JP4674417B2

JP4674417B2 - Ｓｏ３濃度計

Info

Publication number: JP4674417B2
Application number: JP2001196479A
Authority: JP
Inventors: 孝男倉田; 健小林; 武人八木; 正孝小原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003014633A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼排ガス中のＳＯ₃ のガス濃度を紫外線吸収分析により計測するＳＯ₃ 濃度計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、紫外線吸収分析でのガス中の濃度の検出は、既知濃度の紫外線吸収スペクトルをとり、吸光度を濃度毎にプロットした検量線を作成した後で、未知濃度の吸光度と対比することで、ガスの濃度を求めている。
【０００３】
検量線による濃度の測定は、ランベルトベールの法則により作成した検量線が、直線になるので、その直線の式を求めれば、吸光度の代入で濃度が求められるという原理による。
【０００４】
この検量線に基づくボイラの排煙中のＳＯ₂ 等のガス濃度を紫外線吸収分析により測定する場合、煙道中の排ガスをポンプの吸引力でガスセル内に導入し、そのガスセルに紫外線を透過して吸収スペクトルを求めて計測することが行われている。
【０００５】
この際、排煙中には、ＳＯ₂ の他にＳＯ₃ が含まれ、両者の吸収スペクトル帯が同じために、これらを個々に計測することが困難であったが、本出願人が先に出願した特願平１１−３７４１０６号（発明の名称：煙道中のＳＯ₃ ガスの濃度算出方法）により、ＳＯ₂ とＳＯ₃ の濃度を検出することが可能となった。この濃度算出方法は、ＳＯ₃ の濃度を検出する際に妨害ガスとなるＳＯ₂ を混入したガスで、ＳＯ₃ の組成比を変えながら吸光度スペクトルをとり、その吸光度スペクトルデータを基に、ＰＬＳ（Partial Least Squares)等による多変量解析により、ＳＯ₂ とＳＯ₃ 検量線を作成し、その検量線を基に、煙道中の排ガスを紫外線吸収分析して排ガス中の、未知濃度のＳＯ₂ とＳＯ₃ を計測できるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯ₃ は、腐食性ガスであり、しかも３５０℃以下では、排ガス中の水蒸気と結合して硫酸となるため、３５０℃以上に加熱しなければ、紫外線吸収法での吸収スペクトル分析ができない。
【０００７】
また、煙道ダクト中の圧力変化、またガスセル内に導入する排ガスからダストを除去するためのフィルターの目詰まり程度、ポンプの吸引力の変化等種々の要因により、ガスセル内圧力が変化する。ガスセル内のガス圧が変わると吸光度の計測値も変化してしまうため、計測には、ガスセル内の圧力を一定に保つ必要がある。
【０００８】
しかしながら、ガスセル圧力を一定に保つには、一次圧（煙道側）が不安定なことや、一次圧と２次圧側の圧力差があまりないことにより、ガスセル内圧力を一定に保つのは困難である。
【０００９】
このため、ガスセルに濃度補正用の圧力モニターを設置することが考えられるが、高温に耐え、しかも腐食に強い圧力モニターは、現状ではなく、作るとしても非常に高価なものとなると共に劣悪な環境では、応答性がよく、しかも長期間安定したモニターができない問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温の排ガスを導入し、そのガスセル内圧力をモニターしてＳＯ₃ 濃度を的確に測定できるＳＯ₃ 濃度計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ガスセル内に導入した排ガス中のＳＯ₃ の濃度を紫外線吸収分析により計測するＳＯ₃ 濃度計において、ガスセルのガス排出側に排ガスを冷却するクーラー付きトラップを接続し、そのトラップの排気側にガスセル内圧力を検出する圧力モニターを接続したＳＯ₃ 濃度計である。
【００１２】
請求項２の発明は、ガスセルにセル内温度を３５０〜４５０℃に保持するヒータを設けた請求項１記載のＳＯ₃ 濃度計である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１４】
先ず、図１により、本発明における煙道中の排ガスの紫外線吸収分析装置を説明する。
【００１５】
図１において、１０は、ボイラからの排ガスが流れる煙道で、その煙道１０にガス吸込管１１を介してガスセル１２が接続される。ガス吸込管１１には、排ガス中のダストを除去するフィルター１３が接続される。
【００１６】
ガスセル１２は、出口管１４を介してトラップ１５が接続される。トラップ１５は、導入した排ガスを冷却するクーラー１６が設けられている。
【００１７】
トラップ１５からの排気管１７には、半導体圧力センサからなる圧力モニター１８が接続されると共に煙道１０からの排ガスをガスセル１２を通して吸引排気するためのポンプ２０が接続される。
【００１８】
排気管１７の下流側は図示していないが、排ガスを煙道１０に戻すようにしても或いは他の排気処理系に供給するようにしてもよい。
【００１９】
ガスセル１２には導入した排ガスを３５０〜４５０℃に保つためのヒータ１９が設けられる。
【００２０】
ガスセル１２の一方には、ガスセル１２に紫外線を透過するためのＸｅランプ等の光源２１が設けられると共に分光器及び光検出器２２が設けられ、その検出信号２５がデータ処理装置２４に入力される。
【００２１】
この光源２１と分光器及び光検出器２２は、図では、光源２１からの紫外線ＵＶをガスセル１２を１回透過させ、その吸光度を分光器及び光検出器２２で検出する例を示しているが、反射ミラーを用いてガスセル１２内を複数回反射させて光路長を長くして吸光度を計測するようにする。
【００２２】
分光器及び光検出器２２は、紫外線（領域０〜４００ｎｍ）中の２００〜３５０ｎｍの範囲の波長を分光し、それを検出素子に入射し、その検出素子で検出された吸光度データがデータ処理装置２４に入力されて演算される。
【００２３】
この図１において、ポンプ２０の吸引によりセル１２内には、煙道１０内の排ガスがフィルター１３で除塵されて導入される。この排ガス中には、ＳＯ₃ とＳＯ₂ が含まれるが、上述した先願の発明に基づくＳＯ₃ とＳＯ₂ の検量線を基にＳＯ₃ とＳＯ₂ の濃度を求めることができる。
【００２４】
この場合、ガスセル１２内温度が３５０℃以下となると、排ガス中のＳＯ₃ とＨ₂ Ｏとが結合して硫酸となり、ＳＯ₃ の紫外線吸収が無くなるため、ヒータ１９によりガスセル内温度を３５０〜４５０℃に保つようにする。また、ガスセル１２内の圧力が変動すると、吸光度の計測値も変化する。そこで、ガスセル１２内のガス圧と検量線の関係を調べたところ、ガス圧と検量線の傾きは比例しており、ガス圧が判れば濃度の補正が可能なことが判った。しかし、ガスセル１２内は、約３００〜４００℃あり、現状では高温使用で且つ応答速度の速い圧力モニターはないため、ガスセル１２内の排ガスを出口管１４からトラップ１５に排出し、そこで排ガスの温度を１００℃以下まで、クーラー１６で冷却し、その冷却後の排ガスを排気管１７に接続した半導体圧力センサ等からなる圧力モニター１８で圧力を検出し、その圧力信号２６をデータ処理装置２４に入力する。
【００２５】
この際、排ガス中のＳＯ₃ は、トラップ１５内での冷却で、硫酸になるか或いは排ガス中にアンモニアが含まれていた場合には、酸性硫安又は硫安となって捕集され、排気管１７に、ＳＯ₃ が流れないため、圧力モニター１８及びポンプ２０の腐食からの保護が可能となる。また圧力モニター１８を排気管１７に接続し、この検出圧力をガスセル１２内の圧力とするが、圧力の伝搬は瞬時であり、ガスセル１２から離れていても実質的にガスセル１２の圧力を検出していることと等価であり、圧力モニター１８を、高温と腐食環境から保護できる。
【００２６】
次に、ガスセル１２内のガス圧力と検量線の関係を説明する。
【００２７】
（１）試験方法
圧力依存性の確認試験パラメータを表１の条件で、紫外線吸収スペクトルを採取し、検量線を作成した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
この確認試験は、ＳＯ₂ 濃度が０，１０００，１５００ｐｐｍのサンプルにそれぞれＳＯ₃ 濃度を０，１０，２０，３０と変えて合計１２のガスサンプルに対して、設定圧力（任意）を０ＭＰａとし、その圧力に対して−０．０１ＭＰａ、−０．０１５ＭＰａにセル圧力を保って紫外線吸収スペクトルを採取し、上述した先願発明の手法に則ってＳＯ₂ とＳＯ₃ の検量線を求めた。
【００３０】
（２）試験結果
先ず、ＳＯ₂ の計測結果を図２と表２に示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
図２は、２６０ｎｍのＳＯ₂ 吸光度を濃度ごとにプロットしたもので、計測圧力ごとに示したものである。
【００３３】
図２は、圧力ごとに検量線が異なっていることを示している。しかし、各圧力の比は略同じであり、吸光度の大きさはセル中の分子数に依存していると考えられる。
【００３４】
図３は圧力による分子数を補正してプロットしたものである。各プロットは分子数から、下式（１）により、１気圧の濃度に換算してプロットした。
【００３５】
換算濃度＝濃度 × ０．１（ＭＰａ）／［０．１（ＭＰａ）＋セルゲージ圧（ＭＰａ）］ …（１）
圧力で補正すると、図３に示すように、異なっていた検量線の傾き（ｙ＝０．００１６ｘ＋０．００２２２）が一つにまとめられた。
【００３６】
なお、Ｒは相関係数であり、Ｒ² が０．９９８３と、Ｒがより１に近いことが分かる。
【００３７】
同様に、図４に、ＰＬＳ回帰分析により圧力補正によるＳＯ₂ の検量線の計算結果を示した。ＰＬＳ回帰分析においても圧力補正すればよいことが分かった。
図５は、ＳＯ₂ を０、１０００、１５００ｐｐｍ、また圧力を０、−０．０１、−０．０１５ＭＰａと変化させたときのＳＯ₃ の濃度算出結果を示したものである。
【００３８】
図５において、横軸に示す濃度は圧力補正を行った調整濃度（標準ガスを決められた組成比で調整した濃度）であり、縦軸に示す濃度は採集して求めたスペクトルからＰＬＳ回帰計算を実施して計算した出力濃度であり、検量線の傾き（ｙ＝０．９９５２ｘ＋５．５８５８）、相関係数Ｒ² は０．９９９７であった。
【００３９】
なお、上記（１）式を一般的に記述すると以下のようになる。
【００４０】
検量線作成時；
濃度＝調整濃度 × 基準とする圧力（絶対圧）／計測時の圧力（絶対圧）…（２）
サンプル計測時；
濃度＝計測濃度 × 検量線作成時に基準とした圧力（絶対圧）／計測時の圧力（絶対圧） …（３）
次に計測時のフローを説明する。
【００４１】
先ず検量線作成時のフローチャートを図６により説明する。
【００４２】
図６に示すように、計測時、基準となるガス圧を決定（通常１気圧）する（Ｓ１０）。次にガス圧力モニターしながら、ガス組成を変えて吸収スペクトルを採取する（Ｓ１１）。
【００４３】
採取した吸収スペクトルから求めた濃度を上記（２）式により計測時ガス圧で補正する（Ｓ１３）。
【００４４】
補正した濃度と吸光度で検量線を作成し（Ｓ１４）、検量線作成のフローを終了する（Ｓ１５）。
【００４５】
サンプル計測時のフローチャートを図７により説明する。
【００４６】
図７に示すように、ガス圧力をモニターしながら、サンプルスペクトルを採取する（Ｓ２０）。
【００４７】
次に、採取した吸収スペクトルから求めた濃度を上記（３）式により計測時ガス圧力で補正する（Ｓ２１）。
【００４８】
補正した濃度と図６で求めた検量線よりサンプル濃度を求め（Ｓ２２）、計測フローを終了する（Ｓ２３）。
【００４９】
このように、ガスセル１２内の圧力とガスの分子数が比例し、同じ濃度でも紫外線吸収法で計測される濃度は、セル圧力と比例して変化することに着目し、計測時のセル圧力を計測し、そのセル圧力で補正することで、正確な濃度測定が行える。
【００５０】
この際、ガスセル１２内の排ガスをヒーター１９で３５０〜４５０℃の範囲に保ち、そのガスを排出する際に、クーラー１６付きトラップ１５で冷却することで、排ガス中のＳＯ₃ が硫酸としてトラップ１５内に捕集できるため、排気管１７には、低温で腐食ガスを含まないガスが流れるため圧力モニター１８は、一般的な圧力モニターで十分計測可能であり、圧力モニターの寿命を延ばすことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、紫外線吸収分析によるＳＯ₃ 濃度を補正する際のガスセルの圧力を、排ガスを冷却し排ガス中のＳＯ₃ を除去した後のガス圧を計測することで圧力モニターの寿命を延ばすことができるとともに、正確なＳＯ₃ の濃度計測が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にＳＯ₃ 濃度計の概要を説明する図である。
【図２】本発明おいて、各圧力ごとのＳＯ₂ 検量線を示す図である。
【図３】本発明において、圧力で補正したＳＯ₂ 検量線を示す図である。
【図４】本発明において、ＰＬＳ回帰分析での圧力補正によるＳＯ₂ 検量線を示す図である。
【図５】本発明において、圧力を補正したときのＳＯ₃ 検量線を示す図である。
【図６】本発明において、検量線作成時のフローチャートを示す図である。
【図７】本発明において、計測時のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１０煙道
１２ガスセル
１５トラップ
１６クーラー
１８圧力モニター
２１光源
２２分光器及び光検出器
２４データ処理装置

Claims

ガスセル内に導入した排ガス中のＳＯ₃ の濃度を紫外線吸収分析により計測するＳＯ₃ 濃度計において、ガスセルのガス排出側に排ガスを冷却するクーラー付きトラップを接続し、そのトラップの排気側にガスセル内圧力を検出する圧力モニターを接続したことを特徴とするＳＯ₃ 濃度計。
ガスセルにセル内温度を３５０〜４５０℃に保持するヒータを設けた請求項１記載のＳＯ₃ 濃度計。