JP3578230B2

JP3578230B2 - 燃焼状態監視方法およびその装置

Info

Publication number: JP3578230B2
Application number: JP00923495A
Authority: JP
Inventors: 麻弥太垣
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: JPH08200658A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば火力発電所の燃焼炉の燃焼状態を監視するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば火力発電所の燃焼炉の燃焼状態を監視する方法として、燃焼炉内の温度を光学的に検知して監視しており、赤外線温度測定装置等により燃焼炉の温度監視を行っている。また、大気汚染の防止の目的で排気中の一酸化炭素やＮＯＸ、ＳＯＸが測定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼炉内の温度を監視することは、燃焼状態以外の要因、例えば外気温や流量変化に影響されることもあり、必ず燃焼状態を表しているとはいえない。また、炉内を光学的に温度測定するためには、窓を設ける必要があり、耐熱性等の問題から非常に面倒である。また、炎にはゆらぎがあるため、安定した数値を得ることは困難である。
【０００４】
このような点から、本発明は、燃焼状態を簡便に監視することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼部からの排気を分析装置へ導入し、該分析装置により前記排気中の特定物質を検知して不完全燃焼を判別する方法であり、分析装置は、質量分析法または赤外分光分析法のいずれか一つまたは組合せであり、特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、インデンまたはナフタレンのいずれか一つまたは組合せであることを特徴とするものであり、さらに、完全燃焼状態においても排気される物質と特定物質との割合から不完全燃焼を判別するものである。
【０００６】
【作用】
燃焼状態の変化に基づく排気中の物質や燃焼生成物質を分析装置により監視することにより、外気温や流量変化等の外部の要因に影響されることなく、燃焼反応に基づく不完全燃焼を確実に検知することができる。そして、排気を監視することは、燃焼部からの排気管から分析装置に排気を導入すればよく、設備として簡便に構成することができる。
【０００７】
また、煤や煙は、排気管中にトラップされたり、集塵装置の影響を受けるが、排気の成分は、そのような影響を受けにくい。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を説明する。
【０００９】
図１は、本発明が利用される設備としての火力発電所を概略的に示したものである。図において、１は燃焼炉であり、ＬＮＧタンク２のＬＮＧ（液化天然ガス）が気化器３により気化されて、炭化水素系燃料として導入されるとともに、空気が排気を混合する押込通風機４から供給される。従って、この燃焼炉１は、排気混合方式により燃料を低い温度で緩慢に燃焼させている。そして、燃焼炉１の排気は、排気管５を介して高煙突６から放出される。
【００１０】
また、７は発電機であり、燃焼炉１の熱を受けて発生する蒸気が蒸気管８を介してタービン９を回し、タービン９の回転により発電機７から電気が発生する。タービンを回した蒸気は、復水器１０により水に戻され、繰り返し蒸気を発生させるために燃焼炉１外周側に供給される。
【００１１】
上記の排気管５には、燃焼炉１からの排気が導入されるように分岐管５ａを介して分析装置としての質量分析装置１１が接続されている。この質量分析装置１１は、図２に示すように、基本的にはイオン化部１４、質量分離部１５、イオン検出部１６から構成される。また、この質量分析装置１１は、スペースの関係等で排気管５の煙突６近傍に設けられているが、燃焼炉１の近傍であってもよい。また、分岐管５ａを介することにより、質量分析装置１１への排気の熱の影響を緩和することができるが、排気管５内の熱が十分放出されていれば、排気管５内に直接設けてもよい。
【００１２】
２ステージ油回転ポンプ１８に引かれて排気管５からの分岐管５ａによって導入された排気は、導入管としてのキャピラリ１２からフィルタ１３を介して例えば１０^−６トールに減圧された質量分析装置１１内に導入され、まずＥＩイオン源等によるイオン化部１４において高電圧による電界によりイオン化される。イオン化された排気は、四重極等による質量分離部１５の磁界により排気中の成分の分子量（質量）に基づいて曲げられ、分離された成分が電子倍増管等によるイオン検出部１６に到達し、燃焼生成物が分子量ごとに分離されて検出される。
【００１３】
このキャピラリ１２からのフィルタ１３は、質量分析装置１１内を大気圧からターボポンプ１７による減圧状態へ落とすために設けられているが、大きな分子がフィルタ１３に吸着される影響がある。従って、アントラセンのような大きな分子を監視する場合には、このフィルタ１３を用いずに、ホール（例えば約１μ）を有するプレートやスキマー（円錐形の頂部に通孔を設けたもので、複数重ねることにより窒素や酸素等の軽い分子をはじいて濃縮する効果がある）を利用してもよい。
【００１４】
この質量分析装置１１による結果は、警報部２０に出力され、警報部２０において、不完全燃焼状態であるかどうかが判別され、不完全燃焼状態であると判別される場合に、設備全体の監視センタ等に警報を発する。
【００１５】
上記実施例において、燃焼炉の燃焼状態の監視を分析装置によって常時監視するための実験結果について、以下に示す。
【００１６】
分析装置として、図２に示す質量分析装置を用い、燃焼炉１の燃焼状態を調整して、完全燃焼状態（空気ｒｉｃｈ）、半不完全燃焼状態（空気ｐｏｏｒ）、不完全燃焼状態（空気ｖｅｒｙｐｏｏｒ）として、３段階の燃焼状態とブランク状態（炎のない状態）とで測定した。
【００１７】
燃焼状態ごとの質量分析装置の測定結果および状態変化に伴う生成物質のピーク変化を図３から図６に示す。完全燃焼状態のチャート（図３）と不完全燃焼状態のチャート（図５）を比較すると、そのピークの数から不完全燃焼時に多様な物質が生成されていることは明らかであるが、その中で完全燃焼状態時と異なる物質として、ベンゼン（イオン強度ｍ／ｅ＝７８のピーク）、ブタジエン（ｍ／ｅ＝５０）、トルエン（ｍ／ｅ＝９２）が検出されている。これらの物質は、燃焼における煤煙の形成過程における中間生成物であり、不完全燃焼に基づいて発生している。
【００１８】
図６は、燃焼状態変化に伴う生成物質のピークの変化を示すものである。ブランク−完全燃焼−半不完全燃焼−不完全燃焼と約３分程度ごとに連続的に変化させたときのそれぞれスキャン番号が１から２６、２７から５０、５１から７６、７７から１００の同一分子量のピークの強度を示している。
【００１９】
その結果から、ベンゼンやブタジエン、トルエンが半不完全燃焼状態から発生している。そして、トルエンの場合には、半不完全燃焼状態でわずかに表れ、不完全燃焼状態において大きく表れている。
【００２０】
また、燃焼反応に関わる酸素や二酸化炭素等について着目してみると、酸素は、完全燃焼状態に比べて不完全燃焼状態で、増加している。そして、二酸化炭素は、完全燃焼状態に比べて、半不完全燃焼状態において減少している。これらのことは、生成物として完全燃焼時に消費される酸素量および生成する二酸化炭素量が燃焼状態の変化に基づいて変化することを示している。それに対して水は、燃焼反応によって生成するが、燃焼状態の変化に対してほとんど変わっていない。また、図６には示さなかったが、窒素（ｍ／ｅ＝２８）のピークもほとんど変化しておらず、この燃焼反応に関わらない物質のピークを基準とすることにより、導入される排気の量とすることができる。
【００２１】
ここで、質量分析装置による各成分の濃度について説明すると、質量分析装置の検出するイオン強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、検出部に印加する電圧によって変化するが、通常の大気中において、酸素を１０^−８オーダー、二酸化炭素を１０^−１０オーダーに調整すると、燃焼炉中においては、酸素が１０^−１１〜１０^−９オーダーに減少し、逆に二酸化炭素が１０^−９〜１０^−７オーダーに増加する。この量は、燃焼炉中の燃料と空気の量に応じて決まり、ほぼ一定の値となる。そして、不完全燃焼によって生成する成分、ブタジエン、ベンゼン、トルエン等のイオン強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、燃焼炉中の燃料と空気の量にによって決まり、空気が十分であると、１０^−１３オーダーであるが、空気の量を減らしていくに従って、１０^−９オーダーまで増加する。これは煤の量の関係と同じで、空気の量が十分であると、煤はほとんど出ないが、空気の量を減らしていくに従って、発生する煤の量が多くなる。
【００２２】
この不完全燃焼の監視方式には、先ず第１の方式に、上記実験結果に基づいて、完全燃焼状態では排気されないが、不完全燃焼状態によって排気される物質を特定物質として、その特定物質のイオン強度のピークが所定レベルを越えるときに、不完全燃焼と判別することができる。このときの特定物質として、後述の実験結果からベンゼン（イオン強度ｍ／ｅ＝７８のピーク）、ブタジエン（ｍ／ｅ＝５０）、トルエン（ｍ／ｅ＝９２）が検知対象とされるが、更に、煤煙の形成過程を考慮すると、キシレンや、インデン、ナフタレン、アントラセン等も発生すると考えられる。これらのように分子量が大きくなると、分岐後の管壁やフィルタにおいてトラップされることが考えられるが、管壁の保温やフィルタに代わるスキマーの利用等すれば検出可能である。
【００２３】
第２の方式に、上記実験結果に基づいて、不完全燃焼状態のみでなく、通常の完全燃焼状態においても排気される物質を特定物質として、そのピークの相対的増減によって不完全燃焼と判別することができる。このときの特定物質として、後述の実験結果から二酸化炭素（ｍ／ｅ＝４４）や酸素（ｍ／ｅ＝３２）が検知対象とできる。ここで水（ｍ／ｅ＝１８）を水を検知対象とすることも考えられるが、後述の実験結果からは、燃焼状態によるピーク変化はほとんどなかった。従って、設置する燃焼炉に基づく排気を実際に測定してピークが変化すれば検知対象とすることができる。
【００２４】
第３の方式に、上記実験結果に基づいて、燃焼に関わらない排気中の物質、例えば窒素を基準として、上記第１の方式または第２の方式の特定物質のピークの相対的増減によって不完全燃焼と判別することができる。これは、換言すれば、排気流の状態等の変化に基づくピーク変化を補正するため、窒素などの燃焼に関わらない物質を基準に、気流の量の増減を補正しようとするものである。
【００２５】
具体的な特定物質の割合として、上記実験結果から、特定物質の割合が二酸化炭素に対してベンゼンの比率が、ベンゼン／二酸化炭素＝１０^−６〜１のとき、または、ブタジエンの比率がブタジエン／二酸化炭素＝１０^−６〜１のときに、不完全燃焼状態であると判別することができる。
【００２６】
上記のように、質量分析装置１１による不完全燃焼の監視は、単純には特定物質一つのピークの増減で不完全燃焼を判別できるが、質量分析法のピークは、分子量に基づくので異なる物質が同じピークに検出される可能性があるので、複数のピークを同時に監視することで確実な不完全燃焼を判別できる。また、そのときに質量分析装置１１に導入される排気量が変化しない条件以外では、排気の導入量を検出して補正することが好ましい。さらに、上記各方式において、質量分離部１５にセクタ方式や複数段に設けること等により高分解能として、分子量を少数点以下まで分離検出することも可能であり、同一分子量の物質を詳細に区別して、特定物質を検出することが可能である。そして、上記各方式による判別は、警報部２０によって行われる。
【００２７】
また、上記の質量分析装置１１以外に用いられる分析装置として、図７に示すような、赤外分光光度装置がある。この赤外分光光度装置は、図７に示すように、基本的には光源２６、測定セル２５、分光器３０、赤外検出部２２から構成される。
【００２８】
排気管５から分岐管５ａによって導入された排気は、導入口２３を介して測定セル２５に送られ、排気口２４から排気され、常に新しい排気が取り込まれている。それに対して補償セル２７は、測定セル２５に通じているが、小さな通孔を有する遮蔽板３１、３２を設けてあるので、その内部の雰囲気はほとんど変わらない。これらの遮蔽板３１、３２は、当初外しておき燃焼炉１が完全燃焼を行っている状態において装着すれば、監視開始時から燃焼状態の変化を検出することができる。
【００２９】
この測定セル２５および補償セル２７には、赤外波長帯域の発光が行える炭化ケイ素棒やネルンスト灯等の光源２６からの光がセパレータ２１によりそれぞれ照射される。測定セル２５および補償セル２７を通過した２つの光は、セクタ部２８において交互に遮蔽され、分光器３０により各波長に分光され、熱電対やボロメータ等の赤外検出部２２に集光されて検出される。分光器３０では、詳細に示さないが、導入用のスリットを介したセクタ部２８からの光をプリズムで分光し、各波長ごとに放出用のスリットを介して赤外検出部２２に向けて放出される。
【００３０】
そして、測定セル２５および補償セル２７の通過光の強度差から各波長の燃焼物質による吸収を測定する。ここで、測定セル２５には、上記のように、排気管５から分岐された排気が導入されるが、補償セル２７内は、ほとんど完全燃焼時の排気のままであり、通過光の各波長ごとの強度差は、燃焼状態の変化に基づく生成物質の変化の特徴を表している。
【００３１】
この赤外分光光度装置による結果は、質量分析装置と同様に警報部３３に出力され、警報部３３において、不完全燃焼状態であるかどうかが判別され、不完全燃焼状態であると判別される場合に、設備全体の監視センタ等に警報を発する。
【００３２】
この不完全燃焼の監視方式は、質量分析装置による監視と同様に、まず第１の方式に、後述する実験結果に基づいて、完全燃焼状態では排気されない物質を特定物質として、その特定物質の分子構造の特徴に基づく赤外吸収波長の強度が所定レベルを越えるときに、不完全燃焼と判別することができる。このときの特定物質として、後述の実験結果からベンゼン、ブタジエン、トルエンが検知対象とされるが、更に、キシレンやインデン、ナフタレン、アントラセン等も発生すると考えられる。これらのように分子量が大きくなると、分岐後の管壁において多少トラップされることが考えられるが、保温すればトラップを防止できる。
【００３３】
そして、例えばベンゼンを特定物質と考えると、芳香環の＝Ｃ−Ｈ伸縮振動に基づく吸収が３０００ｃｍ^−１付近に、芳香環の＝Ｃ−Ｈ面外変角振動に基づく特有の小波状吸収が２０００ｃｍ^−１から１６６０ｃｍ^−１に、芳香環のＣ＝Ｃ伸縮振動を含む環振動に基づく強い吸収が１６００ｃｍ^−１から１４５０ｃｍ^−１に、芳香環の＝Ｃ−Ｈ面内変角振動に基づくやや強い吸収が１２５０ｃｍ^−１から１０００ｃｍ^−１に、芳香環の＝Ｃ−Ｈ面外変角振動に基づく強い吸収が１０００ｃｍ^−１から６５０ｃｍ^−１に表れる。また、ブタジエンでは、１５９７ｃｍ^−１に共役しているＣ＝Ｃ伸縮振動の吸収が表れる。さらに、トルエン等、孤立した芳香環を有しているものはベンゼンとほぼ同様の吸収が得られ、インデンやナフタレン等の縮合環芳香族炭化水素も基本的には芳香環に近い特徴を示す。このように、個々の物質の赤外吸収波長は、公知であるが、排気中には、複数の物質が混在しているので、実際の排気から燃焼状態の変化に基づくスペクトル変化を測定してから監視する波長を決定することが好ましい。
【００３４】
第２の方式に、上記実験結果に基づいて、完全燃焼状態においても排気される物質を特定物質として、その赤外吸収波長の吸収率の相対的増減によって不完全燃焼と判別することができる。このときの特定物質として、後述の実験結果から二酸化炭素（２３５０ｃｍ^−１等）や水（３６２５ｃｍ^−１等）を検知対象とすることも考えられるが、設置する燃焼炉に基づく排気を実際に測定してピークが変化すれば検知対象とすることができると考えられる。ここで、酸素や窒素について同一の２原子分子は、固定双極子能率を有しないので、赤外線に不活性であり検出できない。
【００３５】
上記のように、赤外分光光度装置による不完全燃焼の監視は、単純には芳香環による波長の吸収率の増減で不完全燃焼を判別できるが、各波長の吸収率は、異なる物質の小さな吸収波長が重なる可能性があるので、複数の波長を同時に監視することで確実な不完全燃焼を判別できる。そして、上記各方式による判別は、警報部３３によって行われる。
【００３６】
また、図１の質量分析装置１１に代わる分析装置として、赤外分光光度装置以外に、紫外分光光度装置やガスクロマトグラフ装置等が挙げられる。そして、これらの装置を組み合わせて用いれば、特定物質の検知を異なる物性から行え、さらに確実な不完全燃焼状態を判別することができる。
【００３７】
次に、本発明が利用される設備として清掃工場を図８に概略的に示す。図において、５１は焼却炉であり、ごみ収集車がプラットホーム５３から落としたバンカ５２のごみがクレーン５４により運ばれてホッパ５５から導入される。この焼却炉５１の排気は、誘引ファン６０により引っ張られ、まずボイラ５６において発電などに熱利用され、電気集塵機５７や窒素酸化物除去装置５８、塩化水素除去装置５９により有害物質等を除去した後に、煙突６１から放出される。
【００３８】
また、６２はクレーン操作室、６３は灰バンカであり、焼却炉５１の灰が電気集塵機５７の飛灰とともに収集される。そして、窒素酸化物除去装置５８から誘引ファン６０に続く排気管６４から分岐管６４ａによって排気を分岐して、フィルタ装置６５を介して分析装置としての質量分析装置６６に導入されるように接続されている。この質量分析装置６６については、質量分析装置１１と同様のものであり、基本的にはイオン化部、質量分離部、イオン検出部から構成され、同様の不完全燃焼の監視が行える。
【００３９】
その質量分析装置６６による結果は、質量分析装置１１と同様に図示されない警報部に出力され、警報部において不完全燃焼状態であるかどうかが判別され、不完全燃焼状態であると判別される場合に、設備全体の制御室等に警報を発する。また、この質量分析装置６６は、スペースの関係等で窒素酸化物除去装置５８と誘引ファン６０との間の排気管６４に接続されているが、焼却炉５１の近傍や煙突６１側に設けてもよい。また、フィルタ装置６５は、その設けられる位置によって適当な性能のものを用いればよい。
【００４０】
そして、この質量分析装置６６に代わる分析装置として、火力発電所と同様に、赤外分光光度装置、紫外分光光度装置やガスクロマトグラフ装置等が挙げられる。そして、これらの装置を組み合わせて用いれば、さらに確実な不完全燃焼状態を判別することができる。そして、監視される特定物質に、塩化水素等の有害物質を加えることにより、燃焼状態のみでなく、有害物質の放出を監視することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、燃焼部からの排気を分析装置へ導入し、該分析装置により前記排気中の特定物質を検知して不完全燃焼を判別する方法であって、分析装置は、質量分析法または赤外分光分析法のいずれか一つまたは組合せであり、特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、インデンまたはナフタレンのいずれか一つまたは組合せであることから、外気温や流量変化等の燃焼反応以外の要因に影響されることなく、不完全燃焼を確実に検知することが可能である。
【００４２】
また、例えば、燃焼部が炭化水素系燃料の燃焼炉やごみ焼却炉等であっても、燃焼部から分析装置に排気を導入すればよく、設備として簡便に構成することができる。
【００４３】
さらに、完全燃焼状態においても排気される物質、例えば、実験結果から二酸化炭素、酸素、水、窒素等と特定物質との割合から不完全燃焼を判別することで、燃焼状態の変化を確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】火力発電所の概略系統図。
【図２】図１に使用される質量分析装置を示す概略構成図。
【図３】完全燃焼状態における質量分析結果を示す図。
【図４】半不完全燃焼状態における質量分析結果を示す図。
【図５】不完全燃焼状態における質量分析結果を示す図。
【図６】燃焼状態変化による物質ごとのピーク変化を示す図。
【図７】図１に使用される赤外分光光度装置を示す概略構成図。
【図８】清掃工場の概略系統図。
【符号の説明】
１、５１燃焼部
５、６４排気管
１１、６６分析装置
２０、３３警報部

Claims

燃焼部からの排気を分析装置へ導入し、該分析装置により前記排気中の特定物質を検知して不完全燃焼を判別する方法であり、
前記分析装置は、質量分析法または赤外分光分析法のいずれか一つまたは組合せであり、
前記特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、インデンまたはナフタレンのいずれか一つまたは組合せであることを特徴とする燃焼状態監視方法。
完全燃焼状態においても排気される物質と特定物質との割合から不完全燃焼を判別する請求項１の燃焼状態監視方法。
燃焼部からの排気を排出する排気管と、該排気管中の排気を導入してその排気中の特定物質を検出する分析装置と、該分析装置による前記特定物質に基づいて不完全燃焼を判別する警報部と、を有し、
前記分析装置は、質量分析法または赤外分光分析法のいずれか一つまたは組合せであり、
前記特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、インデンまたはナフタレンのいずれか一つまたは組合せであることを特徴とする燃焼状態監視装置。
警報部は、完全燃焼状態においても排気される物質と特定物質との割合から不完全燃焼を判別する請求項１の燃焼状態監視装置。