JP6575794B2 - 分析試料採取装置及び採取試料分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析用試料を採取する分析試料採取装置及び採取試料を分析する採取試料分析装置に関する。

一般的な火力発電所では、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去するため選択接触還元法（ＳＣＲ法）を使用した脱硝装置が設置されている。選択接触還元法は、排ガス中にアンモニアを吹き込み、脱硝触媒上でＮＯ_Ｘとアンモニアとを反応させＮＯ_Ｘを窒素と水とに分解する方法である。脱硝触媒は、使用に伴い性能が劣化するため、脱硝触媒から未反応のまま排出されるアンモニア（リークアンモニアと呼ばれる）の濃度を測定することで性能監視が行われる。

脱硝装置出口排ガス中のアンモニア濃度は、脱硝触媒の劣化把握、さらには酸性硫安によるエアーヒーターの閉塞に大きく関係しているため高精度で測定することが求められる。しかしながら脱硝装置出口排ガスの場合、排ガス中に多量に含まれる煤塵、さらに硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、ＮＯ_Ｘがアンモニアの正確な分析を困難にしている。煤塵が多い場合、サンプリング系統の閉塞、コンタミネーションの原因となる。またＳＯ_Ｘを含むため、温度が低下すると酸性硫安が生成する。

これに対し、本件出願人らは、排ガス中のアンモニア濃度を高精度で分析する方法として、２重構造のガス採取管を採用し、内管側に洗浄液を流し内管内を洗浄し、その洗浄液も吸収液と一緒に分析対象とする方法を開発している。（例えば特許文献１参照）。

特許第３６１６８７６号公報

特許文献１に記載の方法は、アンモニア（含むアンモニア化合物）の付着の可能性のある部分を洗浄し、その洗浄液も分析対象とするので、洗浄によりアンモニア（含むアンモニア化合物）が完全に除去されている場合、アンモニア濃度を高精度で分析することができる。しかしながら実際には、ガス採取管に付着したアンモニア（含むアンモニア化合物）を洗浄操作により完全に除去することができない場合もある。

洗浄操作を十分に行うべく、多量の洗浄液で洗浄することも考えられるが、多量の洗浄液で洗浄すると回収された洗浄液中のアンモニア濃度が低く、分析精度が低下する。また廃液を増やす原因となる。また特許文献１に記載の方法は、バッチ処理で試料採取を行う方法であるため、排ガス中のアンモニア濃度が低い場合、試料採取間隔が１時間以上必要であり、短時間内の濃度変化を計測することができない。

特許文献１に記載の方法は優れた方法ではあるが、より安定的に、より正確に、より短時間内に、またオンラインで排ガス中のアンモニア濃度を測定するには更なる改善が必要である。このような課題は、排ガス中のアンモニア濃度測定に限らず、他の分析用ガスの採取及び分析の際にも当てはまる。

本発明の目的は、簡単な装置構成で、ガスに含まれる分析対象成分を正確に採取することが可能であり、オンラインで分析可能な試料を提供できる分析試料採取装置、オンラインで分析対象成分を正確に分析することができる採取試料分析装置を提供することである。

本発明は、先端部側がガス流通路に挿入され前記ガス流通路内のガスを採取するガス採取管と、前記ガス採取管を所定の温度に保持するヒートパイプと、前記ガス採取管内に液を供給する液供給手段と、前記ガス採取管を介して採取される前記ガスと前記液供給手段を通じて供給される前記液との混合物を分離する気固液分離前処理装置と、前記ガス採取管と前記気固液分離前処理装置とを結ぶ導管と、を含み、前記ガスは、煤塵を含み、さらに温度が低下するとガスに含まれる一部の化合物が析出するガスであり、前記ガス採取管は、前記ヒートパイプにより前記化合物が析出しない温度領域と前記化合物が析出する温度領域とに区分けされ、前記液が、分析対象成分を吸収する吸収液、又は前記化合物を溶解させ、かつ分析対象成分を吸収しない洗浄液であり、前記液は、前記ガス採取管に対しては化合物が析出する温度領域にのみ供給されることを特徴とする分析試料採取装置である。

本発明の分析試料採取装置において、前記ヒートパイプの作動流体の加熱源が、前記ガス流通路内を流通するガスであり、前記ヒートパイプの作動流体の冷却源が、前記ガス流通路外の大気であることを特徴とする。

また本発明の分析試料採取装置において、前記導管は、内壁面に螺旋状の溝を有し又は内壁面に密接する螺旋状のコイルを有し、内部を流通する前記混合物に旋回流を与え、前記導管の内壁面に液膜を形成させることを特徴とする。

また本発明の分析試料採取装置において、前記ガスが、アンモニアを含むガスであり、前記分析対象成分がアンモニアであることを特徴とする。

また本発明の分析試料採取装置において、前記ガス流通路が、ボイラ排ガスを処理する排煙脱硝装置の出口部の煙道であり、前記ガス流通路内のガスが、前記煙道内のボイラ排ガスであることを特徴とする。

本発明は、前記分析試料採取装置と、液中の分析対象成分を分析する分析装置と、を備え、前記液が、前記分析対象成分を吸収する吸収液であり、前記ガス採取管を介して一定流量のガスを連続的に採取しつつ、前記液供給手段を介して一定流量の前記吸収液を連続的に前記ガス採取管内に供給し、前記気固液分離前処理装置を用いて、前記混合物をガスと煤塵が除去された吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離し、前記分析装置は、前記気固液分離前処理装置で分離された、煤塵が除去された吸収液中の分析対象成分をオンラインで分析することを特徴とする採取試料分析装置である。

本発明の採取試料分析装置において、前記気固液分離前処理装置は、前記混合物からガスを分離するガス分離装置と、前記ガス分離装置から送られる煤塵を含む吸収液を一時的に貯める吸収液貯槽と、前記吸収液貯槽の液位を制御する液面制御弁と、前記吸収液貯槽に連結し、煤塵を含む吸収液から煤塵のない吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離する遠心分離装置と、前記遠心分離装置から排出される煤塵が濃縮された吸収液から煤塵を分離する固液分離槽と、を含み、前記吸収液貯槽と前記遠心分離装置と前記固液分離槽とは連通し、前記液面制御弁は、前記固液分離槽からの吸収液の排出量を調整し、前記吸収液貯槽の液位を制御することを特徴とする。

本発明は、前記分析試料採取装置と、ガスに含まれる分析対象成分を分析する分析装置と、を備え、前記液が、前記化合物を溶解させ、かつ前記分析対象成分を吸収しない洗浄液であり、前記ガス採取管を介して一定流量のガスを連続的に採取しつつ、前記液供給手段を介して一定流量の前記洗浄液を連続的に前記ガス採取管内に供給し、前記気固液分離前処理装置を用いて、前記混合物を分析対象成分を含むガスと煤塵を含む洗浄液とに分離し、前記分析装置は、前記気固液分離前処理装置で分離された、分析対象成分を含むガス中の分析対象成分をオンラインで分析することを特徴とする採取試料分析装置である。

本発明によれば、簡単な装置構成で、ガスに含まれる分析対象成分を正確に採取することが可能であり、オンラインで分析可能な試料を提供できる分析試料採取装置、オンラインで分析対象成分を正確に分析することができる採取試料分析装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る採取試料分析装置１の概略構成図である。 図１のＩＩ部の拡大図である。 図１のＩＩＩ部の拡大図である。 図１の採取試料分析装置１の使用先である火力発電所１００の概略構成図である。 ボイラ排ガス中の硫黄酸化物濃度と酸性硫安（硫酸水素アンモニウム）生成温度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る採取試料分析装置２の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る採取試料分析装置３の概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る採取試料分析装置４の概略構成図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る採取試料分析装置１の概略構成図である。図２及び図３は、図１のＩＩ部拡大図、図１のＩＩＩ部の拡大図である。また図４は、本発明の第１実施形態に係る採取試料分析装置１の使用先である火力発電所１００の概略構成図である。

本発明の第１実施形態の採取試料分析装置１は、分析用の試料ガスを採取するガス採取管１１と、ガス採取管１１を一定の温度に保持するヒートパイプ２５と、ガス採取管１１に吸収液を供給する液供給装置７６と、分析可能に吸収液と採取ガス及び煤塵とを分離する気固液分離前処理装置５０と、試料ガスを分析する分析装置９１とを含む。

採取試料分析装置１は、火力発電所１００のボイラ排ガスの分析、特にボイラ排ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘを除去する排煙脱硝装置１０９の出口側の排ガス中のアンモニア濃度測定に好適に使用することができる。以下、本発明の第１実施形態の採取試料分析装置１を用いて、排煙脱硝装置１０９の出口側の排ガス中のアンモニア濃度を測定する場合を例にとり、採取試料分析装置１の構成を詳細に説明する。但し、本発明の第１実施形態に係る採取試料分析装置１は、排煙脱硝装置１０９の出口側の排ガス中のアンモニア濃度の測定以外にも使用することが可能であり、火力発電所１００の構成も以下に示す構成に限定されるものではない。

火力発電所１００は、微粉炭焚きボイラ１０１を有し、火炉１０３で発生する燃焼ガスは、加熱器などの伝熱管１０５を加熱し、さらに後部煙道部に設置された節炭器１０７で熱回収され、ボイラ１０１から排出される。ボイラ１０１から排出される温度を低下させた燃焼ガス（排ガス）は、排煙脱硝装置１０９に送られ、ここで排ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘが除去される。

排煙脱硝装置１０９は、選択接触還元方式の排煙脱硝装置であり、脱硝反応器内に脱硝触媒を収納し、脱硝反応器の上流側において排ガス中にアンモニアが供給される。排ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘは、脱硝触媒上でアンモニアと反応し、窒素と水に還元される。

排煙脱硝装置１０９で窒素酸化物ＮＯｘが除去された排ガスは、空気予熱器１１１に送られ、ここでボイラ１０１の燃焼用空気を予熱する。その後、電気集塵機１１３で排ガス中の煤塵が徐塵され、さらに排煙脱硫装置１１５で排ガス中の硫黄酸化物ＳＯｘが除去され、煙突１１７から大気中に放散される。

ボイラ１０１、排煙脱硝装置１０９、空気予熱器１１１、電気集塵機１１３、排煙脱硫装置１１５及び煙突１１７は、煙道１１９で結ばれており、本実施形態では排煙脱硝装置１０９の出口側の排ガス中のアンモニア濃度を測定すべく、ガス採取管１１が排煙脱硝装置１０９の出口部の煙道１１９に設置されている。

ガス採取管１１は、煙道１１９内を流れる排ガスを採取する装置であり、金属製の円筒パイプからなり、煙道壁（ダクト壁）１２１に設けられた採取口から先端部１２が煙道１１９内に挿入されており、基端部１３は、煙道壁１２１の外側（大気側）に位置している。煙道１１９を流れる排ガスは、温度が約３００〜４００℃であり、排ガス中には、窒素酸化物ＮＯｘ、硫黄酸化物ＳＯｘ、アンモニアの他、多量の煤塵を含むので、ガス採取管１１は、それに耐えるものでなければならない。

ガス採取管１１に鉄Ｆｅ、バナジウムＶ、モリブデンＭｏなどの触媒成分が含まれる場合、排ガス中のアンモニアが、ガス採取管１１内で分解する恐れがある。特に排ガス中のアンモニア濃度は、０．１〜５ｐｐｍ程度と低いためアンモニアの分解には十分注意する必要がある。このためガス採取管１１には、ステンレス製パイプ内にアルミニウム製パイプを挿入したガス採取管、又はステンレス製パイプの内面にアルミニウムを蒸着させたガス採取管が好ましい。

ガス採取管１１の長さ及び大きさは、特に限定されるものではない。ガス採取管１１の内径を例示すれば、５〜２５ｍｍφ程度である。

ガス採取管１１のうち煙道壁１２１を跨ぐ部分及びその前後部分は、ヒートパイプ２５を介して所定の温度に保持されている。以下、ヒートパイプ２５を介して所定の温度に保持されている領域を温度保持領域１５と言う。ガス採取管１１の温度保持領域１５の長さを例示すれば、煙道壁１２１を挟み、煙道１１９内側に１００〜３００ｍｍ程度、煙道１１９外側に１００〜３００ｍｍ程度であり、全長で４００〜６００ｍｍ程度である。なお、煙道壁１２１の厚さは２００ｍｍ程度である。本実施形態においてガス採取管１１の先端部１２及び基端部近傍１４は、非温度保持領域である。非温度保持領域は、ヒートパイプ２５を介して所定の温度に保持されていない領域である。

本実施形態では、温度保持領域１５は、約３００℃に保持される。この温度は、ガス採取管１１の温度保持領域１５でアンモニア化合物が析出しない温度である。なお、ガス採取管１１の温度保持領域１５の温度は、必ずしも３００℃に限定されるものではなく、アンモニア化合物が析出しない温度であればよい。

排煙脱硝装置１０９の出口側の排ガスの場合、アンモニア化合物として酸性硫安（硫酸水素アンモニウム）が生成する。図５は、ボイラ排ガスにおける硫黄酸化物ＳＯ_３の濃度と酸性硫安（硫酸水素アンモニウム）生成温度との関係を示す。図５より排ガス中のアンモニア濃度が１ｐｐｍで、排ガス中の硫黄酸化物ＳＯ_３の濃度が１０ｐｐｍであれば、酸性硫安（硫酸水素アンモニウム）は、約２３０℃で生成することが分かる。酸性硫安は、アンモニア濃度及び硫黄酸化物ＳＯ_３濃度が高い程、高い温度で生成する。

ヒートパイプ２５は、ガス採取管１１のうち温度保持領域１５を覆うように、ガス採取管１１に設けられており、煙道壁１２１を跨ぎ、煙道１１９内及び煙道１１９外に位置している。本実施形態では、ガス採取管１１とヒートパイプ２５とが一体化しており、ヒートパイプ２５の外周壁３３に設けられた固定用フランジ３６を介して煙道壁１２１に固定されている。なお、ガス採取管１１及びヒートパイプ２５の煙道壁１２１に対する固定方法は、他の方法であってもよい。

ヒートパイプ２５は、ウィック式ヒートパイプであり、ガス採取管１１と一体化された２重管構造であり、ガス採取管１１の外壁１９にコンテナと呼ばれる密閉容器を有する。密閉容器は、両端が封止された円筒パイプ２７が、ガス採取管１１の外壁１９に気密状態で固着され形成されている。円筒パイプ２７とガス採取管１１とで形成される空間部２９は、ウィックと呼ばれる毛細管構造となっており、当該空間部２９には、作動流体３１が充填されている。また円筒パイプ２７には、作動流体３１の作動状態を確認するために、前記空間部２９内の圧力を検出する圧力計３５が設けられている。

ヒートパイプ２５とガス採取管１１とを一体化した構造とすると、ヒートパイプ２５とガス採取管１１との伝熱性に優れる。但し、ヒートパイプは、ガス採取管１１と別体であってもよい。ヒートパイプの形状を、中心部をガス採取管１１が挿通する挿通孔を設けたパイプ形状とし、ヒートパイプの中心部にガス採取管１１を挿通させてもよい。さらにはガス採取管１１を覆うようにヒートパイプを巻き付けてもよい。このような構成とすれば、ヒートパイプの製作が容易となり、又は市販のヒートパイプを使用することも可能である。この場合、ヒートパイプとガス採取管１１との間に隙間が生じ、ヒートパイプとガス採取管１１との間の伝熱性能が低下しないようにする必要がある。

ヒートパイプは、ガス採取管１１内に配置することも可能であるが、段差が生じるので、本実施形態のように煤塵が多い場合には、段差部に煤塵が溜まり好ましくない。

ヒートパイプ２５で使用する作動流体は、ガス採取管１１を３００℃に保持可能であればよい。作動流体としては、熱媒油が例示される。

煙道１１９内に位置するヒートパイプ２５の外周壁３３には、煙道１１９内を流れる排ガスとヒートパイプ２５との間の伝熱を促進すべく、加熱用フィン３７が取り付けられている。加熱用フィン３７を設けなくてもよいが、加熱用フィン３７を設けることで煙道１１９内を流れる排ガスとヒートパイプ２５との間の伝熱が促進され、結果、ヒートパイプ２５をコンパクトにすることができる。

上記ヒートパイプ２５は、加熱用フィン３７が取付けられた部分も含め煙道１１９内に位置する部分が加熱部となり、煙道１１９外に位置する部分が冷却部となる。

ガス採取管１１の基端部近傍１４は、ヒートパイプ２５で覆われていない。ガス採取管１１の基端部近傍１４の外壁には、大気によりガス採取管１１内の採取ガス（試料ガス）を冷却すべく、冷却用フィン２１が取り付けられている。

ガス採取管１１は、導管４０を介して気固液分離前処理装置５０と接続する。またガス採取管１１には、液供給装置７６を介して吸収液が送られる。

導管４０は、ガス採取管１１の出口部にアダプタ４７を介して接続され、ガス採取管１１から送られる採取ガス及び吸収液を気固液分離前処理装置５０に導く。導管４０は、内壁面４２には螺旋状の溝４３が設けられた柔軟性を有するチューブ４１からなる。このような導管４０に吸収液と採取ガスとを流すと、チューブ４１内に旋回流が形成され、遠心力でチューブ内壁面４２に液膜４４が安定的に形成される。この液膜４４の形成により気液接触面積が大きくなり、アンモニアが吸収液に十分吸収される。またアンモニア化合物が析出し導管４０に付着することを防止できる。導管４０は、柔軟性を備えるので自由に配置できる長所がある。

チューブ４１内で旋回流を形成させる方法は、内壁面４２に螺旋状の溝４３を設ける方法の他、チューブ４１内の内径と同じ外径の螺旋状コイルをチューブ４１内に挿入する方法がある。またチューブ内壁面４２により安定的に液膜４４を形成させるには、チューブ内壁面４２を親水処理するのがよい。親水性処理は、例えば内面に酸化チタンをコーティングし、親水性のコーティング層を設けることで行える。

旋回流を形成する導管４０の他に、気液接触面積を大きくする器具、装置としては液膜ガス吸収搭、マイクロリアクター等が考えられる。しかしながら液膜ガス吸収搭は、固定式で自由に曲げることができず、さらにガス及び液とも流通方向が垂直方向に限定されるため、設置の自由度が非常に狭い。また装置が大きく設置場所も限定される。

マイクロリアクター（アンモニア分析計）に親水性チューブを使用した場合、チューブ径が小さいときには、液が表面張力によりチューブの壁面側に膜状に広がり、チューブ中央をガスが流れる。この状態は気液接触面積が大きく、ガスが十分に吸収される好ましい状態である。しかしながらチューブ径が大きくなると、表面張力だけではチューブ壁面に液膜を保持することができなくなり、脈流、淀みが発生し、安定したガスの吸収ができなくなる。

アダプタ４７は、ゴム弾性を有するフッ素樹脂系の円筒体であり、ガス採取管１１及び導管４０を差し込むことでガス採取管１１及び導管４０が連結される。アダプタは、上記アダプタ４７に限定されるものではなく、ガス採取管１１と導管４０、さらには液供給管７９を気密及び液密可能に連結できれば他のアダプタであってもよい。またガス採取管１１と導管４０、さらには液供給管７９を気密及び液密可能に連結できればアダプタ以外の方法を用いてもよい。

気固液分離前処理装置５０は、導管４０から送られる採取ガス、吸収液及び煤塵を含む気固液流体（混合物）から採取ガスを分離するガス分離装置５１と、ガス分離装置５１から送られる煤塵を含む吸収液を一時的に貯める吸収液貯槽５６と、吸収液貯槽５６の液位を制御する液面制御弁５９と、吸収液貯槽５６に連結し、煤塵を含む吸収液から煤塵のない吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離する固液分離装置６４と、固液分離装置６４から排出される煤塵が濃縮された吸収液から煤塵を分離する固液分離槽６８とを含む。

ガス分離装置５１は、サイクロン５１であり、サイクロン５１の流入管５２、上部出口管５３は、それぞれ導管４０、ガス吸引ポンプ８５と接続し、サイクロンの下部ノズル５４は、吸収液貯槽５６と接続する。ガス採取管１１及び導管４０を経由してサイクロン５１に送られる採取ガス、吸収液及び煤塵を含む気固液流体は、ここで採取ガスと煤塵を含む吸収液とに分離される。採取ガスは、ガス吸引ポンプ８５で吸引され、煤塵を含む吸収液は下部ノズル５４から吸収液貯槽５６へ送られる。なお吸引ポンプ８５の後流側には、吸引ガス量を測定するガスメータ８６が設置されている。

ガス分離装置５１は、サイクロン５１の他、慣性力を利用した衝突式気液分離装置、ルーバー式気液分離装置などを使用することができる。２台以上の気液分離装置を直列に配置してもよく、異なる型式の気液分離装置を直列に配置してもよい。

吸収液貯槽５６は、サイクロン５１から送られる煤塵を含む吸収液を一時的に貯める貯槽であり、上部にサイクロン５１が、下部に固液分離装置６４が接続する。吸収液貯槽５６は、槽内に吸収液に浮くマグネットフロート５７を有する。マグネットフロート５７は、磁石を内蔵した樹脂製のフロートなど公知のマグネットフロートを使用することができる。

液面制御弁５９は、吸収液貯槽５６の液位を制御する弁であり、弁本体６０と、マグネット６１と、弁本体６０とマグネット６１とを結ぶ連結棒６２とを含む。弁本体６０は、固液分離槽６８の上部に取付けられ、直接的には固液分離槽６８からの排出量を調整する。吸収液貯槽５６と固液分離槽６８とは、固液分離装置６４を介して連通するため、固液分離槽６８から排出する吸収液（排液）量を制御することで、吸収液貯槽５６の液位を制御することができる。マグネット６１は、吸収液貯槽５６内のマグネットフロート５７と連動し、吸収液貯槽５６の液位に応じて上下動する。マグネット６１の上下動により、弁６０が開閉し、排出量を制御して液面を一定のレベルに保持する。

固液分離装置６４は、遠心分離機６４であり、吸収液貯槽５６の底部に接続される。遠心分離機６４は、高速モーター６５により凹凸の翼を持つ円盤６６を回転させ、吸収液貯槽５６から送られる煤塵を含む吸収液から煤塵のない吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離する。ここで煤塵のない吸収液とは、全く煤塵を含まない吸収液の他、微量の煤塵を含むものの実質的に煤塵のない吸収液とみなされるものも含まれる。煤塵のない吸収液は、途中にフィルター７０が介装されたラインを通じて分析装置であるＦＩＡ（フローインジェクション）分析装置９１に送られ、吸収液中のアンモニア濃度が測定される。固液分離装置６４として、遠心分離機６４に代えフィルターを使用すると、煤塵で直ちに閉塞するため好ましくない。

固液分離槽６８は、遠心分離機６４から送られる煤塵が濃縮された吸収液を受入れ静置し、重力沈降により煤塵を分離する。上部には、液面制御弁５９の弁本体６０が取付けられ、煤塵を沈降分離させた吸収液は、液面制御弁５９を経由して排出される。固液分離槽６８の底部には、沈降した煤塵を取出すための清掃キャップ６９が設けられている。

液供給装置７６は、液供給タンク７７、液供給ポンプ７８及び液供給管７９とで構成され、液供給管７９を通じて吸収液をガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域に供給する。液供給管７９は、Ｌ字型の管体８１を有し、これがアダプタ４７に突き刺され固定されている。液供給管７９の先端８０は、ガス採取管１１の温度保持領域１５とガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域との境界に位置するように設置されている。

本採取試料分析装置１では、採取ガスと吸収液とを接触させ、採取ガスに含まれるアンモニアを吸収液で吸収し、この吸収液を分析装置で分析しアンモニア濃度を求める。供給された吸収液は、採取ガスに含まれるアンモニアを吸収する役目の他、ガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域内にアンモニア化合物が析出しないように当該領域を洗浄し、あるいは当該領域に析出したアンモニア化合物を溶解する役目を担う。

ここで使用される吸収液は、採取ガスに含まれるアンモニアガスを吸収し、アンモニア化合物を溶解させ、アンモニア化合物に含まれるアンモニア、アンモニウムイオン等を吸収する必要がある。このような吸収液には、ホウ酸水溶液など酸性の水溶液が例示される。

分析装置９１は、吸収液に含まれるアンモニアをオンラインで分析可能な公知の分析計を使用可能であり、分析精度等に応じて適宜選択して使用すればよい。分析装置９１としては、フローインジェクション（ＦＩＡ）分析装置が例示される。ＦＩＡ分析装置は、分析対象成分を含む液体試料、本実施形態では、アンモニアを含む吸収液と試薬とにより発色（退色）反応を生じさせ、この溶液の吸光光度からアンモニア濃度を測定する。

次に上記採取試料分析装置１の排ガス中のアンモニア濃度測定要領について説明する。

吸引ポンプ８５を作動させ、ガス採取管１１を通じて排ガスを連続的に一定の流量で採取する。同時に、液供給装置７６を通じて、ガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域に吸収液を一定の流量で連続的に供給する。ガス採取管１１を通じて採取された採取ガスは、ガス採取管１１及び気固液分離前処理装置５０につながる導管４０を流通する過程で、吸収液と接触しアンモニアは吸収液に吸収される。気固液分離前処理装置５０で採取ガス及び煤塵が分離された吸収液は、分析装置９１によりアンモニア濃度が測定される。

以上のように採取試料分析装置１を使用し、一定流量の採取ガスを採取し、かつ一定流量の吸収液を供給することで、オンラインで排ガス中のアンモニアガスを分析することができる。分析装置９１に送られる吸収液は、煤塵が除去されているので精度よく分析することができる。排ガスに含まれる煤塵がアンモニアを吸着している場合もあるが、本採取試料分析装置１を使用することで煤塵に吸着するアンモニアも分析対象とすることができる。

従来の採取試料分析装置では、ガス採取管が温度保持領域と非温度保持領域とに区分けされておらず、本実施形態の温度保持領域に該当する部分にも洗浄液が供給されていた。このため従来の方法では、ガス採取管の同じ場所が、約３００℃の温度となったり１００℃以下の温度になったりする。このように加温、冷却を繰り返すと、アンモニア化合物が析出し、ガス採取管内に付着し易くなる。さらに温度が大きく変化するため洗浄液による洗浄も難しく、析出したアンモニア化合物を十分に洗浄することができない。

これに対して、本採取試料分析装置１は、ガス採取管１１が温度保持領域１５と非温度保持領域とに区分けされ、温度保持領域１５は常に一定温度に保持されているのでこの領域にアンモニア化合物が析出することはない。一方、基端部１３側の非温度保持領域は、アンモニア化合物が析出する温度領域であるが、この部分には吸収液が常時供給されているので、アンモニア化合物が析出することはない。仮に析出したとしても吸収液に溶解するためガス採取管１１内にアンモニア化合物が付着することはない。これによりアンモニア化合物の析出、付着による不具合を解消することができる。

ガス採取管１１の温度保持領域１５をヒートパイプ２５に代え、電気ヒータ、熱媒装置を使用して行うことも考えられるが、共に温度保持手段として好ましくない。

電気ヒータの場合、温度分布の大きさが懸念される。局所的に温度が低下するとアンモニア化合物が析出する。一方で、アンモニア化合物が析出しないように温度を高めに設定した場合、５００℃以上の場所ができるとアンモニアが分解してしまう。さらに通常、煙道１１９付近には、電源がないため電気ヒータは使い難い。熱媒装置は、電気ヒータに比較して温度の均一性に優れるが、熱媒を加熱する装置、熱媒を循環又は撹拌する装置が必要となり、装置が大型化し、かつ構成が複雑化する。

これに対してヒートパイプ２５は、簡単な構造でコンパクトながら温度の均一性、熱伝達性に優れる。さらには電源も不要であり、ガス採取管１１の温度保持手段として優れる。ヒートパイプ２５を動作させるには、加熱源と冷却源が必要であるが、加熱源には煙道１１９内を流れる排ガスを、冷却源には大気を利用することができるので簡単に実用化することができる。

本採取試料分析装置１も長期間の運転に伴い、ガス採取管１１の温度保持領域１５とガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域との境界部にアンモニア化合物が付着する恐れがある。よって定期的に、液供給装置７６を介して洗浄用の液を、ガス採取管１１の先端部１２側に流し、ガス採取管１１の温度保持領域１５とガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域との境界部さらには温度保持領域１５を洗浄することが好ましい。洗浄用の液としては、水が挙げられる。なおこの洗浄操作は、後述の他の実施形態に係る採取試料分析装置にも当てはまる。

図６は、本発明の第２実施形態に係る採取試料分析装置２の概略構成図である。本発明の第１実施形態に係る採取試料分析装置１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係る採取試料分析装置２は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１と同様に、連続的に排ガスを採取しオンラインで分析する。但し、第１実施形態に係る採取試料分析装置１が吸収液を分析するのに対して、第２実施形態に係る採取試料分析装置２では、洗浄後の採取ガスを分析する。このため第１実施形態に係る採取試料分析装置１では、ガス採取管１１に吸収液を供給するが、第２実施形態に係る採取試料分析装置２では、ガス採取管１１に洗浄液を供給する。

採取試料分析装置２の気固液分離前処理装置５０は、導管４０から送られる採取ガス、吸収液及び煤塵を含む気固液流体から採取ガスを分離するガス分離装置５１と液封トラップ７１とで構成される。気固液分離前処理装置５０が、第１実施形態に係る採取試料分析装置１の気固液分離前処理装置５０に比較して簡便な構成であるのは、ガスを分離した後の煤塵を含む洗浄液を処理する必要がないことにより、第２実施形態の気固液分離前処理装置５０は、実質的にはガス分離装置と言える。

サイクロン５１で分離されたガスは、ガス吸引ポンプ８５で吸引され分析装置９３に送られ、ガス中のアンモニアが分析される。ガス分離装置は、サイクロン５１の他、慣性力を利用した衝突式気液分離装置、ルーバー式気液分離装置などを使用することができる。２台以上の気液分離装置を直列に配置してもよく、異なる型式の気液分離装置を直列に配置してもよいことは、第１実施形態の採取試料分析装置１と同じである。

液封トラップ７１は、サイクロン５１の下部ノズル５４から採取ガスが流出することを防止する装置であり、タンク７２を備え、タンク７２の天井面にサイクロン５１の下部ノズル５４が接続する。タンク７２の底部には排出ノズル７４が設けられ、タンク７２内には洗浄液に浮く球状のフロート７３を有し、排出ノズル７４とフロート７３とでトラップを形成する。液封トラップ７１内に所定量の洗浄液が溜まると、フロート７３が浮き洗浄液が排出され、液位が低下するとフロート７３が排出ノズル７４を塞ぎガスの流出を防止する。これによりガスを排出させることなく、洗浄液を排出することができる。

液封トラップ７１は、サイクロン５１から採取ガスが流出することを防止しつつ、煤塵を含む洗浄液を排出することができれば、他の構造、形態であってもよい。但し、洗浄液には、煤塵が含まれているため煤塵により動作不良とならない構造、形態とする必要がある。

液供給装置７６の構成は、第１実施形態の採取試料分析装置１の液供給装置７６と同じである。洗浄液には、アンモニア化合物を溶解可能でかつ、アンモニアを吸収しない洗浄液が使用される。本実施形態では、アンモニア化合物として酸性硫安（硫酸水素アンモニウム）が挙げられ、洗浄液としてアルカリ性の水、例えば水酸化ナトリウム水溶液が挙げられる。洗浄液で洗浄された採取ガスは、アンモニア化合物及び煤塵を含まず、アンモニアガスを含むこととなる。

分析装置９３は、気固液分離前処理装置５０により洗浄液が分離された採取ガスに含まれるアンモニアを分析する。ここで使用可能な分析装置は、採取ガスに含まれるアンモニアをオンラインで分析可能であれば、特定の分析装置に限定されるものではない。要求される精度に応じた分析装置を使用することが必要なことは当然である。分析装置９３に送られる採取ガス（試料ガス）は、煤塵、ＳＯ_ｘが除去されているため高精度の分析装置を使用することができる。

ここで使用可能な分析装置としては、公知のガス分析計を使用することができる。ガス分析計としては、光源にレーザーを使用し吸光強度からアンモニア濃度を検出するレーザー式ガス分析計、ＮＯ_ｘ−ＮＨ_３の還元反応によるＮＯ_ｘ濃度の減少を測定することでＮＨ_３濃度を検出するＮＯ_ｘ−ＮＨ_３還元差動方式の煙道排ガスアンモニア測定装置（例えば株式会社島津製作所製）、酸化触媒処理後の増加窒素酸化物成分をアンモニア濃度として科学発効法により測定するアンモニア測定装置（例えば株式会社堀場製作所製）が例示される。分析装置９３には、ガス流量計を備えないタイプの分析装置があるが、そのような分析装置の場合、別途、ガス流量計を設ければよい。

次に上記採取試料分析装置２の排ガス中のアンモニア濃度測定要領について説明する。

吸引ポンプ８５及び分析装置９３を作動させ、ガス採取管１１を通じて排ガスを連続的に一定の流量で採取する。同時に、液供給装置７６を通じて、ガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域に洗浄液を一定の流量で連続的に供給する。ガス採取管１１を通じて採取された採取ガスは、ガス採取管１１及び気固液分離前処理装置５０につながる導管４０を流通する過程で、洗浄液と接触し洗浄される。この過程で煤塵、ＳＯ_ｘは、洗浄液に吸収される。気固液分離前処理装置５０により洗浄液が分離された採取ガスは、ガス分析装置９３でアンモニア濃度が測定される。

以上のように採取試料分析装置２を使用し、一定流量の採取ガスを採取し、かつ一定流量の洗浄液を供給することで、オンラインで排ガス中のアンモニアガスを分析することができる。分析装置９３に送られる採取ガスは、洗浄液で洗浄され、アンモニア化合物及び煤塵が除去されているので精度よく分析することができる。排ガスに含まれる煤塵がアンモニアを吸着している場合もあるが、本採取試料分析装置２を使用することで煤塵も洗浄されるので、煤塵に吸着するアンモニアも分析対象とすることができる。

ヒートパイプ２５の効果、洗浄液を供給することによるアンモニア化合物の析出防止効果は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のところで説明した通りである。また導管４０の作用効果も、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のところで説明した通りである。

図７は、本発明の第３実施形態に係る採取試料分析装置３の概略構成図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る採取試料分析装置１、２と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態に係る採取試料分析装置３は、第１実施形態に係る試料ガス分析装置１と同様に、連続的に排ガスを採取し、かつ連続的に吸収液を供給し、吸収液に吸収されたアンモニアをオンラインで分析する。このため第３実施形態に係る採取試料分析装置３と第１実施形態に係る採取試料分析装置１とは、装置の基本構成は同一である。但し、第３実施形態に係る採取試料分析装置３と第１実施形態に係る採取試料分析装置１とでは、ガス採取管１１の温度が大きく異なる。これに伴いヒートパイプ２６の構造及び液供給管の先端位置が第１実施形態に係る採取試料分析装置１と異なる。

第３実施形態に係る採取試料分析装置３では、ガス採取管１１の温度保持領域の温度を１００℃以下の温度に保持する。これは、ガス採取管１１の温度保持領域をアンモニア化合物が析出する温度でかつ吸収液が蒸気とならない温度とし、この温度保持領域を吸収液で確実に洗浄可能とすることで、排ガスの安定採取及び分析精度向上を実現するものである。

第３実施形態に係る採取試料分析装置３において、ガス採取管１１の温度保持領域１５は、煙道壁１２１を跨ぐ部分及びその前後部分であり、具体的にはヒートパイプ２６で覆われた領域である。ガス採取管１１の温度保持領域１５の全長は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のガス採取管１１と同じであるが、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のガス採取管１１に比較し、煙道１１９内側の長さが短く、逆に煙道１１９外側の長さが長い。ガス採取管１１の先端部１２及び基端部近傍１４は、非温度保持領域である。非温度保持領域は、ヒートパイプ２６を介して所定の温度に保持されていない領域である。

ヒートパイプ２６は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のヒートパイプ２５と同様に、ガス採取管１１の外壁１９に一体的に設けられている。

ヒートパイプ２６は、ウィック式のヒートパイプであり、ガス採取管１１を覆う円筒部２８の他に、円筒部２８に直交するように設けられた冷却部３０を有する。冷却部３０は、煙道１１９外に位置する円筒部２８に、円筒部２８と連通するように円筒部２８と一体的に設けられている。また冷却部３０の外周面には、放熱を促進するための冷却用フィン３４が設けられている。

ヒートパイプ２６で使用する作動流体は、ガス採取管１１を１００℃以下に保持可能であればよく、水、メタノール、アセトンが例示される。なお、ヒートパイプ２６とガス採取管１１とを別体としてもよい点などは、第１実施形態に係る採取試料分析装置１のヒートパイプ２５と同じであるので説明を省略する。

液供給管７９は、ガス採取管１１の温度保持領域１５全体を洗浄可能に、先端部８０がガス採取管１１の温度保持領域１５の煙道１１９側端部に位置するように設けられている。その他、液供給装置７６、導管４０、気固液分離前処理装置５０の構造、仕様は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１と同じである。また吸収液も第１実施形態に係る採取試料分析装置１で使用する吸収液と同じである。

採取試料分析装置３の採取ガス中のアンモニア濃度測定要領は、第１実施形態に係る採取試料分析装置１と同じであり、吸収液中のアンモニアを分析する。

第１実施形態に係る採取試料分析装置１では、ガス採取管１１の温度保持領域１５をアンモニア化合物が析出しない温度とし、アンモニア化合物が析出する恐れがあるガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域を吸収液で洗浄する。これに対して、第３実施形態に係る採取試料分析装置３では、ガス採取管１１の温度保持領域１５をアンモニア化合物が析出する温度でかつ吸収液が蒸気とならない温度とし、この温度保持領域１５を吸収液で確実に洗浄する。なお、第３実施形態に係る採取試料分析装置３においてもガス採取管１１の基端部１３側の非温度保持領域は、吸収液で洗浄される。

上記のように第１実施形態に係る採取試料分析装置１と第３実施形態に係る採取試料分析装置３とでは、ガス採取管１１の温度が大きく異なり、これに伴いヒートパイプ２５、２６の構造及び液供給管の先端部８０の位置が異なる。しかしながらヒートパイプ２５、２６を用いて、ガス採取管１１の特定の領域を温度保持領域１５として常に一定の温度に保持し、かつアンモニア化合物が析出する温度領域を吸収液で洗浄することで排ガスの安定採取及び分析精度向上を実現する点は同じである。

図８は、本発明の第４実施形態に係る採取試料分析装置４の概略構成図である。本発明の第１〜第３実施形態に係る採取試料分析装置１、２、３と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第４実施形態に係る採取試料分析装置４は、第２実施形態に係る採取試料分析装置２と同様に、連続的に排ガスを採取し、かつ連続的に洗浄液を供給し、気固液分離前処理装置５０により採取ガス及び煤塵が除去された洗浄後の採取ガスをオンラインで分析する。第４実施形態に係る採取試料分析装置４は、採取ガス管１１及びヒートパイプ２６が第３実施形態に係る採取試料分析装置３と同一であり、気固液分離前処理装置５０が第２実施形態に係る採取試料分析装置２と同一である。

第４実施形態に係る採取試料分析装置４で使用する洗浄液は、第２実施形態に係る採取試料分析装置２で使用する洗浄液と同じである。

第４実施形態に係る採取試料分析装置４の洗浄された採取ガス中のアンモニア濃度測定要領は、第２実施形態に係る採取試料分析装置２と同じである。第２実施形態に係る採取試料分析装置２と比較してガス採取管１１の温度保持領域１５の温度が異なるが、排ガスを安定的に採取できる点及び高い分析精度を実現できる点は同じである。

以上、第１〜第４実施形態に係る採取試料分析装置を用いて説明したように、本発明に係る採取試料分析装置は、ヒートパイプ２５、２６を介してガス採取管１１を所定温度に保持することができるので、化合物が析出する領域が特定され吸収液、洗浄液による洗浄が容易となる。さらに化合物が析出する温度領域に常時、液を流しておくことで化合物の析出及び／又は付着を防止することが可能であり、分析試料を安定的に採取可能であると共にガスに含まれる分析対象成分を正確に採取し、オンラインで分析することができる。

本発明のようにヒートパイプを介して化合物が析出しない温度領域と化合物が析出する温度領域とに区分されたガス採取管の場合、ガス採取管に対し化合物が析出する温度領域にのみ、常時、洗浄液又は吸収液を供給すれば、少ない洗浄液量又は吸収液量で化合物の析出及び／又は付着を防止することができる。また少ない吸収液量で採取ガス中の分析対象成分を吸収すれば分析対象成分の濃度が低下せず、分析精度を高く維持することができる。さらに化合物が析出しない温度領域には、液が供給されないのでその領域の温度が低下せず、その領域に化合物が析出することはない。これにより予期せぬ場所への化合物の析出が防止される。

また本発明に係る採取試料分析装置を使用すれば、形態がガスであっても液であってもよいので種々の分析計を使用することが可能であり、使い勝手がよく実用性に優れる。なお、上記実施形態では、火力発電所の煙道排ガスを例として、本発明に係る採取試料分析装置を説明したが、本発明に係る採取試料分析装置は、他のガスの採取及び分析にも適用可能なことは言うまでもない。また上記実施形態では、採取試料分析装置について説明したが、分析装置を省略すれば採取試料分析装置を好適な分析試料採取装置として使用可能である。また上記実施形態では、ウィック式のヒートパイプを使用する例を示したが、ヒートパイプは、他の種類のヒートパイプ、例えば自励振動ヒートパイプを用いてもよい。

図面を参照しながら好適な分析試料採取装置及び採取試料分析装置について説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更及び修正を容易に想定するであろう。従って、そのような変更及び修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１、２、３、４ 採取試料分析装置
１１ ガス採取管
１２ ガス採取管の先端部
１３ ガス採取管の基端部
１４ ガス採取管の基端部近傍
１５ 温度保持領域
１９ ガス採取管の外壁
２５、２６ ヒートパイプ
４０ 導管
４１ チューブ
４２ 内壁面
４３ 溝
４４ 液膜
５０ 気固液分離前処理装置
５１ ガス分離装置，サイクロン
５６ 吸収液貯槽
５９ 液面制御弁
６４ 固液分離装置，遠心分離機
６８ 固液分離槽
７１ 液封トラップ
７６ 液供給装置
８０ 液供給管先端部
８１ Ｌ字型の管体
９１、９３ 分析装置
１００ 火力発電所
１０９ 排煙脱硝装置
１１９ 煙道
１２１ 煙道壁

Claims (8)

1. 先端部側がガス流通路に挿入され前記ガス流通路内のガスを採取するガス採取管と、
   前記ガス採取管を所定の温度に保持するヒートパイプと、
   前記ガス採取管内に液を供給する液供給手段と、
   前記ガス採取管を介して採取される前記ガスと前記液供給手段を通じて供給される前記液との混合物を分離する気固液分離前処理装置と、
   前記ガス採取管と前記気固液分離前処理装置とを結ぶ導管と、を含み、
   前記ガスは、煤塵を含み、さらに温度が低下するとガスに含まれる一部の化合物が析出するガスであり、
   前記ガス採取管は、前記ヒートパイプにより前記化合物が析出しない温度領域と前記化合物が析出する温度領域とに区分けされ、
   前記液が、分析対象成分を吸収する吸収液、又は前記化合物を溶解させ、かつ分析対象成分を吸収しない洗浄液であり、
   前記液は、前記ガス採取管に対しては化合物が析出する温度領域にのみ供給されることを特徴とする分析試料採取装置。
2. 前記ヒートパイプの作動流体の加熱源が、前記ガス流通路内を流通するガスであり、前記ヒートパイプの作動流体の冷却源が、前記ガス流通路外の大気であることを特徴とする請求項１に記載の分析試料採取装置。
3. 前記導管は、内壁面に螺旋状の溝を有し又は内壁面に密接する螺旋状のコイルを有し、内部を流通する前記混合物に旋回流を与え、前記導管の内壁面に液膜を形成させることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析試料採取装置。
4. 前記ガスが、アンモニアを含むガスであり、前記分析対象成分がアンモニアであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の分析試料採取装置。
5. 前記ガス流通路が、ボイラ排ガスを処理する排煙脱硝装置の出口部の煙道であり、前記ガス流通路内のガスが、前記煙道内のボイラ排ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分析試料採取装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の分析試料採取装置と、
   液中の分析対象成分を分析する分析装置と、を備え、
   前記液が、前記分析対象成分を吸収する吸収液であり、
   前記ガス採取管を介して一定流量のガスを連続的に採取しつつ、前記液供給手段を介して一定流量の前記吸収液を連続的に前記ガス採取管内に供給し、
   前記気固液分離前処理装置を用いて、前記混合物をガスと煤塵が除去された吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離し、
   前記分析装置は、前記気固液分離前処理装置で分離された、煤塵が除去された吸収液中の分析対象成分をオンラインで分析することを特徴とする採取試料分析装置。
7. 前記気固液分離前処理装置は、前記混合物からガスを分離するガス分離装置と、
   前記ガス分離装置から送られる煤塵を含む吸収液を一時的に貯める吸収液貯槽と、
   前記吸収液貯槽の液位を制御する液面制御弁と、
   前記吸収液貯槽に連結し、煤塵を含む吸収液から煤塵のない吸収液と煤塵が濃縮された吸収液とに分離する遠心分離装置と、
   前記遠心分離装置から排出される煤塵が濃縮された吸収液から煤塵を分離する固液分離槽と、を含み、
   前記吸収液貯槽と前記遠心分離装置と前記固液分離槽とは連通し、
   前記液面制御弁は、前記固液分離槽からの吸収液の排出量を調整し、前記吸収液貯槽の液位を制御することを特徴とする請求項６に記載の採取試料分析装置。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の分析試料採取装置と、
   ガスに含まれる分析対象成分を分析する分析装置と、を備え、
   前記液が、前記化合物を溶解させ、かつ前記分析対象成分を吸収しない洗浄液であり、
   前記ガス採取管を介して一定流量のガスを連続的に採取しつつ、前記液供給手段を介して一定流量の前記洗浄液を連続的に前記ガス採取管内に供給し、
   前記気固液分離前処理装置を用いて、前記混合物を分析対象成分を含むガスと煤塵を含む洗浄液とに分離し、
   前記分析装置は、前記気固液分離前処理装置で分離された、分析対象成分を含むガス中の分析対象成分をオンラインで分析することを特徴とする採取試料分析装置。

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