JP5989697B2 - レーザ式ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ式ガス分析装置に関する。

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、無動力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、排ガス流路の内部に挿入される円筒部材のガス採取管と、前記円筒部材が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、前記円筒部材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、を備え、前記円筒部材の内壁に開けられた気体導入孔から導入される、前記排ガス流路のガスが前記円筒部材の内壁に沿って旋回流となることを特徴とする。

これにより、排ガスに含まれるダストは、旋回流でガス採取管の内壁側に押し付けられ、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。

本発明の望ましい態様として、前記円筒部材が延びる方向において前記気体導入孔とは異なる位置の前記円筒部材に開けられた気体排出孔から、前記内部空間のガスを排出することが好ましい。この構造により、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、前記気体導入孔の径方向外側に配置された整流板を備え、前記排ガス流路の上流側の前記ガス採取管と前記整流板との距離は、前記排ガス流路の下流側の前記ガス採取管と前記整流板との距離よりも大きいことが好ましい。この構造により、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。

本発明の望ましい態様として、前記気体排出孔は、前記気体導入孔よりも前記整流板の下流側端部に近いことが好ましい。その結果、ガス採取管からのダストの排出がスムーズになる。

本発明によれば、無動力でダストの影響を抑制し、精度の高いレーザ式ガス分析装置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気体導入孔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気体排出孔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気体導入孔を説明するための説明図である。図３の断面は、図２のＡ−Ａ断面である。図４は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の気体排出孔を説明するための説明図である。図４の断面は、図２のＢ−Ｂ断面又はＣ−Ｃ断面である。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。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。

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、ガス採取管３１と、整流板３２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とがガス採取管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、ガス採取管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。

ガス採取管３１は、図２、図３及び図４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。ガス採取管３１は、Ｘ軸方向の異なる位置に、排ガス流路９１の排ガスＶの一部を内部の内部空間へ導入する気体導入領域ＩＪと、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領域ＥＪと、を備えている。

図３及び図４に示すように、整流板３２は、ガス採取管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軸方向に排ガスが流れている。排ガス流路９１の上流側のガス採取管３１と整流板３２との距離Ｌ１は、排ガス流路９１の下流側のガス採取管３１と整流板３２との距離Ｌ２よりも大きい。この構造により、排ガス流路９１の上流側のガス採取管３１との間に、導入路３２ｉができ、排ガス流路９１の下流側のガス採取管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、流速を増加させる。

図２に示す気体導入領域ＩＪは、図３に示すように、ガス採取管３１の壁面に気体導入孔３３が開けられている。気体導入領域ＩＪのガス採取管３１の周方向の壁面端部３３ｆ１、壁面端部３３ｆ２は、図３に示す気体導入孔３３に面している。ガス採取管３１の周方向の壁面端部３３ｆ１と、ガス採取管３１の中心Ｘｒと、壁面端部３３ｆ２とがなす角度θ１の範囲は、外側からみて、整流板３２で覆われている。このように、壁面端部３３ｆ１又は壁面端部３３ｆ２は、整流板３２に対向している。

図２に示す気体排出領域ＥＪは、図４に示すように、ガス採取管３１の壁面に気体排出孔３４が開けられている。気体排出領域ＥＪのガス採取管３１の周方向の壁面端部３４ｆ１、壁面端部３４ｆ２は、図４に示す気体排出孔３４に面している。ガス採取管３１の周方向の壁面端部３４ｆ１と、ガス採取管３１の中心Ｘｒと、壁面端部３４ｆ２とがなす角度θ２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。なお角度θ２は、角度θ１より狭く、ガス採取管３１の中心Ｘｒの周りの周方向において角度θ１の位置とずれている。

図３に示すように、導入路３２ｉより進入した排ガス流ｇ１は、気体導入孔３３で一部がガス採取管３１の内部空間に排ガス流ｇ２として取り込まれ、残部が放出路３２ｅから排ガス流ｇ０として排出される。ガス採取管３１の内部空間に侵入した排ガス流ｇ２には遠心力が作用し、排ガス流ｇ３、排ガス流ｇ４、排ガス流ｇ５、排ガス流ｇ６の順に旋回する旋回流となる。

図４に示すように、導入路３２ｉより進入した排ガス流ｇ１は、気体導入孔３３で取り込まれることなく、放出路３２ｅから排ガス流ｇ７として排出される。放出路３２ｅから排出される排ガス流ｇ７は、排ガス流ｇ０よりも流速が早くなる。排ガスｇ７は、気体排出孔３４の周囲を通過し、この排ガスｇ７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、ガス採取管３１の内部空間を吸引して排ガス流ｅ３を、排ガス流ｅ２、排ガス流ｅ１の旋回流を引き起こす。図２に示すように、気体導入領域ＩＪ（図３に示す気体導入孔３３）とＸ軸方向において異なる位置に気体排出領域ＥＪ（図４に示す気体排出孔３４）を開けているので、排ガス流ｅ１は、Ｘ軸方向への気流を受けてスパイラル状の旋回流となり、ガス採取管３１の内部空間で長い間、排ガスが旋回する。

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、排ガス流路９１の内部に挿入される円筒部材のガス採取管３１と、ガス採取管３１の内部空間をレーザの光路である往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過するように一対の発光部１１及び受光部１２と、を備える。そして、ガス採取管３１に開けられた気体導入孔３３から導入される、排ガス流路９１の排ガスがガス採取管３１の内壁に沿って旋回流となる。煤塵などのダストは、旋回流でガス採取管３１の内壁側に押し付けられ、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。

往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲの進行方向であるＸ軸方向において気体導入孔３３がある気体導入領域ＩＪとは異なる気体排出領域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。

レーザ式ガス分析装置１００は、ガス採取管３１の径方向外側に配置された整流板３２を備え、排ガス流路９１の上流側のガス採取管３１と整流板３２との距離Ｌ１は、排ガス流路９１の下流側のガス採取管３１と整流板３２との距離Ｌ２よりも大きい。これにより、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。

気体排出孔３４は、気体導入孔３３よりも整流板の下流側端部に近い。この構造により、放出路３２ｅから排出される流速の早い排ガス流ｇ７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。

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 ガス採取管
３１ 排ガス流路
３２ 整流板
３２ｉ 導入路
３２ｅ 放出路
３３ 気体導入孔
３４ 気体排出孔
４０ 制御装置
４２ メモリ
４３ 記憶部
９０ 流路壁
９１ 排ガス流路
１００ レーザ式ガス分析装置
ＥＪ 気体排出領域
ＩＪ 気体導入領域
ＬＲ 復路光路
ＬＴ 往路光路
Ｖ 排ガス
Ｘｒ 中心

Claims (2)

1. 排ガス流路の内部に挿入される円筒部材のガス採取管と、
   前記円筒部材が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、
   前記円筒部材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、
   前記円筒部材の径方向外側に配置された整流板と、
   外側からみて前記整流板に覆われる位置の前記円筒部材に開けられた気体導入孔とを備え、
   前記排ガス流路の上流側の前記ガス採取管と前記整流板との距離は、前記排ガス流路の下流側の前記ガス採取管と前記整流板との距離よりも大きく、
   前記気体導入孔から導入される、前記排ガス流路の排ガスが前記円筒部材の内壁に沿って旋回流となることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記円筒部材が延びる方向において前記気体導入孔とは異なる位置であって、外側からみて前記整流板に少なくとも一部が覆われる位置の前記円筒部材に開けられ、前記内部空間の排ガスを排出する気体排出孔を備え、
   前記気体排出孔は、前記気体導入孔よりも前記整流板の下流側端部に近い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。

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