JP4963168B2 - 粉体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、火炎式噴霧熱分解法による粉体製造装置に関する。

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、例えば特許文献１から３に記載されているように、粉体原料の水溶液を粉体形成塔内で噴霧し、火炎によって乾燥および熱分解する方法が公知である。
特開２００４−２９２２２３号公報 特開２００５−１８３００４号公報 米国特許第３２３００６４号明細書

特許文献１から３に記載されている従来の粉体製造装置は、筒状の粉体生成塔と、粉体生成塔の内部に原料水溶液を噴霧する噴霧手段と、粉体生成塔内に火炎を噴射する複数の火炎噴射ノズルと、粉体生成塔の中から、水溶液から気化した水蒸気および生成した粉体を空気と共に引き抜く排気ファンとを有している。また、従来の粉体製造装置は、噴霧した水溶液のミストを火炎による高温部分に搬送し排気ファンによって引き抜かれる搬送ガス（一般に空気）を、噴霧装置の周囲から噴霧方向に供給する。

噴霧手段による水溶液の噴霧は、搬送ガスとの表面張力のバランスによって水溶液を小径のミストに分離させる。しかし、高速流体である水溶液と搬送ガスとの表面張力のバランスを一定に保つのは難しく、そのバランスが崩れると、噴霧ミストは「息継ぎ」と呼ばれる非定常かつ急激な流量上下変動を起こす。噴霧されるミストの量が上下変動すると、蒸発する水蒸気の量も上下変動し、粉体生成塔内部の圧力が上下変動することになる。

粉体生成塔の内圧の上昇は、火炎噴射ノズルから噴射する燃料或いは燃焼空気と、粉体生成塔の内圧との圧力差が小さくなり、燃料或いは燃焼空気の流量低下を招くため、火炎噴射ノズルの失火につながり、製造に支障をきたす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る、粉体生成塔内部の圧力上下変動の小さい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、本発明による粉体製造装置は、密閉した筒状の粉体生成塔と、前記粉体生成塔の内部に原料水溶液を噴霧する噴霧手段と、前記粉体生成塔の内部に前記噴霧手段の周囲から搬送ガスを供給する搬送ガス流路と、前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射する火炎噴射ノズルと、前記粉体生成塔から、前記粉体生成塔内の気体を排出する排気装置とを有し、前記搬送ガス流路は、定常状態において外部に対して負圧となる負圧部に外部に開放された外気流路が設けられているものとする。

この構成によれば、定常的に外気流路から外気が導入される。粉体生成塔の内圧の変化に応じて外気流路から導入される外気の流量が変化するが、外気流路の流路抵抗により、内圧が低下する（負圧が大きくなる）場合は外気流量の増加が抑制されるが、内圧が上昇する（負圧が小さくまたは正圧になる）場合は外気流路の流路抵抗が小さく、外気流量が減少し易い。このため、粉体生成塔の内圧が上昇した際は、導入される外気が減少して内圧を定常状態に戻そうとする作用が強くなり、過度の内圧上昇を抑制する。これによって、火炎噴射ノズルの失火を防止することができる。

前記排気装置は、前記粉体生成塔から排出する気体の流量を制御する流量制御手段を備えれば、粉体形成塔から排気される気体の量が一定であるので、外気流路による圧力安定化作用のバランス点が一定になる。これにより、粉体形成塔の内圧が安定する。

以上のように、本発明によれば、粉体形成塔に流路抵抗を有する外気流路から外気を取り入れるので、粉体形成塔の内圧変動を、圧力上昇側で強く抑制することができ、火炎噴射ノズルの失火を防止できる。

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、両端が小さく絞り込まれた筒状の直立した金属容器である粉体生成塔２と、粉体生成塔２の上端から粉体生成塔２の内部に生成すべき粉体の原料となる水溶液を噴霧するスプレー（噴霧手段）３と、粉体生成塔２の上端を封止し、送気ファン４から供給される空気（搬送ガス）をスプレー３の周囲から噴霧方向と同じく下向きに導入するように案内する１次空気流路（搬送ガス流路）５を有する封止ヘッダ６と、粉体生成塔２の胴壁に設けられ、内部に火炎を噴射して火炎旋回流を形成する複数の火炎噴射ノズル７と、火炎噴射ノズル７の粉体生成塔２の胴壁の下部に設けられ、冷却空気を導入する複数の冷却ノズル８と、粉体生成塔２の下端から延伸するように設けられた排気路９と、排気路９からバグフィルタ１０を介して粉体生成塔２内部の気体を吸引して排気する排気ファン（排気装置）１１とからなっている。粉体生成塔２は、両端がそれぞれ１次空気流路５と排気路９とに連通し、火炎噴射ノズル７や冷却ノズル８が設けられているが、直接大気に開放しない密閉容器であり、表面が保温材１２で覆われている。また、バグフィルタ１０の下流の排気路９にはオリフィス流量計１３と、排気路９における気体の流量を調節できる絞り弁（流量制御手段）１４とが設けられている。

図２に示すように、封止ヘッダ６の１次空気流路５は、送気ファン４から送られてきた空気をスプレー３の配管を囲むように分配する分配部１５と、空気をスプレー３の配管に沿うように折り返す流路の狭い負圧部１６と、空気をスプレー３の配管に沿って下向きに案内する整流部１７とからなり、負圧部１６には、大気開放された小径の孔からなる外気流路１８が設けられている（空気の流れを一点鎖線の矢印で示す）。

続いて、以上の構成からなる粉体製造装置１の作用を説明する。
粉体製造装置１は、スプレー３から噴射された水溶液のミストを火炎噴射ノズル７の火炎によって加熱し、乾燥熱分解することで所望の組成の粉体を生成する。冷却ノズル８から冷気を導入して生成した粉体を冷却し、１次空気流路５から供給した空気やミストから蒸発した水蒸気などを含む気体と共に生成した粉体を排気ファン１１によって吸引して排気路９から排出する。バグフィルタ１０は、排出した気体から粉体を分離して回収する。

送気ファン４が高圧で送出する空気は、流路の狭い負圧部１６において、ベルヌーイの定理に従い、流速が速く、圧力が低くなる。このため、相対的に高圧の外気流路１８から外気を吸い込んで流量を増し、整流部１７からスプレー３の周囲から下向きに粉体生成塔２の内部に導入される。これらの空気は、スプレーが噴霧した水溶液のミスト（液滴）を随伴して下降し、火炎噴射ノズル７の火炎によって高温の旋回気流となる。

粉体製造装置１は、粉体の漏れを防ぐために、粉体生成塔２の内圧が大気より僅かに負圧の状態になるように、送気ファン４から供給される空気、外気流路１８から導入される外気、スプレー３が噴霧した水溶液から蒸発する水蒸気、火炎噴射ノズル７から噴射される燃焼ガス、冷却ノズル８から導入される空気量の総和と、排気ファン１１によって排気路９から排気される気体の量とを調整した条件で運転される。このとき、排気される気体の総量は、オリフィス流量計１３で測定され、絞り弁１４を調節して排気される量が一定になるように制御される。

定常運転時、スプレー３から噴霧されたミストから蒸発する水蒸気の量は一定であるが、スプレーが息継ぎを起こしたりして水蒸気量が増減すると、粉体生成塔２内の圧力が変動する。

粉体生成塔２の内圧が低下すると、整流部１７および負圧部１６の圧力も低下する。これによって、外気流路１８からさらに多量の外気を吸い込もうとするが、外気流路１８の流路抵抗は流速の２乗に比例するため、外気流路１８での圧力損失が大幅に増加する。このため、粉体生成塔２の内圧が低下しても、整流部１７から供給される空気量はさほど増加せず、粉体生成塔２の内圧低下に任せる結果となる。

逆に、粉体生成塔２の内圧が上昇すると、整流部１７および負圧部１６の圧力も上昇する。すると、外気流路１８から流れ込む外気の量が少なくなり、外気流路１８における圧力損失が低減される。粉体生成塔２の内圧が大気に対して正圧になるまで上昇すると、外気流路１８の圧力損失もなくなり、粉体生成塔２の内圧の上昇分の空気が外気流路１８から外部に流出し、粉体生成塔２の内圧を低下させる。

図３に、外気流路１８がある場合とない場合との粉体生成塔２の内圧変動の違いを示す。図示するように、外気流路１８を設けることで、粉体生成塔２の内圧が大気圧以上になる場合にのみ、圧力変動を小さくすることができる。

火炎噴射ノズル７は、粉体生成塔２の内圧が低下しても失火することはないが、内圧が上昇すると、火炎噴射ノズル７から噴射する燃料或いは燃焼空気と粉体生成塔２の内圧との圧力差が小さくなり、燃料或いは燃焼空気の流量低下を招くため、火炎噴射ノズルの失火につながり、製造に支障をきたす危険がある。外気流路１８は、粉体生成塔２の内圧が定常状態から低下することは阻害しないが、定常状態から上昇する（正圧になる）ことを抑制し、火炎噴射ノズル７の失火を防止できる。

さらに、図４に本発明の第２実施形態の粉体製造装置１’を示す。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。
粉体製造装置１’の粉体生成塔２’は、第１実施形態のように金属容器を保温した２重構造を有しておらず、耐熱ボード或いはキャスタブル耐火物からなる断熱材１２’によって構成され、内壁面は断熱ボード或いはキャスタブル耐火物１２’の表面である。また、粉体製造装置１’は、送気ファン４を有しておらず、粉体生成塔２’と大気との圧力差によって外気を吸入するようになっている。本実施形態のように、外気流路１８’は、封止ヘッダ６’の開口６ａ封止する蓋体１９と封止ヘッダ６’との間に形成される隙間であってもよい。

また、本発明において、粉体生成塔２，２’と１次空気流路（搬送ガス流路）５とは、機械的な構造によって区別されるものではなく、図５に示す本発明の第３実施形態の粉体製造装置１”のように、粉体生成塔２’を形成する構造体の上部の、整流部１７と連通し、スプレー３の周囲に空気を案内する部分の大気に対して負圧となる部分に外気流路２０を設けてもよい。

また、本発明において、送気ファン４で粉体生成塔２，２’に送り込む搬送ガスは、空気以外にも、窒素や酸素を多く含む気体など、如何なる気体であってもよい。また、粉体生成塔２，２’の外部雰囲気を空気以外の気体にすることで、外気流路１８，２０から空気以外の気体が吸入されるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の粉体製造装置の概略図。 図１の粉体製造装置の封止ヘッダの詳細断面図。 図１の粉体製造装置の内圧変動を示すグラフ。 本発明の第２実施形態の粉体製造装置の概略図。 本発明の第３実施形態の粉体製造装置の概略図。

符号の説明

１，１’，１” 粉体製造装置
２，２’ 粉体生成塔
３ スプレー（噴霧手段）
４ 送気ファン
５ １次空気流路（搬送ガス流路）
６ 封止ヘッダ
７ 火炎噴射ノズル
９ 排気路
１１ 排気ファン（排気装置）
１４ 絞り弁（流量制御手段）
１５ 分配部
１６ 負圧部
１７ 整流部
１８，２０ 外気流路

Claims (5)

1. 密閉した筒状の粉体生成塔と、
   前記粉体生成塔の内部に原料水溶液を噴霧する噴霧手段と、
   前記粉体生成塔の内部に前記噴霧手段の周囲から搬送ガスを供給する搬送ガス流路と、
   前記粉体生成塔の内部に火炎を噴射する火炎噴射ノズルと、
   前記粉体生成塔から、前記粉体生成塔内の気体を排出する排気装置とを有し、
   前記搬送ガス流路は、定常状態において大気に対して負圧となる負圧部に大気に開放された外気流路が設けられていることを特徴とする粉体製造装置。
2. 前記負圧部は、流路の断面積が上流および下流の流路の断面積よりも小さいことにより、前記搬送ガスの流速が早く、圧力が低くなる部分であることを特徴とする請求項１に記載の粉体製造装置。
3. 前記搬送ガス流路は、前記噴霧手段に前記原料水溶液を供給する流路の外周を取り囲む整流部と、前記整流部のさらに外側を取り囲み、前記負圧部を介して前記整流部に連通する分配部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の粉体製造装置。
4. 前記搬送ガス流路は、前記噴霧手段に前記原料水溶液を供給する流路の外周を取り囲み、前記粉体生成塔に開口する内管と、前記内管の外側を取り囲み、前記粉体生成塔側の端部が封止された外管と、前記外管の前記粉体生成塔と反対側の端部を封止する端壁とによって形成され、
   前記負圧部は、前記内管の端部と前記端壁との間の隙間であることを特徴とする請求項２に記載の粉体製造装置。
5. 前記排気装置は、前記粉体生成塔から排出する気体の流量を制御する流量制御手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の粉体製造装置。

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