JP2011038877A - レーザ式ガス分析装置及びレーザ式ガス分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを照射する分析対象ガスに同伴されるダスト等が分析精度に影響を及ぼすのを抑制することのできるレーザ式ガス分析装置を提供する。
【解決手段】レーザを照射するレーザ光照射装置２と、照射されたレーザを受光するレーザ光受光装置３を、分析対象ガスを内部空間に含む機器に配置してガス分析を行うレーザ式ガス分析装置において、前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒２２が配置され、両端が前記レーザ光照射装置からのレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒２３が前記外筒内に配置された二重管ノズルを備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ式ガス分析装置及びレーザ式ガス分析方法に関する。

例えば焼却，溶融，乾留などが行われる工業炉を安定操業する条件の一つとして、炉内ガス（例えば、乾留ガスや発生ガスなど）のガス成分（例えば、酸素濃度）を管理することは重要である。

従来においては、炉内ガスの分析は、ガスをポンプで吸引して分析計に送る方法が行われていた。しかし、炉内ガスを吸引して分析する方法は、ガスをサンプリングしてから分析するまでに時間を要し、リアルタイムで炉内状況を把握することができない。さらに、ガス採取部のダスト除去フィルタが度々目詰まりを起こし、メンテナンス作業に時間がかかるなどの不具合が生じていた。

そのため、レーザ式ガス分析装置を用いて炉内ガスを分析することが検討されている（例えば、特許文献１−３参照）。これら特許文献１−３に開示されているレーザ式ガス分析装置は、炉壁やダクトなどにレーザの照射器と受光器を対向配置し、発信器から炉内ガスに照射したレーザを受光器で受光し、受光したレーザの特定波長の減衰量に基づいて演算器がガス成分の濃度を算出する構造である。レーザ式ガス分析装置は、リアルタイムで炉内ガスを分析することが可能である反面、炉内ガスに直接レーザを照射して分析するため、炉内ガスに同伴されるダストやタール等の影響を受けやすくなるという短所もある。

そのうち特許文献１及び２に開示されているレーザ式ガス分析装置は、ダスト等の影響を受けて分析精度が低下するのを防止する手段を有している。特許文献１のレーザ式ガス分析装置は、レーザの照射器及び受光器を取り付ける管台内にガスを噴射してダストを吹き払うジェットエアブロー装置を有する。また、特許文献２のレーザ式ガス分析装置は、照射器及び受光器を取り付ける管台内にガスを噴射してダストを除去する噴射ノズルと、レーザの集光レンズの汚れを防止するパージガス供給管を有する。

しかしながら、特許文献１−２に開示されているダスト対策は、管台の壁面に堆積したダスト等を除去するものであり、分析対象ガスに照射したレーザの光路上にあるダスト等が及ぼす影響については防止されない。炉内ガスにはレーザが透過しないくらいダスト等が多く含まれる場合もあり、このような悪条件では、特許文献１−３のレーザ式ガス分析装置では正確な分析を行うことができない場合がある。

特開２００６−２０７８９２号公報 特開２００６−１２５８４８号公報 特開２００７−１７０８４１号公報

すなわち、本発明は、一例として挙げた上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レーザを照射する分析対象ガスに同伴されるダスト等が分析精度に影響を及ぼすのを抑制することのできるレーザ式ガス分析装置及びレーザ式ガス分析方法を提供することにある。

本発明に従うレーザ式ガス分析装置は、レーザを照射するレーザ光照射装置と、照射されたレーザを受光するレーザ光受光装置を、分析対象ガスを内部空間に含む機器に配置してガス分析を行うレーザ式ガス分析装置において、前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端が前記レーザ光照射装置からのレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルを備えることを特徴とする。

前記二重管ノズルは、前記外筒と内筒との間の空間にパージガスを供給するパージガス供給管をさらに備えることが好ましい。この場合、前記パージガス供給管の先端は、前記内筒の光透過性部材の表面に向けてガスを噴射させるように配置するのが好ましい。また、例えば内筒内を通過するレーザが減衰するのを抑えるために、前記内筒の密閉空間は、真空にするか、又は不活性ガスを封入することが好ましい。

さらに、前記二重管ノズルは、例えば測定光路長を調節可能にするために、前記機器内の突出量を調節可能に設置することが好ましい。

本発明に従うレーザ式ガス分析方法は、レーザを照射するレーザ光照射装置と、照射されたレーザを受光するレーザ光受光装置を、分析対象ガスを内部空間に含む機器に配置してガス分析を行うレーザ式ガス分析方法において、前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端がレーザ光透過部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルを配設し、前記レーザ光照射装置からのレーザを、前記内筒内を通過させて外筒の先端から照射することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光照射装置とレーザ光受光装置を配置して機器内に含まれるガスの分析を行うにおいて、前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端が前記レーザ光照射装置からのレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルを配設し、前記レーザ光照射装置からのレーザを、前記内筒内を通過させて外筒の先端から照射するようにする。これにより、分析対象ガスにダスト等が多く同伴されていたとしても、これらダスト等が分析精度に及ぼす影響を抑えることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態に従うレーザ式ガス分析装置を示す。 上記レーザ式ガス分析装置のレーザ光照射装置を示す。 上記レーザ光照射装置の二重管ノズルの部分拡大図である。 上記レーザ式ガス分析装置のレーザ光受光装置を示す。

以下、本発明の好ましい実施形態によるレーザ式ガス分析装置について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。

図１は、本実施形態によるレーザ式ガス分析装置の配置の一例として、例えば工業炉などの排ガス口に接続されたガス流路（例えば、排気ダクト１など）に配置した構成を示す。工業炉としては、一例として、コークス乾式消火設備（Coke Dry Quenching equipment：ＣＤＱ）、連続焼鈍炉、加熱炉、高炉などが挙げられる。但し、レーザ式ガス分析装置を配置する装置や場所は限定されることなく、分析対象となるガスを内部空間に含む装置，容器，又は、ガス流路等の各種機器のいずれに配置してもよい。さらに、測定するガス成分としては、一例として、酸素（Ｏ_２），一酸化炭素（ＣＯ），二酸化炭素（ＣＯ_２），塩化水素（ＨＣｌ），アンモニア（ＮＨ_３）などを挙げることができるが、特に限定されることはない。

図１に示すように、本実施形態によるレーザ式ガス分析装置は、例えば工業炉の炉内から発生した乾留ガスが流れる排気ダクト１の壁面に形成された測定窓の一方側にレーザを照射するレーザ光照射装置２と、測定窓の他方側に、レーザを受光するレーザ光受光装置３が対向配置されている。そして、例えば受光されたレーザの特定波長の減衰量に基づいてガス成分の濃度を算出する演算器（不図示）を備えている。すなわち、酸素を分析対象とする場合、酸素に固有の波長の減衰量に基づいて濃度を算出する。乾留ガス中の酸素濃度は、通常、０〜１vol％で管理されている。なお、濃度の算出方法は、レーザ式ガス分析装置の技術分野において公知であるため、詳しい説明は省略する。

レーザ光照射装置２は、図１及び図２に示すように、例えば半導体レーザなどのレーザ光源を含む本体２１と、レーザ光受光装置３側に向かって排気ダクト１の内部空間に突出する外筒２２と、外筒２２内に配置される内筒２３を有する。すなわち、レーザ光照射装置２は、外筒２２と内筒２３によって構成され、測定対象ガスを含む機器の内部空間に突出する二重管ノズルを有する。なお、レーザ光源の種類やレーザの波長は、例えば測定するガス成分に応じて適宜選択することができ、特に限定されることはない。

外筒２２の先端は、レーザ光受光装置３の近傍まで突出しており、レーザ光受光装置３の外筒３２の先端との離間距離（すなわち、測定光路長Ｌ）が例えば２００ｍｍとなるように設定されている。さらに、外筒２２の先端は、測定対象ガスに同伴されるダスト等が侵入するのを防止するために、先端の開口部の口径を小さくした絞り形状となっている。一方、外筒２２の後端側は、例えばフランジ２４を介して本体２１が接続されている。外筒２２としては、一例としてステンレス管を使用することができる。なお、図１に例示する外筒２２は、その先端側と後端側で２つに分割された構造（２２Ａ，２２Ｂ）であり、その両者間において内筒２３の一部を露出させている。そして、内筒２３を露出させた部位の外筒の端部は、フランジ２５，２６によって閉塞している。露出させた内筒２３の部位には、後述する真空ポンプと圧力計が接続される。

内筒２３は、本体２１のレーザ光源から照射されたレーザを、外乱が及ぶのを抑制して外筒２２の先端近傍まで通過させる機能を有する。そのため、内筒２３は、レーザを透過する光透過性部材（例えば、ガラスなど）２３ａによって両端が閉塞された密閉空間を形成し、内部を通過するレーザが周囲から外乱を受けるのを防止している。内筒２３の胴部としては、一例として炭素鋼管を使用することができる。内筒２３の両端は、内部を通過するレーザからの直接反射を抑制するために傾斜面とするのが好ましい。さらに、内部を通過するレーザが減衰するのを抑えるために内筒２３の密閉空間を減圧状態、好ましくは真空にする。或いは、測定対象とするガス成分を含まない不活性ガス（例えば、純度の高い窒素，アルゴンなど）を封入するようにしてもよい。図１は、内筒２３の密閉空間を真空にするために、フランジ間の一部内筒が露出した部位に、配管を介して真空ポンプ２７を接続した構成を例示している。図中の符合２８は、内筒２３の内圧を検出するための圧力計である。なお、内筒２３の先端は、必ずしも傾斜面でなくともよく、垂直面であってもよい。また、真空ポンプ２７は常設ではなく、例えば内筒２３内の真空度が低下した場合に使用する。

さらに、二重管ノズルは、外筒２２と内筒２３の間の空間をパージするガスを吹き込むためのパージガス供給管を備えている。より詳しくは、先端側の外筒２２Ａ内に位置する内筒２３の側面に、内筒２３の長さ方向に沿ってパージガス噴射管４が配置されている。図３には、図２のＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図を示す。

パージガス噴射管４は、図３に一例を示すように、内筒２３の外周面に４本のパージガス噴射管４が周方向に等間隔で配置されている。これらパージガス噴射管４は、先端部が内側に曲げられ、光透過性部材２３ａの表面に向けてガスを噴射するようなっている。光透過性部材２３ａの表面に向けて噴射するガスは、ダスト等が表面に付着するのを抑制するために噴射する。さらに、噴射されたガスは、先端側の外筒２２Ａ内をパージし、これにより外筒２２Ａ内にダスト等が侵入するのを防止する。パージガスは、外筒２２Ａに斜め方向から接続したパージガス供給ノズル４１からも供給する構成として、二重管ノズルの基端側（根本側）からもパージするようにする。パージするガスは、測定対象とするガス成分を含まない不活性ガス（例えば、窒素など）を選択する。また、パージ圧は、少なくともガス流路内の圧力よりも高ければよい。

パージガス供給ノズル４１は、ガス配管を介して、例えばガス発生装置やガスボンベなどのガス供給源（不図示）と連結されており、その途中にパージガスバルブ４６とブラスタタンク４７が接続されている。パージガスバルブ４６としては、例えばパルスジェット式の自動開閉バルブを用いることができ、例えば３０分に１回の間隔でバルブを開閉してパージガスを供給するように制御することができる。このような構成とすれば、ブラスタ効果によって外筒先端側のダスト等の堆積・閉塞を定期的に吹き飛ばすことができる。

但し、パージガス噴射管４から噴射されたガスが、レーザの光軸（例えば、内筒の中心軸上に位置合わせされている）を横切ったり、各噴射管４からのガスが互いに衝突したりする構成にすると、パージガスが乱流となりダスト等が侵入する原因になってしまう場合がある。従って、図３に一例を示すように、レーザの光軸を中心とする同心円（仮想円）の接線方向に各噴射管４の先端が向くように、且つ、各噴射管４の先端が同一方向（時計回り又は反時計回り）に向くように配置するのが好ましい。このようにパージガス噴射管４を配置すれば、レーザの光軸を中心とした旋回流が形成され、この旋回流によってダスト等が付着するのを抑制することができる。但し、図３に示す構成は好ましい一例であって、この構成に限定されることはない。さらに、パージガス噴射管４の数も４本に限定されることはなく、例えば６本又は８本にすることができる。また、パージガス噴射管４の先端は、必ずしも光透過部材２３ａの表面に噴射する配置でなくともよく、例えば外筒２２の先端開口部から外側に向けて噴射する配置であってもよい。

パージガス噴射管４の後端側は、フランジ２５を貫通するように構成されており、ガス配管４２を介して後端側の外筒２２Ｂと連通している。噴射管４に接続されたガス配管４２の途中には、流量を調節するバルブ（不図示）を配置するのが好ましい。パージガス流量は、一例として１０〜２０Ｌ／ｍｉｎに設定することができる。

一方、後端側に位置する外筒２２Ｂには、分析計用のパージガスを受け入れる供給口４３と排出口４４が形成されている。供給口４３に接続されたガス配管４５は、例えばガス発生装置やガスボンベなどのガス供給源（不図示）と連結されている。パージガスに窒素を用いる場合、ガス供給源としては、例えばＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）式，分離膜式の窒素ガス発生装置を用いることができる。また、排出口４４は、ガス配管４２を介してパージガス噴射管４に接続されている。

既述したように、外筒２２の先端は、好ましい一例として測定光路長Ｌを２００ｍｍに設定しているが、例えばダスト等の濃度に応じて測定光路長Ｌを適宜調節することが可能である。従って、測定光路長Ｌを調節可能にする支持構造５として、本実施形態に従うレーザ光照射装置２は、排気ダクト１の側面に固定配置した管台５１の内周面と外筒２２の外周面との隙間に、例えばグランドパッキンなどのシール材５２を配置し、ルーズフランジを含む管状部材であるブッシング５３でシール材５２を付勢したシール方式の支持構造５を備えている。このように、シール材５２によって外筒２２を支持する構造としたことにより、レーザ光照射装置２自体が外筒２２の長さ方向（すなわち、図１では水平方向）に沿って、気密性を確保した状態でスライド移動可能となっている。この場合、突出量を外側から確認可能なように、外筒２２の表面に目盛線などを付加するのが好ましい。また、フランジ２５は、必要以上に挿入するのを防止するストッパとしての機能も発揮するようにしてもよい。

前述のようにスライド移動可能な構成とした場合、ダスト等の濃度と好ましい測定光路長Ｌの設定値とを対応付けた情報を準備しておくのが望ましい。分析対象とするガス成分の濃度が比較的低濃度である場合など、対象とするガス成分の濃度と好ましい測定光路長Ｌの設定値とを対応付けた情報を準備するようにしてもよい。なお、スライド移動させるのは、例えば作業員が手動で行うようにしてもよいが、アクチュエータ等のシリンダ機構によって自動で行える構造とするのが好ましい。

続いて、測定対象ガスに照射したレーザを受光するレーザ光受光装置３について、図１及び図４を参照しながら説明する。但し、本実施形態に従うレーザ光受光装置３は、上述のレーザ光照射装置２と同様の構造であるため、詳しい説明については省略する。

すなわち、図１及び図４に示すように、分析対象ガスを通過したレーザを受光する受光器を含む本体３１と、外筒３２と内筒３３によって構成される二重管ノズルを有する。但し、レーザ光照射装置２とは異なり、外筒３２の先端を排気ダクト１の内部空間に突出させないで、排気ダクト１の内壁面と同じ位置に設定している。勿論、管台６１、シール材６２及びブッシング６３を含むスライド支持構造６を利用して、排気ダクト１の内部空間に二重管ノズルを突出させた構成とすることもできる。

さらに、内筒３３も、光透過性部材３３ａによって両端が閉塞され、照射装置側の内筒２３と同様の構造である。受光装置側の内筒は、測定対象ガスを通過してきたレーザを、外乱が及ぶのを抑制して本体３１の受光器近傍まで通過させる機能を有する。さらに、内筒３３の密閉空間は、真空ポンプ３７によって減圧、好ましくは真空にされ、その圧力を圧力計３８で検出することができる。

さらに、詳しい説明は省略するが、照射器側と同様に、外筒３２と内筒３３の間の空間をパージするパージガス噴射管７、パージガス供給ノズル７１、パルスガスバルブなどのパージガスバルブ７６、ブラスタタンク７７などを含むパージガス供給管を備えている。

ここで、図１に例示する構成は、レーザ光照射装置２の二重管ノズルのみを排気ダクト１の内部空間に突出させて、測定範囲（すなわち、測定光路長Ｌ）が排気ダクト１の壁面寄りに位置しているが、受光装置３の二重管ノズルも同様に突出させることで測定範囲を排気ダクト１の中央に設定することもできる。このように、スライド式の支持構造５，６を備える構成とすれば、測定に好ましい測定光路長Ｌと測定位置の両方を設定することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、レーザ光照射装置２からレーザ光受光装置３側に向けて排気ダクト１の内部空間に突出させた外筒２２と、その内部に配置される内筒２３によって構成される二重管ノズルを配設し、レーザ光源からのレーザが内筒２３内を通過して外筒２２の先端から分析対象ガスに照射される構成としたことにより、分析対象ガスにダスト等が多く同伴されていたとしても、これらダスト等が分析精度に及ぼす影響を抑えることが可能となる。その結果、ダスト、タールの濃度が高いガスに対しても安定したガス分析を実現できる。

すなわち、ダスト等が多く同伴されている場合、測定光路長が長いとレーザが透過することができない場合がある。従って、従来構造のレーザ式ガス分析装置では、幅の狭い箇所に分析計を配置せざるを得ない。しかしながら、工業炉の操業安定化を図る上では、炉内や排気ダクトを流れるガスをリアルタイムに分析することが望ましい。但し、このような場所は、照射器と受光器の離間距離が大きくなってしまう。これに対し、本実施形態は、上述の構成としたことにより、照射器と受光器の離間距離が大きくなってしまうような場所であっても、ダスト等の影響を抑えて分析することが可能である。

レーザ光受光装置３も同様の二重管ノズルを備えた構成とすることによって、より確実に上述の効果を高めることが可能となる。但し、受光装置３の外筒３２を突出させない場合には、必ずしも二重管ノズルを備えなくともよい。

さらに上述の実施形態によれば、例えば真空にされる密閉空間を有する内筒２３を配設し、その内部を通過させて外筒２２の先端近傍までレーザを導く構成としたことにより、レーザが測定対象ガスに照射されるまでに周囲の外乱を受けるのを抑えることが可能である。これにより、良好な分析精度を確保することができる。さらに、内筒２３の容積分だけ外筒２２内のパージ空間を縮小化できるので、パージガスの使用量を軽減化することが可能となる。

さらに、上述の実施形態に従う二重管ノズルとパージガス供給管の構造は、レーザを利用したガス分析に影響を与えない構造である。すなわち、二重管ノズルの基端側（根本側）からパージガスを流すことでダスト等の付着を防止することができる。さらに、図３に一例を示したように、レーザの光軸に影響を及ぼさない配置とすることによって、パージガスの乱流によるダスト等の侵入を防止することができる。また、特に乾留ガス等の通常酸素濃度が１vol％以下と低いガスの酸素濃度測定の場合は、レーザの光路長（照射器と受光器の離間距離）に占めるパージ窒素の空間が長くなると、窒素中の僅かな酸素濃度の変動が測定値に大きな影響を与えることになる。本実施形態によれば、パージ窒素の空間を内筒両端の光透過性部材近傍に限定することが可能となり、測定値への影響を最小限に抑制することができる。

その他、本実施形態によれば、炉内ガスを吸引して分析する方法に比べて、ダスト除去用のフィルタのメンテナンスが不要となり、ランニングコストを削減できるという利点がある。

以上、本発明を具体的な実施形態に則して詳細に説明したが、形式や細部についての種々の置換、変形、変更等が、特許請求の範囲の記載により規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われることが可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。従って、本発明の範囲は、前述の実施形態及び添付図面に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

２ レーザ光照射装置
２２ 外筒
２３ 内筒
２３ａ 光透過性部材
２７ 真空ポンプ
４ パージガス噴射管
４６ パージガスバルブ
４７ ブラスタタンク
５ スライド式支持構造

Claims (8)

1. レーザを照射するレーザ光照射装置と、照射されたレーザを受光するレーザ光受光装置を、分析対象ガスを内部空間に含む機器に配置してガス分析を行うレーザ式ガス分析装置において、
   前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端が前記レーザ光照射装置からのレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルを備えることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記二重管ノズルの外筒と内筒との間の空間にパージガスを供給するパージガス供給管を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。
3. 前記パージガス供給管の先端は、前記内筒の光透過性部材の表面に向けてガスを噴射させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ式ガス分析装置。
4. 前記内筒の密閉空間が真空であることを特徴とする請求項１〜３に記載のレーザ式ガス分析装置。
5. 前記内筒の密閉空間に不活性ガスを封入したことを特徴とする請求項１〜３に記載のレーザ式ガス分析装置。
6. 前記二重管ノズルは、前記機器内の突出量を調節可能に設置したことを特徴とする請求項１〜５に記載のレーザ式ガス分析装置。
7. 前記レーザ光受光装置から前記レーザ光照射装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端が分析対象ガスを通過してきたレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルをさらに備えることを特徴とする請求項１〜６に記載のレーザ式ガス分析装置。
8. レーザを照射するレーザ光照射装置と、照射されたレーザを受光するレーザ光受光装置を、分析対象ガスを内部空間に含む機器に配置してガス分析を行うレーザ式ガス分析方法において、
   前記レーザ光照射装置から前記レーザ光受光装置側に向けて前記機器の内部空間に突出させた外筒が配置され、両端がレーザ光透過部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒が前記外筒内に配置された二重管ノズルを配設し、前記レーザ光照射装置からのレーザを、前記内筒内を通過させて外筒の先端から照射することを特徴とするレーザ式ガス分析方法。

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