JP2012035235A

JP2012035235A - 噴霧装置および粉体製造装置

Info

Publication number: JP2012035235A
Application number: JP2010180358A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tomosawa; 健一友澤
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2012-02-23
Also published as: CN102371132A; TW201206561A; KR20120015263A

Abstract

【課題】原料液滴の水蒸気爆発を防止できる噴霧装置および粉体製造装置を提供する。
【解決手段】原料溶液を噴霧する原料ノズル８と、原料ノズル８を取り囲むように配置され、噴霧された原料溶液の周囲に冷却空気を吹き込む冷却ノズル９と、冷却ノズル９の外側に設けられ冷媒が挿通される冷却ジャケット１０と、隙間を空けて冷却ジャケット１０を覆う外層板１１とを備える噴霧装置５によって、粉体生成炉内２に原料液滴を噴霧し、噴霧装置５の外側から熱風を粉体生成炉２内に導入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、噴霧装置および粉体製造装置に関する。

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。

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。

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。

また、引用文献２に記載されているように、原料溶液を熱風とともに容器内に吹き込んで、浮遊状態で乾燥させるスプレードライヤ（噴霧乾燥）が公知である。このようなスプレードライヤでは、熱風を吹き込むノズルを貫通するパイプを介して、原料溶液を供給する必要がある。このため、従来のスプレードライヤにおいて、熱風の温度を高くすると、原料液滴が水蒸気爆発する問題が生じ、また、原料溶液を供給するパイプが高温に熱せられることによって他の様々なトラブルを招く場合がある。

従来のスプレードライヤにおいても、原料溶液を供給するパイプの周囲に冷却空気を供給して、原料溶液のスプレーに不具合が生じないようにしているものがある。しかしながら、噴霧乾燥した粒子をさらに熱変性させられるような高温の熱風を用いる場合、熱風のノズル内において冷却空気が高温になり、さらには原料溶液も噴霧前に熱せられるため、原料溶液が噴霧される前に固化してノズルが閉塞したり、原料溶液が噴霧直後に水蒸気爆発することを十分に防止できない。

特開２００４−２６３２５７号明細書特開２００２−５８９８１号明細書

前記問題点に鑑みて、本発明は、原料液滴の水蒸気爆発を防止できる噴霧装置および粉体製造装置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、本発明による噴霧装置の第１の態様は、原料溶液を噴霧する原料ノズルと、前記原料ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料溶液の周囲に冷却空気を吹き込む冷却ノズルと、前記冷却ノズルの外側に設けられ冷媒が挿通される冷却ジャケットを備えるものとする。

この構成によれば、冷却ジャケットによって冷却空気の昇温を防止するので、少量の冷却空気によって、高温ガス中に噴霧される原料液滴を覆って温度上昇を遅らせ、原料液滴が瞬間的に昇温して水蒸気爆発しないようにできる。

また、本態様の噴霧装置は、隙間を空けて前記冷却ジャケットを覆う外層板をさらに備えてもよい。

この構成によれば、外層板で隙間を空けて冷却ジャケットを覆っているので、高温ガスと直接冷却ジャケットとの間に熱伝達率が低い空気の層が介在する。これにより、高温ガスから冷却水への放熱量が小さくなり、本噴霧装置を用いる粉体製造装置の熱効率を低下させない。

また、本発明による噴霧装置の第２の態様は、原料溶液を噴霧する原料ノズルと、前記原料ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料溶液の周囲に冷却空気を吹き込む１次冷却ノズルと、前記１次冷却ノズルを取り囲むように配置され、前記１次冷却ノズルから吹き込まれた冷却空気の周囲にさらに冷却空気を吹き込む２次冷却ノズルとを備えるものとする。

この構成によれば、１次冷却ノズルの冷却空気の温度上昇を２次冷却ノズルの冷却空気によって抑制するので、原料液滴の温度上昇を効果的に遅らせられる。

また、本態様の噴霧装置は、隙間を空けて２次冷却ノズルを覆う外層板をさらに備えてもよい。

この構成によれば、２次冷却ノズル内の冷却空気と熱風との間に空気の層を形成し、冷却空気と熱風との熱交換を防止して、熱効率を高められる。

また、本発明による粉体製造装置は、前記噴霧装置のいずれかと、前記噴霧装置によって前記原料溶液が内部に噴霧される粉体生成炉と、前記噴霧装置が内部に配置され、前記噴霧装置の外側から熱風を前記粉体生成炉に導入する熱風ノズルとを有するものとする。

この構成によれば、原料液滴を破壊せずに噴霧乾燥して粉体化し、さらに、粉体を浮遊状態のまま加熱して熱処理し、所望の粉体を製造することができる。

また、本発明による粉体製造装置において、前記冷却空気の流速が、前記熱風の流速よりも遅くてもよい。

この構成によれば、噴霧直後の原料液滴だけを覆って水蒸気爆発を防止するのに必要最低限の冷却空気だけを導入するので、熱効率が高くなる。

本発明の第１実施形態の粉体製造装置の概略図である。図１の噴霧装置の詳細断面図である。本発明の第２実施形態の粉体製造装置の概略図である。図３の噴霧装置の詳細断面図である。本発明の第３実施形態の噴霧装置の詳細断面図である。

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、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（熱風）を粉体生成炉２の上端から下向きに吹き込む熱風ノズル４と、燃焼室３を貫通し、熱風ノズル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噴霧装置５とを有する。

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。

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。

熱風ノズル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（熱風）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、熱風ノズル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。

比較的流れの遅い燃焼室３から流路面積の小さい熱風ノズル４に燃焼排ガスを引き抜くことで、熱風ノズル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、熱風ノズル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。

さらに、図２に、噴霧装置５の詳細を示す。噴霧装置５は、原料スラリーが供給され、先端にスプレーチップ７が設けられた原料ノズル８と、原料ノズル８を覆うように配設され、原料ノズル８との隙間を通して、原料ノズル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。

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。このため、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。

冷却空気は、原料ノズル８から噴霧された原料を覆い、高温（例えば１２００℃）の燃焼排ガスに噴霧直後の原料液滴が直接晒されて、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水蒸気爆発を防止する。これによって、噴霧乾燥によって得られる原料粉体は、整った球形で、一定の粒子径を有するものとなる。

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１９０ｍ^３Ｎ／ｈに対しては、５〜２０ｍ^３Ｎ／ｈが好ましく、１０〜１５ｍ^３Ｎ／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。

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。

本実施形態において、燃焼排ガスは、粉体生成炉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。

続いて、図３に、本発明の第２実施形態の粉体製造装置１ａを示す。尚、以降の実施形態において、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

第１実施形態の粉体製造装置１では、バーナ６を備える燃焼室３の燃焼排ガスを熱風ノズル４から粉体生成炉２の内部に導入したが、本実施形態の粉体製造装置１ａでは、ファン１２から供給される空気を、電気ヒータ１３によって、例えば１３００℃程度まで加熱して、熱風ノズル４ａを介して、噴霧装置５の外側から粉体生成炉２内に吹き込むようになっている。

本実施形態では、熱風ノズル４ａの内部に、図４に詳しく示す噴霧装置５ａが配置されている。噴霧装置５ａは、第１実施形態と同様の原料ノズル８と、原料ノズル８を覆うように配設され、原料ノズル８との隙間を通して、スプレーチップ７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１４と、第１冷却ノズル１４をさらに覆うように配設され、第１冷却ノズル１４との隙間を通して、第１冷却ノズル１４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１５とを有する。

このように、冷却ノズルを多重にすることで、外側よりも内側のノズルの熱交換が抑制されるので、第２冷却ノズル１５よりも第１冷却ノズル１４の冷却空気の方が低温となり、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および熱風ノズル４内における原料ノズル８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。このため、本実施形態の粉体製造装置１ａによって得られる粉体も、粒子径および粒子形状が均一である。

さらに、本発明によれば、図５に示す第３実施形態の噴霧装置５ｂのように、第２冷却ノズル１５の外周を隙間を空けて覆う外層板１６をさらに設けてもよい。

１，１ａ…粉体製造装置
２…粉体生成炉
３…燃焼室
４，４ａ…熱風ノズル
５，５ａ，５ｂ…噴霧装置
６…バーナ
７…スプレーチップ
８…原料ノズル
９…冷却ノズル
１０…水冷ジャケット
１１…外層板
１２…ファン
１３…電気ヒータ
１４…１次冷却ノズル
１５…２次冷却ノズル
１６…外層板

Claims

原料溶液を噴霧する原料ノズルと、
前記原料ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料溶液の周囲に冷却空気を吹き込む冷却ノズルと、
前記冷却ノズルの外側に設けられ冷媒が挿通される冷却ジャケットを備えることを特徴とする噴霧装置。
隙間を空けて前記冷却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１に記載の噴霧装置。
原料溶液を噴霧する原料ノズルと、
前記原料ノズルを取り囲むように配置され、噴霧された前記原料溶液の周囲に冷却空気を吹き込む１次冷却ノズルと、
前記１次冷却ノズルを取り囲むように配置され、前記１次冷却ノズルから吹き込まれた冷却空気の周囲にさらに冷却空気を吹き込む２次冷却ノズルとを備えることを特徴とする噴霧装置。
隙間を空けて２次冷却ノズルを覆う外層板をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の噴霧装置。
請求項１から４のいずれかに記載の噴霧装置と、
前記噴霧装置によって前記原料溶液が内部に噴霧される粉体生成炉と、
前記噴霧装置が内部に配置され、前記噴霧装置の外側から熱風を前記粉体生成炉に導入する熱風ノズルとを有することを特徴とする粉体製造装置。
前記冷却空気の流速が、前記熱風の流速よりも遅いことを特徴とする請求項５に記載の粉体製造装置。