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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022152731
(43)【公開日】2022-10-12
(54)【発明の名称】排ガス冷却装置及び方法
(51)【国際特許分類】
C04B 7/60 20060101AFI20221004BHJP
F23J 15/00 20060101ALI20221004BHJP
F23J 15/06 20060101ALI20221004BHJP
F27D 17/00 20060101ALI20221004BHJP
【ＦＩ】
C04B7/60
F23J15/00 Z
F23J15/06
F27D17/00 104D
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021055604
(22)【出願日】2021-03-29
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2021-11-24
(71)【出願人】
【識別番号】000183266
【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100116687
【弁理士】
【氏名又は名称】田村 爾
(74)【代理人】
【識別番号】100098383
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 純子
(74)【代理人】
【識別番号】100155860
【弁理士】
【氏名又は名称】藤松 正雄
(72)【発明者】
【氏名】高木 智広
【テーマコード（参考）】
3K070
4K056
【Ｆターム（参考）】
3K070DA09
3K070DA35
3K070DA72
4K056AA12
4K056CA08
4K056DB04
4K056DB05
(57)【要約】
【課題】
冷却ガスのプローブ内での逆流を抑制し、排ガスと冷却ガスとの混合を円滑にし冷却効率が高く、プローブ内の圧力損失の少ない、排ガス冷却装置及び方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の排ガス冷却装置及び方法においては、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）とをプローブ（２）内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブ（２）は円筒形であり、該プローブ（２）の円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部（３）を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部（４）が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図６
冷却ガスのプローブ内での逆流を抑制し、排ガスと冷却ガスとの混合を円滑にし冷却効率が高く、プローブ内の圧力損失の少ない、排ガス冷却装置及び方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の排ガス冷却装置及び方法においては、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）とをプローブ（２）内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブ（２）は円筒形であり、該プローブ（２）の円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部（３）を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部（４）が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、
該プローブは円筒形であり、
該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする排ガス冷却装置。
該プローブは円筒形であり、
該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項2】
請求項１に記載の排ガス冷却装置において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項6】
セメント原料を焼成するキルンから排出される排ガスの一部を抽気し、前記抽気した排ガスと冷却ガスとを混合した混合ガスを排出する排ガス冷却方法において、該排ガスと該冷却ガスとの混合は円筒形のプローブ内で行い、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項7】
請求項６に記載の排ガス冷却方法において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項8】
請求項６又は７に記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項9】
請求項６乃至８のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項10】
請求項６乃至９のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする排ガス冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排ガス冷却装置及び方法に関し、特に、セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
セメント産業において、ナトリウム、カリウム等のアルカリや塩素等の種々の揮発性の不純物が含まれている産業廃棄物等をセメント原料の一部として利用することが進められている。これは、リサイクルの観点からも要望されている。特に、近年は、セメント生産量に対し、塩素含有産業廃棄物の処理量の増加や、高濃度塩素含有産業廃棄物の処理等が期待されており、セメントから塩素を除去する技術が望まれている。
【0003】
セメントから塩素を除去する技術としては、セメントキルンから排出される排ガスの一部をプローブで抽気し、該プローブ内で該排ガスの温度を１０００℃程度から４５０℃以下に冷却し、塩素等の揮発性成分を排ガス中の微粉部分に濃縮し、当該微粉部分を分級除去することが提案されている。抽気するガスは、キルンの窯尻からの排ガスや、当該排ガスが導入されるプレヒータからの排ガスの何れであっても良い。
【0004】
特許文献１では、冷却ガスの一部がプローブ内を逆流し、プレヒータ等に流入することを抑制するため、プローブの排ガスを抽気する方向と冷却ガスをプローブ内に向けて供給する方向とがなす角度を７０度以下に設定することが開示されている。なお、この角度は、後述する角度θ３を用いると、「９０°－θ３」で表示される。
【0005】
また、特許文献２では、プローブ内の燃焼ガス（排ガス）の吸引方向に対して直角方向、かつ、燃焼ガス流れの中心方向に低温ガス（冷却ガス）を吐出する複数の吐出口を備えた、直交流冷却型プローブが開示されている。
【0006】
プローブ内の排ガスを単に冷却するだけであれば、排ガスに対する冷却ガスの流量を増加するだけでも良いが、冷却ガスの流速や流量を増加すると、プローブの入口側（プレヒータ側）へ冷却ガスが逆流し、冷却ガスのリーク量が増加する原因となる。その結果、例えばプレヒータに供給される排ガスの温度が低下し、適切な石灰石の脱炭素率を実現するために必要な燃料も増加するなどの不具合を生じる。
【0007】
プローブでは、抽気された排ガスを急冷し、揮発性物質を速やかに気相から固相に相変化させることで、プローブの内面に付着し易い液相状態となることを抑制することが重要である。冷却効率が悪く急冷できない場合には、プローブ内に液相状態の揮発性物質が付着しコーチングを生成し、プローブの閉塞等の操業トラブルの原因にもなる。
【0008】
特許文献１の方法では、冷却ガスの流速が不足した場合には、冷却ガスと排ガスとの混合が不十分となる。また、特許文献２の方法では、冷却ガスが排ガスの流れに対して直角に導入されるため、冷却ガスの流速が大きくなると、冷却ガスがプレヒータへ逆流する不具合も生じる。このように、従来のプローブにおいても、冷却効率をより一層高めることが期待されている。
【0009】
さらに、プローブの出口側では、排ガスと冷却ガスとが混合した混合ガスをファンで吸引することが行われているが、プローブの入口側と出口側との間では圧力損失が発生するため、ファンの負担が増大する。しかも、冷却ガスの逆流により圧力損失はさらに拡大するため、圧力損失のより少ないプローブの構造が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特許第５５８２４１４号公報
【特許文献2】特許第５４１１１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、冷却ガスのプローブ内での逆流を抑制し、排ガスと冷却ガスとの混合を円滑にし冷却効率が高く、プローブ内の圧力損失の少ない、排ガス冷却装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するため、本発明の排ガス冷却装置及び方法は、以下の技術的特徴を有する。
（１） セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする。
（１） セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする。
【0013】
（２） 上記（１）に記載の排ガス冷却装置において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする。
【0014】
（３） 上記（１）又は（２）に記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする。
【0015】
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする。
【0016】
（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする。
【0017】
（６） セメント原料を焼成するキルンから排出される排ガスの一部を抽気し、前記抽気した排ガスと冷却ガスとを混合した混合ガスを排出する排ガス冷却方法において、該排ガスと該冷却ガスとの混合は円筒形のプローブ内で行い、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられていることを特徴とする。
【0018】
（７） 上記（６）に記載の排ガス冷却方法において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする。
【0019】
（８） 上記（６）又は（７）に記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする。
【0020】
（９） 上記（６）乃至（８）のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損が最小になるように設定されていることを特徴とする。
【0021】
（１０） 上記（６）乃至（９）のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明は、排ガスと冷却ガスとをプローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が設けられているため、プローブの周面から入った冷却ガスが同じ周面から出るルートを確保でき、圧力損失の増大を抑制した排ガス冷却装置及び方法を提供することが可能となる。
【0023】
しかも、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないため、冷却ガスのプローブ内での逆流を抑制しながら、冷却ガスと排ガスとの混合を円滑に行い、排ガスの冷却効果を高めた排ガス冷却装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】排ガス用の配管から直接抽気する様子を説明する図である。
【図2】排ガス用の配管からボックスを介し抽気する様子を説明する図である。
【図3】プローブ内に冷却ガスを導入する様子を説明する側面図である。
【図5】冷却ガスの導入時の速度ベクトルの説明図である。
【図6】プローブに冷却ガス導入部及び混合ガス分岐部を設ける様子を説明する図である。
【図8】プローブ内を移動する冷却ガス（θ２＝９０度）の仮想の流れを模式的に示す図である。
【図9】プローブ内を移動する冷却ガス（θ２＜９０度）の仮想の流れを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の排ガス冷却装置及び方法について、好適例を用いて詳細に説明する。
図６及び７に示すように、本発明の排ガス冷却装置及び方法においては、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）とをプローブ（２）内で混合した混合ガス（ＭＧ）を排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブ（２）は円筒形であり、該プローブ（２）の円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部（３）を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部（４）が設けられていることを特徴とする。以下では、排ガス冷却装置を中心に説明する。
図６及び７に示すように、本発明の排ガス冷却装置及び方法においては、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）とをプローブ（２）内で混合した混合ガス（ＭＧ）を排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブ（２）は円筒形であり、該プローブ（２）の円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部（３）を設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部（４）が設けられていることを特徴とする。以下では、排ガス冷却装置を中心に説明する。
【0026】
本発明の排ガス冷却装置に使用する排ガスは、セメント原料を焼成するキルンの窯尻から抽出される排ガスであり、図１に示すように、窯尻から排出される排ガス（ＥＧ１）を案内する配管１の途中に、排ガス（ＥＧ１）の一部（ＥＧ２）を抽気するプローブ２を設けている。また、図２では、配管１から分岐するボックス１０を設け、そのボックス内の排ガス（ＥＧ１’）の一部（ＥＧ２）を抽気するプローブ２を設けている。このようなボックス１０を介することで、流量や流速の安定した排ガスをプローブ２に導入することができる。
【0027】
図１及び２に示した配管１は、キルンの窯尻から直接排出される排ガスを導入する配管に限定されない。キルンから排出される排ガスをセメント原料を加熱するプレヒータに導入する場合、プレヒータから排出される排ガスを案内する配管であっても良い。
【0028】
図３は、本発明の排ガス冷却装置に使用されるプローブ２の一部を示す断面図である。プローブ２は円筒形であり、その周面の一部に冷却ガス（ＣＧ）を導入する導入管３が接続されている。導入管３の断面形状は、円形に限らず矩形であっても良い。断面の円形の直径や矩形の幅に相当する図４の太さＷは、プローブの円筒形の半径Ｒと比較し、半分以下、より好ましくは３分の１以下のように、狭く設定されている。これは後述するように、プローブの円筒形の中心軸Ｃ１に向かう角度から所定角度θ２だけ外れた方向に冷却ガスを噴出する効果を高めるためである。また、導入管３の中心軸（Ｃ１）方向の高さｈは、冷却ガスの導入量にも依存するが、上記太さＷ以上に設定される。
【0029】
本発明の一つの特徴である冷却ガスのプローブ内への導入方向は、図４に示すように、導入部３の開口の中心（Ｃ２）から冷却ガスの導入方向への延長線上には、プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする。この構成により、プローブ２の円筒形の内壁に沿って、中心軸（Ｃ１）周りに回転する気流が発生し、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）との混合を滑らかに行うことができる。中心軸（Ｃ１）を中心とした回転する気流の流量を増加させるには、所謂、「冷却ガスの運動量モーメント」を増加させることが好ましい。
【0030】
上記「冷却ガスの運動量モーメント」とは、導入部３の開口から導入される冷却ガスの流速と導入方向に着目したパラメータである。具体的には、図５に示すように、冷却ガスの速度ベクトルＶは、プローブ２の円筒形の中心軸Ｃ１に対して平行な速度ベクトル成分Ｖｚと、中心軸Ｃ１に垂直な断面（Ｓ）に平行な速度ベクトル成分Ｖｓに分解できる。中心軸（Ｃ１）周りに回転する気流に寄与するのは、専ら速度ベクトル成分Ｖｓである。
【0031】
「冷却ガスの運動量モーメント」は、冷却ガスが、プローブ内を通過する排ガスに対して、プローブの中心軸Ｃ１周りに回転する気流を発生させるために、冷却ガスが持つ単位時間当たり運動量モーメントであり、冷却ガスの密度ρと、導入部３の冷却ガスが流れる方向に垂直な断面の面積Ｄ（図３のｈと図４のＷを用いてＤ＝ｈ×Ｗ）、中心軸（Ｃ１）に垂直な断面（Ｓ）における冷却ガスの流速Ｖの速度ベクトル成分Ｖｓと、冷却ガスの速度ベクトル成分Ｖｓの延長線と中心軸（Ｃ１）との距離Ｒｓｉｎθ２を用いて、以下のように定義される。
冷却ガスの運動量モーメント：ρ×Ｄ×Ｖｓ×Ｒｓｉｎθ２
なお、ρ×Ｄ×Ｖは質量流量Ｍであり、Ｖｓ＝Ｖｃｏｓθ３であるため、上記式は、以下のように書き直せる。
ρ×Ｄ×Ｖｓ×Ｒｓｉｎθ２＝Ｍ×Ｒ×ｓｉｎθ２×ｃｏｓθ３
これは、仮に、質量流量が一定の場合には、角度θ２及びθ３が、冷却ガスの運動量モーメントに影響を与えることが理解される。
冷却ガスの運動量モーメント：ρ×Ｄ×Ｖｓ×Ｒｓｉｎθ２
なお、ρ×Ｄ×Ｖは質量流量Ｍであり、Ｖｓ＝Ｖｃｏｓθ３であるため、上記式は、以下のように書き直せる。
ρ×Ｄ×Ｖｓ×Ｒｓｉｎθ２＝Ｍ×Ｒ×ｓｉｎθ２×ｃｏｓθ３
これは、仮に、質量流量が一定の場合には、角度θ２及びθ３が、冷却ガスの運動量モーメントに影響を与えることが理解される。
【0032】
図４の冷却ガスを導入する導入部３は、角度θ２を変化させる場合、点線３ａから３ｂに示すような範囲で設定できる。中心軸Ｃ１周りに回転する気流の方向を逆にする場合には、点線３ｂより図面の上側に導入部が配置される。本発明では、冷却ガスの導入方向が中心軸Ｃ１を通過する導入部３ｂの配置は選択しない。点線３ｂの導入部に沿った一点鎖線ＳＴＮは、角度θ２の基準となる基準線でもある。また、点線３ａの導入部の角度θ２は、ほぼ９０度となる。
【0033】
冷却ガスの速度ベクトルＶは、図３及び図５に示すように、プローブの円筒形の中心軸（Ｃ１）に平行な方向であり、かつ排ガスが流れる方向を向いたベクトル成分Ｖｚを持つことが好ましい。この速度ベクトルＶと断面Ｓ（図３の点線Ａ）とがなす角度θ３は、断面Ｓより下流側のプローブの長さなども考慮する必要があるが、プローブ２内を冷却ガスが逆流することを抑制するためにも、例えば、２０度より大きい、より好ましくは３０度以上のように所定の範囲に設定される。
【0034】
本発明の特徴は、図６に示すように、プローブ２の円筒形の周面の一部に分岐部４を設け、排ガス（ＥＧ２）と冷却ガス（ＣＧ）とを混合した混合ガス（ＭＧ）を、２つの矢印（ＭＧ１とＭＧ２）に分岐して排気するものである。さらに、分岐部の下流に位置するプローブを点線２０のように閉塞し、混合ガスの排気を分岐部４のみで形成することも可能である。図７は、図６の点線Ｂにおける断面であり、参考までに冷却ガスの導入部３を併せて記載している。
【0035】
導入部３と分岐部４との配置関係と、冷却ガス（ＣＧ）の導入方向との関係について検討する。冷却ガスの導入方向は、図７に示す角度θ２と、図６に示す角度θ３を備えている。また、図７に示すように、プローブの周面に沿った導入部３の位置は、基準線ＳＴＮを基準に、角度θ２だけ移動した位置に設定される。また、分岐部４、基準線ＳＴＮから角度θ１だけ移動した位置に設定される。さらに、図６に示すように、導入部３の開口の中心Ｃ２と、分岐部４の入口の中心Ｃ３までの距離はΔＨで表される。
【0036】
分岐部４の形状は円筒形に限らず矩形であっても良い。図６では、分岐部４のプローブ側の開口（入口）を内径φ１とし、途中、内径が拡大する部分を経て内径φ２へと変化させている。分岐部４の内径を変化させず、一定することも可能である。図６の距離ｄ及び角度δは、後述するシミュレーションにおける、分岐部の排出位置であり、排ガス（混合ガス）の出口静圧を測定する位置４０を特定する値である。プローブの中心軸から位置４０までの距離ｄと、プローブの中心軸と分岐部の中心軸とが形成する角度δである。
【0037】
ここで角度θ２が９０度の場合は、図８に示すように、プローブの内周面の接線方向からプローブ内に冷却ガス（ＣＧ）が導入される。ここで、冷却ガスがその初速を保ってプローブの内周面に沿って進行したと仮定した場合、内周面上の冷却ガスの流れの軌跡は、点線の矢印で表示できる。冷却ガスが導入される点Ｃ２から冷却ガスが分岐部４へ排出される点Ｃ３’（角度θ１’）までの冷却ガスの移動は、点Ｃ３’が点Ｃ３に近い（角度θ１’≒θ１）と仮定すると、図８の図面内で距離Ｌだけ移動し、図面に垂直な方向にΔＨだけ移動したことになる。
【0038】
ここで、図８のΔθを用いて距離Ｌを導出すると、以下のようになる。
Ｌ＝２πＲ×（Δθ／３６０°）
ただし、Ｒはプローブの半径であり、Δθは、さらに以下のように変形できる。
Δθ＝３６０°－（θ１’＋θ２）≒２７０°－θ１
また、図８の図面に垂直方向（図６の上下方向）にΔＨ移動することから、ＬとΔＨとの関係は、ｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌで表現することができる。この関係を満足する場合、点Ｃ２から入った冷却ガスが点Ｃ３（点Ｃ３’）から排出されるため、冷却ガスの流れが円滑で、圧力損失も少なくなることが予想される。なお、角度θ１及びθ２（＝９０度）が決まると、角度θ３は上記式より算出することが可能となる。
Ｌ＝２πＲ×（Δθ／３６０°）
ただし、Ｒはプローブの半径であり、Δθは、さらに以下のように変形できる。
Δθ＝３６０°－（θ１’＋θ２）≒２７０°－θ１
また、図８の図面に垂直方向（図６の上下方向）にΔＨ移動することから、ＬとΔＨとの関係は、ｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌで表現することができる。この関係を満足する場合、点Ｃ２から入った冷却ガスが点Ｃ３（点Ｃ３’）から排出されるため、冷却ガスの流れが円滑で、圧力損失も少なくなることが予想される。なお、角度θ１及びθ２（＝９０度）が決まると、角度θ３は上記式より算出することが可能となる。
【0039】
上記の関係式では、冷却ガスの導入位置を点Ｃ２とし、冷却ガスの排出位置を示す点（Ｃ３’）を、分岐部４の入口の中心Ｃ３と仮定した。しかしながら、実際には、導入部の開口や分岐部の入口の大きさは、点状では無く有限の大きさを有している。また、排ガス（ＥＧ２）が図６のように、一定の速度で下流側に流れているため、冷却ガス（ＣＧ）が排ガスの流れに押され、図５の速度ベクトル成分Ｖｚがその分だけ大きくなることが予想される。このため、圧力損失が少なくなる条件も、上述した角度θ３に係る関係式から若干ずれた値となる。
【0040】
本発明では、プローブに導入する冷却ガスの適切な導入速度や導入角度を調べるため、プローブ２の排ガスの入口と分岐部４との間における圧力損失に着目している。この圧力損失が最小となるように、冷却ガスの導入方向と呼び導入速度を設定する。なお、本発明において「圧力損失が最小」とは、その最小値に限定するという意味では無く、当該最小値を含む比較的圧力損失が低い範囲を選択可能であることを意味する。
【0041】
上述したｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌの式では、導入角度（θ２、θ３）が影響を与えることが容易に理解できる。また、この式には導入速度Ｖの影響は反映されていない。しかしながら、冷却ガスの導入速度によって、排ガスと冷却ガスとの混合状態も異なるため、圧力損失は変化することとなる。
【0042】
図９は、角度θ２が９０度未満の場合に、プローブ内での冷却ガスの流れを模式的に示したものである。この場合も、図８と同様に、実際の冷却ガスの流れは、多くの要素の影響を受けるため、単純に表現することは出来ないが、一つの目安にはなる。点Ｃ２から入った冷却ガスが分岐部の開口の一部（点Ｃ３’）に到達するまでの長さ（図９のように、プローブの中心軸に垂直な面に投影した距離。図８のＬに相当する。）Ｌは、以下の式で表示される。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝２Ｒｃｏｓθ２＋２πＲ×（Δθ’／３６０°）
ただし、Δθ’は、点Ｃ３’を点Ｃ３と仮定すると、以下のとおりとなる。
Δθ’＝３６０°－（９０°＋（９０°－θ２）＋θ１’）≒１８０°－θ１＋θ２
この場合も、角度θ１及びθ２が設定されると、上記Ｌがｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌの式を満足するように、導入角度のθ３が算出される。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝２Ｒｃｏｓθ２＋２πＲ×（Δθ’／３６０°）
ただし、Δθ’は、点Ｃ３’を点Ｃ３と仮定すると、以下のとおりとなる。
Δθ’＝３６０°－（９０°＋（９０°－θ２）＋θ１’）≒１８０°－θ１＋θ２
この場合も、角度θ１及びθ２が設定されると、上記Ｌがｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌの式を満足するように、導入角度のθ３が算出される。
【0043】
角度θ２及びθ３の最適値を判断するため、図２の形状のモデルを使って、以下の境界条件を用いて、シミュレーションを行った。
（プローブの形状）
プローブの半径Ｒ：０．７［ｍ］
（抽気ガスの特性）
プローブ入口での排ガス温度：１０９１℃
質量流量Ｑ０：３４．１［ｋｇ／ｓ］
密度ρ０：０．２６６［ｋｇ／ｍ３］
流速Ｖ０：１４［ｍ／ｓ］
運動量Ｆ０（＝Ｑ０×Ｖ０）：４７７［ｋｇ・ｍ／ｓ２］
（冷却ガス）
冷却ガスの温度：３０℃
質量流量Ｑ：４．８３［ｋｇ／ｓ］
密度ρ：１．２０３［ｋｇ／ｍ３］
導入部の開口の高さｈ：０．９［ｍ］
導入部の開口の幅ｗは、流速に応じて変更。
プローブの入口から導入部の開口の中心Ｃ２までの距離Ｈ：１．５［ｍ］
（プローブの形状）
プローブの半径Ｒ：０．７［ｍ］
（抽気ガスの特性）
プローブ入口での排ガス温度：１０９１℃
質量流量Ｑ０：３４．１［ｋｇ／ｓ］
密度ρ０：０．２６６［ｋｇ／ｍ３］
流速Ｖ０：１４［ｍ／ｓ］
運動量Ｆ０（＝Ｑ０×Ｖ０）：４７７［ｋｇ・ｍ／ｓ２］
（冷却ガス）
冷却ガスの温度：３０℃
質量流量Ｑ：４．８３［ｋｇ／ｓ］
密度ρ：１．２０３［ｋｇ／ｍ３］
導入部の開口の高さｈ：０．９［ｍ］
導入部の開口の幅ｗは、流速に応じて変更。
プローブの入口から導入部の開口の中心Ｃ２までの距離Ｈ：１．５［ｍ］
【0044】
さらにシミュレーションでは、導入部から下流側に１ｍ移動した場所から、プローブ内に散水量０．５［ｔ／ｈ］の噴霧を行っていると仮定した。
また、プローブの冷却ガスの導入部から下流側にプローブの半径が、円錐台部分を経て狭くなる、所謂「絞り」がある場合についてもシミュレーションを行った。結果としては、「絞り」がある場合は、排ガスと冷却ガスの混合を補助する効果がある一方、冷却ガスがプローブの入口側に逆流する問題も発生し易い。ただし、絞りが存在しても、結果は大きく変化しなかったため、ここでは、絞りなしの結果を例示している。
また、プローブの冷却ガスの導入部から下流側にプローブの半径が、円錐台部分を経て狭くなる、所謂「絞り」がある場合についてもシミュレーションを行った。結果としては、「絞り」がある場合は、排ガスと冷却ガスの混合を補助する効果がある一方、冷却ガスがプローブの入口側に逆流する問題も発生し易い。ただし、絞りが存在しても、結果は大きく変化しなかったため、ここでは、絞りなしの結果を例示している。
【0045】
シミュレーション結果の評価方法は、「プローブの出口における温度」「冷却ガスの導入部付近の下流側での排ガスと冷却ガスとの混合状態」を用いて評価した。
（評価条件）
・プローブの出口における温度：計算結果の温度を「出口温度℃」で表示し、「温度評価」を３５０℃以下を「○」、それ以外を「×」で評価した。
・冷却ガスの導入部付近の下流側におけるプローブ内壁付近の温度分布を見て、排ガスと冷却ガスとの混合状態（表中の「混合状態」）を評価した。冷却ガスがプローブ内壁付近に留まって温度が低い場合を「×」、排ガスと混合し温度が上昇している場合を「○」で評価した。
（評価条件）
・プローブの出口における温度：計算結果の温度を「出口温度℃」で表示し、「温度評価」を３５０℃以下を「○」、それ以外を「×」で評価した。
・冷却ガスの導入部付近の下流側におけるプローブ内壁付近の温度分布を見て、排ガスと冷却ガスとの混合状態（表中の「混合状態」）を評価した。冷却ガスがプローブ内壁付近に留まって温度が低い場合を「×」、排ガスと混合し温度が上昇している場合を「○」で評価した。
【0046】
比較例として、冷却ガスの流速を１５～１５０ｍ／ｓの範囲で変化させ、角度θ２＝９０度、角度θ３＝０度に設定した。その結果を表１に示す。この結果、プローブの内壁に沿って冷却ガスを導入（ただし、θ３＝０度）しただけでは、流速が低い１５ｍ／ｓの場合は、冷却ガスのリークも少なく、混合ガスの温度を３５０℃以下に下げることが可能となる。しかしながら、流速が３０ｍ／ｓ以上に設定すると、冷却ガスの逆流及びリークが発生し、混合ガスの温度を適切に下げることが難しいことが理解される。ただし、流速が５０ｍ／ｓ以上であると、排ガスと冷却ガスとの混合状態が改善している。このことからも、本発明では、冷却ガスの流速が４０～１５０ｍ／ｓの範囲においても、より高い冷却効果を得られるよう、冷却ガスの導入方向を調整している。
【0047】
【表1】
【0048】
以下の結果２では、冷却ガスの流速１００ｍ／ｓとし、角度θ２を９０度に設定すると共に、角度θ３を１０～６４度の範囲で変化させた。結果１（比較例）の角度θ３＝０度で流速１００ｍ／ｓの出口温度が５５４℃であったものが、冷却ガスの導入角度θ３＝３０度に設定するだけで、約２００℃程度下げることができている。しかも、流速が１００ｍ／ｓでは、θ３の角度に依らず、排ガスと冷却ガスとの混合状態を良好に維持している。よって、角度θ３を３０度以上に設定することで、プローブの出口温度を３５０℃以下まで下げ、混合ガスの混合状態も良好に維持することが可能となる。
【0049】
【表2】
【0050】
以下の結果３では、冷却ガスの流速５０ｍ／ｓとし、角度θ２を９０度に設定すると共に、角度θ３を１０～６０度の範囲で変化させた。プローブの出口温度を改善するには、結果２の流速が１００ｍ／ｓの場合よりも、角度θ３をより大きくすることが必要となることが理解される。結果としては、角度θ３は３５度以上に設定することが、好ましい。
【0051】
【表3】
【0052】
以下の結果４では、プローブの他端（点線２０）を閉塞し、図６に示すように分岐部を設け、冷却ガスの流速は１００ｍ／ｓとし、角度θ１は１５度、角度θ２は９０度に設定した。この場合でも、上記結果２と同様に、高い冷却効果が得られていることが確認できる。
【0053】
【表4】
【0054】
以上のことから、冷却ガスの導入方向の延長線上にプローブの中心軸Ｃ１が無い場合には、排ガスと冷却ガスとが円滑に混合され、高い冷却効果が得られる。しかも、プローブの中心軸Ｃ１に対する角度θ３を調整することで、より高い冷却効果を得ることができる。また、本発明には必要に応じて冷却ガスの導入部の下流側に散水機構や「絞り」を設けることができることは、言うまでもない。
【0055】
次に、図６及び７のように、分岐部４を設け、プローブ２の排ガス入口と反対側の他端２０を閉塞した場合についてシミュレーションを行った。
上述したシミュレーションの条件に加え、以下の分岐部に関する条件を設定した。
（分岐部）
冷却ガスの導入部の開口の中心Ｃ２から分岐部の入口の中心Ｃ３までの距離ΔＨ：２ｍ
分岐部の角度θ１：１５度
プローブの中心軸から出口静圧の測定位置４０までの距離ｄ：４ｍ
分岐部の内径φ１：１．１ｍ
分岐部の内径φ２：１．２ｍ
プローブの中心軸と分岐部の中心軸との角度δ：６０度
冷却ガスの流速を１００ｍ／ｓとして、導入角度のθ３を１０～６０度の範囲で変化させた場合の、プローブの入口と分岐部の出口（図６の符号４０）との間の圧力損失を、結果５に示す。
上述したシミュレーションの条件に加え、以下の分岐部に関する条件を設定した。
（分岐部）
冷却ガスの導入部の開口の中心Ｃ２から分岐部の入口の中心Ｃ３までの距離ΔＨ：２ｍ
分岐部の角度θ１：１５度
プローブの中心軸から出口静圧の測定位置４０までの距離ｄ：４ｍ
分岐部の内径φ１：１．１ｍ
分岐部の内径φ２：１．２ｍ
プローブの中心軸と分岐部の中心軸との角度δ：６０度
冷却ガスの流速を１００ｍ／ｓとして、導入角度のθ３を１０～６０度の範囲で変化させた場合の、プローブの入口と分岐部の出口（図６の符号４０）との間の圧力損失を、結果５に示す。
【0056】
【表5】
【0057】
結果５より、θ３＝４０度付近で、圧力損失が最小となることが理解される。
また、上述したｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌの式に当てはめて計算すると、θ３＝３２．７度となり、結果５にある程度近い値も得られる。
また、上述したｔａｎθ３＝ΔＨ／Ｌの式に当てはめて計算すると、θ３＝３２．７度となり、結果５にある程度近い値も得られる。
【0058】
さらに、冷却ガスの流速を５０ｍ／ｓとして、導入角度のθ３を１０～６０度の範囲で変化させた場合の、プローブの入口と分岐部の出口との間の圧力損失を、結果６に示す。
【0059】
【表6】
【0060】
この場合も、結果５と同様に角度θ３＝４０度付近で、圧力損失が最小となることが理解される。また、結果５と結果６とを比較すると、導入速度が１００ｍ／ｓから５０ｍ／ｓに変化した場合、圧力損失の値自体は大きく変動することも理解される。
【産業上の利用可能性】
【0061】
以上説明したように、本発明によれば、冷却ガスのプローブ内での逆流を抑制し、排ガスと冷却ガスとの混合を円滑にし冷却効率が高く、プローブ内の圧力損失の少ない、排ガス冷却装置及び方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【0062】
１ キルンからの排ガス用の配管
２ プローブ（円筒形）
３ 冷却ガス導入部
４ 分岐部
２ プローブ（円筒形）
３ 冷却ガス導入部
４ 分岐部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2021-08-30
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、
該プローブは円筒形であり、
該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却装置。
該プローブは円筒形であり、
該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項2】
請求項１に記載の排ガス冷却装置において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向と該プローブの中心軸に垂直な面とがなす角度は３０度以上であり、該冷却ガスの導入速度は４０～１５０ｍ／ｓであることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする排ガス冷却装置。
【請求項6】
セメント原料を焼成するキルンから排出される排ガスの一部を抽気し、前記抽気した排ガスと冷却ガスとを混合した混合ガスを排出する排ガス冷却方法において、
該排ガスと該冷却ガスとの混合は円筒形のプローブ内で行い、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却方法。
該排ガスと該冷却ガスとの混合は円筒形のプローブ内で行い、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項7】
請求項６に記載の排ガス冷却方法において、該導入部の開口の中心から該冷却ガスの導入方向への延長線上には、該プローブの円筒形の中心軸が配置されていないことを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項8】
請求項６又は７に記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向は、該プローブの円筒形の中心軸に沿って該排ガスの下流に向かう成分を有していることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項9】
請求項６乃至８のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向と該プローブの中心軸に垂直な面とがなす角度は３０度以上であり、該冷却ガスの導入速度は４０～１５０ｍ／ｓであることを特徴とする排ガス冷却方法。
【請求項10】
請求項６乃至９のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該プローブの該排ガスの入口に対し反対側に位置する端部は、閉塞されていることを特徴とする排ガス冷却方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
上記課題を解決するため、本発明の排ガス冷却装置及び方法は、以下の技術的特徴を有する。
（１） セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする。
（１） セメント原料を焼成するキルンと、該キルンから排出される排ガスの一部を抽気するプローブと、該プローブに冷却ガスを導入し、該排ガスと該冷却ガスとを該プローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、
該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0015】
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の排ガス冷却装置において、該冷却ガスの導入方向と該プローブの中心軸に垂直な面とがなす角度は３０度以上であり、該冷却ガスの導入速度は４０～１５０ｍ／ｓであることを特徴とする。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0017】
（６） セメント原料を焼成するキルンから排出される排ガスの一部を抽気し、前記抽気した排ガスと冷却ガスとを混合した混合ガスを排出する排ガス冷却方法において、該排ガスと該冷却ガスとの混合は円筒形のプローブ内で行い、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられており、該冷却ガスの導入方向又は導入速度は、該プローブの該排ガスの入口と該分岐部との間における圧力損失が最小になるように設定されていることを特徴とする。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0020】
（９） 上記（６）乃至（８）のいずれかに記載の排ガス冷却方法において、該冷却ガスの導入方向と該プローブの中心軸に垂直な面とがなす角度は３０度以上であり、該冷却ガスの導入速度は４０～１５０ｍ／ｓであることを特徴とする。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0022】
本発明は、排ガスと冷却ガスとをプローブ内で混合した混合ガスを排出する排ガス冷却装置及び方法において、該プローブは円筒形であり、該プローブの円筒形の周面の一部に、該排ガスの上流側に該冷却ガスの導入部を１カ所のみ設け、該排ガスの下流側に該混合ガスを排出する分岐部が１カ所のみ設けられているため、プローブの周面から入った冷却ガスが同じ周面から出るルートを確保でき、圧力損失の増大を抑制した排ガス冷却装置及び方法を提供することが可能となる。