CN106461552B

CN106461552B - 气体分析装置

Info

Publication number: CN106461552B
Application number: CN201580024502.0A
Authority: CN
Inventors: 井户琢也; 平田泰士; 中川聪朗
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: WO2016059974A1; JPWO2016059974A1; JP6462710B2; US9835556B2; DE112015004710T5; CN106461552A; US20170082537A1

Abstract

本发明提供一种气体分析装置，其利用光学测定系统测定配管内流动的气体的浓度，防止安装于配管侧壁的探测器的根部和凸缘发生腐蚀。气体分析装置(1)具备探测管(11)、凸缘(13)、光学系统部件和加热器(31)。探测管(11)包括用于向烟道(50)内流动的试样气体(S)的规定的测定区域投射测定光和/或接收来自测定区域的测定光的光路。凸缘(13)固定于探测管(11)的外周，且装配于配管侧壁(21)。光学系统部件对测定区域内的试样气体(S)投射测定光和/或接收来自测定区域的测定光。加热器(31)设置在凸缘(13)内，对探测管(11)与凸缘(13)的固定部分进行加热。

Description

气体分析装置

技术领域

本发明涉及气体分析装置，特别是涉及向配管内流动的试样气体中投射测定光和/或接收测定光来分析规定成分的浓度的气体分析装置。

背景技术

在燃烧煤或重油的锅炉、垃圾焚烧炉排出的燃烧废气中，含有硫氧化物(SO_x)、氮氧化物(NO_x)、二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、HCl、NH₃等成分。

作为用于分析气体中所含的各成分的含有量的气体分析装置，例如存在如下装置：以与配管中的气体流路交叉的方式配置探测器，使从光源向气体射出的测定光由配置在探测器的顶端部的反射器反射，并基于反射的测定光的信息对试样气体的成分浓度进行分析(例如参照专利文献1)。

气体分析装置的探测器为测定光经过其内部的中空的管形状。探测器被配置成与烟道内的气体流路交叉。探测器固定有环状的凸缘，凸缘被安装于配管侧壁。

在探测器的基端部设置有向探测器内射出测定光的发光部和接收反射光的受光部。在探测器的顶端部设置有将来自发光部的测定光向受光部侧反射的反射器。

在上述的气体分析装置中，烟道中的气体通过扩散而被导入探测器内，由受光部接收从发光部射出并被反射器反射的测定光，能够根据该测定光的特性分析气体中的各成分。

专利文献1：美国专利第5781306号说明书

发明人研究了这种以往的气体分析装置，重新关注下述的问题。在气体分析装置中，探测器被高温(例如100℃～400℃)的烟道废气加热，不过探测器的根部侧部分和凸缘的固定部分的温度不会充分升高(例如低于100℃)。另外，气体中所含的成分(特别是酸成分的影响较大)有时会引起露点上升，导致在上述部分产生结露，因此发生腐蚀。如果探测器的根部发生腐蚀，则探测器的芯直度恶化，从而产生光轴偏移的问题。因此，应对上述的腐蚀问题对于确保气体分析计的分析精度而言尤为重要。

发明内容

本发明的课题在于，对于利用光学测定系统测定配管内流动的气体的浓度的气体分析装置，防止安装于配管侧壁的探测器的根部和凸缘发生腐蚀。

以下，对作为用于解决课题的手段的多个方式进行说明。这些方式能够根据需要进行任意组合。

本发明的一个观点的气体分析装置包括管状部件、环状凸缘、光学系统部件和加热器。管状部件延伸至配管内，并且在内部包括用于向所述配管内流动的试样气体的规定的测定区域投射测定光和/或接收来自测定区域的测定光的光路。环状凸缘利用焊接部固定于管状部件的外周，且通过装配于配管侧壁而至少使所述焊接部曝露于所述配管内流动的所述试样气体。光学系统部件对测定区域内的试样气体投射测定光和/或接收来自测定区域的测定光。加热器以直接接触的方式安装于环状凸缘，对所述焊接部进行加热，至少防止所述配管内流动的所述试样气体导致所述管状部件的外周面和所述焊接部发生腐蚀。

在该气体分析装置中，利用加热器加热管状部件与环状凸缘的固定部分。特别是由于加热器设置在环状凸缘内，因此与凸缘自身的热传导率无关，管状部件与环状凸缘的固定部分处的加热效果较高。其结果，能够容易地升高至所希望的温度，由此不易在管状部件与环状凸缘的固定部分产生结露，其结果，也不易发生腐蚀。

气体分析装置还可以包括隔热部件，所述隔热部件覆盖加热器和环状凸缘以便将加热器和环状凸缘与外部空气隔绝。

在这种情况下，不易从探测器和环状凸缘散热。因此，加热器的加热效率提高。

气体分析装置还可以包括隔热连接结构，所述隔热连接结构在管状部件中配置于环状凸缘与光学系统部件之间，将两侧隔热连接。

在这种情况下，不易从探测器和环状凸缘向光学系统部件侧传递热量。因此，光学系统部件不会被曝露于高温。

根据本发明的一个观点，加热器配置于形成在环状凸缘的外周面上的孔。由此，加热器容易装配。

根据本发明的一个观点，加热器能够相对于孔进行装拆。由此，加热器的更换作业变得容易。

根据本发明的一个观点，加热器相对于环状凸缘沿周方向隔开地配置多个。由此，加热器能够对环状凸缘整体进行加热。

根据本发明的一个观点，探测管与凸缘通过焊接固定，加热器直接对焊接部进行加热。由此，即使焊接部由于焊接时的组分比的变化而导致耐腐蚀性降低，通过直接加热焊接部从而不易发生腐蚀。

在本发明的气体分析装置中，对于利用光学测定系统测定配管内流动的气体的浓度的气体分析装置而言，借助凸缘安装于配管侧壁的探测器不易发生腐蚀。

附图说明

图1为第一实施方式的气体分析装置的概略剖视图。

图2为图1的局部放大图。

图3为凸缘部的俯视图。

图4为第二实施方式的气体分析装置的概略剖视图。

图5为图4的局部放大图。

附图标记说明

1 气体分析装置

11 探测管

13 凸缘

13a 内周侧主面

19 调温机

25 空间

27 装配部

31 加热器

33 隔热部件

37 隔热连接结构

39 温度传感器

41 焊接部

43 外周面

50 烟道

101 气体分析装置

111 探测管

113 凸缘

131 加热器

S 试样气体

具体实施方式

1.第一实施方式

(1)整体结构

图1为第一实施方式的气体分析装置的概略剖视图。图2为图1的局部放大图。

气体分析装置1是用于将烟道50内流动的试样气体S通过扩散而导入，并对其进行分析的装置。烟道50由配管构成。

气体分析装置1主要具有探测管11(管状部件的一例)、分析单元12和凸缘13。

分析单元12具备发光部15及受光部16(光学系统部件的一例)和控制部17。

发光部15为光源，该光源经由导光管14和探测管11对作为测定对象的气体射出作为测定光的激光束。发光部15可以由用于照射直线前进性高的规定波长范围的光的红外线激光振荡装置等构成。

受光部16是接收穿过烟道内的测定对象气体而射入的测定光的受光元件。

控制部17控制来自发光部15的激光束的射出，并基于由受光部16接收的测定光，对作为测定对象的气体进行成分分析。

探测管11形成为内部中空的圆筒状，并配置为与在配管的配管侧壁21内部构成的烟道50内的试样气体S垂直。探测管11的材质优选使用具有耐热性和耐腐蚀性的不锈钢等金属材料。

在探测管11的测定区域设置有位于试样气体S的下游侧且用于向探测管11内导入气体的开口11a。开口11a的个数、位置、形状并无特别限定。

在探测管11的顶端部设置有用于反射从分析单元12的发光部15射出的测定光的反射器20。反射器20将从发光部15射出的测定光向受光部16侧反射，可以由角隅棱镜(corner cube)构成。

凸缘13是用于将探测管11固定于配管侧壁21的部件。如图2所示，凸缘13利用焊接部41(图2)固定于探测管11。凸缘13由例如不锈钢构成。

气体分析装置1被安装于配管侧壁21的安装孔23。具体地说，如图2所示，在安装孔23的分析单元12侧设置有装配部27，前述的凸缘13通过螺栓固定于装配部27。利用以上的结构，在安装孔23的内周面与探测管11的外周面43(特别是固定有凸缘13的根部部分)之间确保了环状的空间25，来自烟道50的试样气体S流入环状的空间25内。其结果，探测管11的外周面43(特别是固定有凸缘13的根部部分)、凸缘13的内周侧主面13a和烟道侧的焊接部41被曝露于试样气体S。

在本实施方式中，包含第二反射器43的驱动机构42设置于分析单元12侧。第二反射器43将测定光向受光部16反射，例如为角隅棱镜。能够在第二反射器43与分析单元12之间的空间填充已知的气体、量程气体(span gas)和零点气体(zero gas)。驱动机构42包括弹簧和气缸。驱动机构42在进行成分浓度的分析时使第二反射器43脱离光路，在进行修正或者校正时将第二反射器43配置在光路上。

(2)腐蚀问题和加热器

根据以往技术，烟道50内的试样气体S的温度为100℃～400℃，而在空间25中，试样气体的温度下降，由此产生结露。结露后的水分附着于探测管11的外周面43、凸缘13的内周侧主面13a和烟道侧焊接部41。烟道废气中含有酸，因此在结露的各部分发生腐蚀。此外，作为腐蚀的主要原因的气体为氯化氢(HCl)、硫氧化物(SO_X)、氮氧化物(NO_X)。

因此，在本实施方式中，通过设置加热器31来防止空间25内的结露和上述部分的腐蚀。加热器31被直接安装于凸缘13。更具体地说，加热器31被装配于凸缘13的内部。再具体地说，如图2和图3所示，加热器31被装配于从凸缘13的外周面向中心侧延伸的孔内。加热器31的数量为多个，在本实施方式中为四个。另外，加热器31沿圆周方向等间隔配置。在该实施方式中，加热器31为筒式加热器。

加热器31被图1的调温机19控制。调温机19是基于各种条件控制加热器31以避免在上述部分产生结露的装置。调温机19具有通过控制对加热器31的供电量从而控制其输出的控制部。调温温度根据废气条件和现场环境而适当地设定。现场环境例如是废气温度、共存水蒸气浓度、共存酸盐基气体种类、周围温度、对象管道的形状。

另外，如图1所示，在空间25设置有用于检测烟道50内的温度的温度传感器39。调温机19也可以基于来自温度传感器39的信号进行控制动作。

在探测管11的测定区域两端设置有用于供给吹扫气体的吹扫单元18。吹扫气体用于避免发光部15、受光部16、反射器20等光学系统部件曝露于试样气体。吹扫气体经由导光管14向探测管11供给。另外，利用配置于导光管14和探测管11内的吹扫气体供给管(未图示)，向探测管11的顶端部供给吹扫气体。

在进行反射光学系统测定的情况下，基于从发光部15射出并经过探测管11的内部，再由反射器20反射并再次经过探测管11的内部，进而在受光部16接收的测定光，进行分析。

(3)加热器的详情

加热器31被装配于凸缘13内，对探测管11与凸缘13的固定部分进行加热。由于加热器31被装配于凸缘13内，因此上述的固定部分处的加热效果较高。其结果，能够容易地升高至所希望的温度，由此在探测管11与凸缘13的固定部分不易产生结露，其结果是也不易发生腐蚀。

这样，由于加热器31直接加热的对象为凸缘13内部，因此即便凸缘例如由不锈钢等热传导率低的物质形成，也能够容易地升高凸缘13附近的温度。换句话说，耗电变小。另外，由于加热器31被直接安装于凸缘13，因此加热结构在气体分析装置1中不会占据大的空间。

其结果，维持了探测管11内的光轴的直线性，能够长时间地进行准确的气体分析。

特别是由于加热器31对探测管11与凸缘13的固定部亦即焊接部41直接进行加热，所以腐蚀防止效果高。一般而言，焊接部由于焊接时的组分比的变化而存在耐腐蚀性降低的情况。在本实施方式中，即便在这种情况下，通过加热焊接部41而不易发生腐蚀。此外，当然加热器31在防止焊接部41以外的部分的腐蚀方面也具有效果。另外，由于加热器31直接加热焊接部41，因此加热结构小型化。

此外，例如在烟道废气温度低的情况下，在废气中共存的HCl、SO_X、NO_X等酸成分的浓度高，露点上升变大。在周围温度低的情况下，尤其在对象管道存在圆弧部的情况下会产生问题。

特别是由于加热器31设置在凸缘13内，因此加热器31对凸缘13的加热效率提高。这是由于来自加热器31的热量不易向凸缘13的外部逸出。另外，在本实施方式中，能够仅仅通过在凸缘13内加工孔而安装加热器31，因此无需重新设置特别的结构。另外，能够容易地将加热器31插入凸缘13的孔或者从中取出，因此更换作业容易。

加热器的种类、个数、设置方法和设置位置并无特别限定。加热器可以为一个。在加热器为多个的情况下，彼此之间的配置位置关系、各自的控制条件能够适当地设定。不过，优选加热器设置在接近凸缘的中心侧的位置。这是为了充分加热焊接部41。

加热器31加热上述空间25的目标温度只要能够得到上述效果，则并无特别限定，例如为100℃以上。

加热器31可以仅在焚烧炉运转中进行加热，也可以在焚烧炉停止运转且试样气体S不在烟道50中流动时进行加热。

(4)隔热部件

气体分析装置1还具有隔热部件33。隔热部件33是用于覆盖加热器31和凸缘13以便将加热器31和凸缘13与外部空气隔绝的部件。如图1所示，隔热部件33覆盖加热器31和凸缘13。另外，隔热部件33还覆盖装配部27。隔热部件33例如为硅胶。隔热部件33由罩35覆盖。

利用隔热部件33提高凸缘13处的保温效果。因此，能够将对于加热器31的供电抑制得较低，并且充分加热凸缘13。

此外，隔热部件的材料、量、形状、配置位置并不局限于所述实施方式。

另外，也可以省略隔热部件。

(5)隔热连接结构

气体分析装置1还具有隔热连接结构37。隔热连接结构37在探测管11中配置于凸缘13与发光部15及受光部16之间，是将两侧隔热连接的结构。更具体地说，隔热连接结构37配置在凸缘13与驱动机构42之间。

隔热连接结构37例如是在将筒状部件彼此连结的部位不使金属彼此接触的结构，例如利用玻璃环氧树脂构成的部件和O形环等来实现。利用隔热连接结构37，使加热器31产生的热量不易向发光部15及受光部16侧传递。特别是由于发光部15和受光部16的耐热性较低，因此重要的是相对于调温高温隔热。另外，由于驱动机构42容易热膨胀，因此隔热连接结构37所产生的隔热连接较为有效。

(6)实验结果

本申请的申请人使用上述气体分析装置1持续数月以上对腐蚀的发生和防止进行了实验。在未使用加热器的以往的气体分析装置中，在一个月以内，探测管、凸缘发生腐蚀，表面的金属光泽消失。与之相对，在使用了加热器的气体分析装置中，即使经过了九个月，各部件仍然没有发生腐蚀，表面的金属光泽得以维持。

2.第二实施方式

在所述第一实施方式中，固定于探测管的凸缘直接固定于配管侧壁，不过凸缘的安装结构并无特别限定。

使用图4和图5对凸缘的安装结构的其他实施方式进行说明。

气体分析装置101被安装在构成烟道50的配管侧壁21的安装部52上。安装部52例如由安装于配管侧壁21的安装孔23的设置用管54构成。

设置用管54是具有比气体分析装置101的探测管111的外径大的内径的圆筒状的部件，通过焊接或螺钉固定等而固定于配管侧壁21。

另外，设置用管54具备用于固定气体分析装置101的安装凸缘55，气体分析装置101的凸缘113被焊接或者螺钉固定于该安装凸缘55，由此将气体分析装置101间接地固定于配管侧壁21。在探测管111与设置用管54之间确保了空间56。

设置有遮挡板30，以避免烟道50内流动的试样气体S的一部分流入这样的探测管111与设置用管54之间的空间56。遮挡板30被设置成位于配管侧壁21的内表面22附近。这样，由于遮挡板30设置在烟道50侧，因此抑制试样气体S流入空间56。遮挡板30为固定于探测管111的外周面的圆板状的部件，外周缘与设置用管54的内周面接近或者抵接。在接近的情况下，从隔绝试样气体S的角度考虑，优选缝隙较小。另外，在抵接的情况下，空间56被遮挡，对试样气体的隔绝效果升高。

在图示的例子中，沿探测管111的长度方向以规定间隔配置三个遮挡板30。这样，由于多个遮挡板30在探测管111的轴向隔开缝隙配置，因此试样气体S不易流入空间56。

此外，如果除了设置遮挡板30之外，还如后述的第三实施方式那样向空间56供给吹扫气体，则能够进一步有效地防止试样气体S流入空间56。

根据以上的结构，如图5所示，在设置用管54的内周面与探测管111的外周面143(特别是固定有凸缘113的根部部分)之间确保了环状的空间56，来自烟道50的试样气体S被限制并流入环状的空间56内。其结果，探测管111的外周面143(特别是固定有凸缘113的根部部分)、凸缘113的内周侧主面113a和烟道侧的焊接部141被曝露于试样气体。

在本实施方式中，通过设置加热器131来防止空间56内的结露，由此防止上述部分的腐蚀。加热器131被直接安装于凸缘113。更具体地说，加热器131被装配于凸缘113的内部。再具体地说，如图5所示，加热器131被装配于从凸缘113的外周面向中心侧延伸的孔内。加热器131的种类、个数、配置位置和控制单元与第一实施方式的情况下相同。

如图4所示，气体分析装置101还具备隔热部件133。隔热部件133是覆盖加热器131和凸缘113以便将加热器131和凸缘113与外部空气隔绝的部件。如图4所示，隔热部件133覆盖加热器131和凸缘113。另外，隔热部件133还覆盖设置用管54的一部分。隔热部件133由罩135覆盖。

利用隔热部件133使凸缘113处的保温效果升高。因此，能够将对于加热器131的供电抑制得较低并且充分加热凸缘113。

3.第三实施方式

作为其他的实施方式，在第一实施方式和第二实施方式的结构的基础上，还可以通过向探测管与壁内周面之间的空间供给吹扫气体，从而使废气不易进入所述空间内。由此，前述的腐蚀不易发生。

可以在加热器加热的同时进行吹扫气体的供给，也可以在设置气体分析装置时之类的加热器未进行加热时进行吹扫气体的供给。

另外，可以通过由吹扫气体进行稀释而使试样气体S的露点降低。

4.其他实施方式

以上对本发明的多个实施方式进行了说明，不过本发明并不局限于上述实施方式，可以在不脱离发明要旨的范围内进行各种变更。特别是可以根据需要将本说明书中记载的多个实施方式和变形例进行任意组合。

例如，管状部件并不局限于探测管。管状部件只要包含用于向配管内流动的试样气体的规定的测定区域投射测定光和/或接收来自所述测定区域的测定光的光路即可。

气体分析装置并不局限于进行反射式光学系统测定的气体分析装置，也可以是进行透射式光学测定的气体分析装置。

探测管的形状并不局限于前述的结构，只要是具有可供测定光经过的内部中空的结构即可，其剖面可以为多边形、椭圆形或者这些形状的复合形状。

所述实施方式的气体分析装置以燃烧废气作为分析对象，不过也能够以各种工艺气体等作为对象。

工业实用性

本发明能够广泛地应用于向配管内流动的试样气体中投射测定光和/或接收测定光从而对规定成分的浓度进行分析的气体分析装置。

Claims

1.一种气体分析装置，其特征在于，包括：

管状部件，其延伸至配管内，并且在内部包括用于向所述配管内流动的试样气体的规定的测定区域投射测定光和/或接收来自所述测定区域的测定光的光路；

环状凸缘，其利用焊接部固定于所述管状部件的外周，且通过装配于配管侧壁而至少使所述焊接部曝露于所述配管内流动的所述试样气体；

光学系统部件，其对所述测定区域内的试样气体投射所述测定光和/或接收来自所述测定区域的测定光；以及

加热器，其以直接接触的方式安装于所述环状凸缘，对所述焊接部进行加热，至少防止所述配管内流动的所述试样气体导致所述管状部件的外周面和所述焊接部发生腐蚀。

2.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，所述气体分析装置还包括隔热部件，所述隔热部件覆盖所述加热器和所述环状凸缘以便将所述加热器和所述环状凸缘与外部空气隔绝。

3.根据权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，所述气体分析装置还包括隔热连接结构，所述隔热连接结构在所述管状部件中配置于所述环状凸缘与所述光学系统部件之间，将两侧隔热连接。

4.根据权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，所述加热器安装于所述环状凸缘的外周部。

5.根据权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，所述管状部件的外径小于所述配管的安装孔的内径，由此划定从所述配管的内侧延伸至固定于所述管状部件的所述环状凸缘的内周部的空间。