JP5989698B2 - 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

特許文献２に記載のように、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、排ガス流路に残存する煤塵などのダストの影響により受光強度が低下し、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メンテナンスの労力も考慮すると、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、部材で囲まれて一方向に延びる空間を有し、前記部材は、鉛直方向下側の少なくとも一部に第１の開口を有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に第２の開口を有する内側部材と、前記内側部材の外面と所定の間隔をあけて前記内側部材の外側に設けられて前記第２の開口を覆い、かつ前記第２の開口から前記第１の開口の間まで延在する外側部材と、前記空間が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、前記空間を通過した前記計測用の光を受光する受光部と、を含むことを特徴とする。

これにより、排ガス流に含まれるダストは、重力で沈降し、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。このため、無動力で、測定空間内へ開口より排ガスが流入できるようになる。

本発明の望ましい態様として、前記内側部材と、前記外側部材との間の前記第１の開口側に、隙間があることが好ましい。この構造により、排ガス流のエネルギーを利用して、排ガス採取ユニットより排ガスを排出できる。

本発明の望ましい態様として、前記空間が延びる方向と直交する平面における前記外側部材の外面は、流線形であることが好ましい。この構造により、乱流を抑制しつつ無動力で、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、図２に示すＡ−Ａ断面である。

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、図２に示すＡ−Ａ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。Ｚ軸方向は鉛直方向である。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。本実施例において、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。

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、ガス採取ユニット３０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。

ガス採取ユニット３０は、図２及び図３に示すように、長手方向がＸ軸方向に延びる、Ｙ−Ｚ平面の断面がＵ字状のＵ字部材を二重構造としている。ガス採取ユニット３０は、外側部材３１及び内側部材３２を備えており、支持部材３９に固定されている。内側部材３２は、部材で囲まれてＸ軸方向に延びる計測空間３８を有し、この部材は、鉛直方向（Ｚ軸方向）下側の少なくとも一部に第１の開口ＩＪを有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に第２の開口３３を有する。本実施形態では、第１の開口ＩＪと、第２の開口３３とは、鉛直方向に対向するが、千鳥配置のように、鉛直方向に対向しなくてもよい。外側部材３１は、内側部材３２の外面３２ｆと所定の間隔をあけて内側部材３２の外側に設けられて、第２の開口３３を覆う。外側部材３１は、第２の開口３３から第１の開口ＩＪの間まで延在する。このため、外側部材３１が空間３６を介して内側部材３２を覆い、内側部材３２は、一部が外側部材３１から鉛直方向下側に突出する。空間３６は、外側部材３１の内面３１ｒと内側部材３２の外面３２ｆとの間の空間である。空間３６は、第２の開口３３から第１の開口ＩＪの間まで延在する間に狭くなる。そして、内側部材３２と、外側部材３１との間の第１の開口ＩＪ側に、隙間３５が開口する。内側部材３２は、一部が外側部材３１から鉛直方向下側に突出するためには、外側部材３１の鉛直方向の長さＬ１よりも内側部材３２の鉛直方向の長さＬ２の方が長くなっている。

内側部材３２は、鉛直方向上側に第２の開口３３を備える。第２の開口３３は、内側部材３２の内部にあって、往路光路ＬＴと、復路光路ＬＲとが通過する測定空間３８と、外側部材３１と内側部材３２との間の空間３６とを連通する。第２の開口３３の幅方向（Ｙ軸方向）の端部３３ｅ１、３３ｅ２の距離は、内側部材３２の第１の開口ＩＪの幅Ｗ１よりも小さいことが好ましい。第１の開口ＩＪの平面形状は、丸孔であっても矩形孔であっても、メッシュ形状であってもよい。また、第２の開口３３の平面形状は、丸孔であっても矩形孔であっても、メッシュ形状であってもよい。

内側部材３２の表面３２ｒには、表面３２ｒから内側に突出する凸状のリブ３７を鉛直方向に延びるように備えている。これにより、リブ３７は、内側部材３２の測定空間３８における気流の乱れを抑制することができる。

図３に示すように、外側部材３１は、Ｙ−Ｚ平面の外面３１ｆが流線形である。これにより、排ガス流路９１の排ガスの流れを乱すことが抑制される。

図３に示すように、排ガスの流れ方向をＧとした場合、鉛直方向に（Ｚ軸方向）に排ガスが流れている。外側部材３１の外面３１ｆに沿って流れる排ガス流Ｇ１は、外面３１ｆが流線形であるので、排ガス流Ｇ１は、外側部材３１の外面３１ｆ近傍を流れる。内側部材３２は、一部が外側部材３１から鉛直方向下側に突出するため、排ガス流Ｇ１は、排ガス流Ｇ２として外側部材３１と内側部材３２との空間３６の隙間３５を跨いで、内側部材３２の外側部材３１から突出する外面３２ｆ近傍の排ガス流Ｇ３となる。これにより、隙間３５近傍の空間３６は、負圧となり、外側部材３１及び内側部材３２の間の空間３６に、排ガス流ｇ３、ｇ４が引き起こされる。排ガス流ｇ３は、第２の開口３３内に、排ガス流ｇ２を引き起こす。これにより、内側部材３２の内部の測定空間には、鉛直方向上向きの排ガス流ｇ１の流れが生じる。

図３に示すように、内側部材３２の第１の開口ＩＪは、光路の鉛直方向に向けて配置され、排ガス流ｇ１として、排ガスＶを鉛直方向上向きに取り込む。排ガスＶに含まれる煤塵などのダストは、測定空間内において、沈降し、往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域に到達するときには、自然に低減されている。このため、往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域は、内側部材３２の鉛直方向上寄りにあると、ダストが沈降できる距離が延び、往路光路ＬＴ及び復路光路ＬＲが通過する領域におけるダスト量を低減することができる。

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、ガス採取ユニット３０と、発光部１１と、受光部１２と、を備える。ガス採取ユニット３０は、部材で囲まれてＸ軸方向に延びる計測空間３８を有し、この部材は、鉛直方向下側の少なくとも一部に第１の開口ＩＪを有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に第２の開口３３を有する内側部材３２と、内側部材３２の外面３２ｆと所定の間隔をあけて、内側部材３２の外側に設けられて第２の開口３３を覆い、かつ第２の開口３３から第１の開口ＩＪの間まで延在する外側部材３１と、を備える。この構造により、煤塵などのダストは、自重で沈降し、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。

また、本実施形態のレーザ式ガス分析装置１００は、外側部材３１が空間３６を介して内側部材３２を覆い、内側部材３２は、一部が外側部材３１から突出する。これにより、無動力で、測定空間３８内へ第１の開口ＩＪより排ガスＶが流入できるようになる。

また、レーザ式ガス分析装置１００は、外側部材３１の外面３１ｆは、Ｙ−Ｚ平面でみて流線形である。これにより、レーザ式ガス分析装置１００は、乱流を抑制しつつ無動力で、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。

また、レーザ式ガス分析装置１００は、隙間３５から排ガスＶが排出される。この構造により、排ガス流Ｇ１のエネルギーを利用して、排ガス採取ユニット３０より排ガスＶを排出できる。

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 外側部材
３１ｆ 外面
３１ｒ 内面
３２ 内側部材
３２ｆ 外面
３２ｒ 内面
３２ｒ 表面
３３ 第２の開口
３５ 隙間開口
３６ 隙間
３７ リブ
３８ 測定空間
３９ 支持部材
４０ 制御装置
４１ ＣＰＵ
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
ＩＪ 開口
ＬＲ 復路光路
ＬＴ 往路光路
Ｖ 排ガス

Claims (2)

1. 部材で囲まれて一方向に延びる空間を有し、前記部材は、鉛直方向下側の少なくとも一部に第１の開口を有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に第２の開口を有する、断面がＵ字状の内側部材と、
   前記内側部材の外面と所定の間隔をあけて前記内側部材の外側に設けられて前記第２の開口を覆い、かつ前記第２の開口から前記第１の開口の間まで延在する、断面がＵ字状の外側部材と、
   前記空間が延びる方向に沿って計測用の光を発光する発光部と、
   前記空間を通過した前記計測用の光を受光する受光部と、
   を含み、
   前記外側部材の鉛直方向の長さよりも前記内側部材の鉛直方向の長さの方が長く、前記内側部材の一部が前記外側部材から鉛直方向下側に突出し、
   前記内側部材と、前記外側部材との間の前記第１の開口側に、隙間があることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記空間が延びる方向と直交する平面における前記外側部材の外面は、流線形である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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