JP2007083112A - 粉体製造装置および粉体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 火炎式噴霧熱分解法によって原料成分の多くを微細な粉体にすることができる粉体製造装置および粉体製造方法を提供する。
【解決手段】 粉体製造装置１は、筒状の粉体生成塔２と、粉体生成塔２の内部に頂部から粉体原料の水溶液を下向きに噴霧する噴霧装置６と、粉体生成塔２の内部に火炎を噴射する火炎噴射装置７と、粉体生成塔２の底部から粉体を含む気体を引き抜く排気路９と、排気路９が下端に接続され、内部を前記粉体生成塔２から引き抜いた粉体を含む気体が垂直上方に流れるように直立して設けられた精製管３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火炎式噴霧熱分解法による粉体製造装置および粉体製造方法に関する。

例えば、電池の電極の原料となる粉末を製造する方法として、粉体原料の水溶液を噴霧し、火炎によって乾燥および熱分解する方法が公知である。電池の電極の原料となる粉末は、きるだけ粒子形が小さい方が好ましい。このため、例えば特許文献１から３に記載されているように、従来の粉体製造方法は、原料水溶液を粉体生成塔の下部から噴霧して、大きな液滴を自重により落下させ、空気の流れに乗ることができる小さな水溶液のミストだけを上向きの気流に乗せて乾燥熱分解する。
特開２００４−２９２２２３号公報 特開２００５−１８３００４号公報 米国特許第３２３００６４号明細書

図６に示すように、従来の粉体製造装置２１は、粉体生成塔２２の下部に設けたスプレー２３から原料の水溶液を噴霧し、水溶液のミストをバーナ２４で火炎を噴射して生じた火炎の旋回流にのせて搬送しながら乾燥熱分解して所望の組成の微粉末を生成する。生成した粉体を含む空気は、粉体生成塔２２の上端から引き抜かれ、バグフィルタ２６によって粉体を分離する。この空気の引き抜きは、ブロワ２７によってなされる。スプレー２３から噴射された水溶液のうち大きな液滴は、旋回気流に乗ることができず、落下して粉体生成塔２２下端の液受け部２８に集まり、回収バルブ２９を開けて回収される。

図７に示すように、旋回気流に乗れずに落下する液滴Ｄは、スプレー２３から上向きに噴霧された小さな液滴（ミスト）Ｍと接触すると、接触したミストＭと一体化してより大きな液滴Ｄ’に成長する。液滴Ｄ’は、噴霧されたミストＭの流れに逆らって下降するので、多くのミストＭを取り込んでより大きな液滴Ｄ”となって液受け部２８に落下する。このため、従来の粉体製造装置２１は、水溶液中の原料成分の一部分しか旋回気流に乗せて粉体にすることができない。

従来の粉体製造装置２１において、硝酸リチウムと硝酸マンガンとの混合水溶液を噴霧してマンガン酸リチウムの粉体を製造する場合、噴霧した水溶液の金属イオン重量に比して、３０〜４０％のマンガン酸リチウムしか得ることができないという問題があった。

そこで前記問題点に鑑みて、本発明は、火炎式噴霧熱分解法によって原料成分の多くを微細な粉体にすることができる粉体製造装置および粉体製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の粉体製造装置は、筒状の粉体生成塔と、前記粉体生成塔の内部に頂部から粉体原料の水溶液を下向きに噴霧する噴霧装置と、前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射する火炎噴射装置と、前記粉体生成塔の底部から粉体を含む気体を引き抜く排気路と、前記排気路が下端に接続され、内部を前記粉体生成塔から引き抜いた粉体を含む気体が垂直上方に流れるように直立して設けられた精製管とを有するものとする。

この構成によれば、原料の水溶液を粉体生成塔内で下向きに噴霧して火炎により粉体化するので、水溶液中の全ての原料成分が所望の組成の粉体になる。こうして生成された粉体を精製管内上向きに流体搬送することで、所望の径より小さく気体の流速よりも沈降速度が小さい粉体だけが精製管から取り出される。また、粒径が大きい粉体は、精製管の中に流れ込む粉体と衝突して粉砕され、小径化されてから精製管から流れ出る。このため、噴霧装置で噴霧した水溶液の原料成分をロスなく粉体化できる。

また、本発明の粉体製造装置において、前記精製管内での前記気体の流速を調節する流速制御手段を有してもよい。これによって、精製管から流れ出る粉体の粒子径を所望の大きさ以下にコントロールすることができる。

また、本発明の粉体製造装置において、前記精製管は、該精製管内の前記粉体を含む気体を冷却する冷却手段を有してもよい。これによって粉体を冷却することで、粉体の破砕を促進でき、管壁に付着した粉体に温度勾配を与えて剥離粉砕させて管壁からはがれ落ちさせるので、粉体の管壁への付着も抑制できる。前記冷却手段は、前記精製管に設けた、冷媒が流れるジャケットであってもよい。

また、本発明による粉体の製造方法は、筒状の粉体生成塔の内部に、頂部から粉体原料の水溶液を下向きに噴霧し、前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射して前記粉体原料を乾燥熱分解して粉体を生成し、前記粉体生成塔の底部から生成した粉体を気体と共に引き抜き、直立して設けた、冷却される精製管内を垂直上方に通過させ、前記精製管内の前記気体の流速を、所定の径の前記粉体の沈降速度に維持し、前記精製管から流出する気体から前記粉体を分離する。

この方法によれば、原料の水溶液を粉体生成塔内で下向きに噴霧して火炎により粉体化するので、水溶液中の全ての原料成分が所望の組成の粉体になる。さらに、生成された粉体を精製管内上向きに流体搬送することで、所望の径より小さく気体の流速よりも沈降速度が小さい粉体だけを精製管から取り出すことができ、粒径が大きい粉体は、精製管の中に流れ込む粉体との衝突によって粉砕して気体の流速より沈降速度が小さくなるまで小径化することができる。また、精製管が冷却されるので粉体が管壁に付着しにくい。このようにして、噴霧装置で噴霧した水溶液の原料成分をロスなく粉体化できる。

以上のように、本発明によれば、原料の水溶液を全て粉体化し、精製管で所望の大きさになるまで粉砕するので、原料成分の略１００％を所望の微細粉末にすることができる。

これより、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
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、直立した筒状の金属容器からなる粉体生成塔２と、直立したパイプからなる精製管３と、バグフィルタ（粉体回収装置）４とからなっている。

粉体生成塔２は、上下端が細くなるようにテーパ状に形成され外表面が保温材５で覆われている。粉体形成塔２の上端の開口部にスプレーノズルを設けた配管からなる噴霧手段６が設けられている。噴霧手段６は、製造する粉体の原料の水溶液を粉体生成塔２の内部に下向きに噴霧することができる。また、粉体生成塔２の胴部には、火炎を噴射するバーナからなる火炎噴射装置７が粉体生成塔２の中心から一定の角度毎に設けられている。火炎噴射装置７は、粉体生成塔２の内部に粉体生成塔２の胴壁の略接線方向に火炎を噴射し、粉体生成塔２の内部に火炎の旋回気流を形成する。また、粉体生成塔２は、火炎噴射装置７より低い位置に、火炎噴射装置７と同様に配置され、冷気を導入する冷却ノズル８が設けられている。

粉体生成塔２の下端には、パイプからなる排気路９が垂直に接続され、排気路９は、垂直に設置された精製管３の下端に垂直に接続されている。精製管３は、排気路９よりも口径の大きな配管と、配管の上下を排気路９と同じ口径に絞るテーパ部分とからなり、ジャケット（冷却手段）１０を有する２重管である。ジャケット１０には、冷却ファン１１から外気が送り込まれる。

精製管３の上端は、バグフィルタ４に配管によって接続されている。バグフィルタ４は、濾布１２によって排気ブロワ１３が粉体生成塔２から排気路９および精製管３を通して吸引した空気（流体）から粉体を分離する。また、バグフィルタ４の出口配管にはオリフィス流量計１４が設けられ、バグフィルタ４の出口配管の流量、ひいては、精製管３内の空気の流速を一定に保つように絞り弁（流速制御手段）１５の開度が調節されるようになっている。

続いて、粉体製造装置１の作用について、マンガン酸リチウム粉末の製造を例に説明する。マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）の製造には、原料として、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ_３）と硝酸マンガン（Ｍｎ（ＮＯ_３））との混合水溶液を用いる。

前記混合水溶液を噴霧手段６からミストの径が３０μｍ以下になるように、粉体生成塔２の内部に噴霧し、ミストを火炎噴射装置７で形成するおよそ７５０℃の旋回気流によって乾燥して熱分解する。

図２に示すように、噴霧装置６は、下向きに水溶液を噴霧するので、径の大きな液滴Ｄが生じても、径の小さいミストＭと同じ下向きに落下するので、上向きの噴霧に比べて液滴ＤがミストＭと接触することが少なく液滴ＤがミストＭを取り込んで過剰に大きく成長することがない。このため、噴霧された水溶液の原料成分は、略全量、火炎噴射装置７の火炎旋回気流によって乾燥熱分解される。

理論的には、直径３０μｍ以下のミストは直径１μｍ以下のマンガン酸リチウムの微粉になるが、実際には、生成過程においてミストが凝集し、１０μｍ程度の粉体が生成される。

冷却ノズル８から冷気を導入して１次冷却したマンガン酸リチウムの粉体は、空気と共に排気路から引き抜かれ、精製管３に下端から導入される。絞り弁１５の開度を調節することにより、精製管３における空気の速度を約４０ｍｍ／ｓに維持する。すると、径がおよそ１μｍより大きい粒子は、空気中での重力による沈降速度が約４０ｍｍ／ｓよりも速いため、精製管３の中を上昇することができない。これによって、粒子径がおよそ１μｍ以下のマンガン酸リチウム粉末だけを精製管３の上端から排出してバグフィルタ４に送り込むことができる。

また、精製管３を上昇できない大径の粒子は、後から搬送されてきた小径の粒子と衝突し、衝撃により粉砕される。粒子径がおよそ１μｍになるまで粉砕されると、粒子は空気流にのって上昇し、バグフィルタに搬送される。

図３および４は、精製管３を通過した粉体の操作電子顕微鏡写真である。図示するように、粉体生成塔２で形成される球状の粒子だけでなく、球を粉砕したいびつな形状の粒子が確認できる。

さらに、ジャケット１０に外気を導入してマンガン酸リチウム粒子を冷却することで、粒子が表面から熱収縮して引っ張り応力を生じ、粒子自身が分裂、または、図４に確認できるように、粒子表面に亀裂を生じることで他の粒子との衝突によって粉砕され易くなる。また、管壁に付着したマンガン酸リチウム粒子が冷却されて剥離粉砕されることで、管壁に付し難くする作用も認められる。

バグフィルタ４は、濾布１２がマンガン酸リチウム粒子の通過を阻み、空気だけを通過させることによって、マンガン酸リチウム粒子を分離して回収する。

以上のように、粉体製造装置１は、粉体生成塔２内で原料水溶液を下向き噴霧することで全ての原料を粉体化し、精製管３内で粉砕するため、噴霧した原料成分を略１００％、微細なマンガン酸リチウム粒子として回収することができる。

本発明は、実施形態に限定されず、多様な変形が可能である。例として、図５に、本発明の第２実施形態の粉体製造装置１を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態の粉体製造装置１は、オリフィス流量計１４に代えてバグフィルタ４の前後の差圧を計測する差圧計１６によって流量を監視して、精製管３内の流速を一定に保つことができる。

また、精製管３は、テーパ部で拡径しない直管であってもよく、冷却手段は、ジャケット以外にも、例えば、精製管３内に設けた螺旋状の冷媒配管のように、如何なる手段であってもよい。冷媒は、空気以外に、水などの他の流体を使用できる。

また、本発明の粉体製造装置において、粉体生成塔内に空気と異なる気体、例えば窒素や酸素などを導入して、それらの気体と共に生成した粉体を引き抜いて、精製管に導入してもよい。

本発明の第１実施形態の粉体製造装置の概略図。 図１の粉体製造装置における噴霧の様子を示す概略図。 図１に粉体製造装置で製造した粉体の電子顕微鏡写真。 図１に粉体製造装置で製造した粉体の高倍率の電子顕微鏡写真。 本発明の第２実施形態の粉体製造装置の概略図。 従来の粉体製造装置の概略図。 従来の粉体製造装置における噴霧の様子を示す概略図。

符号の説明

１ 粉体製造装置
２ 粉体生成塔
３ 精製管
４ バグフィルタ（粉体回収装置）
６ 噴霧手段
７ 火炎噴射装置
９ 排気路
１０ ジャケット（冷却手段）
１５ 絞り弁（流速制御手段）

Claims (5)

1. 筒状の粉体生成塔と、
   前記粉体生成塔の内部に頂部から粉体原料の水溶液を下向きに噴霧する噴霧装置と、
   前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射する火炎噴射装置と、
   前記粉体生成塔の底部から粉体を含む気体を引き抜く排気路と、
   前記排気路が下端に接続され、内部を前記粉体生成塔から引き抜いた粉体を含む気体が垂直上方に流れるように直立して設けられた精製管とを有することを特徴とする粉体製造装置。
2. 前記精製管内での前記気体の流速を調節する流速制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の粉体製造装置。
3. 前記精製管は、該精製管内の前記粉体を含む気体を冷却する冷却手段を有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。
4. 前記冷却手段は、前記精製管に設けた、冷媒が流れるジャケットであることを特徴とする請求項３に記載の粉体製造装置。
5. 筒状の粉体生成塔の内部に、頂部から粉体原料の水溶液を下向きに噴霧し、
   前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射して前記粉体原料を乾燥熱分解して粉体を生成し、
   前記粉体生成塔の底部から生成した粉体を気体と共に引き抜き、直立して設けた、冷却される精製管内を垂直上方に通過させ、
   前記精製管内の前記気体の流速を、所定の径の前記粉体の沈降速度に維持し、
   前記精製管から流出する気体から前記粉体を分離することを特徴とする粉体製造方法。