(57)【要約】【課題】ガス中のガス成分濃度計測装置を提供する。【解決手段】レーザ光７０を出射させるレーザ送光器１１と、レーザ光を受光しレーザ光７０の光強度を検出するレーザ受光器１２と、計測場に挿入されるレーザ光用プローブ手段５１とを具備し、レーザ光用プローブ手段５１が、レーザ光７０を入射する入射口と、９０度の角度の一対の反射鏡５３を有し、入射したレーザ光７０を回帰反射させる回帰反射部と、反射したレーザ光７１を出射する出射口とを備えたコーナ反射部５５と、コーナ反射部５５の入射口に連結され、レーザ送光器１１から出射されたレーザ光７０を送光する筒状の入射送光筒５６と、コーナ反射部５５の出射口に連結され、反射したレーザ光７１をレーザ受光器１２へ送光する筒状の受光送光筒と５７を備え、前記受光送光筒５７の一部が所定距離区切られ、計測場に晒される計測領域Ｌを有している。【選択図】図３
2014092380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象ガスが存在する計測場の外部からレーザ光を出射させるレーザ送光器と、
前記計測場を通過したレーザ光を受光し、ガス成分の光吸収によるレーザ光の光強度を検出するレーザ受光器と、
前記計測場に挿入されるレーザ光用プローブ手段とを具備し、
前記レーザ光用プローブ手段が、
前記レーザ光を入射する入射口と、９０度の角度に対向して設置された一対の反射鏡を有し、入射したレーザ光を回帰反射させる回帰反射部と、反射したレーザ光を出射する出射口とを備えたコーナ反射部と、
前記コーナ反射部の入射口に連結され、前記レーザ送光器から出射されたレーザ光を送光する筒状の入射送光筒と、
前記コーナ反射部の出射口に連結され、前記反射したレーザ光をレーザ受光器へ送光する筒状の受光送光筒と、を備えると共に、
前記受光送光筒の一部が所定距離区切られ、計測場に晒される計測領域を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記入射送光筒と、前記受光送光筒内に、計測場の外部からパージガスを導入するパージガス導入手段を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記レーザ送光器とレーザ受光器とを、計測場の壁面に取り付ける光学系取付フランジと、
前記コーナ反射部を取り付ける反射系取付フランジとを備え、
光学系取付フランジに、レーザ送光器とレーザ受光器とを、計測場の外側で固定し、前記光学系取付フランジと反射系取付フランジとを用いて、入射送光筒が取り付けられると共に、
両フランジを支える支持筒を少なくとも１本以上有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記支持筒内に、計測場の外部からパージガスを導入するパージガス導入手段を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記レーザ送光器とレーザ受光器とが、光ファイバを介して接続されていることを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス中のガス成分濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配合ガスに含まれる特定物質の濃度測定を行う装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。このレーザ式ガス分析計は、気体状のガス分子がそれぞれ固有の光吸収波長を有するという特性を利用し、特定物質が含まれるガスにレーザ光を照射し、その特定波長の吸光量から特定物質の濃度を測定するものである。
【０００３】
下記特許文献１には、アンモニアを含むガスが流通する配管ユニットからガスを吸引し、吸引したガスをレーザ式ガス分光計に導いてガス中に含まれるアンモニア濃度を測定する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、煙道の内部に挿入されて排ガスを採取するサンプリング管と、サンプリング管に対して加熱導管を介して接続されるフローセルユニットと、フローセルユニットに接続されるレーザ式ガス分析計とを備えるアンモニア濃度測定装置が開示されている。特許文献２に開示されているアンモニア濃度測定装置では、サンプリング管の内部に三酸化硫黄（ＳＯ３）を吸着するがアンモニアを通過させる吸着剤を装填し、排ガスから三酸化硫黄を除去したガスをレーザ式ガス分析計に導入させることで、アンモニアの測定精度を向上させている。
【０００５】
特許文献１、２に開示されているサンプリング方式の濃度測定装置では、以下のような問題点があった。
ガスを吸引して測定用の配管に導く際、測定の高速化が困難である。
ガスを測定用の配管に引き込んだ後に濃度測定を行うことから、配管を流通しているガスと測定管に引き込まれたガスの状態（例えば、温度等）が異なってしまい、測定精度が低下する。
流通ガスを局所的に採取して濃度測定を行うため、局所的なガス濃度測定はできても、濃度分布を取得することができない。また、サンプリング箇所を逐次変えて濃度測定を行えば、濃度分布を取得することは可能であるが、位置毎にガスの吸引、排出が必要となり、作業が煩雑であるとともに時間がかかる。
【０００６】
また、上記のように、ガスを測定用の配管に吸引するのではなく、ガスが流通する管そのものにレーザ式ガス分析計を配置する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３には、ガスが存在する内部空間に突出させた外筒と、外筒内にレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒とからなる二重管ノズルをレーザ光照射装置とレーザ光受光装置とにそれぞれ設け、この二重管ノズルの間の距離及び突出位置を調節することにより、二重管ノズル間に存在する特定物質の濃度を測定する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献４には、煙道内に挿入されるレーザ光を反射するプローブと、レーザ光の光路を切り替える光路切替器と、プローブ内に形成された長孔のガス通路でのレーザ光の光強度を計測し、ガス中の硫黄酸化物の濃度を求めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−８００８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３６８７７号公報
【特許文献３】特開２０１１−３８８７７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８５６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献４のガス濃度測定装置では、レーザ光を切り替える光学系である光切り替え装置が設けられているので、例えばボイラからの燃焼排ガス等における大型プラントでの実機適用においては、操業中における振動による光学系のレーザ光の光軸のズレが生じることがある。
また、ガス計測部では一つの長孔にガスを導入して計測しているが、反射鏡に導入する前のレーザ光も排ガス中に晒されるので、散乱が発生し、適切なビーム形状を維持できなくなり、ノイズ信号が増大するという、問題がある。
【００１０】
よって、ボイラプラントの排ガス中のガス組成を安定して計測ができる排ガス中のガス成分濃度計測装置の出現が切望されている。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑み、排ガス中のガス組成を安定して計測ができるガス中のガス成分濃度計測装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、計測対象ガスが存在する計測場の外部からレーザ光を出射させるレーザ送光器と、前記計測場を通過したレーザ光を受光し、ガス成分の光吸収によるレーザ光の光強度を検出するレーザ受光器と、前記計測場に挿入されるレーザ光用プローブ手段とを具備し、前記レーザ光用プローブ手段が、前記レーザ光を入射する入射口と、９０度の角度に対向して設置された一対の反射鏡を有し、入射したレーザ光を回帰反射させる回帰反射部と、反射したレーザ光を出射する出射口とを備えたコーナ反射部と、前記コーナ反射部の入射口に連結され、前記レーザ送光器から出射されたレーザ光を送光する筒状の入射送光筒と、前記コーナ反射部の出射口に連結され、前記反射したレーザ光をレーザ受光器へ送光する筒状の受光送光筒と、を備えると共に、前記受光送光筒の一部が所定距離区切られ、計測場に晒される計測領域を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置にある。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記入射送光筒と、前記受光送光筒内に、計測場の外部からパージガスを導入するパージガス導入手段を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置にある。
【００１４】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記レーザ送光器とレーザ受光器とを、計測場の壁面に取り付ける光学系取付フランジと、前記コーナ反射部を取り付ける反射系取付フランジとを備え、光学系取付フランジに、レーザ送光器とレーザ受光器とを、計測場の外側で固定し、前記光学系取付フランジと反射系取付フランジとを用いて、入射送光筒が取り付けれられると共に、両フランジを支える支持筒を少なくとも１本以上有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置にある。
【００１５】
第４の発明は、第３の発明において、前記支持筒内に、計測場の外部からパージガスを導入するパージガス導入手段を有することを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置にある。
【００１６】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記レーザ送光器とレーザ受光器とが、光ファイバを介して接続されていることを特徴とするガス中のガス成分濃度計測装置にある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、レーザ光用プローブ手段の受光送光筒の一部を所定距離だけ開口させ、計測場の計測領域に晒すことで、この計測領域に存在する計測対象ガス中のガス成分を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施例１に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例１に係る脱硝装置のアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。
【図３】図３は、実施例１に係るガス成分濃度計測装置の概略斜視図である。
【図４】図４は、コーナ反射部の概略図である。
【図５】図５は、反射鏡の取り付け図である。
【図６】図６は、実施例２に係るガス成分濃度計測装置の全体構成を示す概略図である。
【図７】図７は、図６のガス成分濃度計測装置の平面図である。
【図８】図８は、実施例３に係るガス成分濃度計測装置の全体構成を示す概略図である。
【図９】図９は、入射送光筒と送光器との接続構成の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、受光送光筒と受光器との接続構成の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、吸収分光計測の概念図である。
【図１２】図１２は、吸収分光計測の吸収チャート図である。
【図１３】図１３は、排ガス中の煤塵濃度とレーザ光透過率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。図２は、実施例１に係る脱硝装置のアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。図３は、実施例１に係るガス成分濃度計測装置の概略斜視図である。図４は、コーナ反射部の概略図である。図５は、反射鏡の取り付け図である。
本実施例では、ガス成分濃度計測装置を用いて、排ガス中のＮＯｘ濃度を計測する場合について説明する。
図１に示すように、実施例１に係るボイラ装置１００は、ボイラ１０１からの燃焼排ガス（以下「排ガス」という）１０２中に還元剤（例えばアンモニア：ＮＨ3）を供給する還元剤供給手段であるアンモニア注入装置１０４と、還元剤が含まれた排ガス１０２中のＮＯｘを脱硝する脱硝触媒１０６を備えた脱硝装置１０５と、前記脱硝装置１０５の入口側と出口側とに各々設けられ、前記脱硝装置１０５のガス流れに直交する区画された面領域における排ガス１０２中のＮＯｘ濃度分布を計測するレーザ計測手段によりガス成分濃度を測定するガス成分濃度計測装置５０と、前記ガス成分濃度計測装置５０の計測結果より、ＮＯｘ濃度を求め、求めたＮＯｘ濃度より、ＮＯｘ濃度が所定値以上の場合、アンモニア注入装置１０４からのアンモニア供給量を調節する制御手段である開度設定部１０９とを具備するものである。
図１中、符号１０７は空気予熱器、１０８は煙突を図示する。
【００２１】
脱硝装置１０５は、煙道１０３の直管部に設置されてアンモニアを注入するアンモニア注入装置１０４と、注入したアンモニアを排ガスと混合させる混合器（不図示）と、窒素酸化物とアンモニアとを反応させた後に水と窒素とに分解する脱硝触媒１０６と、アンモニア注入量等の制御を行う開度設定部１０９と、ガス流路に仮想的に設けられた濃度測定領域における脱硝装置１０５の入口側と出口側とのＮＯｘ濃度を測定するガス成分濃度計測装置５０を備えている。
【００２２】
アンモニア注入装置１０４は、例えば図２に示すように、アンモニア供給源に接続された流路配管のアンモニア主系統２２に総流量制御弁２３を備えている。このアンモニア主系統２２は、総流量制御弁２３の下流において、ヘッダ２４から分岐させた複数本（図示の例では６本）のアンモニア供給系統２６を備えている。
【００２３】
アンモニア供給系統２６は、各々が流量制御元弁２５及び複数個（図示の例では３個）の注入ノズル２７を備えており、排ガスを流す流路である煙道１０３の内部に注入ノズル２７が格子状の配置となるように設置されている。注入ノズル２７は、流路配管のアンモニア主系統２２、ヘッダ２４及びアンモニア供給系統２６を通ってアンモニア供給源から供給されたアンモニアを煙道１０３の内部に液滴又はガスの状態で流出させ、排ガス中に還元剤としてのアンモニアを注入するものである。なお、液滴の状態で注入されたアンモニアは、高温の排ガスから吸熱してガス化する。
【００２４】
こうして煙道１０３の内部に注入されたアンモニアのガスは、混合器を通過することにより排ガスと撹拌混合される。この結果、アンモニアは窒素酸化物と反応して脱硝触媒１０６を通過するので、水と窒素とに分解されることで窒素酸化物が排ガス中から除去される。
【００２５】
開度設定部１０９には、ガス成分濃度計測装置５０で測定した窒素酸化物(ＮＯｘ)濃度の測定値が制御装置２０を介して入力される。このようなＮＯｘ濃度の入力を受けた開度設定部１０９は、ＮＯｘ濃度に基づいて総流量制御弁２３の開度の設定（開度制御）を行う。
【００２６】
この場合、開度設定部１０９による流量制御元弁２５の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁２５毎の開度との相関関係を定めた制御マップに基づいて行われる。すなわち、脱硝装置１０５は、ボイラ１０１毎に諸条件（煙道１０３の流路系統や流路断面積、燃料の種類等）が異なるため、事前に相関関係のデータを実験等により入手して制作した制御マップを開度設定部１０９に記憶しておく。
【００２７】
ガス成分濃度計測装置５０は、上述したように、脱硝触媒１０６の入口側と出口側のＮＯｘ濃度の差により、脱硝が確実になされたかをその濃度計測により制御装置２０で判断できる。
そして、ＮＯｘ濃度が基準値以上であると判断したら、脱硝不良として、制御装置２０から開度設定部１０９に信号を送り、開度設定部１０９からアンモニア注入装置１０４に開度信号をおくって、アンモニアの供給量を調整する。
【００２８】
このような脱硝装置１０５によれば、ガス成分濃度計測装置５０によって、煙道１０３における脱硝触媒１０６の入口側と出口側におけるＮＯｘ濃度分布が検出され、この検出結果が、制御装置２０を介して開度設定部１０９に出力される。
【００２９】
このとき、流量制御元弁２５の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁２５毎の開度とのマップに基づいて行われるので、窒素酸化物濃度により総供給量が規定されたアンモニアは、流量制御元弁２５の開度に応じてアンモニア供給系統２６に対するアンモニア分配量が調整される。
【００３０】
本実施例では、排ガス中のＮＯｘ濃度を計測する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば排ガス中のアンモニア濃度を計測するようにしてもよい。
【００３１】
次に、本実施例で用いるガス成分濃度計測装置５０について詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、ガス成分濃度計測装置５０は、計測対象ガスである例えば排ガス１０２が存在する計測場の外部からレーザ光７０を出射させるレーザ送光器（以下「送光器」という）１１と、前記計測場を通過したレーザ光を受光し、レーザ光７０の光強度を検出するレーザ受光器（以下「受光器」という）１２と、前記計測場に挿入されるレーザ光用プローブ手段５１とを具備し、前記レーザ光用プローブ手段５１が、前記レーザ光７０を入射する入射口５２と、９０度の角度に対向して設置された一対の反射鏡５３、５３を有し、入射したレーザ光７０を回帰反射させる回帰反射部と、反射したレーザ光７１を出射する出射口５４とを備えたコーナ反射部５５と、前記コーナ反射部５５の入射口５２に連結され、前記レーザ送光器１１から出射されたレーザ光７０を送光する筒状の入射送光筒５６と、前記コーナ反射部５５の出射口５４に連結され、前記反射したレーザ光７１をレーザ受光器１２へ送光する筒状の受光送光筒５７とを備えている。
そして、前記受光送光筒５７の一部が所定距離区切られ、計測場の排ガス１０２に晒される計測領域Ｌを有している。
すなわち、受光送光筒５７においては、開口端部５７ａ、５７ｂが所定距離だけ切り取られ、排ガス１０２が存在する計測場に晒される計測領域Ｌが形成されている。
【００３２】
また、本実施例では、前記入射送光筒５６と、前記受光送光筒５７内に、計測場の外部からパージガス６０を導入するパージガス導入手段（図示せず）を設けており、入射送光筒５６と、前記受光送光筒５７内に計測場の排ガス１０２が内部に侵入することを防止している。パージガス６０としては、シールエア、不活性ガス等を例示することができる。
【００３３】
このように、入射送光筒５６と受光送光筒５７内にパージガス６０を入れるのは、例えば石炭焚ボイラ等のように排ガス１０２中に煤塵が多いような場合、レーザ光７０がその煤塵の影響により散乱され、そのビーム径、散乱光ノイズ等の拡大等が生じることを防止するためである。
すなわち、計測領域Ｌに到達する前に、煤塵の影響でレーザ光７０が散乱されるとそのような状態で、レーザ光が反射され、さらに拡散が助長され、計測不能となるからである。
【００３４】
よって、図３に示すように、パージガス６０は、入射送光筒５６、入射口５２、コーナ反射部５５及び出射口５４と通過させることで、送光するレーザ光７０は、送光器１１から出射されたままの状態で、反射鏡５３、５３で反射させて、所定距離だけ開口された計測場の計測領域Ｌに送るようにしている。
【００３５】
また、本実施例では、図３及び図４に示すように、入射送光筒５６内に供給されたパージガス６０は、コーナ反射部５５の内部も通過するので、レーザ光７０を反射する反射鏡５３、５３も常にパージガス６０で反射鏡の汚れを防止している。
【００３６】
ここで、入射送光筒５６と、受光送光筒５７とは支持具６５を介して支持するようにしている。
【００３７】
また、レーザ光用プローブ手段５１は、計測場が３００℃以上の高温の環境に晒されるので、その材質を、高温耐久性の低膨張合金材質（例えば「スーパーインバー（商品名）」、三菱マテリアル社製）を用いるようにしている。
【００３８】
コーナ反射部５５は、図４に示すように、一対の反射鏡５３、５３の角度が９０度となるような回帰反射部としている。このように９０度の角度で反射鏡５３、５３を設定すると、レーザ光は回帰反射となり、入射したレーザ光７０に対して、平行な反射レーザ光７１が反射して受光器１２側に戻ってくることとなる。よって、入射のレーザ光７０を合わせることで、戻り光の反射レーザ光７１は必ず平行となる。この回帰反射部により、送光レーザ光と反射レーザ光の光軸のズレの問題が生じることがなくなる。
【００３９】
また、反射鏡５３のコーナ反射部５５への取り付けは、図４及び図５に示すように、反射鏡５３を開口５５ａに合わせ、締結手段であるボルト６１、ナット６２で取り付けるようにしている。また、熱伸びに対しての緩みを防止するために、締結手段にバネ６３を介装して締結するようにしている。
【００４０】
ここで、反射鏡５３は、アンモニア測定を目的とする場合、サファイヤ基盤でＳｉＯ2、ＴｉＯ2の多層膜としている。
サファイヤ基盤を用いるのは、サファイヤとＳｉＯ2、ＴｉＯ2の線膨張係数が同等であるため、熱伸びの影響を受けにくく、多層膜の剥がれ等も防止することができるからである。
【００４１】
なお、計測対象のガス成分により、反射膜のコーティングを異なるものとすることができる。
例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を計測する場合には、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ＳｉＯ2多層膜を用いることができる。
例えば酸化硫黄（ＳＯ2）、メタン（ＣＨ4）を計測する場合には、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜等の金属膜を用いることができる。
【００４２】
例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を計測する場合には、量子カスケードレーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示することができる。波長：５〜６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いることができる。
【００４３】
また、例えばアンモニア（ＮＨ3）を計測する場合には、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長：１．５μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いることができる。
【００４４】
例えばアンモニア以外のガス成分として、ＳＯ2（酸化硫黄）を計測する場合には、量子カスケードレーザ（波長：７．０〜７．５μｍを例示することができる）を用いることができる。
また、ガス成分として、メタン（ＣＨ4）を計測する場合には、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長：１．６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いることができる。
【００４５】
このように、本発明では、赤外領域で計測しているが、本発明はこれに限定されず、可視・紫外領域での分光計測にも適用できる。
この場合、可視・紫外分光にて計測する場合、それに応じた可視・紫外を効率的に反射できる例えばフッ化カルシウム（ＣａＦ2）結晶膜、アルミニウム（Ａｌ）膜、金（Ａｕ）等の金属を用いることができる。
【００４６】
本実施例では、図１に示すように、レーザ手段を制御するための制御装置２０が設置されている。この制御装置２０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えている。これら各部は、バスを介して接続されている。更に、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などと接続されていてもよい。
【００４７】
上記ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭに限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。なお、本実施形態では、制御装置２０を一つのコンピュータによって実現する構成としているが、複数のコンピュータによって実現してもよい。
【００４８】
図１１は、吸収分光計測の概念図である。
図１２は、吸収分光計測の吸収チャート図である。
そして、排ガス１０２中のガス成分を計測する場合には、所定濃度の煤塵が含まれる送光点と受光点との間のレーザ経路である計測領域Ｌを通過した後の受光強度（Ｉ0’）を基準とし、この基準から特定のガス組成の吸収による光強度（Ｉ）を求める。
そして、（Ｉ）／（Ｉ0’）によりガス成分（例えばＮＯｘ）濃度（ＴNＯｘ）を求める。なお、受光強度（Ｉ0）は、大気中で煤塵がない環境で測定した光透過率の初期データである。
【００４９】
ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）の濃度を求める場合の光透過率は、下記数１に示すランベルト・ベールの式を用いて算出することができる。
【００５０】
【数１】
2014092380.tif 000003
ここで、Iは、ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）の吸収による光強度である。
I0’は、煤塵有りガス中の透過後の光強度である。
αは、煤塵による散乱係数（ｇ／ｍ2）である。
ｃは、煤塵濃度（ｇ／ｍ3）である。
Ｌは、光路長である。
ｔは、温度補正値である。
【００５１】
そして、このようなレーザ光用プローブ手段５１を有するレーザユニットを、例えば排ガス１０２を脱硝する脱硝装置１０５の煙道１０３の片側の壁１０３ｂに取付フランジ７９を介して装着することで、煙道１０３内部の所定箇所において、排ガス１０２中のガス成分のＮＯｘ濃度を計測することができる。
【００５２】
本実施例に係るガス成分濃度計測装置５０によれば、コーナ反射部５５に一対の反射鏡５３，５３を設け、このコーナ反射部５５に送光器１１からのレーザ光を導入する入射送光筒５６を設けると共に、反射したレーザ光を受光器１２側へ導入する受光送光筒５７を設けている。
そして、受光送光筒５７の一部を所定距離５７ａ、５７ｂだけ開口させ、計測場の計測領域Ｌに晒すことで、この計測領域Ｌに存在する排ガス１０２中のガス成分を計測するようにしている。
【００５３】
この際、入射送光筒５６にパージガス６０を導入して、コーナ反射部５５の反射鏡を反射するまでの間、排ガスが導入することを防止しているので、レーザ光７０がその煤塵に影響されることがなく、散乱が防止され、ビーム径、散乱光ノイズ等の拡大等が生じることを防止している。
この結果、煤塵の影響で散乱された状態で、レーザ光が反射されることを防止されるので、計測精度の低下を防止している。
よって、本実施例によれば、パージガス６０が、入射送光筒５６、入射口５２、コーナ反射部５５及び出射口５４と通過させているので、送光するレーザ光７０は、送光器１１から出射されたままの状態で、反射鏡５３、５３で反射させて、反射レーザ光７１は、所定距離５７ａ、５７ｂだけ開口された計測領域Ｌではじめて煤塵に接触することとなり、散乱が防止される。
【００５４】
なお、ボイラ１０１からの排ガス１０２には、煤塵が含まれているので、計測領域Ｌであるレーザ光の光路長さを長くすると、煤塵の影響により光透過率が減衰することとなる。
図１３は、排ガス中の煤塵濃度とレーザ光透過率との関係を示す図である。
図１３では、波長が１．５μｍの場合、煤塵濃度が６ｇ／Ｎｍ3程度の石炭灰中に２ｍの光路長で計測が可能であることを確認している。
よって、煤塵濃度がそれ以上の場合には、１．５ｍ、より好適には１ｍ前後の光路長で計測することが良好である。
【００５５】
本発明のように、煙道１０３の一方側から、ガス成分濃度計測装置のプローブ手段５１を内部に挿入するだけで、排ガス中のガス成分（例えばアンモニア、窒素酸化物）を計測できるので、装置構成が簡易となる。すなわち、脱硝装置の煙道の片側の壁１０３ａのスペース等が無いような場合でも、片側の壁１０３ｂからのみプローブ手段５１を有するユニットの挿入固定となるので、計測装置の設置が容易となる。
【実施例２】
【００５６】
図６は、実施例２に係るガス成分濃度計測装置の全体構成を示す概略図である。図７は、図６のガス成分濃度計測装置の平面図である。
実施例１のガス成分濃度計測装置の構成と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図６及び図７に示すように、ガス成分濃度計測装置５０は、前記レーザ送光器１１とレーザ受光器１２とを、計測場の壁面に取り付ける光学系取付フランジ８０と、前記コーナ反射部５５を取り付ける反射系取付フランジ８１とを備え、光学系取付フランジ８０に、レーザ送光器１１とレーザ受光器１２とを固定している。
【００５７】
そして、前記光学系取付フランジ８０と反射系取付フランジ８１とを用いて、入射送光筒５６が取り付けられると共に、両フランジ８０、８１を支える第１及び第２の支持筒８２、８３を２箇所設けている。
なお、図６のガス成分濃度計測装置の全体構成を示す概略図では、第２の支持筒８３は図示を省略している。また、図７の図６の平面図では、受光送光筒５７、受光器１２の図示は省略している。
【００５８】
また、前記光学系取付フランジ８０と反射系取付フランジ８１との間に、第１及び第２の支持具８４、８５を設け、トライアングル支持としている。そして、入射送光筒５６、受光送光筒５７、第１及び第２の支持筒８２，８３の４本の固定を確実としている。
【００５９】
実施例１では、入射送光筒５６が支持筒を兼用していたが、本実施例では入射送光筒５６と受光送光筒５７とを支持する支持筒８２、８３を別途設けているので、高温環境においても、これらの支持を確実に行うことができる。
【００６０】
図９は、入射送光筒と送光器との接続構成の一例を示す図である。
本実施例では、図９に示すように送光器１１と入射送光筒５６とをレーザビーム窓１５を介して接続している。このレーザビーム窓１５は、図９に示すように、中空部材であり、フランジ１６により外壁１０３ｂ面にそれぞれ固定されている。レーザビーム窓１５の内部には、内部と外部との間のガスの出入りを遮断するシール用光学ガラス１７が設けられる。シール用光学ガラス１７の受光面は、レーザ光の反射を防止するため、レーザ光に対して垂直ではなく斜めに形成されてもよい。
【００６１】
レーザビーム窓１５のシール用光学ガラス１７の両面側には、それぞれ給気口１８が設けられる。給気口１８からパージガス６０が吹き出すことによって、シール用光学ガラス１７への物質の付着を防止できる。なお、パージガス６０は、シール用光学ガラス１７に対して両面側ではなく、濃度測定領域側のみに吹き出されるとしてもよい。
【００６２】
入射送光筒５６を内壁面に設置する場合は、図９に示すように、例えばフランジ１６の端部に入射送光筒５６の端部が接続される。入射送光筒５６の径は、レーザビーム窓１５の径よりも大きく、レーザビーム窓１５に供給されたパージガス６０は、入射送光筒５６の内部に供給される。
【００６３】
図１０は、受光送光筒と受光器との接続構成の一例を示す図である。
本実施例では、図１０に示すように受光器１２と受光送光筒５７とをレーザビーム窓１５を介して接続している。このレーザビーム窓１５は、図１０に示すように、中空部材であり、フランジ１６により外壁１０３ｂ面にそれぞれ固定されている。レーザビーム窓１５の内部には、内部と外部との間のガスの出入りを遮断するシール用光学ガラス１７が設けられる。シール用光学ガラス１７の受光面は、レーザ光の反射を防止するため、レーザ光に対して垂直ではなく斜めに形成されてもよい。
【００６４】
レーザビーム窓１５のシール用光学ガラス１７の両面側には、それぞれ給気口１８が設けられる。給気口１８からパージガス６０が吹き出すことによって、シール用光学ガラス１７への物質の付着を防止できる。なお、パージガス６０は、シール用光学ガラス１７に対して両面側ではなく、濃度測定領域側のみに吹き出されるとしてもよい。
【００６５】
受光送光筒５７を内壁面に設置する場合は、図１０に示すように、例えばフランジ１６の端部に受光送光筒５７の端部が接続される。受光送光筒５７の径は、レーザビーム窓１５の径よりも大きく、レーザビーム窓１５に供給されたパージガス６０は、受光送光筒５７の内部に供給される。
【００６６】
そして、このようなレーザ光用プローブ手段５１を有するレーザユニットを、例えば排ガス１０２を脱硝する脱硝装置１０５の煙道の片側の壁１０３ｂに光学系取付フランジ８０を介して装着することで、煙道内部の所定箇所において、排ガス１０２中のガス成分のＮＯｘ濃度を計測することができる。
また、脱硝装置の煙道の片側の壁１０３ａのスペース等が無いような場合でも、片側の壁１０３ｂからのプローブ手段を有するユニットの挿入固定となるので、計測装置の設置が容易となる。
【００６７】
また窓部と送光器及び受光器を交換するだけで、様々な成分に適用することができる。また、赤外分光だけではなく、可視・紫外分光にも適用でき、計測対象の拡大を図ることができる。
【００６８】
また、コーナ反射部５５を用いて回帰反射させているので、送光筒及び受光筒の長さを適宜変更するだけで、計測位置の変更が可能となり、煩雑な光軸調整が不要となる。
【００６９】
本実施例では、従来のような計測場の外部で反射ミラー等の光学系によりレーザ光を導入していないので、装置構成がコンパクトにすることができる。また、例えばボイラ排ガス等における大型プラントでの実機適用においては、操業中における振動による光学系のレーザ光の光軸のズレが生じることが解消される。
【００７０】
また、本実施例では、第１及び第２の支持筒８２、８３内に、計測場の外部からパージガス６０を導入するパージガス導入手段を設けるようにすることで、排ガスの計測等における高温環境における熱伸びを抑制することができる。
【００７１】
本実施例では、送光器と受光器とのレーザの固定を直接行っており、レーザ光用プローブ５１のコーナ反射部５５で回帰反射させているので、レーザ光の直線性の維持を図ることができる。
また、パージガスをコーナ反射部５５の内部まで導入し、計測領域Ｌまでレーザ光の散乱を防止しているので、レーザ光の散乱がなく、高い計測精度を提供することができる。
【実施例３】
【００７２】
図８は、実施例３に係るガス成分濃度計測装置の全体構成を示す概略図である。
実施例１及び２のガス成分濃度計測装置の構成と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
本実施例に係るガス中のガス成分濃度計測装置５０は、実施例２のガス中のガス成分濃度計測装置において、レーザ送光器１１とレーザ受光器１２とが、光学系取付フランジ８０に光ファイバ１９、１９を介して接続されている。
この接続には、レーザビーム窓１５に設けた光ファイバポート（図示せず）を介して行うようにしている。
【００７３】
実施例２のような装置では、レーザ光の送光器１１と受光器１２とを送光筒５６、５７に取り付ける場合、取り付けフランジ１１ａ、１２ａを介して取り付けているので、そのフランジの幅だけ、入射送光筒５６と受光送光筒５７との距離が広がっている。その結果、反射鏡５３、５３の距離Ｄ1が広がっていた。
【００７４】
これに対し、レーザ光７０の入射及び反射レーザ光７１の出射を光ファイバ１９により行うようにすることで、レーザビーム窓１５の幅と狭くすることとなり、入射送光筒５６と受光送光筒５７との距離が縮まることとなる。この結果、反射鏡５３、５３の設置距離Ｄ2が実施例２の設置距離Ｄ1よりも小さくすることができる。
よって、コーナ反射部５５の反射鏡５３、５３の設置距離Ｄ2を短くできるので、コーナ反射部５５内での光路を短くすることとなり、光軸精度の維持を図ると共に、コーナ反射部５５の軽量化を図ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１  送光器
１２  受光器
１５  レーザビーム窓
２０  制御装置
５０  ガス成分濃度計測装置
５１  レーザ光用プローブ手段
５３  反射鏡
５５  コーナ反射部
５６  入射送光筒
５７  受光送光筒
６０  パージガス
７０  レーザ光
７１  反射レーザ光
１０１  ボイラ
１０２  燃焼排ガス（排ガス）
１０３  煙道
１０４  アンモニア注入装置
１０５  脱硝装置
１０６  脱硝触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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