JP6124696B2 - ガス分析装置及びガス分析方法 - Google Patents

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Description

本発明は、廃棄物処理炉の排出ガスの成分を分析する装置及び方法に関する。
廃棄物処理炉内の状況を把握するための装置として、廃棄物処理炉の排出ガスの成分を分析する装置が知られている。例えば、特許文献1には、直状の測定管と、発光部と、受光部と、パージガス吹付部と、導入管と、導出管とを備えるガス分析装置が開示されている。発光部は、測定管の一端部に設けられ、測定管内にレーザ光を出射する。受光部は、測定管の他端部に設けられ、レーザ光を受光する。パージガス吹付部は、測定管の一端部において測定管内から発光部に向けてパージガスを吹き付けると共に、測定管の他端部において測定管内から受光部に向けてパージガスを吹き付ける。導入管は、排出ガスの移送配管から測定管の一端部に排出ガスを導入する。導出管は、測定管の他端部から排出ガスを導出して移送配管に戻す。
特開2012−202855号公報
上述した装置では、発光部及び受光部にパージガスを吹き付けることで、発光部から測定管内にレーザ光を透過させる窓部及び測定管内から受光部にレーザ光を透過させる窓部の曇りを防止することで、排出ガスの成分を正確に分析できる。
廃棄物処理炉の排出ガスの成分を正確に分析することは、廃棄物処理設備の安定操業に極めて有用である。そこで本発明は、廃棄物処理炉の排出ガスの成分をより正確に分析できる装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明は、廃棄物処理炉の排出ガスの成分を分析するガス分析装置であって、直状の測定管と、測定管の一端部に設けられ、測定管内に検査光を出射する発光部と、測定管の他端部に設けられ、検査光を受光する受光部と、測定管の一端部において、測定管内から発光部に向けてパージガスを吹き付けると共に、測定管の他端部において、測定管内から受光部に向けてパージガスを吹き付けるパージガス吹付部と、測定管の中間部に接続され、排出ガスを測定管内に導入する導入管と、測定管の一端部及び他端部にそれぞれ接続され、排出ガスを測定管内から導出する2本の導出管とを備える。
このガス分析装置によれば、導入管及び導出管に導かれて排出ガスが測定管内を通る。この状態で、発光部から検査光が出射され、測定管内を通って受光部に入射する。検査光は、測定管内において排出ガスを透過するので、受光部に入射した検査光に基づいて排出ガスの成分を分析できる。検査光の出射及び入射に際して、測定管内においては、発光部及び受光部に向けてパージガスが吹き付けられる。これにより、測定管の両端部で検査光を透過させる部材の曇りが抑制される。ここで、導入管は測定管の中間部に接続され、導出管は測定管の両端部に接続されているので、測定管内の排出ガスは、測定管の中間部から両端部に流れる。このため、発光部及び受光部に向けて吹き付けられたパージガスは、測定管内に広がることなく導出管に流出する。これにより、測定管内における排出ガスの希釈が抑制される。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
導入管の中心軸は、測定管の太さ方向で、測定管の中心軸に対してずれていてもよい。この場合、排出ガスは、測定管の太さ方向の片側に集中して測定管内に流入し、測定管内に旋回流を形成する。これにより、排出ガス内のダストが測定管の外周側に遠心分離されるので、検査光の光路のダストが削減される。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
導入管の下流側の端部には、測定管に近付くにつれて断面積が小さくなる絞り部が形成されていてもよい。この場合、測定管に流入するときの排出ガスの流速が高くなるため、旋回流による遠心分離効果をより高めることができる。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
測定管に向かう排出ガスからダストを分離するサイクロンを更に備えてもよい。この場合、測定管の上流側でダストが分離されるので、排出ガスの成分をより正確に分析できる。また、ダストの分離にサイクロンを用いることで、フィルタを用いる場合に生じ得る目詰まりを防止できる。これにより、ガス分析を長期間連続して行うことができる。
サイクロンはダスト排出部を有し、ダスト排出部は導出管に接続されていてもよい。この場合、サイクロンにより分離されたダストは、成分分析後の排出ガスと共に排出される。このため、サイクロンにおけるダストの蓄積を防止し、ガス分析をより長期間連続して行うことができる。
本発明に係る方法は、上記ガス分析装置を用いるガス分析方法であって、測定管の中間部において測定管内に排出ガスを導入すると共に、測定管の両端部において測定管内から排出ガスを導出している状態で、発光部及び受光部に向けてパージガスを吹き付けながら、発光部から検査光を出射し、受光部に入射した検査光に基づいて排出ガスの成分を分析する。
本発明によれば、廃棄物処理炉の排出ガスの成分をより正確に分析できる。
廃棄物処理設備の一例を示す模式図である。 実施形態に係るガス分析装置の構成を示す模式図である。 測定管と導入管との接続部の斜視図である。 測定管と導入管との接続部の変形例を示す斜視図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。まず、実施形態に係るガス分析装置1が適用される廃棄物処理設備の一例について説明する。
図1に示す廃棄物処理設備100は、廃棄物処理炉101と、燃焼室103と、ボイラ104と、ガス温度調節器107と、バグフィルタ108と、触媒反応塔109とを備える。
廃棄物処理炉101はシャフト型のガス化溶融炉であり、クレーン111により搬送された廃棄物を、副資材(例えばコークス及び石灰石)と共に上部に受け入れ、乾燥、熱分解、燃焼及び溶融を行ってスラグを生成し、炉底から排出する。廃棄物処理炉101内では、可燃性ガス(炉内ガス)が発生する。炉内ガスは、可燃性ダスト及び熱分解ガス(一酸化炭素、水素、メタン又は二酸化炭素等)を含む。炉内ガスは、廃棄物処理炉101の上部から排出される。以下、排出されたガスを「排出ガス」という。排出ガスは、主配管Lを通して燃焼室103に送られる。主配管Lの途中には、除塵機102が設けられている。除塵機102は、排出ガス中の可燃性ダストを分離する。除塵機102により分離されたダストは、廃棄物処理炉101の送風羽口101aを通して廃棄物処理炉101内に戻される。
燃焼室103は、除塵機102を通過した排出ガスを燃焼させる。ボイラ104は、燃焼室103で燃焼した排出ガスの熱を回収する。ボイラ104で回収された熱は、蒸気タービン発電機105又は加熱装置106等で利用される。ガス温度調節器107は、ボイラ104を通過した排出ガスを150〜170℃に急冷する。これにより、ダイオキシン類の再合成が抑制される。バグフィルタ108は、ガス温度調節器107で冷却された排出ガスの除塵を行う。触媒反応塔109は、バグフィルタ108を通過した排出ガスを受け入れ、ダイオキシン類の分解除去を行い、煙突110から排出する。触媒反応塔109とバグフィルタ108との間には、排出ガスの圧送用の誘引通風機112が設けられている。
このような廃棄物処理設備100を安定して操業するには、廃棄物処理炉101内の状況の把握及び調整が不可欠である。本実施形態に係るガス分析装置1は、廃棄物処理炉101内の状況を把握するために、排出ガスの成分を分析する装置である。
ガス分析装置1は、分岐管11及び合流管16を介して主配管Lに接続される。分岐管11は、主配管Lを流れる排出ガスの一部をガス分析装置1に引き込むための管であり、除塵機102より上流側の主配管L1に接続される。合流管16は、ガス分析装置1を通過した排出ガスを主配管Lに戻すための管であり、除塵機102より下流側の主配管L2に接続されている。
主配管L内での圧力損失により、分岐管11内と合流管16内とには差圧が生じる。この差圧により、排出ガスの一部がガス分析装置1に引き込まれる。特に、分岐管11と合流管16とは除塵機102を挟んでいるため、分岐管11内と合流管16内との差圧がより大きく、ガス分析装置1内に排出ガスが引き込まれ易い。
図2に示すように、ガス分析装置1は、測定管2と、発光部3と、受光部4と、パージガス吹付部5と、導入管6と、導出管7A,7Bと、サイクロン8と、複数のサイクロン9とを有する。
測定管2は直状を呈し、排出ガスGの流路の一部をなす。測定管2の一端部には発光部3が設けられ、他端部には受光部4が設けられている。測定管2の長さは、発光部3からのレーザ光(後述)が受光部4に到達可能となる範囲で極力大きく設定されることが好ましい。これにより、測定管2内においてパージガス(後述)が広がる領域の割合を最小化できる。測定管2の長さは、例えば200〜800mmである。測定管2の太さは、レーザ光の太さに合わせて設定される。レーザ光の直径が20mmである場合に適する測定管2として、例えば内径25mmの円筒管が挙げられる。
発光部3は、レーザ発振器を内蔵し、検査光としてレーザ光を出射する。測定管2の一端部は、合成石英等のガラス材料からなる光透過部材3aにより塞がれており、発光部3は光透過部材3aを通して測定管2内にレーザ光を出射する。
受光部4は、発光部3により出射されるレーザ光の受光素子を内蔵する。測定管2の他端部は、合成石英等のガラス材料からなる光透過部材4aにより塞がれており、受光部4は光透過部材4aを通してレーザ光を受光する。受光部4には、発光部3から出射されて測定管2内の排出ガスGを通過したレーザ光が入射する。このため、受光部4に入射したレーザ光に基づいて、測定管2内の排出ガスGの成分を分析できる。
パージガス吹付部5は、送気管5aと吹付ノズル5b,5cとを有する。送気管5aは測定管2に沿って配置されている。吹付ノズル5b,5cは、送気管5aの両端部にそれぞれ設けられている。吹付ノズル5bは、測定管2の一端部において測定管2内に開口している。吹付ノズル5cは、測定管2の他端部において測定管2内に開口している。
パージガス吹付部5は、送気管5aを通して吹付ノズル5b,5cにパージガスを供給する。吹付ノズル5bは、測定管2内から光透過部材3aにパージガスを吹き付ける。吹付ノズル5cは、測定管2内から光透過部材4aにパージガスを吹き付ける。すなわち、パージガス吹付部5は、測定管2の一端部において測定管2内から発光部3に向けてパージガスを吹き付けると共に、測定管2の他端部において測定管2内から受光部4に向けてパージガスを吹き付ける。これにより、光透過部材3a,4aの曇りを防止できる。パージガスは、例えば窒素ガスである。
導入管6は、分岐管11からガス分析装置1内に流入した排出ガスGを測定管2内に導入する。導入管6の下流側端部は、測定管2の中間部に接続されている。導入管6と分岐管11との間には、サイクロン8,9が介在する。サイクロン8,9は、測定管2に向かう排出ガスGからダストDを分離する。サイクロン8,9は互いに大きさが異なっており、サイクロン8がサイクロン9に比べて大きい。サイクロン9の大きさに対するサイクロン8の大きさは、例えば1.5倍である。以下、サイクロン8を大型サイクロンといい、サイクロン9を小型サイクロンという。
大型サイクロン8は、本体8aと、ガス受入部8bと、ガス送出部8cと、ダスト排出部8dとを有する。ガス受入部8bは、入口弁21を介して分岐管11に接続されている。入口弁21は、分岐管11とガス分析装置1との接続部を開閉するための弁である。大型サイクロン8は、分岐管11からガス受入部8bに排出ガスGを受け入れ、本体8aにおいて排出ガスGからダストDを遠心分離し、ガス送出部8cから排出ガスGを送り出すと共にダスト排出部8dからダストDを排出する。本体8aの内径は例えば60mmであり、長さは例えば180mmである。ガス送出部8cの内径は例えば18mmであり、ダスト排出部8dの内径は例えば10.5mmである。
複数の小型サイクロン9も、本体9aと、ガス受入部9bと、ガス送出部9cと、ダスト排出部9dとを有する。全ての小型サイクロン9は、大型サイクロン8に対しガス移送管12を介して並列に接続されている。ガス移送管12は、小型サイクロン9のガス受入部9bと大型サイクロン8のガス送出部8cとを接続する。それぞれの小型サイクロン9は、ガス送出部8cからガス受入部9bに排出ガスGを受け入れ、本体9aにおいて排出ガスGからダストDを遠心分離し、ガス送出部9cから排出ガスGを送り出すと共にダスト排出部9dからダストDを排出する。小型サイクロン9により、大型サイクロン8では分離されなかった小さいダストDが更に分離される。全ての小型サイクロン9のガス送出部9cは、ガス移送管14を介して導入管6の下端部に接続されている。本体9aの内径は例えば40mmであり、長さは例えば120mmである。ガス送出部9cの内径は例えば12mmであり、ダスト排出部9dの内径は例えば7mmである。
2本の導出管7A,7Bは、測定管2から流出した排出ガスGを合流管16に導出する。導出管7Aの上流側端部は測定管2の一端部に接続されている。導出管7Bの上流側端部は測定管2の他端部に接続されている。
導出管7A,7Bのそれぞれには、導出弁22が設けられている。導出弁22は、測定管2から導出管7A,7Bに流出する排出ガスGの流量をそれぞれ調節し、導出管7Aにおける流量と導出管7Bにおける流量とのバランスを調節するための弁である。導出管7Bには、サイクロン8,9のダスト排出部8d,9dがダスト移送管13,15を介して接続されている。このため、サイクロン8,9において排出ガスGから分離されたダストDは、導出管7Bにおいて排出ガスGに戻される。
導出管7A,7Bの下流側端部は互いに合流し、出口弁25及びエジェクタ23を介して合流管16に接続されている。出口弁25は、ガス分析装置1と合流管16との接続部を開閉するための弁である。
エジェクタ23は、出口弁25の上流側において、導出管7A,7Bから合流管16側へ向かうガスの流れを強制的に発生させるものである。例えば分岐管11と合流管16との差圧が不足している場合にエジェクタ23を用いることで、ガス分析装置1内のガスを合流管16側に誘引できる。エジェクタ23は、誘引ガス供給管23aと、エジェクタノズル23cと、エジェクタ弁23bとを有する。誘引ガス供給管23aは、導出管7A,7Bの下流側端部内に誘引用のガス(誘引ガス)を導く。誘引ガスは、例えば窒素ガスである。エジェクタノズル23cは、誘引ガス供給管23aの端部に設けられ、誘引ガスを合流管16に向けて吐出する。エジェクタ弁23bは、誘引ガス供給管23aの途中に設けられ、誘引ガスの流量を調節する。
なお、測定管2、導入管6、導出管7A,7B、ガス移送管12,14、ダスト移送管13,15、分岐管11及び合流管16の周囲には、略全長に亘ってヒータ24が設けられている。ヒータ24は、各管内のガスを加熱し、タールのミスト化又は管内面への付着等を防止するためのものである。ヒータ24は、各管内のガスを、タールの沸点以上の温度に加熱することが好ましい。各管内のガスの温度は、例えば300℃以上であることが好ましく、350〜500℃であることがより好ましい。なお、パージガス吹付部5の送気管5aを通るパージガスもヒータ24によって加熱される。このため、光透過部材3a,4aの曇りがより確実に防止される。
ここで、導入管6と測定管2との接続部について詳述する。図3に示すように、導入管6は、下流側において第1導入管61と第2導入管62とに分岐している。第1導入管61と第2導入管62は、測定管2の中心軸CL1に直交する方向に並んでいる。
第1導入管61,62の下流側端部には、測定管2に近付くにつれて断面積が小さくなる絞り部61a,62aがそれぞれ形成されている。第1導入管61に形成された絞り部61aの断面の中心は、測定管2に近付くにつれて測定管2の一端側に近付く。すなわち、絞り部61aの中心軸CL2は、測定管2に近付くにつれて測定管2の一端側に近付くように傾斜している。これにより、第1導入管61から測定管2内に進入する排出ガスGは、主として測定管2の一端側に送られる。
一方、第2導入管62に形成された絞り部62aの断面の中心は、測定管2に近付くにつれて測定管2の他端側に近付く。すなわち、絞り部62aの中心軸CL3は、測定管2に近付くにつれて測定管2の他端側に近付くように傾斜している。これにより、第2導入管62から測定管2内に進入する排出ガスGは、主として測定管2の他端側に送られる。
第1導入管61と第2導入管62とが並ぶ方向において、測定管2の中心軸CL1は、第1導入管61と第2導入管62との境界部に位置している。このため、第1導入管61の中心軸CL2及び第2導入管62の中心軸CL3は、測定管2の中心軸CL1に交わらない。すなわち、測定管2の太さ方向において、中心軸CL2,CL3は、中心軸CL1に対しずれている。このため、導入管61,62を通った排出ガスGは、それぞれ測定管2の太さ方向の片側に集中して測定管2内に流入し、測定管2内に旋回流を形成する。この旋回流により、排出ガスG内のダストが測定管2の外周側に遠心分離される。
また、導入管61,62の下流側の端部に形成された絞り部61a,62aにより、測定管2に流入するときの排出ガスGの流速が高められるため、旋回流による遠心分離効果がより高められる。
なお、中心軸CL1に対してずれる方向は、中心軸CL2と中心軸CL3とで互いに逆である。このため、第1導入管61から測定管2内に進入する排出ガスGの旋回方向と、第2導入管62から測定管2に進入する排出ガスGの旋回方向とは、互いに逆向きになる。
測定管2内に旋回流を形成する構成は、図3に示すものに限られない。例えば図4に示すように、導入管6を第1導入管61と第2導入管62とに分岐させることなく測定管2に接続する構成を採用し、測定管2の太さ方向において、導入管6の中心軸CL4を測定管2の中心軸CL1に対してずらすのみでも、測定管2内に旋回流を形成できる。なお、図4に示す例でも、導入管6の下流側の端部には絞り部6aが形成されている。
続いて、ガス分析装置1を用いたガス分析方法について説明する。まず、ヒータ24により、各管の鉄皮温度を500〜550℃にする。次に、入口弁21及び出口弁25を開き、導出弁22の開度を調節し、ガス分析装置1を経て分岐管11から合流管16に向かう排出ガスGの流れを形成する。廃棄物処理設備100の操業開始直後には、分岐管11内と合流管16内との差圧が不足し、ガス分析装置1に排出ガスGを流すことができない場合がある。このような場合には、エジェクタ23を用いてガス分析装置1内のガスを合流管16に誘引することで、ガス分析装置1を通る排出ガスGの流れを形成できる。ガス分析装置1内における排出ガスGの流速は、例えば0.1〜0.2m/s以上であることが好ましい。
ガス分析装置1に進入した排出ガスGは、導入管6及び導出管7A,7Bに導かれて測定管2内を通る。この状態で、パージガス吹付部5により発光部3及び受光部4に向けてパージガスを吹き付けながら、排出ガスGの成分を分析する。すなわち、発光部3からレーザ光を出射し、測定管2内の排出ガスGを透過したレーザ光を受光部4に入射させる。受光部4に入射したレーザ光に基づいて排出ガスGの成分を分析する。具体的には、測定管2内におけるレーザ光の吸収率を波長ごとに求め、各波長を吸収する成分の含有率を推定する。
このように、ガス分析装置1によれば、排出ガスの流れを止めることなく、その成分をリアルタイムで分析できる。レーザ光の出射及び入射に際して、測定管2内においては、発光部3及び受光部4に向けてパージガスが吹き付けられる。これにより、測定管2の両端部でレーザ光を透過させる光透過部材3a,4aの曇りが抑制される。ここで、導入管6は測定管2の中間部に接続され、導出管7A,7Bは測定管2の両端部に接続されているので、測定管2内の排出ガスは、測定管2の中間部から両端部に流れる。このため、発光部3及び受光部4に向けて吹き付けられたパージガスは、測定管2内に広がることなく導出管7A,7Bに流出する。これにより、測定管2内における排出ガスの希釈が抑制される。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
上述したように、測定管2内に流入する排出ガスは、測定管2内に旋回流を形成する。これにより、排出ガス内のダストが測定管2の外周側に遠心分離されるので、レーザ光の光路のダストが削減される。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
また、導入管6の下流側の端部に絞り部61a,62aが形成されている。これにより、測定管2に流入するときの排出ガスの流速が高くなるため、旋回流による遠心分離効果をより高めることができる。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
導入管6と分岐管11との間には、サイクロン8,9が介在する。これにより、測定管2の上流側でダストが分離されるので、排出ガスの成分をより正確に分析できる。また、ダストの分離にサイクロン8,9を用いることで、フィルタを用いる場合に生じ得る目詰まりを防止できる。これにより、ガス分析を長期間連続して行うことができる。
サイクロン8,9はダスト排出部8d,9dをそれぞれ有し、ダスト排出部8d,9dは導出管7Bに接続されているので、サイクロン8,9により分離されたダストは、成分分析後の排出ガスと共に排出される。このため、サイクロン8,9におけるダストの蓄積を防止し、ガス分析をより長期間連続して行うことができる。
ガス分析装置1は大型サイクロン8と小型サイクロン9とを備え、大型サイクロン8は小型サイクロン9の上流側に配置されている。これにより、小型サイクロン9を通過できないダストを大型サイクロン8により除去すると共に、大型サイクロン8では除去できない小さいダストを小型サイクロン9により除去できる。このような相乗効果により、測定管2の上流側においてより多くのダストが分離されるので、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
大型サイクロン8に対して複数の小型サイクロン9が並列に接続されているので、大型サイクロン8における排出ガスの流量を高め、大型サイクロン8における遠心分離効果をより高めることができる。従って、排出ガスの成分をより正確に分析できる。
ガス分析装置1の入口側及び出口側には、入口弁21及び出口弁25がそれぞれ設けられている。このため、廃棄物処理設備100の運転中においても、入口弁21及び出口弁25を閉鎖してガス分析装置1の初期校正及び補修を行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、サイクロン8,9は必須ではなく、導入管6と分岐管11とを直接接続してもよい。また、サイクロン8,9に代えてフィルタを用いてもよい。
1…ガス分析装置、2…測定管、3…発光部、4…受光部、5…パージガス吹付部、6,61,62…導入管、6a,61a,62a…絞り部、7A,7B…導出管、8,9…サイクロン、8d,9d…ダスト排出部、101…廃棄物処理炉、CL1…測定管の中心軸、CL2,CL3,CL4…導入管の中心軸。

Claims (3)

  1. 廃棄物処理炉の排出ガスの成分を分析する装置であって、
    直状の測定管と、
    前記測定管の一端部に設けられ、前記測定管内に検査光を出射する発光部と、
    前記測定管の他端部に設けられ、前記検査光を受光する受光部と、
    前記測定管の前記一端部において、前記測定管内から前記発光部に向けてパージガスを吹き付けると共に、前記測定管の前記他端部において、前記測定管内から前記受光部に向けて前記パージガスを吹き付けるパージガス吹付部と、
    前記測定管の中間部に接続され、前記排出ガスを前記測定管内に導入する導入管と、
    前記測定管の前記一端部及び他端部にそれぞれ接続され、前記排出ガスを前記測定管内から導出する2本の導出管と、
    前記測定管に向かう前記排出ガスからダストを分離する第1及び第2のサイクロンと、を備え、
    前記第1のサイクロンは前記第2のサイクロンに比べて大きく、前記第2のサイクロンの上流側に配置されており、
    前記第1及び第2のサイクロンのそれぞれは、前記導出管に接続されたダスト排出部を有するガス分析装置。
  2. 前記導入管の中心軸は、前記測定管の太さ方向で、前記測定管の中心軸に対してずれている、請求項1記載のガス分析装置。
  3. 前記導入管の下流側の端部には、前記測定管に近付くにつれて断面積が小さくなる絞り部が形成されている、請求項2記載のガス分析装置
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