(57)【要約】【課題】グリットの混入率が低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能なカーボンブラック製造用原料油供給ノズル及びこれを用いたカーボンブラックの製造装置並びにカーボンブラックの製造方法を提供する。【解決手段】チョーク部２１内を通過する高温燃焼ガス流中にノズルチップ２２を備えた複数の原料油供給ノズル１０から原料油を噴出してカーボンブラック製造する際に、各ノズルチップ２２をチョーク部２１の内壁面２１ａより突出させ、しかも、各ノズルチップ２２の突出部２７を高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部２１の断面に投影した際に形成される投影面積Ｓｎ  と、高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部２１の断面積Ｓｃ  との面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜１０％の範囲である。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョーク部内を通過する高温燃焼ガス流中に原料油を噴出するノズルチップを備えた複数の原料油供給ノズルにおいて、
前記各ノズルチップを前記チョーク部の内壁面より突出させ、しかも、前記各ノズルチップの突出部を前記高温燃焼ガス流の流れ方向に見た前記チョーク部の断面に投影した際に形成される前記各ノズルチップの投影面積Ｓｎ  と、前記高温燃焼ガス流の流れ方向に見た前記チョーク部の断面積Ｓｃ  との面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜１０％の範囲にあることを特徴とするカーボンブラック製造用原料油供給ノズル。
【請求項２】
請求項１記載の原料油供給ノズルにおいて、前記面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜７％の範囲にあることを特徴とするカーボンブラック製造用原料油供給ノズル。
【請求項３】
請求項１記載の原料油供給ノズルにおいて、前記面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜２％の範囲にあることを特徴とするカーボンブラック製造用原料油供給ノズル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の原料油供給ノズルにおいて、前記ノズルチップは円筒形状であることを特徴とするカーボンブラック製造用原料油供給ノズル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の原料油供給ノズルにおいて、前記ノズルチップの先端の外周側には、面取り角が１０〜６０°となる面取り加工が施されていることを特徴とするカーボンブラック製造用原料油供給ノズル。
【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用原料油供給ノズルが、前記高温燃焼ガス流の流れ方向に沿って複数段に渡って配置されていることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項７】
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用原料油供給ノズルを用いて前記高温燃焼ガス流中に前記原料油を供給しカーボンブラックを製造するに際し、前記原料油の前記チョーク部の内壁面及び前記ノズルチップの外周面への付着を低減することを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グリットの混入率が低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能なカーボンブラック製造用原料油供給ノズル及びこれを用いたカーボンブラックの製造装置並びにカーボンブラックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンブラックは顔料、充填剤、及び補強用顔料、耐候性改善剤として広く使用されており、その製造方法としては、例えば、特許文献１に示すように、円筒状の第１反応帯域の炉軸方向又は接線方向に酸素含有ガスと燃料を導入し燃焼させて高温燃焼ガス流を形成し、この高温燃焼ガス流を第１反応帯域の下流側に設けられた第２反応帯域（カーボンブラック生成領域ともいう）中に導入して移動させながら、この高温燃焼ガス流中に、原料油を噴霧供給してカーボンブラックを生成させ、生成したカーボンブラックを含有している高温燃焼ガス流を第２反応帯域の下流側に設けられた第３反応帯域に導き急冷してカーボンブラックの生成反応を停止させ、カーボンブラックを回収するファーネス式製造方法が広く知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−０６８６６５号公報
【０００４】
樹脂着色剤、印刷インキ、塗料において着色剤として使用されるカーボンブラックは黒度、分散性、光沢、着色力に優れたものが求められ、また主に自動車用タイヤの補強剤（補強材）として使用されるカーボンブラックは耐摩耗性に優れたものが求められる。そして、このようなカーボンブラックの特性は、カーボンブラックを構成している１次粒子の粒径に起因すると考えられ、この１次粒子径を小さくするように製造条件が制御されていた。しかし、最近カーボンブラックのこれらの特性が、むしろ１次粒子が凝集した凝集体の効果としてよりよく説明できる場合があることが次第に明らかになってきた。例えば、着色力などの光学的性質や配合ゴム組成物の動的粘弾性特性や補強性に対しては、凝集体径とその凝集体径分布が大きな役割を果たしていると考えられている。また、凝集体径は、ゴムに配合した場合の引張応力や押し出し特性、インキや塗料のビヒクル並びに樹脂に配合した場合の分散性や黒度、粘度等に多大な影響を与えることが明らかとなっている。
【０００５】
従って、この凝集体径やその分布を制御することが、カーボンブラックの特性そのものを制御することにつながってくる。カーボンブラックの１次粒子径と凝集体径を制御するには、例えば、カーボンブラック製造装置のチョーク部内を通過する高温燃焼ガス流中に原料油を噴霧供給した際の高温燃焼ガス流と原料油との接触効率を高めること、及び高温燃焼ガス流中におけるカーボンブラックの生成反応場を均一化することが必要であることが判っている。そのため、原料油の高温燃焼ガス流中への噴霧供給の方法が種々検討されている。一般に、原料油を高温燃焼ガス流中に導入するには、チョーク部の内壁面より高温燃焼ガス流中にノズルチップを突出させた噴霧ノズルが用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高温燃焼ガス流の流れ方向に見たノズルチップの幅が大き過ぎると、高温燃焼ガス流に対する流通抵抗が増大する。このため、ノズルチップの背面側に高温燃焼ガス流の流れから剥離してチョーク部内壁面に向かいながら流れ方向を反転（逆流）する巻き込み流を有する渦の発生領域が拡大する。そのため、ノズルチップの先端の噴出孔から噴出した原料油は、この渦に直ちに巻き込まれてチョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面に向かって移動するため、チョーク部の内壁面及びノズルチップの外壁周に付着しやすくなる。また、原料油を高温燃焼ガス流中に確実に巻き込ませるため、ノズルチップを高温燃焼ガス流中に突出させ過ぎても、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域が拡大し、原料油はチョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面に付着しやすくなる。一方、ノズルチップの背面側に渦が形成されるのを抑えるために、ノズルチップを高温燃焼ガス流中にできるだけ突出させないようにすると、ノズルチップから噴出した原料油は高温燃焼ガス流中に巻き込まれ難くなって、チョーク部の内壁面及びノズルチップの先端部に付着しやすくなる。
【０００７】
そして、付着した原料油の付着層が厚くなってくると、付着層は不定期的に離脱して高温燃焼ガス中に巻き込まれ、炭化してグリット（粗い粒子）となってカーボンブラック中に混入する。このようなグリットはカーボンブラック中では異物として作用し、この異物が混入しているカーボンブラックを、樹脂着色剤、印刷インキ、塗料において着色剤とした場合には黒度、分散性、光沢、着色力に支障が生じ、自動車用タイヤの補強剤とした場合には耐摩耗性に支障をきたすようになる。このため、カーボンブラック中に混入しているグリットのサイズと混入率は、特定範囲（例えば、サイズが４４μｍ以下、混入率が１００ｐｐｍ以下）とすることが必要となる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、グリットの混入率が低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能なカーボンブラック製造用原料油供給ノズル及びこれを用いたカーボンブラックの製造装置並びにカーボンブラックの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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用原料油供給ノズル（以下、単に原料油供給ノズルという）は、チョーク部内を通過する高温燃焼ガス流中に原料油を噴出するノズルチップを備えた複数の原料油供給ノズルにおいて、前記各ノズルチップを前記チョーク部の内壁面より突出させ、しかも、前記各ノズルチップの突出部を前記高温燃焼ガス流の流れ方向に見た前記チョーク部の断面に投影した際に形成される前記各ノズルチップの投影面積Ｓｎ  と、前記高温燃焼ガス流の流れ方向に見た前記チョーク部の断面積Ｓｃ  との面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜１０％の範囲にある。
【０００９】
ここで、ノズルチップの高温燃焼ガス流の流れ方向に見た幅は、従来のノズルチップの幅が２０〜４０ｍｍであるのに対して、例えば、１０〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍと小さくする。高温燃焼ガス流の流れ方向に見たノズルチップの幅を狭くすることにより、高温燃焼ガス流に対する抵抗を減少させることができ、巻き込み流、すなわち、ノズルチップの背面側に高温燃焼ガス流の流れから剥離してチョーク部の内壁面に向かいながら方向が反転した流れ（逆流）を有する渦の発生領域を縮小することができる。しかし、ノズルチップの幅を狭くしてもチョーク部の内壁面より突出するノズルチップの突出長が長くなると、ノズルチップの背面側の高温燃焼ガス流の乱れが顕著となって、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域は拡大する。従って、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域の範囲を制御するには、パラメータとなる高温燃焼ガス流の流れ方向に見たノズルチップの幅及びチョーク部の内壁面より突出するノズルチップの突出長を、それぞれ独立して任意に決定することができないことになる。
【００１０】
そこで、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域の範囲に及ぼすノズルチップの幅とノズルチップの突出長との関係を検討した結果、ノズルチップの突出部を高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部の断面に投影した際に形成される投影面積Ｓｎ  をパラメータとして採用すると、ノズルチップの幅とノズルチップの突出長のそれぞれの寄与を一括して取り扱えることが判明した。更に、投影面積Ｓｎ  と、高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部の断面積Ｓｃ  との面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を考えることにより、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域の範囲を定量的に把握できることが判った。すなわち、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．１％以上、かつ１０％以下に制御することにより、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域を小さくすることができる。その結果、ノズルチップから噴出した原料油が渦に巻き込まれる確率が低下して、チョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面への付着を低減することができる。
【００１１】
第１の発明に係る原料油供給ノズルにおいて、前記面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜７％の範囲にあることがより好ましい。
面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．１％以上、かつ７％以下とすることにより、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域をより小さくすることができる。このため、ノズルチップから噴出した原料油が渦に巻き込まれる確率がより低下して、チョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面への付着をより低減することができる。
【００１２】
第１の発明に係る原料油供給ノズルにおいて、前記面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜２％の範囲にあることが更に好ましい。
面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．１％以上、かつ２％以下とすることにより、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域を更に小さくすることができる。このため、ノズルチップから噴出した原料油が渦に巻き込まれる確率が更に低下して、チョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面への付着を更に低減することができる。
【００１３】
第１の発明に係る原料油供給ノズルにおいて、前記ノズルチップは円筒形状であることが好ましい。
高温燃焼ガス流の流れ方向に対して突出させて配置したノズルチップが円筒形状であると、高温燃焼ガス流はノズルチップと衝突した際に、ノズルチップの外周面に沿った２つの高温燃焼ガス流に分かれ、ノズルチップの背面側で合流して再び一様な高温燃焼ガス流を形成することができる。このため、高温燃焼ガス流の分流、及び分流した高温燃焼ガス流のノズルチップの外周面からの離脱がいずれも容易となって、ノズルチップの背面側に生じる渦の発生領域を小さくすることができる。このため、ノズルチップから噴出した原料油が渦に巻き込まれる確率が低下して、チョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面への付着を低減することができる。
【００１４】
第１の発明に係る原料油供給ノズルにおいて、前記ノズルチップの先端の外周側には、面取り角が１０〜６０°となる面取り加工が施されていることが好ましい。
ノズルチップの先端の外周側に面取り角が１０〜６０°となる面取り加工を施すことにより、ノズルチップの先端部の表面積が減少して原料油が付着しにくくなる。しかし、ノズルチップの先端側に急角度で面取り加工を施すと、先端からこの面取り部分に沿うようにチョーク部の内壁面に向かう新たな高温燃焼ガス流が誘起され、ノズルチップから噴出した原料油の一部はこの誘起された高温燃焼ガス流に巻き込まれて、チョーク部の内壁面への原料油の付着が助長される。そのため、面取り角を１０°以上、かつ６０°以下と規定した。
【００１５】
前記目的に沿う第２の発明に係るカーボンブラックの製造装置は、第１の発明のカーボンブラック製造用原料油供給ノズルが、前記高温燃焼ガス流の流れ方向に沿って複数段に渡って配置されている。
原料油供給ノズルを高温燃焼ガス流の流れ方向に沿って複数段に渡って配置することにより、上流側のノズルチップで噴霧供給された原料油からカーボンブラックの１次粒子の集合体である凝集体を形成し、下流側のノズルチップから噴霧供給される原料油で形成されるカーボンブラックの１次粒子をその凝集体に効率的に融着させて、凝集体を成長させることができる。
【００１６】
前記目的に沿う第３の発明に係るカーボンブラックの製造方法は、第１の発明のカーボンブラック製造用原料油供給ノズルを用いて前記高温燃焼ガス流中に前記原料油を供給しカーボンブラックを製造するに際し、前記原料油の前記チョーク部の内壁面及び前記ノズルチップの外周面への付着を低減する。
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用原料油供給ノズルを用いると、ノズルチップの背面側に生じる渦の発生領域を低減でき、ノズルチップから噴出した原料油がチョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面に付着することを抑制できる。例えば、ノズルチップの先端に面取り加工を施すことにより、ノズルチップの先端部の表面積を減少させて原料油を付着しにくくできる。更に、ノズルチップの先端からチョーク部の内壁面に向かう新たな高温燃焼ガス流が誘起されてノズルチップから噴出した原料油の一部はこの誘起された高温燃焼ガス流に巻き込まれるが、面取り角を例えば、１０〜６０°と規定することで、この新たな高温燃焼ガス流の流れ方向を調節でき、チョーク部の内壁面への原料油の付着を抑制できる。
【００１７】
【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用原料油供給ノズルを適用したカーボンブラックの製造装置の全体概略断面図、図２は同原料油供給ノズルの部分切欠き側面図、図３は各ノズルチップの投影面積とチョーク部の断面積の面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  の説明図である。
図１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用原料油供給ノズル１０を適用したカーボンブラックの製造装置１１は、高温燃焼ガス流を形成させる第１反応帯域１２と、第１反応帯域１２より下流側に設けられ流入する高温燃焼ガス流に原料油を混合してカーボンブラックを生成させる第２反応帯域１３と、第２反応帯域１３より下流に設けられカーボンブラックの生成反応を停止させる第３反応帯域１４とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。
【００１８】
第１反応帯域１２は、燃焼ノズル１５と、燃焼ノズル１５から供給された燃料及び酸素含有ガスが燃焼反応を起こす燃焼室１６と、断面積が段階的に縮小し燃焼反応により形成された高温燃焼ガス流を第２反応帯域１３に導入する導入部１７とを有している。なお、燃焼室１６と導入部１７の内側は、例えば、２０００〜２４００℃の高温に耐えられる高温用耐火物１８で内張りされており、高温用耐火物１８の外側には更に一般用耐火物１９が配置され、その外側には鉄皮２０が設けられている。燃焼ノズル１５から供給する燃料としては、一般に水素、一酸化炭素、天然ガス、石油ガス並びに重油等の石油系液体燃料、クレオソート油等の石炭系液体燃料が使用できる。また、酸素含有ガスとしては一般に空気、酸素又はそれらの混合物を使用できる。このような構成とすることにより、燃焼室１６で燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を形成させ、この高温燃焼ガス流を導入部１７を介して第２反応帯域１３に導入することができる。
【００１９】
第２反応帯域１３は、導入部１７を介して流入した高温燃焼ガス流が通過するチョーク部２１と、チョーク部２１の軸方向の異なる位置、例えば２箇所の位置にチョーク部２１の内壁面２１ａより突出してカーボンブラックの原料油を噴出するノズルチップ２２を備えた原料油供給ノズル１０とを有している。なお、ノズルチップ２２は高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直に突出している。チョーク部２１は断面積が急激に狭くなっている部分であり、その長さは５００ｍｍ以上、好ましくは７００〜３０００ｍｍとするのが望ましい。なお、ここでチョーク部２１の起端部（入口部）２３は、流路の最も狭い部分（直径Ｄｃ  ）を含み、高温燃焼ガス流の流れ方向に対する縮径部の接線角度が５°を超える値から５°以下の値に変化するまでの部位をいう。一方、チョーク部２１の終端部（出口部）２４は、高温燃焼ガス流の流れ方向に対する縮径部の接線角度が５°を超える値となる部位をいう。また、チョーク部２１の直径は２００ｍｍ以下、好ましくは３０〜１７０ｍｍ、更に好ましくは５０〜１５０ｍｍである。なお、チョーク部２１の内側は、例えば、１８００〜２４００℃の高温に耐えられる高温用耐火物１８が内張りされており、高温用耐火物１８の外側には更に一般用耐火物１９が配置され、その外側には鉄皮２０が設けられている。
【００２０】
図２に示すように、原料供給ノズル１０は、例えばステンレス鋼等の耐熱鋼で作製され、一端側（基側）に形成した雌ねじ２５を介して図示しない原料油の供給配管に接続するノズル基部２６と、ノズル基部２６の他端側（先側）に設けられた外径Ｄｎ  の円筒形状のノズルチップ２２とを有している。そして、ノズルチップ２２の先端から基端側に向かう所定長さＬの領域が、高温用耐火物１８で内張りされたチョーク部２１の内壁面２１ａより突出して突出部２７となっている。ノズル基部２６の中心部の軸心方向には、原料油を流すために内径が段階的に縮径している基部側流通路２８が形成されている。また、ノズルチップ２２の中心部の軸心方向には、基部側流通路２８と連通し基部側流通路２８の先端側と同径のノズルチップ側流通路２９が形成され、その先端側は原料油の噴出孔３０となっている。更に、ノズルチップ２２の先端の外周側には、面取り角θが１０〜６０°、好ましくは１０〜４０°、より好ましくは２０〜３０°となる面取り加工部３１が形成されている。面取り加工を施すことにより、ノズルチップ２２の先端部の表面積が減少して原料油が付着しにくくなる。また、ノズルチップ２２の先端からはチョーク部２１の内壁面２１ａに向かう新たな高温燃焼ガス流（支流）が誘起されるが、この流れの俯角は面取り角θ（１０〜６０°）に一致するので、チョーク部２１の内壁面２１ａに到達するまでには時間を要する。このため、この新たな高温燃焼ガス流に噴出した原料油が巻き込まれても、チョーク部２１の内壁面２１ａに向かって移動中に、チョーク部２１内を流れる高温燃焼ガス流（本流）に巻き込まれてしまう。従って、ノズルチップ２２から噴出した原料油がチョーク部２１の内壁面２１ａに付着することが防止できる。
【００２１】
図３に、高温燃焼ガス流の流れ方向から見たときの各ノズルチップ２２の配置状態を示す。なお、図３では、高温用耐火物１８で構成されたチョーク部２１の内壁面２１ａを周方向に４等分する位置に、内壁面２１ａより各ノズルチップ２２の先側を長さＬにわたって突出させて配置した状態を示している。また、各ノズルチップ２２は高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直方向に突出しているため、図３に示されたノズルチップ２２の幅はノズルチップ２２の外径Ｄｎ  に一致し、突出した部分の長さは突出部２７の長さＬに一致する。そのため、ノズルチップ２２の各突出部２７を高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部２１の断面に投影した際に形成される各ノズルチップ２２の投影面積Ｓｎ  は、図３における各突出部２７の面積に相当し、高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部２１の断面積Ｓｃ  は、図３における内径Ｄｃ  の円孔の面積に相当する。
【００２２】
面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  の値を、例えば、０．１〜１０％（好ましくは０．１〜７％、更に好ましくは０．１〜２％）に調整するには、投影面積Ｓｎ  と断面積Ｓｃ  を個々に決定することにより可能となる。また、投影面積Ｓｎ  の値は、ノズルチップ２２の外径Ｄｎ  及び突出部２７の長さＬに依存し、断面積Ｓｃ  はチョーク部２１の内径Ｄｃ  に依存する。ここで、チョーク部２１の内径Ｄｃ  が大きくなると投影面積Ｓｎ  を大きくすることができ、外径Ｄｎ  の大きなノズルチップ２２の適用が可能となり、また、突出部２７の長さＬを長くすることも可能となる。また、チョーク部２１内径Ｄｃ  を一定とする場合では、外径Ｄｎ  の大きなノズルチップ２２では突出部２７の長さＬに制約が生じ、突出部２７の長さＬを長くするにはノズルチップ２２の外径Ｄｎ  に制約が生じる。
【００２３】
例えば、チョーク部２１の内径Ｄｃ  が１５０ｍｍの場合、ノズルチップ２２の外径Ｄｎ  を１０〜５０ｍｍ、突出部２７の長さＬを５〜３０ｍｍとすると、投影面積Ｓｎ  は５０〜１５００ｍｍ２  となって、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．３〜８．５％の範囲に調整できる。また、チョーク部２１の内径Ｄｃ  が１３０ｍｍの場合、ノズルチップ２２の外径Ｄｎ  を１０〜３０ｍｍ、突出部２７の長さＬを５〜３０ｍｍとすると、投影面積Ｓｎ  は５０〜９００ｍｍ２  となって、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．４〜６．８％の範囲に調整できる。更に、チョーク部２１の内径Ｄｃ  が２００ｍｍの場合、ノズルチップ２２の外径Ｄｎ  を１０ｍｍ、突出部２７の長さＬを５〜３０ｍｍとすると、投影面積Ｓｎ  は５０〜３００ｍｍ２  となって、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  を０．２〜１％の範囲に調整できる。なお、突出部２７の長さＬを５ｍｍ以上としたのは、５ｍｍ未満ではチョーク部２１の内壁面２１ａを構成している高温用耐火物１８の表面に対する原料油の付着が顕著となるためである。また、突出部２７の長さＬを３０ｍｍ以下としたのは、３０ｍｍを超えてノズルチップ２２を突出させると、ノズルチップ２２の背面側に形成される渦の発生領域が拡大するためである。
【００２４】
このような構成とすることにより、高温燃焼ガス流に対してノズルチップ２２の背面側に発生する渦の発生領域を小さくして、ノズルチップ２２から噴出した原料油が渦に巻き込まれるのを抑制して、原料油がチョーク部２１の内壁面２１ａ及びノズルチップ２２の外周面に付着するのを防止できる。その結果、原料油を高温燃焼ガス流に確実に巻き込ませることができ、原料油と高温燃焼ガス流との接触率を向上させ、高温の燃焼ガス流中に広範囲にわたって均一なカーボンブラックの生成反応場を形成することができる。
なお、ノズルチップ２２は、チョーク部２１の内壁面２１ａに、例えば、周方向を４等分する位置にそれぞれ配置されている。４等分した位置にノズルチップ２２を配置することにより、高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直方向から、高温燃焼ガス流の流れを乱さないで、高温燃焼ガス流に対して原料油を均一に供給することができる。
【００２５】
更に、ノズルチップ２２を高温燃焼ガス流の流れ方向に沿って２段に渡って配置することにより、上流側のノズルチップ２２で供給された原料油からカーボンブラックの１次粒子の集合体である凝集体を形成し、下流側のノズルチップ２２から供給される原料油で形成されるカーボンブラックの１次粒子をその凝集体に効率的に融着させて、凝集体の大きさを制御することができる。ここで、上流側（１段目）のノズルチップ２２の位置は、チョーク部２１の入口から高温燃焼ガス流の断面平均流速基準で１ｍｓ以内の範囲とすることが好適である。より好ましくは、０．６ｍｓ以内の範囲とする。この位置で原料油を導入することにより、特に小粒子径で凝集体径の均一なカーボンブラックを得ることができる。また、２段目のノズルチップ２２は、１段目のノズルチップ２２で供給した原料油から形成されて高温燃焼ガス流中を移動している凝集体の表面の活性が維持されている間に、新たなカーボンブラックの１次粒子を形成することができ、更にこの１次粒子が凝集体に融着して反応する（カーボンブラックを生成する）のに必要な時間が確保できるように、チョーク部２１の下流側を除く部位に設ける。
【００２６】
以上のような構成とすることにより、チョーク部２１内で高温燃焼ガス流の流速を高速に保つことができ、チョーク部２１内の高温燃焼ガス流の持つ乱流混合の作用を大きくして、ノズルチップ２２から供給した原料油の高温燃焼ガス流への巻き込みを促進することができる。更に、高温燃焼ガス流の持つ熱エネルギーを効率良くカーボンブラック生成反応に利用することができ、カーボンブラック生成反応の速度を向上させることができる。また、カーボンブラック生成反応が生じる反応場を均一とすることができる。その結果、均一な大きさの凝集体を効率的に形成することができる。形成された凝集体の表面活性が維持されている間に２段目のノズルチップ２２から原料油が供給されるので、２段目のノズルチップ２２で供給した原料油から形成されるカーボンブラックの１次粒子を確実に凝集体に融着させることができる。その結果、凝集体を確実に大きくすることができる。
【００２７】
第３反応帯域１４は、第２反応帯域１３から流入した高温燃焼ガス流の温度を低下させる冷却室３２と、冷却室３２の軸方向の異なる位置に多段にわたって設けられ高温燃焼ガス流に対して冷媒を供給するノズル３３とを有している。冷却室３２の内側は一般用耐火物１９で構成され、その外側には鉄皮２０が設けられている。また、ノズル３３は、冷却室３２の内壁面に、例えば、周方向を４、６、又は８等分のように偶数等分する位置にそれぞれ設けられている。偶数等分した位置にノズル３３を設けることにより、高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直方向から、高温燃焼ガス流に対して冷媒を均一に供給することができる。ここで、ノズル３３から供給する冷媒としては、水等の冷媒液体、窒素ガス等の非酸化性ガスを使用することができる。また、水等の冷媒液体と窒素ガス等の非酸化性ガスを併用することもできる。
このような構成とすることにより、冷却室３２内に導入した高温燃焼ガス流の温度を急冷することができ、最終的には２００〜３００℃にまで低下させることができる。このため、カーボンブラックの生成反応を急速に停止させることが可能となる。急冷されたカーボンブラックを含む高温燃焼ガス流は、第３反応帯域１４の出口３４からカーボンブラックの製造装置１１の外部に放出され、カーボンブラックは図示しない捕集バッグフィルター等でガスと分離されて回収される。
【００２８】
次に、本発明の一実施の形態に係る原料油供給ノズル１０を適用したカーボンブラックの製造装置１１によるカーボンブラックの製造方法について詳細に説明する。
第１反応帯域１２の燃焼室１６で形成した高温燃焼ガス流を、第２反応帯域１３に設けられたチョーク部２１に起端部２３から導く。チョーク部２１の直径を、例えば２００ｍｍ以下と燃焼室１６に対して縮径しているので、チョーク部２１に導入した高温燃焼ガス流の流速は速くなる。この高温燃焼ガス流中に、チョーク部２１に軸方向の異なる２箇所の位置に設けたノズルチップ２２から原料油を流量８０〜２５０ｋｇ／ｈで、高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直方向から噴霧供給する。ノズルチップ２２の外径Ｄｎ  を５０ｍｍ以下、チョーク部２１内壁面よりの突出長Ｌを５〜３０ｍｍとすることにより、ノズルチップ２２背面側に形成される渦の発生領域を小さくする。その結果、ノズルチップ２２の先端の噴出孔３０から噴霧供給される原料油の巻き込みを抑制して、チョーク部２１の内壁面２１ａ及びノズルチップ２２の外壁面への原料油の付着を防止できる。更に、ノズルチップ２２の先端の外周側には面取り加工部３１を形成して、ノズルチップ２２の先端部の表面積を減少させて原料油が付着しにくくしている。
【００２９】
その結果、噴霧供給された原料油がチョーク部２１の内壁面２１ａ、ノズルチップ２２の先端及び外周面に付着するのを抑制できる。更に、付着する原料油の量が低下することにより、付着した原料油が不定期に高温用耐火物１８の表面又はノズルチップ２２の外表面から離脱して高温燃焼ガス流中に巻き込まれ、炭化してグリットを形成する頻度が低下すると共に、離脱する際の原料油の寸法も小さくなる。そのため、カーボンブラック中のグリット混入率が低下し、更にグリットの大きさも減少する。
また、チョーク部２１の上流側に設けられたノズルチップ２２から噴霧供給した原料油は、高温燃焼ガス流の有する熱エネルギーを吸収して気化、熱分解、蒸発、凝縮の一連の変化を起し、核となるカーボンブラック前駆体を形成しカーボンブラックの１次粒子が生成する。その後、１次粒子同士が衝突して凝集体が形成される。このとき、チョーク部２１内における燃焼ガス流の酸素濃度を３体積％以下、好ましくは０．０５〜１体積％となるように、燃焼ノズル１５から供給する燃料と酸素含有ガスの割合を調整する。チョーク部２１における高温燃焼ガス流中の酸素濃度が小さいことにより、噴霧供給された原料油の部分燃焼が生じにくく、チョーク部２１内の温度を均一に保つことができる。その結果、噴霧供給した原料油の気化、熱分解、蒸発、凝縮の一連の変化が均一に生じ、核となるカーボンブラック前駆体が均一に形成されて１次粒子が均一に生成する。
【００３０】
チョーク部２１内に流入した高温燃焼ガス流の温度は１７００℃以上、好ましくは１９００℃以上となるように、例えば第１反応帯域１２において高温燃焼ガス流を形成させる際に、空気に酸素を添加して燃焼する。なお、高温燃焼ガス流の温度を高める方法は酸素の添加に限定されず、空気を予熱する等の方法をとることによっても可能である。なお、チョーク部２１内の高温燃焼ガス流の酸素濃度を前述のように低くして燃焼させることにより、ＣＯ２  の発生割合を増加させて燃焼反応における発熱量を増大させ高温燃焼ガス流の高温化を更に促進できる。チョーク部２１内での高温燃焼ガス流の温度を１７００℃以上とすることにより、噴霧供給した原料油の気化、熱分解、蒸発、凝縮の一連の変化速度が向上し、核となるカーボンブラック前駆体の形成速度、及び１次粒子の生成速度を向上させることができる。
【００３１】
更に、チョーク部２１内で高温燃焼ガス流の流速を２５０ｍ／ｓ以上、好ましくは５００〜１０００ｍ／ｓとする。これによって、高温燃焼ガス流中に原料油をノズルチップ２２から噴霧供給した際に、原料油を効果的に微粒化して高温燃焼ガス流中により均一に混合することができる。また、噴霧供給した原料油の気化、熱分解、蒸発、凝縮の一連の変化速度が向上し、核となるカーボンブラック前駆体の形成速度、及び１次粒子の生成速度を向上させることができる。
【００３２】
以上のように、チョーク部２１内での高温燃焼ガス流中の酸素濃度、燃焼ガス流の温度、及び流速を調整することにより、チョーク部２１の上流側に設けられたノズルチップ２２から噴霧供給した原料油の気化、熱分解、蒸発、凝縮の一連の変化を均一、かつ高速に行うことができて、多数の核が形成して多くの１次粒子を生成することができ、その結果、生成する一次粒子も小さくなる。また、生成した１次粒子は相互衝突を経て融着し凝集体を形成していくが、高温のため１次粒子間の衝突頻度が高く、多くの凝集体を急速に形成する。このため、凝集体径分布の幅が狭い凝集体が形成される。
【００３３】
続いて、上流側のノズルチップ２２で供給した原料油から形成された凝集体の表面が活性である間に、下流側のノズルチップ２２から原料油を噴霧供給すると、供給された原料油は高温燃焼ガス流から伝達された熱エネルギーにより、多数のカーボンブラックの１次粒子となる。形成されたこの１次粒子は、チョーク部２１内を移動する際に、１次粒子同士の衝突、あるいは１段目のノズルチップ２２で噴霧供給した原料油から形成された凝集体との衝突が生じるが、凝集体と１次粒子との衝突の頻度が１次粒子同士の衝突の頻度よりも高くなる。このため、凝集体は、高温燃焼ガス流中を移動しながら衝突した１次粒子をその表面に融着していくので、凝集体径は徐々に増大していく。ここで、凝集体は衝突する１次粒子を融着してその径を大きくしていくので、１次粒子の凝集体への衝突頻度はますます大きくなって、新たに凝集体が形成されるよりは、既存の凝集体が成長する現象が優勢となる。このため、形成される凝集体における凝集体径は大きく、かつ凝集体径分布の幅は狭くなる。
【００３４】
チョーク部２１内で形成されたカーボンブラックの凝集体を含んだ高流速の高温燃焼ガス流を、チョーク部２１の終端部２４から冷却室３２に流出させる。冷却室３２の直径はチョーク部２１の直径と比較して拡径しているので、高温燃焼ガス流の流速は低下する。更に、冷却室３２の内周面には、対称的に配置された複数のノズル３３が多段にわたって設けられている。これらのノズル３３から、高温燃焼ガス流の流れ方向に対して垂直方向から水を噴霧することにより、高温燃焼ガス流の温度を急冷してカーボンブラックの生成反応を急速に停止させる。そして、高温燃焼ガス流の温度を最終的には２００〜３００℃にまで低下させる。その結果、高温燃焼ガス流中に含まれていたカーボンブラックの凝集体は、冷却用に噴出した水から形成された水蒸気と冷却された燃焼ガスとの混合ガス流中に含有されて第３反応帯域１３の出口３４からカーボンブラックの製造装置１１の外部に放出され、図示しない捕集バッグフィルター等で混合ガスと分離して回収される。
【００３５】
以上、本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、例えば、ノズルの配置を２段としたが、３段以上としてもよい。また、ノズルチップをチョーク部の内壁面を周方向に４等分する位置にそれぞれ配置したが、６等分、８等分等の偶数等分する位置に配置することもできる。更に、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて、本発明の原料油供給ノズルを構成する場合にも本発明は適用される。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１〜５記載のカーボンブラック製造用原料油供給ノズルにおいては、各ノズルチップをチョーク部の内壁面より突出させ、しかも、各ノズルチップの突出部を高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部の断面に投影した際に形成される各ノズルチップの投影面積Ｓｎ  と、高温燃焼ガス流の流れ方向に見たチョーク部の断面積Ｓｃ  との面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜１０％の範囲にあるので、ノズルチップの背面側に形成される渦の発生領域を小さくすることでチョーク部内壁面及びノズルチップ外壁面への付着を低減することができ、カーボンブラック中のグリット混入率の低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能となる。
【００３７】
特に、請求項２記載の原料油供給ノズルにおいては、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１〜７％の範囲にあるので、チョーク部内壁面及びノズルチップ外壁面への付着をより低減することができ、カーボンブラック中のグリット混入率のより低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能となる。
【００３８】
請求項３記載の原料油供給ノズルにおいては、面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  が、０．１％〜２％の範囲にあるので、チョーク部内壁面及びノズルチップ外壁面への付着を更に低減することができ、カーボンブラック中のグリット混入率の更に低いカーボンブラックを工業的に効率よく生産することが可能となる。
【００３９】
請求項４記載の原料油供給ノズルにおいては、ノズルチップは円筒形状であるので、ノズルチップの背面側で生じる高温燃焼ガス流の渦領域を小さくすることができ、ノズルチップから噴出された原料油がチョーク部内壁面及びノズルチップ外壁面に付着することを更に防止できる。
【００４０】
請求項５記載の原料油供給ノズルにおいては、ノズルチップの先端の外周側には、面取り角が１０〜６０°となる面取り加工が施されているので、ノズルチップの先端部に付着する原料油を減少させることが可能となる。その結果、ノズルチップ外壁面に付着する原料油の量を更に低減することが可能となる。
【００４１】
請求項６記載のカーボンブラックの製造装置においては、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用原料油供給ノズルが、高温燃焼ガス流の流れ方向に沿って複数段に渡って配置されているので、カーボンブラックの１次粒子から凝集体の形成が主体となる過程と、カーボンブラックの１次粒子が融着して凝集体の成長が主体となる過程とを、カーボンブラックの製造装置内に確保することができ、凝集体径の揃った凝集体を効率的に形成することが可能となる。
【００４２】
請求項７記載のカーボンブラックの製造方法においては、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用原料油供給ノズルを用いて高温燃焼ガス流中に原料油を供給しカーボンブラックを製造するに際し、原料油のチョーク部の内壁面及びノズルチップの外周面への付着を低減するので、付着した原料油が高温燃焼ガス流中に脱落する頻度が低下し、付着した原料油が炭化して形成されるグリットの混入率を低源することが可能となる。
【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用原料油供給ノズルを適用したカーボンブラックの製造装置の全体概略断面図である。
【図２】同原料油供給ノズルの部分切欠き側面図である。
【図３】各ノズルチップの投影面積とチョーク部の断面積の面積比率Ｓｎ  ／Ｓｃ  の説明図である。
【符号の説明】
１０：カーボンブラック製造用原料油供給ノズル、１１：カーボンブラックの製造装置、１２：第１反応帯域、１３：第２反応帯域、１４：第３反応帯域、１５：燃焼ノズル、１６：燃焼室、１７：導入部、１８：高温用耐火物、１９：一般用耐火物、２０：鉄皮、２１：チョーク部、２１ａ：内壁面、２２：ノズルチップ、２３：起端部、２４：終端部、２５：雌ねじ、２６：ノズル基部、２７：突出部、２８：基部側流通路、２９：ノズルチップ側流通路、３０：噴出孔、３１：面取り加工部、３２：冷却室、３３：ノズル、３４：出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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