JP2015175798A - レーザ式ガス分析装置及びガス採取ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】重力沈降でダストの影響を抑制し、ガス分析の精度の高いレーザ式ガス分析装置及び重力沈降でダストの影響を抑制できるガス採取ユニットを提供する。【解決手段】レーザ式ガス分析装置１００は、ガス採取ユニット３０を備える。ガス採取ユニット３０は、第１筒部３１と、第２筒部５１と、第１筒部３１の一端及び第２筒部５１の一端を接続する屈曲部５２とを備え、第２筒部５１の他端が鉛直方向下向きに配置される。そして、屈曲部５２は、可撓性を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ式ガス分析装置及びガス採取ユニットに関する。

ボイラ等の排ガス中から窒素酸化物（ＮＯｘ）を脱硝する脱硝装置が知られている。このような脱硝装置は、排ガス中にアンモニアガスを注入して排ガスとアンモニアガスとを混合し、その混合ガスを脱硝触媒に接触させることにより窒素ガスと水蒸気とに還元する。

このようなアンモニアガスの注入を過不足なく行うためには、例えば、脱硝装置の出口側の排ガス流路において排ガスの一部を採取し、これに含まれるアンモニア量（濃度）を精度よく測定する必要がある。そのため、特許文献１及び特許文献２の技術のように、排ガス流路内に排ガス採取管を設け、この排ガス採取管を介して排ガス流路外へ排ガスの一部を採取していた。

特開２０１２−０９３１５６号公報 特開２０１０−２３６８７７号公報

排ガス流路は、残存する煤塵などのダストを含み、レーザ式ガス分析により対象ガスであるアンモニアの濃度を精度よく計測するには煤塵などのダストを集塵する必要がある。煤塵などのダストが多い場合、レーザ式ガス分析は、対象ガス分析の精度が低下する可能性がある。煤塵などのダストを集塵する方法としては、特許文献２に記載の電気集塵機などがあるが、動力源が必要となり、サンプリングする範囲でよりダスト量を低減しようとすると、より簡易に分析するガスの集塵を行うことが望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、重力沈降でダストの影響を抑制し、ガス分析の精度の高いレーザ式ガス分析装置及び重力沈降でダストの影響を抑制できるガス採取ユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ式ガス分析装置は、筒状の第１筒部と、筒状の第２筒部と、前記第１筒部の一端及び前記第２筒部の一端を接続し、かつ前記第２筒部の他端が鉛直方向下向きとなるように屈曲する、可撓性を有する屈曲部とを備えるガス採取ユニットと、前記第１筒部が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、前記第１筒部の内部空間を通過した前記計測用の光を受光する受光部と、を含むことを特徴とする。

ガス採取ユニットは風圧を受けても、屈曲部が可撓性を有するので、柔軟に第２筒部の方向を排ガスの流れ方向に沿って沿わせることができる。このため、第２筒部の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となる。排ガスに含まれるダストは、自重による沈降で低減され、測定用の光が通過する領域では、ダスト量が低減する。これにより、測定用の光が通過する領域では、ダスト量が低減する。その結果、レーザ式ガス分析装置は、ガス分析の精度が高くなる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の他の態様として、ガス採取ユニットは、筒状の第１筒部と、筒状の第２筒部と、前記第１筒部の一端及び前記第２筒部の一端を接続し、かつ前記第２筒部の他端が鉛直方向下向きとなるように屈曲する、可撓性を有する屈曲部と、を備え、排ガス流路の内部に挿入されることを特徴とする。

ガス採取ユニットは風圧を受けても、屈曲部が可撓性を有するので、柔軟に第２筒部ｍの方向を排ガスの流れ方向に沿って沿わせることができる。このため、第２筒部の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となる。排ガスに含まれるダストは、自重による沈降で低減され、測定用の光が通過する領域では、ダスト量が低減する。

本発明の望ましい態様として、前記第２筒部の外周には、螺旋状に巻回されたフィンを備えることが好ましい。この構造により、ガス採取ユニットが風圧を受けても、第２筒部の回転運動を生じさせる可能性を低減する。その結果、より煤塵などのダストが光路の通過する領域から低減する。その結果、レーザ式ガス分析装置は、ガス分析の精度が高くなる。

本発明の望ましい態様として、前記第２筒部の内部には、鉛直方向の整流作用を有する整流部を備えることが好ましい。この構造により、第２筒部の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となり、ダスト量が低減する。

本発明の望ましい態様として、前記第１筒部には、前記内部空間の気体を排出する気体排出機構を備えることが好ましい。その結果、第２筒部の内部に排ガスが侵入するようになり排ガス流の循環が生まれるようになる。

本発明によれば、重力沈降でダストの影響を抑制し、ガス分析の精度の高いレーザ式ガス分析装置及び重力沈降でダストの影響を抑制できるガス採取ユニットを提供することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置を模式的に説明する上面図である。 図２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の断面図である。 図３は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の第２筒部の側面を説明するための説明図である。 図４は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の第２筒部を鉛直方向上面よりみた上面図である。 図５は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の気体排出機構を説明するための説明図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置を模式的に説明する上面図である。図２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の断面図である。図３は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の第２筒部の側面を説明するための説明図である。図４は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の第２筒部を鉛直方向上面よりみた上面図である。図５は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の気体排出機構を説明するための説明図である。なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。後述する光路が進行する方向はＸ軸方向といい、Ｘ軸方向と直交する方向はＹ軸方向といい、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、鉛直方向である。なお、Ｘ軸は、ＹＺ平面と直交する。Ｙ軸は、ＸＺ平面と直交する。Ｚ軸は、ＸＹ平面と直交する。ＸＹ平面は、Ｘ軸及びＹ軸を含む。ＸＺ平面は、Ｘ軸及びＺ軸を含む。ＹＺ平面は、Ｙ軸及びＺ軸を含む。本実施形態において、後述する排ガス流路の排ガスは、Ｚ軸方向に沿って流通しているものとする。図５の断面は、図２のＡ−Ａ断面、つまり光路の進行方向であるＸ方向に直交するＹ−Ｚ平面の断面である。

本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、送受信ユニット１０と、ガス採取ユニット３０と、ミラーユニット２０と、制御装置４０とを備えている。

本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、流路壁９０に囲まれた排ガス流路９１に取り付けられている。排ガス流路９１は、脱硝装置の出口側の排ガス流路であって、大気ＣＡと隔離された排ガスＶ中に含まれるアンモニア量（濃度）を精度よく測定する必要がある。

本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、ミラーユニット２０側のガス採取ユニット３０を流路壁９０を貫通させ、排ガス流路９１内へ図１に示すＸ軸方向に挿入している。図１に示すように、ガス採取ユニット３０は、第１筒部３１と、整流板３２と、第２筒部５１と、屈曲部５２とを備えている。

制御装置４０は、ＣＰＵ（：Central Processing Unit）４１、ＲＯＭ（：Read Only Memory）、ＲＡＭ（：Random Access Memory）等のメモリ４２と、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ等の記憶部４３とを備える。

送受信ユニット１０は、発光部１１と、受光部１２と、信号処理回路１３と、光学部材１４とを備える。ミラーユニット２０は、ミラー２１と、光学部材２２とを備える。光学部材１４、光学部材２２は、レンズなどで光学系の焦点を設定し、エアーシャッターなどを備えている。発光部１１は、レーザダイオードが測定対象ガスのアンモニア特有の吸収波長に合致した波長のレーザ光を発生させ、ミラーユニット２０が備えるミラー２１に反射させ、受光部１２へ受光させる。受光部１２は、例えばフォトダイオードである。本実施形態の計測用の光は、赤外線の波長領域の光である。

図２に示すように、制御装置４０は、入出力インターフェースを介して、信号処理回路１３に接続されている。信号処理回路１３は、発光部１１及び受光部１２に接続され、発光部１１のレーザ発光及び受光部１２の検出値を電気信号に変換して制御装置４０へ送出する。レーザ光は、Ｘ軸方向に平行に照射されており、往路光路ＬＴと、復路光路ＬＲとは平行である。本実施形態では、ミラー２１を用いたが、発光部１１と受光部１２とが第１筒部３１を介して対向する位置に配置され、受光部１２は、発光部１１の発光する、第１筒部３１の内部空間を通過したレーザ光を受光してもよい。制御装置４０は、ＣＰＵ４１がメモリ４２と協働して、受光部１２の検出値から対象ガスの濃度（例えば、アンモニア量）を演算し、記憶部４３へ演算値を記憶する。

第１筒部３１は、図２及び図５に示すように、長手方向がＸ軸方向に延びる筒状であって、Ｙ−Ｚ平面において円環状の円筒部材である。第１筒部３１は、内部空間の排ガスＶを排ガス流路９１へ排出する気体排出機構ＥＪを備えている。第１筒部３１の中空空間には、レーザの光路である往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する。

第１筒部３１の中空空間には、ミラーユニット２０が配置されている。ミラーユニット２０の壁面は、メッシュなどの気体が透過できる構造となっており、気流を妨げない。

屈曲部５２は、可撓性の中空チューブである。屈曲部５２の材質は、例えば、フッ素樹脂であり、材質自体が可撓性を有している。屈曲部５２は、金属であってもよく、蛇腹状に加工することにより、可撓性を有していてもよい。

第２筒部５１は、図２、図３及び図４に示すように、長手方向が鉛直方向（Ｚ軸方向）に延びる筒状であって、Ｘ−Ｙ平面において円環状の円筒部材である。第２筒部５１の中空空間は、屈曲部５２の中空空間を介して、第１筒部３１の中空空間と連通している。第１筒部３１と、屈曲部５２と、第２筒部５１は、一体となり、Ｌ字状のパイプとなっている。

図３に示すように、第２筒部５１の外周には、螺旋状に巻回されたフィン５４を備える
。本実施形態では、フィン５４は、第１フィン５４Ａ、第２フィン５４Ｂ、第３フィン５４Ｃを鉛直方向に位置を異ならせて、設けている。フィン５４の形状は、一本のフィンでもよいし、二本のフィンでもよく、四本以上のフィンでもよい。

図２及び図４に示すように、第２筒部５１の内部には、鉛直方向の整流作用を有する整流部５３を備える。本実施形態では、整流部５３は、板状の整流板であるが、格子状であってもよい。

図１及び図５に示すように、整流板３２は、第１筒部３１に隣接する位置に固定されている。排ガスの流れ方向をＧとした場合、Ｚ方向に排ガスが流れている。排ガス流路９１の上流側の第１筒部３１と整流板３２との距離は、排ガス流路９１の下流側の第１筒部３１と整流板３２との距離よりも大きい。この構造により、排ガス流路９１の上流側の第１筒部３１との間に、導入路３２ｉができ、排ガス流路９１の下流側の第１筒部３１と整流板３２との間に放出路３２ｅができる。

導入路３２ｉのＸ−Ｙ平面の断面積は、放出路３２ｅのＸ−Ｙ平面の断面積よりも大きい。この構造により、導入路３２ｉより進入した排ガス流Ｇ１は、放出路３２ｅに近くなるに従って、流速を増加させ、排ガス流Ｇ２として排出される。

図２に示す気体排出機構ＥＪは、図５に示すように、第１筒部３１の壁面に気体排出孔３４が開けられている。気体排出機構ＥＪの第１筒部３１の周方向の壁面端部３４ｆ１、壁面端部３４ｆ２は、図５に示す気体排出孔３４に面している。第１筒部３１の周方向の壁面端部３４ｆ１と、第１筒部３１の中心Ｘｒと、壁面端部３４ｆ２とがなす角度θの範囲は、外側からみて、一部又は全部が整流板３２で覆われておらず、露出している。このように、壁面端部３４ｆ１又は壁面端部３４ｆ２の少なくとも１つは、整流板３２に対向している。

図５に示すように、導入路３２ｉより進入した排ガス流Ｇ１は、放出路３２ｅから排ガス流Ｇ２として排出される。放出路３２ｅから排出される排ガス流Ｇ２は、気体排出孔３４の周囲を通過し、この排ガスＧ２に巻き込まれた排ガス流ｅ４を引き起こす。排ガス流ｅ４は、気体排出孔３４の周囲の圧力を低下させ、負圧により、第１筒部３１の中空空間を吸引して排ガス流ｅ３、排ガス流ｅ２、排ガス流ｅ１の旋回流を引き起こす。排ガス流ｅ１はスパイラル状の旋回流となり、第１筒部３１の中空空間で長い間、排ガスが旋回する。このように、気体排出機構ＥＪは、無動力で、第１筒部３１内の気流の流れを引き起こすことができる。

図５に示す排ガス流ｅ１は、図２に示すように、排ガス流ｇ１、排ガス流ｇ２、排ガス流ｇ３、排ガス流ｇ４を引き起こす。第２筒部５１の他端は、屈曲部５２と接続される一端の反対側であって、開口が鉛直方向下向きとなっている。第２筒部５１の開口より進入した排ガス流ｇ１は、第２筒部５１を通過する間に、煤塵などのダストが重力により沈降し、第１筒部３１まで到達するダスト量が低減する。

以上説明したように、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、ガス採取ユニット３０を備える。ガス採取ユニット３０は、第１筒部３１と、第２筒部５１と、第１筒部３１の一端及び第２筒部５１の一端を接続する屈曲部５２とを備え、屈曲部５２が第１筒部３１の長手方向と、第２筒部５１の長手方向とを異ならせる。この構造により、第２筒部５１の他端が鉛直方向下向きに配置される。そして、屈曲部５２は、可撓性を有する。排ガス流路９１の内部は、排ガスＶの気流により、ガス採取ユニット３０は風圧を受ける。ガス採取ユニット３０は、屈曲部５２が可撓性を有するので、柔軟に第２筒部５１の長手方向を排ガスの流れ方向Ｇに沿って沿わせることができる。このため、第２筒部５１の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となる。そして、第１筒部３１内の往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域では、ダスト量が低減する。その結果、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、ガス分析の精度が高くなる。

第２筒部５１の外周には、螺旋状に巻回されたフィン５４を備える。この構造により、ガス採取ユニット３０は風圧を受けて、第２筒部５１がＹ−Ｚ平面での回転運動を生じさせる可能性を低減する。このため、第２筒部５１の他端は、鉛直方向に向きやすくなる。そして、第２筒部５１の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となる。そして、第１筒部３１内の往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域では、ダスト量が低減する。その結果、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、ガス分析の精度が高くなる。

第２筒部５１の内部には、鉛直方向の整流作用を有する整流部５３を備える。このため、第２筒部５１の内部は、煤塵などのダストの沈降に適した状態となる。そして、第１筒部３１内の往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域では、ダスト量が低減する。その結果、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、ガス分析の精度が高くなる。

第１筒部５１には、中空空間の気体を排出する気体排出機構ＥＪを備える。この構造により、内部が連通する第２筒部５１へ排ガスの一部が侵入するようになり、排ガス流の循環が生まれる。その結果、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、常に、排ガス流路９１に流通するガスを分析できるようになる。気体排出機構ＥＪに開けられた気体排出孔３４から、内部空間の排ガスが排出される。これにより、旋回流がスパイラルとなり、より煤塵などのダストが往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲから低減する。本実施形態の気体排出機構ＥＪは、排ガス流のエネルギーを利用して、気体排出孔３４からの排出をスムーズにすることができる。このため、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、無動力で、煤塵などのダストを低減した状態で、ガス分析することができる。気体排出機構ＥＪは、例えば、単なる開口であってもよく、ファンなどでもよい。

以上、本実施形態に係るガス採取ユニット３０は、レーザ式ガス分析装置への適用について説明してきたが、他のガス分析装置へのサンプラーとして適用してもよい。

１０ 送受信ユニット
１１ 発光部
１２ 受光部
１３ 信号処理回路
１４ 光学部材
２０ ミラーユニット
２１ ミラー
２２ 光学部材
３０ ガス採取ユニット
３１ 第１筒部
３２ 整流板
３２ｉ 導入路
３２ｅ 放出路
３４ 気体排出孔
４０ 制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ メモリ
４３ 記憶部
５１ 第２筒部
５２ 屈曲部
５３ 整流部
５４ フィン
９０ 流路壁
９１ 排ガス流路
１００ レーザ式ガス分析装置
ＥＪ 気体排出機構
ＬＲ 復路光路
ＬＴ 往路光路
Ｖ 排ガス
Ｘｒ 中心

Claims (8)

1. 筒状の第１筒部と、筒状の第２筒部と、前記第１筒部の一端及び前記第２筒部の一端を接続し、かつ前記第２筒部の他端が鉛直方向下向きとなるように屈曲する、可撓性を有する屈曲部とを備えるガス採取ユニットと、
   前記第１筒部が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、
   前記第１筒部の内部空間を通過した前記計測用の光を受光する受光部と、を含むことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記第２筒部の外周には、螺旋状に巻回されたフィン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. 前記第２筒部の内部には、鉛直方向の整流作用を有する整流部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ式ガス分析装置。
4. 前記第１筒部には、前記内部空間の気体を排出する気体排出機構を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ式ガス分析装置。
5. 筒状の第１筒部と、
   筒状の第２筒部と、
   前記第１筒部の一端及び前記第２筒部の一端を接続し、かつ前記第２筒部の他端が鉛直方向下向きとなるように屈曲する、可撓性を有する屈曲部と、を備え、
   排ガス流路の内部に挿入されることを特徴とするガス採取ユニット。
6. 前記第２筒部の外周には、螺旋状に巻回されたフィンを備えることを特徴とする請求項５に記載のガス採取ユニット。
7. 前記第２筒部の内部には、鉛直方向の整流作用を有する整流部を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載のガス採取ユニット。
8. 前記第１筒部には、前記内部空間の気体を排出する気体排出機構を備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか１つに記載のガス採取ユニット。

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