(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる試料ガスの所定の測定領域に測定光を投光し及び／又は前記測定領域からの測定光を受光するための光路を含む管状部材と、
前記管状部材の外周に固定され、配管側壁に装着される環状フランジと、
前記測定領域内の試料ガスに対して前記測定光を投光し及び／又は前記測定領域からの測定光を受光する光学系部材と、
前記環状フランジ内に設置され、前記管状部材と前記環状フランジとの固定部分を加熱するヒータと、
を備えたガス分析装置。
【請求項２】
前記ヒータ及び前記環状フランジを外気から遮断するように覆う断熱部材をさらに備えている、請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記管状部材において前記環状フランジと前記光学系部材との間に配置され、両側を断熱して接続する断熱接続構造をさらに備えている、請求項１又は２に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析装置に関し、特に、配管内を流れる試料ガス中に測定光を投受光して所定成分の濃度を分析するガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭や重油を燃焼させるボイラやゴミ焼却炉から排出される燃焼排ガスの中には、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＨＣｌ、ＮＨ３などの成分が含まれている。
ガス中に含まれる各成分の含有量を分析するためのガス分析装置として、たとえば、配管中のガス流路に交差するようにプローブを配置し、光源からガスに向けて出射された測定光をプローブの先端部に配置されたリフレクタで反射させ、反射された測定光の情報に基づいて試料ガスの成分濃度を分析するものがある（例えば、特許文献１を参照）。【０００３】
ガス分析装置のプローブは、内部を測定光が通過する中空のパイプ形状である。プローブは、煙道内のガス流路と交差するように配置される。プローブには環状のフランジが固定されており、フランジが配管側壁に取り付けられる。
プローブの基端部には、プローブ内に測定光を出射する発光部と、反射光を受光する受光部とが設けられている。プローブの先端部には、発光部からの測定光を受光部側に反射するリフレクタが設けられている。【０００４】
上記のガス分析装置では、プローブ内に煙道中のガスが拡散により導入され、発光部から出射されリフレクタによって反射された測定光を受光部で受光し、この測定光の特性からガス中の各成分を分析することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５７８１３０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者はこのような従来のガス分析装置を検討して、下記の問題に新たに着目した。ガス分析装置では、プローブは高温（例えば、１００℃〜４００℃）の煙道排ガスによって加熱されているが、プローブの根元側部分及びフランジの固定部分は、温度が十分に上がらない（例えば、１００℃未満である）。また、ガスに含まれる成分（特に酸成分の影響が大きい）が露点上昇を引き起こすこともあり、上記の部分において結露が生じてしまい、そのため腐食が発生する。プローブの根元が腐食すると、プローブの芯直度が悪化し、そのため光軸がずれる問題が生じ得る。したがって、上記の腐食の問題に対処することは、ガス分析計において分析の精度確保のためには重要である。【０００７】
本発明の課題は、配管内を流れるガス濃度を光学測定系により測定するガス分析装置において、配管側壁に取り付けられるプローブの根元及びフランジの腐食を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。【０００９】
本発明の一見地に係るガス分析装置は、管状部材と、環状フランジと、光学系部材と、ヒータとを備えている。管状部材は、配管内を流れる試料ガスの所定の測定領域に測定光を投光し及び／又は測定領域からの測定光を受光するための光路を含む。環状フランジは、管状部材の外周に固定され、配管側壁に装着される。光学系部材は、測定領域内の試料ガスに対して測定光を投光し及び／又は測定領域からの測定光を受光する。ヒータは、環状フランジ内に設置され、管状部材と環状フランジとの固定部分を加熱する。【００１０】
このガス分析装置では、ヒータによって、管状部材と環状フランジとの固定部分が加熱される。特に、ヒータは環状フランジ内に設置されているので、フランジ自体の熱伝導率に関わらず管状部材と環状フランジとの固定部分における加熱効果は高い。その結果、容易に所望の温度まで上げることができ、それにより管状部材と環状フランジとの固定部分で結露が生じにくく、その結果、腐食も生じにくい。【００１１】
ガス分析装置は、ヒータ及び環状フランジを外気から遮断するように覆う断熱部材をさらに備えていてもよい。
この場合、プローブ及び環状フランジから熱が逃げにくい。したがって、ヒータによる加熱効率が向上する。【００１２】
ガス分析装置は、管状部材において環状フランジと光学系部材との間に配置され、両側を断熱して接続する断熱接続構造をさらに備えていてもよい。
この場合、プローブ及び環状フランジから光学系部材側に熱が伝達されにくい。したがって、光学系部材が高温に晒されない。
本発明の一見地によれば、ヒータは環状フランジの外周面に形成された孔に配置されている。これにより、ヒータの装着が容易になる。
本発明の一見地によれば、ヒータは孔に脱着可能である。これにより、ヒータの交換作業が容易になる。
本発明の一見地によれば、ヒータは環状フランジに対して周方向に離れて複数配置されている。これにより、ヒータが環状フランジを全体的に加熱できる。
本発明の一見地によれば、プローブ管とフランジは溶接により固定されており、ヒータは溶接部を直接的に加熱している。これにより、溶接部が溶接時における組成比の変化によって耐腐食性を低下したとしても、溶接部を直接的に加熱することで腐食を生じにくくしている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るガス分析装置では、配管内を流れるガス濃度を光学測定系により測定するガス分析装置において、フランジを介して配管側壁に取り付けられるプローブに腐食が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態のガス分析装置の概略断面図。
【図２】図１の部分拡大図。
【図３】フランジ部の平面図。
【図４】第２実施形態のガス分析装置の概略断面図。
【図５】図４の部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．第１実施形態
（１）全体構成
図１は、第１実施形態のガス分析装置の概略断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。
ガス分析装置１は、煙道５０を流れる試料ガスＳが拡散により導入され、それを分析するための装置である。煙道５０は、配管２０によって構成されている。
ガス分析装置１は、主に、プローブ管１１（管状部材の一例）と、分析ユニット１２と、フランジ１３とを有している。
【００１６】
分析ユニット１２は、発光部１５及び受光部１６（光学系部材の一例）と、制御部１７とを備えている。
発光部１５は、測定対象となるガスに対して導光管１４及びプローブ管１１を通して測定光となるレーザビームを出射する光源である。発光部１５は、直進性の高い所定波長域の光を照射するための赤外線レーザ発振装置などで構成できる。
受光部１６は、煙道内の測定対象ガスを通して入射する測定光を受光する受光素子である。
制御部１７は、発光部１５からのレーザビームの出射を制御し、受光部１６により受光した測定光に基づいて測定対象であるガスの成分分析を行う。
【００１７】
プローブ管１１は、内部中空の円筒状に形成されており、配管２０の配管側壁２１内部に構成される煙道５０内の試料ガスＳに直交するように配置される。プローブ管１１の材質は、耐熱性及び耐食性を有するステンレス鋼などの金属素材を用いることが好ましい。
プローブ管１１の測定領域には、試料ガスＳの下流側に位置して、プローブ管１１内にガスを導入するための開口１１ａが設けられている。開口１１ａの、個数、位置、形状は特に限定されない。
プローブ管１１の先端部には、分析ユニット１２の発光部１５から出射される測定光を反射するためのリフレクタ２０が設けられている。リフレクタ２０は、発光部１５から出射された測定光を受光部１６側に反射するものであって、コーナーキューブで構成できる。
【００１８】
フランジ１３は、プローブ管１１を配管側壁２１に固定するための部材である。フランジ１３は、図２に示すように、プローブ管１１に対して、溶接部４１（図２）によって固定されている。フランジ１３は例えばステンレスからなる。
ガス分析装置１は、配管側壁２１の取付孔２３に取り付けられる。具体的には、図２に示すように、取付孔２３の分析ユニット１２側には装着部２７が設けられており、装着部２７には前述のフランジ１３がボルトで固定されている。以上の構成によって、取付孔２３の内周面とプローブ管１１の外周面４３（特に、フランジ１３が固定された根元部分）との間には環状の空間２５が確保されており、環状の空間２５内には煙道５０からの試料ガスＳが流入する。その結果、プローブ管１１の外周面４３（特に、フランジ１３が固定された根元部分）と、フランジ１３の内周側主面１３ａと、煙道側の溶接部４１とは、試料ガスＳに晒される。
【００１９】
本実施形態では、第２のリフレクタ４３を含む駆動機構４１が、分析ユニット１２側に設けられている。第２のリフレクタ４３は、測定光を受光部１６に向けて反射するものであり、例えばコーナーキューブである。第２のリフレクタ４３と分析ユニット１２との間の空間には、既知のガス、スパンガス、ゼロガスを充填可能である。駆動機構４１は、ばね、エアシリンダを含んでいる。駆動機構４１は、成分濃度の分析を行うときには第２のリフレクタ４３を光路から外し、補正又は校正を行うときには第２のリフレクタ４３を光路上に配置する。
【００２０】
（２）腐食問題及びヒータ
従来技術であれば、煙道５０内の試料ガスＳは１００℃〜４００℃の温度であるが、空間２５においては試料ガスの温度は下がり、それにより結露が発生する。結露した水分は、プローブ管１１の外周面４３と、フランジ１３の内周側主面１３ａと、煙道側溶接部４１とに付着する。煙道排ガス中は酸を含んでいるのでの、結露した各部分には腐食が生じる。なお、腐食の主な原因となるガスは、塩化水素（ＨＣｌ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）である。
そこで、本実施形態では、ヒータ３１を設けることで、空間２５内の結露及び上記部分の腐食を防止している。ヒータ３１は、フランジ１３に直接取り付けられている。より具体的には、ヒータ３１は、フランジ１３の内部に装着されている。ヒータ３１は、さらに具体的には、図２及び図３に示すように、フランジ１３の外周面から中心側に延びる孔内に装着されている。ヒータ３１の数は複数であり、この実施形態では４個である。また、ヒータ３１は円周方向に等間隔で配置されている。この実施形態では、ヒータ３１は、カートリッジヒータである。
【００２１】
ヒータ３１は、図１の温調機１９によって制御される。温調機１９は、各種条件に基づいて、上記部分に結露が生じないようにヒータ３１を制御する装置である。温調機１９は、ヒータ３１への電力供給量を制御することで、その出力を制御する制御部を有している。温調温度は、排ガス条件と現場環境とにしたがって、適宜設定される。現場環境とは、例えば、排ガス温度、共存水蒸気濃度、共存酸塩基ガス種、周囲温度、対象ダクトの形状である。
また、空間２５には、図１に示すように、煙道５０内の温度を検出するための温度センサ３９が設けられている。温調機１９は、温度センサ３９からの信号に基づいて制御動作を行ってもよい。
【００２２】
プローブ管１１の測定領域両端にパージガスを供給するためのパージユニット１８が設けられている。パージガスは、発光部１５、受光部１６、リフレクタ２０などの光学系部材が試料ガスに晒されないようにするものである。パージガスは、導光管１４を介してプローブ管１１に供給される。また、パージガスは、導光管１４及びプローブ管１１内に配置されるパージガス供給管（図示せず）によって、プローブ管１１の先端部に供給される。
反射光学系測定を行う場合には、発光部１５から出射し、プローブ管１１の内部を通過し、リフレクタ２０で反射して、再度プローブ管１１の内部を通過して、受光部１６において受光した測定光に基づいて、分析が実行される。
【００２３】
（３）ヒータの詳細
ヒータ３１は、フランジ１３内に装着され、プローブ管１１とフランジ１３との固定部分を加熱する。ヒータ３１はフランジ１３内に装着されているので、上記の固定部分における加熱効果は高い。その結果、容易に所望の温度まで上げることができ、それによりプローブ管１１とフランジ１３との固定部分で結露が生じにくく、その結果、腐食も生じにくい。
このようにヒータ３１が直接加熱する対象がフランジ１３内部であるので、フランジが例えばステンレス等の熱伝導率の低い物質でできていたとしてもフランジ１３近傍の温度を容易に上げることができる。つまり、消費電力が小さくなる。また、ヒータ３１がフランジ１３に直接取り付けられているので、加熱構造がガス分析装置１において大きなスペースを占有することがない。
以上の結果、プローブ管１１内の光軸の直線性が維持され，長期間にわたって正確ガス分析が可能になる。
【００２４】
特に、ヒータ３１は、プローブ管１１とフランジ１３の固定部である溶接部４１を直接的に加熱しているので、腐食防止効果が高い。一般的に、溶接部は、溶接時における組成比の変化によって、耐腐食性が低下することがある。本実施形態ではそのような場合でも溶接部４１を加熱することで腐食を生じにくくしている。なお、当然のことながら、ヒータ３１は溶接部４１以外の部分の腐食防止にも効果を有している。また、ヒータ３１は溶接部４１を直接的に加熱しているので、加熱構造が小型化している。
なお、例えば、煙道排ガス温度が低い場合、排ガス中に共存するＨＣｌ、ＳＯＸ、ＮＯＸなどの酸成分の濃度が高く、露点上昇が大きくなる。場合、周囲温度が低い場合、対象ダクトにＲ部がある場合が特に問題を生じさせる。
【００２５】
特に、ヒータ３１がフランジ１３内に設置されているので、ヒータ３１によるフランジ１３の加熱効率が向上する。これは、ヒータ３１からの熱がフランジ１３の外部に逃げにくいからである。また、本実施形態ではヒータ３１はフランジ１３内に孔を加工するだけで取り付け可能であるので、特別な構造を新たに設ける必要がない。また、ヒータ３１をフランジ１３の孔に容易に挿入及び取り出しできるので、交換作業が容易である。
ヒータの種類、個数、設置方法、及び設置位置は特に限定されない。ヒータは単数であってもよい。ヒータが複数の場合には、それら同士の配置位置関係、それぞれの制御条件は、適宜設定可能である。ただし、ヒータは、フランジの中心側に近い位置に設けられていることが好ましい。これは、溶接部４１を十分に加熱するためである。
ヒータ３１による上記空間２５の目標温度は、上記効果が得られるのであれば特に限定されないが、例えば１００℃以上である。
ヒータ３１は、焼却炉の運転中のみ加熱を行うようにしてもよいし、焼却炉が運転を停止して試料ガスＳが煙道５０中を流れていないときにも加熱を行うようにしてもよい。
【００２６】
（４）断熱部材
ガス分析装置１は、さらに、断熱部材３３を有している。断熱部材３３は、ヒータ３１及びフランジ１３を外気から遮断するように覆うための部材である。図１に示すように、断熱部材３３は、ヒータ３１及びフランジ１３を覆っている。また、断熱部材３３は、装着部２７も覆っている。断熱部材３３は、例えば、シリコンラバーである。断熱部材３３は、カバー３５によって覆われている。
断熱部材３３によって、フランジ１３における保温効果が高まっている。したがって、ヒータ３１への供給電力を低く抑えながらもフランジ１３を十分に加熱できる。
なお、断熱部材の材料、量、形状、配置位置は前記実施形態に限定されない。
また、断熱部材は、省略されてもよい。
【００２７】
（５）断熱接続構造
ガス分析装置１は、さらに、断熱接続構造３７を有している。断熱接続構造３７は、プローブ管１１においてフランジ１３と発光部１５及び受光部１６との間に配置され、両側を断熱して接続する構造である。より具体的には、断熱接続構造３７は、フランジ１３と駆動機構４１との間に配置されている。
断熱接続構造３７は、例えば、筒状部材同士を連結する箇所において、金属同士を接触させない構造であり、例えばガラスエポキシ樹脂からなる部材やＯリング等によって実現される。断熱接続構造３７によって、ヒータ３１で発生した熱が発光部１５及び受光部１６側に伝達されにくい。特に、発光部１５及び受光部１６は耐熱性が低いので、温調高温から熱的に遮断することが重要である。また、駆動機構４１は熱膨張に弱いので、断熱接続構造３７による断熱接続が効果的である。
【００２８】
（６）実験結果
本願出願人は上記のガス分析装置１を用いて数ヶ月以上にわたって、腐食の発生及び防止についての実験を行った。ヒータを用いていない従来のガス分析装置では、１ヶ月以内でプローブ管、フランジに腐食が発生し、表面の金属光沢が消滅した。それに対して、ヒータを用いたガス分析装置では、９ヶ月経過しても各部材に腐食は生じておらず、表面の金属光沢が維持された。
【００２９】
２．第２実施形態
前記第１実施形態では、プローブ管に固定されたフランジは、配管側壁に直接固定されていたが、フランジの取付構造は特に限定されない。
図４及び図５を用いて、フランジの取付構造の他の実施形態を説明する。
ガス分析装置１は、煙道５０を構成する配管側壁２１の取付部５２に取り付けられる。取付部５２は、たとえば、配管側壁２１の取付孔２３に取り付けられた設置用パイプ５４で構成される。
【００３０】
設置用パイプ５４は、ガス分析装置１のプローブ管１１の外径よりも大きな内径を有する円筒状の部材であって、溶接やビス止めなどによって配管側壁５１に固定される。
また、設置用パイプ５４は、ガス分析装置１を固定するための取付フランジ５５を備えており、ガス分析装置１０１のフランジ１１３がこの取付フランジ５５に溶接またはビス止めされることにより、ガス分析装置１０１が間接的に配管側壁２１に固定される。プローブ管１１１と設置用パイプ５４の間には、空間５６が確保される。
【００３１】
このようなプローブ管１１と設置用パイプ５４の空間５６に煙道５０を流れる試料ガスＳの一部が流入しないように、遮蔽板３０が設けられる。遮蔽板３０は、配管側壁２１の内表面２２近傍に位置して設けられている。このように、遮蔽板３０が設けられているのが煙道５０側なので、試料ガスＳが空間５６に流入するのが抑えられる。遮蔽板３０は、プローブ管１１１の外周面に固定された円板状の部材であり、外周縁が設置用パイプ５４の内周面に近接又は当接している。近接の場合は試料ガスＳの遮断の観点からは隙間が小さいことが好ましい。また、当接の場合は、空間５６が遮蔽されて、試料ガスの遮断効果が高くなる。
図示した例では、プローブ管１１１の長さ方向に沿って所定間隔で３つの遮蔽板３０が配置されている。このように複数の遮蔽板３０がプローブ管１１１の軸方向に隙間を空けて配置されているので、試料ガスＳが空間５６に流入しにくい。
なお、遮蔽板３０に加えて、後述する第３実施形態のようにパージエアを空間５６に供給することを行えば、試料ガスＳが空間５６に流入するのをさらに効果的に防止できる。
【００３２】
以上の構成によって、図５に示すように、設置用パイプ５４の内周面とプローブ管１１１の外周面１４３（特に、フランジ１１３が固定された根元部分）との間には環状の空間５６が確保されており、環状の空間５６内には煙道５０からの試料ガスＳが制限されながらも流入する。その結果、プローブ管１１１の外周面１４３（特に、フランジ１１３が固定された根元部分）と、フランジ１１３の内周側主面１１３ａと、煙道側の溶接部１４１とは、試料ガスに晒される。
【００３３】
本実施形態では、ヒータ１３１を設けることで、空間５６内の結露を防止することで、上記部分の腐食を防止している。ヒータ１３１は、フランジ１１３に直接取り付けられている。より具体的には、ヒータ１３１は、フランジ１１３の内部に装着されている。ヒータ１３１は、さらに具体的には、図５に示すように、フランジ１１３の外周面から中心側に延びる孔内に装着されている。ヒータ１３１の種類、個数、配置位置、及び制御手段は、第１実施形態の場合と同じである。
【００３４】
ガス分析装置１０１は、図１に示すように、断熱部材１３３をさらに備えている。断熱部材１３３は、ヒータ１３１及びフランジ１１３を外気から遮断するように覆うための部材である。図４に示すように、断熱部材１３３は、ヒータ１３１及びフランジ１１３を覆っている。また、断熱部材１３３は、設置用パイプ５４の一部も覆っている。断熱部材１３３は、カバー１３５によって覆われている。
断熱部材１３３によって、フランジ１１３における保温効果が高まっている。したがって、ヒータ１３１への供給電力を低く抑えながらもフランジ１１３を十分に加熱できる。
【００３５】
３．第３実施形態
他の実施形態として、第１実施形態及び第２実施形態の構成に加えて、パージガスをプローブ管と壁内周面との間の空間に供給することで、排ガスが前記空間内に入り込みにくくしてもよい。これにより、前述の腐食が生じにくくなる。
パージガスの供給は、ヒータに加熱と共に行ってもよいし、ガス分析装置の設置時などヒータによる加熱を行っていないときに行ってもよい。
また、パージガスによって希釈することで、試料ガスＳの露点を下げることができる。
【００３６】
４．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
例えば、管状部材は、プローブ管に限定されない。管状部材は、配管内を流れる試料ガスの所定の測定領域に測定光を投光し及び／又は前記測定領域からの測定光を受光するための光路を含んでいればよい。
ガス分析装置は、反射型光学系測定を行うものに限定されず、透過型光学測定を行うものでもよい。
プローブ管の形状は、前述した構成に限定されるものではなく、測定光が通過可能な内部中空を有する構成であればよく、その断面が多角形、楕円形、又はこれらの複合的な形状とすることもできる。
前記実施形態のガス分析装置は燃焼排ガスを分析対象としていたが、各種のプロセスガス等を対象にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、配管内を流れる試料ガス中に測定光を投受光して所定成分の濃度を分析するガス分析装置に広く適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１        ：ガス分析装置
１１      ：プローブ管
１３      ：フランジ
１３ａ    ：内周側主面
１９      ：温調機
２５      ：空間
２７      ：装着部
３１      ：ヒータ
３３      ：断熱部材
３７      ：断熱接続構造
３９      ：温度センサ
４１      ：溶接部
４３      ：外周面
５０      ：煙道
１０１    ：ガス分析装置
１１１    ：プローブ管
１１３    ：フランジ
１３１    ：ヒータ
Ｓ        ：試料ガス
【図１】
0006462710.tif 000002
【図２】
0006462710.tif 000003
【図３】
0006462710.tif 000004
【図４】
0006462710.tif 000005
【図５】
0006462710.tif 000006