JP2008509408A - 冶金上の連結機械においてｆｔｉｒ分光計を用いて非接触式に廃ガスを測定する方法 - Google Patents
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Abstract
特に例えば転炉のような設備の一部において冶金上の工程を実施する場合、時間に依存した廃ガス組成の知識は、工程の進歩に関する情報を提供するために重要な補助手段を示している。公知の分析方法は廃ガス流（７）から区画した容積を取り出し、次いでこの廃ガスサンプルを分析することにある。このようなサンプリングを基にしている分析方法の場合時間的遅延は短所であり、この時間的遅延でもってサンプリング後分析結果が得られる。したがって本発明によればＦＴＩＲ分光計を使用することにより、非接触式の廃ガス分析が時間的遅延もなく実施される。この場合予め検出された数学的モデルを用いて得られたＦＴＩＲ分光計（２）のスペクトルは、廃ガス組成を算出するために使用される。
Description
本発明は、高温でかつ汚染した周囲空気の中にある冶金上の連結機械すなわち設備、特に転炉において非接触式に廃ガスを測定する方法及び装置であって、
冶金上の設備から間隔をおいて取り付けられたＦＴＩＲ分光計（ＦＴＩＲ＝Fourier Transform InfraRed）を備え、このＦＴＩＲ分光計の測定光線が、測定位置としての廃ガス管路の適切な開口部において廃ガス内に整向され、この場合廃ガス内の測定光線の長さに対応するように、廃ガス体積セグメントがこの長さの円筒体の形として測定技術的に検出され、その際得られるＦＴＩＲ分光計の値は廃ガスの組成に依存したスペクトルで示され、次いでこの値は廃ガス温度と温度依存したエネルギーバランスの形で予め算出された数学的モデルとを取り入れることにより、時間的な遅延もなく廃ガスの組成を算出することを可能にする方法及び装置に関する。
冶金上の設備から間隔をおいて取り付けられたＦＴＩＲ分光計（ＦＴＩＲ＝Fourier Transform InfraRed）を備え、このＦＴＩＲ分光計の測定光線が、測定位置としての廃ガス管路の適切な開口部において廃ガス内に整向され、この場合廃ガス内の測定光線の長さに対応するように、廃ガス体積セグメントがこの長さの円筒体の形として測定技術的に検出され、その際得られるＦＴＩＲ分光計の値は廃ガスの組成に依存したスペクトルで示され、次いでこの値は廃ガス温度と温度依存したエネルギーバランスの形で予め算出された数学的モデルとを取り入れることにより、時間的な遅延もなく廃ガスの組成を算出することを可能にする方法及び装置に関する。
転炉のような設備の一部において、冶金上の工程を実施する際に、工程の進歩に関する情報を提供するために、次いでこれに対応して制御ができるように、廃ガス組成が時間に依存しているという知識は重要な補助手段を示している。公知の考えうる分析方法は、例えば酸素コンバータ内での精錬工程に関する最終製品を特定するための特許文献１に記載されているように、廃ガス流を区画された容積から取り出し、次いでこの廃ガス試料を分光的に分析することにある。
サンプリングを基本とした分析方法の短所は、サンプリング後に結果を入手するような時間的遅延である。なぜならそれより前に高温の廃ガスを冷却しかつ分析用にデータ処理を行なわねばならないからである。さらに取り出しシステム（ランス、配管）を浄化するのが必要であることは短所である（なぜなら廃ガスは汚染しているからである）。これにより中断が発生し、この中断により分析結果が出るまで時間的遅延が同じように生じる。最終的には廃ガスの流れが厳密に一様である場合にだけ、厳密な分析結果が得られ、このためにそしてサンプリング容積がわずかなので、この分析結果は必ずしも代表的ではない。
記載した短所を回避するために、マインツ市において、Tagungsband Verlag Mainz社主催で、２００３年９月２５日及び２６日に行なわれた第１８回Achener Stahlkolloquiumの講演会において、O. Jannasch, H.-W. Gudenau, K. Mavrommatis, D. Senkによる“Bestimmung der Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen durch FTIR-Abgasanalysis”についての発表をまとめた刊行物において、非接触式のガス分析がさほどの時間的遅延もなく実施できる方法が紹介された。
非接触式のガス分析を実施するために、電気アーク炉に対して側方に間隔をおいて、ＦＴＩＲ分光計をプラットフォーム上に取り付ける。この測定光線（レーザー光線）は廃ガスマニフォールドの間隙内に整向されている。温度に依存したスペクトルの形の測定結果と、従来のガス分析との比較目標に対して、サンプリングに基づいて得られた廃ガス成分とから、鉄鋼プラントの条件に適合した数学的モデルをエネルギーバランスの形で開発する。さらにこの開発されたモデルと実際のＦＴＩＲ分光計の値のこの後述べる組合わせから、迅速でかつ非接触式の廃ガス分析方法が得られる。この方法は電気アーク炉内の再加熱（Nachverbrennung）に関して使用することができ、かつこの方法により廃ガス内に含有されたエネルギーを効率的に利用すべきであろう。
ドイツ国特許第４２１７９３３号明細書
記載された従来技術から出発して、本発明の課題は、特に転炉のように高温でかつ汚染した周囲空気内に設けられている他の冶金上の設備において、発展した非接触式廃ガス分析方法をこのような設備に適合させること、及びこれに適した装置を提供することである。
この課題は、本方法によれば請求項１の明らかになった特徴により、
付加的に廃ガス組成の算出の根底をなす数学的モデルが、測定光線により同時に検出される高温でかつ汚染した周囲空気に適合しかつ働いて新たに得られ、かつ対応する冶金上の機械ユニット、特に転炉の特殊な温度と廃ガス組成に適合しかつ働いて新たに得られ、この場合較正により参照スペクトルが得られ、及び
廃ガス組成を分光的に検出することに加えて、さらに廃ガスの流れ特性（層流部分あるいは乱流部分）を検出し、かつこの廃ガスの流れ特性をモデル形成の際の算出を支援するために使用することにより解決される。
付加的に廃ガス組成の算出の根底をなす数学的モデルが、測定光線により同時に検出される高温でかつ汚染した周囲空気に適合しかつ働いて新たに得られ、かつ対応する冶金上の機械ユニット、特に転炉の特殊な温度と廃ガス組成に適合しかつ働いて新たに得られ、この場合較正により参照スペクトルが得られ、及び
廃ガス組成を分光的に検出することに加えて、さらに廃ガスの流れ特性（層流部分あるいは乱流部分）を検出し、かつこの廃ガスの流れ特性をモデル形成の際の算出を支援するために使用することにより解決される。
このような非接触式廃ガス分析方法を実施する装置は請求項６の特徴により明らかである。本発明の有利な形態は従属請求項において与えられている。
ＦＴＩＲ分光計の測定光線のための測定位置は、廃ガス管路の適切な位置において、廃ガス管路の前方の開口部からの光線が、自由通路内で廃ガスを通過し、次いで廃ガス管路の背面の第二開口部を通過して、廃ガス管路の外側における背面の低温のバックグラウンドに当るように選択される。参照点としての分光的な廃ガス検出に必要な低温のバックグラウンドは、この場合廃ガス管路の後方のできるだけ近くに設けられているべきである。できるだけ精密な測定に必要な、測定位置の廃ガス管路の開口部を通過するＦＴＩＲ分光計の測定光線の正確な整向は、この場合鏡系により選択的に実施することができる。モデル形成の支援に加えて行なわれる廃ガスの流れ特性の検出は、本発明によればＣＣＤカメラを用いて行なわれ、このＣＣＤカメラはＦＴＩＲ分光計の測定位置に、あるいはこの測定位置のすぐ近くに取り付けられている。
ＦＴＩＲ分光計と同様ＣＣＤカメラも測定すべき冶金上の設備のすぐ近くに設けられているので、高感度でかつさらに高価な両機器を対応するように保護し、かつ特に例えば液体窒素により冷却することが絶対に必要である。
廃ガス管路からＦＴＩＲ分光計の、及び廃ガス管路から低温のバックグラウンドの空間距離を介して、スペクトルの測定を行なう場合、廃ガスの包含物質が検出されるだけでなく、同様にして、廃ガス管路とＦＴＩＲ分光計の間、あるいは廃ガス管路と低温のバックグラウンドの間に存在する汚染した周囲の空気も検出される。数学的モデルを作成する際、後で測定結果を誤って解釈しないように、このような廃ガスに所属しない物質を考慮し、かつ対応して除去しなければならない。
ＦＴＩＲ分光計を較正するために低温のバックグラウンドは必要不可欠である。低温のバックグラウンドは赤外線能を全く放出せず、そのことから測定されるべき高温の廃ガスのスペクトルが記録できるように、ＦＴＩＲ分光計は常に参照値を得る。
測定点とＦＴＩＲ分光計の間の距離は理想的な場合、１５ｍ〜３０ｍであり、距離が長いと増幅器が必要である。可視領域が測定点とＦＴＩＲ分光計の設置場所との間に全くありえない測定現在位置の場合、鏡系は場合によっては増幅器と接続して取り付けなければならない。このような方法により信号の質は劣化する。距離の上限は規定するのが難しい。これは実験的に見つけ出さねばならず、かつ廃ガスの質と、測定点とＦＴＩＲ分光計の設置場所との間の汚染した空気による信号の吸収とにきわめて左右される。
ガスの分子は温度に依存して強いスペクトルの差（波数と形）を示すので、数学的なモデルはどうしても必要である。スペクトル強度（放射率の最大値）から、この全廃ガスの分子の割合に関する情報が得られる。数学的モデルは正確な相関関係を確立する。
赤外線の分光のための二つの作動モード、すなわち能動的モードと受動的モードが得られる。能動的モードにおいてのみ、実際の測定光線が存在する。ここでは測定されるべきガスが活性化される。従ってこの低温のバックグラウンドのモードにおいては全エネルギーが吸収され、反射はされない。受動的モードにおける作動方法では高温の廃ガスに蓄えられたエネルギーが利用される。このエネルギーは廃ガスの分子に並進運動と回転運動を行なわせようと活性化をそくす。これらの運動はＦＴＩＲ分光計により記録される。低温のバックグラウンドはこのような活動性を全く示さず、いわばＦＴＩＲ分光計のために参照値として利用できる“ゼロ活動性”を示す。
高温でかつ汚染した周囲空気の中でこのような廃ガスの測定を実施する装置は、
冶金上の設備の近くのプラットフォーム上で無振動に支承されたＦＴＩＲ分光計が、廃ガス管路内の開口部を備えた適切な測定位置を介して測定光線が廃ガスを通過して背面のバックグラウンドに向かって整向できるように位置決めされていること、そして、
同時に、あるいは廃ガスの組成を分光的に検出するためにほんのわずかだけ時間を遅らせることによって、廃ガスの流れ特性を記録するように整向された状態で取り付けられたＣＣＤカメラを備えていることを特徴とする。
冶金上の設備の近くのプラットフォーム上で無振動に支承されたＦＴＩＲ分光計が、廃ガス管路内の開口部を備えた適切な測定位置を介して測定光線が廃ガスを通過して背面のバックグラウンドに向かって整向できるように位置決めされていること、そして、
同時に、あるいは廃ガスの組成を分光的に検出するためにほんのわずかだけ時間を遅らせることによって、廃ガスの流れ特性を記録するように整向された状態で取り付けられたＣＣＤカメラを備えていることを特徴とする。
測定するために、ＦＴＩＲ分光計は廃ガス管路の近くに取り付けられ、従って高温でかつ汚染した周囲空気の中に配置され、さらに例えば変圧器から漏洩する電界に対して敏感なので、ＦＴＩＲ分光計は周囲空気の汚染からの保護するために金属薄板の箱の中に内蔵されている。この金属薄板の箱は場合によっては漏洩する電界を覆うためにミューメタルが張られている。この金属薄板の箱内には、必要のある場合には同時にＣＣＤカメラも収納されている。
周囲空気の高温から保護するために、ＦＴＩＲ分光計すなわち検出器および／または金属薄板の箱は、例えば液体窒素が供給される冷却装置と接続している。
ＦＴＩＲ分光計ならびにＣＣＤカメラは測定用コンピュータと接続しており、対応しているラインを経由してあるいはさらに無線通信を経由して、この測定用コンピュータは例えば冶金上の設備の監視所内に設置されており、従って温度調節されかつ清潔な場所での測定結果の判定が可能になる。
本発明の他の詳細と特徴と長所は、概略的図に示した実施例において詳しく説明する。
図には従来構造の転炉１が示してあり、ここでは構造上の詳細の説明は省略する。廃ガス管路６はこの転炉１の上側末端部を形成しており、この廃ガス管路を通って高温廃ガス７は転炉１から放出される。この転炉１に対する空間的間隔に関して、転炉の大きさに比べて拡大された図において、分光式の廃ガス分析用の測定装置が示してあり、ＦＴＩＲ分光計２と低温のバックグラウンド１０と、測定コンピュータ９で構成されており、この測定コンピュータは接続ライン１１を経由してＦＴＩＲ分光計２と接続している。ＦＴＩＲ分光計２は、覆い隠された薄い金属板ケースを象徴している黒いケースとして描かれているが、（図示していない）プラットフォーム上で、ＦＴＩＲ分光計２の測定光線３が水平方向で廃ガスを案内する転炉３の部分上に当るような高さに取り付けられている。
ＦＴＩＲ分光計２の取付け位置に関する基準は、廃ガス管路６内に適した測定開口部があること、すなわちこのような測定開口部が設けられていることであり、可能な限りわずかな付加的空気が測定開口部４，５において廃ガス７内に入り、さらに
廃ガス管路６の後方で測定光線３の高さにある低温のバックグラウンド１０内に入る。
廃ガス管路６の後方で測定光線３の高さにある低温のバックグラウンド１０内に入る。
図示した実施例において、ＦＴＩＲ分光計２から出る測定光線３は転炉３の上側部分における、すなわち廃ガス管路６の下側部分における、前方の測定開口部４内にまず到着し、次いで廃ガス６を水平方向に貫通し、最終的には廃ガス管路６を出た後、後方の測定開口部６を通って転炉１と間隔をおいて設けられた低温のバックグラウンド１０上に当る。ＦＴＩＲ分光計２からバックグラウンド１０までの測定光線の経路において、測定光線３は両測定開口部４，５の間隔に互いに相応した長さ内にある廃ガスのみならず、同時に高温でかつ汚染した転炉１の周囲空気８をも通過する。この場合この周囲空気８はその組成及び温度が不明な状態で変わり易く、従って転炉１の前方及び後方においては異なっていることがある。従って設置されるべき機械的なモデルにおいて、廃ガス組成に大幅に依存していないこれらの値は、数学的モデルにおいて処理される参照スペクトルを準備した場合の対応する予備実験及び較正を通じて考慮しなければならない。
１ 転炉
２ ＦＴＩＲ分光計
３ 測定光線
４ 前方の測定開口部
５ 後方の測定開口部
６ 廃ガス管路
７ 廃ガス
８ 周囲空気
９ 測定用コンピュータ
１０ 低温のバックグラウンド
１１ 接続ライン
２ ＦＴＩＲ分光計
３ 測定光線
４ 前方の測定開口部
５ 後方の測定開口部
６ 廃ガス管路
７ 廃ガス
８ 周囲空気
９ 測定用コンピュータ
１０ 低温のバックグラウンド
１１ 接続ライン
Claims (9)
- 高温でかつ汚染した周囲空気（８）の中にある冶金上の設備、特に転炉（１）において非接触式に廃ガスを測定する方法であって、
冶金上の設備から間隔をおいて取り付けられたＦＴＩＲ分光計（２）を備え、このＦＴＩＲ分光計の測定光線（３）が、測定位置としての廃ガス管路（６）の適切な開口部（４）において廃ガス（７）内に整向され、この場合廃ガス（７）内の測定光線の長さに対応するように、廃ガス体積セグメントがこの測定光線の長さの円筒体の形で測定技術的に検出され、その際得られるＦＴＩＲ分光計（２）の値が廃ガスの組成に依存したスペクトルで示され、次いでこの値が廃ガス温度と温度依存したエネルギーバランスの形で予め算出された数学的モデルとを取り入れることにより、時間的な遅延もなく廃ガスの組成を算出することを可能にする方法において、
ａ）付加的に廃ガス組成の算出の根底をなす数学的モデルが、測定光線（３）により同時に検出される高温でかつ汚染した周囲空気（８）に適合しかつ対応するように働いて新たに得られ、かつ対応する冶金上の機械ユニット、特に転炉（１）の特殊な温度と廃ガス組成に適合しかつ対応するように働いて新たに得られ、この場合較正により参照スペクトルが得られること、及び
ｂ）廃ガス組成を分光的に検出することに加えて、さらに廃ガスの流れ特性（層流部分あるいは乱流部分）を検出し、かつこの廃ガスの流れ特性をモデル形成の際の算出を支援するために使用することを特徴とする方法。 - ＦＴＩＲ分光計（２）の測定位置（４）において、あるいは廃ガス（７）の流れ特性を検出するためのこの測定位置（４）のすぐ近くにおいて、取り付けられたＣＣＤカメラを使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
- ＦＴＩＲ分光計（２）の測定光線のための測定位置（４）は、ＦＴＩＲ分光計（２）から放射された真直ぐな光線（３）が、廃ガス管路（６）の前方の第一測定開口部（４）を通過し、次いで自由通路内で廃ガス（７）を通過し、最終的に廃ガス管路（６）の背面の第二測定開口部（５）を通過して、廃ガス管路（６）の外側における背面の低温のバックグラウンド（１０）に当るように選択されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
- 測定位置の廃ガス管路（６）の測定開口部（４，５）を通過するＦＴＩＲ分光計（２）の測定光線（３）の正確な整向が、鏡系を介して実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
- ＦＴＩＲ分光計（２）と、必要な場合にはＣＣＤカメラが冷却されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
- 請求項１〜５のいずれか一つによる、高温でかつ汚染した周囲空気の中の冶金上の設備、特に転炉（１）において非接触式で廃ガスの測定を実施する装置において、
ａ）冶金上の設備の近くのプラットフォーム上で無振動に支承されたＦＴＩＲ分光計（２）と、
ｂ）同時に、あるいは廃ガス（７）の組成を分光的に検出するためにほんのわずかだけ時間を遅らせることによって、廃ガスの流れ特性を記録するように整向された状態で取り付けられたＣＣＤカメラとを備え、
前記ＦＴＩＲ分光計が、廃ガス管路内（６）の開口部（４，５）を備えた適切な測定位置を介して、測定光線（３）が廃ガス（７）を通過して背面のバックグラウンド（１０）に向かって整向可能であるように、プラットフォーム上に配置されている
ことを特徴とする装置。 - ＦＴＩＲ分光計（２）が汚染と漏洩する電界から保護するために、ミューメタルにより張られた金属薄板の箱の中に内蔵されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
- ＦＴＩＲ分光計（２）すなわち検出器および／または金属薄板の箱、ならびに必要のある場合にはＣＣＤカメラが、例えば液体窒素が供給される冷却装置と接続していることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
- ＦＴＩＲ分光計（２）ならびにＣＣＤカメラが測定用コンピュータ（９）と接続していることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の装置。
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