JP4676486B2 - 処理環境からガスを抽出するためのプローブとシステム - Google Patents

Description

この発明は、一般的にはガスが発生することが含まれる化学プロセス、例えば、セメント焼成炉の規制および制御のためのシステムに関するものである。

ファーネス内にプローブを取り付けて、該ファーネスからガスを抽出し、抽出したガスを分析装置へ送るシステムは、知られている。

ガス抽出のために、このようなシステムは、（プローブを介しての）吸引のために低出力で低い圧力の小形ポンプを使用している。このことは、ガスを熱い状態／霧状で処理することを意味し、これによってガスの流れに沿うカップリング、チューブおよび種々の部品類を攻撃する腐食性の酸が発生してしまい、環境状況を悪化させてしまう。前記システムにおける凝縮物の沈殿（ホットガス／霧状ガス内をひかれる）を防ぐには、吸引チューブ、フィルターおよびチューブを加熱する必要があるが、よい結果はでない（パッキングや酸などの問題）。

さらに、前記プローブは、操作上信頼性に欠けてしまうガス吸引チューブを閉塞してしまう重大な問題をもつ。

さらには、従来のプローブにおいては、ダストの濾過をフィルターのみで行っていて、これは、オーバーロードであり、詰まるもとになる。前記プローブを清浄するには、圧縮空気での清浄化サイクル（プログラム可能）で行われるが、多くの場合、フィルターを完全にもとに戻すことはできず、さらには、これで分析すべきガス内へ汚染物が導入される。

これらの問題のため、ファーネスガス分析の値は、そこそこのもので、不規則であり、特に代替燃料が存在している場合、ラインの正しい管理に誤りを生じさせてしまう。これら後者の場合、現在商業的に使用されている最良のプローブは、限界に達している。人手による細心の継続した監視と保守によってのみ満足できる結果が得られる。

ＧＢ−Ａ−１４４５０６１、ＵＳ−Ａ−４３３６７２２、ＤＥ４４３０３７８Ａ１、ＣＡ−Ａ−２１９６８４６およびＵＳ−Ａ−３９３８３９０は、分析すべきガス流体を処理すべき環境から抽出する技術を開示する。

特に、ＧＢ−Ａ−１４４５０６１では分析すべきガス流体を処理すべき環境から抽出する技術を開示し、それは以下からなる：
−ガス流体を抽出するプローブを具備し、それは処理環境内に位置する第１の環状要素を有し、前記環状要素は、一端にガス吸引開口を備えており、それは内部キャビティを画定し、および第１の環状要素のキャビティ内に延びる第２の環状要素を有し、前記第２の環状要素は、前記流体をキャビティ内へ第１の環状要素の前記ガス開口に向かって射出し、そこから再度、処理環境内へ射出するものであり、
−プローブの前記第１の環状要素のキャビティを通して処理環境からガス流体を吸引する手段、
−前記ガス流体の一部を抜き取るための前記吸引手段に接続される抜き取り手段であって、前記抜き取り手段は前記ガス流体の分析をするためにさらに前記ガス流体前記抜き取り手段は前記分析手段に接続され；および
−第２の環状要素を通して処理環境へ前記ガス状気体を再射出する。

ＧＢ−Ａ−１４４５０６１の処理系では、限定された分野に限り、第２のプローブによりプローブのつまりを解消する。

この発明の一つの目的は、プロセス環境から分析すべきガスを抽出するシステムを提供するものであって、このプローブは、少なくとも該プローブの閉塞の発生を少なくすることができるものであって、即ち、継続的なメインテナンスを中断することなしに、その使用を継続することを保証するものである（ガス抽出システムにおける分析の確実性と連続性の改良をする）。

この目的は、この発明似よれば、請求項１に規定の特徴をもつプロセス環境から分析すべきガスを抽出するためのシステムによって達成される。

前記プローブのための好ましい実施例を従属請求項に定義する。

この発明の他の目的は、処理環境から及びそれへガス流体を抽出し、再射出するために、請求項１２に特徴付けられる方法の提供である。

前記システムの好ましい実施例を従属請求項に定義する。

このシステムは、この発明による前記プローブとのコラボレーションにより、ダスト発生を抑え（フィルターへのストレスを減らす）、ガスを乾燥させ（閉塞をなくし、酸を発生させない）、そして、クリーニングの点では、圧縮空気に頼らず、同じプロセスガスを利用すること（変更が無いため分析を継続できる）でセルフクリーニングを行うことができる。

このシステムの使用で、ファーネスからガスの抽出が可能となり、これによって従前の分析手段によって前記ガスを分析できる。これによって、ファーネスの燃焼ガスの信頼性がある分析が得られる。したがって、これにより装置の制御を最適にし（燃料消費を抑え、ファーネス製品の品質／量を改善する）、さらに 大気中への放出のモニター／低減の制御を最適にする。

前記システムの信頼性と継続性によって、その出力を自動ファーネス管理に利用できる（Ｏ_２ がピークに達する圧縮空気での洗浄を行わない）。前記コンプレッサのキャパシティは、高く、したがって通常のシステムにおけるよりもリスポンスが早く、生じ得る小さなロスは、問題がない、したがって、より信頼性がある分析が得られる。

このシステムは、どのタイプのファーネスにも適用でき（使用条件の如何に拘らず；温度，ダストレベル、スチーム、酸など）、燃料のタイプ（代替燃料／廃棄燃料でも）も制限無く、そして、処理マリアルもどのようなものでもよい。

前記プローブは、セメント炉向けになっているが、異なるタイプの産業；スチールワークス、サーモエレクトリック・プラント、化学／石油化学産業、炭素粉砕および貯蔵、焼却炉、爆発性粉体貯蔵サイロなど、即ち、後続の分析のためにガス抽出が必要になるそれらすべてのセクター（ファーネス、サイロ、煙突、パイプワークなど）に使用できる。

この発明によるプローブとシステムの突出した特徴は、メインテナンスの必要度を低下させることにある。これは、ダスト／凝縮物を吸引せず、コンプレッサにより保証される圧縮ガスを強力に、かつ、継続して散布することによって達成される。

前記フィルターは、プローブをクリーニングするために急速に放出する間のガスのパワフルな対流によるセルフクリーニングによって使用寿命が長い。

さらに、ドライダストを減らすには、ファーネスからの圧縮ガスを用い、水散布を行わないことで達成される。さらに、ガス乾燥で結果的に酸類を抑制できる。このシステムは、ここでもまた圧縮ガスの作用でル連続サイクルの状態でセルフクリーニングを行うもので、したがって、ファーネスからのガスを使用することでのガス分析を正確なものにしない（汚染してしまう）圧縮ガスでの作用による洗浄サイクルを必要としない。これによってガス処理のための数多くのコントロールパネル類（フィルター、制酸剤、発泡チャンバなどが付属）、ソレノイドバルブ類のコントロールパネル類および各種の専用電気制御パネル類（ＰＬＣが付属）の使用が不要になる。

前記プローブは、短時間で簡単に設置でき、それに接続することができる存在するシステムを適合させるのに、さほどの作業を必要としない、さらに、前記ファーネス内の最適位置（ダストポイントが一番小さいところなど）を探すのに手間を要しない。

高温での使用においては前記プローブは、水冷される。ホットゾーン（ガス回路）をコールドゾーン（水冷ジャケット）から離す濃縮を防ぐ中間部が備えられていて、抽出されたガスをその温度に維持する。この構成によって、吸引チューブの内壁に凝縮物が生成されず、これによって、前記ダストが滞留しなくなるようにする。ガスと冷却の二つのチャンバは、別個のもので、フランジにより接続される。これによって、ファーネスからガス回路のみを取り外すことができ（ファーネスが操業中であっても検査や洗浄ができるようにするため）、ファーネスには、冷却システムのみが置かれるようになっている。

この発明の好ましいもので、限定されない実施例を添付の図面を参照しながらここに記載する。

図１を参照すると、例えばファーネス（図示せず）のようなプロセス環境からガスを抽出するシステム、プローブＳ、コンプレッサＣ、冷却水をプローブＳへ供給する管路２０とプロービＳからこの水を排出する管路３０、プローブＳからガスを吸引する管路４０と前記ガスをルオーブＳ／プロセス環境へ再注入するための管路５０を備えている。

このシステムには、コンプレッサＣとソレノイドＥＶｉＧ，ＥＶ２Ｇに電圧が供給され、例えば水などの流体がプローブＳの冷却のために供給され、例えば空気などの圧縮流体がソレノイドバルブ・アクチュエータＥＶ１Ｇ，ＥＶ２Ｇへ供給される。また別に密閉回路水をもつ低温冷却装置を冷却シウテムに使用できるようになっている。

図３を参照すると、必須形態のプローブＳは、例えば、ＡＩＳＩ３０４スチールの同心の２本のチューブ１，２を備えているが、高温に耐え、酸腐食に耐えるさらに適当なマテリアルも使用できる。外側チューブ２は、ガスの吸引に専ら用いられ、内側チューブ１は、ガスの供給である。このプローブＳは、低温環境での使用が可能である。これを高温度で使用するには、水冷ジャケット（図４に図示）を設けることが必要である。

図２においては、ガス循環チャンバと水冷ジャケットＣＲＡが設けられたプローブＳが示されている。この例（水冷つき）は、高温度のためのものであって、支持フランジＦＳによりファーネスの壁に取り付け、固定されている。プローブヘッドＴＳには、保護コーンＣＰが取りつれられ、これは、前記プオーブ内への不純物の侵入に対する第１のバリヤとして作用する。

最も外側の３本のチューブ３，４，５は、冷却チャンバＣＲＡを構成し、該チャンバ内を水が流れるようになっている（フランジＦＳでファーネスに取り付けられ、取り付け、固定が行われる）。ジャケットＣＲＡの最も内側のチューブ３と中間のチューブ４の間の空間が水のフィルターＦＡにより水供給管路２０につながっており、ジャケッＣＲＡの中間チューブ４と外側チューブ５の間の空間が人手操作のバルブＶＭＡにより水放出管路３０につながっていて、該バルブにより冷却水の流量レートが規制されるようになっている。供給管路２０の上流と放出管路３０の下流には、それぞれ冷却水レリーフバルブＶＳＡが配置されている。さらに、放出管路３０内には、水圧制御のセンサＴＡと水量制御のセンサＦａが配置されている。

最も内側の２本のチューブ１，２は、ガス引き抜きプローブを的確に構成するフランジＦＬにより冷媒ジャケットにぴったり結合して、装置が作動中であっても簡単かつ即座に取り外すことができるようになっている。

前記二つのチャンバを連結（ガスと冷却、即ち、第２と第３のチューブ２，３を内部での作業から外部へ）することで、前記プローブの底部（ファーネス外側サイド）で閉塞し、ガスがなめるように通る頭部ＴＳ（ファーネス内側サイド）で開放している空間ＩＮを生じさせる。これによって、ガス吸引チューブ２（第２のチューブ）内における濃縮物の生成が防げ、過剰に冷却せずにガスを引き抜くことができる。前記ガスは、第１と第２のチューブ１，２により構成されているチャンバＣＡに吸引され、コンプレッサＣにより同心の中央チューブ（第１のチューブ）を介してファーネスの内部へ再び射出される。中央チューブのファーネス側端部ＵＧが閉塞され、これで噴出されたガスが圧縮される。好ましくは、この端部は、ノズルを有する。また別に、同じ中央チューブ１をプローブ頭部ＴＳへ向けガスを噴射するための毛管として実現することもできる。このようにして、前記ガスは、ある程度の圧力と動的エネルギーをもつようになり、ダストのバリヤとなり、プローブ頭部ＴＳを清浄にする。事実上は、前記ガスは、管路４０を経て吸引され、コンプレッサＣにより適当な圧力と速度で管路５０を経てファーネスへ戻される。前記ガスの吸引および供給回路４０，５０（ファーネス−コンプレッサ−ファーネス）においては、ブランチ４１が取り付けられ、分析すべき極めて低い割合の流体が、上昇させるコンプレッサＣをもつポンプＰＭにより在来の分析装置ＡＧへ送られる。循環流体の高いフローレートによりリスポンス時間の短縮が保証され、ファーネスの管理に利点を与える。分析装置の上流には、分析装置へのガス流量を調整するレギュレータＲＦと分析装置へのガスの圧力をコントロールするセンサＰ２ｇが設けられている。これらの分析装置は、さらには、フィルターＦ３Ｇで保護されていて、このフィルターは、アンチ酸／濃縮物として機能する。分析装置の下流には、前記分析装置からガスを排出するガス放出器ＳＧが配置されている。

ガスがコンプレッサＣとポンプＰＭに達する前に吸引管路４０における上流フィルタＦ１Ｇ，Ｆ２Ｇにより適切に濾過される。フィルターＦ１Ｇは、ダストデカンタＤに連結していて、前記回路に存在するダストを減少させるようにしている。

コンプレッサのガス圧力のコントロールのためのセンサＰ１ｇとコンプレッサＣの過剰ガス圧のためのバルブＶＳＧは、コンプレッサＣの供給側に接続している。

また二つの貯蔵部Ｓ１Ｇ（減圧されている）とＳ２Ｇ（加圧されている）が前記システムにおけるコンプレッッサＣの吸引側と供給側のそれぞれに存在している。これらは、濃縮物を集め、コンプレッサの圧力／減圧を安定化させる。特に、貯蔵部Ｓ２Ｇは、濃縮物を減らすための冷却装置／乾燥装置ＲＥを形成する。貯蔵部Ｓ２Ｇの下流は、濃縮物自動放出バルブＶＡＣと接続し、濃縮物ＳＣを排出するようになっている。前記貯蔵部には、また、二つのタイミング・ソレノイドバルブＥＶ１Ｇ，ＥＶ２Ｇが備えられていて、条件に応じての設定可能時間に対しサイクリックの態様でそれぞれのサーボ・バルブを作動させるようになっている。ソレノイドバルブＥＶ１Ｇは、二方バルブで、減圧された貯蔵部Ｓ１ＧとプローブＳの吸引側との間に設けられており、プローブＳからの吸引を停止し、これによって、供給のスラストを補強し、前記プローブ頭部の清浄化をよりよくする。ソレノイドバルブＥＶ１Ｆの下流には、コンプレッサＣへのガスの流れをコントロールするセンサＦｇが配置されている。前記一つの上流に設置の三方ソレノイドバルブＥＶ２Ｇは、吸引チューブ２に向けて、圧力貯蔵部Ｓ２Ｇにおける流体を一杯のジェット流で強く放出する機能をもつ。この大量の流体が通常の流れと反対の方向へ高速度で流れ、ファーネス内部へ向け堆積したマテリアルをふきとばし、かくして、対抗する流れによって清浄化される（バックウオッシング）。

提案されたプローブのタイプは、乾燥ダストの排除、ガス乾燥およびヘッド清浄を連続して行うことができ、マテリアルの詰まりを防ぐ。吸引されたガスの分析は、中断されることなく連続して行われ（即時でもそれることなく）、これは、圧縮空気での清浄サイクルを必要としないからである（Ｏ_２ピークに達する）。これは、前記ファーネス内で同じガスを再循環するコンプレッサを利用することでできる；前記供給チューブの内部末端に位置するノズルを閉塞することで、別個の圧力と動的エネルギーにより前記ガスを吸引し、前記ファーネスへ戻す。前記チューブは、前記吸引チューブと同心になっているから、ダスト濾過バリヤとなり、さらに前記頭部を清浄に保つ。同様に、これは、吸引したガスを十分に乾燥させる。ダストがきれいにされた冷たい乾燥したガスは、濃縮したり、又は、酸にならず、固まらなくなる。ダストと濃縮物は、最初からカットアウトから、ファーネスへ戻され、前記分析器具にそって搬送されないようになっている。この点は、前記管路、コネクタとコンプレッサ、ポンプ、分析器およびコノロールセンサとセキュリティセンサにとって利点であり、これらの効率と耐用年数を大幅に増やす。さらに、これらは、商業的に経済的なものになり、それらをさらに高価な耐酸化性のものにする必要がない。この発明による前記プローブとシステムは、ダストを減らし（フィルターへの負荷を減らす）、前記ガスを乾燥させ（固化をなくし、酸を発生させない）ものであり、そして、前記プローブは、圧縮空気の助けをかりず、同じ処理ガスを利用してのセルフクリーニングのものである（変更が無いため、分析が継続される）。

換言すると、前記コンプレッサと分岐理論とで、以下のような点が得られる；ダストフリーおよび乾燥されたガス（バリヤ効果により）、そして、圧縮空気による清浄化サイクルの必要性無しにヘッドがセルフクリーニングできる（分析ガスの中断と変更が無い連続サイクルにより）。

このプローブの強い点は、コンプレッサの中央チューブであって、これにより、ガスをある程度の圧力と動的エネルギーでファーネスへ再循環させることができる。当然ではあるが、コンプレッサの代わりに、他の形式の連続サイクルマシンを使用することができる。

この発明によるファーネスから燃焼したガスを引き抜くシステムの説明図 この発明によるファーネスから燃焼したガスを引き抜くプローブの側面略図 冷却ジャケットを省いた図２のプローブの側面略図 図２のプローブの冷却ジャケットの側面略図

符号の説明

（Ｓ） プローブ
（ＴＳ） ガス吸引開口
（ＣＡ） 内部キャビティ
（ＵＧ） 配置の一端
（４０，Ｃ） 回路
（１）、（２） 第１、第２の管状要素

Claims (13)

1. プロセス環境から分析すべきガス状流体を抽出するシステムであって、
   前記ガス状流体を抽出するためのプローブ（Ｓ）であって、これは、第１の管状要素（２）を備え、このプローブは、前記プロセス環境内部に配置され、前記第１の管状要素は、一端にガス吸引開口（ＴＳ）を有し、内部キャビティ（ＣＡ）を構成し、さらに、前記プローブは、第２の管状要素（１）を備え、これは、第１の管状要素（２）のキャビティ（ＣＡ）内にのびていて、前記第２の管状要素は、前記ガス状流体の一部を第１の管状要素（２）の吸引開口に向け前記キャビティ（ＣＡ）の内部へ前記ガス状流体を噴射し、前記キャビティから前記プロセス環境へ再び前記ガス状流体を噴射するようになっているもの、
   プローブ（Ｓ）の第１の管状要素（２）のキャビティ（ＣＡ）を経て前記プロセス環境からガス状流体を吸引する吸引手段（４０，Ｃ）、
   前記吸引手段（４０，Ｃ）と接続していて、前記ガス状流体の一部のフラクションを抜き取る、抜き取り手段で、さらに分析器に接続されて、前記ガス状流体を分析する前記抜き取り手段、および
   第２の管状要素（１）を経て前記プロセス環境へ前記ガス状流体を再噴射するための再噴射手段（５０，Ｃ）を備えており、以下の点を特徴とするシステム；
   前記吸引手段（４０，Ｃ）と前記再噴射手段（５０，Ｃ）は、コンプレッサ手段（Ｃ）を共有し、前記コンプレッサ手段は、吸引側と供給側とを有し、前記第１の管状要素が前記コンプレッサ手段の前記吸引側と供給側の一方に選択的に前記第１の管状要素を流体連通させるバルブ手段（ＥＶ２Ｇ）に流体連通して、これを制御するように構成され、そして、
   前記第２の管状要素は、前記コンプレッサ手段の供給側に貯蔵部（Ｓ２Ｇ）を介して流体連通しており、前記第２の管状要素は、絞り調整されて、該管状要素を通る前記ガス状流体を加速させ、同時に、前記貯蔵部内の上流に前記ガス状流体を蓄積させるように構成され、
   前記システムが吸引状態にあるとき、ガス状流体は、前記第１の管状要素を経て吸引され、前記貯蔵部で部分的に蓄積され、バック洗浄の状態では、前記蓄積されたガス状流体が前記制御バルブ手段（ＥＶ２Ｇ）の作動で、前記貯蔵部から前記第１の管状要素（２）を経て放出される構成になっている
   ことを特徴とするもの。
2. 前記第２の管状要素（１）の端部が前記吸引開口側、即ち、プロセス環境側に配置され、ノズル（ＵＧ）が設けられている請求項１によるシステム。
3. 前記第１（２）と第２（１）の管状要素が同心である請求項１または請求項２によるシステム。
4. 前記第１（２）と第２（１）の管状要素に組み込められ、第１の管状要素（２）に対し第２の管状要素（１）をスライドできるようにするコネクタ要素（ＣＲ，Ｔ）、穴あきナット（ＤＴ）とガス密閉シールを含む請求項３によるシステム。
5. 前記第１の管状要素（２）のまわりに配置の冷却ジャケット（ＣＲＡ）をさらに含む請求項１〜４のいずれか一つによるシステム。
6. 前記冷却ジャケットが前記ジャケットと第１の管状要素（２）の間に空間部（ＩＮ）が介在するように配置されている請求項５によるシステム。
7. 前記冷却ジャケットは、前記プローブ（Ｓ）の前記第１の管状要素（２）に着脱自由に取り付けられる請求項５または請求項６のいずれかによるシステム。
8. 前記冷却ジャケットは、クローズされた流体回路を介して低温冷却器に流体連通している請求項５から請求項７のいずれか一つによるシステム。
9. さらに前記吸引開口（ＴＳ）に近接して配置されたシールド要素（ＣＰ）を含む請求項の１〜８いずれか一つによるシステム。
10. 前記プローブ（Ｓ）の下流に配置され、前記ガスにおけるダストおよび濃縮物がさらに減るようになっているデカンタ手段（Ｄ）と乾燥手段（ＲＥ）をさらに含む請求項１〜９のいずれか一つによるシステム。
11. 前記プローブ（Ｓ）の第１の管状要素（２）に連結している真空計（Ｖｇ）と前記プローブの作用状況をモニタするプローブ（Ｓ）の第２の管状要素（１）に連結のマノメータ（Ｍｇ）をさらに含む請求項１〜１０のいずれか一つによるシステム。
12. プロセス環境から分析すべきガス状流体を抽出し、そしてプロセス環境へ再噴射する方法であって、以下のものを使用する前記方法：
    前記ガス状流体を抽出するためのプローブ（Ｓ）であって、これは、プロセス環境の内部に配置されることができる第１の管状要素（２）を備え、前記第１の管状要素（２）は、一端にガス吸引開口（ＴＳ）を有して内部キャビティ（ＣＡ）を構成し、さらに第２の管状要素（１）を備え、これは、第１の管状要素（２）のキャビティ（ＣＡ）内にのびていて、前記第２の管状要素は前記ガス状流体を第１の管状要素（２）の吸引開口に向け前記キャビティ（ＣＡ）の内部へ噴射し、さらに前記プロセス環境へ再び前記ガス状流体を噴射するようになっているものを使用し、
    前記方法は、以下の工程からなるもの：
    プローブ（Ｓ）の前記第１の管状要素（２）のキャビティ（ＣＡ）を経て前記プロセス環境からガス状流体を吸引し、
    前記ガス状流体のフラクションを分析のために抜き取り、
    前記ガス状流体を前記第２の管状要素（１）を経て前記プロセス環境へ再噴射し、
    そして、前記ガス状流体の一部のみが前記プロセス環境へ再噴射されて、前記ガス状流体の一部が貯蔵部内の上流に蓄積され、さらに、
    前記方法は、バック洗浄ステップを有し、ここでは、前記蓄積されたガス状流体が前記第１の管状要素を経て前記プロセス環境内へ放出されるようになっていることを特徴とするもの。
13. 前記バック洗浄ステップは、循環して行われる請求項１２による方法。

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