(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析すべきガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析器装置であって、
ガス成分測定セルであって、
第１の細長採取チャンバおよび第２の細長採取チャンバであって、前記両採取チャンバは、分析すべき前記ガス試料を受け入れるためのガス吸気口と流体連通しており、前記第１の採取チャンバおよび前記第２の採取チャンバは、それぞれの第１の端部から前記第１の端部から離間された第２の端部まで延在し、前記両採取チャンバは、分析すべき前記ガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、第１の細長採取チャンバおよび第２の細長採取チャンバ、
コヒーレント光源に光学結合されるように構成され、複数のエミッタを含む光学ヘッドであって、前記エミッタは、コヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされる、光学ヘッド、および
前記採取チャンバの第２の端部に向けて位置決めされる検出器アセンブリであって、前記検出器アセンブリは、ガス分析器に電子結合するために設けられ、前記エミッタから放出された前記コヒーレント光線を受光するための少なくとも１つの検出器を含む、検出器アセンブリ
を備える、ガス成分測定セルと、
前記ガス成分測定セルによる分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するためのフィルタアセンブリと、
ガス試料源と前記フィルタアセンブリとの間に、前記フィルタアセンブリから前記ガス吸気口まで流体連通をもたらすガス導管アセンブリと
を備え、
前記コヒーレント光源は、複数の可同調レーザを備え、前記レーザは、前記コヒーレント光線を放出するための関連する前記エミッタに光学結合されるように設けられ、
前記第１の採取チャンバおよび前記第２の採取チャンバは、軸方向に整列された長手方向に延在する円筒状チャンバを備え、前記両円筒状チャンバは、それらの長手方向全長に沿って流体連通して設けられた、オフガス分析器装置。
【請求項２】
前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの前記第１の端部および前記第２の端部のそれぞれに向かって離間され、それらをそれぞれ封止する第１の着脱可能窓および第２の着脱可能窓を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、関連する前記検出器に向かって各前記平行光線を合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ガス吸気口は、前記第１のチャンバの第１の端部に隣接する前記第１の採取チャンバに流体結合され、
ガス排気口は、前記第２のチャンバの第２の端部に隣接する前記第２の採取チャンバに流体結合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記ガス導管アセンブリは、２〜１５メートルの間で選択された長さを有する被加熱ガス導管を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ガス成分測定セルは、モジュール式着脱可能ユニットとして提供される、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
分析のために、前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記測定セル内に前記ガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリをさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記オフガス分析器は、キャビネットを備え、前記ガス成分測定セル、前記ポンプアセンブリ、および前記フィルタアセンブリは、前記キャビネット内に収容され、前記ポンプアセンブリおよび前記採取チャンバは、前記ガス試料が１０〜４０リットル／分の間で選択された流量を有する高速試料流として前記測定セル内に受け入れられるように選択される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとを備え、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を１０５℃〜１３０℃の間の温度に維持するように動作可能である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ガス試料は、製鋼炉オフガス流からのオフガス試料を含み、前記標的ガス成分は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに含み、前記ポンプアセンブリは、前記非加熱コンパートメントの内部に収容されるポンプモータを含む、請求項８または９に記載の装置。
【請求項１２】
炉オフガス流からのガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析システムであって、
ガス分析器装置と、
プロセッサと、
複数の可同調ダイオードレーザを備えるコヒーレント光源と、
前記オフガス流中の採取ポイントから前記ガス分析器装置まで前記ガス試料を流体連通させるためのガス導管アセンブリと
を備え、
前記ガス分析器装置は、
ガス成分測定セルであって、
前記ガス導管アセンブリと流体連通するガス吸気口と、
複数の細長採取チャンバであって、前記ガス試料を受け入れるための前記ガス吸気口と流体連通し、それぞれの端部から前記端部から離間した第２の端部まで延在し、分析すべき前記ガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、複数の細長採取チャンバと、
前記採取チャンバの第１の端部に向かって位置決めされる光学ヘッドであって、前記光学ヘッドは、複数のエミッタを含み、前記エミッタは、前記可同調ダイオードレーザのうちの関連する１つに光学結合するように設けられ、関連する採取チャンバに沿ってコヒーレント光線エネルギーを放出するように位置決めされる、光学ヘッドと、
前記プロセッサと電気通信し、複数の光検出器を含む検出器アセンブリであって、前記検出器は、電気信号として前記関連するコヒーレント光線エネルギーの非吸収部分を検出および変換するために関連する採取チャンバの第２の端部に向かって位置決めされる、検出器アセンブリと、
前記導管アセンブリおよび前記ガス成分測定セルと流体連通するフィルタアセンブリであって、前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するために、前記ガス吸気口から上流の位置に配設される、フィルタアセンブリと
を備える、ガス成分測定セル
を備え、
前記複数の採取チャンバは、第１の円筒状のチャンバおよび第２の円筒状のチャンバを含み、前記第１の円筒状チャンバおよび前記第２の円筒状チャンバは、長手方向に延在するエッジ部分に、長手方向全長に沿って流体連通して設けられた、オフガス分析システム。
【請求項１３】
前記ガス導管アセンブリは、前記炉オフガス流の中央部分から前記オフガス試料を抽出するための細長採取プローブを含み、
被加熱導管が、前記プローブおよび前記ガス分析器に流体結合し、前記被加熱導管は、前記抽出されたガス試料を、８０℃〜１５０℃の間で選択された温度の加熱されたガス試料として、前記プローブから前記ガス分析器装置まで搬送するように動作可能である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの第１の端部および第２の端部のそれぞれに向かって離間された第１の着脱可能窓および第２の着脱可能窓を備える、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記エミッタは、前記コヒーレント光線エネルギーを平行光線として放出するように動作可能であるコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備え、前記レンズは、前記放出された平行光線を前記関連する光検出器に向かって合焦させるように構成される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ガス吸気口は、前記第１のチャンバの第１の端部に隣接する前記第１の円筒状チャンバに流体結合され、
ガス排気口は、前記第２のチャンバの第２の端部に隣接する前記第２の円筒状チャンバに流体結合される、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ガス導管アセンブリは、２〜１５メートルの間で選択された長さを有する被加熱ガス導管を備える、請求項１２から１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ガス成分測定セルは、モジュール式着脱可能ユニットとして提供される、請求項１２から１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
分析のために、前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記採取チャンバ内に前記ガス試料を搬送するように動作可能なポンプアセンブリをさらに備える、請求項１２から１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ガス分析器装置は、被加熱コンパートメントを備えるキャビネットと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとをさらに含み、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を１０５℃〜１４０℃の間の温度に維持するように動作可能である、請求項１２から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記ガス分析器装置は、被加熱コンパートメントを備えるキャビネットと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとをさらに含み、
前記キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに含み、前記ポンプアセンブリは、前記非加熱コンパートメントの内部に収容されるポンプモータを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記オフガスシステムは、製鋼炉オフガス流を備え、前記ガス成分は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される、請求項１２から２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
炉ガス分析および制御システムであって、
抽出された炉オフガス試料の選択されたガス成分を測定するように動作可能である複数のガス分析器装置と、
各前記ガス分析器と電気通信し、各前記ガス分析器により検出された前記測定されたガス成分に応じて炉制御信号を出力するように動作可能なシステムプロセッサと、
複数の可同調ダイオードレーザを備えるコヒーレント光源と、
前記オフガス流中の選択された採取ポイントと関連する前記ガス分析器装置との間で流体連通するガス導管アセンブリと
を備え、
各前記ガス分析器装置は、
ガス成分測定セルであって、
ガス吸気口およびガス排気口と、
前記抽出されたオフガス試料を中に受け入れるための複数の細長採取チャンバであって、前記採取チャンバは、相互におよび前記ガス吸気口と流体連通し、前記採取チャンバは、第１の端部から前記第１の端部から離間した第２の端部までそれぞれ延在し、分析すべき前記オフガス試料の前記選択されたガス成分の吸収プロファイルに基づいて選択される長さを有する、複数の細長採取チャンバと、
前記採取チャンバの第１の端部に向かって位置決めされた光学ヘッドであって、前記光学ヘッドは、複数のエミッタを含み、前記エミッタは、関連するコヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされた関連する前記可同調ダイオードレーザに光学結合される、光学ヘッドと、
前記関連するコヒーレント光線の非吸収部分を検出し電気信号に変換するための各関連する採取チャンバの第２の端部に向かって位置決めされた光検出器を備える検出器アセンブリと、
前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記抽出されたオフガス試料から微粒子状物質を濾過するために前記ガス吸気口から上流の位置に配設されるフィルタアセンブリと、
前記選択された採取ポイントから選択された前記ガス分析器装置の前記ガス吸気口まで前記オフガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリと
を備える、ガス成分測定セル
を備え、
前記採取チャンバのそれぞれは、同軸方向に整列された円筒状チャンバを備え、
前記採取チャンバは、長手方向に延在する隣接するエッジ部分に、長手方向全長に沿って流体連通する、炉ガス分析および制御システム。
【請求項２４】
前記レーザと選択された第１の前記分析器装置および第２の前記分析器装置の前記関連するエミッタとを選択的に光学結合するように動作可能であるスイッチアセンブリ
をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ガス成分測定セルは、前記採取チャンバの前記第１の端部および前記第２の端部のそれぞれに向かって離間され、それらを封止する第１の着脱可能窓および第２の着脱可能窓を備える、
請求項２３または２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、
前記検出器アセンブリは、各前記平行光線を関連する前記検出器に向かって合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える、請求項２３から２５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記ガス導管アセンブリは、各選択された採取ポイントと各関連する前記ガス分析器装置との間の流体連通をもたらす関連する被加熱ガス導管を備え、各関連する被加熱ガス導管は、２〜１５メートルの間で選択された長さを有する、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ガス成分測定セルは、交換可能モジュール式ユニットとして提供される、請求項２３から２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
各ガス分析器装置は、関連するキャビネット内に収容され、各前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとを備え、
前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に収容され、
前記キャビネットは、０．１〜２メートルの間でそれぞれ選択された幅、長さ、および高さの寸法を有する、請求項２３から２８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記炉は製鋼炉を備え、前記選択されたガス成分はＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される、請求項２３から２９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３１】
各前記ガス分析器装置は、前記試料中の水蒸気濃度を感知するために前記ガス成分測定セルと流体連通する水蒸気センサをさらに含む、請求項２３から３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
各前記ガス分析器装置は、前記試料中の水蒸気濃度を感知するために前記ガス成分測定セルと流体連通する水蒸気センサをさらに含み、
前記水蒸気センサは、前記キャビネットの前記被加熱コンパートメントに配設される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３３】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の複数の前記オフガス分析器装置と、各前記オフガス分析器装置および前記コヒーレント光源と電気通信するシステムプロセッサとを備える、炉ガス分析および制御システムの使用であって、
第１の前記オフガス分析器の前記ガス導管アセンブリは、第１の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために炉オフガス煙道に沿って前記第１の採取位置と流体連通して設けられ、
第２の前記オフガス分析器の前記ガス導管アセンブリは、第２の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために前記炉オフガス煙道に沿って前記第２の採取位置と流体連通して設けられ、前記第２の採取位置は、前記第１の採取位置から離間され、
使用時に、
前記第１のガス分析器の前記採取チャンバ内への前記関連する抽出されたガス試料の前記抽出および連通の後に、前記システムプロセッサにより、
前記関連する採取チャンバに沿って前記関連するエミッタから前記コヒーレント光線を前記レーザから放出するように前記第１のオフガス分析器を作動させ、
前記検出器アセンブリにより、前記第１の採取位置においてＮ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、および水蒸気からなる群より選択される関連する標的オフガス成分の吸収プロファイルとして前記採取チャンバ中の前記放出されたコヒーレント光線を検出および測定し、
前記第２のガス分析器の前記採取チャンバへの前記関連する抽出されたガス試料の前記抽出および連通の後に、前記システムプロセッサにより、
前記関連する採取チャンバに沿って前記関連するエミッタから前記コヒーレント光線を前記レーザから放出するように前記第２のオフガス分析器を作動させ、
前記検出器アセンブリにより、前記第２の採取位置において前記関連する標的ガス成分の吸収プロファイルとして前記放出されたコヒーレント光線を検出および測定し、
前記第１の採取位置および前記第２の採取位置と前記標的オフガス成分の前記測定された吸収プロファイルとを比較し、前記比較に基づき炉制御信号を生成する、使用。
【請求項３４】
前記システムプロセッサは、前記炉オフガス煙道に沿って１つまたは複数の採取位置に対して重み付けされたガス試料分析を実行するために、増加した時間および／または頻度だけ前記オフガス分析器のうちの１つまたは複数を優先的に作動させるように動作可能である、請求項３３に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。
【請求項３５】
さらに、前記第１のオフガス分析器の作動中に、前記採取チャンバ内の温度を前記関連する抽出されたガス試料の露点より高く維持し、少なくとも１つの関連する標的オフガス成分が水蒸気を含む、請求項３３または３４に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。
【請求項３６】
前記炉ガス分析および制御システムは、１つの前記レーザと前記第１のオフガス分析器の前記光学ヘッドと前記第２のオフガス分析器の前記光学ヘッドとを選択的に光学結合するように動作可能である光学スイッチアセンブリをさらに含み、前記システムプロセッサは、前記第１のオフガス分析器装置および前記第２のオフガス分析器装置のうちの選択された一方を選択的に作動させるように動作可能であり、
選択的に作動された場合に、前記第１のオフガス分析器および前記第２のオフガス分析器のそれぞれに前記１つのレーザを光学結合するように前記光学スイッチアセンブリを動作させる、請求項３３から３５のいずれか一項に記載の前記炉ガス分析および制御システムの使用。
【請求項３７】
前記コヒーレント光源は、多重レーザビームを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１４年８月１５日に出願された米国特許仮出願第６２／０３７８２１号の米国特許法第１１９条（ｅ）項の優先権および利益を主張し、この仮出願の開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、オフガスを分析するシステムおよび方法に関し、より詳細には、オフガス煙道の近傍にて１つまたは複数のオフガス成分の光学分析を実施することにより、含塵工業オフガスまたは高濃度微粒子含有工業オフガスの化学成分を分析するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
オフガスの化学成分を連続的に分析する技術は、電気アーク炉（ＥＡＦ）製鋼プロセスおよび塩基性酸素転炉（ＢＯＦ）製鋼プロセス等の燃焼プロセスの性能を最適化し、制御し、および改善するための重要なツールである。
【０００４】
ＥＡＦ製鋼プロセスにおいて、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ蒸気、およびＮ２の全スペクトルオフガス分析は、製鋼プロセスの全体的な最適化および制御のための有益なツールとなる。
−  Ｎ２の分析は、通気条件の過剰および過少の両方を回避するために発煙システム吸気を評価および動的制御するのに有効である。
−  ＣＯ、Ｈ２、Ｏ２、およびＮ２の分析は、ＥＡＦが過剰酸化性雰囲気または過剰還元性雰囲気において動作しているか否かを判定するのに有効である。
−  ＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２の分析は、バーナを最適化および動的制御するのに、ならびに充填炭素作業を最適化するのに有効である。
−  ＣＯおよびＣＯ２の分析は、炭素注入器を最適化および動的制御するのに有効である。
−  ＣＯ、Ｈ２、およびＯ２の分析は、酸素ランスを最適化および動的制御するのに有効である。
−  Ｈ２およびＨＯ２蒸気の分析は、炉内への水パネル漏れの開始を判定するのに有効である。
−  ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ蒸気、およびＮ２の分析は、ＥＡＦプロセスのリアルタイムの質量およびエネルギーバランスに近接するために必要とされる。
【０００５】
同様に、ＢＯＦ製鋼プロセスでは、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ蒸気、およびＮ２の全スペクトルオフガス分析を行うことは、ＢＯＦプロセスのリアルタイムの質量およびエネルギーバランスに近接するために好ましく、これは、酸素吹込み実施効率を制御し、燃焼後酸素流の量およびタイミングを制御し、目標となる鋼の炭素および温度の終点に到達したことによる酸素吹込みを終了すべきタイミングを判定するために有効となる。
【０００６】
今日まで、工業用途向けの連続的オフガス分析技術は、１９９７年頃以降は実質的に変更されずに来ており、以下の２つの原理的方法の一方に基づいている。
１．抽出システムは、発煙ダクト内に位置決めされたプローブを介してプロセスオフガスの試料を連続的に抽出するために真空ポンプを使用し、前記プローブは、連続ガス分析器にオフガス試料を送る中空のしばしば加熱される導管に連結される。Ｅ．Ｊ．  Ｅｖｅｎｓｏｎの米国特許第５，７７７，２４１号は、製鋼プロセスの最適化および制御のためのかかる抽出システムについて記載している。分析すべきガス種に応じて、殆どのガス種を分析し得る質量分析、ＣＯおよびＣＯ２を分析するための標準的方法である非分散型赤外線分析（ＮＤＩＲ）、Ｏ２分析およびＨ２分析のそれぞれのための標準的方法である固相電気化学セルおよび熱伝導率を含む様々な分析方法が、抽出技術と共に利用される。
２．ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、光検出器により後で受光するために、発煙ダクト内を流れるオフガスを通して可視の近赤外線域および中赤外線域内の単一ビームまたは複合ビームまたは複数の個別のビームを送信する。Ｄ．Ｋ．  Ｏｔｔｅｓｅｎの米国特許第５，９８４，９９８号およびＳ．Ｃ．  Ｊｅｐｓｏｎの米国特許第６，７４８，００４号は、オフガスの化学成分を測定するためのｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムの例を提示している。一般的に、送信されるレーザ波長は、対象のガス種の特定の分光線に関して変調される。検出されるビームにおける吸収量は、後にオフガス中のその特定の種の濃度を算出するために使用される。複数のレーザが、分析すべきガス種に応じて必要とされ、典型的にはＣＯ２およびＨ２Ｏ蒸気に適した波長を有する１つの近赤外線域レーザと、ＣＯに適した波長を有する第２の近赤外線域レーザと、Ｏ２に適した波長を有する第３の可視域レーザとが必要とされる。正確な波長の３つの別個のレーザが、ＣＯ、ＣＯ２、およびＯ２を分析するために必要とされる点を指摘しておく。ＣＯおよびＣＯ２の吸収ピークは、オフガス温度が約３００℃超に上昇することにより重畳し始めるため、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、ＣＯ２に適した波長を有する１つの近赤外線域レーザと、ＣＯ用の別個の第２の近赤外線域レーザとを使用する必要がある。適切な波長を有した第３の可視域レーザが、Ｏ２には必要となる。また、ｉｎ  ｓｉｔｕ方法は、必要な場合には、Ｈ２Ｏ蒸気を分析するためにＣＯレーザまたはＣＯ２レーザのいずれかを使用することが可能である。可変量の微粒子状物質が、殆どの工業プロセスオフガス中に存在するため、レーザビームがビームを散乱または遮断させる減衰を被る可能性が存在する。多くの工業用途において、前記減衰の問題は、一方のプローブがレーザビームエミッタを収容し、第２のプローブがレーザビーム検出器を収容する、Ｎ２などの不活性ガスで連続的にパージされる２つの水平または垂直なプローブを使用することにより軽減され得るが、完全には解消できない。これらの２つのプローブは、両側から発煙ダクト内に延在し、一方のプローブの開口端部は、対向側のプローブの開口端部の近傍に位置し、これは、エミッタと検出器との間で正常に伝播しなければならないビームの経路長を短縮させ、微粒子状物質の干渉に関連するレーザビーム減衰の問題を最小限に抑える役割を果たす。
【０００７】
抽出技術およびｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術はそれぞれ、利点および欠点をそれぞれ有し、したがって、いずれの技術も、完全なオフガス分析の解決策にはならない。
【０００８】
−  分析能力：抽出オフガスシステムは、オフガスの化学成分の事実上完全なスペクトルをもたらす様々な分析方法を利用するおよび組み合わせることが可能であるという利点を有する。例えば、製鋼オフガスの化学成分は、ほぼ限定的に６つのガス種、すなわちＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ蒸気、およびＮ２から構成され、これらはプロセスの力学に応じて濃度が変動する。事実上において、および異ガスが炉雰囲気内に意図的に導入されない限り、これら６つのガス種の濃度合計は１００％となる。先に説明したように、様々な抽出分析方法が、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２、およびＨ２Ｏ蒸気を分析するために利用され得る。Ｎ２の場合には、これは、抽出質量分析により分析することが可能であり、または残りの５つの成分のガス種の分析を合算し１００％から減算することによって適度な精度にて算出することが可能である。
【０００９】
比較により、ｉｎ  ｓｉｔｕシステムは、対象となる特定のガス種を分析するために正確な波長域においてレーザの組合せを使用し得る。例えば、製鋼用途などの高温オフガスのｉｎ  ｓｉｔｕ分析の場合には、異なる波長の３つの別個のレーザが、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏ蒸気を分析するために必要となる。しかし、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、Ｎ２およびＨ２を含む多数の単環二価ガスを分析することが技術的に不可能である（Ｓ．  Ｓｃｈｉｌｔ、Ｆ．Ｋ．  Ｔｉｔｔｅｌ、およびＫ．Ｐ．  Ｐｅｔｒｏｖ、「Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒａｃｅ  Ｇａｓｅｓ」Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１〜２９頁、２０１１年）。したがって、抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、分析能力が限定されるという欠点を有する。
【００１０】
−  分析精度：抽出システムは、特定の工業プロセス制御状況に対して必要とされる分析精度を満たすために分析方法を調整することが可能である。したがって、抽出技術は、適用要件へと分析精度を調整するための適応性を有するという利点を有する。
【００１１】
レーザシステムの分析精度は、ガス種に依存する。ビームの吸収量が、分析精度を左右する。各ガス種は、最適な吸収量および最適な分析精度をもたらす最適なビーム経路長を有する。一般的に、最適な吸収率を有する経路長を使用することが、多数の工業プロセス制御状況に必要とされる分析精度を満たす。しかし、最適未満の短さの経路長は、吸収量および分析精度を低下させる。対照的に、過度に長い経路長は、結果として信号飽和をもたらし、機器の測定帯域を限定し得る。ｉｎ  ｓｉｔｕレーザは、レーザビームエミッタと検出器との間の距離として定義される固定経路長を使用する。この固定経路長は、分析される全てのガス種に共通である。先述のように、含塵工業オフガス環境内におけるビーム減衰により光信号送信が困難となる状況では、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、２つの逆方向に向いた不活性ガスパージされたプローブを位置決めすることによりレーザ中断を最小限に抑えるための固定経路長を選択する。前記２つのプローブの開口端部同士の間の離間距離が、レーザビームがプロセスオフガスを通り送信されなければならない固定経路長を規定する。したがって、全てのガス種に関して高い分析精度を求めて設計され得る抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術で使用される固定の共通経路長は、分析される全てのガス種に必要とされる分析精度を実現する場合があるまたはしない場合がある。
【００１２】
−  較正：殆どの抽出分析方法は、分析ドリフトを補償するために定期的な較正を必要とする。分析すべきガスに応じて、抽出システムは、高価であり得る複数の特殊較正ガスを必要とし得る。したがって、抽出技術は、分析方法が定期的な再較正および特殊較正ガスを必要とするという欠点を有する。
【００１３】
ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、既知の濃度の分析されるガス種を収容した基準セルをしばしば備える。レーザ技術は、システムを自己較正するために既知の基準セルガス組成を使用する。したがって、抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、定期的な再較正または特殊較正ガスを必要としないという利点を有する。
【００１４】
−  分析応答遅延：抽出システムに関する分析応答遅延は、プローブ先端部から分析器内に位置する分析セルまでのオフガス試料の滞留時間により決定される。滞留時間は、ガストレインの容積（プローブ、輸送導管、および濾過システム）、ガスの抽出流量、ならびに、大型の環境保護的筐体内に分析器を収容する必要により望ましい距離よりもしばしばさらに長いプローブと分析器との間の物理的距離によって決定される。抽出システムは、プローブを通して高流量でオフガスを高速抽出するために高速ポンプを使用することが可能であるが、しばしば、分析器内部の分析デバイスは、より低速のガス流量のみを利用するように設計され、したがって大部分のオフガス抽出試料は、より低速の後流のみを使用する分析器の前で通気される。全てのこれらの因子は、抽出システムの分析応答遅延の増大を助長する。例えば製鋼業で使用されるものなどの最新の抽出システムは、ガスがプローブ先端部に進入する時点から対応するガス分析が通知されるまでに約２０〜４０秒以内に分析応答をもたらすように設計される。
【００１５】
ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、オフガスが遠隔の分析器まで物理的に輸送されないため、約２秒というはるかにより短い応答遅延を有する。したがって、抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、はるかにより短い分析応答遅延という利点を有する。
【００１６】
−  分析信頼性：抽出オフガスシステムは、「能動的」技術として分類され得る。典型的には、抽出分析システムは、工業プロセスによりオフガスが生成されている場合には常に、抽出システムがポンプ等を自動的にオンに切り替えることにより高吸気を生じさせて、発煙ダクト内に適切に位置決めされたプローブを通してオフガス試料を能動的に抽出するように、炉制御ネットワークと連動される。オフガス試料は、中空の加熱されたまたはされない導管を通して分析器へと高流量で移送される。多くの工業プロセスにおいて存在するような汚れて湿ったオフガスの場合には、高温の湿ったオフガスは、初めにオフガス試料から微粒子状物質を除去するために一連の徐々に細目度が高まるフィルタに通過させられる。先述の多数の分析技術は、信頼性のある化学分析のために清浄な乾きガスを必要とするため、濾過後に、プロセスオフガスは、典型的には後に乾燥ベースで通知される分析の前に水蒸気を除去するために凝縮器等に通過させられる。凝縮物中における腐食性酸の形成を回避する必要がある場合または水蒸気などの何らかの特定のガス種を分析する場合などいくつかの選択的状況では、洗浄されたオフガス試料は、露点超の温度に維持され、湿状態にて分析され得る。しかし、かかる例では、分析セルは、高温にて信頼性および精度を有して動作するように設計されなければならない。典型的には、抽出システムは、例えば工業プロセスがオフガスを生成していない期間などに、能動的バックパージへと自動的かつ定期的に切り替わるように設計される。この自動的バックパージは、高圧圧縮空気またはＮ２等の不活性ガスから構成され得るものであり、蓄積した微粒子状物質をプローブおよびフィルタから洗浄するように設計される。これまで、能動的吸気およびバックパージを交互に行うような抽出技術は、非常に優れた分析信頼性を実証しており、伝えられるところによれば、例えば適切に維持された場合には、過酷な製鋼プロセス条件に適用される抽出技術は、製鋼熱の開始から終了まで連続的なオフガス化学成分をもたらす９９％超の良好な信頼性を実証してきた。
【００１７】
比較によれば、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、エミッタから検出器までオフガス煙霧中を通過するレーザビームの受動的送信に依存するより「受動的」な技術として分類され得る。十分な検出レベルを妨げるレーザビームの減衰は、結果として中断的なオフガス分析がもたらされる。例えば、製鋼プロセス条件下では、初期のｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、深刻なレーザビーム減衰の問題を被り、粗いプロセスオフガス中に蔓延する著しい量の塵埃により信号を損失する。先述のように、パージされた連続不活性ガスの使用、汚れたプロセスガス中で正常に送信されなければならないレーザの経路長を短縮するための逆方向に向いた水平方向もしくは垂直方向のプローブ、またはＷ．Ａ．  Ｖｏｎ  Ｄｒａｓｅｋの米国特許第６，９４３，８８６号に開示されるような微粒子ディフレクタもしくはインピンジャを含む、減衰の問題を軽減するための様々な方法が報告されている。これらのデバイスは、もともとの全経路長ｉｎ  ｓｉｔｕ設計と比較した場合にビーム減衰の問題を大幅に軽減している一方で、レーザ送信の受動的特性により、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザビームの中の１つまたは複数が、特に塵埃負荷がとりわけ高い場合に信号送信の周期的および非周期的な中断を被り得るというリスクを依然として残す。例えば、製鋼業で報告されている情報によれば、平均で約５０％のＥＡＦ熱が、煙霧信号中断により幾分かのレーザ信号損失を被ることが示される。ＥＡＦスクラップ溶融中のレーザ信号損失は、引っかかったスクラップが鋼浴内に落下し漏水関連の爆発を引き起こし得る金属スロッシュ事象を発生させる恐れのある危険な溶融期間にオフガス漏水検出システムの効力を制限する。さらに、レーザ信号中断は、プロセスモニタリング機能およびプロセス制御機能の効力を制限する。したがって、抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、特に製鋼プロセスなどの過酷な工業条件において分析信頼性が不確実となる欠点を有する。
【００１８】
−  設置およびメンテナンスに関する考慮要件：過酷な工業条件で使用される殆どの抽出分析器は、電子機器が、特に工業塵埃の最小限化および適切な雰囲気温度の維持に関して許容し得る動作環境内に維持されることを確保する保護ルームまたは筐体内に収容されなければならない。適切な筐体が、プラント内に予め存在しない場合には、保護ルームを構築することが必要となり、これは設置コストを増大させる。分析応答遅延を最小限に抑えるために、分析器保護ルームは、抽出プローブの近傍に（通常は約３０メートル以内）位置することが必要である。特定の状況によっては、プローブの近傍に適切なサイズのエリアを確保することが、限定された工業スペース内では困難となる恐れがある。抽出システムは、分析前にプロセスオフガスを濾過および通常は乾燥させるため、抽出システムは、詰まったフィルタを検査および交換するために、ポンプおよび凝縮器を検査および保全するために、ならびに先述のように較正を定期的に確認および調節して分析精度を確保するために、定期的なメンテナンスを必要とする。
【００１９】
比較によれば、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムは、先述のように保護経路長短縮プローブのしばしば内部において発煙ダクト上にレーザビームエミッタおよびレーザビームレシーバを搭載する。通常は、レーザビームは、光ファイバケーブルにより遠隔位置のレーザからエミッタに送信される。ビームがプロセスオフガスを通過した後に受信された信号は、さらに電子的に送信される。そのため、オフガスが、レーザおよび信号分析構成要素に物理的に移送されないことにより、オフガスは、距離的な制約を被ることなく遠隔に位置することが可能となる。さらに、ｉｎ  ｓｉｔｕシステムは、フィルタ、凝縮器、またはポンプを必要としない。したがって、抽出方法と比較した場合に、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術は、設置コストの低さおよびメンテナンス要件の低さという利点を有する。
【００２０】
−  プロセス制御機能性：燃焼プロセス性能を最適化、制御、および改善するためのオフガス分析技術の機能性は、オフガス分析システムの分析能力に大きく左右される。例えば、以下の表は、製鋼炉における完全なプロセス制御および最適化機能性を実現するために必要とされるキーとなるガス種分析を示す。したがって、本出願人は、完全なオフガス分析スペクトルを可能にする抽出方法が、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術により可能となる限定的な分析能力を上回る利点を有することに気付いた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第５，７７７，２４１号
【特許文献２】米国特許第５，９８４，９９８号
【特許文献３】米国特許第６，７４８，００４号
【特許文献４】米国特許第６，９４３，８８６号
【特許文献５】ＰＣＴ／ＣＡ２０１４／０００１６２
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｓｃｈｉｌｔ、Ｆ．Ｋ．  Ｔｉｔｔｅｌ、およびＫ．Ｐ．  Ｐｅｔｒｏｖ、「Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒａｃｅ  Ｇａｓｅｓ」Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１〜２９頁、２０１１年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
一態様では、本発明は、含塵高温工業オフガスを分析するための先行技術では今まで報告されていなかった新規の方法を含む。本発明は、抽出方法およびｉｎ  ｓｉｔｕレーザ方法を、上記で概観したようなそれらの各欠点の多くを回避しつつ利用する。本明細書においてより十分に説明されるような本発明の新規の態様により、約８秒という短さの分析応答時間と、Ｈ２Ｏ蒸気、ＣＯ、Ｏ２、ＣＯ２、およびＨ２の中断のない全スペクトル分析とが可能となる。
【００２４】
別の態様では、本発明は、オフガスならびに好ましくは例えば製鋼炉および溶鉱炉等からの含塵工業オフガスなどの高温工業オフガスを分析するためのシステムおよび方法を提供する。本発明により、いくつかの用途では０．５〜４秒の短さの分析応答時間が、および／またはＨ２Ｏ蒸気、ＣＯ、Ｏ２、ＣＯ２、および／またはＨ２を含むがそれらに限定されない様々なオフガス成分のより中断のない全スペクトル分析が可能となり得る。
【００２５】
最も好ましくは、システムは、検出されたオフガス成分に応じてプラントまたは炉の動作パラメータを調整または変更するためにプラントまたは炉の制御システムに電子的にリンクされたオフガス分析器を備える。
【００２６】
一実施形態では、システムは、適切に設計されたプローブと、より好ましくは流体冷却されるガス採取プローブと、関連するガス抽出ポンプとを備える。プローブおよびポンプは、炉または発煙ダクトに沿って選択された採取ポイントからオフガス試料を断続的または連続的に抽出するために、および分析のために採取ステーションまたは分析器にこのガス試料を搬送するために使用される。必須ではないが、最も好ましくは、抽出されたオフガス試料は、湿ったオフガス試料であり、プローブは、炉または発煙ダクトからガス試料を抽出するように構成されるが、水蒸気および／またはその気相の凝縮を実質的に防止するように選択された温度に抽出されたガス試料を維持する。１つの好ましいプローブ構造が、「Ｎｏｎ−Ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ  Ｇａｓ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題される本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＣＡ２０１４／０００１６２において説明されている。この国際特許出願の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２７】
また、排気ガス水蒸気含有量が分析対象となる場合には、好ましくは、中空被加熱導管が、プローブから分析器／採取ステーションに高温の湿ったオフガス試料を流体的に移送するために使用される。単純化された１つの設計では、被加熱導管は、抽出されたガス試料を高温で内部にて維持することによりその試料からの水分凝縮を実質的に防止するまたは最小限に抑えるために、抵抗型ヒータおよびカバー断熱材を備える。任意には、採取ステーションは、被加熱ガス採取チャンバを備えてもよく、これは、選択されたオフガス成分の露点または凝縮温度を上回る高温にて、ならびに最も好ましくは少なくとも１００℃および好ましくは約１３０℃±１０℃にて維持される光学測定セルを備える。採取ステーションおよび光学測定セルは、１つまたは複数のコヒーレント光源または関連するレーザに光学結合されるか、あるいはそれらを備える。レーザは、１つまたは複数のガス試料成分濃度の分析のために測定セルへとおよび抽出されたオフガス試料中にコヒーレント光線を送信するように動作可能である。別の可能な構造では、測定セルは、好ましくは光ファイバケーブルにより、赤外線域でおよび好ましくは中赤外線域でコヒーレント光線を放出するように動作可能であるＴＤＬレーザに光学結合される。測定セルは、抽出されたガス試料中のＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、水蒸気、および／またはＨ２の濃度を分析するように動作可能である。
【００２８】
システムの別の実施形態では、適切に設計された水冷式試料プローブおよび関連するポンプが、発煙ダクトからオフガス試料を連続的に強制抽出するために使用され得る。水冷式プローブは、発煙ダクト内部に位置決めされた開口端部を有する。プローブを通したオフガス試料の抽出に関連する遅延時間を最小限に抑えるために、本方法の好ましい実施形態では、プローブは、中央に配置されたより小径の抽出ラインを組み込み、前記抽出ラインの開口部は、主要本体となるより大径のプローブの開口の近傍に位置するように下方に延在する。延在するより小径の抽出ラインを使用することにより、プローブを通したオフガス試料の抽出のための滞留時間は著しく短縮される。また、微粒子状物質を除去するために定期的にバックパージされるこの抽出ラインは、煙霧浸入をさらに軽減するために適切に設計された一次フィルタを組み込んでもよい。また、抽出ラインは、ガスの露点温度超にオフガス温度を維持するように加熱されてもよい。
【００２９】
露点温度超にやはり加熱される中空導管が、プローブから付近の採取ステーションに高温の湿ったオフガス試料を連続的に移送するために後に使用される。
【００３０】
本システムでは、採取ステーションは、新規の設計のものであってもよく、好ましくは従来の抽出方法に関連する従来の分析ユニットよりもはるかによりコンパクトなサイズであり、環境保護ルームの必要性を伴わずに動作するように設計されている。採取ステーションのコンパクト特性と関連する環境制御ルームがないこととにより、採取ステーションは、プローブの非常に近傍にてプラントフロア上に直接的に位置決めされ、それによりオフガス移送に関連する応答遅延をさらに短縮することが可能となる。
【００３１】
採取ステーションは、２つの動作ステップでガスを分析するように構成され、これによりｉｎ  ｓｉｔｕ光学方法に比べて信頼性および精度が大幅に改善される。第１に、オフガス試料は、徐々に細目度が高まるフィルタで微粒子状物質を除去される。第２に、洗浄された湿ったガスは、一連の特別設計された分析セル内へと導入され、各セルは、前記セルにより分析されることとなるガス種に対して正確な波長のビームを発生させる遠隔可同調ダイオードレーザへと光ファイバケーブルにより接続された光送信機と、同軸ケーブルにより遠隔信号分析ユニットに接続された光検出器とを組み込む。ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ方法で全てのガス種を分析するために使用される固定経路長とは異なり、本方法では、採取ステーションにおける各分析セルの長さは、工業用途の分析要件にしたがって分析されることとなる特定のガスに必要な分析精度を満たすために必要とされる最適なレーザ送信長さへと調整される。さらに、本方法で使用されるレーザは、現行の抽出方法の場合のような定期的な較正確認または較正ガスを必要としない。
【００３２】
分析セル内にオフガス試料を導入する前に微粒子を除去するオフガスのフィルタリングは、現行のｉｎ  ｓｉｔｕ方法を上回る重要な進歩に相当する。清浄ガスの使用は、レーザビーム減衰および信号中断に関連する問題を大幅に軽減する。さらに、レーザ減衰問題の解消により、オフガス試料中の微粒子状物質によるレーザビームの減衰および散乱に関連する問題が存在しなくなるため、各ガス種に対する分析精度要件を満たすために必要とされる最適なレーザ送信長さへと各分析セルの長さ（Ｌ）を調整することが可能となる。
【００３３】
必須ではないが、最も好ましくは、採取ステーションは、石英ヒータまたは抵抗コイルヒータなどの適切な熱源を備える。熱源は、抽出されたガス試料が光学測定セルを通り移動するときに、この抽出されたガス試料を内部にて一定温度、好ましくは初期抽出時と同一温度に維持するのを補助するために、チャンバ内部の少なくとも分析部分を加熱するために使用される。
【００３４】
独立型キャビネット内に収容された、および従来の抽出方法に関連する従来のガス分析器ユニットと比較した場合によりコンパクトなサイズを有する採取ステーションが実現され得る。１つの単純化された設計では、被加熱ステーションおよび非加熱または被冷却ステーションを有する熱区分されたキャビネットが用意される。最も好ましい一構造では、キャビネットは、約１５０ｃｍ未満の、および好ましくは約５０〜約１００ｃｍの間の高さおよび幅の両寸法と、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍの範囲のキャビネット深さとを有する。
【００３５】
採取ステーションキャビネットのコンパクト特性と、関連する環境制御ルームが存在しないこととにより、採取ステーションは、プローブの近傍にて、ならびに好ましくはプローブの１〜５０メートル以内に、好ましくは２〜１５メートル以内に、およびより好ましくは５〜１０メートル以内においてプラントフロア上に直接的に位置決めされ得る。有利には、かかる近傍に採取ステーションを位置決めすることにより、試料送達距離が短縮されて、分析前のオフガス試料移送に関連する試料劣化および応答遅延が最小限に抑えられる。さらに、プローブおよびガス抽出箇所のかかる近傍に採取ステーションが位置することにより、蒸気の冷却および／または液化、および／または分析前の湿った抽出ガス試料からの揮発相の喪失が、最小限に抑えられ得る。
【００３６】
採取ステーションは、１つまたは複数の微粒子フィルタをさらに備えてもよく、採取ステーション内に送られたガス試料は、初めに微粒子状物質をさらに除去される。最も好ましくは、一連の徐々に細目度が高まるフィルタが、光学測定セルの上流に設けられてもよく、抽出されたオフガス試料は、送り込まれ通過するにつれて、分析のために１つまたは複数の光学測定セルを通過する前またはそこに送り込まれる前に、フィルタを通過する。
【００３７】
好ましい一実施形態では、分析セルもまた、オフガス露点超の温度にて動作することにより、追加のオフガス凝縮ステップの必要性を回避するように設計される。これにより、採取ステーションの物理的サイズをさらに縮小する凝縮器の必要性が解消される。さらに、湿ったオフガスを分析し、各特定の分析セルの設計を最適化し、信号分析ユニットにおいて所有権下にあるソフトウェアを使用することにより、本発明によって、Ｈ２Ｏ蒸気、ＣＯ、Ｏ２、ＣＯ２、およびＨ２の全スペクトル分析がやはり可能となる。多数の冶金学的用途および燃焼用途において、かかる全スペクトル分析を行うことにより、１００％からの差異によるＮ２濃度の判定が可能となる。
【００３８】
また、本発明により、共通レーザ発生器と各採取ステーション間で光学信号を配信する適切なマルチプレクサまたはスプリッタを備えた信号分析ユニットとに対してファイバおよび同軸ケーブルにより各採取ポイントのコンパクト採取ステーションを接続することによる、複数の採取ポイントにてオフガス組成を分析するための簡素化されたおよび有効な構成が可能となる。
【００３９】
本方法では、マルチポイント光学分析器が、プローブの近傍に位置する採取ステーション内に収容された特殊設計レーザセルに光ファイバケーブルによって接続される。光学分析器は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏ蒸気などのガスを含み得るがこれらに限定されない分析されるべき各ガス種ごとに個別の所望の波長域においてレーザビームを発生させる複数の可同調ダイオードレーザを含むように設計される。これらのレーザセルからの対応する信号は、信号分析によりガス組成を判定するために遠隔光学分析器に電子的に戻される。また、採取ステーションは、工業用途のニーズに合わせて追加的な分析能力を実現するために必要とされ得るような特殊設計された熱伝導性セルおよび電気機械セルなどの他の分析デバイスを収容するようにも設計され得る。これらの追加的なセンサは、ガスの露点温度超にて動作することにより湿ったオフガスを分析し、それにより抽出技術において必要とされるような凝縮器の必要性を解消するように特別に設計されたものである。さらに、これらのセンサは、較正ガスの必要性を伴わずに動作するように特別に設計されたものである。
【００４０】
初めの方に指摘したように、光学分析器は、マルチポイント分析能力を有するように設計され、複数の炉またはオフガス採取ポイントを有する工業用途に理想的に適した本方法を実現する最大で８つのしかしそれに限定されない個数の個別の採取ステーションからの信号を分析することが可能である。
【００４１】
必須ではないが、好ましくは、複数の採取チャンバが、直列配置または並列配置にて流体連結され、除去可能および交換可能であるモジュール式ユニットの一部として用意され得ることによって、分析されることとなる特定の所望のオフガス成分に対して特定的に容易に採取ステーションを調整することが可能となる。各セル採取チャンバは、分析されることとなる標的オフガス成分の所望の吸収プロファイルに対応した長さ（Ｌ）を有して形成され、関連する光送信機または光エミッタと、関連する光検出器とを備える。各採取チャンバにより、光送信機と関連する検出器との間の長さ（Ｌ）は、個別の工業用途の分析要件にしたがって分析されることとなる選択された特定のまたは目標のガス成分に対する所望の分析精度を満たすように選択された最適に放出されるコヒーレント光線送信長さへと調整される。システムと共に使用されるレーザは、既存の抽出方法の場合のような、各測定セルの定期的な較正確認または較正ガスエミッタを必要としない。むしろ、各セル内の光エミッタは、光ファイバケーブルにより１つまたは複数の遠隔配置された可同調ダイオードレーザに接続される。これらのレーザは、各光トランスミッタからコヒーレント光線を、ならびに好ましくは採取チャンバにより分析されることとなる特定のガス種に対する正確な波長の中赤外線域、金赤外線域、および可視域のビームを発生および放出するように動作することが可能である。各採取チャンバ内の関連する光検出器は、収集された放出ビームエネルギーを受光し、遠隔信号分析ユニットおよび／または炉制御へと同軸ケーブルにより電子的に送信されるデータに変換するために位置決めされる。
【００４２】
さらに、光学セル採取チャンバは、セル内のガス滞留時間および関連する遅延を軽減するために内部容積を最小限に抑えるように設計される。
【００４３】
別の実施形態では、測定セルは、多重レーザビームを受光するように構成された１つまたは複数の採取チャンバを備えてもよい。多重ビームは、単一の光ファイバケーブルにより光学的に送信される複数のレーザ源からの平行ビームを含み、これは、セルによる検出時に、ガス成分分析のために後に逆多重化される。
【００４４】
したがって、第１の態様では、本発明は、分析すべきガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析器装置である。この装置は、ガス成分測定セルであって、第１の細長採取チャンバおよび第２の細長採取チャンバであって、前記両採取チャンバが、分析すべき前記ガス試料を受け入れるためのガス吸気口と流体連通し、前記第１の採取チャンバおよび前記第２の採取チャンバが第１の端部から当該第１の端部から離間された第２の端部まで延在し、前記両採取チャンバが分析すべきガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに相関する長さをそれぞれ有する、第１の細長採取チャンバおよび第２の細長採取チャンバ、採取チャンバの第１の端部に向かって位置決めされる光学ヘッドであって、光学ヘッドがコヒーレント光源に光学結合されるように構成され、複数のエミッタを備え、エミッタが、コヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされる、光学ヘッド、および採取チャンバの第２の端部に向かって位置決めされる検出器アセンブリであって、ガス分析器に電子結合するために設けられ、前記エミッタから放出された前記コヒーレント光線を受光するための少なくとも１つの検出器を備える、検出器アセンブリを備える、ガス成分測定セルと、前記ガス成分測定セルによる分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するためのフィルタアセンブリと、ガス試料源と前記フィルタアセンブリとの間に、および前記フィルタアセンブリから前記ガス吸気口まで流体連通を実質的にもたらすガス導管アセンブリとを備える。
【００４５】
第２の態様では、本発明は、炉オフガス流からのガス試料のガス成分を測定するためのオフガス分析システムである。このシステムは、ガス分析器装置と、プロセッサと、コヒーレント光源と、前記オフガス流中の採取ポイントから前記ガス分析器装置まで前記ガス試料を流体連通させるためのガス導管アセンブリとを備える。ガス分析器装置は、ガス成分測定セルを備え、このガス成分測定セルは、前記ガス導管アセンブリと流体連通するガス吸気口と、複数の細長採取チャンバであって、前記ガス試料を受け入れるためのガス吸気口と流体連通し、それぞれの端部から当該端部から離間した第２の端部まで延在し、分析すべき前記ガス試料の関連する標的ガス成分の吸収プロファイルに相関するそれぞれの長さを有する、複数の細長採取チャンバと、採取チャンバの第１の端部に向かって位置決めされる光学ヘッドであって、光学ヘッドが前記コヒーレント光源に光学結合するように設けられ、複数のエミッタを備え、前記エミッタが関連する採取チャンバに実質的に沿ってコヒーレント光線を放出するように位置決めされる、光学ヘッドと、前記プロセッサと電気通信し、複数の光検出器を備える検出器アセンブリであって、前記検出器が電気信号として前記関連するコヒーレント光線の非吸収部分を検出および変換するために関連する採取チャンバの第２の端部に向かって位置決めされる、検出器アセンブリと、前記導管アセンブリおよび前記ガス成分測定セルと流体連通状態にあるフィルタアセンブリであって、前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記ガス試料から微粒子状物質を濾過するために、前記ガス吸気口から上流の位置に配設される、フィルタアセンブリとを備える。
【００４６】
第３の態様では、本発明は、炉ガス分析および制御システムである。この炉ガス分析および制御システムは、抽出された炉オフガス試料の選択されたガス成分を測定するように動作可能である少なくとも１つのガス分析器装置と、各前記ガス分析器と電気通信する、および各前記ガス分析器により検出された測定されたガス成分に応じて炉制御信号を出力するように動作可能であるシステムプロセッサと、コヒーレント光源と、前記オフガス流中の選択された採取ポイントと関連する前記ガス分析器装置との間で流体連通状態にあるガス導管アセンブリとを備える。各前記ガス分析器装置は、ガス成分測定セルを備え、このガス成分測定セルは、ガス吸気口およびガス排気口と、抽出されたオフガス試料を中に受け入れるための複数の細長採取チャンバであって、前記採取チャンバが相互におよび前記ガス吸気口と流体連通し、採取チャンバが第１の端部から当該第１の端部から離間した第２の端部までそれぞれ延在し、分析すべき前記オフガス試料の選択されたガス成分の吸収プロファイルに相関する長さをそれぞれ有する、複数の細長採取チャンバと、採取チャンバの第１の端部に向かって位置決めされた光学ヘッドであって、光学ヘッドが前記コヒーレント光源に光学結合するように設けられ、複数のエミッタを備え、前記エミッタが、コヒーレント光線を関連する採取チャンバに沿って放出するように位置決めされる、光学ヘッドと、前記関連するコヒーレント光線の非吸収部分を検出し電気信号に変換するための各関連する採取チャンバの第２の端部に向かって位置決めされた光検出器を備える検出器アセンブリと、前記ガス成分測定セルにおける分析前に前記抽出されたオフガス試料から微粒子状物質を濾過するために前記ガス吸気口から上流の位置に配設されるフィルタアセンブリと、前記選択された採取ポイントから選択された前記ガス分析器装置のガス吸気口まで前記オフガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリとを備える。
【００４７】
前述に加えて、本発明は、多数のさらなる非限定的態様を可能にし、それらには以下のものが含まれる。
【００４８】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記ガス成分測定セルは、採取チャンバの第１の端部および第２の端部のそれぞれに向かって離間されそれらをそれぞれ実質的に封止する第１の除去可能窓および第２の除去可能窓を備える。
【００４９】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、前記検出器アセンブリは、関連する前記検出器に向かって各前記平行光線を合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える。
【００５０】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記第１の採取チャンバおよび前記第２の採取チャンバは、ほぼ軸方向に整列された長手方向に延在する円筒状チャンバを備え、前記両チャンバは、実質的にそれらの長手方向全長に沿って流体連通して設けられ、前記ガス吸気口は、前記第１のチャンバの第１の端部に隣接する前記第１の採取チャンバに流体結合され、ガス排気口が、前記第２のチャンバの第２の端部に隣接する前記第２の採取チャンバに流体結合される。
【００５１】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記ガス成分測定セルは、モジュール式除去可能ユニットとして提供される。
【００５２】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、分析のために前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記測定セル内に前記ガス試料を搬送するように動作可能であるポンプアセンブリをさらに備える。
【００５３】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記オフガス分析器は、キャビネットを備え、前記ガス成分測定セル、前記ポンプアセンブリ、および前記フィルタアセンブリは、前記キャビネット内に実質的に収容される。
【００５４】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通状態にあるヒータアセンブリとを備え、前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に実質的に収容され、前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を約１０５℃〜１３０℃の間の温度に維持するように動作可能である。
【００５５】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記コヒーレント光源は、複数の可同調ダイオードレーザを備え、前記レーザは、関連するエミッタに光学結合するように設けられる。
【００５６】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、前記ガス試料は、製鋼炉オフガス流からのオフガス試料を含み、前記標的ガス成分は、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される。
【００５７】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析器装置であって、キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに備え、ポンプアセンブリは、非加熱コンパートメントの内部に実質的に収容されるポンプモータを備える。
【００５８】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記ガス導管アセンブリは、前記炉オフガス流のほぼ中央部分から前記オフガス試料を抽出するための細長採取プローブを含み、被加熱導管が、前記プローブおよび前記ガス分析器に流体結合し、被加熱導管は、約８０℃〜１５０℃の間で選択された温度にて加熱されたガス試料として、前記プローブから前記ガス分析器装置まで前記抽出されたガス試料を搬送するように動作可能である。
【００５９】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記ガス成分測定セルは、採取チャンバの第１の端部および第２の端部のそれぞれの付近で離間された第１の除去可能窓および第２の除去可能窓を備える。
【００６０】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記エミッタは、前記コヒーレント光線を平行光線として放出するように動作可能であるコリメータをさらに備え、前記検出器アセンブリは、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備え、前記レンズは、放出された平行光線を関連する光検出器に向かって合焦させるように構成される。
【００６１】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、複数の採取チャンバは、第１のほぼ円筒状のチャンバおよび第２のほぼ円筒状のチャンバを備え、前記第１の円筒状チャンバおよび前記第２の円筒状チャンバは、長手方向に延在するエッジ部分に沿って流体連通状態に設けられ、前記ガス吸気口は、前記第１のチャンバの第１の端部に隣接する前記第１の円筒状チャンバに流体結合され、ガス排気口が、前記第２のチャンバの第２の端部に隣接する前記第２の円筒状チャンバに流体結合される。
【００６２】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析装置またはシステムであって、前記ガス導管アセンブリは、最大で５０メートルに、および好ましくは約２〜１５メートルの間で選択された長さを有する被加熱ガス導管を備える。
【００６３】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、分析のために前記ガス試料源から前記フィルタアセンブリを通して前記採取チャンバ内に前記ガス試料を搬送するように動作可能なポンプアセンブリをさらに備える。
【００６４】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記ガス分析器装置は、被加熱コンパートメントを備えるキャビネットと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとをさらに備え、前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に実質的に収容され、前記ヒータアセンブリは、前記被加熱コンパートメント内部を約１０５℃〜１４０℃の間の温度に維持するように動作可能である。
【００６５】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、キャビネットは、非加熱コンパートメントをさらに備え、ポンプアセンブリは、非加熱コンパートメントの内部に実質的に収容されるポンプモータを備える。
【００６６】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記コヒーレント光源は、複数の可同調ダイオードレーザを備え、各前記レーザは、関連するエミッタに光学結合するように設けられる。
【００６７】
先述の態様のいずれかによるオフガス分析システムであって、前記オフガスシステムは、製鋼炉オフガス流を備え、前記ガス成分は、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される。
【００６８】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、少なくとも１つのガス分析器装置は、第１の分析器装置および第２の分析器装置を備え、コヒーレント光源は、複数の可同調ダイオードレーザを備え、スイッチアセンブリが、前記レーザと、前記第１の分析器装置および前記第２の分析器装置のうちの選択された一方の前記エミッタのうちの関連する一方とを選択的に光学結合するように動作可能である。
【００６９】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、前記ガス成分測定セルは、採取チャンバの第１の端部および第２の端部のそれぞれに向かって離間されそれらを実質的に封止する第１の除去可能窓および第２の除去可能窓を備え、各採取チャンバは、ほぼ同軸方向に整列された円筒状チャンバを備え、採取チャンバは、長手方向に延在する隣接し合うエッジ部分に沿って流体連通状態にある。
【００７０】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、前記エミッタは、前記コヒーレント光線を前記関連する採取チャンバに沿って平行光線として放出するように選択されたコリメータをさらに備え、前記検出器アセンブリは、関連する前記検出器に向かって各前記平行光線を合焦させるための、各前記採取チャンバに関連付けられたレンズをさらに備える。
【００７１】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、前記ガス導管アセンブリは、各選択された採取ポイントと各関連する前記ガス分析器装置との間の流体連通をもたらす関連する被加熱ガス導管を備え、各関連する被加熱ガス導管は、約２〜１５メートルの間で選択された長さを有する。
【００７２】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析器および／または分析および制御システムであって、前記ガス成分測定セルは、交換可能モジュール式ユニットとして提供される。
【００７３】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、各ガス分析器装置は、関連するキャビネット内に実質的に収容され、各前記キャビネットは、被加熱コンパートメントと、前記被加熱コンパートメントと熱連通するヒータアセンブリとを備え、前記ガス成分測定セルは、前記被加熱コンパートメントの内部に実質的に収容され、前記キャビネットは、約０．１〜２メートルの間でそれぞれ選択された幅、長さ、および高さの寸法を有する。
【００７４】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、複数の前記ガス分析器装置を備え、前記炉は、製鋼炉を備え、前記選択されたガス成分はＮ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、水蒸気、およびＯ２からなる群より選択される。
【００７５】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、各前記ガス分析器装置は、前記試料中の水蒸気濃度を感知するために前記ガス成分測定セルと流体連通する水蒸気センサをさらに備える。
【００７６】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムであって、前記水蒸気センサは、前記キャビネットの前記被加熱コンパートメント内に配設される。
【００７７】
任意の先述の態様による、または、任意の先述の態様による複数のオフガス分析器装置と、オフガス分析器装置にコヒーレント光を光学連通するための少なくとも１つのコヒーレント光源と、各前記オフガス分析器装置および少なくとも１つのコヒーレント光源と電気通信するシステムプロセッサとを備える、炉ガス分析および制御システムの使用。第１の前記オフガス分析器のガス導管アセンブリは、第１の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために炉オフガス煙道に沿って第１の採取位置と流体連通状態に設けられ、第２の前記オフガス分析器のガス導管アセンブリは、第２の採取位置から関連する抽出されたガス試料を受け入れるために炉オフガス煙道に沿って第２の採取位置と流体連通状態に設けられ、前記第２の採取ステーションは、前記第１の採取ステーションから離間される。使用時に、第１のガス分析器の採取チャンバ内への関連する抽出されたガス試料の抽出および連通の後に、前記システムプロセッサは、採取チャンバに沿って少なくとも１つの前記コヒーレント光源からコヒーレント光線を放出するように前記第１のオフガス分析器を作動させ、検出器アセンブリにより、前記第１の採取位置にてＮ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、および水蒸気からなる群より選択される関連する標的オフガス成分の吸収プロファイルとして採取チャンバ中に放出されたコヒーレント光線を検出および測定する。第２のガス分析器の採取チャンバへの関連する抽出されたガス試料の抽出および連通の後に、システムプロセッサは、採取チャンバに沿って少なくとも１つの前記コヒーレント光源からコヒーレント光線を放出するように前記第２のオフガス分析器を作動させ、検出器アセンブリにより、前記第２の採取位置にて関連する標的オフガス成分の吸収プロファイルとして放出されたコヒーレント光線を検出および測定し、標的オフガス成分の測定された吸収プロファイルと第１の採取位置および第２の採取位置とを比較し、比較に基づき炉制御信号を生成する。
【００７８】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムの使用であって、システムプロセッサは、炉オフガス煙道に沿って１つまたは複数の採取位置に対して加重されたガス試料分析を実行するために、増加した時間および／または頻度だけ前記オフガス分析器の中の１つまたは複数を優先的に作動させるように動作可能である。
【００７９】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムの使用であって、さらに、第１のオフガス分析器の作動中に、採取チャンバ内の温度を関連する抽出されたガス試料の露点より高く維持し、少なくとも１つの関連する標的オフガス成分が水蒸気を含む、使用。
【００８０】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムの使用であって、炉ガス分析および制御システムは、少なくとも１つの前記コヒーレント光源と第１のオフガス分析器および／または第２のオフガス分析器の光学ヘッドとを選択的に光学結合するように動作可能である光学スイッチアセンブリをさらに備え、システムプロセッサは、第１のオフガス分析器装置および第２のオフガス分析器装置の選択された一方を選択的に作動させるように動作可能であり、選択的に作動された場合に第１のオフガス分析器および第２のオフガス分析器のそれぞれに少なくとも１つのコヒーレント光源を光学結合するように光学スイッチアセンブリを動作させる、使用。
【００８１】
先述の態様のいずれかによる炉ガス分析および制御システムの使用であって、前記コヒーレント光源は、可同調レーザビームを備える。
【発明の効果】
【００８２】
本発明の利点
本出願人は、本発明の様々な好ましい特徴が、１つまたは複数の非限定的な利点を実現するように組み合わされ得る点を認識しており、これらには以下のものが含まれ得る。
【００８３】
−  分析能力：部分的なオフガス分析のみを実現するｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムとは異なり、本発明は、全てのまたはより完全なスペクトルのオフガス化学成分を分析するように動作可能である採取ステーションへと、必要に応じて他の分析デバイスと共にレーザセルを組み込むことができる。例えば、製鋼炉用途では、本発明は、好ましくは５つのガス種すなわちＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２、およびＨ２Ｏ蒸気を分析するように設計され、それにより以前に説明したように差分析によりＮ２濃度を判定するように動作し得る。
【００８４】
−  分析精度：固定経路長を使用することにより、分析精度とレーザビーム減衰問題を最小限に抑えることとの間における妥協点として決定される前記固定経路長によって全てのガス種を分析するｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムとは異なり、好ましい一態様では、本発明は、分析される各ガス種の採取に対して調整され得る個別のレーザ測定セルを組み込み得る。好ましくは、個別のレーザセルが、各ガス種の分析精度要件を満たすために必要とされる最適なレーザ送信を実現するように特殊設計される。
【００８５】
−  較正：ルーチン較正確認および高額な特殊較正ガスを必要とする抽出システムとは異なり、レーザ測定セルおよび他の分析デバイスの使用により、手動較正確認または特殊較正ガスの必要性が回避され得る。
【００８６】
−  分析応答遅延：しばしば約２０〜４０秒である長い応答時間を有する抽出システムとは異なり、有利には、本システムは、比較的より高い流量でおよび／またはプローブを通してオフガス試料を抽出するために高速ポンプを使用することができ、好ましい実施形態では、これらのプローブは、中央に位置するより小径の抽出ラインを組み込む。抽出ライン中への開口部は、主要本体となるより大径のプローブの開口の近傍に位置するように下方に延在されてもよい。オフガスは、保護ルームの必要性を伴わずに作業場に直接的に位置決めされ得る小サイズ採取ステーションへと高速で送られることにより、プローブの近傍への従来の採取ステーションの位置決めの妨げとなる空間考慮要件を取り除き得る。後流から抽出されたガス流の小部分のみを使用する抽出分析器とは異なり、好ましくは、レーザ測定セルおよび採取ステーション内部に位置する他の分析デバイスは、名目上においておよび必須ではないが最大４０リットル／分の流量での高流オフガスを助長するように設計され、それにより約８秒以下まで本発明の分析応答遅延を短縮する。
【００８７】
−  分析信頼性：エミッタから検出器へのオフガス煙霧を通したレーザビームの受動的送信に依存する、および十分なレベルの検出を妨げるレーザビームの減衰を被ることにより中断されるオフガス分析を結果的にもたらし得るｉｎ  ｓｉｔｕレーザシステムとは異なり、本発明は、抽出システムと均等またはそれよりも良好であり得る非常に高い分析信頼性を有する。本発明は、オフガス試料が分析測定セルに送達されるのを確実にする強制抽出を利用した「能動的」技術である。ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ方法とは異なり、レーザビーム送信の信頼性は、レーザ測定セルへの濾過済みガスの導入前に微粒子状物質を除去するように選択された一連のフィルタによるオフガス試料の第１のフィルタリングによって強化される。
【００８８】
本方法は、工業プロセスがオフガスを生成している場合には常に、本発明によりポンプが自動的にオンに切り替えられて高吸気をもたらすことにより、プローブを通したオフガス試料を能動的に抽出し、濾過および分析用の採取ステーションへとこのオフガス試料を高速で送達するように、炉制御ネットワークと連動される。工業プロセスが、待機モードにありオフガスを生成していない場合には、本システムは、蓄積した微粒子状物質を除去するためにフィルタおよびプローブのバックパージへと自動的に切り替わるように動作し得る。
【００８９】
−  設置およびメンテナンスに関連する考慮要件：抽出システムは、ｉｎ  ｓｉｔｕシステムよりも高い設置コストがかかり、より多くのメンテナンスを必要とする。本発明により、作業場に直接的に配置され得るよりコンパクトな採取ステーションの使用が可能となり、それにより環境保護筐体内への大型分析器の設置コストおよび設置の複雑化が回避される。また、本発明は、濾過済みの湿った高温ガスの分析を可能にし、それにより水蒸気凝縮器を保全するために必要とされるメンテナンスが回避され得る。さらに、本発明は、手動較正確認または特殊較正ガスの必要性を最小限に抑える。
【００９０】
−  プロセス制御機能性：全スペクトルオフガス分析を実現できないｉｎ  ｓｉｔｕレーザ方法とは異なり、好ましい一態様では、本発明は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２、およびＨ２Ｏ蒸気を含むがそれらに限定されない全スペクトルオフガス分析を実現するように設計される。
【００９１】
例えば、以下の表は、製鋼炉において完全なプロセス制御および最適機能性を実現するために必要とされるキーとなるガス種分析と共に様々なオフガス分析技術の分析能力を提示する。示すように、最も好ましくは、本システムは、従来の抽出技術の欠点の多くを伴わずに差異によりＮ２の分析を含む全スペクトルオフガス分析を実現する。したがって、本発明は、ｉｎ  ｓｉｔｕレーザ技術により実現される、ならびにＮ２およびＨ２を含む多くの単環二価ガスの分析が技術的に不可能である、限定的な分析能力を上回る利点を有するより完全なオフガス分析スペクトルを実現することができる（Ｓ．  Ｓｃｈｉｌｔ、Ｆ．Ｋ．  Ｔｉｔｔｅｌ、およびＫ．Ｐ．  Ｐｅｔｒｏｖ「Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒａｃｅ  Ｇａｓｅｓ」Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１〜２９頁、２０１１年）。
【００９２】
【表１】
0006679569.tif 000002
【００９３】
ここで、添付の図面と共に、以下の詳細な説明への参照が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１Ａ】本発明の好ましい一実施形態による炉ガス分析および制御システムの概略図である。
【図１Ｂ】本発明の好ましい一実施形態による炉ガス分析および制御システムの概略図である。
【図２】図１の分析および制御システムにおいて使用されるガス抽出プローブの概略図である。
【図３】図１のガス分析および制御システムにおいて使用されるガス採取分析器の概略図である。
【図４】好ましい一実施形態による、ガス水蒸気およびガス成分測定セルと、ガスフィルタアセンブリとを示す、図３に示すガス採取分析器の概略内部図である。
【図５】図４に示すガス成分測定セルの拡大斜視図である。
【図６】図５に示すガス成分測定セルの概略図である。
【図７】線７−７’に沿った図６に示すガス成分測定セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００９５】
図１を参照すると、本発明の好ましい一実施形態による、工業用製鋼炉のオフガス分析および制御において使用される炉ガス分析および制御システム１０が示される。図１に最も良く示すように、システム１０は、３つのガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備え、これらは、適切な２線型光ファイバ／同軸ケーブル３０により制御ユニット２０に光学的におよび電子的に接続される。さらに、採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃはそれぞれ、関連するガス抽出導管アセンブリ１４ａ、１４ｂ、１４ｃにより炉ガス発煙ダクト１６とガス連通状態にされる。
【００９６】
図示するように、各導管アセンブリ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、炉発煙ダクト１６に沿って長手方向に離間されて位置するそれぞれ事前選択されたオフガス抽出採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃに位置決めされた、ガス抽出プローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを備える。
【００９７】
システム制御ユニット２０は、採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃから遠い位置に、および好ましくは高い炉温および塵埃の両方から隔離された位置に設けられ得る。制御ユニット２０は、ＣＰＵなどのプロセッサ２２と、中赤外線域でコヒーレント光線を出力するように動作可能な３つの可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、光学スイッチユニット２６と、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）２８と、マルチプレクサ／デマルチプレクサ３２とを備える。
【００９８】
以降で説明されるように、光学スイッチユニット２６は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ３２および光ファイバ／同軸ケーブル３０と組み合わせて、オフガス試料が抽出および分析される所望の採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃに応じて、各ガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃにレーザ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを選択的に光学的かつ電子的に結合するために使用される。より好ましくは、光ファイバ／同軸ケーブル３０は、スイッチユニット２６および受信データに応じて炉プラント動作制御部の両方を制御するために、ガス試料分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃから論理制御装置およびＣＰＵ２２に電気信号を送信するために使用される二次同軸導管を備える。有利には、マルチプレクサ／デマルチプレクサ３２の使用により、レーザ２４ａ、２４ｂ、２４ｃが別個の分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃに光学的に接続され得る一方で、代替的な一構造では、１つまたは複数の光スプリッタが、出力レーザビームエネルギーのスプリットと、より低い出力レベルでの複数の分析器１２ａ、１２ｂ、および／または１２ｃへの個別的な同時送信とを可能にするために使用され得る。
【００９９】
１つの可能な動作モードでは、ガス抽出プローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、発煙ダクト１６に沿って事前選択された抽出箇所Ａ、Ｂ、Ｃに位置決めされ、これらの箇所は、全体的な炉動作性能の評価において、各関連する採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃにより実施されることとなる選択されたガス成分分析の重要性と相関して優先順位が付けられる。動作時には、制御ユニットプロセッサ２２は、関連するプローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃによりオフガス試料を抽出し、選択された抽出箇所Ａ、Ｂ、Ｃにてオフガス試料中の１つまたは複数の標的ガス成分を分析するために、各ガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを選択的に作動および制御するように使用される。１つの好ましい動作モードでは、プロセッサ２２は、二次採取ポイントＢおよびＣにおいて実施される抽出および分析と比較して最も重要なガス採取ポイントＡにおいて、より頻繁におよび／またはより長期間に加重ガス試料抽出および分析を実施するために使用され得ることが予期される。このようにすることで、１つの可能な動作モードでは、プロセッサ２２は、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｃの順序で各採取ポイントから加重された試料抽出および分析を実施するために、採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを作動させるように使用され得る。代替的な動作モードでは、各採取分析器１２ａ、１２ｂ、２１ｃは、連続動作モードで採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃにて周期的抽出および分析を実施するために単に連続的に動作されてもよい点が、および／または抽出および分析は、採取ポイントＢもしくはＣで実施されるよりも長期間にわたり選択された採取ポイントＡにて実施されてもよい点が理解されよう。
【０１００】
各ガス導管アセンブリ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、抽出プローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに加えて、試料ガス供給導管３４およびパージガス戻りライン３６を備えるように図示される。図２は、図１に示す各ガス導管アセンブリ１４ａ、１４ｂ、１４ｃにおいて使用される抽出プローブ１８を最も良く示す。好ましくは、プローブ１８は、排気ガス流１００中の所望の採取ポイントにて発煙ダクト１６内部に位置するように設けられた、開口端部３７を有する細長中空管状水冷式プローブである。プローブ１８を介したオフガス試料の抽出に関連する遅延時間を最小限に抑えるために、プローブ１８は、同軸配置されたより小径の抽出ライン３８を組み込む。図２で最も良く示すように、抽出ライン３８の端部は、プローブ内部に沿って下方に延在して、プローブ１８の主要なより大径の本体の端部開口３７の近傍に位置する。延在するより小径の抽出ライン３８を使用することにより、プローブ１８を介して抽出されるオフガス試料の滞留時間は、著しく短縮される。また、抽出ライン３８の端部は、中への煙霧塵埃浸入を軽減するために適切に設計された一次フィルタを組み込んでもよい。好ましくは、抽出ライン３８は、蓄積した微粒子状物質を撤去および除去するために、例えばガス戻り導管３６を経由して適切に加圧された供給源またはポンプアセンブリ６４（図４）から抽出ライン３８を通して圧縮窒素ガスまたは逆流空気流を選択的に供給することなどによってなど、定期的なバックパージにより洗浄される。
【０１０１】
代替的な一構造では、ガス戻り導管３６は、抽出ライン３８の外部に沿って蓄積した塵埃またはデブリの洗浄および撤去を容易にするために、発煙ダクト１６内に分析された試料ガスを排出し戻すおよび／またはプローブ１８の内部に沿って加圧されたパージガス流を供給するために設けられてもよい。
【０１０２】
図２は、各採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃから関連するガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃまで抽出されたオフガス試料を搬送するために使用される、ガス供給導管３４に流体結合されるような各プローブ１８の抽出ライン３８を示す。ガス供給導管３４は、抽出されたガス試料を受け入れるためにプローブ抽出ライン３８の上方外方端部に流体結合されるように図示される。供給導管３４は、抵抗コイルヒータストリップまたは他の適切な加熱ジャケット４０と、周囲の断熱材４１とを備える。ヒータストリップ４０は、試料がプローブ１８と関連するガス採取分析器１２との間でガス供給導管３４に沿って移動するときに、約８０℃〜１６０℃の間の、およびより好ましくは１００℃〜１３０℃±１０℃の間の温度に抽出されたガス試料を維持するように動作可能である。
【０１０３】
図３および図４は、本発明の好ましい一実施形態によるシステム１０で使用される各ガス採取分析器１２を最も良く示す。採取分析器１２は、被加熱セクション４６と被冷却セクションまたは低温セクション４８とに内部が区分された外部金属キャビネット４４を備える。キャビネット４４は、約０．５〜１．２５メートルの間の幅および高さ寸法と、約０．１５〜０．４メートルのキャビネット深さとを有するコンパクトな全体設計を備える。有利には、ガス分析器１２のサイズがコンパクトであることにより、発煙ダクト１６の近傍への、および専用のルームまたは筐体を用いて収容する必要性を伴わない配置が可能となる。結果として、ガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、関連する採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃの近傍に、ならびに好ましくはその１〜２０メートル以内に、およびさらに好ましくはその５〜１５メートル以内に設けられ、対応してより短い長さとなったガス採取導管３４が、各プローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃと連通するために使用され得る。
【０１０４】
図３に概略的に示すように、キャビネット４４の被加熱セクション４６は、ガスフィルタアセンブリ５０と、抽出されたオフガス試料中の選択された標的ガス成分を検出および測定するために使用される成分光学測定セル６０と、抽出されたガス中の水蒸気含有量を検出するための水検出セル５２とを収容するために使用される。
【０１０５】
誘導コイルヒータ５４（図４）が、キャビネット４４の被加熱セクション４６内に配設される。ヒータ５４は、抽出されたオフガス試料中の水蒸気の凝縮点超の温度まで、好ましくは約８０℃〜１６０℃の間の温度まで、およびより好ましくは約１００℃〜１３０℃±１０℃の間の温度まで、被加熱セクション４６を加熱するように動作可能である。既述のように、好ましくは、ガス成分測定セル６０は、抽出されたオフガス試料の各成分としてのＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、および／またはＨ２の濃度を測定するように動作可能である。図３は、ガス分析器ポンプアセンブリ６４のポンプモータ６６（図４）、ならびに全般的冷却およびパージ弁、温度センサ７０、および温度損傷をより被りやすい場合のあるガス分析器電子機器７２を収容するものとして、キャビネット４４の低温セクション４８を概略的に示す。
【０１０６】
図４は、ポンプモータ６６により機械的に動作可能であるポンプヘッド７４をさらに有するようなポンプアセンブリ６４を最も良く示す。ポンプヘッド７４は、キャビネット４４の被加熱セクション４６内に位置決めされる。被冷却セクション４８内にポンプモータ６６を維持することにより、ポンプの過熱および損傷リスクが最小限に抑えられ得る点を理解されたい。
【０１０７】
図４は、キャビネット被加熱セクション４６内に配設された内部キャビネットガス供給導管１２０と流体連通するような被加熱ガス供給導管３４を示し、これは、ポンプヘッド７４に流体結合される。被加熱セクション４６が、誘導コイルヒータ５４により所望の加熱温度に維持されることにより、キャビネット４４を貫通して延在する場合のガス供給導管１２０の個別の加熱は、不要となる。
【０１０８】
フィルタアセンブリ５０は、上流微粒子粗フィルタ５２ａおよび下流微粒子細フィルタ５２ｂを備える。ガス供給導管１２０は、粗フィルタ５２ａ、ポンプヘッド７４、および細フィルタ５２ｂの通過後に初めに測定セル６０まで抽出されたガス試料を搬送するために設けられる。有利には、細フィルタ５２ａの上流におよび粗フィルタ５２ａの下流の位置にポンプヘッド７４を設けることにより、抽出されたガス試料が正圧下で細フィルタ５２ｂ中に導入される点を本出願人は認識している。さらに、図４は、測定セル６０と測定セル６０の上流の試料水蒸気含有量を検出するための水蒸気センサ６２との両方と流体連通するような導管１２０を示す。代替的な一実施形態では、光学測定セル６０は水蒸気センサ６２の上流に位置決めされ得る、および／または水蒸気センサ６２はその全体がガス分析器１２から省かれ得る点を理解されたい。
【０１０９】
結果として、ポンプアセンブリ６４の作動は、プローブ１８を通しておよび加熱されたガス供給チューブ３４に沿ってキャビネット４４内にオフガス試料を抽出および引き込むために使用される。ガス試料がキャビネット４４内に移動すると、ガス試料は、導管１２０を経由してフィルタ５２ａ、５２ｂを通り、次いで水蒸気センサ６２および光学測定セル６０内に移動する。
【０１１０】
図５〜図７は、図４に示すガス採取分析器１２で使用されるガス成分測定セル６０を最も良く示す。最も好ましくは、測定セル６０は、配置および除去を簡易化するように構成されたモジュール式ユニットとして用意される。測定セル６０は、２つの細長のおよび平行配置された円筒状採取チャンバ８０ａ、８０ｂを備えるものとして、図６および図７に最も良く示される。各採取チャンバ８０ａ、８０ｂは、隣接し合う第１の端部８４から離間された各第２の端部８８まで平行長手方向軸に沿って延在する。図７に最も良く示すように、採取チャンバ８０ａ、８０ｂは、隣接し合う近位長手方向エッジに沿って延在する幅狭スリット開口８９により相互に対して開いており、この幅狭スリット開口８９は、実質的に無制限のガス流を間に流し得るが、採取チャンバ８０ａからチャンバ８０ｂ内またはその逆への光エネルギーの移動を実質的に防止するように選択された幅を有する。
【０１１１】
図６は、採取チャンバ８０ａの第１の端部８４に隣接する、採取チャンバ８０ａに対して開いたガス吸気口ポート８２と、採取チャンバ８０ｂの第２の対向側の端部８８に隣接する、採取チャンバ８０ｂに対して開いたガス排気ポート８６とをさらに備えるような測定セル６０を示す。各採取チャンバ８０ａ、８０ｂの長さは、測定セル６０により分析されることとなる所望の標的ガス成分の吸収プロファイルに相関する。さらに、モジュール特性により、各セル６０は、容易に交換でき、分析器１２は、所望の標的ガス吸収プロファイルを有する採取チャンバ８０ａ、８０ｂを選択することにより種々のガス成分を検出するように容易に修正され得る。
【０１１２】
図５は、チャンバ８０ａ、８０ｂの第１の端部８４に向かって位置決めされた光学ヘッド９０を備えるような測定セル６０を示す。光学ヘッド９０は、試料チャンバ８０ａ、８０ｂの長手方向軸とそれぞれ同軸方向に配列された一対の光エミッタ９０ａ、９０ｂを備える。最も好ましくは、各エミッタが、コリメータを備える。光エミッタ９２ａ、９２ｂは、光ファイバ／同軸ケーブル３０の光ファイバケーブル配線により可同調ダイオードレーザ２４ａ、２４ｂへとスイッチユニット２６を介して光学接続される。各光エミッタ９２ａ、９２ｂは、放出されるレーザビームの幅を幅広にすることにより、抽出されたオフガス試料中に混入し得る塵埃または粒子による干渉の可能性を最小限に抑えるように構成されたコリメータ９４をさらに備える。このようにすることで、レーザ２４ａ、２４ｂからのコヒーレント光線は、平行レーザビームとして各エミッタ９２ａ、９２ｂから放出され、それによりガス試料中に残留する混入した塵埃または微粒子状物質が結果的に誤測を招く可能性を低減させる。
【０１１３】
好ましくは、除去可能な窓またはレンズ９６が、チャンバ８０ａ、８０ｂの第１の端部８４に位置決めされる。位置決めされると、窓９６は、採取チャンバ８０ａ、８０ｂの第１の端部８４を実質的に封止して、採取されたガスおよび／または混入塵埃の通過移動を防止する。さらに、除去可能な窓またはレンズ１０４が、採取チャンバの第２の端部８８を封止するために採取チャンバ８０ａ、８０ｂの第２の端部８８に設けられる。有利には、窓９６、１０４の除去により、セルのメンテナンスおよび定期洗浄の簡易化が可能となる。
【０１１４】
図６は、採取チャンバ８０ａ、８０ｂの第２の端部８８に向かって位置決めされた検出器アセンブリ９８を有するような測定セル６０をさらに示す。検出器アセンブリ９８は、各採取チャンバ８０ａ、８０ｂの第２の端部８８に向かって位置決めされた一対の集束レンズ１０２ａ、１０２ｂおよび光検出器１０６ａ、１０６ｂを備える。光センサ１０６ａ、１０６ｂは、光ファイバ／同軸ケーブル３０の同軸配線によりＣＰＵ２０と電気通信状態に設けられる。集束レンズ１０２ａ、１０２ｂは、各検出器１０６ａ、１０６ｂに向かって平行レーザビームを再合焦させるように選択され、光エネルギーは、収集されそれにより電子データ信号へと変換される。
【０１１５】
水蒸気分析の場合には、抽出されたガス試料は、測定セル６０内での分析前に、水蒸気センサ６２を通過される。１つの非限定的な構造では、センサ６２は、測定セル６０と同様の構造を有する光学ベースセンサであってもよい。かかる構造では、センサ６２は、光ファイバ／同軸ケーブル３０の光ファイバケーブル配線によるレーザ２４ｃへの選択的光学結合のために設けられ得る。最も好ましくは、水蒸気センサ６２は、レーザ２４ｃまたは検出器に光学結合されたコヒーレント光源エミッタを備える。センサ６２は、選択されたガス試料中の水蒸気に関する吸収プロファイルに対応した光学的長さを備える。
【０１１６】
ガス分析および制御システム１０の使用において、ＣＰＵ２０は、対象となる所望の抽出箇所Ａ、Ｂ、Ｃにてオフガス試料を抽出および分析するために、選択されたガス採取分析器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを作動させるように使用される。ＣＰＵ２０からの信号は、選択された分析器電子機器７２により受信され、そのポンプモータ６６を作動させるために使用される。モータ６６が作動されると、オフガス試料は、発煙ダクト１６からおよびガス供給導管３４に沿って関連する抽出プローブ１８を経由してキャビネット４４の被加熱セクション４６内に実質的に連続的に引き込まれる。最も好ましくは、ポンプモータ６６は、供給導管３４に沿って、および滞留時間および分析応答遅延を最小限に抑えるために例えば最大で約４０リットル／分などのより高い流量でフィルタ５２ａおよび測定セル６０を通して抽出されたガス試料を搬送するように選択される。抽出されたガス試料がキャビネット４４を通り移動する場合に、このガス試料は、導管１２０を経由して粗フィルタ５２ａを通過する。次いで、オフガス試料は、正圧下において細フィルタ５２ｂに押し通され、含水量分析のために水センサ６２内に押し込まれる。水センサ６２からの移動時に、オフガス試料は、ガス吸気口ポート８２を経由して測定セル６０の採取チャンバ８０ａ、８０ｂ内に移動する。
【０１１７】
結果として、制御ユニット２０は、関連する検出器による検出のために、レーザ２４ａ、２４ｂ、２４ｃから、測定セル６０の光エミッタ９２ａ、９２ｂから、および水蒸気センサ６２内のエミッタからコヒーレント光線を放出するように使用される。
【０１１８】
光学測定セル６０では、各採取チャンバ８０ａ、８０ｂは、分析されることとなる特定の標的ガス成分の吸収プロファイルに相関する長手方向長さを備える。最も好ましい構造では、試料チャンバ８０ａ、８０ｂは、抽出されたオフガス試料中のＣＯおよびＣＯ２ならびにＯ２のそれぞれを分析するために選択された吸収プロファイルに対応する長さを備える。光エミッタ９２ａ、９２ｂにより放出されるコヒーレント光線は、合焦され、光検出器１０６ａ、１０６ｂのそれぞれにより検出される。検出器および分析器電子機器７２は、検出された光エネルギーを電子データ信号へと変換し、その後これらの信号は、光ファイバ／同軸ケーブル３０の同軸ケーブル配線によりＣＰＵ２０へと送信されて戻される。採取されたオフガス中の選択された標的成分の濃度および／または変化に応じて、制御ユニット２０は、全体的な炉動作を調整または変更するために炉プラントへ制御信号を出力し得る。
【０１１９】
したがって、好ましい一構造では、単一のレーザがＣＯおよびＣＯ２の両分析を実行するために使用され得る点を理解されたい。しかし、代替的な一実施形態では、個別の試料チャンバ８０が、ＣＯおよびＣＯ２を個別に分析するために設けられ、これらは個別のまたは共通のコヒーレント光源に光学結合され得る。
【０１２０】
また、この好ましい実施形態では、ガス分析器セル６０は、オフガス露点および／または蒸気凝縮点を上回る温度にて動作するように、および／または相ガス成分を検証するように設計される。有利には、これは、追加のオフガス凝縮ステップの必要性および凝縮器の必要性を解消して、採取ステーションの物理的サイズのさらなる縮小を可能にする。さらに、湿ったオフガスを分析し、各特定の分析セルの設計を最適化し、信号分析ユニットにおいて適したソフトウェアを使用することにより、本発明は、Ｈ２Ｏ蒸気、ＣＯ、Ｏ２、ＣＯ２、およびＨ２を含むがそれらに限定されない様々な異なるタイプのガスの全スペクトル分析をさらに可能にする。多くの冶金用途および燃焼用途において、かかる全スペクトル分析を行うことにより、１００％からの差異によってＮ２の濃度を判定することが可能となる。
【０１２１】
分析後に、分析されたガス試料は、次いで雰囲気内に通気されるか、または任意にはガス戻り導管３６により発煙ダクト１６内へと通気されて戻る。発煙ダクト１６に採取されたガスを戻すためにガス戻り導管３６を使用することが、本発明の一実施形態に相当し得るが、本発明はそれに限定されない。代替的構成では、ガス戻り導管３６は、プローブ洗浄を補助するために抽出プローブ１８にパージ窒素ガスを搬送するために使用され得る。弁が、パージ動作を制御および容易化するためにキャビネット４４の被冷却セクション４８内に設けられてもよい。
【０１２２】
また、本発明により、各採取ステーション１２間で光信号を配信するために設けられた共通レーザ２４および単一のＣＰＵ２０または信号分析ユニットに対して光ファイバ／同軸ケーブル３０によって各採取ポイントにてコンパクトな採取分析器１２を接続することにより、複数の採取ポイントＡ、Ｂ、Ｃにてオフガス成分を分析するための単純かつ効果的な構成が可能となる。
【０１２３】
詳細な説明は、中赤外線域で動作可能である可同調ダイオードレーザ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを備えるような装置１０を説明するが、他のレーザおよび／または光学分析器が使用されてもよい点を理解されたい。選択され得る他のタイプのレーザとしては、近赤外線域および可視波長域で動作可能であるものが含まれる。同様に、前述の説明は、含塵工業製鋼プラント炉オフガスの分析において使用されるようなシステム１０を説明するが、本システムおよび本方法は、様々な異なるタイプの排気システムにわたって適用性を有する点を理解されたい。これらは、他のタイプの工業炉、ならびに石炭および電気により発生するオフガス煙道流等を含む。
【０１２４】
詳細な説明は、３つの採取キャビネット１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備えるような制御システム１０を説明するが、システム１０は、本発明から逸脱することなくより少数または多数の採取キャビネット１２を有して設置され得る点を理解されたい。同様に、図１に示す本発明は、各ガス採取キャビネット１２ａ、１２ｂ、１２ｃと関連するガス抽出プローブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを備えるようなシステム１０を示すが、代替的な一構成では、抽出プローブ１８の個数は、システムハードウェアコストを最小限に抑える観点から単一の採取キャビネット１２と選択的に流体連通するように用意することが可能である。
【０１２５】
詳細な説明は、２つの平行採取チャンバ８０ａ、８０ｂを備える単一の測定セル６０を有するような各採取分析器１２を説明するが、本発明はそれに限定されない。ガス採取分析器１２は、複数の測定セル６０を備え、各測定セル６０は、関連するコヒーレント光源エミッタおよび検出器に光学的および電気的に結合するために設けられたより少数または多数の採取チャンバ８０を有し得る点を理解されたい。同様に、好ましい測定セル６０は、長手方向スリット開口により流体連通するほぼ円筒状の採取チャンバ８０を有するように説明されるが、本発明は、既述のベストモードに特定的に限定されない。種々の長さおよび／またはプロファイルを有する採取チャンバが使用されてもよく、明らかになろう。
【０１２６】
システム１０は、図１を参照として説明され、個別のレーザ２４ａ、２４ｂは、ＣＯ、ＣＯ２、およびＯ２の分析のために各試料チャンバ８０ａ、８０ｂに沿ってコヒーレント光線を放出するように使用される。代替的な一構造では、単一のレーザ源が、ＣＯ、ＣＯ２、およびＯ２のそれぞれを測定するために設けられ、出力ビームエネルギーは、適切な光スプリッタ（図示せず）により採取チャンバ８０ａ、８０ｂ間でスプリットされるか、またはマルチプレクサ２８および／またはスイッチユニット２６により採取チャンバ８０ａ、８０ｂ間で切り替えられ得る。
【０１２７】
詳細な説明は、様々な好ましい実施形態を説明および図示するが、本発明は、説明される特定の構造に限定されない。多数の変更および修正が、当業者には想起されよう。本発明の定義については、添付の特許請求の範囲を参照とする。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  炉ガス分析および制御システム
１２  ガス採取分析器
１２ａ  ガス採取分析器
１２ｂ  ガス採取分析器
１２ｃ  ガス採取分析器
１４ａ  ガス抽出導管アセンブリ
１４ｂ  ガス抽出導管アセンブリ
１４ｃ  ガス抽出導管アセンブリ
１６  炉ガス発煙ダクト
１８  ガス抽出プローブ
１８ａ  ガス抽出プローブ
１８ｂ  ガス抽出プローブ
１８ｃ  ガス抽出プローブ
２０  システム制御ユニット
２２  プロセッサ、ＣＰＵ
２４ａ  可同調ダイオードレーザ
２４ｂ  可同調ダイオードレーザ
２４ｃ  可同調ダイオードレーザ
２６  光学スイッチユニット
２８  プログラマブル論理制御装置
３０  ２線型光ファイバ／同軸ケーブル
３２  マルチプレクサ／デマルチプレクサ
３４  試料ガス供給導管
３６  パージガス戻りライン
３７  開口端部
３８  抽出ライン
４０  加熱ジャケット、ヒータストリップ
４１  断熱材
４４  キャビネット
４６  被加熱セクション
４８  被冷却セクション
５０  ガスフィルタアセンブリ
５２  水検出セル
５２ａ  上流微粒子粗フィルタ
５２ｂ  下流微粒子粗フィルタ
５４  誘導コイルヒータ
６０  成分光学測定セル
６２  水蒸気センサ
６４  ポンプアセンブリ
６６  ポンプモータ
７０  温度センサ
７２  ガス分析器電子機器
７４  ポンプヘッド
８０ａ  円筒状採取チャンバ
８０ｂ  円筒状採取チャンバ
８２  ガス吸気口ポート
８４  第１の端部
８６  ガス排気ポート
８８  第２の端部
８９  幅狭スリット開口
９０  光学ヘッド
９０ａ  光エミッタ
９０ｂ  光エミッタ
９２ａ  光エミッタ
９２ｂ  光エミッタ
９４  コリメータ
９６  除去可能な窓またはレンズ
９８  検出器アセンブリ
１００  排気ガス流
１０２ａ  集束レンズ
１０２ｂ  集束レンズ
１０４  除去可能な窓またはレンズ
１０６ａ  光検出器、光センサ
１０６ｂ  光検出器、光センサ
１２０  ガス供給導管
Ａ  オフガス抽出採取ポイント
Ｂ  オフガス抽出採取ポイント
Ｃ  オフガス抽出採取ポイント
【図１】
0006679569.tif 000003
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
0006679569.tif 000006
【図３】
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【図４】
0006679569.tif 000008
【図５】
0006679569.tif 000009
【図６】
0006679569.tif 000010
【図７】
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