(57)【要約】【課題】浮遊状態で熱処理される粉体の熱履歴を均一にすることができる粉体製造装置を提供する。【解決手段】粉体製造装置１は、内部に処理空間を形成する粉体生成炉２と、バーナ６を備える燃焼室３と、燃焼室３で発生した燃焼排ガスを粉体生成炉２に導入する燃焼排ガスノズル４と、燃焼排ガスノズル４の中に配置され、粉体生成炉２に原料を吹き込む原料ノズル５とを有し、燃焼排ガスノズル４は、燃焼室３よりも流路断面積が小さいことが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に処理空間を形成する粉体生成炉と、
バーナを備える燃焼室と、
前記燃焼室で発生した燃焼排ガスを前記粉体生成炉に導入する燃焼排ガスノズルと、
前記燃焼排ガスノズルの中に配置され、前記粉体生成炉に原料を吹き込む原料ノズルとを有することを特徴とする粉体製造装置。
【請求項２】
前記燃焼排ガスノズルは、前記燃焼室よりも流路断面積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の粉体製造装置。
【請求項３】
前記燃焼室は水平方向に長く、前記バーナは前記燃焼室の水平方向一端から水平方向に火炎を形成し、
前記燃焼排ガスノズルは、前記燃焼室の他端近傍から垂直に前記燃焼排ガスを引き出し、直線的に前記粉体生成炉に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の粉体製造装置。
【請求項４】
前記原料ノズルは、前記原料を噴霧する原料噴霧ノズルと、前記原料噴霧ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料の周囲に冷却空気を吹き込む冷却ノズルとを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の粉体製造装置。
【請求項５】
前記冷却ノズルは、多重管からなり、前記冷却空気を多重に吹き込むことを特徴とする請求項４に記載の粉体製造装置。
【請求項６】
前記冷却ノズルは、外側に、冷却水によって冷却されるジャケットを備えることを特徴とする請求項４または５に記載の粉体製造装置。
【請求項７】
隙間を空けて前記ジャケットを覆う外層板をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の粉体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リチウムイオン２次電池の極の材料となる粉体等は、例えば、原料水溶液を噴霧乾燥して粉体化し、それらの粉体を容器に入れて炉内で焼成して熱変性させることによって製造されている。このような方法では、セラミック容器へのダメージを考慮して、焼成に３０分から数時間が必要であり効率がよくない。また、このような方法では、粉体を堆積して静置した状態で焼成するため、焼成する際に粒子同士が溶着するという問題もある。
【０００３】
特許文献１には、プラズマ放電を行う電極を有する粉体生成炉内に原料水溶液を噴霧し、プラズマ放電によって形成する超高温のプラズマ空間において、原料水溶液を乾燥するとともに、さらには熱分解して融合させる粉体製造装置が開示されている。
【０００４】
このような粉体製造装置で製造した粉体粒子は、形状がいびつで、不均一である。これは、原料水溶液の液滴が超高温のプラズマ空間で瞬間的に加熱され、粒子内の水分が一瞬のうちに気化膨張することで、粒子が水蒸気爆発して破壊されるためである。
【０００５】
また、このような粉体製造装置では、プラズマ空間の容積が小さく、プラズマ空間内の温度にもムラがあるために、粒子毎に熱履歴が大きく異なるので、変性温度や加熱時間などが品質に大きく影響する粉体を製造するのには適さない。
【０００６】
また、特許文献２には、火炎によって粉体原料を溶融し、球状粒子を製造する装置が記載されている。火炎によって加熱する粉体製造装置でも、火炎内部の温度ムラが大きいため、処理温度や処理時間を均一にすることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２６３２５７号明細書
【特許文献２】特開２０１０−７５８１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題点に鑑みて、本発明は、浮遊状態で熱処理される粉体の熱履歴を均一にすることができる粉体製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明による粉体製造装置は、内部に処理空間を形成する粉体生成炉と、バーナを備える燃焼室と、前記燃焼室で発生した燃焼排ガスを前記粉体生成炉に導入する燃焼排ガスノズルと、前記燃焼排ガスノズルの中に配置され、前記粉体生成炉に原料を吹き込む原料ノズルとを有するものとする。
【００１０】
この構成によれば、粉体生成炉内に導入された燃焼排ガスは、処理空間の広い範囲をムラなく高温に維持する。この高温の燃焼排ガス中に原料を浮遊させることで、原料を均等に加熱して熱変性させられる。
【００１１】
また、本発明の粉体製造装置において、前記燃焼排ガスノズルは、前記燃焼室よりも流路断面積が小さくてもよい。
【００１２】
この構成によれば、燃焼室内では流速を低くして、狭い燃焼室内で完全な燃焼を行い、燃焼排ガスノズルにおける燃焼排ガスの流速を十分に大きくすることで、燃焼排ガスの偏った流れを防止し、温度ムラを低減して粉体生成炉内に導入できる。
【００１３】
また、本発明の粉体製造装置において、前記燃焼室は水平方向に長く、前記バーナは前記燃焼室の水平方向一端から水平方向に火炎を形成し、前記燃焼排ガスノズルは、前記燃焼室の他端近傍から垂直に前記燃焼排ガスを引き出し、直線的に前記粉体生成炉に導入してもよい。
【００１４】
この構成によれば、燃焼室の小型化と、燃焼排ガスノズルの流路の短縮とが可能であり、熱損失を最小化できる。また、燃焼排ガスの流れ方向を直角に変更するので、燃焼排ガスの撹拌を促進し、温度ムラをなくすことができる。
【００１５】
また、本発明の粉体製造装置は、前記原料ノズルは、前記原料を噴霧する原料噴霧ノズルと、前記原料噴霧ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料の周囲に冷却空気を吹き込む冷却ノズルとを備えてもよい。
【００１６】
この構成によれば、冷却空気によって原料が極めて短時間に加熱されることを防止し、粉体粒子の水蒸気爆発による破裂を防止して、均質な粒子を形成できる。
【００１７】
また、本発明の粉体製造装置において、前記冷却ノズルは、多重管からなり、前記冷却空気を多重に吹き込んでもよい。
【００１８】
この構成によれば、複数の冷却空気の層が段階的な温度分布を形成し、原料を段階的に昇温できるので、粉体粒子の水蒸気爆発を防止する効果がさらに高い。
【００１９】
また、本発明の粉体製造装置において、前記冷却ノズルは、冷却水によって冷却されるジャケットを備えてもよく、さらに、隙間を空けて前記ジャケットを覆う外層板を備えてもよい。
【００２０】
この構成によれば、水冷ジャケットによって燃焼排ガスノズル内で冷却空気および原料が高温になることを防止できる。これにより、少ない冷却空気で粉体粒子の水蒸気爆発を確実に防止でき、燃焼排ガスの希釈が抑制される。また、水冷ジャケットの周囲に断熱効果を発揮する空気の層を介して外層板を配設することで、冷却水と燃焼排ガスとの間の熱交換が抑制されるので、燃焼排ガスノズル内における燃焼排ガスの熱損失も小さい。したがって、この構成により、高い熱効率を維持しながら、粉体粒子の水蒸気爆発を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態である粉体製造装置の概略図である。
【図２】図１の原料ノズルの詳細断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る原料ノズルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に、本発明の第１実施形態の粉体製造装置１を示す。粉体製造装置１は、鏡板状の上端と、円錐状に縮径した下部とを有し、内部に隔離された処理空間を形成する直立筒状の粉体生成炉２と、粉体生成炉２の上方に配置され、水平方向に延伸する円筒状の燃焼室３と、燃焼室３と粉体生成炉２とを接続し、燃焼室３内に生成された燃焼排ガスを粉体生成炉２の上端から下向きに吹き込む燃焼排ガスノズル４と、燃焼室３を貫通し、燃焼排ガスノズル４の内部に延伸するように配置され、粉体生成炉２の上端から下向きに粉体原料を含有したスラリーを噴霧するための原料ノズル５とを有する。
【００２３】
燃焼室３は、一端にバーナ６が設けられ、一端から他端に向けて水平方向の火炎が形成される。バーナ６は、例えば天然ガスのような燃料と燃焼用空気とを任意の比率で供給できるものであり、公知の点火装置やパイロットバーナを備えてもよい。当然ながら、燃料は、ガス燃料、液体燃料、固体燃料のいずれであってもよい。
【００２４】
燃焼室３は、バーナ６が形成する火炎を収容でき、燃料を完全燃焼させるのに必要最低限度の容積を有するものとすることで、小さくすることが好ましい。燃焼室３の炉壁からの熱損失を最低限度に留めることができるからである。例えば、本実施形態の燃焼室３は、バーナ６の燃焼容量１１６Ｋｗに対して、好ましくは、内径１３０〜２５０ｍｍ、長さ５００〜１０００ｍｍ、より好ましくは、内径１５０〜２００ｍｍ、長さ６００〜８００ｍｍの細長い形状を有する。
【００２５】
燃焼排ガスノズル４は、燃焼室３のバーナ６と反対側の端部近傍に開口し、垂直に燃焼排ガスを引き出し、噴霧装置５の外側から、直線的に粉体生成炉２に吹き込むように配設されている。また、燃焼排ガスノズル４は、燃焼室３よりも流路断面積が小さく、好ましくは、内径７０〜１２０ｍｍ、より好ましくは、内径９０〜１１０ｍｍである。これにより、熱風ノズル４における燃焼排ガスの流速を、燃焼室３の下流側における流速の１．５倍から２．５倍にすることが好ましい。
【００２６】
比較的流れの遅い燃焼室３から流路面積の小さい燃焼燃焼排ガスノズル４に燃焼排ガスを引き抜くことで、燃焼排ガスノズル４に流れ込む際に燃焼排ガスの流速が急激に高まる。この流速変化によって、燃焼室３内において燃焼排ガスの温度に偏りがあったとしても、燃焼排ガスの流れ方向を直角に変更するので、燃焼排ガスを撹拌し、温度を均一にすることができる。また、燃焼排ガスノズル４内において、燃焼排ガスは、略流速の均一な直線的な流れに整流されて、粉体生成炉２に吹き込まれる。
【００２７】
さらに、図２に、原料ノズル５の詳細を示す。原料ノズル５は、原料スラリーが供給され、先端にスプレーチップ７が設けられた原料噴霧ノズル８と、原料噴霧ノズル８を覆うように配設され、原料噴霧ノズル８との隙間を通して、原料噴霧ノズル８から噴霧された原料の周囲に冷却空気を供給するための冷却ノズル９と、冷却ノズル９の外周に設けられた水冷ジャケット１０と、水冷ジャケット１０の外側に隙間を空けて配設された外層板１１とを有する。
【００２８】
水冷ジャケット１０には冷却水が循環され、水冷ジャケット１０内における冷却水温度は約５０℃に保持される。水冷ジャケット１０と外層板１１との間の空気は断熱層として機能するため、約１２００℃の燃焼排ガスに晒される外層板１１の裏面の温度は、約９６０℃になるが、水冷ジャケット１０と燃焼排ガスとの間の熱交換量は僅かである。したがって、外層板１１がなく水冷ジャケット１０の外面に直接燃焼排ガスが接触する場合と比較して、燃焼排ガスが原料ノズル８に奪われる熱量が非常に小さい。このため、冷却ノズル９には、常温の空気が供給されるが、殆ど温度上昇しないまま、粉体生成炉２に吹き込まれる。これにより、噴霧直後の原料液滴の水蒸気爆発を防止する効果が高くなる。
【００２９】
冷却空気は、原料噴霧ノズル８から噴霧された原料を覆い、直接高温（例えば１２００℃）の燃焼排ガスに原料液滴が晒されて、瞬時に昇温して爆発的に水分が蒸発することにより粒子が破壊されることを防止する。
【００３０】
原料液滴の温度上昇を僅かに遅らせれば粒子の破壊を防止できるので、冷却空気は、燃焼排ガスの希釈を避けるために、少量でよく、燃焼排ガス１９０ｍ３Ｎ／ｈに対しては、５〜２０ｍ３Ｎ／ｈが好ましく、１０〜１５ｍ３Ｎ／ｈがより好ましい。また、冷却空気は、噴霧直後の原料液滴のみを覆えばよいので、その流速は燃焼排ガスよりも遅くてよく、本実施形態では、燃焼排ガスの流速の４０％程度である。
【００３１】
燃焼排ガスの熱量に比して原料スラリーの蒸発潜熱は数パーセントに過ぎないので、燃焼排ガスは、原料液滴の水分を全て蒸発させた後も、十分に高い温度を保持している。このため、原料液滴を乾燥した粒子を高温の燃焼排ガス中に浮遊させた状態で、さらに、燃焼排ガスによって所望の温度（本実施形態では、７００〜１２００℃）に加熱して、溶融、焼成、発泡化、熱変性等の要求される熱処理を行うことができる。
【００３２】
本実施形態において、燃焼排ガスは、粉体製造塔２内の広い範囲において略均一な高温環境を形成するので、粉体粒子の熱履歴にばらつきが少なく、均質な熱処理ができる。また、燃焼排ガス中に分散浮遊した状態で粉体を高温に加熱するので、粒子同士が干渉せず、粒子形状が均一になる。
【００３３】
また、本実施形態において、原料ノズル５は、粉体を空気とともに粉体生成炉２内に原料粉体を吹き込むものであってもよい。この場合、水蒸気爆発による粉体粒子の破壊の心配がないため、冷却空気ノズル９、水冷ジャケット１０および外層板１１は省略できる。
【００３４】
続いて、第１実施形態の原料ノズル５に替えて使用可能な、本発明の第２実施形態に係る原料ノズル２１を図３に示す。本実施形態の原料ノズル２１は、原料スラリーが供給され、先端にスプレーチップ２２が設けられた原料噴霧ノズル２３と、原料噴霧ノズル２３を覆うように配設され、原料噴霧ノズル２３との隙間を通して、原料噴霧ノズル２３から噴霧された原料の周囲に冷却空気を供給するための第１冷却ノズル２４と、第１冷却ノズル２４をさらに覆うように配設され、第１冷却ノズル２４との隙間を通して、第１冷却ノズル２４から供給される冷却空気の外側にさらなる冷却空気を供給する第２冷却ノズル２５とを有する。
【００３５】
このように、冷却ノズルを多重にすることで、段階的に温度が変化する複数の冷却空気の層を形成できる。これにより、少ない冷却空気によって、燃焼室３および燃焼排ガスノズル４内における原料噴霧ノズル２３の温度上昇、および、噴霧直後の原料液滴の瞬間的な昇温による水蒸気爆発を防止できる。
【符号の説明】
【００３６】
１…粉体製造装置
２…粉体生成炉
３…燃焼室
４…燃焼排ガスノズル
５…原料ノズル
６…バーナ
７…スプレーチップ
８…原料噴霧ノズル
９…冷却ノズル
１０…水冷ジャケット
１１…外層板
２１…原料ノズル
２２…スプレーチップ
２３…原料噴霧ノズル
２４…第１冷却ノズル
２５…第２冷却ノズル
【図１】
2012035237.tif 000003
【図２】
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【図３】
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