(57)【要約】【課題】カーボンブラックを含む高温の燃焼ガス流から効率的に熱を回収すると共に、カーボンブラック製品の純度を維持して、商品価値の高いカーボンブラックを製造する。【解決手段】カーボンブラック原料を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガスを発生させる燃焼炉１からの燃焼ガスを、クエンチノズル２から水を噴霧して冷却した後、空気予熱器３で空気との熱交換で冷却し、次いで流動床式熱交換器１０で水との熱交換で冷却した後、バグフィルタ６でガス中のカーボンブラックを捕集する。流動床式熱交換器１０の流動媒体として平均平均粒径０．２〜５．０ｍｍ、粒子密度０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３、ＨＶ硬度１０００〜１５００、破壊靱性３．０〜６．０ＭＰａ√ｍの流動媒体、好ましくはＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４粒子を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンブラック原料を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、該燃焼炉からの燃焼ガスを冷却する冷却手段と、冷却されたガス中のカーボンブラックを捕集する捕集手段とを有するカーボンブラックの製造装置において、
該冷却手段は、該燃焼ガスが内部に導入される熱交換器本体と、該燃焼ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる伝熱管とを備え、該伝熱管は、熱交換器本体内に形成された流動媒体の流動床中に配設されている流動床式熱交換器を備え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２】
請求項１において、該流動媒体は、平均粒径が０．２〜５．０ｍｍであり、粒子密度が０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３であり、ＨＶ１０硬度が１０００〜１５００であり、破壊靱性が３．０〜６．０ＭＰａ√ｍであ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３】
請求項２において、該流動媒体がアルミナ及び／又は窒化珪素よりな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４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、該冷却手段は、燃焼炉からの燃焼ガス中に冷却水を噴霧するクエンチノズルと、該クエンチノズルの後段に設けられた空気予熱器とを有し、前記流動床式熱交換器は、該空気予熱器の後段に設けら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５】
カーボンブラック原料を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、該燃焼工程からの燃焼ガスを冷却する冷却工程と、冷却されたガス中のカーボンブラックを捕集する捕集工程とを有するカーボンブラックの製造方法において、
該冷却工程は、該燃焼ガスが内部に導入される熱交換器本体と、該燃焼ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる伝熱管とを備え、該伝熱管は、熱交換器本体内に形成された流動媒体の流動床中に配設されている流動床式熱交換器により該燃焼ガスを冷却する過程を含むことを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、該流動媒体は、平均粒径が０．２〜５．０ｍｍであり、粒子密度が０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３であり、ＨＶ１０硬度が１０００〜１５００であり、破壊靱性が３．０〜６．０ＭＰａ√ｍであることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【請求項７】
請求項５において、該流動媒体がアルミナ及び／又は窒化珪素よりなることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか１項において、該冷却工程は、燃焼工程からの燃焼ガス中に冷却水を噴霧して冷却した後、空気との熱交換で更に冷却し、その後前記流動床式熱交換器による冷却を行う工程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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラックの製造装置及び製造方法に関するものであり、特にオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造にあたり、高温の燃焼ガス流から、熱エネルギーを効率的に回収するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックはゴムの耐久性を高めるための優れた補強材として、また黒色顔料や導電性付与剤として大量に使用されている。
【０００３】
カーボンブラック製法の主流であるオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造装置では、燃焼炉にて燃料油を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガス流を生じさせ、このガス流を冷却した後、バグフィルタ等の捕集手段にてカーボンブラックを捕集、回収するようにしている（例えば特開２００４−２７０５１号公報の従来技術の欄）。
従来、上記冷却手段としては、水をガス流中に吹き込むウォータークエンチと、空気予熱器とが用いられている。
【０００４】
この冷却手段について、従来のカーボンブラックの製造装置の全体フローを示す第３図を参照して説明する。
第３図において、１は、燃焼炉であり、燃料油を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入される第３反応帯域と、該第２反応帯域内にカーボンブラック原料油（液体の炭化水素）を噴霧するノズルとを備えている。
【０００５】
このカーボンブラック原料油の熱分解で生成したカーボンブラックを含む高温（例えば１２００〜１４００℃）の燃焼ガスは、燃焼炉１から排出され、クエンチノズル２から水が噴霧されて６００〜７００℃程度まで降温され、更に空気予熱器３に導入される。空気予熱器３は、空気が流通する伝熱管３ａを備えており、空気は、この伝熱管３ａ内を通って５００〜６００℃程度に加熱された後、配管４を介して前記燃焼炉１へ導入される。
空気予熱器３で空気と熱交換して約４００℃程度に降温した燃焼ガスは、クエンチノズル５から、再び水が噴霧されて２５０℃程度に冷却された後、バグフィルタ６に通され、カーボンブラックが捕集される。
【０００６】
上記従来のカーボンブラックの製造装置では、バグフィルタ６でのカーボンブラックの捕集に当たり、バグフィルタ６の材質による耐熱性に対応するために、高温の燃焼ガス流を２８０℃以下に下げる必要があり、そのために、クエンチノズル２，５による冷却水の噴霧と、空気予熱器３における熱交換が行われている。ここで、空気予熱器３をクエンチノズル２の後流側に配置するのは、燃焼炉１から排出された燃焼ガスの温度が高温すぎるために、空気予熱器３での熱交換に先立ち、水の噴霧による冷却でガス温を６００〜７００℃程度に降温させる必要があるためである。
【０００７】
しかし、クエンチノズル２，５から燃焼ガス流内に噴霧された水は、水蒸気となって、そのまま系外へ排出されるため、この冷却水から熱回収を図ることができず、従来において、熱回収は空気予熱器３のみでしか行われていないのが現状である。このため、従来のカーボンブラックの製造装置における廃熱回収率は約２１％と非常に低いものであり、大量の顕熱が無駄に排出されていた。
【０００８】
一方、高温の廃ガスから熱を回収するための熱交換器として、高温の廃ガスが内部に導入される熱交換器本体と、熱交換器本体内に配設され、廃ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる伝熱管と、熱交換器本体内に配設され、伝熱管を囲む流動媒体の流動層とを備える流動床式熱交換器が公知である（例えば特開２００４−３２５０６５号公報）。
流動床式熱交換器であれば、熱交換器本体内に配設された伝熱管の外壁にスケールとして付着、堆積して、伝熱管の伝熱性能を低下させ、熱交換効率低下の要因となるような成分を含む廃ガスからの熱回収であっても、伝熱管の表面に付着したスケールを、熱交換チューブを囲み且つ熱交換器本体内で流動する粉粒流動層の媒体粒子の流動によって、伝熱管の表面から剥離することができる。このようなスケールの除去によって、伝熱管の伝熱性能の低下が防止でき、熱交換器による実用的な熱エネルギーの回収が可能になる。
【特許文献１】特開２００４−２７０５１号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特開２００４−３２５０６５号公報に記載の熱交換器は、各種プラントから発生する様々な有機物を含む廃液を燃焼させるための液中燃焼炉からの廃ガスの熱回収を目的とするものであり、カーボンブラックの製造装置への適用については言及されていない。
【００１０】
特開２００４−３２５０６５号公報に開示される流動床式熱交換器をカーボンブラックの製造装置に適用することにより、熱回収効率の向上を図ることができることが予想されるが、通常の流動床式熱交換器をカーボンブラックの製造装置の冷却手段として単に適用した場合、次のような問題がある。
Ｉ．カーボンブラックが伝熱管に付着して熱交換効率を低下させ易いために、経時による熱交換効率の低下が著しく、また、場合によっては、流動層の閉塞で運転不可能になる恐れがある。
即ち、ファーネス法によるカーボンブラック製造プロセスで生成されるカーボンブラックは、一次粒子径が２０ｎｍ程度の超微粒子であるため付着・凝集性が強く、伝熱管表面だけでなく、流動媒体の表面に付着して、特開２００４−２７０５１号公報に記載されるような十分な剥離効果が得られない。
【００１１】
II．流動床の流動媒体と、伝熱管外壁や熱交換器本体内壁との衝突、或いは流動媒体同士の衝突で、流動媒体の破片や粉塵が発生し、これがバグフィルタで捕集されるカーボンブラック中に不純物として混入し、カーボンブラック製品の商品価値を低下させるおそれがある。また、流動媒体自体が飛散して熱交換器から流出し、カーボンブラック製品中に混入する恐れもある。
【００１２】
従って、本発明は、カーボンブラックを含む高温の燃焼ガス流から効率的に熱を回収すると共に、カーボンブラック製品の純度を維持して、商品価値の高いカーボンブラックを製造することができるカーボンブラックの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は上記課題を解決すべく検討した結果、カーボンブラックを含む高温の燃焼ガス流からの熱回収に流動床式熱交換器を適用し、その流動媒体として特定の物性及び材質の流動媒体を用いることにより、伝熱管へのカーボンブラックの付着、堆積を防止して伝熱性能、熱回収効率を高めると共に、カーボンブラック製品への流動媒体粉の混入も防止することができることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、以下を要旨とする。
【００１４】
［１］  カーボンブラック原料を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、該燃焼炉からの燃焼ガスを冷却する冷却手段と、冷却されたガス中のカーボンブラックを捕集する捕集手段とを有するカーボンブラックの製造装置において、該冷却手段は、該燃焼ガスが内部に導入される熱交換器本体と、該燃焼ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる伝熱管とを備え、該伝熱管は、熱交換器本体内に形成された流動媒体の流動床中に配設されている流動床式熱交換器を備えることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【００１５】
［２］  ［１］において、該流動媒体は、平均粒径が０．２〜５．０ｍｍであり、粒子密度が０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３であり、ＨＶ１０硬度が１０００〜１５００であり、破壊靱性が３．０〜６．０ＭＰａ√ｍであることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【００１６】
［３］  ［２］において、該流動媒体がアルミナ及び／又は窒化珪素よりなることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【００１７】
［４］  ［１］ないし［３］のいずれかにおいて、該冷却手段は、燃焼炉からの燃焼ガス中に冷却水を噴霧するクエンチノズルと、該クエンチノズルの後段に設けられた空気予熱器とを有し、前記流動床式熱交換器は、該空気予熱器の後段に設けら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。
【００１８】
［５］  カーボンブラック原料を燃焼させてカーボンブラックを含む高温燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、該燃焼工程からの燃焼ガスを冷却する冷却工程と、冷却されたガス中のカーボンブラックを捕集する捕集工程とを有するカーボンブラックの製造方法において、該冷却工程は、該燃焼ガスが内部に導入される熱交換器本体と、該燃焼ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる伝熱管とを備え、該伝熱管は、熱交換器本体内に形成された流動媒体の流動床中に配設されている流動床式熱交換器により該燃焼ガスを冷却する過程を含むことを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【００１９】
［６］  ［５］において、該流動媒体は、平均粒径が０．２〜５．０ｍｍであり、粒子密度が０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３であり、ＨＶ１０硬度が１０００〜１５００であり、破壊靱性が３．０〜６．０ＭＰａ√ｍであることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【００２０】
［７］  ［５］において、該流動媒体がアルミナ及び／又は窒化珪素よりなることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【００２１】
［８］  ［５］ないし［７］のいずれかにおいて、該冷却工程は、燃焼工程からの燃焼ガス中に冷却水を噴霧して冷却した後、空気との熱交換で更に冷却し、その後前記流動床式熱交換器による冷却を行う工程であることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、流動床式熱交換器を用いてカーボンブラックを含む高温の燃焼ガスから効率的に熱回収を図ることができる（請求項１，５）。
特に、この流動床式熱交換器の流動床の流動媒体として、特定の物性及び材質のものを用いることにより、熱交換器の伝熱管から付着カーボンブラックを効率よく掻き落とすと共に、流動時の流動媒体からの粉塵の発生及び流動媒体の飛散を防止して、製造されるカーボンブラック製品の純度を維持することができる（請求項２，３，６，７）。
【００２３】
本発明において、この流動床式熱交換器は、燃焼炉からの燃焼ガスを冷却するクエンチノズル及び空気予熱器の後段に設けられることが好ましい（請求項４，８）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に図面を参照して本発明のカーボンブラックの製造装置及び製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
まず、本発明のカーボンブラックの製造装置の全体フローについて第１図を参照して、また流動床式熱交換器について第２図を参照して説明する。なお、第１図のカーボンブラックの製造装置は、クエンチノズル５の代りに流動床式熱交換器１０を設けた点のみが、第３図に示す従来の装置と異なり、第１図において、第３図と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【００２５】
第１図のカーボンブラックの製造装置では、第３図のカーボンブラックの製造装置と同様に、燃焼炉１からのカーボンブラックを含む高温（例えば１２００〜１４００℃）の燃焼ガスに、クエンチノズル２から水を噴霧して６００〜７００℃程度まで降温した後、このガスを空気予熱器３に導入して、空気との熱交換で約４００℃程度に降温させたガスを、流動床式熱交換器１０に導入してさらに冷却した後、バグフィルタ６に通してカーボンブラックを捕集する。
【００２６】
第２図の通り、流動床式熱交換器１０は、外殻を構成する熱交換器本体（容器）１１と、該容器１１内の下部に略水平に設置された分散板１２と、この分散板１２の上側に形成された流動媒体の流動床１３と、この流動床１３内に埋没するように引き回された伝熱管１４とを有する。分散板１２には、流動媒体の径よりも小さな開孔が多数設けられており、燃焼ガスは、この開孔から容器１１内に導入される。
伝熱管１４は、内部に水が流通され、蒸気を発生させる水管である。伝熱管１４からの蒸気は、気水分離器１５にて気水分離された後、配管１６を介して蒸気需要箇所に送られる。
【００２７】
本発明では、この流動床１３を構成する流動媒体として、伝熱管１４に付着したカーボンブラックを効率よく掻き落とすことができ、かつ耐摩耗性に優れて粉化しにくく、しかも飛散しにくい粒径及び比重を有したものを用いる。
かかる流動媒体の材料、粒径、比重等について次に説明する。
【００２８】
流動媒体の粒径が過度に大きいと流動化不能であり、過度に小さいとそれ自体が飛散し易く、カーボンブラックと共にバグフィルタ６で捕集されてカーボンブラック製品中に混入され易くなる。従って、流動媒体の平均粒径は０．２〜５．０ｍｍ、特に０．４〜０．８ｍｍであることが好ましい。
【００２９】
また、流動媒体の粒子密度が過度に大きいと、燃焼ガス流により流動し得ず、伝熱管への剥離作用に優れた流動床を形成し得ない。逆に流動媒体の比重が過度に小さいとそれ自体が飛散し易く、カーボンブラックと共にバグフィルタ６で捕集されてカーボンブラック製品中に混入され易くなる。従って、流動媒体の粒子密度は０．５〜５．０ｇ／ｃｍ３、特に３．０〜４．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
【００３０】
また、流動媒体のＨＶ１０硬度が過度に高いと、伝熱管や容器を摩耗させる恐れがあり、逆に過度にＨＶ１０硬度の小さいものでは、伝熱管外壁や容器内壁との衝突、或いは、流動媒体同士の衝突で流動媒体が摩耗ないし破砕し、摩耗、破砕で発生した流動媒体の破片や粉塵がカーボンブラック製品中に混入することとなる。
従って、流動媒体のＨＶ１０硬度は１０００〜１５００、特に１１００〜１３００であることが好ましい。
【００３１】
また、流動媒体の破壊靱性が過度に大きいと摩耗が大きく、粉化し易く、逆に過度に小さいものでは、伝熱管外壁や容器内壁との衝突、或いは、流動媒体同士の衝突で流動媒体が欠けないし破砕し、欠けないし破砕で発生した流動媒体の破片や粉塵がカーボンブラック製品中に混入することとなる。従って、破壊靱性は３．０〜６．０ＭＰａ√ｍ、特に３．２〜４．０ＭＰａ√ｍであることが好ましい。
【００３２】
なお、本発明において、流動媒体の平均粒径、粒子密度、ＨＶ１０硬度、破壊靱性は、次のようにして測定された値である。
平均粒径    ：流動媒体の粒子をサンプリングし、電子顕微鏡あるいは、マイクロノ
ギスにより測定し、１００個の平均値をとる。
粒子密度    ：ＪＩＳ  Ｒ１６２０（１９９５）  ４．２ピクフメータ法による。
ＨＶ１０硬度：ＪＩＳ  Ｒ１６１０（２００３）  ４．ビッカース硬さ試験方法
（Vickers  hardness）による。ＨＶ１０とは、１０．１９７
Ｋｇ／ｃｍ２の試験力時の硬度である。
破壊靱性    ：ＪＩＳ  Ｒ１６０７（１９９０）  ５．ＩＦ法
（Indentation  Fracture＝圧子圧入法）による。
【００３３】
流動媒体の材質としては、上述のような物性を満たすものであれば特に制限はないが、製品へのコンタミや熱交換器への汚染等の問題がなく、高温の燃焼ガスに対する耐熱性にも優れることから、セラミックスであることが好ましい。特に、このうち、上記物性を満たすものとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等、或いはこれらの混合物よりなるものが挙げられ、これらのうち、特にコスト面でアルミナが好ましい。なお、市販のアルミナ粒子は一般に０．１〜８．０重量％程度のシリカ（ＳｉＯ２）を含むＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２混合物で構成される。
【００３４】
なお、流動媒体としては、材質、平均粒径、比重、硬度等の物性の異なるもの２種以上を混合して用いても良い。
【００３５】
このような流動媒体であれば、容器１１内に導入されたカーボンブラックを含む燃焼ガス流により流動されて、伝熱管１４の外壁に適度な剥離作用を及ぼす流動床１３を形成し、伝熱管１４の外壁にカーボンブラックが付着、堆積することによる伝熱性能の低下を防止する。
【００３６】
なお、流動床式熱交換器１０を構成する容器１や伝熱管１４、分散板１２の材質には特に制限はなく、通常の耐熱、耐摩耗性材料が用いられ、特に伝熱管１４にあっては伝熱性に優れるものが用いられる。通常、容器１１はＳＵＳ３１６Ｌ製、伝熱管１４はＳＵＳ３１６Ｌ製、分散板１２はＳＵＳ３１６Ｌ製とされる。
【００３７】
容器１１内に充填される流動媒体の量は、伝熱管１４を囲み、伝熱管１４を埋没して得るような高さの流動床１３を形成できるような量であれば良い。
この流動床１３の高さが過度に高いと、流動媒体の流動で、熱交換器の容器１１から流動媒体が流出する場合があるため、容器１１の高さに対して１／３〜２／３程度の高さの流動床１３を形成するようにすることが好ましい。
伝熱管１４は、このような高さの流動床１３内に埋没するように配置することが好ましいが、通常、流動床１３の高さの１／２〜１／１程度の高さの領域に伝熱管を引き回して設けることが好ましい。
【実施例】
【００３８】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３９】
実施例１，２
第１図及び第２図に示す設備によってカーボンブラックを製造した。
このカーボンブラック製造設備は、１５００ｋｇ／ｈｒの生産量でカーボンブラックを製造するものである。
流動床式熱交換器１０へは、約４００℃のカーボンブラック含有ガス（カーボンブラック含有量１５００ｋｇ／ｈｒ）が３６４５０Ｎｍ３／ｈｒにて導入され、流動床式熱交換器１０での熱交換で約２５０℃に降温される。流動床式熱交換器１０の諸元は次の通りである。
分散板１１の平面視形状：４ｍ×３．２５ｍ
伝熱管：管径（外径）３８．１ｍｍ、長さ３５００ｍの鋼管をジグザグに３３列、６段となるように引き回した。分散板から最上段までの高さ７００ｍｍ
流動床高さ：１７００ｍｍ
流動媒体：表１に示す
【００４０】
【表１】
2009001675.tif 000003
【００４１】
その結果、いずれの流動媒体を用いた場合も、得られるカーボンブラックのカーボン純度には全く影響を及ぼすことなく、また、伝熱管へのカーボンブラックの付着による伝熱効率の低下を引き起こすことなく、流動床式熱交換器１０における熱交換で、２．５５×１０６ｋｃａｌ／ｈｒの蒸気が得られた。この蒸気量は年間８０００時間の稼動で４０６０万円の熱量に相当し、従来の熱回収率２１％に対して、流動床式熱交換器の導入により、熱回収率を７７％にまで大幅に向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態に係るカーボンブラックの製造装置の系統図である。
【図２】流動床式熱交換器の実施の形態を示す断面図である。
【図３】従来のカーボンブラックの製造装置の系統図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃焼炉
２，５  クエンチノズル
３  空気予熱器
３ａ  伝熱管
６  バグフィルタ
１０  流動床式熱交換器
１１  容器
１２  分散板
１３  流動床
１４  伝熱管
１５  気水分離器
【図１】
2009001675.tif 000004
【図２】
2009001675.tif 000005
【図３】
2009001675.tif 000006