JPH08200658A - 燃焼状態監視方法およびその装置 - Google Patents
燃焼状態監視方法およびその装置Info
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- JPH08200658A JPH08200658A JP7009234A JP923495A JPH08200658A JP H08200658 A JPH08200658 A JP H08200658A JP 7009234 A JP7009234 A JP 7009234A JP 923495 A JP923495 A JP 923495A JP H08200658 A JPH08200658 A JP H08200658A
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Abstract
目的とする。 【構成】 燃焼部1からの排気を排出する排気管5と、
その排気管中の排気を導入してその排気中の特定物質を
検出する分析装置11と、その分析装置11による特定
物質の割合に基づいて不完全燃焼を判別する警報部と、
を有する。そして、排気管5から排気を分岐して分析装
置に導入する分岐管5aを有する。燃焼部1は、炭化水
素系燃料の燃焼炉であり、分析装置11には、質量分析
装置以外に、赤外分光光度装置、紫外分光光度装置、ま
たは、ガスクロマトグラフ装置のいずれか一つまたはそ
れらの組合せが使用できる。
Description
焼炉の燃焼状態を監視するための装置に関する。
状態を監視する方法として、燃焼炉内の温度を光学的に
検知して監視しており、赤外線温度測定装置等により燃
焼炉の温度監視を行っている。また、大気汚染の防止の
目的で排気中の一酸化炭素やNOX、SOXが測定され
る。
度を監視することは、燃焼状態以外の要因、例えば外気
温や流量変化に影響されることもあり、必ず燃焼状態を
表しているとはいえない。また、炉内を光学的に温度測
定するためには、窓を設ける必要があり、耐熱性等の問
題から非常に面倒である。また、炎にはゆらぎがあるた
め、安定した数値を得ることは困難である。
簡便に監視することを目的とする。
排気を分析装置へ導入し、該分析装置により前記排気中
の特定物質の割合に基づいて不完全燃焼を検知すること
を特徴とするものであって、例えば、燃焼部は、炭化水
素系燃料の燃焼炉、または、ごみ焼却炉であり、分析装
置は、質量分析法、赤外分光分析法、紫外分光分析法、
または、ガスクロマトグラフ法のいずれか一つまたはそ
れらの組合せにより、特定物質の割合を判別し、特定物
質は、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、インデン、ま
たは、ナフタレン等の不完全燃焼時に生成する物質のい
ずれか一つまたはそれらの組合せ、または、酸素、ある
いは二酸化炭素の通常の燃焼過程において生成する物質
のいずれか一つまたはそれらの組合せの割合である。
成物質を分析装置により監視することにより、外気温や
流量変化等の外部の要因に影響されることなく、燃焼反
応に基づく不完全燃焼を確実に検知することができる。
そして、排気を監視することは、燃焼部からの排気管か
ら分析装置に排気を導入すればよく、設備として簡便に
構成することができる。
たり、集塵装置の影響を受けるが、排気の成分は、その
ような影響を受けにくい。
火力発電所を概略的に示したものである。図において、
1は燃焼炉であり、LNGタンク2のLNG(液化天然
ガス)が気化器3により気化されて、炭化水素系燃料と
して導入されるとともに、空気が排気を混合する押込通
風機4から供給される。従って、この燃焼炉1は、排気
混合方式により燃料を低い温度で緩慢に燃焼させてい
る。そして、燃焼炉1の排気は、排気管5を介して高煙
突6から放出される。
受けて発生する蒸気が蒸気管8を介してタービン9を回
し、タービン9の回転により発電機7から電気が発生す
る。タービンを回した蒸気は、復水器10により水に戻
され、繰り返し蒸気を発生させるために燃焼炉1外周側
に供給される。
が導入されるように分岐管5aを介して分析装置として
の質量分析装置11が接続されている。この質量分析装
置11は、図2に示すように、基本的にはイオン化部1
4、質量分離部15、イオン検出部16から構成され
る。また、この質量分析装置11は、スペースの関係等
で排気管5の煙突6近傍に設けられているが、燃焼炉1
の近傍であってもよい。また、分岐管5aを介すること
により、質量分析装置11への排気の熱の影響を緩和す
ることができるが、排気管5内の熱が十分放出されてい
れば、排気管5内に直接設けてもよい。
気管5からの分岐管5aによって導入された排気は、導
入管としてのキャピラリ12からフィルタ13を介して
例えば10-6トールに減圧された質量分析装置11内に
導入され、まずEIイオン源等によるイオン化部14に
おいて高電圧による電界によりイオン化される。イオン
化された排気は、四重極等による質量分離部15の磁界
により排気中の成分の分子量(質量)に基づいて曲げら
れ、分離された成分が電子倍増管等によるイオン検出部
16に到達し、燃焼生成物が分子量ごとに分離されて検
出される。
は、質量分析装置11内を大気圧からターボポンプ17
による減圧状態へ落とすために設けられているが、大き
な分子がフィルタ13に吸着される影響がある。従っ
て、アントラセンのような大きな分子を監視する場合に
は、このフィルタ13を用いずに、ホール(例えば約1
μ)を有するプレートやスキマー(円錐形の頂部に通孔
を設けたもので、複数重ねることにより窒素や酸素等の
軽い分子をはじいて濃縮する効果がある)を利用しても
よい。
部20に出力され、警報部20において、不完全燃焼状
態であるかどうかが判別され、不完全燃焼状態であると
判別される場合に、設備全体の監視センタ等に警報を発
する。
監視を分析装置によって常時監視するための実験結果に
ついて、以下に示す。
を用い、燃焼炉1の燃焼状態を調整して、完全燃焼状態
(空気rich)、半不完全燃焼状態(空気poor)、不完全
燃焼状態(空気very poor )として、3段階の燃焼状態
とブランク状態(炎のない状態)とで測定した。
よび状態変化に伴う生成物質のピーク変化を図3から図
6に示す。完全燃焼状態のチャート(図3)と不完全燃
焼状態のチャート(図5)を比較すると、そのピークの
数から不完全燃焼時に多様な物質が生成されていること
は明らかであるが、その中で完全燃焼状態時と異なる物
質として、ベンゼン(イオン強度m/e=78のピー
ク)、ブタジエン(m/e=50)、トルエン(m/e
=92)が検出されている。これらの物質は、燃焼にお
ける煤煙の形成過程における中間生成物であり、不完全
燃焼に基づいて発生している。
ークの変化を示すものである。ブランク−完全燃焼−半
不完全燃焼−不完全燃焼と約3分程度ごとに連続的に変
化させたときのそれぞれスキャン番号が1から26、2
7から50、51から76、77から100の同一分子
量のピークの強度を示している。
ルエンが半不完全燃焼状態から発生している。そして、
トルエンの場合には、半不完全燃焼状態でわずかに表
れ、不完全燃焼状態において大きく表れている。
等について着目してみると、酸素は、完全燃焼状態に比
べて不完全燃焼状態で、増加している。そして、二酸化
炭素は、完全燃焼状態に比べて、半不完全燃焼状態にお
いて減少している。これらのことは、生成物として完全
燃焼時に消費される酸素量および生成する二酸化炭素量
が燃焼状態の変化に基づいて変化することを示してい
る。それに対して水は、燃焼反応によって生成するが、
燃焼状態の変化に対してほとんど変わっていない。ま
た、図6には示さなかったが、窒素(m/e=28)の
ピークもほとんど変化しておらず、この燃焼反応に関わ
らない物質のピークを基準とすることにより、導入され
る排気の量とすることができる。
について説明すると、質量分析装置の検出するイオン強
度(Intensity)は、検出部に印加する電圧に
よって変化するが、通常の大気中において、酸素を10
-8オーダー、二酸化炭素を10-10 オーダーに調整する
と、燃焼炉中においては、酸素が10-11 〜10-9オー
ダーに減少し、逆に二酸化炭素が10-9〜10-7オーダ
ーに増加する。この量は、燃焼炉中の燃料と空気の量に
応じて決まり、ほぼ一定の値となる。そして、不完全燃
焼によって生成する成分、ブタジエン、ベンゼン、トル
エン等のイオン強度(Intensity)は、燃焼炉
中の燃料と空気の量にによって決まり、空気が十分であ
ると、10-13 オーダーであるが、空気の量を減らして
いくに従って、10-9オーダーまで増加する。これは煤
の量の関係と同じで、空気の量が十分であると、煤はほ
とんど出ないが、空気の量を減らしていくに従って、発
生する煤の量が多くなる。
の方式に、上記実験結果に基づいて、完全燃焼状態では
排気されないが、不完全燃焼状態によって排気される物
質を特定物質として、その特定物質のイオン強度のピー
クが所定レベルを越えるときに、不完全燃焼と判別する
ことができる。このときの特定物質として、後述の実験
結果からベンゼン(イオン強度m/e=78のピー
ク)、ブタジエン(m/e=50)、トルエン(m/e
=92)が検知対象とされるが、更に、煤煙の形成過程
を考慮すると、キシレンや、インデン、ナフタレン、ア
ントラセン等も発生すると考えられる。これらのように
分子量が大きくなると、分岐後の管壁やフィルタにおい
てトラップされることが考えられるが、管壁の保温やフ
ィルタに代わるスキマーの利用等すれば検出可能であ
る。
不完全燃焼状態のみでなく、通常の完全燃焼状態におい
ても排気される物質を特定物質として、そのピークの相
対的増減によって不完全燃焼と判別することができる。
このときの特定物質として、後述の実験結果から二酸化
炭素(m/e=44)や酸素(m/e=32)が検知対
象とできる。ここで水(m/e=18)を水を検知対象
とすることも考えられるが、後述の実験結果からは、燃
焼状態によるピーク変化はほとんどなかった。従って、
設置する燃焼炉に基づく排気を実際に測定してピークが
変化すれば検知対象とすることができる。
燃焼に関わらない排気中の物質、例えば窒素を基準とし
て、上記第1の方式または第2の方式の特定物質のピー
クの相対的増減によって不完全燃焼と判別することがで
きる。これは、換言すれば、排気流の状態等の変化に基
づくピーク変化を補正するため、窒素などの燃焼に関わ
らない物質を基準に、気流の量の増減を補正しようとす
るものである。
結果から、特定物質の割合が二酸化炭素に対してベンゼ
ンの比率が、ベンゼン/二酸化炭素=10-6〜1のと
き、または、ブタジエンの比率がブタジエン/二酸化炭
素=10-6〜1のときに、不完全燃焼状態であると判別
することができる。
完全燃焼の監視は、単純には特定物質一つのピークの増
減で不完全燃焼を判別できるが、質量分析法のピーク
は、分子量に基づくので異なる物質が同じピークに検出
される可能性があるので、複数のピークを同時に監視す
ることで確実な不完全燃焼を判別できる。また、そのと
きに質量分析装置11に導入される排気量が変化しない
条件以外では、排気の導入量を検出して補正することが
好ましい。さらに、上記各方式において、質量分離部1
5にセクタ方式や複数段に設けること等により高分解能
として、分子量を少数点以下まで分離検出することも可
能であり、同一分子量の物質を詳細に区別して、特定物
質を検出することが可能である。そして、上記各方式に
よる判別は、警報部20によって行われる。
られる分析装置として、図7に示すような、赤外分光光
度装置がある。この赤外分光光度装置は、図7に示すよ
うに、基本的には光源26、測定セル25、分光器3
0、赤外検出部22から構成される。
た排気は、導入口23を介して測定セル25に送られ、
排気口24から排気され、常に新しい排気が取り込まれ
ている。それに対して補償セル27は、測定セル25に
通じているが、小さな通孔を有する遮蔽板31、32を
設けてあるので、その内部の雰囲気はほとんど変わらな
い。これらの遮蔽板31、32は、当初外しておき燃焼
炉1が完全燃焼を行っている状態において装着すれば、
監視開始時から燃焼状態の変化を検出することができ
る。
は、赤外波長帯域の発光が行える炭化ケイ素棒やネルン
スト灯等の光源26からの光がセパレータ21によりそ
れぞれ照射される。測定セル25および補償セル27を
通過した2つの光は、セクタ部28において交互に遮蔽
され、分光器30により各波長に分光され、熱電対やボ
ロメータ等の赤外検出部22に集光されて検出される。
分光器30では、詳細に示さないが、導入用のスリット
を介したセクタ部28からの光をプリズムで分光し、各
波長ごとに放出用のスリットを介して赤外検出部22に
向けて放出される。
の通過光の強度差から各波長の燃焼物質による吸収を測
定する。ここで、測定セル25には、上記のように、排
気管5から分岐された排気が導入されるが、補償セル2
7内は、ほとんど完全燃焼時の排気のままであり、通過
光の各波長ごとの強度差は、燃焼状態の変化に基づく生
成物質の変化の特徴を表している。
分析装置と同様に警報部33に出力され、警報部33に
おいて、不完全燃焼状態であるかどうかが判別され、不
完全燃焼状態であると判別される場合に、設備全体の監
視センタ等に警報を発する。
置による監視と同様に、まず第1の方式に、後述する実
験結果に基づいて、完全燃焼状態では排気されない物質
を特定物質として、その特定物質の分子構造の特徴に基
づく赤外吸収波長の強度が所定レベルを越えるときに、
不完全燃焼と判別することができる。このときの特定物
質として、後述の実験結果からベンゼン、ブタジエン、
トルエンが検知対象とされるが、更に、キシレンやイン
デン、ナフタレン、アントラセン等も発生すると考えら
れる。これらのように分子量が大きくなると、分岐後の
管壁において多少トラップされることが考えられるが、
保温すればトラップを防止できる。
ると、芳香環の=C−H伸縮振動に基づく吸収が300
0cm-1付近に、芳香環の=C−H面外変角振動に基づく
特有の小波状吸収が2000cm-1から1660cm-1に、
芳香環のC=C伸縮振動を含む環振動に基づく強い吸収
が1600cm-1から1450cm-1に、芳香環の=C−H
面内変角振動に基づくやや強い吸収が1250cm-1から
1000cm-1に、芳香環の=C−H面外変角振動に基づ
く強い吸収が1000cm-1から650cm-1に表れる。ま
た、ブタジエンでは、1597cm-1に共役しているC=
C伸縮振動の吸収が表れる。さらに、トルエン等、孤立
した芳香環を有しているものはベンゼンとほぼ同様の吸
収が得られ、インデンやナフタレン等の縮合環芳香族炭
化水素も基本的には芳香環に近い特徴を示す。このよう
に、個々の物質の赤外吸収波長は、公知であるが、排気
中には、複数の物質が混在しているので、実際の排気か
ら燃焼状態の変化に基づくスペクトル変化を測定してか
ら監視する波長を決定することが好ましい。
完全燃焼状態においても排気される物質を特定物質とし
て、その赤外吸収波長の吸収率の相対的増減によって不
完全燃焼と判別することができる。このときの特定物質
として、後述の実験結果から二酸化炭素(2350cm-1
等)や水(3625cm-1等)を検知対象とすることも考
えられるが、設置する燃焼炉に基づく排気を実際に測定
してピークが変化すれば検知対象とすることができると
考えられる。ここで、酸素や窒素について同一の2原子
分子は、固定双極子能率を有しないので、赤外線に不活
性であり検出できない。
完全燃焼の監視は、単純には芳香環による波長の吸収率
の増減で不完全燃焼を判別できるが、各波長の吸収率
は、異なる物質の小さな吸収波長が重なる可能性がある
ので、複数の波長を同時に監視することで確実な不完全
燃焼を判別できる。そして、上記各方式による判別は、
警報部33によって行われる。
析装置として、赤外分光光度装置以外に、紫外分光光度
装置やガスクロマトグラフ装置等が挙げられる。そし
て、これらの装置を組み合わせて用いれば、特定物質の
検知を異なる物性から行え、さらに確実な不完全燃焼状
態を判別することができる。
工場を図8に概略的に示す。図において、51は焼却炉
であり、ごみ収集車がプラットホーム53から落とした
バンカ52のごみがクレーン54により運ばれてホッパ
55から導入される。この焼却炉51の排気は、誘引フ
ァン60により引っ張られ、まずボイラ56において発
電などに熱利用され、電気集塵機57や窒素酸化物除去
装置58、塩化水素除去装置59により有害物質等を除
去した後に、煙突61から放出される。
ンカであり、焼却炉51の灰が電気集塵機57の飛灰と
ともに収集される。そして、窒素酸化物除去装置58か
ら誘引ファン60に続く排気管64から分岐管64aに
よって排気を分岐して、フィルタ装置65を介して分析
装置としての質量分析装置66に導入されるように接続
されている。この質量分析装置66については、質量分
析装置11と同様のものであり、基本的にはイオン化
部、質量分離部、イオン検出部から構成され、同様の不
完全燃焼の監視が行える。
分析装置11と同様に図示されない警報部に出力され、
警報部において不完全燃焼状態であるかどうかが判別さ
れ、不完全燃焼状態であると判別される場合に、設備全
体の制御室等に警報を発する。また、この質量分析装置
66は、スペースの関係等で窒素酸化物除去装置58と
誘引ファン60との間の排気管64に接続されている
が、焼却炉51の近傍や煙突61側に設けてもよい。ま
た、フィルタ装置65は、その設けられる位置によって
適当な性能のものを用いればよい。
析装置として、火力発電所と同様に、赤外分光光度装
置、紫外分光光度装置やガスクロマトグラフ装置等が挙
げられる。そして、これらの装置を組み合わせて用いれ
ば、さらに確実な不完全燃焼状態を判別することができ
る。そして、監視される特定物質に、塩化水素等の有害
物質を加えることにより、燃焼状態のみでなく、有害物
質の放出を監視することも可能である。
の排気を分析装置へ導入し、該分析装置により前記排気
中の特定物質の割合に基づいて不完全燃焼を検知するの
で、外気温や流量変化等の燃焼反応以外の要因に影響さ
れることなく、不完全燃焼を確実に検知することが可能
である。
燃焼炉やごみ焼却炉等であっても、燃焼部から分析装置
に排気を導入すればよく、設備として簡便に構成するこ
とができる。
分光光度装置、紫外分光光度装置、ガスクロマトグラフ
装置等のいずれか一つまたはそれらの組合せを用いるこ
とにより、特定物質としてのブタジエン、ベンゼン、イ
ンデン、トルエン、ナフタレン等の不完全燃焼時に生成
する物質のいずれか一つまたはそれらの組合せ、また
は、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の通常の燃焼時に
も生成する物質のいずれか一つまたはそれらの組合せを
確実に検知し、燃焼状態の変化を確実に検知することが
できる。
図。
図。
図。
す図。
構成図。
Claims (12)
- 【請求項1】 燃焼部からの排気を分析装置へ導入し、
該分析装置により前記排気中の特定物質の割合に基づい
て不完全燃焼を検知することを特徴とする燃焼状態監視
方法。 - 【請求項2】 燃焼部は、炭化水素系燃料の燃焼炉、ま
たは、ごみ焼却炉である請求項1の燃焼状態監視方法。 - 【請求項3】 分析装置は、質量分析法、赤外分光分析
法、紫外分光分析法、または、ガスクロマトグラフ法の
いずれか一つまたはそれらの組合せにより、特定物質の
割合を判別する請求項1の燃焼状態監視方法。 - 【請求項4】 特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、ト
ルエン、インデン、または、ナフタレンのいずれか一つ
またはそれらの組合せの割合である請求項1の燃焼状態
監視方法。 - 【請求項5】 特定物質は、酸素、一酸化炭素、また
は、二酸化炭素のいずれか一つまたはそれらの組合せの
割合である請求項1の燃焼状態監視方法。 - 【請求項6】 燃焼部からの排気を排出する排気管と、
該排気管中の排気を導入してその排気中の特定物質を検
出する分析装置と、該分析装置による前記特定物質の割
合に基づいて不完全燃焼を判別する警報部と、を有する
ことを特徴とする燃焼状態監視装置。 - 【請求項7】 排気管から排気を分岐して分析装置に導
入する分岐管を有する請求項6の燃焼状態監視装置。 - 【請求項8】 燃焼部は、炭化水素系燃料の燃焼炉、ま
たは、ごみ焼却炉である請求項6の燃焼状態監視装置。 - 【請求項9】 分析装置は、質量分析装置、赤外分光光
度装置、紫外分光光度装置、または、ガスクロマトグラ
フ装置のいずれか一つまたはそれらの組合せである請求
項6の燃焼状態監視装置。 - 【請求項10】 特定物質は、ブタジエン、ベンゼン、
トルエン、インデン、または、ナフタレンのいずれか一
つまたはそれらの組合せである請求項6の燃焼状態監視
装置。 - 【請求項11】 特定物質は、酸素、一酸化炭素、また
は、二酸化炭素のいずれか一つまたはそれらの組合せで
ある請求項6の燃焼状態監視装置。 - 【請求項12】 特定物質の割合は、二酸化炭素に対し
てベンゼンまたはブタジエンの比率が、ベンゼン/二酸
化炭素=10-6〜1またはブタジエン/二酸化炭素=1
0-6〜1である請求項6の燃焼状態監視装置。
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JP00923495A JP3578230B2 (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 燃焼状態監視方法およびその装置 |
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JPH08200658A true JPH08200658A (ja) | 1996-08-06 |
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- 1995-01-24 JP JP00923495A patent/JP3578230B2/ja not_active Expired - Fee Related
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