JPH01250745A - 燃焼用空気分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラ等の工業炉の燃焼状態を制御するため
、工業炉の燃焼室へ送られる燃焼用空気の空気供給量を
計測する燃焼用空気分析装置に関するものである。

（従来の技術） 今年、燃焼装置の火炉内において、燃焼排ガス中のＮＯ
Ｘを低減するため各種バーナを用いて、例えば二段燃焼
方式、排ガス混入方式および火炎分割方式等の燃焼方式
が実施されている。これらの方法はいづれも燃焼温度を
低下させるか、若しくは空気供給量を低下させ、または
これらの方法を組み合せたものであって、高温且つ空気
供給量過剰の状態において発生し易いいわゆるサーマル
Ｎ眠を抑制するものである。また、この他に燃料中に含
有する窒素化合物を原因として発生するいわゆるフュー
エルＮｏ、もあり、このフューエルＮＯ，の低減法とし
て、低酸素分圧下での燃焼が望ましいとされている。こ
れらサーマルＮＯ，およびフューエルＮしを低減するた
め、特開昭６１−１９０３号公報では、炉内に段階的に
バーナを配設し、まず下段において、例えば空気比を０
．７以下、つまり供給総空気量中の平均酸素濃度が１７
％以下の極端な燃料過剰状態で強還元燃焼を行ない、次
に中段において、空気供給量（空気比０．８〜０．９程
度）により燃焼を行ない、最後に上段において、不足分
の空気が供給されて、未燃分の完全燃焼のために消費さ
れるべき理論量により燃焼を行なう方法が記載されてい
る。上記公報記載の多段燃焼を炉内で行うためには、各
バーナごとに燃焼用空気を適切に供給する必要がある。

従来の燃焼装置において、燃焼用空気は、まずコモンダ
クトを通り、次にバーナ燃焼用ダクトに個々に分かれて
導入され、ダクト炉内開口近傍に配設された各バーナへ
供給されているが、燃焼用空気の状態を調べるために、
コモンダクトに酸素センサを配設し、その代表点のみの
酸素濃度を測定していた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、代表点をコモンダクト内で計測していた
のでは、前述したような適切な空気供給量による多段燃
焼を行なえず、即ちバーナ個々の最適燃焼化（燃焼管理
）が行なえず、燃焼排ガス中のＮＯ８の低減が有効に行
なえなかった。

本発明の目的は、バーナ個々に供給される燃焼用空気の
供給量を検出し得る燃焼用空気分析装置を提供せんとす
るにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の燃焼用空気分析装置は、工業炉のバーナへ燃焼
用空気を供給するため各室に仕切られているダクトの壁
部を貫通して挿入され、その先端側に取付けた酸素セン
サと、同じく先端側に、被測定ガス流に対し前記酸素セ
ンサからオフセット配置されて被測定ガスが直接接触す
る流量センサとを有するプローブを備えることを特徴と
する燃焼用空気分析装置である。

（作　用） 本発明は、工業炉の火炉内の燃焼を最適状態にするため
、バーナへ通じる各ダクトにおいて、燃焼用空気の供給
空気量を測定する必要があることにもとづいている。こ
の供給空気量のうち燃焼にたずされる酸素だけに着目し
て考えれば、まず燃焼用空気に含まれる酸素濃度と、そ
の流量を検知すれば、供給空気量が求められる。以上の
要求から、本発明では、酸素センサおよび流量センサを
有するプローブが各ダクト内の代表点を測定するように
挿入配置される。しかも流量センサの作動を酸素センサ
が妨害しないように被測定ガス流に対し相互を段違いの
状態（オフセット配置）にしている。このため、燃焼用
空気中の酸素濃度および燃焼空気流量を同−設置点にふ
いて連続的に測定できる。またプローブは両センサが小
形なため、比較的細径にすることができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図に工業用燃焼炉の概略図を示す。■は火炉を、３
は火炉１に燃焼用空気を導入し各バーナに燃焼用空気を
供給し且つ各室に仕切られたセパレートダクトを、５は
セパレートダクト３に流れ込む燃焼用空気の流量を制限
する弁部材を夫々示す。火炉１にはセパレートダクト３
から火炉１に突出して設けられたバーナが各段に４本づ
つ２段にわたって配置されている。下段のバーナ７は還
元バーナであって上段のバーナ９が主バーナである。こ
れらバーナの上部炉壁にはＮＯポート１１が形成されて
、これらによって二段燃焼を行うように構成されている
。

また、セパレートダクト３に燃焼用空気を供給するコモ
ンダクト１３が設けられており、このコモンダクト１３
へは、ニアブロワ１５からエアヒータ１７を経て送られ
る例えば酸素濃度２０．６％の空気に、排ガス再循環路
１９を経て送られる例えば酸素濃度２％の燃焼排ガスの
一部が混合された例えば酸素濃度１７％の燃焼用空気が
供給される。これは一般に排ガス再循環方式と称されて
いる。さらに、各セパレートダクト３の、各バーナおよ
び各弁部材の間の位置に、燃焼用空気分析装置２１が各
ダクトの管壁を貫通して挿入されている。

次に、本発明による燃焼用空気分析装置の具体的一実施
例について以下に第２図に基づき説明する。

第２図において、被測定ガスである燃焼用空気（以下、
「被測定ガス」と称する）の酸素濃度を測定する酸素セ
ンサ用プローブ３１と、同じく被測定ガスの流量を測定
する流量センサ用プローブ３３とが、例えば各セパレー
トダクト３の壁部３５に形成される開口３７に挿通され
、これらプローブ３１゜３３がそれら基端部即ち端子箱
３９にて一体にされ、この端子箱３９に形成された取付
フランジ４１と、壁部４５に設けられた壁側フランジ４
３とを螺合し、前記プローブ３１．３３の挿通状態を維
持している。

第３図に詳細に示すように、酸素センサ用のプローブ３
１の先端側には、例えば有底円筒状の酸素センサ４５が
それが例えば境域め法によって気密に固定されたセンサ
留金具４７を介してネジ等によってプローブ３１のプロ
ーブ治具５３に螺着されている。

このように取付けられた酸素センサ４５の周囲にはさら
に、ヒータ４９を内蔵するヒータ保持具５１（これらが
ヒータユニットを構成する）がセンサ留金具４７に内側
から嵌合され、セメント接着によって一体的に固定され
ている。したがって、酸素センサ４５およびセンサ留金
具４７並びにヒータ４９およびヒータ保持具５１（即ち
ヒータユニット）が一体構造となってセンサユニット５
２を構成する。

かかる酸素センサ４５の被測定ガスに曝される側には、
ダスト等の流入を阻止するため、プローブ治具５３に、
フィルタ保持具５５を嵌合し、このフィルタ保持具５５
に設けられた開口部にフィルタ５７が嵌挿され、このフ
ィルタ５７は、中心部に開口を有する押圧治具５９をネ
ジ締めすることにより固定されている。ところでフィル
タ保持具５５のセンサ留金具４７と衡合する側の外側隅
部の外周部に段部を設けて、このフィルタ保持具５５の
段部とプローブ治具５３の間にガス通路６０を形成する
。さらにこのフィルタ保持具５５の校正ガス導入管６１
の出口側の開口部６３に一致させて内部空間６７へ通じ
るガス出入口６５を設け、さらにこのフィルタ保持具５
５のガス出入口６５の反対側の部分とほぼ対向するプロ
ーブ治具５３の位置に、ガス排出口６９を設ける。した
がって、内部空間６７から被測定ガス空間までの連通空
間が形成される。このため、内部空間６７に導入された
被測定ガス若しくは校正ガスを迅速に外部へ排出するこ
とができる。

斯様な所定形状の酸素センサに対して、被測定ガスがフ
ィルタ５７を通過して内部空間６７中に導入され、その
一部は被測定ガスの濃度差によるガス拡散および熱対流
によってガス置換が行われ、酸素センサ４５の内側深部
に設けられた測定電極に到達する。その他の被測定ガス
は、図示のように、ガス出入口６５、ガス通路６０およ
びガス排出口６９を通り外部へ放出される。したがって
、この酸素センサ４５には、被測定ガスの流入から流出
へ至るガス流の通路が設けられているため、被測定ガス
が内部空間に速やかに導入され、しかも酸素センサの測
定電極へはほぼ平衡状態を保ちながらガス置換が行われ
ることによって、酸素センサ４５の応答性を高く保ちつ
つ、熱衝撃に対する保護をも同時に行うことができる。

同様に、酸素センサの出力を校正するための校正ガス導
入の際には、まず校正ガスは、プローブ３１の外側に配
される校正ガス導入管６１を通り、開口部６３およびガ
ス出入口６５を経て内部空間６７に充満される。このと
き、内部空間６７は正圧状態になるため、被測定ガスの
流入は阻止される。内部空間６７に充満した校正ガスの
一部は酸素センサ４５の深部へ、ガス濃度差によるガス
拡散およびガス対流によってガス置換が行われて達し、
測定電極に接触する。その他の校正ガスは、内部空間６
７が被測定ガス雰囲気の圧力に対し負圧になった時点で
ガス通路６０を経てガス排出口６９から排出される。

したがって、校正ガスの導入時に酸素センサ４５の測定
電極を校正ガスが直撃せず、即ち急冷することがなく、
しかも、被測定ガスの測定時と校正ガスの導入時との間
における酸素センサの温度変化が少なく、精度の高い校
正を可能にする。

一方、プローブ３３の先端側には、第４図に示すように
被測定ガスの流速を測定する定温変形熱線式流速センサ
（以下に「流速センサ」と略称する）７１が設けられて
いる。この流速センサ７１は、流速を測定する感風素子
７３と、温度補償のための風温素子７５とを有し、また
プローブ３３の、前記流速センサ７１に対応する部分に
おいて、網目（メツシュ）フィルタ７２が設けられて、
プローブ３３内へのダスト等の流入を排除しつつ被測定
ガスが導入されるようにしている。ところで、感風素子
の原理を説明すると被測定ガス流内に配置され、センサ
部分としての抵抗線に電流が流されて加熱されたセンサ
部分に、被測定ガスが当たると、抵抗線が冷却されてそ
の温度が下がる。この時に奪われる熱量は流速に関係し
、このときの流速Ｕ　（ｍ／ｓ）と放散熱量Ｈの関係は
Ｋｉｎｇの式で示される。

Ｈ−（ａ＋ｂ−Ｕ　”ｌ′）（Ｔ−Ｔａ）　　　　　　
（１）ここで　Ｈ：放散熱量 ａ、ｂ、ｍ　　：流体などにより決まる定数Ｕ：流速 Ｔ：加熱された物体（すなわち熱線 の温度） Ｔａ：周囲流体の温度 しかし、定温度型熱線流速センサでは放散熱量と同じだ
けの熱量を電流により供給し、放散熱ｌと供給熱量とを
常に一定に保ち、抵抗温度を一定に保っている。したが
って、流速はこの供給熱量を測定することにより求めら
れる。このため、熱線を一辺にもつブリッジ回路を構成
し、この熱線の抵抗をＲＩ（、熱線に流れる電流を１ｓ
ｔとすると、供給熱量Ｑは、 Ｑ”ＩＮ’　　・Ｒ□　　　　　　　（２）となり、こ
のとき放散熱量Ｈと供給熱量ＱはつりあっているためＨ
＝Ｑとおくと、 １、”　　Ｒｎ　　＝　　　（ａ＋ｂ　　’　　［Ｊ　
　　”’″　）（Ｔ−Ｔａ）　　　　　　（３）したが
って、１．−Ｔ関係およびＴａが既知であれば、電流値
りを測定することにより、流速Ｕを求めることができる
。ただし、Ｔａを求めるために、風温素子７５を使用し
て、被測定ガスの温度を測定する。

この熱線式感風素子７３の特徴は、他の差圧式流量測定
、カルマン渦流量測定に比べて、流体の圧力、粘度等の
影響を受けない点にあり、ボイラのような工業炉に流入
する燃焼用空気の場合には、ドラフト圧が大きいので特
に有効である。また、この形式は、構造的にも小形、軽
量化が図れるため便利である。

以上のように酸素センサ４５を有するプローブ３１と流
速センサ７１を有するプローブ３３とがその基端部にて
一体にされ、しかもそれぞれのプローブの先端側に互い
の作動を妨害しないように近接して配置しているため、
バーナ燃焼用空気中の酸素濃度および燃焼空気流量（即
ち酸素流量）をほぼ同一の設置点において連続的に測定
することができる。

次に、プローブ３１の先端部への酸素センサ４５の取付
構造の変形例としては、第５図の要部断面図にて示すよ
うに、内向きフランジ８３を有するプローブ３１に、そ
の外方から金属製の円筒状のセル支持管８５が挿入され
、このセル支持管８５には外向きフランジ８７と、截頭
円錐状の部分８９とを具え、この截頭円錐状の部分８９
に設けられた開口９０に、有底円筒状の酸素センサ９１
が、その底部をフランジ側に向けて嵌合されている。

さらに、センサ支持管８５に、外向きフランジ９３を有
する円筒状の被測定ガス導入管９５を外方から挿入し、
センサ支持管８５および被測定ガス導入管９５をそれら
の外向き７ランジ８７および９３の区域でボルト等によ
って内向きフランジ８３にねじ止めすることにより、プ
ローブ３１に固定することができる。ところで、内向き
フランジ８３右よび外向きフランジ８７を貫通する校正
ガス導入管８４が設けられて、校正ガスがセル支持管８
５および被測定ガス導入管９５の間に形成された空隙を
通り酸素センサ９１に送られるようにしている。なお、
前記被測定ガス導入管９５のフランジ側聞口９７に、除
塵用の多孔貫装のセラミックフィルタ９９がアルミナセ
メント等の手段により接着されている。

プローブ３１の内部には、プローブめ基端側から挿入さ
れたステンレス製の支持金具１０１がプローブ３１と同
芯状に延在し、この支持金具１０１　とプローブ３１と
の間を基準ガスが拡散により流入されるようにしている
。また、この支持金具１０１には酸素センサ近傍の温度
を計測する温度検知手段１０３、例えば熱電対等が取付
金具１０５により取り付けられている。さらに支持金具
１０１の先端には、接合フランジ１０９を介して、環状
のヒータ１１３を有するヒータ支持管１１５が連結され
ている。このヒータ支持管１１５の内壁にはミ電気的接
触子１１７が絶縁碍子１１８を介して設けられおり、こ
の接触子１１７は、接触端子と、それを保持する凹状の
リングとから構成することができる。このような構成と
することにより、酸素センサが接触子１１７に挿入され
ると、酸素センサの所定の外表面に設けられた電極に電
気的に接続することができる。

斯様に構成された装置は、その全部品が取り付けられた
状態において、被測定ガス導入管９５とセンサ支持管８
５との間に円筒状の隙間が形成され、この隙間が、セン
サ支持管８５を貫通してこの隙間に延在する校正ガス導
入管８４のガス吹出口からのガスを案内し、検出セルの
基部側にその外周からガスを先端側に吹出させる。さら
にこの隙間は、隙間自体の表面積が大なることから、そ
の近傍にセル支持管８５およびヒータ支持管１１５の管
壁を隔てて位置するヒータ１１３から校正ガスに熱を効
率良く伝達する。したがって、被測定ガスとの温度差が
大きい校正ガスを、検出セルに吹付けることによる検出
セルの急冷即ち温度調節の乱れを少なくすることができ
る。

（効　果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、ボイラ等の
工業炉の各バーナへ通じる各ダクトに挿入配置された酸
素センサおよび流量センサを有するプローブによって、
燃焼用空気中の酸素濃度および燃焼空気流量をほぼ同一
の測定点において連続的に測定することができる。しか
も上記両センサが小形であるため、プローブ径を比較的
細くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である燃焼装置を示す全体概略
図、 第２図は本発明の燃焼用空気分析装置を示す側面図、 第３図は酸素センサの取付構造を示す断面図、第４図は
流速センサの内部構造を示す側面および平面図、 第５図は酸素センサの取付構造の変形例を示す断面図で
ある。 ■・・・火炉　　　　　　３・・・セパレートダクト５
・・・弁部材　　　　　７・・・バーナ９・・・バーナ
　　　　　１１・・・ＮＯポート１３・・・コモンダク
ト　　１５・・・ニアブロワ１７・・・エアヒータ　　
　１９・・・排ガス再循環路２１・・・燃焼用空気分析
装置 ２５・・・酸素センサ ３１・・・酸素センサ用プローブ ３３・・・流速センサ用プローブ ３５・・・壁部　　　　　　３７・・・開口３９・・・
端子箱　　　　　４１・・・取付フランジ４３・・・壁
側フランジ　　４５・・・酸素センサ４７・・・センサ
留金具　　４９・・・ヒータ５１・・・ヒータ保持具　
　５２・・・センサユニット５３・・・プローブ治具　
　５５・・・フィルタ保持具５７・・・フィルタ　　　
　５９・・・押圧治具６０・・・ガス通路　　　　６１
・・・校正ガス導入管６３・・・開口部　　　　　６５
・・・ガス出入口６７・・・内部空間　　　　６９・・
・ガス排出ロア１・・・流速センサ　　　７２・・・フ
ィルタ７３・・・感風素子　　　　７５・・・風温素子
８３・・・内向きフランジ　８４・・・校正ガス導入管
８５・・・センサ支持管　　８７・・・外向きフランジ
８９・・・截頭円錐状の部分 ９０・・・開口　　　　　　９１・・・酸素センサ９３
・・・外向きフランジ　９５・・・被測定ガス導入管９
９・・・セラミックフィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、工業炉のバーナへ燃焼用空気を供給するため各室に
   仕切られているダクトの壁部を貫通して挿入され、その
   先端側に取付けた酸素センサと、同じく先端側に、被測
   定ガス流に対し前記酸素センサからオフセット配置され
   て被測定ガスが直接接触する流量センサとを有するプロ
   ーブを備えることを特徴とする燃焼用空気分析装置。