JP7225786B2

JP7225786B2 - 分光用粉体流制御装置

Info

Publication number: JP7225786B2
Application number: JP2018239580A
Authority: JP
Inventors: 孝男倉田; 淳伊澤; 真太郎藏田; 裕之野瀬; 紀仁河口
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: JP2020101440A

Description

本開示は、分光用粉体流制御装置に関する。

物質の組成を分析する手段として、レーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬａｓｅｒＩｎｄｕｃｅｄＢｒｅａｋｄｏｗｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下、ＬＩＢＳ）が知られている。ＬＩＢＳでは、測定対象である試料にパルス状のレーザー光を照射する。レーザー光は物質をプラズマ化させる十分なエネルギーを有しており、照射領域には試料のプラズマが発生する。プラズマは加熱されており、その中のイオン（場合によっては中性粒子）は励起されている。励起されたイオンは脱励起過程で、物質固有の波長の光を放出する。つまり、プラズマから放出された光の波長と強度を計測することによって、試料の組成や濃度などを分析することができる（特許文献１及び２参照）。

また、特許文献３は、上述のＬＩＢＳにより配管内を落下する粉体をモニタリングする装置を開示している。

特開２０００－１２１５５８号公報特開２００４－２２６２５２号公報特開２００２－２５７７２９号公報

ＬＩＢＳでは試料を短時間にプラズマ化させる必要がある。即ち、プラズマ化に必要なエネルギー密度が得られるまで、レーザー光を試料に向けて集光させる必要がある。

しかしながら、自由落下する粉体のように、試料が常に移動し、その軌道が常に変化する場合、当該試料へのレーザー光の適切な集光が困難になる。この場合、単位時間当たりの信号強度の変動が大きくなりやすく、それ故に測定の信頼性が損なわれてしまう。

本開示は、上述の事情を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、落下する粉体に対するＬＩＢＳ等の分光において、単位時間当たりの信号強度（発光強度）の変動を抑制することが可能な装置の提供を目的とする。

本開示の第１の態様は分光用粉体流制御装置であって、粉体の落下経路を構成する壁面の周方向の一部に設けられ、前記周方向に沿った所定の幅を有し、下方に向かうに連れて壁面から離れるように延伸する傾斜板と、前記壁面において、下方に向く傾斜板の先端よりも下方の観測点を臨む位置に設けられる観測窓とを備えることを要旨とする。
本開示の第２の態様は分光用粉体流制御装置であって、粉体の落下経路を構成する壁面の一部に設けられ、下方に向かうに連れて壁面から離れるように延伸する傾斜板と、前記壁面において、下方に向く傾斜板の先端よりも下方に位置する観測点を臨む位置に設けられる観測窓とを備え、前記傾斜板の前記先端は、前記傾斜板の幅方向に配列する複数の孔を有することを要旨とする。

前記傾斜板は前記壁面に対して揺動可能に設けられてもよい。前記傾斜板の前記先端は、前記傾斜板の幅方向に配列する複数の孔を有してもよい。

前記傾斜板は、前記傾斜板の幅方向の両側に位置すると共に、互いの間隔が前記傾斜板から遠いほど大きくなるように前記傾斜板から延伸する一対の鍔部を有してよい。前記一対の鍔部は、前記傾斜板から上方に向けて傾斜してもよい。前記一対の鍔部は、前記傾斜板から下方に向けて傾斜してもよい。

分光用粉体流制御装置は、前記傾斜板に振動を与える振動発生器を更に備えてもよい。分光用粉体流制御装置は、前記観測窓と前記観測点との間の空間に向けて気体を供給する気体供給器を更に備えてもよい。分光用粉体流制御装置は、前記壁面の前記一部として、前記壁面に設けられる筐体を備えてもよい。

本開示の第３の態様は廃棄物処理プラントであって、第１の態様に係る分光用粉体流制御装置を備えることを要旨とする。

本開示によれば、落下する粉体に対するＬＩＢＳ等の分光において、単位時間当たりの信号強度の変動を抑制することができる。

本開示の実施形態に係る粉体流制御装置の設置例を示す図である。本実施形態に係る粉体流制御装置の構成図である。図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。本実施形態に係る傾斜板の変形例を説明するための図である。本実施形態に係る傾斜板の変形例を説明するための図である。本実施形態の変形例を示す図である。本実施形態の変形例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本実施形態に係る粉体流制御装置１０は、測定対象である粉体５０（粒体、塊体）に対する分光測定時に使用される。なお、ここで言う分光は上述のＬＩＢＳに限られず、例えば、レーザー誘起蛍光分析（ＬＩＦ）、レーザーラマン分光、吸収分光等の他の分光を採用できる。以下、説明の便宜上、本実施形態に係る粉体流制御装置１０をＬＩＢＳに適用した例を挙げて説明する。

図１は、本実施形態に係る粉体流制御装置１０の設置例を示す図である。この図に示すように、粉体流制御装置１０は、粉体５０の経路（落下経路）５１を構成する壁面５２の一部に設置され、粉体５０の流れ（粉体流）５３を制御（調整）する。粉体５０は、例えば、廃棄物処理プラント（図示せず）から排出される飛灰であり、経路５１内を自由落下する。ＬＩＢＳでは、例えば、この飛灰に含まれる微量な重金属の成分及びその濃度を計測する。

図２は、粉体流制御装置１０の構成図である。図３は、図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。これらの図に示すように、粉体流制御装置１０は、筐体１１と、傾斜板１２と、観測窓１３とを備える。

筐体１１は、一側面に開口１１ａを有する箱体である。経路５１の壁面５２には開口５２ａが形成されており、筐体１１は、当該筐体１１の開口１１ａを壁面５２の開口５２ａに合わせた状態で、壁面５２に設置される。なお、筐体１１は壁面５２の開口５２ａを覆っており、壁面５２の一部として機能する。

傾斜板１２は、所定の幅Ｗを有する板状部材であり（図３参照）、経路５１の下方に向いた先端（下端、下縁）１２ａと、経路５１の上方に面する上面１２ｂとを含む。傾斜板１２は、壁面５２の一部である筐体１１に設けられ、下方に向かうに連れて壁面５２から離れるように延伸している。粉体５０は傾斜板１２の上面１２ｂに衝突し、一時的に滞留する。

観測窓１３は、壁面５２の一部である筐体１１において、傾斜板１２の先端１２ａよりも下方の観測点３０を臨む位置に設けられる。観測窓１３は、レーザー光３１、及びレーザー光３１の照射によって粉体５０から放出された光３２に対して所望の透過率が得られる周知の材料によって形成されている。なお、観測窓１３は、筐体１１に対して着脱可能に取り付けられてもよい。この場合、粉体５０等の付着による洗浄や交換が容易になる。

ここでＬＩＢＳの構成について説明する。
ＬＩＢＳでは、測定対象である粉体５０に、プローブ光としてのレーザー光３１を照射する。レーザー光３１は光源３３から出力される。光源３３は、パルス状のレーザー光３１を所定の周期で繰り返し発生する。光源３３は、例えば、パルスレーザー光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザーである。本実施形態のＮｄ：ＹＡＧレーザーは２倍波である５３２ｎｍのパルスレーザー光を、数十ｆｓ～数百ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ程度の周波数で出力する。

なお、レーザー光３１の波長は測定対象の組成に応じて設定される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（１０６４ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、或いは、４倍波（２６６ｎｍ）でもよい。また、光源はＮｄ：ＹＡＧレーザーに限られず、測定対象固有の発光を促す波長とエネルギーをもつレーザー光を発生する他の光源でもよい。波長は例えば１９３ｎｍ～１０．６μｍであり、エネルギー（パルスエネルギー）は例えば０．１ｍＪ以上である。

照射光学系３５は、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成され、光源３３から出力されたレーザー光３１を、観測点３０に集光させる。集光したレーザー光３１は、粉体５０をプラズマ化させるエネルギー密度を有する。

レーザー光３１の照射によって観測点３０における粉体５０の一部はプラズマ化し、物質固有の波長の光３２を放出する。プラズマから放出された光３２の波長と強度を計測することによって、粉体５０の組成や濃度などを分析することができる。

観測光学系３６は、照射光学系３５と同様に、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成され、粉体５０から放出された光３２を受光し、分析装置３４に導く。

分析装置３４は所謂分光器である。レーザー光３１によって粉体５０から放出され、観測光学系３６によって導かれる光３２の波長と強度を計測する。本実施形態の分析装置３４は、所定の範囲内の波長の光を一度に計測するポリクロメータやマルチチャネル型分光器である。但し、分析装置３４は、モノクロメータ、または分光フィルタでもよい。

制御部３７は、光源３３及び分析装置３４を制御する。制御部３７は、例えばコンピュータであり、レーザー光３１の発生及び繰り返し周期を制御する。また、制御部３７は、分析装置３４から出力された波長及び強度を分析し、粉体５０の組成を特定（検出）する。

粉体流制御装置１０を経路５１に設置した場合、経路５１内を自由落下していた粉体５０は、傾斜板１２の上面１２ｂに衝突する。この衝突により、上面１２ｂには一定量の粉体５０が一時的に滞留し、その一部が徐々に先端１２ａから滑落する。従って、傾斜板１２から落下する粉体５０の密度は、自由落下していた時の密度よりも増加する。また、傾斜板１２での一時的な滞留により、傾斜板１２から落下する粉体５０の量は、空間的にも時間的にも均一化する。

一方、傾斜板１２の先端１２ａの下方には、レーザー光３１の観測点３０が設定されている。レーザー光３１はＬＩＢＳのプローブ光であり、観測窓１３を介して、経路５１の外部から観測点３０に集光する。

上述の通り、傾斜板１２から落下する粉体５０の密度は、自由落下時よりも増加する。また、傾斜板１２から落下する粉体５０の量は、空間的にも時間的にも均一化している。従って、観測点３０を通過する単位時間当たりの粉体５０の量及び個数は、粉体５０が自由落下している他の空間よりも大きくなり、且つ、変動が小さくなる。換言すれば、観測点３０において粉体５０がレーザー光３１に照射される頻度（確率）は、他の空間にレーザー光３１を導入する場合よりも高まる。よって、単位時間当たりの信号強度（発光強度）の変動を抑制することができる。

次に本実施形態の変形例について説明する。
図４及び図５は傾斜板１２の変形例を説明するための図である。図４に示すように、傾斜板１２は壁面５２に対して揺動可能に設けられてもよい。この場合、傾斜板１２の上縁１２ｃは、水平に延伸するシャフト１４に接続する。また、シャフト１４は回転可能に設けられ、モーター等の角度調整器１５に支持される。なお、角度調整器１５は、例えば制御部３７によって制御される。

角度調整器１５は、傾斜板１２を所定の傾斜角に設定し、これを維持する。鉛直方向に対する傾斜板１２の傾斜角は、粉体５０の落下量、重量、乾燥度等に合わせて任意に設定できる。これにより、傾斜板１２から落下する粉体５０の単位時間当りの量を調整でき、
分光時の信号強度を調整することができる。また、分光測定を行なわないときは、傾斜板１２を落下方向に沿わせるように配置することで、傾斜板１２への粉体５０の不要な衝突を回避でき、粉体流制御装置１０の使用可能時間を長期化できる。

傾斜板１２の先端１２ａは、当該傾斜板１２の幅方向に配列する複数の孔１６を有してもよい。例えば、図５（ａ）に示すように、先端１２ａには当該孔をもつ網部１７が形成される。網部１７は、先端１２ａから傾斜板１２の長手方向に沿った所定の長さＬだけ形成される。或いは、図５（ｂ）に示すように、網部１７の代わりに、櫛部１８を形成してもよい。何れの場合も、孔を通過できる粉体５０のサイズが制限される。換言すれば、落下する粉体５０のうち比較的小さいものが、観測点３０及びその近傍を通過することになる。サイズの小さい粉体は比較的多量に落下しているため、これらを選択的に観測点３０及びその近傍に通過させることで、単位時間当たりの信号強度（発光強度）の変動を更に抑制することができる。

更に、傾斜板１２は、当該傾斜板１２の幅方向の両側に位置する一対の鍔部１９、１９を有してもよい。一対の鍔部１９、１９は、互いの間隔が傾斜板１２から遠いほど大きくなるように当該傾斜板１２から延伸している。例えば、図５（ｃ）に示すように、一対の鍔部１９、１９は、当該傾斜板１２から上方に向けて傾斜している。この場合、各鍔部１９に衝突した粉体５０は、傾斜板１２に向けて移動するため、単位時間当たりの信号強度（発光強度）を増加させることができる。図５（ｄ）に示すように、一対の鍔部１９、１９は、当該傾斜板１２から下方に向けて傾斜していてもよい。この場合、各鍔部１９に衝突した粉体５０及び傾斜板１２に衝突した粉体５０の一部は、先端１２ａに到達することなく傾斜板１２を落下する。従って、単位時間当たりの信号強度（発光強度）が過剰になっている場合、その強度を減少させることができる。

図６及び図７は本実施形態の変形例を示す図である。図６に示すように、粉体流制御装置１０は、振動発生器２０を更に備えてもよい。振動発生器２０は例えば振動モーターであり、その出力軸２１が傾斜板１２に接触している。振動発生器２０は傾斜板１２に振動を与え、傾斜板１２に付着した粉体５０を落下させる。これにより、傾斜板１２の上面１２ｂにおける粉体５０の移動が円滑になり、信号強度（発光強度）の減少を抑制できる。

図７に示すように、粉体流制御装置１０は、気体供給器２２を更に備えてもよい。気体供給器２２は、筐体１１に取り付けられたノズル２３を介して、観測窓１３と観測点３０との間の空間に向けて気体を供給する。本実施形態の分光測定における測定対象は粉体である。従って、観測窓１３が粉体５０の付着によって汚染されやすい。観測窓１３への粉体５０の付着が増えると、分析装置３４に到達する光３２の強度が減少する。ノズル２３から放出された気流は、観測窓１３と観測点３０との間に漂う不要な粉体を除去し、観測窓１３への粉体５０の付着を抑制する。

なお、本開示は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０…粉体流制御装置、１１…筐体、１１ａ…開口、１２…傾斜板、１２ａ…先端（下端、下縁）、１２ｂ…上面、１２ｃ…上縁、１３…観測窓、１４…シャフト、１５…角度調整器、１６…孔、１７…網部、１８…櫛部、１９…鍔部、２０…振動発生器、２１…出力軸、２２…気体供給器、２３…ノズル、３０…観測点、３１…レーザー光、３２…光、３３…光源、３４…分析装置、３５…照射光学系、３６…観測光学系、３７…制御部、５０…粉体、５１…落下経路、５１…経路（落下経路）、５１…経路、５２…壁面、５２ａ…開口

Claims

粉体の落下経路を構成する壁面の周方向の一部に設けられ、前記周方向に沿った所定の幅を有し、下方に向かうに連れて壁面から離れるように延伸する傾斜板と、
前記壁面において、下方に向く傾斜板の先端よりも下方に位置する観測点を臨む位置に設けられる観測窓と
を備える分光用粉体流制御装置。
粉体の落下経路を構成する壁面の一部に設けられ、下方に向かうに連れて壁面から離れるように延伸する傾斜板と、
前記壁面において、下方に向く傾斜板の先端よりも下方に位置する観測点を臨む位置に設けられる観測窓と
を備え、
前記傾斜板の前記先端は、前記傾斜板の幅方向に配列する複数の孔を有する
分光用粉体流制御装置。
前記傾斜板は前記壁面に対して揺動可能に設けられる
請求項１又は２に記載の分光用粉体流制御装置。
前記傾斜板の前記先端は、前記傾斜板の幅方向に配列する複数の孔を有する
請求項１に記載の分光用粉体流制御装置。
前記傾斜板は、当該傾斜板の幅方向の両側に位置すると共に、互いの間隔が前記傾斜板から遠いほど大きくなるように前記傾斜板から延伸する一対の鍔部を有する
請求項２又は４に記載の分光用粉体流制御装置。
前記一対の鍔部は、前記傾斜板から上方に向けて傾斜している
請求項５に記載の分光用粉体流制御装置。
前記一対の鍔部は、前記傾斜板から下方に向けて傾斜している
請求項５に記載の分光用粉体流制御装置。
前記傾斜板に振動を与える振動発生器
を更に備える
請求項１から７のうちの何れか一項に記載の分光用粉体流制御装置。
前記観測窓と前記観測点との間の空間に向けて気体を供給する気体供給器
を更に備える
請求項１から８のうちの何れか一項に記載の分光用粉体流制御装置。
前記壁面の前記一部として、前記壁面に設けられる筐体を備える
請求項１から９のうちの何れか一項に記載の分光用粉体流制御装置。
請求項１から１０のうちの何れか一項に記載の分光用粉体流制御装置が設けられた廃棄物処理プラント。