CN107430068A - So3分析方法和分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可以不进行前处理而准确且迅速地测量废气中的SO3浓度的SO3分析装置及分析方法。所述SO3分析装置具备：光源(11)，对包含SO3、CO2和H2O的废气(1)照射激光(2)；光接收器(13)，接收对废气(1)照射的上述激光(2)；控制装置(14)的光源控制部(14a)，将光源(11)所照射的上述激光(2)的波长控制为4.060μm～4.182μm；以及控制装置(14)的浓度演算部(14b)，基于来自光接收器(13)的输出和来自光源控制部(14a)的参照信号，利用红外分光法演算SO3浓度。
Description
技术领域
本发明涉及SO3分析方法和分析装置。
背景技术
近年来，以各种重质油或煤为燃料的燃烧厂房设备不断增加。这些重质油和煤包含大量的硫分(以下记作S分)，因此若使其简单地燃烧，则导致产生大量的二氧化硫(以下记作SO2)、三氧化硫(以下记作SO3)。
尤其，就SO3而言，若在同一气体中存在水蒸气(以下记作H2O)，则变成硫酸(以下记作H2SO4)。因此，作为酸雨的原因物质之一，根据大气污染防止法而被指定为特定物质。
需要说明的是，在燃烧厂房设备中，为了使所排出的废气中的SO3浓度达到一定以下而添加氨(以下记作NH3)等中和剂，制成固态的中和生成物，将其利用除尘装置除去。但是，目前为止还难以连续地测量SO3，因此无法最佳地控制NH3的注入量。若NH3的注入量过多，则硫酸铵大量产生，成为除尘装置堵塞的原因，相反，若NH3的注入量过少，则因H2SO4而成为产生腐蚀的原因，因此只能使上述机械设备在短期内连续运转。
以往，SO3的测量分析有：对气体进行湿式取样，将总量以H2SO4的形式回收，进行化学分析(也包括液相色谱分析)的方法；进行气体取样，在除尘后，利用傅里叶变换红外分光(FT-IR：Fourier transform infrared spectroscopy)等长波长中红外(7μm附近)分光装置进行光学分析的方法。
另外，近年来，开发、研究并市售了一种气体分析装置，其对气体进行取样，并使用长波长中红外的量子级联激光器(以下，记作QCL：Quantum Cascade Laser)对SO3进行连续分析(例如参照下述非专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3943853号公报
非专利文献
非专利文献1：使用红外激光分光法的烟道废气中SOx测量技术的开发“-高温中的SOx的吸收特性评价-”电力中央研究所报告、火力发电、报告书编号H08006、平成21年4月(赤外レ一ザ一分光法を用いた煙道排ガス中SOx計测技術の開凳「一高温にぉけるSOxの吸収特性評価一」電力中央研究所報告、火力発電、報告書番号HO8006、平成21年4月)
非专利文献2：O.Tadanaga，T.Yanagawa，Y.Nishida，H.Miyazawa，K.Magari，M.Asobe，H.Suzuki，“Efficient 3-μm difference frequency generation usingdirect-bonded quasi-phase-matched LiNbO3ridge waveguides”，2006年，APPLIEDPHYSICS LETTERS，Vol.88，No.6，061101-1-061101-3.
非专利文献3：“Acid Dewpoint Temperature Measurement and its use inEstimating Sulfur Trioxide Concentration”、p.1-12、[online]、[平成27年3月l8日检索]、Internet<URL：http://www.ametekpi.com/download/Sulfur-Trioxide-Concentrations.pdf＞
发明内容
发明要解决的问题
然而，即使是非专利文献1记载的气体分析装置，也需要用于除尘和H2O稀释的干燥空气或氮气(以下记作N2)等的注入等前处理，进而，为了减少共存气体的干扰而在减压状态下进行分析，存在耗费成本和工时的问题。另外，由于经过取样、前处理工序，因此难以实时地观测SO3浓度。
另外，在基于利用长波长中红外光(7μm)的QCL的分析、FT-IR分析中，由于窗材只能利用潮解性高的CaF2、MgF2等，因此不能直接测量包含大量H2O的燃烧废气。另外，由于在7μm带域中SO3的吸收线与H2O的吸收线接近，因此难以避开干扰进行测定。
基于以上情况，本发明为为了解决如上所述的问题而完成的发明，其目的在于提供能够不进行前处理而直接测量废气中的SO3浓度的SO3分析方法及分析装置。
用于解决问题的手段
解决上述问题的第一发明的SO3分析装置的特征在于，具备：照射机构，对包含SO3、CO2和H2O的气体照射激光；光接收机构，接收对上述气体照射并透过该气体的激光；波长控制机构，将上述照射机构所照射的上述激光的波长控制为4.060μm～4.182μm带域的SO3的吸收波长；以及SO3浓度演算机构，基于来自上述光接收机构的输出和来自上述波长控制机构的参照信号利用红外分光法演算SO3浓度。
解决上述问题的第二发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明的SO3分析装置中，上述波长控制机构将上述激光的波长控制为4.093μm～4.098μm、4.1045μm～4.1065μm、4.110μm～4.115μm、4.117μm～4.126μm或4.131μm～4.132μm。
解决上述问题的第三发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明或第二发明的SO3分析装置中，上述照射机构包含非线性光学晶体，基于波长λ1的激光和波长λ2的激光的输入所产生的差频来产生满足1/λ3＝1/λ1-1/λ2的波长λ3的激光，并输出该波长λ3的激光。
解决上述问题的第四发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明～第三发明中的任一发明的SO3分析装置中，具备测量上述气体的温度的温度测量机构，上述SO3浓度演算机构还使用上述温度测量机构所测量的上述气体的温度利用红外分光法演算SO3浓度。
解决上述问题的第五发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明～第四发明中的任一发明的SO3分析装置中，具备测量上述气体的压力的压力测量机构，上述SO3浓度演算机构还使用以上述压力测量机构测量的上述气体的压力利用红外分光法演算SO3浓度。
解决上述问题的第六发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明～第五发明中的任一发明的SO3分析装置中，具备：H2O浓度测量机构，对上述气体中的H2O浓度进行测量；和H2SO4浓度演算机构，通过采用利用上述SO3浓度演算机构计算出的SO3浓度和该H2O浓度测量机构所测量的H2O浓度的平衡计算，演算H2SO4浓度。
解决上述问题的第七发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第一发明～第六发明中的任一发明的SO3分析装置中，具备抽出上述气体的抽出机构，上述照射机构对上述抽出机构所抽出的上述气体照射上述激光。
解决上述问题的第八发明的SO3分析装置的特征在于，在上述第七发明的SO3分析装置中，具备对利用上述抽出机构所抽出的上述气体进行加热的加热机构。
解决上述问题的第九发明的SO3分析方法的特征在于，利用照射机构对包含SO3、CO2和H2O的气体照射利用波长控制机构将波长控制为4.060μm～4.182μm的激光；利用光接收机构接收对上述气体照射的上述激光；以及基于来自上述光接收机构的输出和来自上述波长控制机构的参照信号利用红外分光法演算SO3浓度。
发明效果
根据本发明，能够进行以往所不能实现的SO3浓度的原位(in-situ)测量(直接测量)，并且无需在燃烧厂房设备上安装测量窗等大幅度工程，因此即使在抽出气体进行取样测量的情况下，也能无前处理而准确且迅速地测量废气中的SO3浓度。
附图说明
图1A为表示本发明的主要实施方式的SO3分析方法中的SO3吸收光谱的说明图。
图1B为表示本发明的主要实施方式的SO3分析方法中的H2O吸收光谱的说明图。
图2A为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为141ppm时的4.040μm-4.180μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图2B为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为76ppm时的4.040μm-4.180μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图2C为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为16.5ppm时的4.040μm-4.180μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图3A为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为14lppm时的4.040μm-4.200μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图3B为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为76ppm时的4.040μm-4.200μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图3C为表示为了确认上述SO3分析方法的效果而实施的、SO3浓度为16.5ppm时的4.040μm-4.200μm波长范围下的FT-IR测量试验结果及基于吸收光谱数据库得到的共存气体的影响评价的图示。
图4为表示上述SO3浓度与波长4.18μm附近的信号强度的关系的图示。
图5为表示SO3光谱的一例的图示。
图6为本发明的第一实施例的SO3分析装置的结构示意图。
图7为表示上述SO3分析装置所具备的光源的一例的图。
图8为表示SO3光谱与气体中的H2O量的关系的图示。
图9为表示平衡SO3浓度与由信号强度换算的SO3浓度的关系的图示。
图10为本发明的第二实施例的SO3分析装置的结构示意图。
图11为表示由上述SO3分析装置所具备的1个光源同时测量SO3浓度、H2O浓度和温度时的结果的图示。
图12为表示由以往的H2O浓度测量装置测量的H2O浓度与由信号强度换算的H2O浓度的关系的图示。
图13为表示平衡SO3浓度与由信号强度换算的SO3浓度的关系的图示。
具体实施方式
基于附图对本发明的SO3分析方法和分析装置的主要实施方式进行说明，但是，本发明并不仅限定为基于附图所说明的以下的主要实施方式。
[主要实施方式]
首先，发明人等利用文献库对中红外区域(2μm～20μm)的SO3光谱的信息进行了调查。其结果发现：如图lA所示，与在以往的光学测量中所使用的7μm附近的光谱(图1A中的箭头X2)不同，在4.1μm附近具有强吸收光谱(图1A中的箭头X1)。认为：若利用该波长区域，则避免了因测量窗具有潮解性而无法测量包含大量H2O的气体的SO3浓度的上述问题，可以将无潮解性且高强度的蓝宝石应用于窗板，可以进行气体的原位测量。另外，同样地利用文献库对中红外区域(2μm～20μm)的H2O光谱的信息进行了调查，结果认为：如图1B所示，虽然在7μm附近具有强光谱(图1B中的箭头Y2)，但在4.1μm附近无强吸收光谱(图1B中的箭头Y1)，因此几乎不会受到在通常的光学测量中尤其成为问题的H2O共存的影响。
但是，关于该波长区域的详细信息，在学术论文等文献中完全未记载，图1A，1B的信息的准确性尚未确认。因此，并不知道测定哪个吸收线会适合于气体浓度分析，在以往的技术范围内，无论本领域技术人员如何设计和想办法，均无法实现基于4μm带域中的气体吸收分光的SO3分析方法及分析装置。
为此，为了掌握在该带域附近的吸收光谱，进行利用波长分辨率低至0.5cm-1但是能够测量宽波长区域的FT-IR来测量的实验。条件如下：光路长为5.1m、气体温度为约200℃、气体压力为约1atm、SO3浓度变为14lppm，76ppm，16.5ppm。作为共存气体，添加浓度10％以下的CO2。另外，同时，使用通常的吸收光谱数据库(不包含SO3的数据)同时评价了CO2的影响。此次，虽然不添加H2O，但是通过吸收光谱数据库对添加浓度10％的H2O时的影响也一并进行了评价。其结果如图2A～C和图3A～C所示。由图2A～C和图3A～C所明示的那样，在FT-IR的包络线形状与吸收光谱数据库的CO2光谱的包络线形状大体一致的区域中的峰位置，与利用吸收光谱数据库计算的CO2大体一致，判明它们并非SO3峰。另一方面，与CO2光谱的包络线形状产生差异的区域为SO3光谱波长区域，如图2A～C和图3A～C所示，由与CO2光谱的包络线形状的比较可以确认：SO3光谱波长区域从4.060μm开始持续至4.182μm为止。另外确认到：由H2O产生的干涉并没有大到使得显著难以测定SO3浓度。
在此，在4.18μm附近且无CO2的影响的波长区域对光谱强度和SO3浓度进行比较的结果如图4所示。如该图4所示，确认到：在未受到CO2的影响的波长区域，光谱强度与SO3浓度完全相关。
为此，接下来，使用将在后文叙述详细情况的、基于产生差频的光源，在4.040μm～4.200μm的范围以高波长分辨率测量SO3浓度为约150ppm(利用在测定范围不具有强吸收的非活性气体使其平衡至总压达到恒定)、温度为约300℃、压力为约1atm的气体。在此，在4.093μm～4.101μm的波长范围的SO3吸收光谱的测量结果如图5所示。如图5所示，在A1、A2、A3三个区域中确认到吸收测定的信号强度中具有由SO3的吸收引起的峰。另外，在4.1045μm～4.1065μm、4.110μm～4.115μm、4.117μm～4.126μm、4.131μm～4.132μm的波长范围中也与4.093μm～4.101μm的波长范围同样地确认到在吸收测定的信号强度中具有由SO3的吸收引起的峰。即，在4.060μm～4.182μm的波长范围中确认到具有多个SO3光谱。因此首次发现：通过使用上述光源，并使用利用上述的高波长分辨率测量得到的SO3吸收光谱，从而可以进行气体中的SO3浓度的原位测量。另外，由使用上述的吸收光谱数据库的评价，发现：即使在几乎不受到CO2、H2O的吸收峰的影响的区域也存在SO3吸收峰。这样，首次发现：即使测量对象气体在包含SO3的同时还包含CO2、H2O，也能够进行气体中的SO3浓度的原位测量。
接着，基于附图对本发明的SO3分析方法和分析装置进行说明，但是，本发明并不仅限定于基于附图所说明的以下实施例。
[实施例1]
使用图6～图9对本发明的第一实施例的SO3分析装置进行说明。
如图6所示，本实施例的SO3分析装置10A具备光源11、窗部12a，12b、光接收器13、控制装置14、水分浓度测量器15a、温度测量器15b和压力测量器15c。上述控制装置14具备光源控制部14a、浓度演算部14b。浓度演算部14b基于来自光接收器13的光接收信号、来自水分浓度测量器15a的水分浓度信号、来自温度测量器15b的温度信号、来自压力测量器15c的压力信号和来自光源控制部14a的光源控制参照信号来演算SO3浓度、H2SO4浓度和总SO3浓度并将其输出。
上述窗部12a，12b对向地配置在废气1所流动的烟道105，可以透过激光2。作为上述窗部12a，12b，优选使用例如蓝宝石制的窗部。这是因为：无潮解性，无需进行更换窗部等维护。
上述光接收器13接收由上述光源11照射且通过窗部12a、烟道105和窗部12b的激光2。通过上述光接收器13得到的光强度信号(光接收信号)被输出至上述控制装置14的浓度演算部14b。
上述水分浓度测量器15a被设置成测量与上述烟道105中的激光测量位置大体相同位置的废气1中的水分浓度，可以测量在上述烟道105内流通的废气1的水分浓度。将利用上述水分浓度测量器15a所测量的测量结果、即废气1中的水分浓度被转换为水分浓度信号的该水分浓度信号输出至上述控制装置14的浓度演算部14b。
上述温度测量器15b被设置成测量与上述烟道105中的激光测量位置大体相同位置的温度，可以测量在上述烟道105内流通的废气1的温度。将利用上述温度测量器15b所测量的测量结果、即废气1的温度被转换成温度信号的该温度信号输出至上述控制装置14的浓度演算部14b。
上述压力测量器15c被设置成测量与上述烟道105中的激光测量位置大体相同位置的压力，可测量在上述烟道105内流通的废气1的压力。将利用上述压力测量器15c所测量的测量结果、即废气1的压力被转换成压力信号的该压力信号输出至上述控制装置14的浓度演算部14b。
上述光源控制部14a对上述光源11发送控制信号来控制上述光源11所照射的激光2的波长，并且将光源控制参照信号发送至浓度演算部14b。上述光源控制参照信号是具有根据上述光源控制信号上述光源11所照射的激光的波长信息的信号。
上述浓度演算部14b演算SO3浓度，并输出该SO3浓度的信号。上述浓度演算部14b基于由上述光源控制部14a发送的上述光源控制参照信号、由上述光接收器13得到的光接收信号、由上述水分浓度测量器15a发送的水分浓度信号、由上述温度测量器15b发送的温度信号和由上述力测量器15c发送的压力信号，利用红外分光法进行上述SO3浓度的演算。但是，水分浓度、气体温度和气体压力是已知的且为大体固定条件的情况下，即使经常不参照这些信号，也能演算SO3浓度。
在此，使用图7对上述光源11和上述光源控制部14a的一例进行说明。需要说明的是，在图7中，从光源控制部14a输出至2个近红外半导体激光器11a，11b的虚线和点划线分别表示温度控制信号线和电流控制信号线。从光源控制部14a输出至非线性光学晶体11e的虚线表示温度控制信号线。
如图7所示，光源11具备波长不同的2个近红外半导体激光器(以下，称为NIR-LD，波长：λ1＜λ2)11a，11b、反射镜(mirror)11c、合波器11d和非线性光学晶体11e。在此种构成的光源11中，从第一(一个)NIR-LD11a振荡的波长λ1的激光经由反射镜11c和合波器11d输入非线性光学晶体11e，并且从第二(另一个)NIR-LD11b振荡的波长λ2(λ2＞λ1)的激光经由合波器11d输入非线性光学晶体11e，照射作为其差频光的短波长中红外波长λ3的激光(1/λ3＝1/λ1-1/λ2)。该差频的产生是基于二次非线性光学效应，并且在二次非线性光学晶体中发生。作为二次非线性光学晶体，熟知的为非线性常数大的铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、磷酸氧钛钾(KTP)。
进而，为了有效地利用非线性常数，需要使入射和出射的激光即λ1、λ2、λ3在各波长下的相位整合，从而使用角度整合法或模拟相位整合法。例如，在非专利文献2中，通过将LN用作非线性光学晶体，并引入周期极化反转结构，从而达成模拟相位整合，并通过进一步引入波导结构，从而高效率地产生3μm带域的中红外光。在非专利文献2中，虽然产生3μm带域的光，但是例如为了产生2μm～5μm区域的所期望的波长λ3的短波长中红外光，只要适当选择处于近红外区域的波长λ1、波长λ2即可。
此时，通过将在通信用途等中具有很多实际应用成果的NIR-LD光源用于波长转换，从而保证装置的稳定性/牢固性。另外，在振荡长波长中红外光的QCL中，由于所振荡的激光的波长线宽广，因此容易受到共存气体的影响。另一方面，在本实例中，由于以波长线宽非常窄的NIR-LD为基础，因此所振荡的短波长中红外激光的波长线宽与NIR-LD同程度地窄，具有不易受到共存气体的影响的特征。
需要说明的是，在图7中，将来自2个NIR-LD11a，11b的出射光入射至空间光学系中的非线性光学晶体11e，但是也可以使用光纤进行入射。
进而，上述光源11受到光源控制部14a的控制，进行2个NIR-LD11a，11b和非线性光学晶体11e的温度控制、以及2个NIR-LD11a，11b的电流控制。通过适当设定温度，从而可以对NIR-LDlla，11b进行其振荡波长的精密控制，可以对非线性光学晶体11e进行差频产生效率的精密控制。
进而，在本实施例中，由于在测量波长中利用短波长中红外(4.1μm附近)，因此，可以对上述窗部12a，12b利用高强度/耐腐蚀性高的蓝宝石窗板。另一方面，在利用长波长中红外(7μm～8μm)的QCL中，由于窗材中只能利用潮解性高的CaF2、MgF2等，因此不能直接测量包含大量H2O的燃烧废气。
在上述的实施例中，在废气1的温度高于酸露点的情况下，SO3、H2SO4以气体形态存在。为此，首先，利用基于手动分析的湿式分析，测量总SO3浓度(SO3浓度和H2SO4浓度的合计)。其结果确认到总SO3浓度恒定在150ppm。另外，根据温度测量器，废气温度也稳定在290℃。
接着，使废气1的气体性状变化，且仅使H2O浓度变化。此时，利用水分浓度测量器测量废气1的H2O浓度，结果可以确认在H2O浓度为0％、1.12％、3.49％、10％的4个条件下为稳定。
为此，对在各H2O浓度条件下的SO3的光谱进行测量，确认到如图8所示的光谱群。
接着，由图8所示的SO3吸收光谱(SO3浓度评价波长)的峰强度，计算在各H2O浓度条件下的SO3浓度。另一方面，由非专利文献3所示的各H2O浓度条件、废气温度(290℃)和压力(1气压)计算平衡SO3浓度。
在上述演算后对由本实施例中测量的SO3的峰信号强度换算的SO3浓度和基于非专利文献3计算的平衡SO3浓度进行比较的结果如图9所示。由图9所明示的那样，两者在全部H2O浓度条件下一致。由该结果可以确认到非专利文献3所示的SO3/H2O/H2SO4的平衡状态成立。
由以上的结果可知：通过使用本实施例的SO3分析装置10A，能够进行以往所不能实现的、例如包含大量H2O的实际燃烧废气等废气1中的SO3浓度、H2SO4浓度和总SO3浓度(SO3浓度与H2SO4浓度的合计)的原位测量(直接测量)。
需要说明的是，在以往的取样测量中，是对1点进行测量，因此为了得出真正的炉内SO3浓度代表值，需要对多点进行浓度测量。另一方面，在本实施例中，由于利用横穿烟道内的激光2测量SO3浓度，因此测量结果为光路平均值，可以原位测量真正意义上的炉内SO3浓度代表值。
需要说明的是，也可以将上述的SO3分析装置10A设置在例如流入300～500℃的废气的重油燃烧厂房设备的炉出口的烟道中。这是因为：即使作为测量对象的废气的温度为上述的温度范围，也能利用上述SO3分析装置10A迅速地测量上述废气的SO3浓度，基于该测量结果可以更高效地运转重油燃烧厂房设备。进而，也可以将上述的SO3分析装置10A设置在H2O和SO3可以完全独立存在的(不产生H2SO4的)流通500℃以上的废气的烟道中。
[实施例2]
使用图10～图13对本发明的第二实施例的SO3分析装置进行说明。
如图10所示，本实施例的SO3分析装置10B具备与上述的第一实施例的SO3分析装置10A相同的设备，并且具备取样装置16、压力测量器15c和控制装置14B。取样装置16具备抽出管16a、送出管16b、取样池16c、排出管16d和鼓风机16e。上述控制装置14B具备光源控制部14a、浓度演算部14b、信号切换部14c、H2O浓度/温度演算部14d。浓度演算部14b基于由上述设备及上述演算部得到的光接收信号、H2O浓度信号、温度信号、压力信号和光源控制参照信号来演算SO3浓度、H2SO4浓度和总SO3浓度并将其输出。
上述压力测量器15c被设置为测量上述取样池16c内的压力，可以测量在上述取样池16c内流通的废气1的压力。将利用上述压力测量器15c所测量的测量结果、即废气1的压力被转换为压力信号的该压力信号输出至上述控制装置14B的浓度演算部14b。
上述抽出管16a的前端部侧突出设置于烟道105内，将在该烟道105流通的废气1抽出。
上述送出管16b的基端部侧与上述抽出管16a的基端部侧连结，前端部侧与上述取样池16c的基端部侧连结。
上述取样池16c的前端部经由窗部12c与上述光源11连接，基端部经由窗部12d与上述光接收器13连接。需要说明的是，窗部12c，12d与上述窗部12a，12b同样优选为例如蓝宝石制的窗部。
上述排出管16d的基端部与上述取样池16c连结，前端部在比上述抽出管16a更靠向废气流通方向下游侧与上述烟道105连结。在上述排出管16d的中途设置鼓风机16e。通过使该鼓风机16e运作，从而将在烟道105内流通的废气1的一部分经由抽出管16a和送出管16b引入取样池16c，使在取样池16c内流通的废气1经由排出管16d回到烟道105。
上述取样装置16还具备对上述抽出管16a、上述送出管16b和上述取样池16c进行加热而将内部的废气1保持于酸露点以上的所期望的温度的加热器16f。由此，可以将上述抽出管16a、上述送出管16b和上述取样池16c内保持在一定温度，可以从这些内部的废气1中消除硫酸雾而使SO3/H2O/H2SO4以气态存在。
上述控制装置14B的光源控制部14a对上述光源11发送光源控制信号来控制上述光源11所照射的激光3的波长，并且将光源控制参照信号发送至浓度演算部14b和信号切换部14c。上述光源控制参照信号是具有根据上述光源控制信号上述光源11所照射的激光的波长信息的信号。
在此，对上述的SO3分析装置10B的核心运作进行说明。
首先，使加热器16f运作，对抽出管16a、送出管16b和取样池16c进行加热。由此，将抽出管16a、送出管16b和取样池16c内维持在酸露点以上的温度。
接着，使鼓风机16e运作。由此，在烟道105内流通的废气1的一部分经由抽出管16a、送出管16b而流入取样池16c内。
接着，光源11基于来自控制装置14B的光源控制部14a的光源控制信号，照射规定范围的波长(例如4.060μm～4.182μm带域的SO3的吸收波长和附近的H2O吸收波长(例如4.09714μm))的激光3。上述激光3经由窗部12c、取样池16c内的废气1、窗部12d而被光接收器13接收。光接收器13将所接收的上述激光3的光接收信号发送至控制装置14B的信号切换部14c。
入射至上述控制装置14B的信号切换部14c的上述光接收信号基于由光源控制部１４a发送的上述光源控制参照信号而分成SO3测定用光接收信号和H2O测定用光接收信号，SO3测定用光接收信号被发送至上述控制装置14B的浓度演算部14b，H2O测定用光接收信号被发送至上述控制装置14B的H2O浓度/温度演算部14d。
在上述H2O浓度/温度演算部14d中，基于所发送的H2O测定用光接收信号，计算温度和H2O浓度，并分别作为温度信号、H2O浓度信号发送至上述浓度演算部14b。
另外，上述压力测量器15c对取样池16c内的压力进行测量，并将压力信号发送至上述浓度演算部14b。
上述浓度演算部14b基于上述压力信号、上述温度信号、上述H2O浓度信号、上述SO3测定用光接收信号、上述光源控制参照信号而将废气1中的SO3浓度利用红外分光法进行演算。另外，利用平衡计算由该SO3浓度和H2O浓度、温度、压力来计算H2SO4浓度，并且还计算总SO3浓度(SO3浓度与H2SO4浓度的合计)，分别作为浓度信号进行输出。
具体而言，如图11所示，SO3光谱的峰与H2O浓度一起减少(在化学反应中变化为H2SO4)，H2O光谱的峰与H2O浓度一起增加。此时，如图12所示，确认到利用以往的H2O浓度分析装置测量的H2O浓度与由H2O光谱的峰强度计算的(由信号强度换算的)H2O浓度一致。需要说明的是，例如，如专利文献1等所示，环境的温度可以由H2O光谱的峰形状等来计算，并用于计算H2O浓度、SO3浓度时的补正。另外，H2O混入时的SO3浓度与由H2O浓度和温度计算的平衡SO3浓度一致。由此可以判断SO3、H2O和H2SO4达到平衡状态，结果还可以计算此时的H2SO4浓度。
因此，根据本实施例的SO3分析装置10B，通过具备上述的设备，从而即使在对废气1进行取样的情况下，也可以不除去废气1中的除SO3以外的共存气体和粉尘而迅速且准确地分析废气1中的SO3浓度、H2SO4浓度和总SO3浓度(SO3浓度与H2SO4浓度的合计)。
进而，无需进行在气体流通的炉等上安装测量用窗等大幅度的改造工程，便可设置SO3分析装置10B。
需要说明的是，也可以将上述的SO3分析装置10B设置在例如流通室温～300℃的废气的重油燃烧厂房设备的下游的烟道中。这是因为：即使作为测量对象的废气的温度为上述的温度范围，也能利用上述SO3分析装置10B迅速地测量上述废气的SO3浓度，基于该测量结果，可以更高效地运转重油燃烧厂房设备。
产业上的可利用性
本发明的SO3分析方法和分析装置对于重油燃烧厂房设备等产生SO3的各种燃烧设备，可以不进行除尘、除湿等前处理而准确且迅速地测量废气中的SO3浓度和总SO3分子浓度，因此在产业上可以极其有益地进行利用。
附图标记说明
1 废气
2，3 激光
10A，10B SO3分析装置
11 光源(照射机构)
12a～12d窗板部
13 光接收器(光接收机构)
14，14B 控制装置
14a 光源控制部(波长控制机构)
14b 浓度演算部(SO3浓度演算机构、H2SO4浓度演算机构)
14c 信号切换部
14d H2O浓度/温度演算部(H2O浓度演算机构、温度演算机构)
15a 水分浓度测量器(H2O浓度测量机构)
15b 温度测量器(温度测量机构)
15c 压力测量器(压力测量机构)
16 取样装置
16f 加热器(加热机构)
Claims (9)
1.一种SO3分析装置，其特征在于，具备：
照射机构，对包含SO3、CO2和H2O的气体照射激光；
光接收机构，接收对所述气体照射并透过该气体的激光；
波长控制机构，将所述照射机构所照射的所述激光的波长控制为4.060μm～4.182μm带域的SO3的吸收波长；以及
SO3浓度演算机构，基于来自所述光接收机构的输出和来自所述波长控制机构的参照信号利用红外分光法演算SO3浓度。
2.根据权利要求1所述的SO3分析装置，其特征在于，
所述波长控制机构将所述激光的波长控制为4.093μm～4.098μm、4.1045μm～4.1065μm、4.110μm～4.115μm、4.117μm～4.126μm或4.131μm～4.132μm。
3.根据权利要求1或2所述的SO3分析装置，其特征在于，
所述照射机构包含非线性光学晶体，基于波长λ1的激光和波长λ2的激光的输入所产生的差频来产生满足1/λ3＝1/λ1-l/λ2的波长λ3的激光，并输出该波长λ3的激光。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的SO3分析装置，其特征在于，
具备测量所述气体的温度的温度测量机构，
所述SO3浓度演算机构还使用所述温度测量机构所测量的所述气体的温度利用红外分光法演算SO3浓度。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的SO3分析装置，其特征在于，
具备测量所述气体的压力的压力测量机构，
所述SO3浓度演算机构还使用以所述压力测量机构测量的所述气体的压力利用红外分光法演算SO3浓度。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的SO3分析装置，其特征在于，具备：
H2O浓度测量机构，对所述气体中的H2O浓度进行测量；和
H2SO4浓度演算机构，通过采用利用所述SO3浓度演算机构计算出的SO3浓度和该H2O浓度测量机构所测量的H2O浓度的平衡计算，演算H2SO4浓度。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的SO3分析装置，其特征在于，
具备抽出所述气体的抽出机构，
所述照射机构对所述抽出机构所抽出的所述气体照射所述激光。
8.根据权利要求7所述的SO3分析装置，其特征在于，
具备对利用所述抽出机构所抽出的所述气体进行加热的加热机构。
9.一种SO3分析方法，其特征在于，
利用照射机构对包含SO3、CO2和H2O的气体照射利用波长控制机构将波长控制为4.060μm～4.182μm的激光；
利用光接收机构接收对所述气体照射的所述激光；以及
基于来自所述光接收机构的输出和来自所述波长控制机构的参照信号利用红外分光法演算SO3浓度。
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