JPH09506705A - 混合ガスの高速連続分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプリング用プローブ(5)を含むサンプリング回路と、ガス分析装置(21)と、プローブによってサンプリングされた混合ガスサンプルを分析装置に送るポンプ(15)と、プローブの下流に設置された濾過手段(10)とを有し、ポンプ(15)は濾過手段の下流に設置され、ポンプの出口は連結導管(19)を介して分析装置に接続され且つ排出導管(16)を介して排気口に接続されている。分析装置(21)用の流量よりもはるかに高い流量で濾過手段(10)を介して混合ガスをサンプリングし、残りの流量は分析装置を通さずに排出する。塵を含むガス、特に電気製鋼炉の煙道ガスの分析に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】 混合ガスの高速連続分析方法および装置 本発明は混合ガス、特に塵や種々の不純物を含んだガス、例えば煙道ガス、特 に製鉄所、焼却炉、凝集物生産ライン等からの煙道ガスの連続分析法に関するも のである。 従来のガス分析は混合ガスを構成する一種または複数のガスの含有量を測定す る分析装置によって行われる。例えば、アーク炉を含む電気製鋼設備では一般に 、ガス分析装置を用いて炉に設けた収集装置中に吸入した煙道ガス中の燃焼後の 残留酸素濃度を測定して燃焼プロセスを制御する。 このガス分析装置は例えば“Servomex”社から“Serie 700B”の名称で市販の ジルコニア型の分析装置である。この分析装置は酸素測定用のジルコニアセルを 含むプローブヘッドを備え、プローブヘッドは被分析煙道ガスの管路に直接取付 けられる。ガスサンプルはサンプリング用パイプによってこの管路から採取され 、プローブヘッドに取付けられたフィルター（例えば多孔性ステンレスフィルタ ）を通ってジルコニアセルに入る。このサンプリングは例えばジルコニアセルの 下流に配置された吸引装置を用いて吸引して行なわれる。 他のガス分析装置、例えば赤外線分析装置、熱電導率型分析装置、常磁性分析 装置、質量分析型分析装置、湿度計型分析装置等も各種のガス成分の分析に利用 されている。 多くの場合、特にアーク炉等の冶金反応炉の燃焼で生じる煙道ガスの分析では 、分析を速くして燃焼調節パラメータを必要な場合に即座に調節できるようにす ることが最も重要である。 しかし、最も高性能な分析装置でも、サンプリングラインがあるためどうしても 応答時間が比較的長くなる。煙道ガスの排気管路から分析装置の入口までのサン プリングラインが「デッドボリューム」を規定する。このデッドボリュームはサ ンプリングされた煙道ガスに対して行う必要のある分析前の一連の浄化・調製処 理に相当する容積である。分析の応答時間はガス流がこのデッドボリュームを通 過するのに要する時間で決まることが多い。塵を含む煙道ガスの連続分析では、 分析の応答時間はプローブヘッドに取付けたフィルタの閉塞度に依存することが 分かっている。 アーク炉から排出される煙道ガスは粒径 100μｍ以下の塵を一般に30ｇ/Nm³含 む。この条件下では分析用フィルタが急速に詰まり、フィルタが閉塞するにつれ て分析の応答時間が長くなる。アーク炉の集塵機で行った試験結果では、炉を24 時間運転するとフィルタが閉塞し、交換が必要になることが明らかになった。フ ィルタ交換時には分析装置を長時間停止しなければならない。この交換操作は手 で行う必要があるので、運転中は通常840℃に保たれているプローブヘッドが冷 えるのを待ってフィルターを交換し、気密性をチェックし、分析装置に再び通電 し、プローブヘッドの温度が通常の運転温度になるまで待ち、さらに、分析装置 を再稼働させる前に再度キャリブレーションをしなければならない。分析装置の 停止に伴って分析は必然的に４時間中断され、調節に要する時間とフィルタのコ ストもかかる。その間、集塵機の調節系に分析結果は供給されないので炉の運転 および安全にとって好ましくない。 サンプリングラインの“デッドボリューム”が迅速に掃気するために分析流量 よりもサンプリング流量をはるかに多くして 応答時間を短くした分析装置が知られている。しかし、この装置、例えばドイツ 国特許公開第3339073号に記載の装置は除々にフィルタが閉塞するので、短時間 の分析にしか適用できないると思われる。欧州特許第208,438号に記載の別の装 置は連続分析が可能であるが、交互に動作する平行な２つのサンプリングライン を使用する必要がある。 本発明の目的は上記問題点を解決し、特に分析装置のフィルタの頻繁な閉塞を 防いで分析の長時間中断を無くし、分析装置の保守管理の間隔を最大限延長し、 その間最短の分析応答時間を連続的に保証することにある。 本発明は混合ガスから採取されたサンプルをガス分析装置を通過させることに よって混合ガスを迅速に連続分析する方法であって、サンプリング用プローブの 下流且つポンプの上流に設置された濾過手段を用いてサンプリングされた混合物 を精製し、濾過手段を通った混合物を分析装置入口における所望の流量よりも速 いサンプリング流量でサンプリングし、分析装置へ所望流量の混合ガスを送り、 残りの流量は分析装置を通過せずに排出されるようにした連続分析方法において 、分析装置に流入する流量を調節し、排出される流出流量を測定し、測定された 流出流量が所定の最小閾値に達した時点で清浄なガスを用いて濾過手段を逆洗し て濾過手段を清掃することを特徴とする方法を提供する。 以下の説明から理解できるように、本発明の基本概念は濾過されたサンプリン グ流の流量を分析流量よりも大幅に多くし、逆洗によってフィルタを自動的に掃 除することを組み合わせたものである。この自動掃除は、流出流量を分析流量を 一定値に調節するための手段として用い、この流出流量が「連続分析プ ロセス中にフィルターが次第に閉塞してサンプリング流量が分析速度に近づき過 ぎていること」を示した時点で行われる。 既に述べたように、分析の応答時間は煙道ガスを移送するための導管から採取 されたサンプルが分析装置の分析セルに到達するのにかかる時間によって決まる 。従って、サンプリングライン（デッドボリューム）が一定の場合には、応答時 間はサンプリングされた混合ガスの流量に依存する。回路の他の特徴が一定なら ば、この流量が速くなればなるほど、採取されたサンプルは迅速に分析装置に到 達するが、分析装置を通過する流量は当然分析装置の構造によって制限される。 本発明では、分析装置内を通過可能な流量よりも大きい流量が確保されるよう にポンプ上流の回路要素の寸法を決定し、さらにポンプの出口から余分なフロー を排出することによって、サンプリングされたガスの移動時間を短縮すると同時 に分析装置が必要とする比較的低い流量を分析装置へ送り込む。 さらに、サンプリングされた流れが上流側で濾過されるため分析装置のフィル タの閉塞がなくなり、あるいは閉塞速度が非常に遅くなるので、分析流量は常に 予め設定された最低閾値以上に維持され、サンプリング流で濾過手段が次第に閉 塞された時には過剰な流量（流出流量）のみが減少することになる。 厳密に言えば、流出流量は分析の有効性を損なうことなくゼロに近づくことが できるということは理解できよう。しかし、この場合には分析流量がサンプリン グ流量に等しくなるので、分析の応答時間が長くなり、分析を必要とする工業プ ロセスの適当な制御が不可能になる。 すなわち、応答時間は最初が最も短く（フィルタが汚れていない状態の時）、 分析流量を一定に保つために流出流量を低下 させることが必要になるにつれて長くなる。 本発明の有利な実施態様では、逆洗によるフィルターの清掃操作は、流出流量 が０に近づくかなり前に開始され、開始のための閾値は各工業で利用される許容 最大応答時間に応じて決定される。より具体的には、120トンのアーク炉では、 最大応答時間15秒が適用される。この場合デッドボリュームは約1.5ｌで、分析 装置は一定の名目流量200ｌ／時で運転されるので、800ｌ／時で吸引したライン （従って、流出流量は600ｌ／時に設定される）では応答時間は約７秒になる。 フィルタが閉塞するに従って応答時間は11秒まで増加する。この時点でサンプリ ング流量は600ｌ／時まで低下し、従って流出流量は400ｌ／時に調節される。応 答時間が10秒を越えることは分析のために望ましくないため、この400ｌ／時と いう値を逆洗による掃除の開始閾値として選択した。 本発明方法を用いたアーク炉から回収された煙道ガスを迅速に分析するための 特殊構成では、サンプリングライン（従ってデッドボリューム）はアーク炉が通 電されていない時またはその蓋（天井）が解放されている時にのみ濾過手段の掃 除と分析装置の再キャリブレーションとを行うことができるように設計される。 従って、アーク炉への給電停止時（または蓋の解放時）に計画的に濾過手段の掃 除が行われるので、鋼の溶融時に濾過手段の掃除をする必要はない。塵を含有す る煙道ガスは鋼の溶融時に最も大量に発生し、煙道ガスの回収を調節するために は燃焼後の煙道ガス中の残留酸素量を迅速且つ連続的に分析しなければならない 。従って、鋼の溶融の間中ずっと迅速且つ正確な分析が確実に行われ、危険を冒 さずに回収器の調節が停止可能な段階でのみ分析が中断される。 本発明はさらに混合ガスを迅速且つ連続的に分析するための装置を提供する。 この装置はガス分析装置と、サンプリング用プローブを含むサンプリングライン と、プローブによってサンプリングされた混合ガスサンプルを分析装置に送り込 むためのポンプと、プローブの下流に設置された濾過手段とを備え、ポンプが濾 過手段の下流に設置され、ポンプの出口は連結導管を介して分析装置に接続され 且つ排出導管を介して排気口に接続されている。本発明装置では、連結導管内の 混合ガスの流量をほぼ一定に保つためにポンプの下流に設置された流量調節装置 と、濾過手段に清浄なガスを逆向きに流すために濾過手段の下流に接続された清 浄なガスの注入手段と、排出導管中の流量を測定する手段と、排出導管内の流量 が所定最低閾値に達した時に清浄なガスの注入を制御するための制御手段とを含 むことを特徴としている。 濾過手段は、所定粒径よりも寸法の大きい粒子を捕捉するための一次フィルタ と、この一次フィルタの下流に配置された凝縮器とを備えるのが好ましい。煙道 ガスに含まれる塵の大部分は一次フィルタによってサンプルリングされた除去さ れ、濾過された煙道ガスは凝縮器によって冷却されてガス中に含まれる水蒸気が 凝縮され、水蒸気、酸性エーロゾルおよび一次フィルタを通過した微細な粒子が 捕捉される。 補足的な構成では、サンプルリングプローブを遮断するために濾過手段の上流 に配置された回路の分離手段と、回路に標準ガスを注入するための手段とを含む 。標準ガス、例えば含有率の明らかな分析用混合ガスを注入することによって分 析装置を定期的（例えば一次フィルタを掃除する度）に再キャリブレーションす ることができる。 さらに、標準ガス、好ましくは窒素等の不活性ガスを濾過手段から流し、さら に予め同じガスを用いて回路全体をパージしてから分析装置を稼働させることに よって、標準ガス以外の混合物の成分を分析装置によって検出して、ポンプより 上流のサンプリングラインの機密性、周囲の混合ガスが回路内に侵入する原因と なる気密上の欠点をチェックすることができる。 本発明の上記以外の特徴および利点は製鉄所のアーク炉から出る煙道ガスに含 まれる酸素量を迅速且つ連続的に分析するための本発明装置とその使用方法の下 記の説明からより明らかになろう。 図１はアーク炉の煙道ガス回収用管路に取付けた本発明装置の概念図である。 このアーク炉はタンク１と煙道ガスの出口３を有する取外し可能な蓋２とを有し 、この蓋２に接続された煙道ガスの回収兼移送用管路４は煙道ガスをフィルタ装 置（図示せず）へ導く。 分析装置は酸素分析装置21と、煙道ガスの流れ方向に順に接続された下記(1) 〜(4)を含むサンプリングラインとを有している： (1)フランジ６によって管路４に固定され且つ管路４に挿入された鋼のチューブ よりなるサンプリングプローブ５ (2)プローブ５を回路の残りの部分から分離する手段、例えば分離用弁７ (3)一次フィルタ11と一次フィルタの下流にある凝縮器12とを有するフィルタ手 段10 (4)使い捨てフィルターカートリッジ14とポンプ15とを収容した箱13（ポンプ15 の出口は排出用導管16（この導管には流量調節装置17と閾値型流量計18とが設置 されている）に接 続され且つ連結導管19（第２の流量計20を含む）に接続されている） ジルコニア固体電極を用いた酸素分析装置21は連結導管19に接続されている。 分離弁７および一次フィルタ11は、サンプリングラインの汚れを防止するため にプローブ５の出口の直ぐ近くに設置されている。 一次フィルタ11は公知タイプのものであり、多孔度が約20μｍのセラミック製 チューブで構成するのが好ましく、フィルタ内部での凝縮を防ぐために例えば約 60℃に加熱されたステンレス製フィルタ本体に収容されている。チューブの多孔 度は急速な閉塞を防ぐために意図的に大きくする。チューブ内側はプローブ５と 連結される。一次フィルター本体はソレノイド弁52を介して例えば７バールに加 圧された窒素の回路（継手22で表される）に接続され、ソレノイド弁52が解放さ れた時に、窒素がサンプリングされた煙道ガスの方向（矢印）と逆向きに一次フ ィルタ内に流入して一次フィルタ内部に堆積してこれを閉塞させている塵を一掃 するようになっている。 凝縮器12は、内部をクロムメッキされた銅製の螺旋管23を備え、この螺旋管は タンク24内に配置され、水の循環によって冷却されている。螺旋管内を通過する 煙道ガスは冷却され、煙道ガス中に含まれる水蒸気が凝縮してタンク24の底部に 入り、回収器25に回収される。運転時に所定時間が経つと、回収器25内の凝縮物 のレベルが上昇し、螺旋管の下部から出る煙道ガスが液体中でバブリングされる ようになる。これによって一次フィルタを通過した蒸気、酸性エーロゾルおよび 微細粒子が凝縮物中に捕捉される。凝縮器は一次フィルタ通過後に煙道ガス中に 残る微粒子の約90％が捕捉する。回収器25は排水用ソレノイド弁53を備え、凝縮 物はこの弁を介して定期的に排出される。 ポンプの上流に設置されたフィルターカートリッジ14は約１μｍの濾過能力を 有し、煙道ガスの集塵をさらに完璧に行う。このフィルターを通過する煙道ガス は既にほとんど塵を含んでいないので、フィルターの閉塞速度は非常に遅く、炉 を長期間停止させる時にごくたまに交換するだけでよい。 公称流量が例えば800ｌ／時であるポンプ15は、それを通過する煙道ガスの高 温に耐えるドライダイヤフラムコンプレッサタイプのものが好ましい。ポンプ15 の出口で、煙道ガスは流量調節装置17によって２つのガス流に分割される。この 流量調節装置17は連結導管19内および分析装置21内の流量を一定（例えば約200 ｌ／時）に保つ役目を有する。従って、排出用導管16を通る余分な流れの流量は サンプリングラインの閉塞度（これはポンプによって送られる流量に影響を与え る）によって変化する。この余分な流れは閾値型流量計18によって視覚化するこ とができる。従って、最初に600ｌ／時であった流量が、ポンプからの実際の流 量（つまりサンプリング流量）が低下して閾値以下（例えば約400ｌ／時）にな った時に、閾値型流量計18が電気信号を出し、この電気信号によって下記で説明 するようにサンプリング回路のパージと一次フィルタ11の掃除とが制御される。 水蒸気の凝縮を防ぐには、煙道ガスは露点温度以上でなければならない。この 温度を維持するために、電気抵抗26を用いて箱13を加熱し且つ箱13と分析装置21 との間の連結導管19を電気抵抗27で加熱し、ユニット全体を約60℃の温度に保つ 。 この装置はさらに制御箱28を含む。この制御箱28は空気式圧 力調節器29、30と、調節装置31と、流量計32、33と、ソレノイド弁57、58（分析 装置の制御およびキャリブレーションのために自動または手動で分析装置に空気 または標準ガスを供給するためのもの）とを１つにまとめたものである。 この制御箱28はさらに窒素源35に接続された弁34を有し、この弁34は配管36を 介して分離弁７と一次フィルタ11との間でサンプリングラインに接続されている 。この回路はサンプリングラインをパージした後にその気密性を確認するために サンプリングサインに窒素を供給するためのものである。実際には分離弁７を閉 鎖した後に装置を通常通りに運転させた時に、ポンプより上流側に気密性に欠陥 があれば空気が吸引され、これが分析装置21によって検出される。 制御箱28には油分離フィルタ37を介して圧縮空気が供給される。このフィルタ 37は導管38を介して圧力が1.2バールに設定された圧力調節器29に接続され、圧 力調節器29の出口は導管39を介してソレノイド弁57に接続されている。ソレノイ ド弁57は0.3％の酸素を含有する標準ガスの供給源40に接続された三方ソレノイ ド弁58に連結されている。ソレノイド弁58はさらに調節装置31に接続され、この 調節装置31の出口は流量計32を備えた導管41を介して連結導管19に設けられた第 ２の三方ソレノイド弁56に接続されている。 ソレノイド弁51はサンプリングライン上の一次フィルタ11と凝縮器12との間に 設置されている。７バールの窒素が供給されるソレノイド弁59は、このライン上 の凝縮器12の上流に設置されている。ソレノイド弁54はサンプリングライン上の 凝縮器12の下流に設置されており、第３の三方ソレノイド弁55はフィルタ14の前 に挿入されていて、このソレノイド弁の３番目の口は 解放されている。 本装置の動作は各ソレノイド弁とポンプの動作とを制御する制御装置によって 、手動で中断せずに長時間、例えば一週間連続的に確実に動作するように制御さ れる。そのためには、一次フィルタ11と、凝縮器12と、サンプリング回路の導管 とを頻繁に掃除することが不可欠であり、さらに測定精度を確認するために分析 装置に定期的に標準ガスを注入して起こり得る分析装置の誤記を検査する必要が ある。これらの操作はアーク炉への通電が停止されるか、アーク炉の蓋が解放さ れるたび、さらにはサンプリング回路の閉塞が進んでサンプリングされた煙道ガ スサンプルの流量が不十分になり、所望の短い応答時間おパージでは不十分にな る恐れがでてきた時（これは閾値型流量計１８によって警告される）に、パージ とチェックサイクルを開始させる制御装置によって行われる。 分析装置のパージおよびチェックのシーケンスを下記の表に示す。この表は核 段階での各種のソレノイド弁の解放位置Ｏまたは閉鎖位置Ｃと、ポンプ15が停止 しているか稼働中かを示したものである。この表では、ソレノイド弁55と56は煙 道ガスサンプルを通過させている時に解放Ｏと表示され、ソレノイド弁58は0.3 ％の酸素を含む標準ガスを通過させている時に解放状態であると表示される。 段階１は煙道ガスのサンプリングおよび分析を行うための装置の通常の動作に 相当する。 閾値型流量計18によって自動的に始動される段階２では、弁52を介して逆方向 に吹き込まれる窒素によって一次フィルタ11が掃除され、弁59を介して窒素が注 入され、回収器25の中身が廃棄されて凝縮器がパージされ、0.3％の酸素を含有 する標準ガスが弁58、調節装置31、弁56および連結導管19を通って分析装置21に 送り込まれ、分析装置21がキャリブレーションされる。 段階３では一次フィルタの清掃が続き、弁59を介して注入された窒素が凝縮器 を通り、導管が空気中に解放された弁55まで導管をパージする。同時に、分析装 置のキャリブレーションのために分析装置に清浄な空気が送り込まれ、この空気 は油分離フィルタ37、圧力調整器29、弁57および58を通って分析装置に達する。 第４段階では装置が再び通常の分析操作状態にされる。 第４段階では、制御装置が閾値型流量計の状態をテストすることによってパー ジの効率をチェックする。流量が不十分な場合にはパージサイクルを再開する。 流量が適性であれば、制御装置は測定の有効性を示す信号をオペレータに送る。 上記装置およびその使用方法によって、酸素分析の応答時間が10秒以下、従っ て非常に短くなり、手動による介入を必要とすることなく長期にわたってアーク 炉を使用状態に維持することができる。分析装置を自動制御にすることによって 測定される酸素含有率の分析精度を１％に維持することができる。 本発明は上記装置および方法に限定されるものではない。特にシステムの信頼 性を向上させてパージおよびフィルタ清掃中の分析中断を避けるために、平行に 設置された２つの一次フィルタと２つのサンプリングプローブを用い、一方のフ ィルタを清掃している間に他方のプローブ＋フィルタユニットを用いて煙道ガス を採取することもできる。分析装置はジルコニアセルを有するタイプ以外のもの であってもよく、酸素以外の気体の含有率を測定することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．混合ガスから採取されたサンプルをガス分析装置(21)を通過させることによ って混合ガスを迅速に連続分析する方法であって、サンプリング用プローブ(5) の下流且つポンプ(15)の上流に設置された濾過手段(10)を用いてサンプリングさ れた混合物を精製し、濾過手段を通った混合物を分析装置入口における所望の流 量よりも速いサンプリング流量でサンプリングし、分析装置へ所望流量の混合ガ スを送り、残りの流量は分析装置を通過せずに排出されるようにした連続分析方 法において、 分析装置(21)に流入する流量を調節し、排出される流出流量を測定し、測定さ れた流出流量が所定の最小閾値に達した時点で清浄なガスを用いて濾過手段を逆 洗して濾過手段(10)を清掃することを特徴とする方法。 ２．流出流量を調節することによって分析装置(21)の入口における流量を調節す る請求項１に記載の方法。 ３．濾過手段(10)の清掃および分析装置(21)の再キャリブレーションがオーブン が通電されていない時または蓋(2)が解放されている時にのみに行われる、アー ク炉(1)から回収される煙道ガスの迅速な分析に利用される請求項１または２に 記載の方法。 ４．ガス分析装置(21)と、サンプリング用プローブ(5)を含むサンプリングライ ンと、プローブによってサンプリングされた混合ガスサンプルを分析装置へ送り 込むポンプ(15)と、プロー ブの下流に設置された濾過手段(10)とを備え、ポンプ(15)が濾過手段(10)の下流 に設置され且つポンプの出口が連結導管(19)を介して分析装置に接続され且つ排 出導管(16)を介して排気口に接続されている、混合ガスを迅速且つ連続的に分析 するための装置であって、 連結導管(19)内の混合ガスの流量をほぼ一定に保つためにポンプ(15)の下流に 設置された流量調節装置(17)と、濾過手段(11)に清浄なガスを逆向きに流すため に濾過手段の下流に接続された清浄なガスの注入手段(22,25)と、排出導管(16) 中の流量を測定するための手段(18)と、排出導管(16)内の流量が所定最低閾値に 達した時に清浄なガスの注入を制御するための制御手段とを含むことを特徴とす る装置。 ５．流量調節装置(17)が排出導管(16)上に設置されている請求項４に記載の装置 。 ６．濾過手段(10)が所定の寸法よりも大きい粒子を捕捉するための一次フィルタ (11)とこの一次フィルタの下流に設置された凝縮器(12)とを含む請求項４または ５に記載の装置。 ７．濾過手段(10)よりも上流に設置されてプローブ(5)から回路を分離する回路 分離手段(7)と、回路に標準ガスを注入する手段(40,58,31)とを含む請求項４〜 ６のいずれか一項に記載の装置。