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JP7655848B2 - Amorphous silica manufacturing apparatus and method for manufacturing amorphous silica - Google Patents
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JP7655848B2 - Amorphous silica manufacturing apparatus and method for manufacturing amorphous silica - Google Patents

Amorphous silica manufacturing apparatus and method for manufacturing amorphous silica Download PDF

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Description

本発明は、反応炉と、前記反応炉にケイ酸植物由来のバイオマスを原料として供給する原料供給機構と、前記反応炉の下方から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給機構と、前記ガス供給機構を介して供給するガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造装置および非晶質シリカの製造方法に関する。 The present invention relates to a reactor, a raw material supply mechanism that supplies biomass derived from silicic acid plants as a raw material to the reactor, a gas supply mechanism that supplies water vapor and an oxygen-containing gas from below the reactor, and an amorphous silica manufacturing device and method that produce amorphous silica by heat treating the amorphous silica while contacting it with the gas supplied via the gas supply mechanism.

特許文献1には、ケイ酸植物由来のバイオマスを原料として、効率的にエネルギー回収するとともに純度の高い高品質なシリカを得ることができる非晶質シリカの製造方法及び製造装置が提案されている。 Patent Document 1 proposes a method and apparatus for producing amorphous silica that uses biomass derived from silicic acid plants as a raw material, efficiently recovers energy, and can produce high-purity, high-quality silica.

当該非晶質シリカの製造方法は、ケイ酸植物由来のバイオマスを熱分解処理してガス化するガス化ステップと、前記ガス化ステップで生じたバイオマス残渣を焼成処理する焼成ステップと、を含む。 The method for producing the amorphous silica includes a gasification step in which biomass derived from a silicic acid plant is pyrolyzed and gasified, and a firing step in which the biomass residue generated in the gasification step is fired.

また、当該非晶質シリカの製造装置は、ケイ酸植物を含むバイオマスを熱分解処理してガス化するガス化炉と、前記ガス化炉から排出された熱分解ガスとバイオマス残渣の混合物からバイオマス残渣を分離する分離機構と、前記分離機構で分離されたバイオマス残渣を焼成して非晶質シリカを得る焼成炉と、を備えている。 The amorphous silica manufacturing apparatus also includes a gasification furnace that pyrolyzes and gasifies biomass containing silicic acid plants, a separation mechanism that separates the biomass residue from the mixture of pyrolysis gas and biomass residue discharged from the gasification furnace, and a calcination furnace that calcines the biomass residue separated by the separation mechanism to obtain amorphous silica.

上述した非晶質シリカの製造方法によれば、ガス化ステップによってケイ酸植物由来のバイオマスが熱分解されて燃料として回収され、残ったバイオマス残渣が焼成処理されることによってバイオマス残渣に残存していた炭素成分などの不純物が除去され、純度の高い白色の非晶質シリカが得られる。 According to the above-mentioned method for producing amorphous silica, the biomass derived from silicic acid plants is pyrolyzed in the gasification step and recovered as fuel, and the remaining biomass residue is calcined to remove impurities such as carbon components remaining in the biomass residue, resulting in highly pure white amorphous silica.

特開2020-040861号公報JP 2020-040861 A

特許文献1に開示された非晶質シリカの製造方法は、ガス化ステップで得られるバイオマス残渣をさらに焼成処理する必要があり、手間を要する焼成処理を行なうことなく非晶質シリカを得ることが望まれている。 The method for producing amorphous silica disclosed in Patent Document 1 requires the biomass residue obtained in the gasification step to be further calcined, and it is desirable to obtain amorphous silica without carrying out the time-consuming calcination process.

また、生成されるシリカを賦活化するために、そして熱処理の過程でシリカが結晶化する温度域への上昇を抑制するためにも水蒸気の供給が不可欠であり、そのような水蒸気を得るために別途の熱源を要するのは不経済であった。 In addition, the supply of water vapor is essential to activate the silica produced and to prevent the temperature from rising to the range where silica crystallizes during the heat treatment process, and it is uneconomical to require a separate heat source to obtain such water vapor.

本発明の目的は、ケイ酸植物由来のバイオマスを原料として、効率的に非晶質シリカが得られる非晶質シリカの製造装置および非晶質シリカの製造方法を提供する点にある。 The object of the present invention is to provide an apparatus and method for producing amorphous silica that can efficiently obtain amorphous silica using biomass derived from silicic acid plants as a raw material.

上述の目的を達成するため、本発明による非晶質シリカの製造装置の第一の特徴構成は、反応炉と、前記反応炉にケイ酸植物由来のバイオマスを原料として供給する原料供給機構と、前記反応炉の前記原料が滞留する底部から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給機構と、前記原料を前記水蒸気と酸素含有ガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造装置であって、前記反応炉の内部空間の温度を前記非晶質シリカの結晶化を抑制する所定温度以下に維持する温度調節機構を備え、前記温度調節機構が水を熱媒体に用いる熱交換器と、前記ガス供給機構と前記熱交換器の間に空気を供給して前記原料を燃焼する上部空気供給機構と、で構成され、前記熱交換器で生じた水蒸気を、前記ガス供給機構を介して前記反応炉に供給するように構成されている点にある。 In order to achieve the above-mentioned object, a first characteristic configuration of an amorphous silica manufacturing apparatus according to the present invention is a reactor, a raw material supply mechanism for supplying biomass derived from a silicic acid plant as a raw material to the reactor, a gas supply mechanism for supplying steam and an oxygen-containing gas from the bottom of the reactor where the raw material is retained, and an amorphous silica manufacturing apparatus for producing amorphous silica by heat-treating the raw material while contacting it with the steam and the oxygen-containing gas, the apparatus comprising a temperature control mechanism for maintaining the temperature of the internal space of the reactor at or below a predetermined temperature that suppresses crystallization of the amorphous silica, the temperature control mechanism being composed of a heat exchanger that uses water as a heat medium, and an upper air supply mechanism that supplies air between the gas supply mechanism and the heat exchanger to combust the raw material , and configured to supply the steam generated in the heat exchanger to the reactor via the gas supply mechanism.

反応炉に供給されたケイ酸植物由来のバイオマスに、水蒸気と酸素含有ガスを接触させて熱処理することにより一部が水性ガス反応し、一部が燃焼反応することで、非晶質シリカが生成される。その過程で、上部空気供給機構によりガス供給機構と熱交換器の間から供給空気量が調整され、上部空気供給機構の近傍空間における燃焼状態が調整されるとともに、当該近傍空間の燃焼状態に対して熱回収機構による熱回収量が調節され、反応炉の内部空間の温度が、非晶質シリカが結晶化する相転移温度域より低い温度に維持される。さらに、熱交換器で生成された水蒸気がガス供給機構を介して炉内に供給されることにより、効率よく非晶質シリカを生成することができる。 Biomass derived from silicic acid plants supplied to the reactor is heat-treated by contacting steam and oxygen-containing gas, and some of it undergoes a water-gas reaction and some undergoes a combustion reaction, producing amorphous silica. During this process, the upper air supply mechanism adjusts the amount of air supplied between the gas supply mechanism and the heat exchanger, adjusting the combustion state in the space near the upper air supply mechanism, and the amount of heat recovered by the heat recovery mechanism is adjusted to the combustion state in the space near the upper air supply mechanism, so that the temperature of the inner space of the reactor is maintained at a temperature lower than the phase transition temperature range where amorphous silica crystallizes. Furthermore, the steam generated by the heat exchanger is supplied to the furnace through the gas supply mechanism, so that amorphous silica can be efficiently produced.

同第二の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、前記原料の供給量に対する前記酸素含有ガスの比率を空気比換算して1.3以上1.5以下の範囲に調節する酸素含有ガス比調節機構、を備えている点にある。 The second characteristic configuration is that, in addition to the first characteristic configuration described above, it is equipped with an oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism that adjusts the ratio of the oxygen-containing gas to the supply amount of the raw material, converted into an air ratio, to a range of 1.3 to 1.5.

酸素含有ガス比調節機構により、原料に対する酸素含有ガスの比率が空気比換算して1.3以上1.5以下の範囲に調節されることにより、原料に含まれる炭素成分が燃焼して白色の非晶質シリカが効率的に生成される。 The oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism adjusts the ratio of oxygen-containing gas to the raw material, converted to an air ratio, to a range of 1.3 to 1.5, which burns the carbon components contained in the raw material and efficiently produces white amorphous silica.

同第三の特徴構成は、上述した第一または第二の特徴構成に加えて、前記温度調節機構は、前記反応炉に備えた前記熱交換器の下流側と前記熱交換器と前記上部空気供給機構の間に温度センサを備えている点にある。 The third characteristic configuration is that, in addition to the first or second characteristic configuration described above, the temperature control mechanism is provided with a temperature sensor downstream of the heat exchanger provided in the reactor and between the heat exchanger and the upper air supply mechanism .

反応炉に備えた熱交換器の下流側に備えた温度センサの値に基づいて、熱交換器による熱交換量を適切に調節することができる。 The amount of heat exchanged by the heat exchanger can be appropriately adjusted based on the value of a temperature sensor installed downstream of the heat exchanger installed in the reactor.

また、本発明による非晶質シリカの製造方法の第一の特徴構成は、原料供給機構により反応炉にケイ酸植物由来のバイオマスからなる原料を供給する原料供給工程と、ガス供給機構により前記反応炉の前記原料が滞留する底部から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給工程と、前記原料を前記水蒸気と酸素含有ガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造方法であって、前記反応炉の内部空間の温度を前記非晶質シリカの結晶化を抑制する所定温度以下に維持する温度調節工程を備え、前記温度調節工程が水を熱媒体に用いる熱交換器と、前記ガス供給機構と前記熱交換器の間に空気を供給して前記原料を燃焼する上部空気供給機構と、により実行され、前記熱交換器で生じた水蒸気を、前記ガス供給機構を介して前記反応炉に供給する点にある。 The first characteristic configuration of the method for producing amorphous silica according to the present invention is a method for producing amorphous silica, which comprises a raw material supplying step of supplying a raw material made of biomass derived from a silicic acid plant to a reactor by a raw material supplying mechanism, a gas supplying step of supplying steam and an oxygen-containing gas from the bottom of the reactor where the raw material is retained by a gas supplying mechanism, and a temperature adjusting step of maintaining the temperature of the inner space of the reactor at or below a predetermined temperature that suppresses crystallization of the amorphous silica, the temperature adjusting step being performed by a heat exchanger that uses water as a heat medium and an upper air supplying mechanism that supplies air between the gas supplying mechanism and the heat exchanger to combust the raw material , and the steam generated in the heat exchanger is supplied to the reactor via the gas supplying mechanism.

同第二の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、前記原料の供給量に対する前記酸素含有ガスの比率を空気比換算して1.3以上1.5以下の範囲に調節する酸素含有ガス比調節機構、を備えている点にある。 The second characteristic configuration is that, in addition to the first characteristic configuration described above, it is equipped with an oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism that adjusts the ratio of the oxygen-containing gas to the supply amount of the raw material, converted into an air ratio, to a range of 1.3 to 1.5.

同第三の特徴構成は、上述した第一または第二の特徴構成に加えて、前記温度調節工程は、前記反応炉に備えた前記熱交換器の下流側と前記熱交換器と前記上部空気供給機構の間に配置された温度センサの値に基づいて実行される点にある。 The third characteristic configuration is, in addition to the first or second characteristic configuration described above, that the temperature adjustment process is executed based on the value of a temperature sensor arranged downstream of the heat exchanger provided in the reactor and between the heat exchanger and the upper air supply mechanism .

以上説明した通り、本発明によれば、ケイ酸植物由来のバイオマスを原料として、効率的に非晶質シリカが得られる非晶質シリカの製造装置および非晶質シリカの製造方法を提供することができるようになった。 As described above, the present invention makes it possible to provide an apparatus and method for producing amorphous silica that can efficiently obtain amorphous silica using biomass derived from silicic acid plants as a raw material.

本発明による非晶質シリカの製造装置の一例を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an apparatus for producing amorphous silica according to the present invention. (a)は熱処理が主に燃焼反応となる場合のガス供給機構の平面視の説明図、(b)は同ガス供給機構の要部断面図FIG. 2A is a plan view of a gas supply mechanism when the heat treatment is mainly a combustion reaction, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a main part of the gas supply mechanism. (a)は熱処理が主にガス化反応となる場合のガス供給機構の平面視の説明図、(b)は同ガス供給機構の要部断面図FIG. 2A is a plan view of a gas supply mechanism when the heat treatment is mainly a gasification reaction, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a main part of the gas supply mechanism. 熱処理が主に燃焼反応となる場合の非晶質シリカの製造装置の説明図An explanatory diagram of an apparatus for producing amorphous silica when the heat treatment is mainly a combustion reaction. 熱処理が主にガス化反応となる場合の非晶質シリカの製造装置の説明図An explanatory diagram of an amorphous silica manufacturing apparatus in which the heat treatment is mainly a gasification reaction. 非晶質シリカの製造装置に備えた制御装置の説明図An explanatory diagram of a control device provided in an amorphous silica manufacturing apparatus. (a),(b)は別実施形態を示す上部空気供給機構の説明図1A and 1B are explanatory diagrams of an upper air supply mechanism showing another embodiment.

以下、本発明による非晶質シリカの製造装置および非晶質シリカの製造方法の一例を説明する。
[非晶質シリカの製造装置の構成]
図1には、本発明による非晶質シリカの製造装置1の一態様が示されている。非晶質シリカの製造装置1は、上下方向中央部に絞り部が形成され、下方が上方より縮径された円筒形状の反応炉2と、反応炉2にケイ酸植物由来のバイオマスを原料として供給する原料供給機構4と、反応炉2の下方から水蒸気と酸素含有ガスの一例である空気の混合ガスを供給するガス供給機構3などを備え、反応炉2の底部には、噴流床を形成する所定量の珪砂が充填されている。
An example of the amorphous silica production apparatus and method according to the present invention will be described below.
[Configuration of amorphous silica production apparatus]
One embodiment of an apparatus 1 for producing amorphous silica according to the present invention is shown in Fig. 1. The apparatus 1 for producing amorphous silica includes a cylindrical reactor 2 having a constricted portion formed in the vertical center and a diameter reduced from the top to the bottom, a raw material supply mechanism 4 for supplying biomass derived from silicic acid plants as a raw material to the reactor 2, and a gas supply mechanism 3 for supplying a mixed gas of water vapor and air, which is an example of an oxygen-containing gas, from the bottom of the reactor 2, and the bottom of the reactor 2 is filled with a predetermined amount of silica sand to form a spouted bed.

原料供給機構4は、筒状のケーシングと筒状のケーシングに収容されたスクリュー羽根とを備えたスクリューコンベア機構で構成され、ケーシングの先端側が反応炉2の絞り部より下方の側壁にフランジ接続されている。図示していないが、ケーシングの基端側には定量供給機構を備えたホッパーが設けられている。 The raw material supply mechanism 4 is composed of a screw conveyor mechanism equipped with a cylindrical casing and a screw blade housed in the cylindrical casing, and the tip side of the casing is flange-connected to the side wall below the narrowing portion of the reactor 2. Although not shown, a hopper equipped with a quantitative supply mechanism is provided at the base end side of the casing.

ホッパーに充填されたバイオマスが、スクリュー羽根で圧密に搬送されて反応炉2に投入される。バイオマスとして、農家で生産された籾米が籾摺りされた後に生じる大量の籾殻が用いられる。 The biomass filled in the hopper is transported compactly by a screw blade and fed into reactor 2. The biomass used is the large amount of rice husks that are generated after hulling unhulled rice produced by farmers.

ガス供給機構3は、反応炉2の下部側方に配置されたヘッダー管30と、ヘッダー管30に互いに平行な姿勢で接続された断面が円形の複数本の散気管31を備えて構成される。ヘッダー管30には、空気供給管32および蒸気供給管33が接続され、空気および蒸気の混合ガスがヘッダー管30を介して各散気管31に供給される。水蒸気として、飽和水蒸気または過熱水蒸気が用いられる。 The gas supply mechanism 3 is composed of a header pipe 30 arranged on the lower side of the reactor 2, and multiple aeration pipes 31 with a circular cross section that are connected to the header pipe 30 in a parallel orientation. An air supply pipe 32 and a steam supply pipe 33 are connected to the header pipe 30, and a mixture of air and steam is supplied to each aeration pipe 31 via the header pipe 30. Saturated steam or superheated steam is used as the water vapor.

反応炉2の底部には少量の珪砂が充填されており、ガス供給機構3から供給される混合ガスにより反応炉2の下部で珪砂が流動する噴流床9が形成される。当該噴流床9で原料となる籾殻が珪砂により攪拌され、流動しながら空気の存在下で水蒸気により加熱されることで、熱処理されて非晶質シリカが生成される。熱処理には、籾殻に含まれる炭素成分が酸素と結合する燃焼反応と、籾殻に含まれる炭素成分が水蒸気と反応して一酸化炭素と水素が生じるガス化反応が含まれる。 A small amount of silica sand is filled at the bottom of the reactor 2, and the mixed gas supplied from the gas supply mechanism 3 forms an entrained bed 9 in which the silica sand flows at the bottom of the reactor 2. In the entrained bed 9, the raw material rice husks are agitated by the silica sand and heated by steam in the presence of air while flowing, resulting in the production of amorphous silica through heat treatment. The heat treatment involves a combustion reaction in which the carbon components contained in the rice husks combine with oxygen, and a gasification reaction in which the carbon components contained in the rice husks react with steam to produce carbon monoxide and hydrogen.

反応炉2の下方つまり縮径部で熱処理されて微粉体となった非晶質シリカは、燃焼排ガスとともに炉内を上昇して、反応炉2の頂部に接続された排気管10から排出される。なお、反応炉2の上方つまり拡径部では燃焼排ガスの流速が低下するため、熱処理が不十分な籾殻は自らの重量により下方に落下する。 The amorphous silica that has been heat-treated and turned into fine powder at the bottom of the reactor 2, i.e., the narrowed diameter section, rises inside the furnace together with the combustion exhaust gas and is discharged from the exhaust pipe 10 connected to the top of the reactor 2. Note that because the flow rate of the combustion exhaust gas decreases at the top of the reactor 2, i.e., the expanded diameter section, rice husks that have not been sufficiently heat-treated fall downward under their own weight.

排気管10から排出された非晶質シリカは、サイクロン7に導かれて燃焼排ガスと分離して回収され、非晶質シリカが分離された後の燃焼排ガスは、二次燃焼設備8で二次燃焼された後に大気放出される。 The amorphous silica discharged from the exhaust pipe 10 is guided to the cyclone 7 where it is separated from the combustion exhaust gas and collected. The combustion exhaust gas from which the amorphous silica has been separated is subjected to secondary combustion in the secondary combustion equipment 8 before being released into the atmosphere.

[熱処理状態調節機構の構成]
上述した非晶質シリカの製造装置1には、さらに熱処理状態調節機構Aを備えている。熱処理状態調節機構Aは、反応炉2に供給された原料の熱処理条件を調節する機構であり、同一の製造装置1でありながらも、原料を主に燃焼反応させるか、主にガス化反応させるかを切り替えることで、生成される非晶質シリカ中に含まれる炭素の割合を調整する機構である。
[Configuration of heat treatment condition adjusting mechanism]
The above-mentioned amorphous silica manufacturing apparatus 1 further includes a heat treatment condition adjusting mechanism A. The heat treatment condition adjusting mechanism A is a mechanism for adjusting the heat treatment conditions of the raw material supplied to the reaction furnace 2, and is a mechanism for adjusting the proportion of carbon contained in the generated amorphous silica by switching between mainly subjecting the raw material to a combustion reaction or a gasification reaction, even though the manufacturing apparatus 1 is the same.

原料に含まれる炭素などの不純物を十分に燃焼させる燃焼反応が主に起こるように熱処理状態調節機構Aを調節することで、純度の高い非晶質の白色シリカが得られる。また、原料に含まれる炭素などの不純物が残存する状態で主にガス化反応が起こるように熱処理状態調節機構Aを調節することで、非晶質の黒色シリカが得られる。 By adjusting the heat treatment condition adjustment mechanism A so that the combustion reaction that sufficiently burns the carbon and other impurities contained in the raw material occurs primarily, highly pure amorphous white silica can be obtained. Also, by adjusting the heat treatment condition adjustment mechanism A so that the gasification reaction occurs primarily while the carbon and other impurities contained in the raw material remain, amorphous black silica can be obtained.

本願明細書中において、白色シリカとは、非晶質シリカ中に含まれる炭素の割合が5重量%未満であり、外見が白色または白っぽい非晶質シリカを指し、黒色シリカとは、非晶質シリカ中に含まれる炭素の割合が5重量%を超え、外見が黒色または黒っぽい非晶質シリカのことを指すものとする。 In this specification, white silica refers to amorphous silica that contains less than 5% carbon by weight and has a white or whitish appearance, and black silica refers to amorphous silica that contains more than 5% carbon by weight and has a black or blackish appearance.

白色シリカは、白色の化粧品原料、吸着剤、白色の塗料や樹脂などの添加剤などの工業用材料、作物へのシリカ付与のための肥料など農業用材料に有効利用され、黒色シリカは、黒色の化粧品原料、吸着剤、黒色の塗料や樹脂などの添加剤、タイヤの添加在などの工業用材料、作物へのシリカおよび炭素付与のための肥料など農業用材料に有効利用される。 White silica is effectively used in industrial materials such as white cosmetic raw materials, adsorbents, and additives for white paints and resins, and agricultural materials such as fertilizers for adding silica to crops, while black silica is effectively used in industrial materials such as black cosmetic raw materials, adsorbents, and additives for black paints and resins, and additives for tires, and agricultural materials such as fertilizers for adding silica and carbon to crops.

熱処理状態調節機構Aは、ガス供給機構3から供給される酸素含有ガスの原料の供給量に対する比率を調節する酸素含有ガス比調節機構(本実施形態では酸素含有ガスとして空気が用いられるので空気比調節機構となる。)と、ガス供給機構3から供給されるガスの総量、供給位置、供給分布の少なくとも何れか一つを調整することにより、反応炉2の内部に形成される噴流床における原料の流動状態を調節する流動状態調節機構と、を含む。 The heat treatment condition adjustment mechanism A includes an oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism (in this embodiment, air is used as the oxygen-containing gas, so it is an air ratio adjustment mechanism) that adjusts the ratio of the oxygen-containing gas supplied from the gas supply mechanism 3 to the supply amount of the raw material, and a fluidization condition adjustment mechanism that adjusts the fluidization condition of the raw material in the entrained bed formed inside the reactor 2 by adjusting at least one of the total amount, supply position, and supply distribution of the gas supplied from the gas supply mechanism 3.

ガスの総量を増加させることにより原料の流動状態が激しくなり、ガスの総量を減少させることにより原料の流動状態が穏やかになる。ガスの供給位置の分布を密に調節することにより、原料とガスとの接触機会が均一な状態となるように原料を攪拌することができ、ガスの供給位置の分布を粗に調節することにより、原料とガスとの接触機会が不均一な状態となるように原料を攪拌することができる。ガスの供給分布を密に調節することにより、原料とガスとの接触機会が均一な状態となるように原料を攪拌することができ、ガスの供給分布を粗に調節することにより、原料とガスとの接触機会が不均一な状態となるように原料を攪拌することができる。例えば、ガスの供給位置の分布が同じであっても、各ノズルから噴出されるガス供給量を個々に異ならせることによってガスの供給分布を調節することができる。 By increasing the total amount of gas, the flow state of the raw materials becomes more intense, and by decreasing the total amount of gas, the flow state of the raw materials becomes more gentle. By adjusting the distribution of the gas supply positions to be dense, the raw materials can be agitated so that the raw materials and the gas have a uniform contact opportunity, and by adjusting the distribution of the gas supply positions to be coarse, the raw materials can be agitated so that the raw materials and the gas have a non-uniform contact opportunity. By adjusting the gas supply distribution to be dense, the raw materials can be agitated so that the raw materials and the gas have a uniform contact opportunity, and by adjusting the gas supply distribution to be coarse, the raw materials can be agitated so that the raw materials and the gas have a non-uniform contact opportunity. For example, even if the distribution of the gas supply positions is the same, the gas supply distribution can be adjusted by individually varying the amount of gas supply sprayed from each nozzle.

図2(a),(b)には、反応炉2で主に燃焼反応を生起させて白色シリカを得るためのガス供給機構3(3A)が示され、図3(a),(b)には、反応炉2で主にガス化反応を生起させて黒色シリカを得るためのガス供給機構3(3B)が示されている。上述したように、ガス供給機構3(3A,3B)は、反応炉2の下部側方に配置されたヘッダー管30と、ヘッダー管30に互いに平行な姿勢で接続された断面が円形の複数本の散気管31を備えている。ヘッダー管30には、空気供給管32および蒸気供給管33が接続され、空気および蒸気の混合ガスがヘッダー管30を介して各散気管31に供給される。 2(a) and (b) show a gas supply mechanism 3 (3A) for obtaining white silica by mainly inducing a combustion reaction in the reactor 2, and FIG. 3(a) and (b) show a gas supply mechanism 3 (3B) for obtaining black silica by mainly inducing a gasification reaction in the reactor 2. As described above, the gas supply mechanism 3 (3A, 3B) includes a header pipe 30 arranged on the lower side of the reactor 2 and a plurality of diffuser pipes 31 with a circular cross section connected to the header pipe 30 in a parallel position to each other. An air supply pipe 32 and a steam supply pipe 33 are connected to the header pipe 30, and a mixture of air and steam is supplied to each diffuser pipe 31 via the header pipe 30.

各散気管31は、反応炉2の下部周壁に沿う断面弧状のアタッチメント31Fに支持されている。アタッチメント31Fは、反応炉2の下部側壁に形成された弧状の切欠きを覆う形状に形成され、各散気管31の先端側を反応炉2に進入させた状態でアタッチメント31Fを反応炉2の側壁に固定することにより、複数本の散気管31が互いに並行姿勢で反応炉2に固定される。 Each diffuser tube 31 is supported by an attachment 31F with an arc-shaped cross section that fits along the lower peripheral wall of the reactor 2. The attachment 31F is formed in a shape that covers an arc-shaped notch formed in the lower side wall of the reactor 2, and by fixing the attachment 31F to the side wall of the reactor 2 with the tip side of each diffuser tube 31 inserted into the reactor 2, the multiple diffuser tubes 31 are fixed to the reactor 2 in a parallel position to each other.

図2(a),(b)に示すように、燃焼反応用のガス供給機構3(3A)を構成する散気管31は、原料供給機構4から供給された籾殻が、反応炉2の軸心に直交する任意の平面内で局所的に高温領域が生じることなく均一に撹拌および燃焼するように、小径かつ多数本で構成されている。 As shown in Figures 2(a) and (b), the gas supply mechanism 3 (3A) for the combustion reaction is made up of a number of small-diameter diffuser tubes 31, so that the rice husks supplied from the raw material supply mechanism 4 are stirred and burned uniformly within any plane perpendicular to the axis of the reactor 2 without creating localized high-temperature areas.

詳述すると、散気管31には、水平方向に対して角度θで斜め下方に傾斜する二方向に向けた混合ガスの噴出孔31Hが形成されている。各散気管31に形成された噴出孔31Hは、軸心方向および軸心方向に交差する方向のピッチL2がほぼ等しくなるように設定され、また、散気管31同士のピッチL3は、軸心方向に交差する方向に沿って噴出孔31Hのピッチが略等しくなるように、L3≒2L2に設定されている。 More specifically, the diffuser tube 31 has mixed gas outlet holes 31H facing two directions inclined diagonally downward at an angle θ with respect to the horizontal. The outlet holes 31H formed in each diffuser tube 31 are set so that the pitch L2 in the axial direction and in the direction intersecting the axial direction are approximately equal, and the pitch L3 between the diffuser tubes 31 is set to L3 ≈ 2L2 so that the pitches of the outlet holes 31H in the direction intersecting the axial direction are approximately equal.

噴出孔31Hから反応炉2の下方に向けて吐き出された混合ガスは、珪砂を上方に吹き上げて噴流床を形成し、原料供給機構4から供給された籾殻を均一に撹拌する。角度θは、45°を中心にして30°~60°の範囲、好ましくは40°~50°の範囲に設定されている。各散気管31の径および本数は、反応炉2の下部の径に応じて設定される。例えば、反応炉2の下部の径L1が300mm~1800mmの範囲であれば、散気管31の径は20A(27.2mm)~80A(89.1mm)の範囲で選択でき、本数は6本~30本の範囲で選択できる。 The mixed gas discharged from the nozzle 31H toward the bottom of the reactor 2 blows the silica sand upward to form a spouted bed, and uniformly stirs the rice husks supplied from the raw material supply mechanism 4. The angle θ is set in the range of 30° to 60°, preferably 40° to 50°, with 45° as the center. The diameter and number of each diffuser 31 are set according to the diameter of the lower part of the reactor 2. For example, if the diameter L1 of the lower part of the reactor 2 is in the range of 300 mm to 1800 mm, the diameter of the diffuser 31 can be selected in the range of 20A (27.2 mm) to 80A (89.1 mm), and the number can be selected in the range of 6 to 30.

図3(a),(b)に示すように、ガス化反応用のガス供給機構3(3B)を構成する散気管31は、原料供給機構4から供給された籾殻が、反応炉2の軸心に直交する任意の平面内で不均一に流動することで大きな撹拌効果が得られるように、大径かつ少数本で構成されている。 As shown in Figures 3(a) and (b), the gas supply mechanism 3 (3B) for the gasification reaction is made up of a small number of diffuser tubes 31 with a large diameter, so that the rice husks supplied from the raw material supply mechanism 4 flow unevenly in any plane perpendicular to the axis of the reactor 2, resulting in a large stirring effect.

詳述すると、散気管31には、水平方向に対して角度θ斜め下方に傾斜する二方向に向けた混合ガスの噴出孔31Hおよび鉛直下方に向けた噴出孔31Hが形成されている。各散気管31に形成された噴出孔31Hは、軸心方向および軸心方向に交差する方向のピッチL2がほぼ等しくなるように設定され、散気管31同士のピッチL3は、L3>L2に設定されている。 More specifically, the diffuser tube 31 has mixed gas ejection holes 31H facing in two directions inclined diagonally downward at an angle θ with respect to the horizontal direction, and ejection holes 31H facing vertically downward. The ejection holes 31H formed in each diffuser tube 31 are set so that the pitch L2 in the axial direction and in the direction intersecting the axial direction are approximately equal, and the pitch L3 between the diffuser tubes 31 is set so that L3 > L2.

噴出孔31Hから反応炉2の下方に向けて吐き出された混合ガスは、珪砂を上方に吹き上げて噴流床を形成し、原料供給機構4から供給された籾殻に対して上方に巻き上げて撹拌する。L3>L2に設定されているため、混合ガスにより上方に巻き上げられた籾殻は各散気管31の間の上昇流の弱い領域を降下する、という大きな循環経路に沿って不均一に流動して大きく撹拌される。 The mixed gas discharged from the nozzle 31H toward the bottom of the reactor 2 blows the silica sand upward to form a spouted bed, and stirs the rice husks supplied from the raw material supply mechanism 4 by lifting them up. Because L3 is set to be greater than L2, the rice husks that are lifted upward by the mixed gas flow unevenly along a large circulation path that descends through the areas between the diffuser tubes 31 where the upward flow is weak, and are stirred significantly.

角度θは、45°を中心にして30°~60°の範囲、好ましくは40°~50°の範囲に設定されている。各散気管31の径および本数は、反応炉2の下部の径に応じて設定される。例えば、反応炉2の下部の径が300mm~1800mmの範囲であれば、散気管31の径は40A(48.6mm)~80A(89.1mm)の範囲で選択でき、本数は3本~6本の範囲で選択できる。 The angle θ is set in the range of 30° to 60°, preferably 40° to 50°, with 45° as the center. The diameter and number of each aeration pipe 31 are set according to the diameter of the lower part of the reactor 2. For example, if the diameter of the lower part of the reactor 2 is in the range of 300mm to 1800mm, the diameter of the aeration pipe 31 can be selected in the range of 40A (48.6mm) to 80A (89.1mm), and the number can be selected in the range of 3 to 6.

つまり、ガス供給機構3(3A,3B)により流動状態調節機構が構成され、ガス供給機構3A,3Bの何れを用いるかにより籾殻の流動状態が調節されることになり、主に燃焼反応させるか、主にガス化反応させるかを調節することができる。ガス供給機構3(3A,3B)により噴流床による原料の流動状態を切り替える流動状態調節工程が実行される。なお、上述したL1,L2,L3の数値は例示であり、示された数値に限るものではない。 In other words, the gas supply mechanism 3 (3A, 3B) constitutes a fluidization state adjustment mechanism, and the fluidization state of the rice husks is adjusted depending on which of the gas supply mechanisms 3A and 3B is used, making it possible to adjust whether the reaction is mainly a combustion reaction or a gasification reaction. The gas supply mechanism 3 (3A, 3B) executes a fluidization state adjustment process that switches the fluidization state of the raw material through the entrained bed. Note that the values of L1, L2, and L3 mentioned above are examples and are not limited to the values shown.

換言すると、流動状態調節機構は、原料を主に燃焼反応させるべくガス供給機構3によるガスの供給位置の分布を密にしてガスとの接触機会が均一な状態で原料を攪拌する第1流動状態と、原料を主にガス化反応させるべくガス供給機構3によるガスの供給位置の分布を粗にしてガスとの接触機会が不均一な状態で原料を攪拌する第2流動状態との何れかに調節可能に構成されている。 In other words, the flow state adjustment mechanism is configured to be adjustable to either a first flow state in which the raw materials are stirred in a state where the distribution of the gas supply positions by the gas supply mechanism 3 is dense to mainly cause the raw materials to undergo a combustion reaction and the opportunities for contact with the gas are uniform, or a second flow state in which the distribution of the gas supply positions by the gas supply mechanism 3 is sparse to mainly cause the raw materials to undergo a gasification reaction and the raw materials are stirred in a state where the opportunities for contact with the gas are uneven.

第1流動状態では、ガス供給機構3から供給されるガスの供給位置の分布が密となり、ガスが原料に均一に供給されるようになり、良好な燃焼反応が促進され、第2流動状態では、ガス供給機構3から供給されるガスの供給位置の分布が粗となり、ガスの上昇流に伴って原料が上昇する領域とガスが供給されずに原料が下降する領域とが生成されるようになり、良好なガス化反応が促進される。 In the first flow state, the distribution of the supply positions of the gas supplied from the gas supply mechanism 3 becomes dense, so that the gas is supplied evenly to the raw material, promoting a good combustion reaction, and in the second flow state, the distribution of the supply positions of the gas supplied from the gas supply mechanism 3 becomes sparse, so that there are regions where the raw material rises with the upward flow of gas and regions where the raw material falls without being supplied with gas, promoting a good gasification reaction.

第1流動状態では、ガス供給機構3から供給される平面視における空気の供給位置の分布が密となり、流動層およびその上方空間で籾殻が均一に流動して空気との安定した接触機会が得られ、良好な燃焼反応が促進される。第2流動状態では、ガス供給機構3から供給される平面視における空気の供給位置の分布が粗となり、空気が供給されて籾殻に対して大きな上昇流が生じる領域と、空気が供給されずに籾殻に対して下降流が生じる領域とが生成され、流動層およびその上方空間で籾殻の上昇と下降が不均一な状態で繰り返される攪拌効果により、良好なガス化反応が促進される。 In the first fluidization state, the distribution of the supply positions of the air supplied from the gas supply mechanism 3 in a plan view becomes dense, and the rice husks flow evenly in the fluidized bed and the space above it, providing a stable opportunity for contact with the air, promoting a good combustion reaction. In the second fluidization state, the distribution of the supply positions of the air supplied from the gas supply mechanism 3 in a plan view becomes sparse, creating areas where air is supplied and a large upward flow occurs over the rice husks, and areas where no air is supplied and a downward flow occurs over the rice husks, creating a stirring effect where the rice husks rise and fall unevenly in the fluidized bed and the space above it, promoting a good gasification reaction.

以上の説明では、流動状態を調節するためにガスの供給位置の分布を調整する例を説明したが、流動状態を調節するためには、ガスの総量、供給位置、供給分布の少なくとも何れか一つを調整すればよく、ガスの総量、供給位置、供給分布の何れかを組み合わせて調節することも可能である。 In the above explanation, an example was given of adjusting the distribution of gas supply positions to adjust the flow state, but in order to adjust the flow state, it is sufficient to adjust at least one of the total amount of gas, the supply positions, and the supply distribution, and it is also possible to adjust a combination of the total amount of gas, the supply positions, and the supply distribution.

図1に戻り、ヘッダー管30に接続された空気供給管32には、コンプレッサやブロワファンから供給される圧縮空気が供給され、空気供給管32に備えたバルブ32V(ダンパでもよい。)によりその供給量が調節される。また、ヘッダー管30に接続された蒸気供給管33には、二次燃焼設備8に備えた熱交換器で生成された過熱蒸気または反応炉2に備えた熱交換器である熱回収機構5で生成された過熱蒸気が供給され、蒸気供給管33に備えたバルブ33V(ダンパでもよい。)によりその供給量が調節される。符号34は、蒸気の流量計である。 Returning to FIG. 1, compressed air is supplied from a compressor or a blower fan to the air supply pipe 32 connected to the header pipe 30, and the amount of air supplied is adjusted by a valve 32V (which may be a damper) provided on the air supply pipe 32. In addition, superheated steam generated in a heat exchanger provided in the secondary combustion equipment 8 or superheated steam generated in the heat recovery mechanism 5, which is a heat exchanger provided in the reactor 2, is supplied to the steam supply pipe 33 connected to the header pipe 30, and the amount of air supplied is adjusted by a valve 33V (which may be a damper) provided on the steam supply pipe 33. Reference numeral 34 denotes a steam flow meter.

バルブ32Vが空気比調節機構として機能し、原料供給機構4から供給された籾殻に対する空気比を調節することで、籾殻を燃焼反応させるかガス化反応させるかの何れかに調節することができる。 Valve 32V functions as an air ratio adjustment mechanism, and by adjusting the air ratio to the rice husks supplied from the raw material supply mechanism 4, it is possible to adjust the rice husks to either undergo a combustion reaction or a gasification reaction.

空気比調節機構は、籾殻を主に燃焼反応させるべく籾殻に対する理論空気比が1より大きな値となる第1の範囲と、籾殻を主にガス化反応させるべく理論空気比1未満の値となる第2の範囲との何れかに調節する機構であり、空気比調節機構により空気比調節工程が実行される。 The air ratio adjustment mechanism adjusts the theoretical air ratio to the rice husks to either a first range where the theoretical air ratio is greater than 1 so that the rice husks are primarily subjected to a combustion reaction, or a second range where the theoretical air ratio is less than 1 so that the rice husks are primarily subjected to a gasification reaction, and the air ratio adjustment process is carried out by the air ratio adjustment mechanism.

籾殻に対する空気比を、理論空気比である1より大きな値となる第1の範囲に調節することで、籾殻を良好に燃焼反応させることができ、理論空気比である1未満の値となる第2の範囲に調節することで、籾殻を良好にガス化反応させることができる。 By adjusting the air ratio to rice husks to a first range that is greater than the theoretical air ratio of 1, the rice husks can be effectively combusted, and by adjusting the air ratio to a second range that is less than the theoretical air ratio of 1, the rice husks can be effectively gasified.

第1の範囲は、空気比が1.3以上1.5以下の範囲であることが好ましい。空気比が1.3未満であると、シリカに炭素成分が残存して高品質の白色シリカが得られず、空気比が1.5より大きくなると、余剰空気による持ち出し熱量が多くなり、燃焼温度が低下して良好な燃焼状態を維持できない。また、第2の範囲は、空気比が0.2以上0.5以下の範囲であることが好ましい。空気比が0.2未満であると、熱分解が促進されず、空気比が0.5より大きくなると、炭素の一部が燃焼して良好な黒色シリカが得られない。 The first range is preferably an air ratio of 1.3 or more and 1.5 or less. If the air ratio is less than 1.3, carbon components remain in the silica and high-quality white silica cannot be obtained, and if the air ratio is greater than 1.5, the amount of heat carried out by the excess air increases, the combustion temperature drops, and good combustion conditions cannot be maintained. In addition, the second range is preferably an air ratio of 0.2 or more and 0.5 or less. If the air ratio is less than 0.2, pyrolysis is not promoted, and if the air ratio is greater than 0.5, some of the carbon is burned and good black silica cannot be obtained.

なお、酸素含有ガスとして酸素富化空気など、空気以外を用いる場合には、酸素含有ガス比調節機構を介して、原料に対する酸素含有ガスの比率が空気比換算して理論空気比1より大きな値となる第1の範囲に調節することで、原料である籾殻を良好に燃焼反応させることができ、原料に対する酸素含有ガスの比率が空気比換算して理論空気比1未満の値となる第2の範囲に調節することで、原料である籾殻を良好にガス化反応させることができる。酸素富化空気を用いる場合は、ガス量が減少するため、ガス供給機構から供給されるガスの総量を調整することにより、原料の流動状態を調節してもよい。 When using oxygen-containing gas other than air, such as oxygen-enriched air, the ratio of the oxygen-containing gas to the raw material can be adjusted to a first range, in which the air ratio is converted to a value greater than the theoretical air ratio of 1, via the oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism, to achieve a good combustion reaction of the rice husks as the raw material, and the ratio of the oxygen-containing gas to the raw material can be adjusted to a second range, in which the air ratio is converted to a value less than the theoretical air ratio of 1, to achieve a good gasification reaction of the rice husks as the raw material. When oxygen-enriched air is used, the amount of gas decreases, so the flow state of the raw material can be adjusted by adjusting the total amount of gas supplied from the gas supply mechanism.

同様に、第1の範囲は1.3以上1.5以下の範囲であることが好ましく、第2の範囲は0.2以上0.5以下の範囲であることが好ましい。 Similarly, the first range is preferably 1.3 to 1.5, and the second range is preferably 0.2 to 0.5.

図4(a),(b)には、熱処理状態調節機構により籾殻を主に燃焼反応させるように調節され、白色の非晶質シリカを得る製造装置1およびガス供給機構3Aが示されている。制御装置(図6参照。)により、空気比が1.3以上1.5以下の範囲に入るようにバルブ32Vの開度が調節され、反応炉2の縮径部での温度が500℃~600℃の範囲に調節される。また拡径部での温度が750℃~800℃までの範囲に入るように、バルブ6Vを介して上部空気供給機構6からの供給空気量、およびバルブ5Vを介して熱回収機構5による熱回収量が調節される。そのために、熱回収機構5の下流側および上流側に設置された第1および第2の温度センサTH1,TH2の出力が制御装置に入力されている。 Figures 4(a) and (b) show a manufacturing apparatus 1 and a gas supply mechanism 3A that obtain white amorphous silica by adjusting the heat treatment state adjustment mechanism to mainly cause the rice husks to undergo a combustion reaction. The opening of the valve 32V is adjusted by the control device (see Figure 6) so that the air ratio is in the range of 1.3 to 1.5, and the temperature at the narrowing part of the reactor 2 is adjusted to the range of 500°C to 600°C. The amount of air supplied from the upper air supply mechanism 6 via the valve 6V and the amount of heat recovered by the heat recovery mechanism 5 via the valve 5V are adjusted so that the temperature at the expanding part is in the range of 750°C to 800°C. For this purpose, the outputs of the first and second temperature sensors TH1 and TH2 installed downstream and upstream of the heat recovery mechanism 5 are input to the control device.

この時の燃焼反応は、以下の反応式により表される。
C+O → CO
CO+(1/2)・O → CO
The combustion reaction at this time is expressed by the following reaction formula.
C + O2CO2
CO+(1/2)・O 2 → CO 2

図5(a),(b)には、熱処理状態調節機構により籾殻を主にガス化反応させるように調節され、黒色の非晶質シリカを得る製造装置1およびガス供給機構3Bが示されている。図外の制御装置により、空気比が0.2以上0.5以下の範囲に入るようにバルブ32Vの開度が調節され、反応炉2の縮径部での温度が500℃~600℃の範囲に、また拡径部での温度が700℃~750℃までの範囲に入るようにバルブ6Vを介して上部空気供給機構6からの供給空気量などが調節される。このとき蒸気供給管33に供給される蒸気は、二次燃焼設備8に備えた熱交換器で生成された過熱蒸気が使用される。 Figures 5(a) and (b) show the manufacturing device 1 and gas supply mechanism 3B, which are adjusted by the heat treatment state adjustment mechanism to mainly gasify the rice husks and obtain black amorphous silica. A control device (not shown) adjusts the opening of valve 32V so that the air ratio is in the range of 0.2 to 0.5, and adjusts the amount of air supplied from the upper air supply mechanism 6 via valve 6V so that the temperature at the narrowing part of the reactor 2 is in the range of 500°C to 600°C and the temperature at the expanding part is in the range of 700°C to 750°C. The steam supplied to the steam supply pipe 33 at this time is superheated steam generated in a heat exchanger provided in the secondary combustion equipment 8.

この時のガス化反応は、主に水性ガス反応であり、以下の反応式により表される。 The gasification reaction at this time is mainly a water-gas reaction, and is represented by the following reaction formula:

水性ガス反応とは、次式に示すように、500℃以上の高温環境下でバイオマスである固体炭素Cと水蒸気HOとから一酸化炭素COと水素Hが生成される吸熱反応をいう。蒸気に加えて少量の空気を反応炉2に供給することで、籾殻の一部の燃焼により必要な反応熱が与えられ、かつ、炉内温度が500℃以上の高温環境下に保持される。
C+HO → CO+H
The water-gas reaction is an endothermic reaction in which carbon monoxide CO and hydrogen H2 are produced from solid carbon C (biomass) and water vapor H2O in a high-temperature environment of 500°C or higher, as shown in the following formula. By supplying a small amount of air in addition to steam to the reactor 2, the necessary reaction heat is provided by the combustion of a portion of the rice husks, and the temperature inside the furnace is maintained in a high-temperature environment of 500°C or higher.
C+ H2O → CO+ H2

本実施形態では、蒸気供給管33から圧力1MPa以下で、温度120℃~160℃の過熱蒸気が供給される。
反応炉2に供給される蒸気は、原料の初期加熱のため、水性ガス反応や燃焼反応によるシリカの比表面積の上昇などを含む賦活化のため、またその後の燃焼反応による炉内の雰囲気温度の異常な上昇の抑制のために用いられ、バルブ33Vによりその供給量が適切に調節される。主に水性ガス反応させる場合は、水蒸気の比率を高めて賦活化を促進させ、酸素含有ガスは炉内温度を保持できる最少量を供給する。主に燃焼反応させる場合は、酸素含有ガスの比率を高めて燃焼反応を促進させ、水蒸気は燃焼反応による局所高温場の生成を抑制する効果を有している。
In this embodiment, superheated steam at a temperature of 120° C. to 160° C. is supplied from the steam supply pipe 33 at a pressure of 1 MPa or less.
The steam supplied to the reactor 2 is used for initial heating of the raw material, activation including an increase in the specific surface area of silica due to the water-gas reaction and combustion reaction, and for suppressing an abnormal increase in the atmospheric temperature in the reactor due to the subsequent combustion reaction, and the amount supplied is appropriately adjusted by the valve 33V. When the water-gas reaction is mainly performed, the ratio of water steam is increased to promote activation, and the minimum amount of oxygen-containing gas that can maintain the temperature in the reactor is supplied. When the combustion reaction is mainly performed, the ratio of oxygen-containing gas is increased to promote the combustion reaction, and the water steam has the effect of suppressing the generation of a local high-temperature field due to the combustion reaction.

本実施形態では、バイオマスとして籾殻が用いられる。籾殻は約70%がセルロース、ヘミセルロース、リグニン等の炭水化物であり、約15~20%がシリカ、残部の大半が水分でアルカリ不純物を僅かに含んでいる。このようなシリカを含むバイオマスを資源として再生する場合に本発明が好適に用いられる。従って、本発明の適用対象は籾殻に限るものではなく、稲わら、麦わら、竹、トウモロコシ、サトウキビ、薄、トクサなどケイ酸植物由来のバイオマスを用いることも可能になる。 In this embodiment, rice husks are used as the biomass. Rice husks are approximately 70% carbohydrates such as cellulose, hemicellulose, and lignin, approximately 15-20% silica, and the majority of the remainder is water, with a small amount of alkaline impurities. This invention is suitable for use when recycling such silica-containing biomass as a resource. Therefore, the application of this invention is not limited to rice husks, and it is also possible to use biomass derived from siliceous plants such as rice straw, wheat straw, bamboo, corn, sugar cane, thin grass, and horsetail.

即ち、上述した非晶質シリカの製造装置1により、原料供給機構により反応炉に原料を供給する原料供給工程と、ガス供給機構により反応炉の原料が滞留する底部から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給工程と、原料を水蒸気と酸素含有ガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造方法が実現される。 That is, the above-mentioned amorphous silica manufacturing apparatus 1 realizes a raw material supplying process in which raw material is supplied to the reactor by the raw material supply mechanism, a gas supplying process in which steam and an oxygen-containing gas are supplied from the bottom of the reactor where the raw material is retained by the gas supplying mechanism, and a method for manufacturing amorphous silica in which amorphous silica is produced by heat-treating the raw material while contacting it with the steam and the oxygen-containing gas.

そして、熱処理状態調節機構に備えた酸素含有ガス比調節機構(空気比調節機構)により酸素含有ガス比調節工程(空気比調節工程)が実行され、ガス供給工程で供給される酸素含有ガスの原料の供給量に対する比率を調節することにより生成される非晶質シリカ中に含まれる炭素の割合が調整される。 Then, an oxygen-containing gas ratio adjustment process (air ratio adjustment process) is carried out by an oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism (air ratio adjustment mechanism) provided in the heat treatment condition adjustment mechanism, and the proportion of carbon contained in the amorphous silica produced is adjusted by adjusting the ratio of the oxygen-containing gas supplied in the gas supply process to the supply amount of the raw material.

また、流動状態調節機構により、ガス供給工程で供給されるガスの総量、供給位置、供給分布の少なくとも何れか一つを調整することにより、原料の流動状態を調節する流動状態調節工程が実行される。 In addition, a flow condition adjustment process is carried out in which the flow condition of the raw material is adjusted by adjusting at least one of the total amount, supply position, and supply distribution of gas supplied in the gas supply process using the flow condition adjustment mechanism.

さらに、熱処理状態調節機構は、籾殻を燃焼反応させる場合に、反応炉2の内部空間の燃焼温度を所定温度以下、具体的には約800℃以下に維持する温度調節機構を含む。反応炉2に備えた熱回収機構5が温度調節機構として機能する。即ち、原料を燃焼反応させる場合に、反応炉2の内部空間の燃焼温度を非晶質シリカの結晶化を抑制する所定温度以下に維持する温度調節工程が熱回収機構5によって実行される。 Furthermore, the heat treatment state adjustment mechanism includes a temperature adjustment mechanism that maintains the combustion temperature in the internal space of the reactor 2 at a predetermined temperature or lower, specifically at approximately 800°C or lower, when the rice husks are subjected to a combustion reaction. The heat recovery mechanism 5 provided in the reactor 2 functions as the temperature adjustment mechanism. In other words, when the raw material is subjected to a combustion reaction, the heat recovery mechanism 5 executes a temperature adjustment process that maintains the combustion temperature in the internal space of the reactor 2 at a predetermined temperature or lower that inhibits the crystallization of amorphous silica.

反応炉2で籾殻が発熱反応である燃焼反応することにより炉内温度が上述した所定温度を超えると、非晶質のシリカが結晶化して、発がん性を示すクリストバライトが生成される虞がある。そのような場合でも、熱回収機構5により燃焼温度が所定温度以下に調節されることで、非晶質シリカの結晶化を防止して安定的に非晶質シリカを得ることができるようになる。反応炉2の内部で主に籾殻がガス化反応する場合には、吸熱反応であるため、熱回収機構5を用いなくても反応炉2の内部空間の燃焼温度は所定温度未満に収まる場合もあるが、付随する燃焼反応により、上述した所定温度を超える場合には、熱回収機構5を備えることも可能である。 If the temperature inside the reactor 2 exceeds the above-mentioned predetermined temperature due to the combustion reaction of rice husks, which is an exothermic reaction, there is a risk that amorphous silica will crystallize and produce cristobalite, which is carcinogenic. Even in such a case, the heat recovery mechanism 5 adjusts the combustion temperature to a predetermined temperature or lower, preventing the crystallization of amorphous silica and making it possible to obtain amorphous silica stably. When the gasification reaction of rice husks mainly occurs inside the reactor 2, it is an endothermic reaction, so the combustion temperature in the internal space of the reactor 2 may be kept below the predetermined temperature even without the heat recovery mechanism 5, but if the accompanying combustion reaction causes the temperature to exceed the above-mentioned predetermined temperature, it is possible to provide the heat recovery mechanism 5.

図6には非晶質シリカの製造装置1を制御する制御装置Cの構成が示されている。制御装置Cには、第1の温度センサTH1、第2の温度センサTH2、蒸気流量計34、二次燃焼設備8に備えたボイラから出力される蒸気の温度を検出する蒸気温度センサTH3などのセンサの値が入力されるとともに、熱処理状態調節機構により調節された熱処理状態が主に燃焼反応を促すものであるのか、主にガス化反応を促すものであるのかの識別信号が入力されている。 Figure 6 shows the configuration of the control device C that controls the amorphous silica manufacturing apparatus 1. The control device C receives inputs of sensor values such as the first temperature sensor TH1, the second temperature sensor TH2, the steam flow meter 34, and the steam temperature sensor TH3 that detects the temperature of the steam output from the boiler provided in the secondary combustion equipment 8, as well as an identification signal indicating whether the heat treatment state adjusted by the heat treatment state adjustment mechanism is one that mainly promotes a combustion reaction or one that mainly promotes a gasification reaction.

制御装置Cは、熱処理状態調節機構により調節された熱処理状態が主に燃焼反応である場合には、反応炉2の縮径部の燃焼温度が500℃~600℃に入るように、第2の温度センサTH2の値に基づいて、バルブ32Vの開度を調節するとともにバルブ6Vの開度を調節して上部空気供給機構6からの給気量を調節し、併せてバルブ33Vの開度を調節する。さらに、第1の温度センサTH1の値に基づいて、反応炉2の拡径部の燃焼温度が750℃~800℃に入るように、換言すると、非晶質シリカが結晶化する相転移温度域より低い温度となるように、バルブ5Vの開度を調節して熱回収機構5に供給するボイラ水の流量を調節する。 When the heat treatment state adjusted by the heat treatment state adjustment mechanism is mainly a combustion reaction, the control device C adjusts the aperture of valve 32V based on the value of the second temperature sensor TH2 so that the combustion temperature of the narrowing diameter part of the reactor 2 is between 500°C and 600°C, adjusts the aperture of valve 6V to adjust the amount of air supplied from the upper air supply mechanism 6, and also adjusts the aperture of valve 33V. Furthermore, based on the value of the first temperature sensor TH1, it adjusts the aperture of valve 5V to adjust the flow rate of boiler water supplied to the heat recovery mechanism 5 so that the combustion temperature of the expanding diameter part of the reactor 2 is between 750°C and 800°C, in other words, a temperature lower than the phase transition temperature range where amorphous silica crystallizes.

例えば、空気供給機構からの給気量を減少制御することで、反応炉2の温度を低下させることができ、ボイラ水の流量を増量制御することで反応炉2の拡径部の温度を低下させることができ、その結果、燃焼温度が所定温度を超えないように調節できるようになる。 For example, the temperature of the reactor 2 can be lowered by controlling the amount of air supplied from the air supply mechanism to be reduced, and the temperature of the expanded diameter section of the reactor 2 can be lowered by controlling the flow rate of the boiler water to be increased, so that the combustion temperature can be adjusted so as not to exceed a predetermined temperature.

制御装置Cは、熱処理状態調節機構により調節された熱処理状態が主にガス化反応である場合には、第2の温度センサTH2の値に基づいて、反応炉2の縮径部の燃焼温度が500℃~600℃に入るように、また第1の温度センサTH1の値に基づいて、拡径部の燃焼温度が700℃~750℃に入るように、バルブ32Vの開度を調節するとともに上部空気供給機構6からの給気量を調節し、併せてバルブ33Vの開度を調節する。 When the heat treatment state adjusted by the heat treatment state adjustment mechanism is mainly a gasification reaction, the control device C adjusts the aperture of valve 32V and the amount of air supplied from the upper air supply mechanism 6 so that the combustion temperature of the narrowed diameter section of the reactor 2 is between 500°C and 600°C based on the value of the second temperature sensor TH2, and so that the combustion temperature of the expanded diameter section is between 700°C and 750°C based on the value of the first temperature sensor TH1, and also adjusts the aperture of valve 33V.

上述と同様に、空気供給機構からの給気量を減少制御することで、反応炉2の温度を低下させることができ、ボイラ水の流量を増量制御することで反応炉2の拡径部の温度を低下させることができ、その結果、燃焼温度が所定温度を超えないように調節できるようになる。なお、この場合、拡径部の燃焼温度が800℃を超えることが無ければ、熱回収機構5に供給するボイラ水の流量を調節する必要はない。第2の温度センサTH2は、縮径部の温度がモニタできる位置であればよく、熱回収機構5より上流側であれば、縮径部または拡径部の何れに設置されていてもよい。 As described above, the temperature of the reactor 2 can be lowered by controlling the amount of air supplied from the air supply mechanism to be reduced, and the temperature of the expanded diameter section of the reactor 2 can be lowered by controlling the flow rate of the boiler water to be increased, so that the combustion temperature can be adjusted so as not to exceed a predetermined temperature. In this case, if the combustion temperature of the expanded diameter section does not exceed 800°C, there is no need to adjust the flow rate of the boiler water supplied to the heat recovery mechanism 5. The second temperature sensor TH2 may be located in any position where the temperature of the contracted diameter section can be monitored, and may be installed in either the contracted diameter section or the expanded diameter section, as long as it is upstream of the heat recovery mechanism 5.

図1、図4、図5では、噴流床9の上方空間における燃焼状態を調整するための上部空気供給機構6として、反応炉2の絞り部近傍に側壁から給気管を挿入して、反応炉2の中央部から下方に向けて給気する給気ノズルを給気管の先端に備えた構成を説明したが、上部空気供給機構6の構成は、この例に限るものではなく、反応炉2のサイズなどに応じて適宜構成することができる。 In Figures 1, 4, and 5, an upper air supply mechanism 6 for adjusting the combustion state in the space above the entrained bed 9 is described, in which an air supply pipe is inserted from the side wall near the narrowing portion of the reactor 2, and an air supply nozzle is provided at the tip of the air supply pipe to supply air downward from the center of the reactor 2. However, the configuration of the upper air supply mechanism 6 is not limited to this example, and can be configured appropriately depending on the size of the reactor 2, etc.

例えば、図7(a)に示すように、反応炉2の天頂部から先端に給気ノズルを備えた給気管を垂下するように設けてもよく、図7(b)に示すように、反応炉2の絞り部近傍に複数本の給気ノズルを設けてもよい。例えば、平面視で同心円上に複数本の給気ノズルを均等に配することができる。 For example, as shown in FIG. 7(a), an air supply pipe with an air supply nozzle at its tip may be installed to hang down from the top of the reactor 2, or as shown in FIG. 7(b), multiple air supply nozzles may be provided near the narrowed portion of the reactor 2. For example, multiple air supply nozzles may be evenly arranged on concentric circles in a plan view.

上述した実施形態では、ガス供給機構3が、水蒸気と酸素含有ガスの一例である空気の混合ガスを供給するように構成された例を説明したが、上述した酸素含有ガス比調節機構および流動状態調節機構の各構成を備えていれば、水蒸気と酸素含有ガスを其々個別に供給するように構成してもよい。 In the above-described embodiment, an example was described in which the gas supply mechanism 3 is configured to supply a mixture of water vapor and air, which is an example of an oxygen-containing gas, but as long as it has the above-described oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism and flow state adjustment mechanism, it may be configured to supply water vapor and oxygen-containing gas separately.

上述した実施形態では、原料を熱処理するために反応炉2の内部に噴流床を形成し、噴流床で珪砂とともに原料を攪拌および流動させる態様を説明したが、反応炉2の底部近傍で流動床を形成し、流動床で珪砂とともに原料を攪拌および流動させる態様を採用してもよい。なお、何れの場合でも、噴流床または流動床により原料をガスと良好に接触させるためには、珪砂の粒径は0.05mmから2mmの範囲であることが好ましい。また、反応炉2の内部で原料をガスと接触させながら熱処理できれば、反応炉2の内部に珪砂を投入することが必須ではない。 In the above embodiment, a spouted bed is formed inside the reactor 2 to heat-treat the raw materials, and the raw materials are stirred and fluidized together with the silica sand in the spouted bed. However, a fluidized bed may be formed near the bottom of the reactor 2, and the raw materials are stirred and fluidized together with the silica sand in the fluidized bed. In either case, in order to bring the raw materials into good contact with the gas in the spouted bed or fluidized bed, it is preferable that the particle size of the silica sand is in the range of 0.05 mm to 2 mm. Also, if the raw materials can be heat-treated while being in contact with the gas inside the reactor 2, it is not essential to put silica sand inside the reactor 2.

上述した実施形態は、本発明による非晶質シリカの製造装置および製造装置の一具体例を説明したに過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。 The above-mentioned embodiment merely describes one specific example of the amorphous silica manufacturing apparatus and manufacturing apparatus according to the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the description. It goes without saying that the specific configuration of each part can be appropriately modified and designed within the scope of the effect of the present invention.

1:非晶質シリカの製造装置
2:反応炉
3:ガス供給機構
30:ヘッダー管
31:散気管
32:空気供給管
32V:バルブ
33:蒸気供給管
33V:バルブ
4:原料供給機構
5:熱回収機構
6:上部空気供給機構
7:サイクロン
8:二次燃焼設備
9:噴流床
10:排気管
A:熱処理状態調節機構
Reference Signs List 1: Amorphous silica manufacturing apparatus 2: Reactor 3: Gas supply mechanism 30: Header pipe 31: Air diffuser 32: Air supply pipe 32V: Valve 33: Steam supply pipe 33V: Valve 4: Raw material supply mechanism 5: Heat recovery mechanism 6: Upper air supply mechanism 7: Cyclone 8: Secondary combustion equipment 9: Spouted bed 10: Exhaust pipe A: Heat treatment state adjustment mechanism

Claims (6)

反応炉と、前記反応炉にケイ酸植物由来のバイオマスを原料として供給する原料供給機構と、前記反応炉の前記原料が滞留する底部から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給機構と、前記原料を前記水蒸気と酸素含有ガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造装置であって、
前記反応炉の内部空間の温度を前記非晶質シリカの結晶化を抑制する所定温度以下に維持する温度調節機構を備え、
前記温度調節機構が水を熱媒体に用いる熱交換器と、前記ガス供給機構と前記熱交換器の間に空気を供給して前記原料を燃焼する上部空気供給機構と、で構成され、前記熱交換器で生じた水蒸気を、前記ガス供給機構を介して前記反応炉に供給するように構成されている非晶質シリカの製造装置。
An apparatus for producing amorphous silica, comprising: a reactor; a raw material supply mechanism for supplying biomass derived from a silicic acid plant as a raw material to the reactor; a gas supply mechanism for supplying steam and an oxygen-containing gas from a bottom of the reactor where the raw material is retained; and a heat treatment of the raw material while contacting it with the steam and the oxygen-containing gas to produce amorphous silica,
a temperature control mechanism for maintaining the temperature of the inner space of the reactor at or below a predetermined temperature that inhibits crystallization of the amorphous silica;
The temperature control mechanism is composed of a heat exchanger that uses water as a heat medium, and an upper air supply mechanism that supplies air between the gas supply mechanism and the heat exchanger to combust the raw material , and the water vapor generated in the heat exchanger is supplied to the reaction furnace via the gas supply mechanism.
前記原料の供給量に対する前記酸素含有ガスの比率を空気比換算して1.3以上1.5以下の範囲に調節する酸素含有ガス比調節機構、を備えている請求項1記載の非晶質シリカの製造装置。 The amorphous silica manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising an oxygen-containing gas ratio adjustment mechanism that adjusts the ratio of the oxygen-containing gas to the amount of the raw material supplied to a range of 1.3 to 1.5 in terms of air ratio. 前記温度調節機構は、前記反応炉に備えた前記熱交換器の下流側と前記熱交換器と前記上部空気供給機構の間に温度センサを備えている請求項1または2記載の非晶質シリカの製造装置。 3. The apparatus for producing amorphous silica according to claim 1, wherein the temperature control mechanism includes temperature sensors downstream of the heat exchanger provided in the reactor and between the heat exchanger and the upper air supply mechanism . 原料供給機構により反応炉にケイ酸植物由来のバイオマスからなる原料を供給する原料供給工程と、ガス供給機構により前記反応炉の前記原料が滞留する底部から水蒸気と酸素含有ガスを供給するガス供給工程と、前記原料を前記水蒸気と酸素含有ガスと接触させながら熱処理することにより非晶質シリカを生成する非晶質シリカの製造方法であって、
前記反応炉の内部空間の温度を前記非晶質シリカの結晶化を抑制する所定温度以下に維持する温度調節工程を備え、
前記温度調節工程が水を熱媒体に用いる熱交換器と、前記ガス供給機構と前記熱交換器の間に空気を供給して前記原料を燃焼する上部空気供給機構と、により実行され、前記熱交換器で生じた水蒸気を、前記ガス供給機構を介して前記反応炉に供給する非晶質シリカの製造方法。
A method for producing amorphous silica, comprising: a raw material supplying step of supplying a raw material comprising biomass derived from a silicic acid plant to a reactor by a raw material supplying mechanism; a gas supplying step of supplying steam and an oxygen-containing gas from a bottom of the reactor where the raw material is retained by a gas supplying mechanism; and a heat treatment of the raw material while contacting it with the steam and the oxygen-containing gas to produce amorphous silica,
A temperature control step of maintaining the temperature of the inner space of the reactor at or below a predetermined temperature that inhibits crystallization of the amorphous silica,
A method for producing amorphous silica, wherein the temperature adjustment step is performed by a heat exchanger using water as a heat medium , and an upper air supply mechanism that supplies air between the gas supply mechanism and the heat exchanger to combust the raw material , and the water vapor generated in the heat exchanger is supplied to the reactor via the gas supply mechanism.
前記原料に対する前記酸素含有ガスの比率が空気比換算して1.3以上1.5以下の範囲に調節する酸素含有ガス比調節工程、を備えている請求項4記載の非晶質シリカの製造方法。 The method for producing amorphous silica according to claim 4, further comprising an oxygen-containing gas ratio adjustment step for adjusting the ratio of the oxygen-containing gas to the raw material to a range of 1.3 to 1.5 in terms of air ratio. 前記温度調節工程は、前記反応炉に備えた前記熱交換器の下流側と前記熱交換器と前記上部空気供給機構の間に配置された温度センサの値に基づいて実行される請求項4または5記載の非晶質シリカの製造装置。
6. The apparatus for producing amorphous silica according to claim 4 or 5, wherein the temperature adjustment process is performed based on the value of a temperature sensor disposed downstream of the heat exchanger provided in the reactor and between the heat exchanger and the upper air supply mechanism .
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