか１又は２以上を使用するのが好ましい。
このように、ノズル本体をセラミック等に比較して熱伝導性が良く、耐割れ性に強い金属で構成したので、冷却又は加熱手段からの突出長さを短くして効率的に原料油を予熱できる。
【０００６】
また、第２の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、第１の発明に係る原料油噴霧ノズル装置において、前記ノズル本体は原料油の他に気体も同時に流す様な２つ以上の噴霧孔を有する２流体噴霧ノズルであり、好ましくは、前記原料油の通路は前記ノズル本体の外側に実質的に形成されている。
気体は原料油を加速して噴き出すのに役立つ。原料油はノズル本体の外側を流れているので、高温燃焼ガス流から加熱度合いが大きくなる。
第３の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、第２の発明に係る原料油噴霧ノズル装置において、前記原料油の通路は、前記ノズル本体の先端部では該ノズル本体の中央側にその流れを変更し、前記原料油の通路の内側にある気体通路は、前記ノズル本体の先端部では該ノズル本体の外側にその流れを変更している。これによって、ノズル本体の先端部（ノズルチップと称されている）での原料油と気体の攪拌性が向上し、より均一に原料油が高温燃焼ガス流内に噴き出す。
【０００７】
第４の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、第１〜第３の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記ノズル本体は前記冷却又は加熱手段に対して進退調整可能に設けられている。これによって、原料油の加熱度合いの調整ができる。
そして、第５の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、第１〜第４の発明に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置において、前記原料油は前記ノズル本体の前記突出部で、該原料油の沸点又は沸点近傍の温度まで加熱されている。これによって、原料油をより気化しやすい状態に保持できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置の概略説明図、図２は同原料油噴霧ノズル装置のノズル本体の断面図、図３（Ａ）〜（Ｃ）は図２における矢視Ｐ部の拡大説明図、図４（Ａ）、（Ｂ）は同原料油噴霧ノズル装置の両側部を省略した断面図、図５及び図６は同原料油噴霧ノズル装置を使用した場合の製品の性状を示すグラフである。
【０００９】
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置（以下、単に原料油噴霧ノズル装置という）１０は、原料油の一例であるクレオソート油を噴き出す１つ以上の噴霧孔２３が先端に設けられているノズル本体１２と、ノズル本体１２を中央にしてその外側を囲む冷却又は加熱手段の一例であるジャケット１３とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
ノズル本体１２はステンレス等の耐熱性及び強度を有する金属が使用され、基側の流体導入部１４とこれに繋がる二重管部１５と先部のノズルチップ部１６とを有している。この実施の形態では全長が約２．４ｍで二重管部１５の外径が４５ｍｍ程度である。流体導入部１４には原料油を供給する継手１７と圧縮空気を供給する継手１８が設けられている。二重管部１５は同心状に配置された外管１９と内管２０とを有し、外管１９としては直径は約４５ｍｍの薄肉パイプが、内管２０としては外径が約２５ｍｍの薄肉パイプが使用され、外管１９と内管２０との隙間２１の部分を継手１７から供給された原料油が流れ、内管２０内の空間部２２には継手１８から供給される圧縮空気が流れるようになっている。なお、原料油の通路となる隙間２１の断面積と気体通路となる空間部２２の断面積は同じか、又は一方の断面積が他方の断面積に対して１〜３倍の範囲であることが好ましい。
【００１０】
この実施の形態においては、継手１７はＴ型継手が使用され、この第１の接続口に外管１９が螺合し、これと対向する第２の接続口に、内管２０が丁度嵌入するソケット２３ａが螺合し、このソケット２３ａに継手１８を構成する異径エルボが螺合している。
一方、二重管部１５の先部に設けられているノズルチップ部１６は、外管１９及び内管２０の先端部に固着されている。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、内部には先側に複数（この実施の形態では８）の噴霧孔２３があり、その手前側に均圧室２４があり、更に均圧室２４の手前側には気液混合部２５が設けられている。気液混合部２５は外管１９と内管２０の隙間２１と中央の中央通路２６を連通し、先側が萎むように斜め配置された複数本（この実施の形態では４本）の原料油連通孔２７と、中央通路２６の周囲に形成された環状通路２８と内管２０の空間部２２を連通し、先側が開くように斜め配置された複数本（この実施の形態では４本）の空気連通孔２９を有している。図３（Ｃ）に示すように、原料油連通孔２７と空気連通孔２９は異なる位置に配置されて、それぞれがノズルチップ部１６内で交差しないようになっている。
【００１１】
環状通路２８は先側方向に徐々に縮径し、中央通路２６に交わり、これによって、原料油連通孔２７を通ってきた原料油と、空気連通孔２９を通ってきた空気が混合して、強い圧力で均圧室２４に入るようになっている。ノズルチップ部１６の軸心を中心にして軸対称に配置された８個の噴霧孔２３は、それぞれ軸心に対して２０〜４０度の角度で外側に開くように設けられている。噴霧孔２３に連通する均圧室２４の中央には、各噴霧孔２３に空気混合油を均等に配分する８本のガイド３０が周囲に設けられた案内部材３１が設けられている。これによって、空気混合油が均等に噴霧孔２３から外部に噴出されることになる。なお、外管１９の所定位置には取付けフランジ３２が設けられている。
【００１２】
次に、図１、図４を参照しながらノズル本体１２の外側に設けられている冷却又は加熱用のジャケット１３について説明する。図１、図４（Ｂ）に示すように、該ジャケット１３はステンレス鋼からなって、同心上に配置された外筒管３３と内筒管３４を有している。外筒管３３及び内筒管３４の中間部には、図４（Ａ）に示すように、軸方向に仕切り板３５、３６が設けられ、外筒管３３及び内筒管３４を上下に仕切っている。仕切り板３５、３６はジャケット１３の先部には設けられておらず、結局、仕切り板３５、３６によって外筒管３３及び内筒管３４の中間部に、連通する水通路３７、３８を形成している。
水通路３７、３８の基側には水入口３９、水出口４０が設けられ、水入口３９から冷却水を流し、水出口４０から排水することによって、外筒管３３及び内筒管３４を冷却している。
内筒管３４の内側には、ノズル本体１２の外管１９が僅少の隙間を有して嵌入し、常時は、ジャケット１３の先端部からノズル本体１２の先部が約２５〜１００ｍｍ程度の範囲で突出している。
【００１３】
なお、外筒管３３の基端部には取付けフランジ４１が設けられ、この実施の形態では取付けフランジ４１に更にシールユニット４２が設けられ、シールユニット４２に配置されたグランドパッキン４３を押さえフランジ４４によって押圧することによって、ジャケット１３とノズル本体１２とのシールを図っている。また、この原料油噴霧ノズル装置１０をカーボンブラックの製造炉４５に取付ける場合には、製造炉４５の鉄皮に取付けフランジ４６を設けておき、グランドパッキン４７と押圧フランジ４８によってシール状態を保ちながら固定する。
この実施の形態では、ジャケット１３に対してノズル本体１２を移動可能（進退調整可能）に取付け、ノズル本体１２のジャケット１３の先部からの突出長さを変更できるように構成しているが、ジャケット１３に対してノズル本体１２を固定状態で取付けてもよい。なお、図１において、４９は炉材耐火物である。
【００１４】
従って、この原料油噴霧ノズル装置１０をカーボンブラックの製造炉４５に図１に示すように取付けて、例えば冷却水を水入口３９から供給し、製造炉４５を稼働させて内部に高温燃焼ガス流を発生させ、原料油を継手１７から、空気を継手１８から供給する。外管１９と内管２０の隙間２１を流れる原料油はジャケット１３の部分では、内筒管３４によって冷却されるが、ジャケット１３から突出した部分が加熱されて原料油の沸点又は沸点近傍の温度（例えば、２００〜３００℃程度）に温度上昇する。これによって、原料油の粘度が下がり、流動性が増して空気の混合性がよくなり、噴霧孔２３から微滴状態で噴霧され、約１８００℃程度の高温燃焼ガス流に触れて急速に炭化されたカーボンブラックになる。
この場合、原料油の加熱状態は、ノズル本体１２のジャケット１３からの突出部の長さＬ（図１参照）によって変化するので適正に調整する。更に、ノズル本体１２は全体がステンレス鋼等の金属によって構成されているので、高温燃焼ガス流中に露出しても熱膨張差によって割れる恐れがなく、取扱時に破損することもない。
【００１５】
図５は、以上の原料油噴霧ノズル装置１０を用いて製造したカーボンブラックの比表面積と、ストラクチャーの繋がりとの関係を示すグラフである。図５において、ブランクはノズル本体１２の突出部の長さＬが０の場合、＋２５ｍｍは突出長さＬが２５ｍｍ、＋５０ｍｍは突出長さＬが５０ｍｍの場合を示す。図５に示すように、ストラクチャーの長さは、ノズル本体１２を突出させた方が大きくなることが分かる。なお、ＳＮ２  は比表面積（ｍ２  ／ｇ）を表し、ＣＤＢＰはストラクチャー径（ｃｍ３  ／１００ｇ）を表す。
図６は、ストラクチャーの繋がりの長さと、生成したカーボンブラックの粒子の分布を示すが、本実施の形態の噴霧ノズル装置１０を用いて製造したカーボンブラックは粒子分布が狭いことがわかる。なお、ここで最大頻度ストークス相当径：Ｄｍｏｄと、その半値幅：Ｄ１／２との比である（Ｄ１／２／Ｄｍｏｄ）は、この数が小さいほど凝集体径分布がシャープであることを示す。
【００１６】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変形は可能であり、例えば、前記した実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。例えば、前記実施の形態においては、ジャケット１３は上下に二重構造として流体通路を確保したが、先部を除く部分を三重管構造にして、径方向に流路を確保することもできる。
また、前記実施の形態は気体と原料油を同時に流す２流体構造（２流体噴霧ノズル）のノズル本体であったが、気体を流さず原料油のみを流す１流体構造のノズル本体であってもよい。
更には、前記実施の形態においては、ノズル本体１２及びジャケット１３にステンレス鋼を使用したが、他の種類の金属（例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、インコネル、ハステロイ、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれか１又は２以上）であってもよい。更には、ジャケット１３の内筒管３４の冷却又は加熱性能を落とすために、外筒管３３より内筒管３４の厚みを厚くしたり、内筒管３４に外筒管３３より熱伝導性の悪い金属を使用してもよく、場合によっては内筒管３４の内側に別の金属又はセラミックスを内張りしてもよい。
また、前記実施の形態では原料油としてクレオソート油を用いたが、別の原料油、例えば、重油、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタリン、アントラセン等の芳香族炭化水素、カルボン酸油等の石炭系炭化水素、エチレンヘビーエンドオイル、ＦＣＣオイル等の石油系重質油、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタンやヘキサン等の脂肪族炭化水素が好適に用いられる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１〜７記載のカーボンブラックを製造するのに使用する原料油噴霧ノズル装置は、ノズル本体の先部が、例えばジャケット等の冷却又は加熱手段の先端から突出する突出部を有し、更にノズル本体の材質が金属で構成されているので、高温燃焼ガス流中に露出する突出部で原料油が積極的に加熱される。これによって、原料油の粘度が下がって流動性が増し、より小さな液滴が主体となって高温燃焼ガス流中に噴霧され、より品質のよいカーボンブラックを製造することができる。
そして、ノズル本体の先部を高温ガス中に露出すると、冷却又は加熱手段によって冷却されているノズル本体との温度差が大きくなるが、ノズル本体に金属を用いているので、セラミック材を使用する場合等のように割れることがなく、ノズル本体の寿命が長い。
更には、ノズル本体に金属を使用するので、熱伝導性がよく全体の厚みを厚くでき、より強度の大きいノズル本体を構成できる。
【００１８】
特に、請求項２記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、ノズル本体を構成する金属には、炭素鋼、ステンレス鋼、インコネル、ハステロイ、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれか１又は２以上が使用されているので、アルミナ等のセラミックに比べて、熱伝導性がよく、衝撃に強く、更には複雑な構造（特に、ノズル先端の部分）のノズル本体を提供できる。
請求項３記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置においては、ノズル本体は、原料油の他に気体も同時に流す様な２つ以上の噴霧孔を有する２流体噴霧ノズルであり、しかも請求項４記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置においては、原料油の通路がノズル本体の外側に実質的に形成されているので、突出部において積極的に原料油が周囲の高温燃焼ガス流によって加熱される。
【００１９】
請求項５記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、原料油の通路が、ノズル本体の先端部ではノズル本体の中央側にその流れを変更し、原料油の通路の内側にある気体通路は、ノズル本体の先端部ではノズル本体の外側にその流れを変更しているので、突出部における原料油の効率的な加熱性を確保しながら、原料油と気体との混合を効率的に行うことができる。
請求項６記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、ノズル本体は冷却又は加熱手段に対して進退調整可能に設けられているので、突出部の長さを調整することができ、これによって、原料油の加熱状態を調整できて種々の品質のカーボンブラックの製造が可能となる。更には、異なる種類の原料油を用いて均一な品質のカーボンブラックを製造することも可能となる。
そして、請求項７記載のカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置は、原料油はノズル本体の突出部で沸点又は沸点近傍の温度に加熱されているので、噴出孔から高温燃焼ガス流中に微粒状態で噴霧された後、直ちに気化し、より品質のよいカーボンブラックを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るカーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置の概略説明図である。
【図２】同原料油噴霧ノズル装置のノズル本体の断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は図２における矢視Ｐ部の拡大説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は同原料油噴霧ノズル装置の両側部を省略した断面図である。
【図５】同原料油噴霧ノズル装置を使用した場合の製品の性状を示すグラフである。
【図６】同原料油噴霧ノズル装置を使用した場合の製品の性状を示すグラフである。
【符号の説明】
１０：カーボンブラック製造に使用する原料油噴霧ノズル装置、１２：ノズル本体、１３：ジャケット、１４：流体導入部、１５：二重管部、１６：ノズルチップ部、１７、１８：継手、１９：外管、２０：内管、２１：隙間、２２：空間部、２３：噴霧孔、２３ａ：ソケット、２４：均圧室、２５：気液混合部、２６：中央通路、２７：原料油連通孔、２８：環状通路、２９：空気連通孔、３０：ガイド、３１：案内部材、３２：取付けフランジ、３３：外筒管、３４：内筒管、３５、３６：仕切り板、３７、３８：水通路、３９：水入口、４０：水出口、４１：取付けフランジ、４２：シールユニット、４３：グランドパッキン、４４：押さえフランジ、４５：製造炉、４６：取付けフランジ、４７：グランドパッキン、４８：押さえフランジ、４９：炉材耐火物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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