JP5316454B2 - サンプリングプローブおよびその設置構造 - Google Patents

Description

本発明は、セメントキルンの窯尻部に設けられて、上記セメントキルンから排出される燃焼排ガスを採取する際に用いられるサンプリングプローブおよびその設置構造に関するものである。

セメントキルンの燃焼制御には、窯尻部等の燃焼排ガスをサンプリングして、その組成を分析・把握することが必要とされている。
しかしながら、セメントキルンの窯尻部は、一般に、高温（１０００℃以上）かつ高ダスト雰囲気（１０００ｍｇ／ｍ³程度）で、一部溶融物を含む粘性のあるダストが壁面などの低温部に固着し易い環境にあることから、かかる環境下で、連続的にダストを除き、かつ溶融したダストの固着を防ぎつつ、ガスサンプリングを継続することは困難であった。

高温・高ダストの排ガスを採取する従来のサンプリングプローブとしては、例えば、特許文献１に記載のガスサンプリングプローブが知られている。このガスサンプリングプローブにおいては、サンプリングパイプの内部にパージノズルを設けて、当該パージノズルにより、サンプリングパイプの先端部で水滴による除塵を行うようにしたものである。

しかしながら、上記従来のサンプリングプローブにおいては、セメントキルンの窯尻部で使用した場合に、高温雰囲気のため、除塵用の水滴がすぐに蒸発してしまい、十分な除塵能力を得ることができなかった。これを防止するために、例えば、噴霧量を増やすことも考えられるが、その場合、当該プローブ周辺部を冷却し過ぎて耐火物を劣化させてしまう虞があった。

そこで、本出願人は、下記特許文献２において、セメントキルンの窯尻部の燃焼排ガスを採取する際にも、少ない噴霧量で効率良くダストを除去することができるサンプリングプローブを提案した。
図４および図５は、上記サンプリングプローブおよびその設置構造を示すもので、このサンプリングプローブ１は、先端部が下向きとなるようにセメントキルンの窯尻近傍の側壁２ａを貫通して、その先端部が燃焼排ガスの流路２ｂ側に突出する状態で設置されている。

このサンプリングプローブ１は、先端に燃焼排ガスの吸込口５を有する管状のプローブ本体３と、このプローブ本体３の内部から吸込口５に向けて水を噴霧する噴霧機構４とを備えたものである。ここで、プローブ本体３は、内管３ａと外管３ｂとの間に冷却媒体（冷却水など）を流すための空隙３ｃが形成された２重管構造とされ、その基端側には冷却媒体の供給口６と排出口７が径方向に対向して設けられている。そして、内管３ａと外管３ｂとの間には、プローブ本体３の軸線に沿って一対の隔壁８が設けられることにより、供給口６からプローブ本体３の先端部を経由してプローブ本体３基端側の排出口７に至る冷却媒体の流路が形成されている。

また、プローブ本体３の内部には、先端の吸込口５から吸い込んだ燃焼排ガスを基端側のサンプリング口９に導くためのガス流路１１が形成され、その中央部には、先端に噴霧用のノズル１２を有する散水管１３が配設されている。これにより、プローブ本体３の内部には、吸込口５とノズル１２の間に除塵用の空間Ｓが形成されている。

そして、プローブ本体３の散水管１３には、給水ライン（図示を略す。）が接続されるとともに、サンプリング口９には、サンプルガスをガス分析計（図示を略す。）に導くためのサンプルラインが接続されている。

上記サンプリングプローブ１により燃焼排ガスを採取する際には、プローブ本体３の表面における高温腐食を防止するために、プローブ本体３の供給口６から冷却水を供給して、プローブ本体３の表面温度が２００℃〜６００℃の範囲になるように冷却するとともに、噴霧機構４のノズル１２からの噴霧を開始する。

そして、サンプルガス（燃焼排ガス）の吸引を開始して、吸込口５からプローブ本体３内に吸い込まれたサンプルガスを、最終的にガス分析計に送ることにより、その組成（例えば、ＮＯ_X、Ｏ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、ＳＯ₂等の濃度）の分析が行われ、その分析結果がセメントキルンの燃焼制御装置（図示省略）に出力される。

この際に、ガス流路１１の上流部に位置する空間Ｓを通過する過程で、ノズル１２からの噴霧により、当該ガス中に含まれるダストの多くが除去される。

このように、サンプリングプローブ１を、先端部が下向きになるように設置して、燃焼排ガスがプローブ本体３内の空間Ｓを通過する過程で、ノズル１２からの噴霧により、当該燃焼排ガスに含まれるダストを除去するようにしたので、高温・高ダスト雰囲気下であっても、噴霧した除塵用の水滴がすぐに蒸発するのを防止することができ、少ない噴霧量で効率良くダストを除去することができるという利点がある。

特開平１１−１９０６８６号公報 特開２００８−２２４３００号公報

ところで、上記従来のサンプリングプローブ１およびその設置構造によれば、吸込口５を下方に向けて設置するとともに、ノズル１２から噴霧された水によって、プローブ本体３の先端部分で除塵を行っているために、図６に示すように、水滴あるいは水流がプローブ本体３の外に噴出し、燃焼排ガスによって巻き上げられてプローブ本体３の表面に当たってしまう。

この結果、プローブ本体３の表面温度が低下して、燃焼排ガスに含まれるＳＯ₂、ＳＯ₃、ＨＣｌ、ＮＯ_X等に起因する湿式腐食（露点腐食）が進行し、長期間の使用に耐え得なくなってしまうという問題点があった。

そこで、本発明者等は、実際の燃焼排ガスの採取時に、ＳＵＳ３０４からなるプローブ本体３の表面に、耐食性あるいは耐熱性に優れた各種の金属製のテストピースを接合して暴露試験を行い、各々の腐食速度を比較した。しかしながら、その結果は、ＳＵＳ３０４で上記腐食速度が１２ｍｍ／年であったのに対して、テストピースは、いずれも７．２〜８．８ｍｍ／年の範囲内であり、特に汎用の耐食材料であるＮｉ基合金でも８．８ｍｍ／年であった。このため、プローブ本体３の表面の金属を替えても、大幅な改善は見込めないことが判った。

このため、プローブ本体３の外管３ｂの肉厚を一層厚くして、水滴等が当たった場合にもその表面温度を酸露点以上に保つようにすることも考えられるが、プローブ本体３を含む全重量が、概略試算によっても現行の全重量（約２５ｋｇ）の３倍以上になってしまい、取り扱いが困難になるという問題点を生じてしまう。

また、冷却水を減らして、プローブ本体３の表面温度を上昇させることも可能であるが、この場合においても、内壁面側に冷却水を流しているために、表面温度を酸露点以上に確実に保持するためには、同様に肉厚寸法を大きくする必要がある。この結果、同様にプローブ本体３の全重量が、大幅に増加してしまうという問題点を生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、全重量の大幅な増加を招くことなく、プローブ本体に当たる水滴等の量を減少させて使用寿命を長期化させることができるサンプリングプローブおよびその設置構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、セメントキルンの燃焼排ガスを採取するためのサンプリングプローブであって、先端に上記燃焼排ガスの吸込口を有する管状のプローブ本体と、このプローブ本体の上記吸込口よりも更に先端側に突出する保護カバーとを備え、上記プローブ本体は、当該プローブ本体を冷却する冷却手段が設けられ、かつ上記プローブ本体の内管内に、上記吸込口から当該内管内に流入した上記燃焼排ガスに含まれるダストを除去するための水を上記吸込口に向けて噴霧するノズルが設けられるとともに、上記保護カバーは、その基端部分に上記プローブ本体が挿入されることにより当該プローブ本体の外周を覆うとともに先端部分を上記吸込口から突出させた状態で固定され、かつ上記先端部分の突出長さＬ（ｍｍ）が、５０〜５００ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記突出長さＬが、５０〜３００ｍｍの範囲内となるように設定されていることを特徴とするものである。

他方、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記突出長さＬおよび上記ノズルからの水の噴霧量が、上記保護カバーの表面温度が２００℃〜６００℃の範囲になるように設定されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記保護カバーは、その軸線が上記プローブ本体の上記内管の軸線に対して０°〜３０°の範囲内となるように取り付けられていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のサンプリングプローブを使用して燃焼排ガスを採取する際に、上記サンプリングプローブが、上記プローブ本体の先端が下向きであって、かつ上記保護カバーの先端部分の軸線が、上記燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して３０〜１５０°の角度範囲となるように取り付けられていることを特徴とするものである。

さらに、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、上記保護カバーの先端部分の軸線が、上記燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して６０〜１２０°の角度範囲となるように取り付けられていることを特徴とするものである。

請求項１〜６のいずれかに記載の発明によれば、図４および図５に示したものと同様の作用効果が得られることに加えて、さらにプローブ本体の吸込口よりも更に先端側に突出する保護カバーを設けているために、ノズルから噴霧された水がプローブ本体３の外に水滴あるいは水流となって噴出し、排ガスによって巻き上げられても、当該水滴あるいは水流が当たる範囲に配置された上記保護カバーによって、プローブ本体の表面に当たる量を大幅に減らして、当該プローブ本体の耐久性を向上させることができる。

なお、上記保護カバーを、プローブ本体の吸込口よりも更に先端側に突出させたのは、排ガスによって巻き上げられた水滴が当たる部分に、敢えて上記保護カバーを配置することにより腐食を防止したのであり、単に上記保護カバーを、上記吸込口よりも突出させずにプローブ本体の外周のみを覆っただけでは、表面温度が６００℃以上となり、上述した溶融塩腐食を生じて上記効果を奏することはできない。

また、排ガスによって巻き上げられた水滴等は、保護カバーの表面に当たることになるものの、当該保護カバー自体は冷却されておらず、その内部が上記ノズルから噴霧された水によって冷却されているのみであるために、その表面温度を腐食が少ない２００℃〜６００℃の範囲に保持しておくことが可能であり、同様に長期間の使用を行うことができる。さらに、最終的に上記保護カバーの表面が腐食した場合にも、安価な当該保護カバーのみを交換して、高価なプローブ本体を長期間に亘って使用することが可能になる。

ここで、上記保護カバーにおける吸込口からの突出長さＬ（ｍｍ）を、５０〜５００ｍｍの範囲にしたのは、上記Ｌが５０ｍｍに満たないと、水滴等がプローブ本体の表面に当たらなくするための十分な効果が得られず、他方Ｌが５００ｍｍを超えると、保護カバー内側を冷却している噴霧された水滴が蒸発により減少するため、先端部の表面温度の上昇による高温腐食の発生や保護カバー内側へのダスト付着による閉塞を招くからである。

また、セメントキルンからの燃焼排ガスの温度や、流速、プローブ本体の取り付け角度等によって、一概には決定されないものの、図４および図５に示したサンプリングプローブを用いた本発明者等の観察によれば、特にＬ＝５０〜３００ｍｍの範囲において大きく腐食する領域があり、この部分は散水が当たりやすい領域であることが確認されている。

そこで、請求項２に記載の発明のように、上記Ｌが５０〜３００ｍｍの範囲内となるように設定すれば、一層確実に上記水滴等がプローブ本体に当たることを抑止することができて好適である。

これに対して、一般的にセメントキルンからの燃焼排ガスによる腐食としては、２００℃以下の温度における当該燃焼排ガス中のＳＯ₂、ＳＯ₃、ＨＣｌ、ＮＯ_X等に起因した湿式腐食（露点腐食）と、６００℃以上の温度における溶融塩に起因した高温腐食が知られている。

したがって、請求項３に記載の発明のように、保護カバーの突出長さＬおよびプローブ本体内のノズルからの水の噴霧量を、上記保護カバーの表面温度が２００℃〜６００℃の範囲になるように設定しておけば、上記保護カバーの耐久性も大幅に向上させることができる。

さらに、上記保護カバーは、請求項４に記載の発明のように、その軸線が上記プローブ本体の上記内管の軸線に対して０°〜３０°の範囲内となるように取り付けることが好ましい。すなわち、上記保護カバーを、プローブ本体の内管に対して３０°以上の傾斜角度で取り付ければ、一層吸込口から噴出した水滴等がプローブ本体の表面に当たることを防止することができるものの、反面散水が当たらない部分ができて閉塞し易いからである。

また、請求項１〜４のいずれかに記載のサンプリングプローブを使用して燃焼排ガスを採取するに際しては、請求項５に記載の発明のように、上記保護カバーの先端部分の軸線が、燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して３０〜１５０°の角度範囲、より好ましくは請求項６に記載の発明のように、６０〜１２０°の角度範囲となるように取り付けることにより、効果的にプローブ本体の腐食を防止することが可能である。

すなわち、上記角度が３０°に満たない場合には、流れに巻き上げられた水滴が、プローブ本体や保護カバーに当たる量が多くなり過ぎ、当該保護カバーを突出させたことによる十分な腐食防止効果が得られなくなるからである。他方、上記角度が１５０°を超える場合には、プローブ本体に水滴が当たり難くなるために、保護カバーを設ける必然性がないからである。
なお、本発明者等による実験結果によれば、上記角度が６０〜９０°の範囲である場合には、水滴が当たっても腐食が生じ難いことが確認されている。

本発明に係るサンプリングプローブの一実施形態を示す一部断面視した正面図である。 サンプリングプローブの設置構造の実施形態を示すもので、（ａ）は垂直配管に設置した場合、（ｂ）は水平配管に設置した場合を模式的に示す縦断面図である。 図１のサンプリングプローブの表面温度と燃焼排ガスに起因する腐食との関係を示すグラフである。 従来のサンプリングプローブの設置例を示す縦断面図である。 図４のサンプリングプローブを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視横断面図である。 図５のサンプリングプローブを図４に示すように設置して使用した際の状態を示す縦断面図である。

図１は、本発明に係るサンプリングプローブの一実施形態を示すもので、プローブ本体の構成については、図４および図５に示したものと同一であるために、以下図１に示されない構成部分についても、同一符号を付してその説明を簡略化する。

このサンプリングプローブ２０が、図４および図５に示した従来のものと相違する点は、プローブ本体３に保護カバー２１を取り付けた点にある。
すなわち、このサンプリングプローブ２０においては、円筒状の保護カバー２１の基端部分２１ａ内にプローブ本体３が挿入されるとともに、上記保護カバー２１の先端部分２１ｂを、プローブ本体３の吸込口５から長さＬ突出させた状態で固定されている。

ここで、この保護カバー２１は、上記突出長さＬ（ｍｍ）は、５０〜５００ｍｍの範囲、より好ましくは５０〜３００ｍｍの範囲内になるように設定されている。なお、保護カバー２１としては、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、ＳＵＳ３１６Ｌ等の素材からなる管が用いられており、具体的には、例えば三菱マテリアル株式会社製のＭＡ２２、ＭＡ６２５等が好適である。

さらに、このサンプリングプローブ２０においては、保護カバー２１の突出長さＬおよびプローブ本体３内のノズル１２からの水の噴霧量が、使用時における保護カバー２１の突出部の表面温度が２００℃〜６００℃の範囲になるように設定されている。
さらに、保護カバー２１は、その軸線Ｃ₁がプローブ本体３の内管３ａの軸線Ｃ₂に対して０°〜３０°の範囲の角度θとなるように取り付けられている。

そして、このような保護カバー２１を備えたサンプリングプローブ２０は、図４に示しものと同様に、プローブ本体３の先端を下向きにしてセメントキルンの窯尻部分に挿入されている。ちなみに、上記サンプリングプローブ２０においては、図２に示すように、保護カバー２１の軸線が、燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して３０〜１５０°の角度θ₀の範囲、より好ましくは６０〜１２０°の角度θ₀の範囲となるように取り付けられている。

以上の構成からなるサンプリングプローブ２０およびその設置構造によれば、プローブ本体３の吸込口５よりも更に先端側に突出する保護カバー２１を設けているために、ノズル１２から噴霧された水がプローブ本体３の外に水滴あるいは水流となって噴出し、排ガスによって巻き上げられても、巻き上げられた水滴が当たる範囲に配置された当該保護カバー２１によって、上記水滴がプローブ本体３の表面に当たることを防止してその耐久性を向上させることができる。

また、排ガスによって巻き上げられた水滴等は、保護カバー２１の突出部分の表面に当たることになるものの、保護カバー２１自体は冷却されておらず、その内部がノズル１２から噴霧された水によって冷却されているのみであるために、その表面温度を、図３に示すように、燃焼排ガス中のＳＯ₂、ＳＯ₃、ＨＣｌ、ＮＯ_X等に起因する湿式腐食（露点腐食）や溶融塩に起因する高温腐食を生じることが少ない２００℃〜６００℃の範囲に保持しておくことができる。

この結果、保護カバー２１についても、長期間の使用を行うことができるとともに、最終的に保護カバー２１の表面が腐食した場合にも、安価な保護カバー２１のみを交換して、高価なプローブ本体３を長期間に亘って使用することが可能になる。

３ プローブ本体
３ａ 内管
３ｂ 外管
４ 噴霧機構
５ 吸込口
１２ ノズル
２０ サンプリングプローブ
２１ 保護カバー
Ｓ 空間

Claims (6)

1. セメントキルンの燃焼排ガスを採取するためのサンプリングプローブであって、
   先端に上記燃焼排ガスの吸込口を有する管状のプローブ本体と、このプローブ本体の上記吸込口よりも更に先端側に突出する保護カバーとを備え、
   上記プローブ本体は、当該プローブ本体を冷却する冷却手段が設けられ、かつ上記プローブ本体の内管内に、上記吸込口から当該内管内に流入した上記燃焼排ガスに含まれるダストを除去するための水を上記吸込口に向けて噴霧するノズルが設けられるとともに、
   上記保護カバーは、その基端部分に上記プローブ本体が挿入されることにより当該プローブ本体の外周を覆うとともに先端部分を上記吸込口から突出させた状態で固定され、かつ上記先端部分の突出長さＬ（ｍｍ）が、５０〜５００ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とするサンプリングプローブ。
2. 上記突出長さＬは、５０〜３００ｍｍの範囲内となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のサンプリングプローブ。
3. 上記突出長さＬおよび上記ノズルからの水の噴霧量は、上記保護カバーの表面温度が２００℃〜６００℃の範囲になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のサンプリングプローブ。
4. 上記保護カバーは、その軸線が上記プローブ本体の上記内管の軸線に対して０°〜３０°の範囲内となるように取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサンプリングプローブ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のサンプリングプローブを使用して燃焼排ガスを採取する際に、上記サンプリングプローブが、上記プローブ本体の先端が下向きであって、かつ上記保護カバーの先端部分の軸線が、上記燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して３０〜１５０°の角度範囲となるように取り付けられていることを特徴とするサンプリングプローブの設置構造。
6. 上記保護カバーの先端部分の軸線が、上記燃焼排ガスの流れ方向の下流側に対して６０〜１２０°の角度範囲となるように取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のサンプリングプローブの設置構造。

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