JPH0714877Y2 - 燃焼用空気分析装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、ボイラ等の工業炉の燃焼状態を制御するた
め、工業炉の燃焼室へ送られる燃焼用空気の空気供給量
を計測する燃焼用空気分析装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、燃焼装置の火炉内において、燃焼排ガス中のN0_x
を低減するため各種バーナを用いて、例えば二段燃焼方
式、排ガス混入方式および火炎分割方式等の燃焼方式が
実施されている。これらの方法はいづれも燃焼温度を低
下させるか、若しくは空気供給量を低下させ、またはこ
れらの方法を組み合せたものであって、高温且つ空気供
給量過剰の状態において発生し易いいわゆるサーマルN0
_xを抑制するものである。また、この他に燃料中に含有
する窒素化合物を原因として発生するいわゆるフューエ
ルN0_xもあり、このフューエルN0_xの低減法として、低酸
素分圧下での燃焼が望ましいとされている。これらサー
マルN0_xおよびフューエルN0_xを低減するため、特開昭61
−1903号公報では、炉内に段階的にバーナを配設し、ま
ず下段において、例えば空気比を0.7以下、つまり供給
総空気量中の平均酸素濃度が17％以下の極端な燃料過剰
状態で強還元燃焼を行ない、次に中段において、空気供
給量（空気比0.8〜0.9程度）により燃焼を行ない、最後
に上段において、不足分の空気が供給されて、未燃分の
完全燃焼のために消費されるべき理論量により燃焼を行
なう方法が記載されている。上記公報記載の多段燃焼を
炉内で行うためには、各バーナごとに燃焼用空気を適切
に供給する必要がある。

従来の燃焼装置において、燃焼用空気は、まずコモンダ
クトを通り、次にバーナ燃焼用ダクトに個々に分かれて
導入され、ダクト炉内開口近傍に配設された各バーナへ
供給されているが、燃焼用空気の状態を調べるために、
コモンダクトに酸素センサを配設し、その代表点のみの
酸素濃度を測定していた。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、代表点をコモンダクト内で計測していた
のでは、前述したような適切な空気供給量による多段燃
焼を行えず、即ちバーナ個々の最適燃焼化（燃焼管理）
が行えず、燃焼排ガス中のN0_xの低減が有効に行えなか
った。

本考案の目的は、バーナ個々にバーナ燃焼用空気ダクト
の前室および後室を介して供給される燃焼用空気の供給
量および酸素濃度を検出し得る燃焼用空気分析装置を提
供せんとするにある。

（問題点を解決するための手段） 本考案の燃焼用空気分析装置において、少なくとも上下
２段にわたって複数個のバーナが設けられた工業炉に送
られる燃焼用空気の供給空気量を分析する燃焼用空気分
析装置において、酸素濃度検出器および空気流量測定器
を１つのプローブ本体管に、プローブ長手方向適所に１
組づつ離間して配置し、バーナ燃焼用空気ダクトの前室
および後室に前記プローブ本体管を挿入設置することに
より、両室を流れる燃焼用空気の酸素濃度および空気流
量を同時に測定することを特徴とするものである。

（作用） 本考案は、１組の酸素センサおよび流速センサを１個の
プローブ本体管の適所に２組組込み、各上下２個のバー
ナに連通する前室および後室に前記プローブ本体管を挿
入配置することにより、両室の空気供給量を同時に測定
することができる。

（実施例） 本考案の実施例を図面に基づき説明する。

第１図に工業用燃焼炉の一部概略図を示す。１は火炉
を、3,4は火炉１に燃焼用空気を導入し各バーナに燃焼
用空気を供給し且つ各室に仕切られたパレートダクト
を、5,6はセパレートダクト3,4に夫々流れ込む燃焼用空
気の流用を制限する弁部材を夫々示す。火炉１にはセパ
レートダクト3,4から火炉１に突出して設けられたバー
ナが各段に複数本づつ２段にわたって配置されている。
上段のバーナ７は還元バーナであって下段のバーナ９が
主バーナである。

また、セパレートダクト3,4に燃焼用空気を供給するコ
モンダクト11が設けられており、このコモンダクト11へ
は、エアブロワからエアヒータを経て送られる空気に、
排ガス再循環路を経て送られる燃焼排ガスの一部が混合
された燃焼用空気が供給される。これは一般に排ガス再
循環方式と称されている。さらに、各セパレートダクト
3,4の、各バーナおよび各弁部材の間の位置に、燃焼用
空気分析装置21がダクト3,4の管壁を貫通して挿入され
ている。

次に、本考案による燃焼用空気分析装置の具体的一実施
例について以下に第２図に基づき説明する。

第２図において、被測定ガスである燃焼用空気（以下
「被測定ガス」と称する。を採取し酸素濃度を測定する
酸素センサ用プローブ31,32と、同じく被測定ガスの流
量を測定する流量センサ用プロープ33,34とが、例えば
各セパレートダクト3,4の壁部35,36に形成される開口3
7,38に挿通され、これらプロープ31,33および32,34がそ
れら基端部即ち端子箱39にて一体にされ、この端子箱39
に形成された取付フランジ41と、壁部35に設けられた壁
側フランジ43と螺合し、前記プローブ31,33および32,34
の挿通状態を維持している。

第３図に詳細に示すように、酸素センサ用のプローブ31
の先端側には、例えば有底円筒状の酸素センサ45がそれ
が例えば焼嵌め法によって気密に固定されたセンサ留金
具47を介してネジ等によってプローブ31のプローブ治具
53に螺着されている。このように取付けられた酸素セン
サ45の周囲にはさらに、ヒータ49を内蔵するヒータ保持
具51（これがヒータユニットを構成する）がセンサ留金
具47に内側から嵌合され、セメント接着によって一体的
に固定されている。したがって、酸素センサ45およびセ
ンサ留金具47並びにヒータ49およびヒータ保持具51（即
ちヒータユニット）が一体構造となってセンサユニット
52を構成する。なお、酸素サンセ用のプローブ32に設け
られる酸素センサも同様の構成であるため説明を省略す
る。

かかる酸素センサ45の被測定ガスに曝される側には、ダ
スト等の流入を阻止するため、プローブ治具53に、フィ
ルタ保持具55を嵌合し、このフィルタ保持具55に設けら
れた開口部にフィルタ57が嵌挿され、このフィルタ57
は、中心部に開口を有する押圧治具59をネジ締めするこ
とにより固定されている。ところでフィルタ保持具55の
センサ留金具47と衝合する側の外側隅部の外周部に段部
を設けて、このフィルタ保持具55の段部とプローブ治具
53の間にガス通路60を形成する。さらにこのフィルタ保
持具55の校正ガス導入管61の出口側の開口部63に一致さ
せて内部空間67へ通じるガス出入口69を設け、さらにこ
のフィルタ保持具55のガス出入口69の反対側の部分とほ
ぼ対向するプローブ治具53の位置に、ガス排出口69を設
ける。したがって、内部空間67から被測定ガス空間まで
の連通空間が形成される。このため、内部空間67に導入
された被測定ガス若しくは校正ガスを迅速に外部は排出
することができる。

斯様な所定形状の酸素センサに対して、被測定ガスがフ
ィルタ57を通過して内部空間67中に導入され、その一部
は被測定ガスの濃度差によるガス拡散および熱対流によ
ってガス置換が行われ、酸素センサ45の内側深部に設け
られた測定電極に到達する。その他の被測定ガスは、図
示のように、ガス出入口65、ガス通路60およびガス排出
口69を通り外部へ放出される。したがって、この酸素セ
ンサー45には、被測定ガスの流入から流出へ至るガス流
の通路が設けられていため、被測定ガスが内部空間に速
やかに導入され、しかも酸素センサの測定電極へはほぼ
平衡状態を保ちながらガス置換が行われることによっ
て、酸素センサ45の応答性を高く保ちつつ、熱衝撃に対
する保護をも同時に行うことができる。

同様に、酸素センサの出力を校正するための校正ガス導
入の際には、まず校正ガスは、プローブ31の外側に配さ
れる校正ガス導入管61を通り、開口部63およびガス出入
口65を経て内部空間67に充満される。このとき、内部空
間67は正圧状態になるため、被測定ガスの流入は阻止さ
れる。内部空間67に充満した校正ガスの一部は酸素セン
サ45の深部へ、ガス濃度差によるガス拡散およびガス対
流によってガス置換が行われて達し、測定電極に接触す
る。その他の校正ガスは、内部空間67が被測定ガス雰囲
気の圧力に対し負圧になった時点でガス通路60を経てガ
ス排出口69から排出される。したがって、校正ガスの導
入時に酸度センサ45の測定電極を校正ガスが直撃せず、
即ちく急冷することがなく、しかも、被測定ガスの測定
時と校正ガスの導入時との間における酸素センサの温度
変化が少なく、精度の高い校正を可能にする。

一方、プローブ33の先端側には、第４図に示すように被
測定ガスの流速を測定する定温度形熱線式流速センサ
（以下に「流速センサ」と略称する）71が設けられてい
る。この流速センサ71は、流速を測定する感風素子73
と、温度補償のための風温素子75とを有し、またプロー
ブ33の、前記流速センサ71に対応する部分において、網
目（メッシュ）フィルタ72が設けられて、プローブ33内
へのダスト等の流入を排除しつつ被測定ガスが導入され
るようにしている。ところで、感風素子の原理を説明す
ると被測定ガス流内へ配置され、センサ部分としての抵
抗線に電流が流されて加熱されたセンサ部分に、被測定
ガスが当たると、抵抗線が冷却されてその温度が下が
る。この時に奪われる熱量は流速に関係し、このときの
流速Ｕ（m/s）と放散熱量Ｈの関係はKingの式で示され
る。

Ｈ＝（ａ＋ｂ・U^1/m）（Ｔ−Ta） （１） ここでH:放散熱量 a,b,m ：流体などにより決まる定数 Ｕ ：流速 Ｔ ：加熱された物体（すなわち熱線の温度） Ta ：周囲流体の温度 である。

しかし、定温度型熱線流速センサでは放散熱量と同じだ
けの熱量を電流により供給し、放散熱量と供給熱量とを
常に一定に保ち、抵抗温度を一定に保っている。したが
って、流速はこの供給熱量を測定することにより求めら
れる。このため、熱線を一辺にもつブリッジ回路を構成
し、この熱線の抵抗をR_H、熱線に流れる電流をI_Hとする
と、供給熱量Ｑは、 Ｑ＝I_H ²・R_H （２） となり、このとき放散熱量Ｈと供給熱量Ｑはつりあって
いるためＨ＝Ｑとおくと、 I_H ²・R_H＝（ａ＋ｂ＋・U^1/m）（Ｔ−Ta） （３） したがって、I_H−Ｔ関係およびTaが既知であれば、電流
値I_Hを測定することにより、流速Ｕを求めることができ
る。ただし、Taを求めるために、風温素子75を使用し
て、被測定ガスの温度を測定する。

この流速センサ71の特徴は、他の差圧式流量測定、カル
マン渦流量測定に比べて、流体の圧力、粘度等の影響を
受けない点にあり、ボイラのような工業炉に流入する燃
焼用空気の場合には、ドラフト圧が大きいので特に有効
である。また、この形式は、構造的にも小形、計量化が
図れるため便利である。なお、プローブ34の先端側に設
けられた流速センサも同様の構成であるため説明を省略
する。

以上のように酸素センサ45を有するプローブ31と流速セ
ンサ71を有するプローブ33とがその基端部にて一体にさ
れ、しかもそれぞれのプローブの先端側に互いの作動を
妨害しないように近接して配置しているため、バーナ燃
焼用空気中の酸素濃度および燃焼空気流量（即ち酸素流
量）をほぼ同一の設置点において連続的に測定すること
ができる。

次に、プローブ31（若しくは32）の先端部への酸素セン
サ45の取付構造の変形例としては、第５図の要部断面図
にて示すように、内向きフランジ83を有するプローブ31
に、その外方から金属製の円筒状のセル支持管85が挿入
され、このセル支持管85には外向きフランジ87と、載頭
円錐状の部分89とを具え、この載頭円錐状の部分89に設
けられた開口90に、有底円筒状の酸素センサ91が、その
底部をフランジ側に向けて嵌合されている。

さらに、センサ支持管85に、外向きフランジ93を有する
円筒状の被測定ガス導入管95を外方から挿入し、センサ
支持管85および被測定ガス導入管95をそれらの外向きフ
ランジ87および93の区域でボルト等によって内向きフラ
ンジ83にねじ止めすることにより、プローブ31に固定す
ることができる。ところで、内向きフランジ83および外
向きフランジ87を貫通する校正ガス導入管84が設けられ
て、校正ガスがセル支持管85および被測定ガス導入管95
の間に形成された空隙を通り酸素センサ91に送られるよ
うにしている。なお、前記被測定ガス導入管95のフラン
ジ側開口97に、除塵用の多孔質製のセラミックフィルタ
99がアルミナセメント等の手段により接着されている。

プローブ31の内部には、プローブの基端側から挿入され
たステンレス製の支持金具101がプローブ31と同芯状に
延在し、この支持金具101とプローブ31との間を基準ガ
スが拡散により流入されるようにしている。また、この
支持金具101には酸素センサ近傍の温度を計測する温度
検知手段103、例えば熱電対等が取付金具105により取り
付けられている。さらに支持金具101の先端には、接合
フランジ109を介して、環状のヒータ113を有するヒータ
支持管115が連結されている。このヒータ支持管115の内
壁には、電気的接触子117が絶縁碍子118を介して設けら
れおり、この接触子117は、接触端子と、それを保持す
る凹状のリングとか構成することができる。このような
構成とすることにより、酸素センサが接触子117に挿入
されると、酸素センサの所定の外表面に設けられた電極
に電気的に接続することができる。

斯様に構成された装置は、その全部品が取り付けられた
状態において、被測定ガス導入管95とセンサ支持管85と
の間に円筒状の隙間が形成され、この隙間が、センサ支
持管85を貫通してこの隙間に延在する校正ガス導入管84
のガス吹出口からのガスを案内し、検出セルの基部側に
その外周からガスを先端側に吹出される。さらにこの隙
間は、隙間自体の表面積が大なることから、その近傍に
セル支持管85およびヒータ支持管115の管壁を隔てて位
置するヒータ113から校正ガスに熱を効率良く伝達す
る。したがって、被測定ガスとの温度差が大きい校正ガ
スを、検出セルに吹付けることによる検出セルの急冷即
ち温度調節の乱れを少なくすることができる。

（考案の効果） 以上の説明から明らかなように、本考案は、ボイラ等の
工業炉の上下段のバーナへ通じる前後のダクトに挿入配
置された酸素センサおよび流速センサを２組有する１個
のプローブ本体管によって、各ダクトにおける燃焼用空
気中の酸素濃度および燃焼空気流量をほぼ同一の測定点
においてかつ同時に測定することができる。斯様に２組
のセンサを１本のプローブ本体管に取り付けた結果、本
装置の取付け工事費を約半分まで低減することができ、
また、本装置の機材費等を有効に低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例である燃焼装置の一部を示す部
分概略図、 第２図は本考案の燃焼用空気分析装置を示す側面図、 第３図は酸素センサの取付構造を示す断面図、 第４図は流速センサの内部構造を示す側面および平面
図、 第５図は酸素センサの取付構造の変形例を示す要部断面
図である。 １…火炉、3,4…セパレートダクト 5,6…弁部材、７…バーナ ９…バーナ、11…コモンダクト 13…空気分析装置 31,32…酸素センサ用プローブ 33,34…流速センサ用プローブ 35…壁部、37…開口 39…端子箱、41…取付フランジ 43…壁側フランジ、45…酸素センサ 47…センサ留金具、49…ヒータ 51…ヒータ保持具、52…センサユニット 53…プローブ治具、55…フィルタ保持具 57…フィルタ、59…押圧金具 60…ガス通路、61…校正ガス導入管 63…開口部、65…ガス出入口 67…内部空間、69…ガス排出口 71…流速センサ、72…フィルタ 73…感風素子、75…風温素子 83…内向きフランジ、84…校正ガス導入管 85…センサ支持管、87…外向きフランジ 89…載頭円錐状の部分 90…開口、91…酸素センサ 93…外向きフランジ、95…被測定ガス導入管 99…セラミックフィルタ 101…支持金具、103…温度検知手段 105…取付金具、109…接合フランジ 113…ヒータ、115…ヒータ支持管 117…電気的接触子、118…絶縁碍子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 小太刀 徹 愛知県名古屋市瑞穂区新開町24番18号 新 開住宅402号 (72)考案者 山田 博 愛知県名古屋市緑区鳴海町字鶴ケ沢49番地 の３ (56)参考文献 特開 昭63−58151（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−1903（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−3461（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも上下２段にわたって複数個のバ
   ーナが設けられた工業炉に送られる燃焼用空気の供給空
   気量を分析する燃焼用空気分析装置において、酸素濃度
   検出器および空気流量測定器を１つのプローブ本体管
   に、プローブ長手方向適所に１組づつ離間して配置し、
   バーナ燃焼用空気ダクトの前室および後室に前記プロー
   ブ本体管を挿入設置することにより、両室を流れる燃焼
   用空気の酸素濃度および空気流量を同時に測定すること
   を特徴とする燃焼用空気分析装置。