JP2016130608A - 向流式直接加熱型熱交換器 - Google Patents

向流式直接加熱型熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】熱交換効率が高い向流式直接加熱型熱交換器を提供する。
【解決手段】被加熱物流体１と加熱媒体２とを向流させ、被加熱物流体１と該加熱媒体２とを直接接触させて熱交換を行う向流式直接加熱型熱交換器Ａであって、容器１０と、容器１０の内部に設けられ、その下流縁部２１から被加熱物流体１が流れ落ちる一または複数の傾斜板２０とを備え、一部または全部の傾斜板２０の下流縁部２１に複数の歯２２が設けられている。下流縁部２１から流れ落ちる被加熱物流体１が歯２２によって切られ、筋状の隙間が形成される。その結果、被加熱物流体１と加熱媒体２との接触面積が増え、熱交換効率が高くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、向流式直接加熱型熱交換器に関する。さらに詳しくは、被加熱物流体をその上部から流入させその下部から流出させ、同時に加熱媒体をその下部から流入させその上部から流出させながら、被加熱物流体と加熱媒体とを直接接触させて熱交換を行う向流式直接加熱型熱交換器に関する。
リモナイト鉱等に代表される低品位ニッケル酸化鉱石からニッケル、コバルト等の有価金属を回収する湿式製錬法として、硫酸を用いた高圧酸浸出法（HPAL: High Pressure Acid Leaching）である高温加圧硫酸浸出法が知られている。
高温加圧硫酸浸出法を用いた湿式製錬には、前処理工程と、高温加圧硫酸浸出工程とが含まれる。前処理工程では、ニッケル酸化鉱石を解砕分級して鉱石スラリーを製造する。高温加圧硫酸浸出工程では、鉱石スラリーをオートクレーブに装入して、必要に応じて選択された温度や圧力等の浸出条件下で浸出処理を行う。
高い浸出率を維持するため、オートクレーブの浸出条件として200〜300℃程度の温度が選択されることが一般的である。一方、前処理工程で製造された鉱石スラリーの温度は外気温と同程度である。そのため、鉱石スラリーをそのままの温度でオートクレーブに装入すると、オートクレーブ内の温度を低下させ浸出率が低下するばかりでなく、温度条件が不安定になり安定的な浸出反応が困難になる。そこで、鉱石スラリーを予熱してオートクレーブ内の温度に近づけた後に、鉱石スラリーをオートクレーブに装入することが行われる。
スラリー等の原料を高能率で安定的に加熱する装置として、例えば、横型回転加熱装置（特許文献１）や多管円管形熱交換器（特許文献２）が知られている。特許文献１の横型回転加熱装置は、横置きされた円筒容器の内部に仕切壁を設け、仕切壁の表面に蒸気の噴気孔を設けたものである。円筒容器を回転させつつ原料を装入することで、原料を加熱できる。特許文献２の多管円管形熱交換器は、鉛直に配置された複数の伝熱管からなる。伝熱管内に石炭−水スラリーを下向流にて流通させるとともに、伝熱管の外周囲に水蒸気を流通させることで、石炭−水スラリーを加熱できる。
しかし、これらの装置は、一般的に機械的駆動装置の故障が発生しやすい、あるいは間接加熱で装置の構造が複雑になるという問題がある。そのため、大量の鉱石原料を処理する製錬プラントには適していない。また、鉱石スラリーを単純に加熱すると、鉱石スラリー中の水分が蒸発するに伴い鉱石スラリーの流動性が低下し、オートクレーブ内での浸出反応が不十分となるという問題がある。
そこで、前記高温加圧硫酸浸出法による製錬プラントでは、鉱石スラリーの予熱設備として向流式直接加熱型熱交換器が用いられる（特許文献３）。向流式直接加熱型熱交換器は、被加熱物流体をその上部から流入させその下部から流出させ、同時に加熱媒体をその下部から流入させその上部から流出させながら、被加熱物流体と加熱媒体とを直接接触させて熱交換を行う。
向流式直接加熱型熱交換器は、機械的駆動装置、例えばモータを必要としないため、機械的駆動装置の故障等による不具合がないので、製錬プラントの予熱設備として適している。しかも、向流式直接加熱型熱交換器は、被加熱物流体である鉱石スラリーと加熱媒体である水蒸気を向流させ、直接接触させて熱交換を行うので、鉱石スラリーの水分率を維持したまま鉱石スラリーを加熱できる。そのため、鉱石スラリーの流動性を良好な状態で維持でき、オートクレーブ内での浸出反応を十分に行うことができる。
特開平６−２３８１６０号公報 特開平５−２６４２９号公報 特開２０１０−２５４５５号公報
前記高温加圧硫酸浸出法を用いた湿式製錬において、原料であるニッケル酸化鉱石は産地ごとに化学組成や粒度分布等に微妙な違いがある。本願発明者は、この微妙な違いにより前処理工程で製造された鉱石スラリーの粘度が変化し、場合よっては鉱石スラリーの粘度が高くなるという知見を得た。鉱石スラリーの粘度が高くなる原因はさまざまであるが、例えば、原料であるニッケル酸化鉱石の粒度分布が粒径の小さい方にシフトすると、鉱石スラリーの固形分濃度が同じでも粘度が高くなる。
また、本願発明者は、鉱石スラリーの粘度が高くなると向流式直接加熱型熱交換器の熱交換効率が低下するという知見を得た。向流式直接加熱型熱交換器の熱交換効率が低いと、鉱石スラリーを目的の温度まで加熱するために、水蒸気量を増加させたり、大型の熱交換器を使用したりする必要がある。その結果、操業コストや設備コストが増加するという問題がある。
本発明は上記事情に鑑み、熱交換効率が高い向流式直接加熱型熱交換器を提供することを目的とする。
第１発明の向流式直接加熱型熱交換器は、被加熱物流体と加熱媒体とを向流させ、該被加熱物流体と該加熱媒体とを直接接触させて熱交換を行う向流式直接加熱型熱交換器であって、容器と、前記容器の上部に設けられ、前記被加熱物流体を供給する被加熱物流体供給口と、前記容器の下部に設けられ、前記被加熱物流体を排出する被加熱物流体排出口と、前記容器の下部に設けられ、前記加熱媒体を供給する加熱媒体供給口と、前記容器の上部に設けられ、前記加熱媒体を排出する加熱媒体排出口と、前記容器の内部に設けられ、その下流縁部から前記被加熱物流体が流れ落ちる一または複数の傾斜板と、を備え、一部または全部の前記傾斜板の下流縁部に、複数の歯が設けられていることを特徴とする。
第２発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１発明において、一部または全部の前記傾斜板の下流縁部が、鋸状に形成されていることを特徴とする。
第３発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１発明において、最上段に配置された前記傾斜板の下流縁部に、複数の歯が設けられていることを特徴とする。
第４発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１発明において、複数の前記傾斜板のうちの一部が複数の傘形分散板であり、残部が複数の環状整流板であり、前記傘形分散板と前記環状整流板とは、中心を略一致させ、上下方向に交互に配置されており、一部または全部の前記傘形分散板の下流縁部に、複数の歯が設けられていることを特徴とする。
第５発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第４発明において、一部または全部の前記傘形分散板の下流縁部が、鋸状に形成されていることを特徴とする。
第６発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第４発明において、最上段に配置された前記傘形分散板の下流縁部に、複数の歯が設けられていることを特徴とする。
第７発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１または第４発明において、複数の前記傾斜板のうちの一部が複数の傘形分散板であり、残部が複数の環状整流板であり、前記傘形分散板と前記環状整流板とは、中心を略一致させ、上下方向に交互に配置されており、一部または全部の前記環状整流板の下流縁部に、複数の歯が設けられていることを特徴とする。
第８発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第７発明において、一部または全部の前記環状整流板の下流縁部が、鋸状に形成されていることを特徴とする。
第９発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第２、第５または第８発明において、鋸状の前記下流縁部を構成する歯の深さは、20mm以上30mm以下であることを特徴とする。
第１０発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８または第９発明において、前記被加熱物流体が、粘性を有する流体であることを特徴とする。
第１１発明の向流式直接加熱型熱交換器は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８または第９発明において、前記被加熱物流体が、固形分の濃度が20質量％以上の鉱石スラリーであることを特徴とする。
第１発明によれば、傾斜板の下流縁部に複数の歯が設けられているので、下流縁部から流れ落ちる被加熱物流体が歯によって切られ、筋状の隙間が形成される。その結果、被加熱物流体と加熱媒体との接触面積が増え、熱交換効率が高くなる。
第２発明によれば、傾斜板の下流縁部を鋸状に形成することで、多数の歯を設けることができる。そのため、加工が容易であり、設備コストを低減できる。
第３発明によれば、最上段の傾斜板の下流縁部に複数の歯が設けられているので、温度が低いために粘度が高い被加熱物流体に筋状の隙間を形成して、加熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱交換効率を高くする効果が高い。
第４発明によれば、傘形分散板の下流縁部に複数の歯が設けられているので、下流縁部から流れ落ちる被加熱物流体が歯によって切られ、筋状の隙間が形成される。その結果、被加熱物流体と加熱媒体との接触面積が増え、熱交換効率が高くなる。
第５発明によれば、傘形分散板の下流縁部を鋸状に形成することで、多数の歯を設けることができる。そのため、加工が容易であり、設備コストを低減できる。
第６発明によれば、最上段の傘形分散板の下流縁部に複数の歯が設けられているので、温度が低いために粘度が高い被加熱物流体に筋状の隙間を形成して、加熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱交換効率を高くする効果が高い。
第７発明によれば、環状整流板の下流縁部に複数の歯が設けられているので、下流縁部から流れ落ちる被加熱物流体が歯によって切られ、筋状の隙間が形成される。その結果、被加熱物流体と加熱媒体との接触面積が増え、熱交換効率が高くなる。
第８発明によれば、環状整流板の下流縁部を鋸状に形成することで、多数の歯を設けることができる。そのため、加工が容易であり、設備コストを低減できる。
第９発明によれば、歯の深さが20mm以上であるので、十分に被加熱物流体を切って、筋状の隙間を形成できる。また、歯の深さが30mm以下であるので、被加熱物流体に形成される隙間が大きくなりすぎず、熱交換効率が低下する恐れがない。
第１０発明によれば、粘性を有する被加熱物流体に筋状の隙間を形成して、加熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱交換効率を高くする効果が高い。
第１１発明によれば、被加熱物流体が、固形分の濃度が20質量％以上の鉱石スラリーであり、粘性を有する。粘性を有する被加熱物流体に筋状の隙間を形成して、加熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱交換効率を高くする効果が高い。
本発明の第１実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ａの縦断面図である。 図１におけるII-II線矢視断面図である。 図１におけるIII-III線矢視断面図である。なお、ハッチングは傘形分散板２０を示す。 図１におけるIV-IV線矢視断面図である。なお、ハッチングは環状整流板３０を示す。 傘形分散板２０から流れ落ちる鉱石スラリー１の説明図であって、（Ａ）図は下流縁部２１が直線状である場合、（Ｂ）図は下流縁部２１が鋸状である場合を示す。なお、ハッチングは傘形分散板２０を示す。 本発明の第２実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器の環状整流板３０の平面図である。なお、ハッチングは環状整流板３０を示す。 本発明の第３実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ｃの縦断面図である。 図７におけるVIII-VIII線矢視断面図である。なお、ハッチングは傾斜板４０を示す。 下流縁部２１の形状の説明図である。なお、ハッチングは傘形分散板２０を示す。 立体的な歯２２を有する傘形分散板２０の説明図である。 湿式製錬の全体工程図である。
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
（湿式製錬）
本発明の第１実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ａは、高温加圧硫酸浸出法を用いてニッケル酸化鉱石からニッケル・コバルト混合硫化物を得る湿式製錬に用いられる。図１１に示すように、前記湿式製錬は、前処理工程（101）と、高温加圧硫酸浸出工程（102）と、固液分離工程（103）と、中和工程（104）と、脱亜鉛工程（105）と、硫化工程（106）と、無害化工程（107）とを備える。
原料のニッケル酸化鉱石としては、主としてリモナイト鉱およびサプロライト鉱等のいわゆるラテライト鉱が用いられる。ラテライト鉱のニッケル含有量は通常0.5〜3.0質量％である。ニッケルは水酸化物またはケイ苦土（ケイ酸マグネシウム）鉱物としてラテライト鉱に含有される。ラテライト鉱の鉄含有量は10〜50質量％である。鉄は主として３価の水酸化物（ゲーサイト、FeOOH）の形態でラテライト鉱に含有されるが、一部の２価の鉄はケイ苦土鉱物としてラテライト鉱に含有される。
前処理工程（101）では、ニッケル酸化鉱石を解砕分級して平均粒径を2mm以下とした後、スラリー化して鉱石スラリーを製造する。鉱石スラリーはシックナー等の固液分離装置を用いて余剰の水が除去され、固形分の濃度が所定濃度になるように濃縮される。高温加圧硫酸浸出工程（102）では、前処理工程（101）で得られた鉱石スラリーに硫酸を添加し、温度条件を200〜300℃として撹拌することで高温加圧酸浸出し、浸出スラリーを得る。固液分離工程（103）では、高温加圧硫酸浸出工程（102）で得られた浸出スラリーを固液分離して、ニッケルおよびコバルトを含む浸出液（以下、「粗硫酸ニッケル水溶液」という。）と浸出残渣とを得る。
中和工程（104）では、固液分離工程（103）で得られた粗硫酸ニッケル水溶液を中和する。脱亜鉛工程（105）では、中和工程（104）で中和した粗硫酸ニッケル水溶液に硫化水素ガスを添加して亜鉛を硫化亜鉛として沈殿除去する。硫化工程（106）では、脱亜鉛工程（105）で得られた脱亜鉛終液に硫化水素ガスを添加してニッケル・コバルト混合硫化物とニッケル貧液とを得る。無害化工程（107）では、固液分離工程（103）で発生した浸出残渣と、硫化工程（106）で発生したニッケル貧液とを無害化する。
前処理工程（101）で製造される鉱石スラリーの固形分濃度（スラリー中の固形分（鉱石）の重量比率）は、原料であるニッケル酸化鉱石の性質に大きく左右される。鉱石スラリーの固形分濃度は、特に限定されないが、20〜50質量％となるように調製される。鉱石スラリーの濃度が20質量％未満では、浸出の際、所定の滞留時間を得るために大きな設備が必要となり、酸の添加量も残留酸濃度を調整するため増加する。また、得られる浸出液のニッケル濃度が低くなる。一方、鉱石スラリーの固形分濃度が50質量％を超えると、設備の規模を小さくできるものの、鉱石スラリーの粘度が高くなり、搬送管が閉塞したり、搬送に大きなエネルギーを要したりする等、搬送が困難になる。
高温加圧硫酸浸出工程（102）は、さらに２つの小工程（予熱工程および浸出工程）を有している。予熱工程では、前処理工程（101）から搬送された外気温程度の鉱石スラリーを予熱して、浸出工程で用いられるオートクレーブ内の温度に近づける。浸出工程では、予熱工程から搬送された鉱石スラリーをオートクレーブに装入し、鉱石スラリーに硫酸を添加し、かつ高圧空気および高圧水蒸気を吹き込みながら浸出する。
本実施形態の向流式直接加熱型熱交換器Ａは、前記予熱工程において鉱石スラリーを加熱するのに用いられる。なお、必要に応じて、複数の向流式直接加熱型熱交換器Ａを直列に接続し、鉱石スラリーを段階的に加熱することが行われる。
鉱石スラリーの水分率を維持するため、向流式直接加熱型熱交換器Ａは、加熱媒体として水蒸気を用いる。この水蒸気としては、ボイラー等の一般的な方法によって発生させた水蒸気を用いればよい。また、オートクレーブから浸出スラリーを排出する際には、減圧容器を用いて段階的に減圧する。この減圧容器で発生する水蒸気を回収して、向流式直接加熱型熱交換器Ａの加熱媒体として用いてもよい。
（向流式直接加熱型熱交換器Ａ）
つぎに、本実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ａを説明する。
向流式直接加熱型熱交換器Ａは、被加熱物流体１と加熱媒体２とを向流させ、被加熱物流体１と加熱媒体２とを直接接触させて熱交換を行う熱交換器である。本実施形態において、被加熱物流体１は前記湿式製錬の前処理工程（101）で得られた鉱石スラリー１であり、加熱媒体２は水蒸気２である。
図１に示すように、向流式直接加熱型熱交換器Ａは、略円筒形の容器１０を備えている。容器１０は、その中心軸が略鉛直となるように縦に配置されている。
容器１０の上部には、供給パイプ１１が水平に設けられている。供給パイプ１１には被加熱物流体供給口１２が下向きに設けられている。容器１０の下部、より詳細には容器１０の底には、被加熱物流体排出口１３が設けられている。被加熱物流体１である鉱石スラリー１は、供給パイプ１１を通じて被加熱物流体供給口１２から容器１０の内部に供給され、容器１０内を流下した後に、被加熱物流体排出口１３から容器１０の外部へ排出される。なお、図１における実線矢印は鉱石スラリー１の流れを示す。
容器１０の下部側壁には加熱媒体供給口１４が設けられている。容器１０の上部、より詳細には容器１０の頂部には、加熱媒体排出口１５が設けられている。加熱媒体２である水蒸気２は、加熱媒体供給口１４から容器１０の内部に供給され、容器１０内を上昇した後に、加熱媒体排出口１５から容器１０の外部へ排出される。なお、図１における破線矢印は水蒸気２の流れを示す。
容器１０の内部には、複数の傘形分散板２０と、複数の環状整流板３０とが設けられている。傘形分散板２０と環状整流板３０とは、その中心を略一致させ、上下方向に交互に配置されている。これら傘形分散板２０および環状整流板３０は傾斜面を有する。容器１０の内部に供給された鉱石スラリー１は、傘形分散板２０および環状整流板３０の傾斜面を流下し、その下流縁部から流れ落ちる。これを繰り返しながら、鉱石スラリー１は容器１０内を流下する。一方、容器１０の内部に供給された水蒸気２は、傘形分散板２０と環状整流板３０との間をジグザクに通って、容器１０内を上昇する。
なお、傘形分散板２０および環状整流板３０は、ともに特許請求の範囲に記載の「傾斜板」に相当する。換言すれば、向流式直接加熱型熱交換器Ａは複数の傾斜板２０、３０を備え、複数の傾斜板２０、３０のうちの一部が複数の傘形分散板２０であり、残部が複数の環状整流板３０である。
図２に示すように、供給パイプ１１は、平面視において容器１０の直径方向に沿って配置されており、容器１０の側壁から略中心まで達している。供給パイプ１１の端部に被加熱物流体供給口１２が形成されている。被加熱物流体供給口１２は平面視において容器１０の略中心に配置されている。なお、供給パイプ１１は、その端部から直線状に延び、容器１０の側壁に達する梁１１ａにより支持されている。
図１および図３に示すように、傘形分散板２０は、傘形（円錐形）の傾斜板である。傘形分散板２０は、頂点を上向きとして、頂点（中心）が平面視において容器１０の中心と略一致するよう配置されている。すなわち、傘形分散板２０の頂点は被加熱物流体供給口１２の真下に配置されている。そのため、鉱石スラリー１は、被加熱物流体供給口１２から最上段の傘形分散板２０の頂点に供給され、傘形分散板２０の傾斜面により放射状に分散して、下流縁部２１からスカート状に流れ落ちる。ここで、傘形分散板２０の下流縁部２１とは、円錐において側面と底面とが接する縁である。
図１および図４に示すように、環状整流板３０は、外周縁から内周縁にかけて下り勾配を有する環状の傾斜板である。環状整流板３０の外径は容器１０の内径と略同一であり、環状整流板３０の外周縁が容器１０の内壁に接触している。環状整流板３０は、その中心（外周および内周の中心）が平面視において容器１０の中心と略一致するよう配置されている。傘形分散板２０から環状整流板３０に流れ落ちた鉱石スラリー１は、環状整流板３０の傾斜面により中心に向かって流下し、下流縁部３１からスカート状に流れ落ちる。ここで、環状整流板３０の下流縁部３１とは、内周縁である。
（向流式直接加熱型熱交換器Ａによる熱交換）
つぎに、前記向流式直接加熱型熱交換器Ａによる熱交換を説明する。
鉱石スラリー１は被加熱物流体供給口１２から容器１０の内部に供給される。容器１０の内部に供給された鉱石スラリー１は、まず、最上段の傘形分散板２０の傾斜面を放射状に流下し、下流縁部２１からスカート状に流れ落ちる。つぎに、傘形分散板２０から環状整流板３０に流れ落ちた鉱石スラリー１は、環状整流板３０の傾斜面を中心に向かって流下し、下流縁部３１からスカート状に流れ落ちる。この鉱石スラリー１は、次の段の傘形分散板２０に流れ落ちる。このように、鉱石スラリー１は傘形分散板２０および環状整流板３０の傾斜面を交互に流下した後、容器１０下部の被加熱物流体排出口１３から容器１０の外部へ排出される。
一方、水蒸気２は、容器１０下部の加熱媒体供給口１４から容器１０の内部に供給され、傘形分散板２０と環状整流板３０との間をジグザクに上昇して、容器１０上部の加熱媒体排出口１５から容器１０の外部へ排出される。この間、水蒸気２は、傘形分散板２０および環状整流板３０の傾斜面を流下する鉱石スラリー１に沿って流れて鉱石スラリー１と直接接触するとともに、傘形分散板２０および環状整流板３０の下流縁部２１、３１から流れ落ちる鉱石スラリー１を通過することで鉱石スラリー１と直接接触する。これにより、鉱石スラリー１と水蒸気２の熱交換が行われる。
このように、向流式直接加熱型熱交換器Ａは、鉱石スラリー１をその上部から流入させその下部から流出させ、同時に水蒸気２をその下部から流入させその上部から流出させながら、鉱石スラリー１と水蒸気２とを直接接触させて熱交換を行う。
ここで、鉱石スラリー１は傘形分散板２０により放射状に分散する。これにより、鉱石スラリー１と水蒸気２との接触面積が広くなり、熱交換効率が高くなる。また、水蒸気２は環状整流板３０により整流され、傘形分散板２０の傾斜面を流下する鉱石スラリー１に沿って流れる。これによっても、鉱石スラリー１と水蒸気２との接触面積が広くなり、熱交換効率が高くなる。
（傘形分散板２０）
つぎに、本実施形態の特徴部分である傘形分散板２０の詳細を説明する。
図３に示すように、最上段に配置された傘形分散板２０の下流縁部２１は、全体に渡って鋸状に形成されている。より詳細には、下流縁部２１は角丸三角形の歯２２が多数連なった鋸状に形成されている。換言すれば、下流縁部２１に角丸三角形の歯２２が複数設けられており、歯２２によって鋸状の下流縁部２１が構成されている。傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状に形成するには、直線状の下流縁部２１を所定間隔ごとに三角形に切削して、歯２２を残せばよい。
図５（Ａ）に示すように、傘形分散板２０の下流縁部２１が直線状である場合、下流縁部２１から流れ落ちる鉱石スラリー１は面状となり、水蒸気２は面状の鉱石スラリー１の所々に生じた孔を通り抜けることになる。そのため、水蒸気２の通り道は鉱石スラリー１の孔に集中して、孔付近の鉱石スラリー１が他の部分に比べてより熱せられることになる。すなわち、鉱石スラリー１の加熱が不均一になる。この現象は、鉱石スラリー１の粘度が高いほど顕著である。
これに対して、図５（Ｂ）に示すように、傘形分散板２０の下流縁部２１が鋸状である場合、下流縁部２１から流れ落ちる鉱石スラリー１が多数の歯２２によって切られ、筋状の隙間が多数形成される。水蒸気２は鉱石スラリー１の筋状の隙間を通り抜ける。そのため、鉱石スラリー１と水蒸気２との接触面積が増え、向流式直接加熱型熱交換器Ａの熱交換効率が高くなる。しかも、鉱石スラリー１に多数の筋状の隙間が形成されることにより、水蒸気２の通り道が均一に分散され、鉱石スラリー１を均一に加熱できる。鉱石スラリー１の粘度が高いほど、歯２２の有無によって鉱石スラリー１の態様の変化が大きいので、熱交換効率を高くする効果が高い。
なお、下流縁部２１を鋸状とするのは、複数ある傘形分散板２０のうち、一部でもよいし全部でもよい。鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０の数が多いほど、熱交換効率を高くする効果が高い。
また、鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０の配置は、特に限定されないが、下段よりも上段に配置した方が、熱交換効率を高くする効果が高い。中でも、本実施形態のように最上段の傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とすると、熱交換効率を高くする効果が高い。これは以下の理由による。
鉱石スラリー１は、容器１０の上部から供給され、加熱された後に容器１０の下部から排出される。そのため、容器１０の上部では、鉱石スラリー１の温度が低く、そのために粘度が高い。また、鉱石スラリー１は、水蒸気２と直接接触することで、水分率が徐々に高くなる。逆に言えば、供給直後の鉱石スラリー１は、水分率が低いため、粘度が高い。このように、容器１０の上部（供給直後）の方が鉱石スラリー１の粘度が高い。
前述のごとく、鉱石スラリー１の粘度が高いほど、熱交換効率を高くする効果が高い。そのため、粘度が高い鉱石スラリー１が供給される上段の傘形分散板２０、特に最上段の傘形分散板２０に対して下流縁部２１を鋸状とすると、粘度が高い鉱石スラリー１に筋状の隙間を形成して、水蒸気２との接触面積を増やすことができるので、熱交換効率を高くする効果が高い。
しかも、鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０の数を減らすことができるので、傘形分散板２０の加工コストや、設備コストを低減できる。
前記湿式製錬の予熱工程では、複数の向流式直接加熱型熱交換器Ａを直列に接続し、鉱石スラリー１を段階的に加熱することが行われる。この場合、特に最初の段の向流式直接加熱型熱交換器Ａに上記構成を適用することで、高い効果を得られる。
〔第２実施形態〕
前記第１実施形態では、傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状に形成したが、これに加えて、またはこれに代えて、環状整流板３０の下流縁部３１を鋸状に形成してもよい。
図６に示すように、本実施形態の環状整流板３０は、その下流縁部３１が全体に渡って鋸状に形成されている。より詳細には、下流縁部３１は角丸三角形の歯３２が多数連なった鋸状に形成されている。換言すれば、下流縁部３１に角丸三角形の歯３２が複数設けられており、歯３２によって鋸状の下流縁部３１が構成されている。環状整流板３０の下流縁部３１を鋸状に形成するには、直線状の下流縁部３１を所定間隔ごとに三角形に切削して、歯３２を残せばよい。
傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とした場合と同様の理由で、環状整流板３０の下流縁部３１を鋸状とした場合も、鉱石スラリー１と水蒸気２との接触面積が増え熱交換効率が高くなるとともに、鉱石スラリー１を均一に加熱できる。
下流縁部３１を鋸状とするのは、複数ある環状整流板３０のうち、一部でもよいし全部でもよい。鋸状の下流縁部３１を有する環状整流板３０の数が多いほど、熱交換効率を高くする効果が高い。また、鋸状の下流縁部３１を有する環状整流板３０の配置は、特に限定されないが、下段よりも上段に配置した方が、熱交換効率を高くする効果が高い。
傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とするとともに、環状整流板３０の下流縁部３１を鋸状としてもよいし、傘形分散板２０または環状整流板３０のいずれか一方の下流縁部２１、３１を鋸状としてもよい。
〔第３実施形態〕
つぎに、本発明の第３実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ｃを説明する。
図７および図８に示すように、向流式直接加熱型熱交換器Ｃは、略角筒形の容器１０を備えている。容器１０は、その中心軸が略鉛直となるように縦に配置されている。容器１０の形状は特に限定されず、その内部で被加熱物流体１と加熱媒体２とを向流させることができればよく、円筒形（第１実施形態）でもよいし、角筒形（第３実施形態）でもよい。
容器１０の上部側壁には被加熱物流体供給口１２が設けられている。容器１０の下部、より詳細には容器１０の底には、被加熱物流体排出口１３が設けられている。被加熱物流体１は、被加熱物流体供給口１２から容器１０の内部に供給され、容器１０内を流下した後に、被加熱物流体排出口１３から容器１０の外部へ排出される。なお、図７における実線矢印は被加熱物流体１の流れを示す。
容器１０の下部側壁には加熱媒体供給口１４が設けられている。容器１０の上部、より詳細には容器１０の頂部には、加熱媒体排出口１５が設けられている。加熱媒体２は、加熱媒体供給口１４から容器１０の内部に供給され、容器１０内を上昇した後に、加熱媒体排出口１５から容器１０の外部へ排出される。なお、図７における破線矢印は加熱媒体２の流れを示す。
容器１０の内部には、複数の傾斜板４０が設けられている。傾斜板４０は勾配を有して設けられた矩形の板材である。傾斜板４０の上流縁部および両側部は容器１０の内壁と接触している。傾斜板４０の下流縁部４１と容器１０の内壁との間には空間が空けられている。容器１０の内部には、互いに逆の勾配を有する傾斜板４０が上下方向に千鳥状に配置されている。
容器１０の内部に供給された被加熱物流体１は、傾斜板４０の表面を流下し、下流縁部４１から流れ落ち、下段の傾斜板４０に供給される。これを繰り返しながら、被加熱物流体１は容器１０内をジグザグに流下する。一方、容器１０の内部に供給された加熱媒体２は、傾斜板４０の間をジグザクに通って、容器１０内を上昇する。
傾斜板４０の形状は、第１実施形態における傘形分散板２０および環状整流板３０の形状に限定されず、本実施形態のように単なる板状でもよいし、他の形状でもよい。傾斜板４０は、被加熱物流体１が流下する勾配を有し、その下流縁部４１から被加熱物流体１が流れ落ちるように設けられていればよい。ここで、傾斜板４０の下流縁部４１とは、勾配の下流側の縁である。
傾斜板４０を複数設けた方が、被加熱物流体１の流路が長くなり、加熱媒体２との接触面積が増えるため好ましい。しかし、傾斜板４０の数は特に限定されず、１つのみでもよいし、２つ以上でもよい。
図８に示すように、最上段に配置された傾斜板４０の下流縁部４１は、全体に渡って鋸状に形成されている。より詳細には、下流縁部４１は角丸三角形の歯４２が多数連なった鋸状に形成されている。換言すれば、下流縁部４１に角丸三角形の歯４２が複数設けられており、歯４２によって鋸状の下流縁部４１が構成されている。傾斜板４０の下流縁部４１を鋸状に形成するには、直線状の下流縁部４１を所定間隔ごとに三角形に切削して、歯４２を残せばよい。
傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とした場合と同様の理由で、本実施形態の傾斜板４０の下流縁部４１を鋸状とした場合も、被加熱物流体１と加熱媒体２との接触面積が増え熱交換効率が高くなるとともに、被加熱物流体１を均一に加熱できる。
下流縁部４１を鋸状とするのは、複数ある傾斜板４０のうち、一部でもよいし全部でもよい。鋸状の下流縁部４１を有する傾斜板４０の数が多いほど、熱交換効率を高くする効果が高い。また、鋸状の下流縁部４１を有する傾斜板４０の配置は、特に限定されないが、下段よりも上段に配置した方が、熱交換効率を高くする効果が高い。中でも、本実施形態のように最上段の傾斜板４０の下流縁部４１を鋸状とすると、熱交換効率を高くする効果が高い。
〔その他の実施形態〕
（下流縁部の鋸形状）
傘形分散板２０、環状整流板３０および傾斜板４０の下流縁部２１、３１、４１の鋸形状は、特に限定されず、種々の形状を採用できる。
図９（Ａ）に示すように、傘形分散板２０の下流縁部２１の形状を、角丸三角形の歯２２を多数連ねて構成される三角波状としてもよい。この場合、例えば歯２２の形状を、左右対称の二等辺三角形として、頂角を45°とすればよい。
被加熱物流体１が鉱石スラリー１の場合、歯２２の深さｄは、20mm以上30mm以下が好ましく、25mmがより好ましい。歯２２の深さｄが20mm以上であれば、十分に鉱石スラリー１を切って、筋状の隙間を形成できる。また、歯２２の深さｄが大きすぎると、鉱石スラリー１に形成される隙間が大きくなりすぎ、一部の水蒸気２が鉱石スラリー１と十分に接触しないまま通り抜けるため、熱交換効率が低下する恐れがある。歯２２の深さｄが30mm以下であれば、鉱石スラリー１に形成される隙間が大きくなりすぎず、熱交換効率が低下する恐れがない。
図９（Ｂ）に示すように、歯２２の先端をより鋭利な形状にしてもよい。また、図９（Ｃ）に示すように、傘形分散板２０の下流縁部２１の形状を、矩形の歯２２を多数連ねて構成される矩形波状としてもよい。
図１０に示すように、傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状に形成するのに代えて、下流縁部２１の表面に立体的な歯２２を複数設けてもよい。例えば、三角錐形の歯２２を、一つの頂点が傘形分散板２０の頂点に向くよう配置すればよい。
要するに、下流縁部２１に、被加熱物流体１を切ることのできる複数の歯２２が設けられていればよい。歯２２は平面的な形状（図９参照）であってもよいし、立体的な形状（図１０参照）であってもよい。
ただし、下流縁部２１を鋸状に形成すれば、平面的な歯２２を多数設けることができる。そのため、多数の立体的な歯２２を設ける場合よりも加工が容易であり、設備コストを低減できる。
以上は、傘形分散板２０の場合を例に説明したが、同様に、環状整流板３０および傾斜板４０の場合も、下流縁部２１、３１の形状として種々の形状を採用できる。
（被加熱物流体１）
被加熱物流体１は、流動性を有する被加熱物であればよく、特に限定されない。例えば、固体成分を含有するスラリー状の流動性液体が挙げられる。スラリー状の流動性液体としては、鉱石を含有するスラリー（鉱石スラリー）が挙げられる。鉱石スラリーは、例えば前記湿式製錬の前処理工程（101）で得られるニッケル酸化鉱石を含有するスラリーである。
被加熱物流体１が、粘性を有する流体である場合には、粘性を有する被加熱物流体１に筋状の隙間を形成して、加熱媒体２との接触面積を増やすことができるので、熱交換効率を高くする効果が高い。粘性を有する流体としては、固形分の濃度が20質量％以上の鉱石スラリーが挙げられる。中でも、固形分の濃度が40質量%を超える鉱石スラリーは粘度が高いので、熱交換効率を高くする効果が高い。なお、鉱石スラリーの固形分濃度の上限は、搬送を容易にするため、50質量%と定められるのが一般的である。
（加熱媒体２）
加熱媒体２は、被加熱物流体１に熱を供給する媒体であればよく、特に限定されない。加熱媒体２としては、水蒸気などの気体が挙げられる。
つぎに、実施例を説明する。
（共通の条件）
以下に説明する実施例１〜３および比較例１、２の共通の条件は次の通りである。
前記湿式製錬の予熱工程において、向流式直接加熱型熱交換器を用いて鉱石スラリーを加熱した。向流式直接加熱型熱交換器の基本的構成は第１実施形態に係る向流式直接加熱型熱交換器Ａ（図１参照）と同様である。
向流式直接加熱型熱交換器の詳細な構成は以下の通りである。
容器１０の寸法：内径4,500mm、高さ14,300mm
容器１０の側壁の材質：内側が9mm厚のチタン、外側が23.5mm厚のカーボンスチールのクラッド鋼
供給パイプ１１：内径187mm
被加熱物流体供給口１２:内径151mm、長さ300mmのパイプを供給パイプ１１の端部に接続した。
傘形分散板２０：底面の直径3,190mm、高さ920mm
供給パイプ１１への鉱石スラリー１の供給量を200〜420m3/hとした。鉱石スラリー１の性状は表１の通りである。
Figure 2016130608
（実施例１）
向流式直接加熱型熱交換器に設けられた複数の傘形分散板２０のうち、最上段、第２段、第３段の３つの傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とし、残りの傘形分散板２０の下流縁部２１を直線状とした。この条件で半年間の操業を行った。
その結果、加熱媒体２として使用した水蒸気２の使用量は、平均値で97.6kg/m3であった。
なお、水蒸気２の使用量は、鉱石スラリー１を目標温度まで加熱するのに要した量であり、鉱石スラリー１の単位供給量[m3/h]当たりの水蒸気２の供給量[kg/h]として算出したものである。また、向流式直接加熱型熱交換器は鉱石スラリー１が目標温度まで加熱されるよう制御されている。この制御は、向流式直接加熱型熱交換器に水蒸気２の供給量（単位時間当りに供給する水蒸気の量）を一定とし、鉱石スラリー１の供給量を増減することで、行われる。
（実施例２）
向流式直接加熱型熱交換器に設けられた複数の傘形分散板２０のうち、最上段の傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とし、残りの傘形分散板２０の下流縁部２１を直線状とした。この条件で半年間の操業を行った。
その結果、水蒸気２の使用量は、平均値で98.5kg/m3であった。
（実施例３）
向流式直接加熱型熱交換器に設けられた複数の傘形分散板２０のうち、第３段の傘形分散板２０の下流縁部２１を鋸状とし、残りの傘形分散板２０の下流縁部２１を直線状とした。この条件で半年間の操業を行った。
その結果、水蒸気２の使用量は、平均値で98.9kg/m3であった。
（比較例１）
向流式直接加熱型熱交換器に設けられた複数の傘形分散板２０のすべてにおいて、下流縁部２１を直線状とした。この条件で半年間の操業を行った。
その結果、水蒸気２の使用量は、平均値で101.5kg/m3であった。
（比較例２）
向流式直接加熱型熱交換器に設けられた複数の傘形分散板２０のすべてにおいて、下流縁部２１を直線状とした。水蒸気２の使用量を98.0kg/m3に固定した場合、得られた鉱石スラリー１の温度は、目標温度に対して約2〜3℃低かった。
以上より、鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０を用いた場合（実施例１〜３）には、直線状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０を用いた場合（比較例１、２）に比べて、水蒸気２の使用量を低減できることが確認された。すなわち、実施例は比較例に比べて熱交換効率が高いことが確認された。
また、実施例１は実施例２、３に比べて水蒸気２の使用量が少ないことから、鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０の数が多い方が、熱交換効率が高くなることが確認された。
さらに、実施例２は実施例３に比べて水蒸気２の使用量が少ないことから、鋸状の下流縁部２１を有する傘形分散板２０を上段に設けた方が、熱交換効率が高くなることが確認された。
Ａ、Ｃ 向流式直接加熱型熱交換器
１ 鉱石スラリー
２ 水蒸気
１０ 容器
１１ 供給パイプ
１２ 被加熱物流体供給口
１３ 被加熱物流体排出口
１４ 加熱媒体供給口
１５ 加熱媒体排出口
２０ 傘形分散板
２１ 下流縁部
２２ 歯
３０ 環状整流板
３１ 下流縁部
３２ 歯
４０ 傾斜板
４１ 下流縁部
４２ 歯

Claims (11)

  1. 被加熱物流体と加熱媒体とを向流させ、該被加熱物流体と該加熱媒体とを直接接触させて熱交換を行う向流式直接加熱型熱交換器であって、
    容器と、
    前記容器の上部に設けられ、前記被加熱物流体を供給する被加熱物流体供給口と、
    前記容器の下部に設けられ、前記被加熱物流体を排出する被加熱物流体排出口と、
    前記容器の下部に設けられ、前記加熱媒体を供給する加熱媒体供給口と、
    前記容器の上部に設けられ、前記加熱媒体を排出する加熱媒体排出口と、
    前記容器の内部に設けられ、その下流縁部から前記被加熱物流体が流れ落ちる一または複数の傾斜板と、を備え、
    一部または全部の前記傾斜板の下流縁部に、複数の歯が設けられている
    ことを特徴とする向流式直接加熱型熱交換器。
  2. 一部または全部の前記傾斜板の下流縁部が、鋸状に形成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  3. 最上段に配置された前記傾斜板の下流縁部に、複数の歯が設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  4. 複数の前記傾斜板のうちの一部が複数の傘形分散板であり、残部が複数の環状整流板であり、
    前記傘形分散板と前記環状整流板とは、中心を略一致させ、上下方向に交互に配置されており、
    一部または全部の前記傘形分散板の下流縁部に、複数の歯が設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  5. 一部または全部の前記傘形分散板の下流縁部が、鋸状に形成されている
    ことを特徴とする請求項４記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  6. 最上段に配置された前記傘形分散板の下流縁部に、複数の歯が設けられている
    ことを特徴とする請求項４記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  7. 複数の前記傾斜板のうちの一部が複数の傘形分散板であり、残部が複数の環状整流板であり、
    前記傘形分散板と前記環状整流板とは、中心を略一致させ、上下方向に交互に配置されており、
    一部または全部の前記環状整流板の下流縁部に、複数の歯が設けられている
    ことを特徴とする請求項１または４記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  8. 一部または全部の前記環状整流板の下流縁部が、鋸状に形成されている
    ことを特徴とする請求項７記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  9. 鋸状の前記下流縁部を構成する歯の深さは、20mm以上30mm以下である
    ことを特徴とする請求項２、５または８記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  10. 前記被加熱物流体が、粘性を有する流体である
    ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の向流式直接加熱型熱交換器。
  11. 前記被加熱物流体が、固形分の濃度が20質量％以上の鉱石スラリーである
    ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の向流式直接加熱型熱交換器。
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