JP2006207892A - 炉内ガス測定装置およびこれを備えた燃焼炉 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー発振素子を適正に温度維持可能にし、確実に精度の高い測定を続けることができる炉内ガス測定装置およびこれを備えた燃焼炉を提供する。
【解決手段】燃焼炉に炉本体１に形成された測定窓１ａに取り付け可能になっていると共に、燃焼炉の測定窓１ａの一方から炉内のガスにレーザー光を照射するレーザー光発信装置２と、このレーザー光発信装置２から照射されたレーザー光を受信するレーザー光受信装置３とを有する。レーザー光発信装置２とレーザー光受信装置３が、導入された圧縮空気を暖気と冷気とに分離すると共に分離された冷気により、測定環境を所定温度以下に冷却する低温気体発生装置５を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は炉内ガス測定装置およびこれを備えた燃焼炉に関し、詳しくは、燃焼炉に炉本体に形成された測定窓に取り付け可能になっていると共に、前記燃焼炉の測定窓の一方から炉内のガスにレーザー光を照射するレーザー光発信装置と、このレーザー光発信装置から照射されたレーザー光を受信するレーザー光受信装置とを有する炉内ガス測定装置およびこれを備えた燃焼炉に関する。

燃焼炉の１種であるストーカ式ゴミ焼却炉（以下、単に「ストーカ炉」ということがある）などにおいては、排ガス中のＮＯｘ量を低下させたり、ダイオキシン類の発生を防止したりする、環境汚損を抑制する措置が求められていると共に、熱回収を高効率化して焼却処理コストを低減させ、しかも排ガス処理設備の小型化が求められている。そのためには、炉内での安定した燃焼制御が要求される。炉内の燃焼安定化を達成するためには、(1) 燃焼熱量の安定化、(2) 目標とする空気比での安定燃焼、(3) ダイオキシン類、COの発生抑制、ＮＯｘの変動抑制などが挙げられる。

この内、目標とする空気比での安定燃焼を達成する指針として、これまで炉内のガス濃度を検出するのではなく、ゴミ焼却炉と離れた排ガス処理設備から排出される排ガス濃度の測定結果を基準としていたため、炉内の燃焼状態を正確に把握することはできなかった。しかも、排ガスがゴミ焼却炉を経て排ガス処理設備に到達するまで少なくない時間がかかっており、更に排ガス濃度の分析にも時間を要していたため、得られた排ガス濃度の測定結果は炉内の燃焼状態と必ずしも対応していなかった。

かかる問題を解消するため、レーザー式ガス分析計が開発され、直接炉内の排ガス濃度を測定する技術が開発された（例えば、特許文献１、２）。この技術は、炉本体に測定窓を形成し、この測定窓を通してレーザー光を照射すると共に、対抗する側に検出計を配置しておき、リアルタイムで炉内排ガスの成分濃度を検出することによって、その測定結果に基づき、燃料供給を制御するなどして目標とする排ガス組成の濃度を達成しようとするものである。
特開２００２−３１０４１６号公報 特開２００２−２７６９１９号公報

しかしながら、上記従来技術のレーザー式ガス分析計による排ガス測定では、炉内からの放熱により、炉の周辺近傍に配置されるレーザー発振素子の温度維持（通常、５５℃以下）管理が難しいのみならず、炉内は多量のダスト雰囲気にあり、レーザー光の光路にダストが蓄積され易く、長期間安定して精度の高い測定を続けることが困難であった。

また、レーザー発振素子の温度維持をするため、電子クーラーを設けてレーザー発振素子を冷却することも考えられるが、電子クーラーは、焼却炉の周辺のように、５０〜６０℃程度にもなる環境では使用に耐えられず、レーザー発振素子を冷却することはできない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、レーザー発振素子を適正に温度維持可能にし、確実に精度の高い測定を続けることができる炉内ガス測定装置およびこれを備えた燃焼炉を提供することにある。

上記課題は、請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る炉内ガス測定装置の特徴構成は、燃焼炉に炉本体に形成された測定窓に取り付け可能になっていると共に、前記燃焼炉の測定窓の一方から炉内のガスにレーザー光を照射するレーザー光発信装置と、このレーザー光発信装置から照射されたレーザー光を受信するレーザー光受信装置とを有していて、前記レーザー光発信装置とレーザー光受信装置が、導入された圧縮空気を暖気と冷気とに分離すると共に分離された冷気により、測定環境を所定温度以下に冷却する低温気体発生装置を備えることにある。

この構成によれば、炉内ガスの状態を安定して高い精度でリアルタイムに測定でき、しかもレーザー光発信装置とレーザー光受信装置とを所定温度以下に冷却するに際して、工場内に配置されている圧縮空気を利用できるので、特別なガスを使用する必要がなく、低コストに冷気を確保できる。具体的には、このような装置として、ボルテック効果を利用したボルテック・チューブを挙げることができ、この装置を採用すると、フロンその他の化学薬品を使用する必要がないので環境に対する支障がなく、しかも電子機器を用いないので、周囲温度に影響され難い。

その結果、レーザー発振素子を適正に温度維持可能にし、確実に精度の高い測定を続けることができる炉内ガス測定装置を提供することができた。

前記測定窓に接続された管台内部に蓄積されるダストを、前記炉本体側に排出除去可能な気体噴射手段が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、多量のダスト雰囲気下にあっても、蓄積されたダストによって、照射されたレーザー光が遮られることがないので、確実に精度の高い測定を続けることができる。

前記気体噴射手段が、間欠的に気体を噴射することが好ましい。

この構成によれば、工場内に配置されている圧縮空気を利用し、強力な噴射力を発揮できる。

前記測定窓に接続された管台を位置修正可能な位置調整機構が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、炉操業中の加熱・冷却の複雑な熱サイクルにより、炉の躯体構造の熱膨張・熱収縮によって管台の位置ずれが生じ、管台に装着された炉内ガス測定装置に位置ずれが生じたとしても、その位置ずれを容易に適正に修正でき、修正による工数を大幅に低減できる。

前記管台の位置姿勢をＸ−Ｙ方向に二次元で調整できるようになっていることが好ましい。

この構成によれば、異なる二方向から管台の位置調整ができ、適正な位置調整が一層容易になる。

また、本発明に係る燃焼炉の特徴構成は、請求項１〜５のいずれか１項記載の炉内ガス測定装置を備えたことにある。

この構成によれば、レーザー発振素子を適正に温度維持可能にし、確実に精度の高い測定を続けることができる炉内ガス測定装置を備えた燃焼炉を提供することができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る炉内ガス測定装置を備えた燃焼炉の一例であるストーカ炉の概略要部構成を示す。ストーカ炉は、大量のゴミなどを焼却可能なように、図示はしないが、炉本体に設けられてゴミを受け入れるホッパーと、投入されたゴミを乾燥する乾燥ストーカと、ゴミを燃焼する燃焼ストーカ、後燃焼ストーカなどとから構成されている。図１は、燃焼ストーカ直上に設けられている、炉本体１の二次燃焼室を示しており、燃焼ストーカにより一次燃焼された排ガス（未然ガス、未燃焼物を含む）を、更に二次燃焼空気送給口（図示略）より二次燃焼空気を送給して二次燃焼室で十分に燃焼し、燃焼された排ガスを、下流側に設けられているボイラー（図示略）などの設備に送給するようになっている。

炉内ガス測定装置は、炉本体１の二次燃焼室の炉壁に形成されている測定窓１ａに装着されており、例えば、炉内から排出される排ガス中の酸素濃度を測定するようになっていて、炉内での酸素濃度を測定することにより、炉内の燃焼状態をリアルタイムで把握する。そして、炉内ガス測定装置の測定結果に基づき、燃焼空気や燃料の送給量などを制御することによって、炉内での適正で安定した燃焼状態を維持できるようになっている。

この炉内ガス測定装置は、接続用フランジ８が設けられた管台４を介して、レーザー発振素子を内蔵するレーザー光発信器２ａを備えた発信装置２と、発信されたレーザー光を受信するレーザー光受信器３ａを備えた受信装置３とが炉本体１の炉壁の測定窓１ａに装着されて構成されている点は従来技術と同様であるが、図２（送受信器の内、一方のみを示す。フランジ８は省略してある。）にその詳細を示すように、各ハウジング２ｂ，３ｂに格納されたレーザー光発信器２ａ、レーザー光受信器３ａが低温気体発生装置５から冷気の送給を受けて、常時、５５℃以下に冷却されるようになっている特徴を有する。

低温気体発生装置５としては、装置全体がコンパクトかつ軽量で、冷却空気を発生させて、炉内ガス測定装置が装着されている周囲温度に関わらず、雰囲気温度を確実に２０〜３０℃程度下げて冷却するボルテック・チューブを使用することが好ましい。このボルテック・チューブは、ボルテック効果を利用したものであり、導入した圧縮空気をチューブ内で旋回させながら暖気と冷気とに分離し、得られた冷気を活用できるようなっていて、周囲温度の影響をほとんど受けない特徴を有する。例えば、圧縮空気導入口５ａから圧縮空気（約２０℃、０．７ＭＰａ）をボルテック・チューブに導入することにより、−５５℃程度にまで冷却された空気を放出することができ、受信装置３のハウジング２ｂ，３ｂ内に格納されているレーザー光発信器２ａおよびレーザー光受信器３ａを一定以下の雰囲気温度に維持して、常時、所定の機能を安定して発揮させることができる。暖気は、排出口５ｂから排出される。図番６は、レーザー光発信器２ａ、レーザー光受信器３ａに対する専用ケーブルであり、図番７は、パージ用空気の送給管である。

炉内ガス測定装置に送給する圧縮空気は、図１に示すように、ドライア９を介して空気圧縮機１０から、配管ごとに設けられたバルブからなるバルブユニットＢ、レギュレーター付エアフィルター１６を経由して所定圧に調整された後、配管１８ａ，１８ｂに分岐して、常時炉内ガス測定装置の発信装置２および受信装置３に送給される。この圧縮空気は、発信装置２および受信装置３では、図２の圧縮空気導入口５とパージ用空気送給管７へ供給される。

パージ用空気送給管７へ圧縮空気を送給する目的は、図１の管台４内を加圧状態にすることで、炉内排ガス中のダスト等が管台４、発信装置２および受信装置３に付着するのを防止するものである。

更に、炉本体１を構成する炉壁の測定窓１ａから延びる管台４の炉壁近傍に管台内部に蓄積されるダストを吹き飛ばす気体噴射手段であるジェットエアブロー装置１２が上下２箇所に装着されており、管台内部のダストに対して間欠的に所定時間圧縮空気を吹きつけるようになっている。吹きつける頻度は、炉の規模、焼却量などにより適宜選択可能であり、通常、１〜３回／日程度行われる。これにより、管台内部に蓄積されるダストを炉内に向けて吹き飛ばして、炉内ガス測定装置による排ガス成分濃度を確実に高い精度で測定可能にし、多量のダスト雰囲気にある過酷な環境下にあっても、長期間安定して精度の高い炉内排ガス測定を続けることができる。ジェットエアブロー装置１２への圧縮空気は、ドライア９を介して空気圧縮機１０から、配管ごとに設けられたバルブからなるバルブユニットＢ、レギュレーター付エアフィルター１６を経由して送られた圧縮空気が、タンク上のエアブラスト装置１３に配管１３ａ，１３ｂの２方向から流入し、ここで、一旦貯留される。タンク上のエアブラスト装置１３には、レギュレーター付エアフィルター１６のレギュレータでの設定圧力の空気が蓄えられ、定期的に電磁弁１７ａ，１７ｃ、電磁弁１７ｂ，１７ｃを同時に開けることで、ジェットエアブロー装置１２への間欠噴射が可能となる。

タンク上のエアブラスト装置１３の圧縮空気は、ジェットエアブロー装置１２、管台４を経由して、炉内へ吹き込まれる。炉内はほぼ大気圧程度に制御されているので、タンク上のエアブラスト装置１３の圧縮空気は配管抵抗のみで排出され、瞬時的にジェットエアブロー装置１２、管台４、炉内へ放出され、その流速は２０ｍ／秒をはるかに越える速度となるので、管台４に堆積したダストを一気に炉内へ放出することが可能となる。

タンク上のエアブラスト装置１３の圧縮空気は、ジェットエアブロー装置１２だけでなく、配管１９ａ，１９ｂを経由して、図２のパージ用空気送給管７へ供給されるようにして、その瞬間のパージ空気量を増やしてジェットエアブロー装置１２からの圧縮空気が発信装置２および受信装置３に悪影響を及ぼさないようにしている。図１の図番１１は逆流防止の逆止弁、図番１７ａ，１７ｂは流量調節弁である。

この場合、圧縮空気の噴射位置は、図３に平面構造を示すように、管台４内部で噴射空気が旋回して渦流を生成させるジェットエアブロー装置１２を、管台4の中心から幾分ずらした位置に向けて噴射するように設けることが好ましく、２箇所またはそれ以上を設けることがより好ましい。もっとも、ジェットエアブロー装置１２の噴射は１箇所でもよく、その個数は特に限定されるものではない。

更に、ジェットエアブロー装置１２のノズル先端を、炉内方向にダストを吹き飛ばすべく、管台の外周面に対して３０〜５０°程度の噴射角度θ（より好ましくはθ＝約４５°）を有して傾斜させることが好ましい。このようにすると、管台内部に蓄積されたダストを一層効果的に炉内に吹き飛ばすことができる。また、ジェットエアブロー装置１２による圧縮空気の間欠噴射は、必ずしも定期的でなくてもよく、炉内から発生するダストの量、特性などに応じて、適宜噴射条件を変更することができる。なお、図番１５は流量調節弁であり、図番１６はレギュレーター付きのエアフィルターである。

一般に、ストーカ炉は、操業中に加熱・冷却の複雑な熱サイクルを受けることから、その躯体構造は熱膨張・熱収縮が生じており、その結果、二次燃焼室の炉壁に装着された炉内ガス測定装置の位置が微妙にずれる。上記したように、炉内ガス測定装置は、一方側に設けられたレーザー光発信器２ａから特定波長のレーザー光を照射するようになっているが、ストーカ炉の躯体構造の熱膨張・熱収縮に起因して、照射されたレーザー光が他方側のレーザー光受信器２ｂに確実に到達せず、測定精度に少なくない影響を与える。つまり、発信されるレーザー光のビーム径は、通常、数十ｍｍであるのに対して、レーザー光送受信器間の距離は数ｍにもなり、数ｍｍといったわずかな管台４の位置ずれが生じても測定精度に大きな影響を与えるおそれがある。管台４の位置ずれが生じた場合、従来は、その都度炉内ガス測定装置を取り外し、少なくない時間と労力を要して位置修正せざるを得なかったが、本実施形態では、管台４の位置ずれを容易に修正可能な位置調整機構１４が設けられている。

この位置調整機構１４は、図１に示すように、レーザー光発信器２ａと受信器２ｂのそれぞれに設けられており、いずれも鋼製棒状体の一端側が炉本体１の炉壁に固定されていると共に、他端側が管台４に溶接接合などで固定されていて、各棒状体のフリー端がネジ切りされており、これらフリー端どうしがターンバックルに接続されて構成されている。そして、炉内ガス測定装置に位置ずれが生じた場合には、ターンバックルをいずれかの方向に回動させることにより、管台４を押し引きして位置姿勢を変化させ、位置ずれを容易に微調整できるようになっている。その場合、レーザー光発信器２ａから発信されたレーザー光がレーザー光受信器２ｂに十分測定可能なように達していないと、レーザー光受信器側の電圧が本来の値から外れるため、管台４の位置ずれが生じていることを容易に検知できる。位置ずれが検知されると、位置調整機構１４のターンバックルを手動で回動することにより、管台４の位置を修正することができ、従来技術のように、その都度、レーザー光発信器２ａやレーザー光受信器２ｂや管台４などを取り外して、全体をバランスよく調整し直す作業は不要となり、著しく手間が省けることになる。位置調整機構１４は、図１では管台４に対して１個設けた例を示しているが、これに対して約９０°離間した方向から更に１個取り付けることによって、管台４の位置姿勢をＸ−Ｙ方向に二次元で調整できるようにすることが好ましい。また、位置ずれが検知されると、位置調整機構１４を自動的に駆動・作動させて自動調整するようにしてもよい。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、炉内ガス測定装置の測定対象として炉内ガス中の酸素濃度を例に挙げて説明したが、炉内ガス測定装置としては、他の排ガス成分であるＣＯ，ＣＯ₂ ，ＨＣＬ，ＮＨ₃など各種ガスの濃度測定をすることができる。その場合、発信するレーザー光の波長がガスの種類により異なるので、被測定ガスに応じた波長のレーザー光を発信するレーザー発信器を用意すればよい。更に、ガスの温度、流量といった炉内ガスに関する測定も可能である。
（２）上記実施形態では、炉内ガス測定装置が炉本体の二次燃焼室の炉壁に設けられた例を示したが、炉内ガス測定装置の装着位置は、これに限定されるものではなく、例えば二次燃焼室の下流側にある、排ガスのボイラー導入口近傍でもよく、要は、炉内の燃焼状態を的確に把握できる位置であればよい。
（３）上記実施形態では、燃焼炉としてストーカ炉を例に挙げて説明したが、本発明が適用されるのは、これに限定されるものではなく、ガス化溶融炉など各種燃焼炉から発生する炉内ガスの測定に使用することができる。

本発明の一実施形態に係る炉内ガス測定装置をストーカ式焼却炉に備えさせた構造を説明する模式的要部構成図 図１の炉内ガス測定装置を示す拡大断面図 図１のIII−III矢視図であり、気体噴射手段の取り付け位置を説明する平面図

符号の説明

１ 炉本体
１ａ 測定窓
２ レーザー光発信装置
３ レーザー光受信装置
４ 管台
５ 低温気体発生装置
１２ 気体噴射手段
１４ 位置調整機構

Claims (6)

1. 燃焼炉に炉本体に形成された測定窓に取り付け可能になっていると共に、前記燃焼炉の測定窓の一方から炉内のガスにレーザー光を照射するレーザー光発信装置と、このレーザー光発信装置から照射されたレーザー光を受信するレーザー光受信装置とを有する炉内ガス測定装置において、前記レーザー光発信装置とレーザー光受信装置が、導入された圧縮空気を暖気と冷気とに分離すると共に分離された冷気により、測定環境を所定温度以下に冷却する低温気体発生装置を備えることを特徴とする炉内ガス測定装置。
2. 前記測定窓に接続された管台内部に蓄積されるダストを、前記炉本体内に排出除去可能な気体噴射手段が設けられている請求項１に記載の炉内ガス測定装置。
3. 前記気体噴射手段が、間欠的に気体を噴射する請求項２に記載の炉内ガス測定装置。
4. 前記測定窓に接続された管台を位置修正可能な位置調整機構が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉内ガス測定装置。
5. 前記管台の位置姿勢をＸ−Ｙ方向に二次元で調整できるようになっている請求項４に記載の炉内ガス測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の炉内ガス測定装置を備えた燃焼炉。

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