(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頭部の燃焼室と、原料導入域、反応域、反応停止域とを同軸上に連設した円筒状の反応炉を用い、燃焼域で燃料を燃焼して高温燃焼ガスを生成させる燃焼工程と、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料炭化水素を導入する原料導入工程と、引き続く反応域で原料炭化水素の熱分解反応によりカーボンブラックに転化させる反応工程と、反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させる反応停止工程と、からなるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料導入工程における原料炭化水素の導入が原料導入域の出口手前２０〜６００ｍｍの位置から酸素により霧化導入され、また、反応域の内径Ｄ2 が原料導入域の内径Ｄ1 より小さく、その比Ｄ2 ／Ｄ1 が０．３〜０．８５の炉構造であ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、オイルファーネス法による操業安定性に優れ、高い生成収率および高い生産性で、効率良くカーボンブラックを生産するための工業的に有利な製造方法に関する。
【０００２】
ファーネスブラックの基本的な製造技術は、耐火煉瓦で内張りした円筒状の燃焼域、反応域および反応停止域を同軸的に連設した反応炉を用い、燃焼域で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成させ、燃焼ガス流を引き続く反応域に導いて燃焼ガス流中に原料炭化水素を導入して原料炭化水素の不完全燃焼および熱分解反応により炭化水素をカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域においてカーボンブラック含有ガス流を急冷して反応を終結させ、最終的にカーボンブラックを捕集工程で回収するプロセスからなっている。
【０００３】
上記のプロセスにおいて、原料炭化水素がカーボンブラックに転化する過程は極めて複雑であって未だ詳細には解明されていないが、一般には高温燃焼ガス流中に導入された原料炭化水素が多環芳香族炭化水素あるいはアセチレンを経由して微細な液滴に凝縮し、この液滴が脱水素反応しながら衝突と合体を繰り返して核を形成したのち次第に成長して粒子凝集体を形成するものと考えられている。したがって、燃焼ガス流の温度を高温化すれば、原料炭化水素の気化、熱分解反応が促進され、原料導入量の増加による生産性の向上が期待できるほか、核形成の速度が高まるなどの利点がもたらされる。また、原料炭化水素がカーボンブラックに転化する際のガス流の攪乱度が大きいほど気化が促進されるので、カーボンブラックの生産性向上には有利である。
【０００４】
例えば、反応炉の内径を小さくすると、外部に熱放散する炉内表面積も小さくなるので熱放散量が低減し、更に、ガス流の攪乱度も増大するので原料の気化が促進されることとなり、原料炭化水素のカーボンブラックへの転化率、すなわち生成収率や生産能率などの向上を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、反応炉内径を小さくすると原料炭化水素が充分に気化する前に原料炭化水素の霧滴流が炉内壁に衝突する確率が増大し、いわゆるコークスグリットが生成してカーボンブラックの品質が大幅に損なわれることになる。更に、炉内壁に付着したコークスは次第に成長して炉内に堆積し、安定操業性が阻害され、生産性の低下を招くこととなる。
【０００６】
一般に、原料炭化水素の熱分解過程時に、反応域における炭化水素濃度を低減すればコークスグリットの生成を防止することができるが、原料炭化水素の導入量を減らすことになるので生産性が低下する難点がある。そこで、カーボンブラックの生産性を維持しながらコークス生成を低減化する方法として、例えば、特開平１−１８８４１２号公報にはカーボンブラック反応炉の反応室域の炉内壁に凹凸部を設けるコークス生成低減方法が開示されている。この方法は、炭化水素原料油や空気の導入量などを変えずカーボンブラックの品質を保持しながらコークス生成の低減化を図るもので、生産性の向上や生産得率の向上を意図するものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、コークス生成の低減化を図るとともに生産量を増大させるには、反応炉の内径を大きくすることが有利であり、一方、生成収率の向上を図るためには炉内径を小さくすることが好ましいことになる。このように、生産性の増大と生成収率の向上を図ることは、カーボンブラックを製造する上で相反する要因となる。
【０００８】
そこで、本発明者は上記の問題点を解決するためにカーボンブラック反応炉への原料炭化水素の導入手法ならびに熱分解反応時の炉構造などについて検討を行った結果、原料炭化水素の導入量を増加させてもコークスの生成を抑止することができ、また高い生成収率でカーボンブラックを生産することができる製造技術を開発した。
【０００９】
すなわち、本発明は上記の結果に基づくもので、その目的は、生成収率および生産性が高く、操業安定性に優れたオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明によるカーボンブラックの製造方法は、炉頭部の燃焼室と、原料導入域、反応域、反応停止域とを同軸上に連設した円筒状の反応炉を用い、燃焼域で燃料を燃焼して高温燃焼ガスを生成させる燃焼工程と、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料炭化水素を導入する原料導入工程と、引き続く反応域で原料炭化水素の熱分解反応によりカーボンブラックに転化させる反応工程と、反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させる反応停止工程と、からなるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料導入工程における原料炭化水素の導入が原料導入域の出口手前２０〜６００ｍｍの位置から酸素により霧化導入され、また、反応域の内径Ｄ2 が原料導入域の内径Ｄ1 より小さく、その比Ｄ2 ／Ｄ1 が０．３〜０．８５の炉構造であることを構成上の特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に用いられるカーボンブラック製造用の反応炉を例示した略断面図である。反応炉は炉頭に燃焼域１、引き続きその下流に原料導入域２、反応域３、反応停止域４、に区分されて同軸上に連設され、各部位は耐火煉瓦で内張りされて円筒型構造に構築されている。
【００１２】
燃焼域１は上流に接線方向から空気などの酸化剤導入ダクト５と軸方向に燃焼用バーナ６を装着した広径区画として燃焼室が形成され、その下流には燃焼室の出口テーパー部位により原料導入域２が連設されている。円筒状の原料導入域２には酸素供給用の外管を有する原料導入ノズル７が炉軸に対し直角方向に、すなわち流通する燃焼ガス流に対し直角方向から原料が導入される方向に複数個が装着されている。原料導入域２の下流出口端には円筒状の反応域３が連設され、反応域３の下流出口端は次第に拡径する反応停止域４に接続している。反応停止域４には急冷用水導入ノズル８が装着され、カーボンブラックが生成した反応ガス流に冷却水を噴霧導入して反応を終結させる。なお、反応停止域４の下流側は図示しない捕集系統に接続している。
【００１３】
カーボンブラックの製造は、燃焼域１で燃料を燃焼して高温燃焼ガスを生成させる燃焼工程、原料導入域２を流下する高温燃焼ガス流に直角方向から原料炭化水素を噴霧導入する原料導入工程、引き続く反応域３で原料炭化水素を熱分解反応によりカーボンブラックに転化させる反応工程、および反応停止域４においてガス流を急冷して反応を終結させる反応停止工程、による連続プロセスで行われる。
【００１４】
燃焼工程では、燃焼域１に装着した燃焼用バーナ６から供給された燃料が酸化剤導入ダクト５から供給される空気などの酸化剤により燃焼して高温の燃焼ガス流が生成される。燃料としてはメタン、天然ガスや石油系、石炭系の気体状または液体状の燃料が用いられる。
【００１５】
原料導入工程では、原料導入域２を流下する高温燃焼ガス流に直角方向から原料炭化水素が導入される。原料炭化水素としてはカーボンブラック製造用の原料として常用されるクレオソート油、エチレンボトム油など石炭系や石油系の原料油が適用される。
【００１６】
本発明のカーボンブラックの製造方法における第１の特徴は、この原料導入域２における原料炭化水素の導入を原料導入域２の出口手前２０〜６００mmの位置から導入することにある。すなわち、図１に示した原料導入ノズル７から原料導入域２の下流出口端までの距離Ｌが２０〜６００mmの位置から導入するものである。
【００１７】
原料炭化水素を導入する位置Ｌを２０〜６００mmの範囲に設定する理由は、Ｌが２０mm以内であると、原料炭化水素のガス化が不充分なままの状態で反応域３に流入し易くなる。後述するように本発明は反応域３の内径が原料導入域２の内径より小さく設計されているので、ガス化が不充分であると、反応域３の内壁に原料炭化水素の霧滴流が衝突してコークスグリットが生成する頻度が増大することとなるためである。一方、Ｌが６００mmを超える位置から導入しても原料炭化水素のガス化の向上効果は少なく、むしろ熱放散による熱損失が大きくなり生成収率および生産性の低下を招くことになるためである。
【００１８】
また、本発明のカーボンブラックの製造方法における第２の特徴は、原料導入域２に原料炭化水素を導入する際に、酸素により霧化して導入する点にある。酸素により霧化することにより原料炭化水素の一部が局部的に急速に燃焼して高温部が形成され、原料炭化水素のガス化が急速に進むことになるので、原料炭化水素の霧滴流が炉内壁へ直接衝突する現象を抑制することが可能となる。なお、酸素による霧化とは、純酸素による霧化ばかりではなく、酸素富化した空気による霧化も含まれる。
【００１９】
更に、本発明のカーボンブラックの製造方法における第３の特徴は、反応域３の内径を原料導入域２の内径より小さく設計した炉構造とする点にある。上述したように、原料導入域２に導入された原料炭化水素は急速に気化され、ガス化された状態で反応域３に流入するので、反応域３の内径を原料導入域２の内径より小さく設計しても反応域３の内壁に原料炭化水素の霧滴流が直接衝突する頻度は極めて少ないものとなり、コークスグリットの生成、炉内コークスの堆積などは効果的に抑止される。そして、反応炉の内径を小さくすることにより反応域３における外部への熱放散量の低減、および、ガス流の攪乱度が増大し、その結果、原料炭化水素のカーボンブラックへの転化率の向上が図られる。なお、原料導入域２の内径から反応域３の内径へと縮小する程度は、原料導入域２の内径Ｄ1 と反応域３の内径Ｄ2 との比、Ｄ2 ／Ｄ1 の値が０．３〜０．８５程度の縮径比に設計することが好ましい。
【００２０】
このように、本発明のカーボンブラックの製造方法は、原料導入域２の特定の位置から原料炭化水素を酸素により霧化して噴霧導入し、また、反応域３の内径を原料導入域２の内径より小さく設計した炉構造とすることにより、これらが相乗的に機能して、グリットコークスの生成を抑制しつつ原料炭化水素導入量の増大およびカーボンブラックへの転化率の向上を図ることが可能となる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して詳細に説明する。
【００２２】
実施例
内径６００mm、長さ１２００mmの燃焼域１、内径２２０mm、長さ１０００mmの原料導入域２、内径１７０mm、長さ３５０mmの反応域３、引き続きテーパー状に拡径する反応停止域４とを同軸上に連設した、図１に例示した炉構造の反応炉を設置した。なお、原料導入域２には酸素供給用の外管を有する原料導入ノズル７を原料導入域２の下流出口端までの距離Ｌが３５０mmの位置に設置した。この反応炉により、燃料に比重(15/4 ℃) ０．９０３の石油系炭化水素油を、原料炭化水素に比重(15/4 ℃) １．１０３のクレオソート油を用い、クレオソート油を酸素により霧化導入してカーボンブラックを製造した。
【００２３】
比較例１
酸素を使用しないでクレオソート油を霧化導入した他は全て実施例と同じ条件によりカーボンブラックを製造した。
【００２４】
比較例２
原料導入ノズル７の設置位置Ｌを１０mmとした他は全て実施例と同じ条件によりカーボンブラックを製造した。
【００２５】
比較例３
原料導入ノズル７の設置位置Ｌを９００mmとした他は全て実施例と同じ条件によりカーボンブラックを製造した。
【００２６】
比較例４
原料導入域２の内径を反応域３の内径と同じ１７０mmとした他は全て実施例と同じ条件によりカーボンブラックを製造した。
【００２７】
比較例５
反応域３の内径を原料導入域２の内径と同じ２２０mmとした他は全て実施例と同じ条件によりカーボンブラックを製造した。
【００２８】
このようにして、安定生産ならびに品質維持ができる範囲内で、よう素吸着量が３１〜３４mg/gのソフト系カーボンブラックを製造した。得られたカーボンブラックのふるい残分、生成収率、生産量などを測定し、製造条件と対比して表１に示した。
【００２９】
【表１】
0003900745.tif 000002
【００３０】
表１の結果から、クレオソート油の霧化導入に酸素を使用しない比較例１はカーボンブラックの品質を維持するためにクレオソート油の導入量を下げざるを得ず、実施例に比べ生産量が低下した。また、原料導入ノズル７から原料導入域２の下流出口端までの距離Ｌが１０mmと短い比較例２では反応域３の内壁にコークスが付着したためクレオソート油の導入量を大幅に下げざるを得ず、生産量が著しく低下した。一方、Ｌが９００mmと長い比較例３ではクレオソート油のガス化に充分な空間があるため実施例と同等のクレオソート油を導入することができるが、熱放散量の増大により生成収率が低下し、生産量も低くなった。
【００３１】
原料導入域２の内径が反応域３の内径と同じ１７０mmの比較例４では、比較例２と同様に反応域３の内壁にコークス付着が著しくなり、クレオソート油の導入量を大幅に減らしたため生産量が大きく低下した。一方、反応域３の内径を原料導入域２の内径と同じ２２０mmに設計した比較例５では、比較例３と同様にクレオソート油のガス化に充分な空間があるため実施例と同等のクレオソート油を導入することができるが、熱放散量の増大により実施例に比較して生成収率が低下し、生産量も低くなった。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のカーボンブラックの製造方法によれば、原料導入域２の特定の位置から原料炭化水素を酸素により霧化して噴霧導入し、また、反応域３の内径を原料導入域２の内径より小さく設計した炉構造とすることにより、これらが相乗的に機能して、グリットコークスの生成を抑制しつつ原料炭化水素導入量の増大およびカーボンブラックへの転化率の向上を図ることが可能となる。したがって、カーボンブラックの品質を維持しつつ、高い生成収率および生産性で、操業安定性に優れたオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカーボンブラックの製造方法に適用される反応炉を例示した略断面図である。
【符号の説明】
１  燃焼域
２  原料導入域
３  反応域
４  反応停止域
５  酸化剤導入ダクト
６  燃焼用バーナ
７  原料導入ノズル
８  急冷用水導入ノズル
【図１】
0003900745.tif 000003