KR20120015263A - 분무 장치 및 분체 제조 장치 - Google Patents

Abstract

분체의 제조에서의 원료 액적의 수증기 폭발을 방지하기 위해, 원료 용액을 분무하는 원료 노즐(8)과, 원료 노즐(8)을 둘러싸도록 배치되어, 분무된 원료 용액의 주위에 냉각 공기를 불어넣는 냉각 노즐(9)과, 냉각 노즐(9)의 바깥쪽에 설치되어, 냉매가 삽입 통과되는 냉각 재킷(10)과, 간극을 두어 냉각 재킷(10)을 덮는 외층판(11)을 구비하는 분무 장치(5)에 의해, 분체 생성로(2) 내에 원료 액적을 분무하고, 분무 장치(5)의 바깥면을 따라 열풍을 분체 생성로(2) 내에 끌어들인다.

Description

분무 장치 및 분체 제조 장치{SPRAYING APPARATUS AND POWDER PRODUCTION EQUIPMENT}

본 발명은 분무 장치 및 분체 제조 장치에 관한 것이다.

종래, 리튬 이온 2차 전지의 극의 재료가 되는 분체(粉體) 등은, 예를 들면, 원료 수용액을 분무 건조하여 분체화하고, 이들의 분체를 세라믹 용기에 넣고 노(爐) 내에서 소성(燒成)하여 열 변성시킴으로써 제조되고 있다. 이와 같은 방법으로는, 세라믹 용기에의 손상을 고려하여, 소성에 30분 ~ 여러 시간 필요하고 효율이 좋지 않다. 또한, 이러한 방법으로는, 분체를 퇴적하여 정치(靜置)한 상태로 소성하기 때문에, 소성할 때 입자끼리 용착(溶着)하는 문제도 있다.

특허문헌 1에는, 플라즈마 방전을 하는 전극을 가진 분체 생성로(生成爐) 내에 원료 수용액을 분무하고, 플라즈마 방전에 의해 형성하는 초고온의 플라즈마 공간에 있어서, 원료 수용액을 건조하는 동시에, 또한 열 분해하여 융합시키는 분체 제조 장치가 개시되어 있다.

이러한 분체 제조 장치로 제조한 분체 입자는, 형상이 일그러지고 불균일하다. 이것은 원료 수용액의 액적(液滴)이 초고온의 플라즈마 공간에서 순간적으로 가열되어, 입자 내의 수분이 한순간 기화 팽창함으로써, 입자가 수증기 폭발하여 파괴되기 때문이다.

또한, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 원료 용액을 열풍과 함께 용기 내에 불어넣어, 부유(浮遊) 상태로 건조시키는 스프레이 드라이어(분무 건조)가 공지이다. 이러한 스프레이 드라이어로는, 열풍을 불어넣는 노즐을 관통하는 파이프를 통해, 원료 용액을 공급할 필요가 있다. 이 때문에, 종래의 스프레이 드라이어에 있어서, 열풍의 온도를 높게 하면, 원료 액적이 수증기 폭발하는 문제가 생기고, 또한, 원료 용액을 공급하는 파이프가 고온에 가열됨으로써 다른 여러 가지 문제를 초래할 경우가 있다.

종래의 스프레이 드라이어에 있어서도, 원료 용액을 공급하는 파이프 주위에 냉각 공기를 공급하여, 원료 용액의 스프레이에 문제가 생기지 않도록 하는 것이 있다. 그러나, 분무 건조한 입자를 더 열 변성하게 하는 고온 열풍을 사용하는 경우, 열풍의 노즐 내에 있어서 냉각 공기가 고온이 되고, 나아가서는 원료 용액도 분무 전에 가열되기 때문에, 원료 용액이 분무되기 전에 고체화(固化)하여 노즐이 폐색하거나, 원료 용액이 분무 직후에 수증기 폭발하는 것을 충분하게 방지할 수 없다.

일본국 특개2004-263257호 명세서 일본국 특개2002-58981호 명세서

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은 원료 액적의 수증기 폭발을 방지할 수 있는 분무 장치 및 분체 제조 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 분무 장치의 제1의 형태는, 원료 용액을 분무하는 원료 노즐과, 상기 원료 노즐을 둘러싸도록 배치되고, 분무된 상기 원료 용액의 주위에 냉각 공기를 불어넣는 냉각 노즐과, 상기 냉각 노즐의 바깥쪽에 설치되어, 냉매가 삽입 통과되는 냉각 재킷을 구비하는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 냉각 재킷에 의해 냉각 공기의 온도 상승을 방지하기 때문에, 소량의 냉각 공기에 의해, 고온 가스 중에 분무되는 원료 액적을 덮어 온도 상승을 지연시키고, 원료 액적이 순간적으로 온도 상승하여 수증기 폭발하지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 형태의 분무 장치는, 간극을 두어 상기 냉각 재킷을 덮는 외층판(外層板)을 더 구비하여도 좋다.

이 구성에 의하면, 외층판으로 간극을 두어 냉각 재킷을 덮고 있으므로, 고온 가스와 직접 냉각 재킷과의 사이에 열 전달률이 낮은 공기의 층이 개재한다. 이로써, 고온 가스에서 냉각수로의 방열량이 작아지며, 본 분무 장치를 사용하는 분체 제조 장치의 열효율을 저하시키지 않는다.

또한, 본 발명에 의한 분무 장치의 제2의 형태는, 원료 용액을 분무하는 원료 노즐과, 상기 원료 노즐을 둘러싸도록 배치되어, 분무된 상기 원료 용액의 주위에 냉각 공기를 불어넣는 1차 냉각 노즐과, 상기 1차 냉각 노즐을 둘러싸도록 배치되어, 상기 1차 냉각 노즐에서 불어넣어진 냉각 공기의 주위에 더 냉각 공기를 불어넣는 2차 냉각 노즐을 구비하는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 1차 냉각 노즐의 냉각 공기의 온도 상승을 2차 냉각 노즐의 냉각 공기에 의해 억제하기 때문에, 원료 액적의 온도 상승을 효과적으로 지연시킬 수 있다.

또한, 본 형태의 분무 장치는, 간극을 두어 2차 냉각 노즐을 덮는 외층판을 더 구비하여도 좋다.

이 구성에 의하면, 2차 냉각 노즐 내의 냉각 공기와 열풍과의 사이에 공기의 층을 형성하고, 냉각 공기와 열풍과의 열교환을 방지하여, 열효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 분체 제조 장치는, 상기 분무 장치 중 어느 하나와, 상기 분무 장치에 의해 상기 원료 용액이 내부로 분무되는 분체 생성로와, 상기 분무 장치가 내부에 배치되어, 상기 분무 장치의 바깥면을 따라 열풍을 상기 분체 생성로로 끌어오는 열풍 노즐을 가지는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 원료 액적을 파괴하지 않고 분무 건조하여 분체화하고, 또한, 분체를 부유 상태대로 가열하고 열처리하여, 원하는 분체를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 분체 제조 장치에 있어서, 상기 냉각 공기의 유속(流速)이, 상기 열풍의 유속보다 늦어도 된다.

이 구성에 의하면, 분무 직후의 원료 액적만을 덮어서 수증기 폭발을 방지하는데 필요 최저한의 냉각 공기만을 끌어오기 때문에, 열효율이 높아진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 분체 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 분무 장치의 상세 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태의 분체 제조 장치의 개략도이다.
도 4는 도 3의 분무 장치의 상세 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태의 분무 장치의 상세 단면도이다.

도 1에, 본 발명의 제1 실시형태의 분체 제조 장치(1)를 나타낸다. 분체 제조 장치(1)는, 경판(鏡板) 형상의 상단(上端)과, 원추 형상으로 축경(縮徑)한 하부를 가지고, 내부에 격리된 처리 공간을 형성하는 직립통 형상의 분체 생성로(2)와, 분체 생성로(2)의 상방에 배치되어, 수평 방향으로 늘이는 원통 형상의 연소실(3)과, 연소실(3)과 분체 생성로(2)를 접속하고, 연소실(3) 내에 생성된 연소 배기 가스(열풍)를 분체 생성로(2)의 상단에서 아래 방향으로 불어넣는 열풍 노즐(4)과, 연소실(3)을 관통하고, 열풍 노즐(4)의 내부로 늘이도록 배치되어, 분체 생성로(2)의 상단에서 아래 방향으로 분체 원료를 포함한 슬러리(slurry)를 분무하기 위한 분무 장치(5)를 가진다.

연소실(3)은 일단(一端)에 버너(6)가 설치되어, 일단으로부터 타단을 향해 수평 방향의 화염이 형성된다. 버너(6)는, 예를 들면, 천연 가스와 같은 연료와 연소용 공기를 임의의 비율로 공급할 수 있는 것으로써, 공지된 점화 장치나 파일럿 버너를 구비하여도 된다.

연소실(3)은, 버너(6)가 형성하는 화염을 수용할 수 있고, 연료를 완전 연소시키는데 필요 최저 한도의 용적을 가지는 것으로 함으로서, 작게 하는 것이 바람직하다. 연소실(3)의 노벽(爐壁)으로부터의 열 손실을 최저 한도로 억제할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 본 실시형태의 연소실(3)은, 버너(6)의 연소 용량 116㎾에 대해, 바람직하게는, 내경(內徑) 130 ~ 250㎜, 길이 500 ~ 1000㎜, 보다 바람직하게는, 내경 150 ~ 200㎜, 길이 600 ~ 800㎜의 가늘고 긴 형상을 가진다.

열풍 노즐(4)은, 연소실(3)의 버너(6)와 반대측의 단부 근방에 개구하고, 수직으로 연소 배기 가스(열풍)를 뽑아내서, 분무 장치(5)의 바깥면을 따라, 직선적으로 분체 생성로(2)에 불어넣도록 배치되어 있다. 또한, 열풍 노즐(4)은, 연소실(3)보다도 유로(流路) 단면적이 작고, 바람직하게는, 내경 70 ~ 120㎜, 보다 바람직하게는, 내경 90 ~ 110㎜이다. 이로써, 열풍 노즐(4)에서의 연소 배기 가스의 유속을, 연소실(3)의 하류측에서의 유속의 1.5배 ~ 2.5배로 하는 것이 바람직하다.

비교적 흐름이 늦는 연소실(3)로부터 유로 면적이 작은 열풍 노즐(4)에 연소 배기 가스를 뽑아냄으로써, 열풍 노즐(4)에 흘러들어갈 때 연소 배기 가스의 유속이 급격히 높아진다. 이 유속 변화에 의해, 연소실(3) 내에 있어서 연소 배기 가스의 온도에 편향이 있었다 하더라도, 연소 배기 가스의 흐름 방향을 직각으로 변경하기 때문에, 연소 배기 가스를 교반하여, 온도를 균일하게 할 수 있다. 또한, 열풍 노즐(4) 내에 있어서, 연소 배기 가스는, 대략 유속이 균일한 직선적인 흐름으로 정류(整流)되어 분체 생성로(2)로 들어간다.

또한, 도 2에 분무 장치(5)의 상세를 나타낸다. 분무 장치(5)는, 원료 슬러리가 공급되어, 선단에 스프레이 팁(7)이 설치된 원료 노즐(8)과, 원료 노즐(8)을 덮도록 배치되어, 원료 노즐(8)과의 간극을 통해, 원료 노즐(8)로부터 분무된 원료 주위에 냉각 공기를 공급하기 위한 냉각 노즐(9)과, 냉각 노즐(9)의 외주(外周)에 설치된 수냉(水冷) 재킷(10)과, 수냉 재킷(10)의 바깥쪽에 간극을 두고 배치된 외층판(11)을 가진다.

수냉 재킷(10)에는 냉각수가 순환되어, 수냉 재킷(10) 내에서의 냉각수 온도는 약 50℃로 유지된다. 수냉 재킷(10)과 외층판(11) 사이의 공기는 단열층으로서 기능하다. 이 때문에, 약 1200℃의 연소 배기 가스에 노출되는 외층판(11)의 뒷면 온도는 약 960℃가 되는데, 수냉 재킷(10)과 연소 배기 가스 사이의 열 교환량은 근소하다. 따라서, 외층판(11)이 없고 수냉 재킷(10)의 바깥면에 직접 연소 배기 가스가 접촉하는 경우와 비교하여, 연소 배기 가스가 원료 노즐(8)에 빼앗기는 열량이 매우 작다. 이 때문에, 냉각 노즐(9)에는 상온의 공기가 공급되지만, 거의 온도 상승하지 않은 채로 분체 생성로(2)에 들어간다.

냉각 공기는, 원료 노즐(8)로부터 분무된 원료를 덮고, 고온(예를 들면, 1200℃)의 연소 배기 가스에 분무 직후의 원료 액적이 직접 노출되어, 순식간에 온도 상승하여 폭발적으로 수분이 증발함으로써 입자가 파괴되는 수증기 폭발을 방지한다. 이로써, 분무 건조에 의해 얻어지는 원료 분체는 고른 구형(球型)으로, 일정한 입자 지름을 가지는 것이 된다.

원료 액적의 온도 상승을 약간 늦추면 입자의 파괴를 방지할 수 있으므로, 냉각 공기는 연소 배기 가스의 희석을 피하기 위해, 소량이면 되고, 연소 배기 가스 190m³N/h에 대해서는, 5 ~ 20m³N/h가 바람직하고, 10 ~ 15m³N/h가 보다더 바람직하다. 또한, 냉각 공기는, 분무 직후의 원료 액적만을 덮으면 되므로, 그 유속은 연소 배기 가스보다 늦어도 되고, 본 실시형태에서는 연소 배기 가스의 유속의 40％ 정도이다.

연소 배기 가스의 열량에 비하여 원료 슬러리의 증발 잠열(潛熱)은 몇 퍼센트에 지나지 않으므로, 연소 배기 가스는 원료 액적의 수분을 모두 증발시킨 후에도, 충분히 높은 온도를 유지하고 있다. 이 때문에, 원료 액적을 건조한 입자를 고온의 연소 배기 가스 중에 부유시킨 상태로, 나아가, 연소 배기 가스에 의해 원하는 온도(본 실시형태에서는, 700 ~ 1200℃)로 가열하고, 용융, 소성, 발포화, 열 변성 등의 요구되는 열 처리를 할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 연소 배기 가스는, 분체 생성로(2) 내의 넓은 범위에 있어서 대략 균일한 고온 환경을 형성하므로, 분체 입자의 열 이력에 흐트러짐이 적고, 균질한 열 처리를 할 수 있다. 또한, 연소 배기 가스 중에 분산 부유한 상태로 분체를 고온으로 가열하므로, 입자끼리 간섭하지 않고, 입자 형성이 균일하게 된다.

이어서, 도 3에, 본 발명의 제2 실시형태의 분체 제조 장치(1a)를 나타낸다. 또한, 이후의 실시형태에 있어서, 앞에 설명한 실시형태와 동일한 구성 요소에는 같은 부호를 붙여서, 중복되는 설명은 생략한다.

제1 실시형태의 분체 제조 장치(1)에서는, 버너(6)를 구비하는 연소실(3)의 연소 배기 가스를 열풍 노즐(4)로부터 분체 생성로(2)의 내부로 끌어왔지만, 본 실시형태의 분체 제조 장치(1a)에서는, 팬(fan)(12)으로부터 공급되는 공기를 전기 히터(13)에 의해, 예를 들면 1300℃정도까지 가열하여 열풍 노즐(4a)을 통해, 분무 장치(5)의 바깥면을 따라 분체 생성로(2) 내로 불어넣도록 되어 있다.

본 실시형태에서는 열풍 노즐(4a)의 내부에, 도 4에 상세하게 나타낸 분무 장치(5a)가 배치되어 있다. 분무 장치(5a)는, 제1 실시형태와 같은 원료 노즐(8)과, 원료 노즐(8)을 덮도록 배치되어, 원료 노즐(8)과의 간극을 통해 스프레이 팁(7)으로부터 분무된 원료 주위에 냉각 공기를 공급하기 위한 제1 냉각 노즐(14)과, 제1 냉각 노즐(14)을 더 덮도록 배치되어, 제1 냉각 노즐(14)과의 간극을 통해, 제1 냉각 노즐(14)로부터 공급되는 냉각 공기의 바깥쪽으로 더 냉각 공기를 공급하는 제2 냉각 노즐(15)을 가진다.

이와 같이, 냉각 노즐을 다중으로 함으로써, 바깥쪽보다 안쪽 노즐의 열교환을 억제되므로, 제2 냉각 노즐(15)보다 제1 냉각 노즐(14)의 냉각 공기 쪽이 저온이 되고, 단계적으로 온도가 변화하는 복수의 냉각 공기층을 형성할 수 있다. 이로써, 적은 냉각 공기에 의해, 연소실(3) 및 열풍 노즐(4) 내에서의 원료 노즐(8)의 온도 상승, 및 분무 직후의 원료 액적의 순간적인 온도 상승에 의한 수증기 폭발을 방지할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태의 분체 제조 장치(1a)에 의해 얻어지는 분체도, 입자 지름 및 입자 형상이 균일하다.

또한, 본 발명에 의하면, 도 5에 나타낸 제3 실시형태의 분무 장치(5b)와 같이, 제2 냉각 노즐(15)의 외주를 간극을 두어 덮는 외층판(16)을 더 설치하여도 된다.

1, 1a: 분체 제조 장치
2: 분체 생성로
3: 연소실
4, 4a: 열풍 노즐
5, 5a, 5b: 분무 장치
6: 버너
7: 스프레이 팁
8: 원료 노즐
9: 냉각 노즐
10: 수냉 재킷
11: 외층판
12: 팬
13: 전기 히터
14: 1차 냉각 노즐
15: 2차 냉각 노즐
16: 외층판

Claims (6)

1. 원료 용액을 분무하는 원료 노즐과,
   상기 원료 노즐을 둘러싸도록 배치되어, 분무된 상기 원료 용액의 주위에 냉각 공기를 불어넣는 냉각 노즐과,
   상기 냉각 노즐의 바깥쪽에 설치되어, 냉매가 삽입 통과되는 냉각 재킷을 구비하는 것을 특징으로 하는 분무 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   간극을 두어 상기 냉각 재킷을 덮는 외층판(外層板)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분무 장치.
3. 원료 용액을 분무하는 원료 노즐과,
   상기 원료 노즐을 둘러싸도록 배치되어, 분무된 상기 원료 용액의 주위에 냉각 공기를 불어넣는 1차 냉각 노즐과,
   상기 1차 냉각 노즐을 둘러싸도록 배치되어, 상기 1차 냉각 노즐에서 들어온 냉각 공기의 주위에 더 냉각 공기를 불어넣는 2차 냉각 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 분무 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   간극을 두어 2차 냉각 노즐을 덮는 외층판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분무 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 분무 장치와,
   상기 분무 장치에 의해 상기 원료 용액이 내부로 분무되는 분체 생성로(生成爐)와,
   상기 분무 장치가 내부에 배치되어, 상기 분무 장치의 바깥면을 따라 열풍을 상기 분체 생성로에 끌어들이는 열풍 노즐을 가지는 것을 특징으로 하는 분체 제조 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 냉각 공기의 유속이, 상기 열풍의 유속보다 늦는 것을 특징으로 하는 분체 제조 장치.

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