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技術 灰中未燃分計測システム

出願人 東北電力株式会社三菱重工業株式会社
発明者 山田聡小川富弘出口祥啓猪澤祥規
出願日 2003年2月14日 (17年4ヶ月経過) 出願番号 2003-036047
公開日 2004年9月2日 (15年10ヶ月経過) 公開番号 2004-245702
状態 特許登録済
技術分野 蛍光または発光による材料の調査,分析 サンプリング、試料調製
主要キーワード レーザ誘起ブレークダウン 石炭ヤード 測定場 計測窓 計測ライン ボイラ系統 サンプルライン フライアシュ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2004年9月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

火力プラント等のボイラに用いて好適な灰中未燃分計測ステムを提供することを課題とする。

解決手段

灰の入ったサンプルガス13を吸引する第1のイジェクタ14と、該第1イジェクタ14で吸引されたサンプルガス13中から灰分15を分離・捕集するサイクロン16と、上記第1のイジェクタ14と上記サイクロン16との間に配され、第1のイジェクタ14で吸引されたサンプルガス13を吸引する第2のイジェクタ17と、該サイクロン16で分離・捕集された灰分15を吸引する第3のイジェクタ18とをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロン16と第3イジェクタ18との間のライン中に、当該ラインを流れる灰分15にレーザ光照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光分光器入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測するLIBS装置19を介装してなる。

概要

背景

概要

火力プラント等のボイラに用いて好適な灰中未燃分計測ステムを提供することを課題とする。灰の入ったサンプルガス13を吸引する第1のイジェクタ14と、該第1イジェクタ14で吸引されたサンプルガス13中から灰分15を分離・捕集するサイクロン16と、上記第1のイジェクタ14と上記サイクロン16との間に配され、第1のイジェクタ14で吸引されたサンプルガス13を吸引する第2のイジェクタ17と、該サイクロン16で分離・捕集された灰分15を吸引する第3のイジェクタ18とをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロン16と第3イジェクタ18との間のライン中に、当該ラインを流れる灰分15にレーザ光照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光分光器入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測するLIBS装置19を介装してなる。

目的

本発明は、前述したLIBS装置を用いてボイラにおける灰中の未燃分をリアルタイムで計測することができる新規な灰中未燃分計測システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

ボイラ燃焼ガスラインから分岐したサンプリングライン中に、サンプルガス吸引する第1のイジェクタと、該第1イジェクタで吸引されたサンプルガス中から灰分を分離・捕集するサイクロンと、上記第1のイジェクタと上記サイクロンとの間に配され、第1のイジェクタで吸引されたサンプルガスを吸引する第2のイジェクタと、該サイクロンで分離・捕集された灰分を吸引する第3のイジェクタとをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロンと第3イジェクタとの間のライン中に、当該ラインを流れる灰分にレーザ照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光分光器入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中未燃分計測する計測装置を介装したことを特徴とする灰中未燃分計測システム

請求項2

請求項1において、上記第2のイジェクタとサイクロンとの間のラインに切り替え弁を設け、該切り替え弁からLIBS装置へ、試料校正手段からの基準粉を含むガスを供給する第4のイジェクタを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システム。

請求項3

請求項1において、上記第2のイジェクタへの空気供給量を調整するマスフローコントローラを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システム。

請求項4

請求項1において、上記サイクロンから第3のイジェクタの後流側へサンプルガスを供給するバイパスラインを設け、該バイパスラインに第5のイジェクタを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システム。

請求項5

請求項1において、上記サイクロン後流側でLIBS計測ラインCO2濃度希釈する空気を供給する空気供給手段を設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システム。

請求項6

石炭微粉炭各燃焼器へ供給して燃焼させる微粉炭燃焼システムであって、石炭ヤードからの石炭を微粉砕する粉砕手段と、該粉砕手段からの微粉炭を燃焼器に供給する微粉炭供給管と、燃焼器からの燃焼ガスライン中の灰中の未燃分を計測する請求項1乃至5の灰中未燃分計測システムと、該灰中未燃分計測システムの計測結果から燃焼を制御する燃焼制御手段とを具備したことを特徴とする微粉炭燃焼システム。

--

0001

本発明は、火力プラント等のボイラに用いて好適な灰中未燃分計測ステムに関する。

0002

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来から、微粉炭フライアッシュ(灰),セメント原料等の発熱量,未燃分,成分組成を計測する装置として、化学分析装置X線分析装置が良く知られている。ところが、これらの分析装置試料採取してから分析結果が得られるまでに、かなりの時間(20〜120分)を必要とするため、計測結果を用いてボイラー等(火力プラントの場合)の制御を行う場合には、このタイムラグが大きく、プラント制御上の大きな支障となっていた。

0003

一方、X線分析装置やΓ線分析装置リアルタイムで計測できるものがあるが、この場合のX線分析装置ではセメントプラントの場合、Caしか計測出来ずその性能が低い。また、Γ線分析装置では、取扱いが面倒で且つ高価であるという不具合があった。

0004

そこで、近年、セメントプラントにおいては、セメント品質の管理向上ニーズから、セメント成分オンライン計測ニーズが高まっており、このニーズに応える定量可能な手法の開発が望まれる中、本発明者等は先に、特開平10−185817号公報(特許文献1)等で提案したレーザ誘起ブレークダウン法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy :LIBS法)を採用し、装置化することを想起した。

0005

このLIBS法は、例えば図7に示すように装置化される。
即ち、各種プラント等の配管01内には、測定対象物が存在(流通)している。測定対象物としては、微粉炭,フライアッシュ,セメント原料等がある。この配管01のうち測定場02の部分には、パージ空気通路03aを備えた計測窓03が設置されている。

0006

そして、LIBS装置04を構成するパルスレーザ装置05から出力されたレーザ光は、レンズ06及び計測窓03を介して測定場02に集光される。このため、測定場02に存在する微粒子プラズマ化し、プラズマ化した成分物質からはプラズマ光が発生する。

0007

発生したプラズマ光は、測定場02の計測窓03から外部に出力され、ミラー07で反射され、さらにレンズ08で集光されて分光器09に入射される。分光器09は、波長が190nm〜500nm(或いはこの範囲内の一部の波長域)のプラズマ光を分光し、分光した光成分をCCDカメラ010に入力する。

0008

高速ゲートが可能なCCDカメラ010は、分光器09にて分光された分光プラズマ光を検出し、この分光プラズマ光に応じた信号をコンピュータ011に転送する。なお、CCDカメラ010は、同期ライン012を介してパルスレーザ装置05と接続されており、CCDカメラ010のゲート制御と、パルスレーザ装置05の発振とを同期させている。

0009

コンピュータ011は、転送されてきた信号(各成分からの発光強度情報を有している)を情報処理演算することにより、測定場02に存在する微粉炭,フライアッシュ,セメント原料の発熱量,未燃分,成分組成等をリアルタイムで算出する。

0010

このようにLIBS装置04は、測定現場にてリアルタイムで測定対象物の組成成分の計測ができるので、計測結果に基づき、プラント等の運転制御を良好に実行することができるようになる。

0011

そこで、本発明は、前述したLIBS装置を用いてボイラにおける灰中の未燃分をリアルタイムで計測することができる新規な灰中未燃分計測システムを提供することを目的とする。

技術分野

0012

【特許文献1】
特開平10−185817号公報

0013

上記課題を解決する本発明の第1の発明は、ボイラの燃焼ガスラインから分岐したサンプリングライン中に、サンプルガス吸引する第1のイジェクタと、
該第1イジェクタで吸引されたサンプルガス中から灰分を分離・捕集するサイクロンと、
上記第1のイジェクタと上記サイクロンとの間に配され、第1のイジェクタで吸引されたサンプルガスを吸引する第2のイジェクタと、
該サイクロンで分離・捕集された灰分を吸引する第3のイジェクタとをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、
上記サイクロンと第3イジェクタとの間のライン中に、当該ラインを流れる灰分にレーザ照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光を分光器に入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測する計測装置を介装したことを特徴とする灰中未燃分計測システムにある。

0014

第2の発明は、第1の発明において、
上記第2のイジェクタとサイクロンとの間のラインに切り替え弁を設け、該切り替え弁からLIBS装置へ、試料校正手段からの基準粉を含むガスを供給する第4のイジェクタを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システムにある。

0015

第3の発明は、第1の発明において、
上記第2のイジェクタへの空気供給量を調整するマスフローコントローラを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システムにある。

0016

第4の発明は、第1の発明において、
上記サイクロンから第3のイジェクタの後流側へサンプルガスを供給するバイパスラインを設け、該バイパスラインに第5のイジェクタを設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システムにある。

0017

第5の発明は、第1の発明において、
上記サイクロン後流側でLIBS計測ラインにCO2 濃度を希釈する空気を供給する空気供給手段を設けたことを特徴とする灰中未燃分計測システムにある。

課題を解決するための手段

0018

第6の発明は、石炭の微粉炭を各燃焼器へ供給して燃焼させる微粉炭燃焼システムであって、
石炭ヤードからの石炭を微粉砕する粉砕手段と、
該粉砕手段からの微粉炭を燃焼器に供給する微粉炭供給管と、
燃焼器からの燃焼ガスライン中の灰中の未燃分を計測する第1乃至第5の発明の灰中未燃分計測システムと、
該灰中未燃分計測システムの計測結果から燃焼を制御する燃焼制御手段とを具備したことを特徴とする微粉炭燃焼システムにある。

0019

以下、本発明に係る灰中未燃分計測システムを実施例により図面を用いて詳細に説明する。

0020

[第1の実施の形態]
図1は第1の実施の形態を示す灰中未燃分計測システムの概略構成図である。
図1に示すように、第1の実施の形態を示す灰中未燃分計測システム10は、ボイラ(図示せず)の燃焼ガスライン11から分岐したサンプリングライン12中に、灰の入ったサンプルガス13を吸引する第1のイジェクタ14と、
該第1イジェクタ14で吸引されたサンプルガス13中から灰分15を分離・捕集するサイクロン16と、
上記第1のイジェクタ14と上記サイクロン16との間に配され、第1のイジェクタ14で吸引されたサンプルガス13を吸引する第2のイジェクタ17と、
該サイクロン16で分離・捕集された灰分15を吸引する第3のイジェクタ18とをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロン16と第3イジェクタ18との間のライン中に、当該ラインを流れる灰分15にレーザ光を照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光を分光器に入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測するLIBS装置19を介装してなるものである。

0021

また、上記第2のイジェクタ17とサイクロン16との間のラインに三方切替え弁21を設け、該切替え弁21からLIBS装置(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)19へ、試料校正手段22からの基準粉23aを含むガスを供給する第4のイジェクタ23を設け、所定期間毎にシステムの校正を行っている。
この基準粉は校正用の未燃分が既知の粉であり、これにより、所定時間経過後(例えば2〜3週間に一回、又は1月に一回等)に、校正を行うようにしている。

0022

また、上記第2のイジェクタ17への空気20の供給量を調整するマスフローコントローラ24を設け、LIBSの信号強度が低くなった場合に、マスフローコントローラ24を調整し、空気20の供給量を多くし、サンプルガスの供給量を増大させ、信号強度が常に監視できるようにしている。
これにより、どのような形式のボイラの運転にも対応できるものとなる。

0023

また、本実施の形態では、上記サイクロン16から第3のイジェクタ18の後流側へサンプルガス11を供給するバイパスライン31を設け、該バイパスライン31に第5のイジェクタ32を設けることで、サイクロン16に供給するサンプルガス中のCO2 成分への加圧を抑えている。

0024

すなわち、バイパスライン31に設けた第5イジェクタ32を設けたので、該第5イジェクタ32でガスを強制的に吸引することで、LIBS計測を行うサンプリング管19aに、第2イジェクタ17からの加圧されたサンプルガス11が供給されることが解消され、ガス中のCO2 が圧力の変動を受けることが解消されることになる。
これにより、第2イジェクタ17において、例えば急激な加圧があった場合に、誤ってLIBS装置19によりCO2 成分をC(炭素)成分として計測し、C濃度の誤変動を生じることを防止するようにしている。
なお、第3のイジェクタ18及び第5のイジェクタ32からのガスは戻り配管37により煙道に戻されている。

0025

また、図3に示すように、サンプリング管19a内に空気20を供給し、灰分を計測する際の灰分の流れを整流化するようにしている。また、レーザ光Lが透過する透過窓19bの汚れを防止するように空気20を別途供給するようにしている。

0026

また、サイクロン16の後流側でLIBS装置19の計測ラインにCO2 濃度を希釈する空気を供給する空気供給手段33を設けている。
これにより、希釈用の空気を供給することで、CO2 濃度の希釈をして、C濃度の変動を生じることを防止するようにしている。

0027

また、上記第1イジェクタ14と第2イジェクタ17との間には、流量計35が設けられ、サンプリングの流量を計測している。

0028

上記三方弁及び遮断弁は、例えば電磁弁で構成され、図示しない制御装置により必要に応じて切換(開閉)制御されるようになっている。また、上記第1イジェクタ14、第3イジェクタ18、第4イジェクタ23及び第5イジェクタ32には図示しない流量計が設置され、当該部位を流れるサンプルガス及び灰の流量が適正になるよう監視している。

0029

また、空気供給手段36からの空気20は図示しない空気流量計により、各イジェクタに供給する流量を調整するようにしている。

0030

これにより、第1イジェクタ14及び第2イジェクタ17によりサンプリングライン12中に吸引されたサンプルガス11はサイクロン16に導かれ、ここでガス中の灰分が分離・捕集される。サイクロン16で分離・捕集された灰分は、サイクロン16から第3イジェクタ18に至る間に、LIBS装置19により、その灰中未燃分が計測される。即ち、LIBS装置19では、灰中の主成分であるSi,Al,Ca,Fe 及び未燃分に起因するC 成分を計測し、Si,Al,Ca,Fe とC の比より未燃分を算出するのである。

0031

そして、ボイラでは、上記LIBS装置19の計測結果に基づいて、例えば微粉炭の粉砕度量を増減する等ボイラ火炉における燃焼条件を変化させて、未燃分を制御する。

0032

次に、LIBS装置19の校正を行う場合には、図2に示すように、切替え弁21である三方弁を切り換え、遮断弁25を開ける。

0033

これにより、試料校正手段(フィーダ)22より、未燃分が既知の基準粉(例えば未燃分2.0 %)を供給すると、第4イジェクタ23で吸引され、サイクロン16に導かれ、LIBS装置19により、基準粉中未燃分が計測され校正を行うことができる。

0034

この校正の際、弁21によりサンプリングラインからのサンプルガスは計測ライン側へ行かず、第2イジェクタ17により逆流され、配管内のサンプルガスは煙道まで押し戻され、サンプルライン洗浄される。

0035

この結果、サンプルガスの濃度計測の校正を適格に行うことができる。

0036

[第2の実施の形態]
図4は第2の実施の形態を示す灰中未燃分計測システムの概略構成図である。
第2の実施の形態を示す灰中未燃分計測システム10は、灰の入ったサンプルガス13を吸引する第1のイジェクタ14を複数系統設けたものである。

0037

図4に示すように、第2の実施の形態を示す灰中未燃分計測システム10は、ボイラ(図示せず)の燃焼ガスライン11A、11Bから分岐したサンプリングライン12A,12B中に、灰の入ったサンプルガス13を吸引する第1のイジェクタ14A,14Bと、該第1イジェクタ14A、14Bで吸引されたサンプルガス13中から灰分15を分離・捕集するサイクロン16と、上記第1のイジェクタ14A、14Bと上記サイクロン16との間に配され、第1のイジェクタ14A、14Bで吸引されたサンプルガス13を吸引する第2のイジェクタ17と、該サイクロン16で分離・捕集された灰分15を吸引する第3のイジェクタ18とをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロン16と第3イジェクタ18との間のライン中に、当該ラインを流れる灰分15にレーザを照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光を分光器に入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測するLIBS装置19を介装してなるものである。

0038

すなわち、ボイラが複数ある場合には、LIBS計測システムを一台として、切替ることで、灰中の未燃分を計測するようにしている。
本実施の形態では、2系統(A系統、B系統)の燃焼ガスライン11A、11Bからのサンプリングライン12A、12Bに第1イジェクタ14Aと第1イジェクタ14Bを各々介装し、三方弁41にて供給流路を切替るようにしている。

0039

[第3の実施の形態]
ボイラシステム概要を示す。
図5本測定装置を用いてボイラの燃焼制御のシステムについて説明する。
図5に示すように、ボイラ火炉101には複数のバーナ102が設けられており、該バーナ102には各々微粉炭の供給管103が接続され、微粉炭104がミル微粉炭機)105から供給されている。

0040

また、ボイラ火炉101からの排ガスは、煙道110に介装された電気集塵機111及び脱硫脱硝装置112により清浄化され外部へ排出されている。
煙道110から分枝されたサンプリングライン11には、LIBSシステム10が設けられ、灰中の未燃分を計測している。

0041

そして、未燃焼カーボン量の計測結果を制御システム120に送り、ミル105の回転数を制御したり、アディショナル・エアの供給量を指示するようにしている。

0042

図6に制御の状態を示す。図中左側の軸はフライアッシュ中の未燃焼カーボン量(%)、右側の軸はフライアッシュ中の未燃焼カーボン設定値(%)、横軸は時間(H)を示す。
図6に示すように、フライアシュ中の未燃焼カーボン量を設定(図中破線)することで、図中の太線のように、追従することがわかる。

発明を実施するための最良の形態

0043

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。

図面の簡単な説明

0044

以上説明したように、本発明によれば、ボイラの燃焼ガスラインから分岐したサンプリングライン中に、サンプルガスを吸引する第1のイジェクタと、該第1イジェクタで吸引されたサンプルガス中から灰分を分離・捕集するサイクロンと、上記第1のイジェクタと上記サイクロンとの間に配され、第1のイジェクタで吸引されたサンプルガスを吸引する第2のイジェクタと、該サイクロンで分離・捕集された灰分を吸引する第3のイジェクタとをライン上流側から下流側に順次介装すると共に、上記サイクロンと第3イジェクタとの間のライン中に、当該ラインを流れる灰分にレーザを照射してその組成成分をプラズマ化し、該プラズマから発生するプラズマ光を分光器に入射し、分光器にて分光したスペクトル光から灰中の未燃分を計測する計測装置を介装したので、ボイラにおける灰中の未燃分をリアルタイムで計測することができる。

図1
第1の実施の形態にかかる灰中未燃分計測システムの概略構成図である。
図2
第1の実施の形態にかかる灰中未燃分計測システムの校正時の概略構成図である。
図3
サンプリング管の概略構成図である。
図4
第2の実施の形態にかかる灰中未燃分計測システムの概略構成図である。
図5
ボイラ系統図である。
図6
制御の状態を示す図である。
図7
LIBS装置の説明図である。
【符号の説明】
10 灰中未燃分計測システム
11 燃焼ガスライン
12 サンプリングライン
13 サンプルガス
14 第1のイジェクタ
15 灰分
16 サイクロン
17 第2のイジェクタ
18 第3のイジェクタ
19 LIBS装置

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