JP6679569B2 - 含塵工業オフガスの化学成分を分析するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2014年8月15日に出願された米国特許仮出願第62/037821号の米国特許法第119条(e)項の優先権および利益を主張し、この仮出願の開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
− N2の分析は、通気条件の過剰および過少の両方を回避するために発煙システム吸気を評価および動的制御するのに有効である。
− CO、H2、O2、およびN2の分析は、EAFが過剰酸化性雰囲気または過剰還元性雰囲気において動作しているか否かを判定するのに有効である。
− CO、CO2、およびH2の分析は、バーナを最適化および動的制御するのに、ならびに充填炭素作業を最適化するのに有効である。
− COおよびCO2の分析は、炭素注入器を最適化および動的制御するのに有効である。
− CO、H2、およびO2の分析は、酸素ランスを最適化および動的制御するのに有効である。
− H2およびHO2蒸気の分析は、炉内への水パネル漏れの開始を判定するのに有効である。
− CO、CO2、H2、O2、H2O蒸気、およびN2の分析は、EAFプロセスのリアルタイムの質量およびエネルギーバランスに近接するために必要とされる。
1.抽出システムは、発煙ダクト内に位置決めされたプローブを介してプロセスオフガスの試料を連続的に抽出するために真空ポンプを使用し、前記プローブは、連続ガス分析器にオフガス試料を送る中空のしばしば加熱される導管に連結される。E.J. Evensonの米国特許第5,777,241号は、製鋼プロセスの最適化および制御のためのかかる抽出システムについて記載している。分析すべきガス種に応じて、殆どのガス種を分析し得る質量分析、COおよびCO2を分析するための標準的方法である非分散型赤外線分析(NDIR)、O2分析およびH2分析のそれぞれのための標準的方法である固相電気化学セルおよび熱伝導率を含む様々な分析方法が、抽出技術と共に利用される。
2.in situレーザシステムは、光検出器により後で受光するために、発煙ダクト内を流れるオフガスを通して可視の近赤外線域および中赤外線域内の単一ビームまたは複合ビームまたは複数の個別のビームを送信する。D.K. Ottesenの米国特許第5,984,998号およびS.C. Jepsonの米国特許第6,748,004号は、オフガスの化学成分を測定するためのin situレーザシステムの例を提示している。一般的に、送信されるレーザ波長は、対象のガス種の特定の分光線に関して変調される。検出されるビームにおける吸収量は、後にオフガス中のその特定の種の濃度を算出するために使用される。複数のレーザが、分析すべきガス種に応じて必要とされ、典型的にはCO2およびH2O蒸気に適した波長を有する1つの近赤外線域レーザと、COに適した波長を有する第2の近赤外線域レーザと、O2に適した波長を有する第3の可視域レーザとが必要とされる。正確な波長の3つの別個のレーザが、CO、CO2、およびO2を分析するために必要とされる点を指摘しておく。COおよびCO2の吸収ピークは、オフガス温度が約300℃超に上昇することにより重畳し始めるため、in situレーザシステムは、CO2に適した波長を有する1つの近赤外線域レーザと、CO用の別個の第2の近赤外線域レーザとを使用する必要がある。適切な波長を有した第3の可視域レーザが、O2には必要となる。また、in situ方法は、必要な場合には、H2O蒸気を分析するためにCOレーザまたはCO2レーザのいずれかを使用することが可能である。可変量の微粒子状物質が、殆どの工業プロセスオフガス中に存在するため、レーザビームがビームを散乱または遮断させる減衰を被る可能性が存在する。多くの工業用途において、前記減衰の問題は、一方のプローブがレーザビームエミッタを収容し、第2のプローブがレーザビーム検出器を収容する、N2などの不活性ガスで連続的にパージされる2つの水平または垂直なプローブを使用することにより軽減され得るが、完全には解消できない。これらの2つのプローブは、両側から発煙ダクト内に延在し、一方のプローブの開口端部は、対向側のプローブの開口端部の近傍に位置し、これは、エミッタと検出器との間で正常に伝播しなければならないビームの経路長を短縮させ、微粒子状物質の干渉に関連するレーザビーム減衰の問題を最小限に抑える役割を果たす。
本出願人は、本発明の様々な好ましい特徴が、1つまたは複数の非限定的な利点を実現するように組み合わされ得る点を認識しており、これらには以下のものが含まれ得る。
12 ガス採取分析器
12a ガス採取分析器
12b ガス採取分析器
12c ガス採取分析器
14a ガス抽出導管アセンブリ
14b ガス抽出導管アセンブリ
14c ガス抽出導管アセンブリ
16 炉ガス発煙ダクト
18 ガス抽出プローブ
18a ガス抽出プローブ
18b ガス抽出プローブ
18c ガス抽出プローブ
20 システム制御ユニット
22 プロセッサ、CPU
24a 可同調ダイオードレーザ
24b 可同調ダイオードレーザ
24c 可同調ダイオードレーザ
26 光学スイッチユニット
28 プログラマブル論理制御装置
30 2線型光ファイバ/同軸ケーブル
32 マルチプレクサ/デマルチプレクサ
34 試料ガス供給導管
36 パージガス戻りライン
37 開口端部
38 抽出ライン
40 加熱ジャケット、ヒータストリップ
41 断熱材
44 キャビネット
46 被加熱セクション
48 被冷却セクション
50 ガスフィルタアセンブリ
52 水検出セル
52a 上流微粒子粗フィルタ
52b 下流微粒子粗フィルタ
54 誘導コイルヒータ
60 成分光学測定セル
62 水蒸気センサ
64 ポンプアセンブリ
66 ポンプモータ
70 温度センサ
72 ガス分析器電子機器
74 ポンプヘッド
80a 円筒状採取チャンバ
80b 円筒状採取チャンバ
82 ガス吸気口ポート
84 第1の端部
86 ガス排気ポート
88 第2の端部
89 幅狭スリット開口
90 光学ヘッド
90a 光エミッタ
90b 光エミッタ
92a 光エミッタ
92b 光エミッタ
94 コリメータ
96 除去可能な窓またはレンズ
98 検出器アセンブリ
100 排気ガス流
102a 集束レンズ
102b 集束レンズ
104 除去可能な窓またはレンズ
106a 光検出器、光センサ
106b 光検出器、光センサ
120 ガス供給導管
A オフガス抽出採取ポイント
B オフガス抽出採取ポイント
C オフガス抽出採取ポイント
Claims (37)
- 分析すべきガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析器装置であって、
ガス成分測定セルであって、
第1の細長採取チャンバおよび第2の細長採取チャンバであって、前記両採取チャンバは、分析すべき前記ガス試料を受け入れるためのガス吸気口と流体連通しており、前記第1の採取チャンバおよび前記第2の採取チャンバは、それぞれの第1の端部から前記第1の端部から離間された第2の端部まで延在し、前記両採取チャンバは、分析すべき前記ガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、第1の細長採取チャンバおよび第2の細長採取チャンバ、
コヒーレント光源に光学結合されるように構成され、複数のエミッタを含む光学ヘッドであって、前記エミッタは、コヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされる、光学ヘッド、および
前記採取チャンバの第2の端部に向けて位置決めされる検出器アセンブリであって、前記検出器アセンブリは、ガス分析器に電子結合するために設けられ、前記エミッタから放出された前記コヒーレント光線を受光するための少なくとも1つの検出器を含む、検出器アセンブリ
を備える、ガス成分測定セルと、
前記ガス成分測定セルによる分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するためのフィルタアセンブリと、
ガス試料源と前記フィルタアセンブリとの間に、前記フィルタアセンブリから前記ガス吸気口まで流体連通をもたらすガス導管アセンブリと
を備え、
前記コヒーレント光源は、複数の可同調レーザを備え、前記レーザは、前記コヒーレント光線を放出するための関連する前記エミッタに光学結合されるように設けられ、
前記第1の採取チャンバおよび前記第2の採取チャンバは、軸方向に整列された長手方向に延在する円筒状チャンバを備え、前記両円筒状チャンバは、それらの長手方向全長に沿って流体連通して設けられた、オフガス分析器装置。 - 前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの前記第1の端部および前記第2の端部のそれぞれに向かって離間され、それらをそれぞれ封止する第1の着脱可能窓および第2の着脱可能窓を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、関連する前記検出器に向かって各前記平行光線を合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える、請求項1または2に記載の装置。 - 前記ガス吸気口は、前記第1のチャンバの第1の端部に隣接する前記第1の採取チャンバに流体結合され、
ガス排気口は、前記第2のチャンバの第2の端部に隣接する前記第2の採取チャンバに流体結合される、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。 - 前記ガス導管アセンブリは、2〜15メートルの間で選択された長さを有する被加熱ガス導管を備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ガス成分測定セルは、モジュール式着脱可能ユニットとして提供される、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
- 分析のために、前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記測定セル内に前記ガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリをさらに備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記オフガス分析器は、キャビネットを備え、前記ガス成分測定セル、前記ポンプアセンブリ、および前記フィルタアセンブリは、前記キャビネット内に収容され、前記ポンプアセンブリおよび前記採取チャンバは、前記ガス試料が10〜40リットル/分の間で選択された流量を有する高速試料流として前記測定セル内に受け入れられるように選択される、請求項7に記載の装置。
- 前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとを備え、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を105℃〜130℃の間の温度に維持するように動作可能である、請求項8に記載の装置。 - 前記ガス試料は、製鋼炉オフガス流からのオフガス試料を含み、前記標的ガス成分は、CO、CO2、H2、水蒸気、およびO2からなる群より選択される、請求項1から9のいずれか一項に記載の装置。
- 前記キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに含み、前記ポンプアセンブリは、前記非加熱コンパートメントの内部に収容されるポンプモータを含む、請求項8または9に記載の装置。
- 炉オフガス流からのガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析システムであって、
ガス分析器装置と、
プロセッサと、
複数の可同調ダイオードレーザを備えるコヒーレント光源と、
前記オフガス流中の採取ポイントから前記ガス分析器装置まで前記ガス試料を流体連通させるためのガス導管アセンブリと
を備え、
前記ガス分析器装置は、
ガス成分測定セルであって、
前記ガス導管アセンブリと流体連通するガス吸気口と、
複数の細長採取チャンバであって、前記ガス試料を受け入れるための前記ガス吸気口と流体連通し、それぞれの端部から前記端部から離間した第2の端部まで延在し、分析すべき前記ガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、複数の細長採取チャンバと、
前記採取チャンバの第1の端部に向かって位置決めされる光学ヘッドであって、前記光学ヘッドは、複数のエミッタを含み、前記エミッタは、前記可同調ダイオードレーザのうちの関連する1つに光学結合するように設けられ、関連する採取チャンバに沿ってコヒーレント光線エネルギーを放出するように位置決めされる、光学ヘッドと、
前記プロセッサと電気通信し、複数の光検出器を含む検出器アセンブリであって、前記検出器は、電気信号として前記関連するコヒーレント光線エネルギーの非吸収部分を検出および変換するために関連する採取チャンバの第2の端部に向かって位置決めされる、検出器アセンブリと、
前記導管アセンブリおよび前記ガス成分測定セルと流体連通するフィルタアセンブリであって、前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するために、前記ガス吸気口から上流の位置に配設される、フィルタアセンブリと
を備える、ガス成分測定セル
を備え、
前記複数の採取チャンバは、第1の円筒状のチャンバおよび第2の円筒状のチャンバを含み、前記第1の円筒状チャンバおよび前記第2の円筒状チャンバは、長手方向に延在するエッジ部分に、長手方向全長に沿って流体連通して設けられた、オフガス分析システム。 - 前記ガス導管アセンブリは、前記炉オフガス流の中央部分から前記オフガス試料を抽出するための細長採取プローブを含み、
被加熱導管が、前記プローブおよび前記ガス分析器に流体結合し、前記被加熱導管は、前記抽出されたガス試料を、80℃〜150℃の間で選択された温度の加熱されたガス試料として、前記プローブから前記ガス分析器装置まで搬送するように動作可能である、請求項12に記載のシステム。 - 前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの第1の端部および第2の端部のそれぞれに向かって離間された第1の着脱可能窓および第2の着脱可能窓を備える、請求項12または13に記載のシステム。
- 前記エミッタは、前記コヒーレント光線エネルギーを平行光線として放出するように動作可能であるコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備え、前記レンズは、前記放出された平行光線を前記関連する光検出器に向かって合焦させるように構成される、請求項12から14のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記ガス吸気口は、前記第1のチャンバの第1の端部に隣接する前記第1の円筒状チャンバに流体結合され、
ガス排気口は、前記第2のチャンバの第2の端部に隣接する前記第2の円筒状チャンバに流体結合される、請求項12から15のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記ガス導管アセンブリは、2〜15メートルの間で選択された長さを有する被加熱ガス導管を備える、請求項12から16のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ガス成分測定セルは、モジュール式着脱可能ユニットとして提供される、請求項12から17のいずれか一項に記載のシステム。
- 分析のために、前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記採取チャンバ内に前記ガス試料を搬送するように動作可能なポンプアセンブリをさらに備える、請求項12から18のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ガス分析器装置は、被加熱コンパートメントを備えるキャビネットと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとをさらに含み、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を105℃〜140℃の間の温度に維持するように動作可能である、請求項12から19のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記ガス分析器装置は、被加熱コンパートメントを備えるキャビネットと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとをさらに含み、
前記キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに含み、前記ポンプアセンブリは、前記非加熱コンパートメントの内部に収容されるポンプモータを含む、請求項19に記載のシステム。 - 前記オフガスシステムは、製鋼炉オフガス流を備え、前記ガス成分は、CO、CO2、H2、水蒸気、およびO2からなる群より選択される、請求項12から21のいずれか一項に記載のシステム。
- 炉ガス分析および制御システムであって、
抽出された炉オフガス試料の選択されたガス成分を測定するように動作可能である複数のガス分析器装置と、
各前記ガス分析器と電気通信し、各前記ガス分析器により検出された前記測定されたガス成分に応じて炉制御信号を出力するように動作可能なシステムプロセッサと、
複数の可同調ダイオードレーザを備えるコヒーレント光源と、
前記オフガス流中の選択された採取ポイントと関連する前記ガス分析器装置との間で流体連通するガス導管アセンブリと
を備え、
各前記ガス分析器装置は、
ガス成分測定セルであって、
ガス吸気口およびガス排気口と、
前記抽出されたオフガス試料を中に受け入れるための複数の細長採取チャンバであって、前記採取チャンバは、相互におよび前記ガス吸気口と流体連通し、前記採取チャンバは、第1の端部から前記第1の端部から離間した第2の端部までそれぞれ延在し、分析すべき前記オフガス試料の前記選択されたガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、複数の細長採取チャンバと、
前記採取チャンバの第1の端部に向かって位置決めされた光学ヘッドであって、前記光学ヘッドは、複数のエミッタを含み、前記エミッタは、関連するコヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされた関連する前記可同調ダイオードレーザに光学結合される、光学ヘッドと、
前記関連するコヒーレント光線の非吸収部分を検出し電気信号に変換するための各関連する採取チャンバの第2の端部に向かって位置決めされた光検出器を備える検出器アセンブリと、
前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記抽出されたオフガス試料から微粒子状物質を濾過するために前記ガス吸気口から上流の位置に配設されるフィルタアセンブリと、
前記選択された採取ポイントから選択された前記ガス分析器装置の前記ガス吸気口まで前記オフガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリと
を備える、ガス成分測定セル
を備え、
前記採取チャンバのそれぞれは、同軸方向に整列された円筒状チャンバを備え、
前記採取チャンバは、長手方向に延在する隣接するエッジ部分に、長手方向全長に沿って流体連通する、炉ガス分析および制御システム。 - 前記レーザと選択された第1の前記分析器装置および第2の前記分析器装置の前記関連するエミッタとを選択的に光学結合するように動作可能であるスイッチアセンブリ
をさらに備える、請求項23に記載のシステム。 - 前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの前記第1の端部および前記第2の端部のそれぞれに向かって離間され、それらを封止する第1の着脱可能窓および第2の着脱可能窓を備える、
請求項23または24に記載のシステム。 - 前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、各前記平行光線を関連する前記検出器に向かって合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える、請求項23から25のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記ガス導管アセンブリは、各選択された採取ポイントと各関連する前記ガス分析器装置との間の流体連通をもたらす関連する被加熱ガス導管を備え、各関連する被加熱ガス導管は、2〜15メートルの間で選択された長さを有する、請求項23から26のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ガス成分測定セルは、交換可能モジュール式ユニットとして提供される、請求項23から27のいずれか一項に記載のシステム。
- 各ガス分析器装置は、関連するキャビネット内に収容され、各前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとを備え、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記キャビネットは、0.1〜2メートルの間でそれぞれ選択された幅、長さ、および高さの寸法を有する、請求項23から28のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記炉は製鋼炉を備え、前記選択されたガス成分はCO、CO2、H2、水蒸気、およびO2からなる群より選択される、請求項23から29のいずれか一項に記載のシステム。
- 各前記ガス分析器装置は、前記試料中の水蒸気濃度を感知するために前記ガス成分測定セルと流体連通する水蒸気センサをさらに含む、請求項23から30のいずれか一項に記載のシステム。
- 各前記ガス分析器装置は、前記試料中の水蒸気濃度を感知するために前記ガス成分測定セルと流体連通する水蒸気センサをさらに含み、
前記水蒸気センサは、前記キャビネットの前記被加熱コンパートメントに配設される、請求項29に記載のシステム。 - 請求項1から11のいずれか一項に記載の複数の前記オフガス分析器装置と、各前記オフガス分析器装置および前記コヒーレント光源と電気通信するシステムプロセッサとを備える、炉ガス分析および制御システムの使用であって、
第1の前記オフガス分析器の前記ガス導管アセンブリは、第1の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために炉オフガス煙道に沿って前記第1の採取位置と流体連通して設けられ、
第2の前記オフガス分析器の前記ガス導管アセンブリは、第2の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために前記炉オフガス煙道に沿って前記第2の採取位置と流体連通して設けられ、前記第2の採取位置は、前記第1の採取位置から離間され、
使用時に、
前記第1のガス分析器の前記採取チャンバ内への前記関連する抽出されたガス試料の前記抽出および連通の後に、前記システムプロセッサにより、
前記関連する採取チャンバに沿って前記関連するエミッタから前記コヒーレント光線を前記レーザから放出するように前記第1のオフガス分析器を作動させ、
前記検出器アセンブリにより、前記第1の採取位置においてN2、CO、CO2、H2、O2、および水蒸気からなる群より選択される関連する標的オフガス成分の吸収プロファイルとして前記採取チャンバ中の前記放出されたコヒーレント光線を検出および測定し、
前記第2のガス分析器の前記採取チャンバへの前記関連する抽出されたガス試料の前記抽出および連通の後に、前記システムプロセッサにより、
前記関連する採取チャンバに沿って前記関連するエミッタから前記コヒーレント光線を前記レーザから放出するように前記第2のオフガス分析器を作動させ、
前記検出器アセンブリにより、前記第2の採取位置において前記関連する標的ガス成分の吸収プロファイルとして前記放出されたコヒーレント光線を検出および測定し、
前記第1の採取位置および前記第2の採取位置と前記標的オフガス成分の前記測定された吸収プロファイルとを比較し、前記比較に基づき炉制御信号を生成する、使用。 - 前記システムプロセッサは、前記炉オフガス煙道に沿って1つまたは複数の採取位置に対して重み付けされたガス試料分析を実行するために、増加した時間および/または頻度だけ前記オフガス分析器のうちの1つまたは複数を優先的に作動させるように動作可能である、請求項33に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。
- さらに、前記第1のオフガス分析器の作動中に、前記採取チャンバ内の温度を前記関連する抽出されたガス試料の露点より高く維持し、少なくとも1つの関連する標的オフガス成分が水蒸気を含む、請求項33または34に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。
- 前記炉ガス分析および制御システムは、1つの前記レーザと前記第1のオフガス分析器の前記光学ヘッドと前記第2のオフガス分析器の前記光学ヘッドとを選択的に光学結合するように動作可能である光学スイッチアセンブリをさらに含み、前記システムプロセッサは、前記第1のオフガス分析器装置および前記第2のオフガス分析器装置のうちの選択された一方を選択的に作動させるように動作可能であり、
選択的に作動された場合に、前記第1のオフガス分析器および前記第2のオフガス分析器のそれぞれに前記1つのレーザを光学結合するように前記光学スイッチアセンブリを動作させる、請求項33から35のいずれか一項に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。 - 前記コヒーレント光源は、多重レーザビームを備える、請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。
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