(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被熱処理材料を熱処理する炉体と、
反応流体を前記被熱処理材料に供給するノズルとを備える熱処理装置であって、
前記ノズルは、前記反応流体を供給する供給口を有する供給管と、前記供給管の外周を覆う冷却管と、前記冷却管の外周を覆い、前記冷却管の外周と前記炉体の内部との間を断熱する断熱部とを備え、
前記炉体の炉内温度よりも低温である前記反応流体が、前記供給口を通じて前記被熱処理材料に供給され、
前記被熱処理材料と前記供給口との間の供給距離を調節する供給距離調節部をさらに備えることを特徴とする、熱処理装置。
【請求項２】
前記供給口は、前記供給管から分岐しているとともに前記炉体内の前記被熱処理材料に向けて延在する分岐ノズルに設けられ、前記分岐ノズルの外周は、分岐断熱部で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記炉体が、回転しながら前記被熱処理材料を移送または転動するロータリーキルンであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、反応流体供給用のノズルを有する熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルを通じて反応流体を被熱処理材料に供給しながら被熱処理材料を熱処理する熱処理装置として、様々な熱処理装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１は、焼却物を燃焼させることによって発生した排ガスに対して、脱硫剤を回転炉内に噴出する除害剤噴出ノズルを有するロータリーキルンを開示する。特許文献２は、水素ガスと酸素ガスとを燃焼反応させるバーナーによって発生した高温蒸気によって、原料を加熱する加熱処理炉を開示する。特許文献３は、一次空気供給管から廃棄物に向けて一次燃焼空気を直接供給するロータリーキルン炉を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平０５−３８９３号公報
【特許文献２】特開２００４−２８４２８号公報
【特許文献３】実開平０９−１１２８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１から特許文献３では、それぞれ、除害剤噴出ノズル、バーナーおよび一次空気供給管などのノズルに対して特別な工夫を施すこと無く、ノズルを通じて反応流体を被熱処理材料に供給するだけである。ノズルが高温の熱処理装置内に配置されるので、ノズルの昇温によって、ノズルから供給される反応流体も昇温する。
【０００６】
熱処理装置の内部温度よりも低温である反応流体（例えば、反応ガス）を被熱処理材料に供給することにより、従来にはない新規の機能を持った機能性材料の開発が検討されている。しかしながら、従来の熱処理装置では、低温の反応流体（例えば、反応ガス）がノズルを通過する過程で昇温して熱分解するため、所望とする機能を持った機能性材料の製造が困難であった。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、熱処理装置の内部温度よりも低温である反応流体を被熱処理材料に供給できる熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の一態様に係る熱処理装置は、
被熱処理材料を熱処理する炉体と、
反応流体を前記被熱処理材料に供給するノズルとを備える熱処理装置であって、
前記ノズルは、前記反応流体を供給する供給口を有する供給管と、前記供給管の外周を覆う冷却管と、前記冷却管の外周を覆い、前記冷却管の外周と前記炉体の内部との間を断熱する断熱部とを備え、
前記炉体の炉内温度よりも低温である前記反応流体が、前記供給口を通じて前記被熱処理材料に供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ノズルの供給口を通じて、炉体の炉内温度よりも低温である反応流体が被熱処理材料に供給されるので、所望とする機能を持った機能性材料の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る熱処理装置の模式的断面図である。
【図２】図１に示した熱処理装置におけるノズルを説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、この発明に係る熱処理装置１の実施の形態を説明する。
【００１２】
〔実施形態〕
図１および図２を参照しながら、一実施形態に係る熱処理装置（ロータリーキルン）１を説明する。図１は、一実施形態に係る熱処理装置１の模式的断面図である。図２は、図１に示した熱処理装置１におけるノズル１０を説明する断面図である。
【００１３】
図１に示すように、熱処理装置１は、被熱処理材料１５を熱処理する炉体２と、反応流体１９を被熱処理材料１５に供給するノズル１０とを備える。炉体２は、回転しながら被熱処理材料１５を移送するように構成された金属製やセラミック製の円筒である。すなわち、炉体２は、出口側が入口側よりも低くなるように傾斜配置されており、炉体２の回転に伴って、被熱処理材料１５が傾斜に基づく重力作用によって出口側に搬送される。当該構成によれば、被熱処理材料１５を連続的に熱処理でき、処理済み材料１７を効率的に製造できる。
【００１４】
なお、炉体２は、その傾斜角度を変えることができる構成にすることができる。当該構成では、炉体２を傾斜位置にし、傾斜した炉体２に対して被熱処理材料１５を入口側から投入した後、炉体２を水平位置にして、水平位置にある炉体２を回転させながら熱処理することができる。これにより、被熱処理材料１５は、炉体２内での移送ではなく、炉体２内での転動によって長時間にわたって熱処理される。処理済み材料１７は、炉体２を傾斜位置にすることにより、出口側に移送されて取り出される。
【００１５】
炉体２の外周には、加熱部３が配設されている。加熱部３は、複数のヒーター１１と図示しない温度センサとによって炉体２の内部が所定の温度に加熱されるように、図示しない制御部によって制御される。炉体２の外周面には、スプロケット９が取り付けられている。スプロケット９が図示しないモータで駆動されることによって、炉体２が回転する。
【００１６】
炉体２の入口側端部および出口側端部には、それぞれ、入口側フード４および出口側フード６が設けられている。炉体２と入口側フード４との間の連結部には、炉体２の回転および保持を可能にするシール部１２が設けられている。炉体２と出口側フード６との間の連結部にも、シール部１２が設けられている。シール部１２により、炉体２内に供給された反応流体（例えば、反応ガスや反応液体）１９が、外部に漏出することを防止しながら、炉体２の回転および支持が可能になる。入口側フード４の側部には、被熱処理材料１５を炉体２に投入する投入部８と、反応流体１９を供給するノズル１０とが、設けられている。出口側フード６の下部には、炉体２内で熱処理された処理済み材料１７を回収する回収部７が設けられている。
【００１７】
図１に示すように、ノズル１０は、炉体２内で搬送される被熱処理材料１５に対向するように配置される。ノズル１０は、炉体２の軸線方向に沿って延びている。
【００１８】
図２に示すように、ノズル１０は、供給管２１と冷却管３１と断熱部４１とを備える。供給管２１は、炉体２の軸線方向に沿って延びる管形状をしている。なお、以下の説明において、管形状、管状又は環状というときには、円形の横断面を有する形状に限定されず、例えば、楕円または多角形などの各種横断面を有する形状を含むものとする。
【００１９】
供給管２１は、供給管２１の管体部から分岐された分岐ノズル２２を複数個有する。複数個の分岐ノズル２２は、供給管２１の管体部の長手方向に沿って離間配置されている。分岐ノズル２２は、冷却管３１を貫通して、被熱処理材料１５に向けて（例えば、下向きに）突出する管形状をしている。なお、冷却管３１の貫通部分は、溶接などによって分岐ノズル２２と接合・封止されている。分岐ノズル２２の端部（例えば、下端部）には、反応流体１９を供給する供給口２３が形成されている。したがって、反応流体１９は、供給管２１の管体部を流れたあと、分岐ノズル２２を流れて、供給口２３から流出する（例えば、噴出する）。
【００２０】
冷却管３１は、供給管２１の外周を覆うように設けられている。冷却管３１は、内管３２および外管３３からなる二重管構造をしており、断面視で環状の形状をしている。供給管２１の外周面と内管３２の内周面との間には、内側通路３６が形成され、内管３２の外周面と外管３３の内周面との間には、外側通路３７が形成される。内管３２には、流入部３４が設けられている。外管３３には、流出部３５が設けられている。流入部３４から供給される冷却媒体１８（例えば、冷却液や冷却ガス）は、内側通路３６を流れたあと、連通部３８で折り返し、外側通路３７を流れ、流出部３５から流出する（例えば、噴出する）。当該構成によれば、供給管２１を流れる反応流体１９が、炉内温度によって昇温することを効果的に防止できるとともに、供給管２１の内部温度と炉体２の炉内温度との間での温度差を大きくできる。なお、冷却管３１は、冷却媒体１８（例えば、冷却液や冷却ガス）が、外側通路３７を流れたあと、連通部３８で折り返し、内側通路３６を流れるような構成にすることもできる。
【００２１】
断熱部４１は、冷却管３１の外管３３の外周を覆うように設けられている。分岐断熱部４２は、供給管２１の分岐ノズル２２の外周を覆うように設けられている。断熱部４１および分岐断熱部４２は、冷却管３１と炉体２との間を断熱する。当該構成によれば、高温の炉内への流出（例えば、噴出）によって気化された反応流体１９が、冷却管３１の外管３３および分岐ノズル２２の各外周面に凝結して付着することを抑制できるとともに、冷却管３１の中を流れる冷却媒体１８が、炉体２内の熱で加熱されることによって冷却効率が低下することを防止できる。また、分岐ノズル２２が被熱処理材料１５の近傍（直上）まで延在しているため、反応流体１９を供給の寸前まで昇温しにくい状態に保つことができ、反応流体１９は、昇温の抑制された状態で被熱処理材料１５に到達できる。反応流体１９は、被処理材料１５の反応状態を変えるために、反応流体１９の流量や流速（例えば、流量が５Ｌ／ｍｉｎ）を変更して、流出させる（例えば、噴出させる）こともできる。それにより、被処理材料１５と反応流体１９との反応を広範囲で実現することが可能になる。
【００２２】
したがって、上記構成の熱処理装置１によれば、ノズル１０の供給口２３を通じて、炉体２の炉内温度よりも低温である反応流体１９が被熱処理材料１５に供給されるので、所望とする機能を持った機能性材料１７の製造が可能になる。
【００２３】
例えば、被熱処理材料１５が粉体材料（例えば、炭素材料）であり、反応流体１９が熱分解性の反応ガス（例えば、アンモニアガス）であり、熱処理装置１がロータリーキルンである場合において、窒素原子ドープの機能性粉体材料（処理済み材料１７）を製造することについて説明する。
【００２４】
従来、ロータリーキルン内にアンモニアガスを導入しながら、炉内温度を９００℃で熱処理するとき、アンモニアガスがおおよそ５００℃の温度で熱分解して、窒素ガスおよび水素ガスが生成される。そのため、窒素原子を粉体材料にドープすることができず、窒素原子ドープの機能性粉体材料を製造することが困難であった。
【００２５】
これに対して、本願発明では、冷却機能および断熱機能を持ったノズル１０により、炉体２の炉内温度よりも低温であるアンモニアガスを供給できる。例えば、炉体２の炉内温度が９００℃であっても、温度が１５０℃程度のアンモニアガスを粉体材料に供給できる。したがって、アンモニアガスが熱分解することが防止されるので、窒素原子を粉体材料にドープすることが可能になり、窒素原子ドープの機能性粉体材料を製造することができる。
【００２６】
窒素原子を粉体材料にドープするための反応ガス１９として、例えば、アンモニア、一酸化窒素、二酸化窒素、アセトニトリル、アクリロニトリル、ピリジン、ピロール、ピリミジン、エチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ピペリジン、ピペラジン、アニリン、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン及びテトラメチルエチレンジアミンからなる群より選択することができる。
【００２７】
また、窒素原子以外に、ホウ素原子を粉体材料にドープするための反応ガス１９として、例えば、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）及びトリメチルボロンからなる群より選択することができる。
【００２８】
被熱処理材料１５として働く粉体材料（炭素材料）として、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー、カーボンフィブリル、活性炭、炭素繊維及び黒鉛粉末からなる群より選択することができる。
【００２９】
機能性材料は、例えば、二次電池用電極、燃料電池用電極、磁性材料、活性炭、触媒などである。
【００３０】
要するに、粉体材料（被熱処理材料１５）をアンモニアガス（反応流体１９）と反応させて炉内温度９００℃で機能性粉体材料（処理済み材料１７）を製造しようとするとき、アンモニアガスは、熱分解温度が約５００℃であるため、そのまま供給すると、粉体材料に到達する前に窒素と水素とに分解してしまうので、従来では、機能性粉体材料の製造が困難であった。
【００３１】
しかしながら、本発明によれば、炉内温度がアンモニアガスの熱分解温度以上であっても、アンモニアガスが熱分解温度よりも低い温度で粉体材料に到達して反応に寄与できるので、機能性粉体材料の製造が可能になる。
【００３２】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００３３】
例えば、熱処理装置１は、被熱処理材料１５と供給口２３との間の供給距離を調節する供給距離調節部１４をさらに備えることができる。供給距離調節部１４は、ノズル１０を上下方向にスライド移動させる駆動機構である。当該供給距離調節部１４によれば、被熱処理材料１５に対する最適な位置（例えば、被熱処理材料１５にできるだけ近づけた位置）に供給口２３を配置できるので、最適温度の反応流体１９を被熱処理材料１５に供給できる。
【００３４】
ノズル１０は、被熱処理材料１５と供給口２３との間の供給距離を計測するセンサ（例えば、超音波センサ）をさらに備えることができる。当該センサは、冷却管３１によって冷却されるように配置される。当該センサを用いて供給距離を計測することにより、供給口２３が被熱処理材料１５に対する最適な位置になるように、ノズル１０を上下方向にスライド移動することができる。
【００３５】
ノズル１０は、必ずしも入口側とする必要はなく、出口側に設置することもできる。
【００３６】
被熱処理材料１５は、上述した粉体形態以外にも、基板状形態や塊状形態であってもよい。反応流体１９は、上述した反応ガス以外にも、反応液体（水溶液）であってもよい。反応流体１９は、上述したアンモニアガスのような熱分解性のもの以外にも、非熱分解性のものであってもよい。熱処理装置１は、上述した連続式ロータリーキルン以外に、バッチ式ロータリーキルン、各種連続炉、バッチ炉などであってもよい。
【００３７】
冷却媒体１８を流すための冷却管３１の構造は、必ずしも、上述した二重管である必要はなく、例えば、一重管において往路用の通路と復路用の通路とが形成された構成にしたり、供給管２１や分岐ノズル２２の外周部に対して冷却管３１をらせん状に巻き付けた構成にしたりすることができる。
【００３８】
この発明および実施形態をまとめると、次のようになる。
【００３９】
この発明の一態様に係る熱処理装置１は、
被熱処理材料１５を熱処理する炉体２と、
反応流体１９を前記被熱処理材料１５に供給するノズル１０とを備える熱処理装置１であって、
前記ノズル１０は、前記反応流体１９を供給する供給口２３を有する供給管２１と、前記供給管２１の外周を覆う冷却管３１と、前記冷却管３１の外周を覆い、前記冷却管３１の外周と前記炉体２の内部との間を断熱する断熱部４１とを備え、
前記炉体２の炉内温度よりも低温である前記反応流体１９が、前記供給口２３を通じて前記被熱処理材料１５に供給されることを特徴とする。
【００４０】
上記構成によれば、ノズル１０の供給口２３を通じて、炉体２の炉内温度よりも低温である反応流体１９が被熱処理材料１５に供給されるので、所望とする機能を持った機能性材料の製造が可能になる。
【００４１】
また、一実施形態の熱処理装置１では、
前記供給口２３は、前記供給管２１から分岐しているとともに前記炉体２内の前記被熱処理材料１５に向けて延在する分岐ノズル２２に設けられ、前記分岐ノズル２２の外周は、分岐断熱部４２で覆われている。
【００４２】
上記実施形態によれば、反応流体１９を供給の寸前まで昇温しにくい状態に保つことができ、反応流体１９は、昇温の抑制された状態で被熱処理材料１５に到達できる。
【００４３】
また、一実施形態の熱処理装置１では、
前記炉体は、回転しながら前記被熱処理材料を移送または転動するロータリーキルンである。
【００４４】
上記実施形態によれば、被熱処理材料１５を連続的にまたは長時間にわたって熱処理でき、処理済み材料１７を効率的に製造できる。
【００４５】
また、一実施形態の熱処理装置１では、
前記被熱処理材料１５と前記供給口２３との間の供給距離を調節する供給距離調節部１４をさらに備える。
【００４６】
上記実施形態によれば、被熱処理材料１５に対する最適な位置（例えば、被熱処理材料１５にできるだけ近づけた位置）に供給口２３を配置できるので、最適温度の反応流体１９を被熱処理材料１５に供給できる。
【符号の説明】
【００４７】
１…熱処理装置（ロータリーキルン）
２…炉体
３…加熱部
４…入口側フード
６…出口側フード
７…回収部
８…投入部
９…スプロケット
１０…ノズル
１１…ヒーター
１２…シール部
１４…供給距離調節部
１５…被熱処理材料
１７…処理済み材料（機能性材料、機能性粉体材料）
１８…冷却媒体
１９…反応ガス（反応流体）
２１…供給管
２２…分岐ノズル
２３…供給口
３１…冷却管
３２…内管
３３…外管
３４…流入部
３５…流出部
３６…内側通路
３７…外側通路
３８…連通部
４１…断熱部
４２…分岐断熱部
【要約】
【課題】熱処理装置の内部温度よりも低温である反応流体を被熱処理材料に供給できる熱処理装置を提供する。
【解決手段】被熱処理材料１５を熱処理する炉体２と、反応流体１９を被熱処理材料１５に供給するノズル１０とを備える熱処理装置１であって、ノズル１０は、反応流体１９を供給する供給口２３を有する供給管２１と、供給管２１の外周を覆う冷却管３１と、冷却管３１の外周を覆い、冷却管３１の外周と炉体２の内部との間を断熱する断熱部４１とを備え、炉体２の炉内温度よりも低温である反応流体１９が、供給口２３を通じて被熱処理材料１５に供給される。
【選択図】図２【図１】
0006864061.tif 000002
【図２】
0006864061.tif 000003