CN111328372B - 组成分析装置及组成分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供容易地进行炼铁工艺中产生的副产气体的组成分析，并且连续地进行组成分析和热量的计算，另外，还能够以更高的可靠性测定副产气体的热量的组成分析装置和组成分析方法。对分析对象气体的组成进行分析的组成分析装置(10)具有：第一测定机构(11)，其对分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度进行测定；换算热量计算机构(13)，其包括分别对分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速进行测定的第二测定机构(12)，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；基准杂气总误差热量计算机构(14)，其基于分析对象气体的换算热量，计算出因分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量；以及第一非实测对象气体浓度计算机构(15)，其基于上述实测对象气体各自的浓度和成为上述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

Description

组成分析装置及组成分析方法

技术领域

本发明涉及例如能够对炼铁工艺中产生的焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)等副产气体进行组成分析的组成分析装置及组成分析方法。

背景技术

炼铁工艺中产生的焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)等副产气体含有例如氢气、一氧化碳气体或甲烷气体等可燃性气体成分。因此，将这些副产气体单独或混合有多种，而作为燃料气体等而被再利用。

然而，为了检测副产气体的组成，通常可以使用气相色谱法等(例如，参照专利文献1)。

另外，在再利用副产气体作为燃料气体的情况下，需要掌握每种副产气体的热量和混合气体的热量。目前，作为测定燃料气体的热量的方法，例如，已知基于根据热量测定对象气体的折射率得到的折射率换算热量和根据该热量测定对象气体的声速得到的声速换算热量，利用特定的关系式，使用在特定范围内选择的值作为校正系数，从而计算出热量测定对象气体的热量(例如，参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-126090号公报

专利文献2：日本专利第6402387号公报

发明内容

技术问题

然而，在通过气相色谱法对炼铁工艺中产生的焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)等副产气体的组成(副产气体所含的多种可燃性气体成分的各自的成分浓度)进行分析的情况下，通常其取样周期需要数分钟(例如3分钟)，难以进行实时的分析，所以存在无法捕获测定气体的陡峭的(短时间的)变化的问题，另外，与组成分析相关的作业效率的提高也是有限度的。

另外，还存在气相色谱装置的价格昂贵，进而组成分析的成本也昂贵的问题。

另外，关于副产气体的热量的掌握，例如即使是专利文献2中记载的热量的计算方法，也无法充分排除由杂气引起的误差，依然存在产生测定误差的问题。

本发明是鉴于上述课题而做出的，目的在于提供能够容易且以简易的结构比较低廉地进行炼铁工艺中产生的副产气体的组成分析，并且还能够以更高的可靠性来测定副产气体的热量的组成分析装置及组成分析方法。

技术方案

本发明提供对分析对象气体的组成进行分析的组成分析装置，其特征在于，具有：第一测定机构，其对上述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度进行测定；换算热量计算机构，其包括分别对上述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速进行测定的第二测定机构，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；基准杂气总误差热量计算机构，其基于上述分析对象气体的换算热量，计算出因上述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量；以及第一非实测对象气体浓度计算机构，其基于上述实测对象气体各自的浓度和成为上述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

另外，本发明提供对分析对象气体的组成进行分析的组成分析方法，其特征在于，包括：对上述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度进行测定的步骤；换算热量计算步骤，分别对上述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速进行测定，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；基准杂气总误差热量计算步骤，基于上述分析对象气体的换算热量，计算出因上述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量；以及第一非实测对象气体浓度计算步骤，基于上述实测对象气体各自的浓度和成为上述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

另外，本发明提供对分析对象气体的组成进行分析的组成分析方法，其特征在于，包括：获取上述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度的步骤；分别获取上述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量的步骤；基于上述分析对象气体的换算热量，计算出因上述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量的步骤；以及基于上述实测对象气体各自的浓度和成为上述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度的步骤。

另外，本发明提供对分析对象气体的组成进行分析的组成分析装置，其特征在于，换算热量计算机构，其分别获取上述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；基准杂气总误差热量计算机构，其基于上述分析对象气体的换算热量，计算出因上述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量；以及第一非实测对象气体浓度计算机构，其基于上述分析对象气体所含的多个实测对象气体各自的浓度和成为上述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

发明效果

根据本发明，能够提供容易且以简易的结构比较低廉地进行炼铁工艺中产生的副产气体的组成分析，并且还能够以更高的可靠性测定副产气体的热量的组成分析装置及组成分析方法。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的组成分析装置的构成的概要的框图。

图2是表示本发明的实施方式的组成分析装置的构成的概要的框图。

图3是表示本发明的实施方式的组成分析装置的构成的概要的框图。

图4的(A)是表示使用纯气体的情况下的折射率与热量之间的关系的图表，图4的(B)是表示使用纯气体的情况下的声速与热量之间的关系的图表。

图5是表示杂气的浓度和热量计算中的误差之间的关系的图表。

图6是表示由本发明的实施方式的组成分析装置得到的运算结果的一个例子的图表。

符号说明

10：组成分析装置

11：第一测定机构

11A、11B：红外线式浓度检测机构

12：第二测定机构

12A：光学传感器

12B：声速传感器

13：换算热量计算机构

14：基准杂气总误差热量计算机构

15：第一非实测对象气体浓度计算机构

16：实测对象气体校正量计算机构

17：分析对象气体热量计算机构

18：第二非实测对象气体浓度计算机构

19：第三非实测对象气体浓度计算机构

20：热量测量机构

21：控制机构

22：显示机构

25：外装容器

31：分析对象气体导入部

32：参照气体导入部

33：气体排出部

131：折射率换算热量计算机构

132：声速换算热量计算机构

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是示意性地示出本实施方式的组成分析装置10的构成的一个例子的框图。另外，图2是局部提取并示意性地示出图1所示的组成分析装置10的构成的框图。

本实施方式的组成分析装置10是针对含有多种气体的分析对象气体分析其组成(成分浓度(体积浓度))的装置，更具体而言，是计算副产气体所含的多种气体的浓度的装置。以下，在本实施方式中，在记载为“组成”和简记为“浓度”的情况下，是指体积浓度。

作为分析对象气体的一个例子，为炼铁工艺中产生的副产气体，具体而言，为焦炉煤气(Coke Oven gas：COG)、高炉煤气(Blast Furnace Gas：BFG)和转炉煤气(Linz-Donawitz converter Gas：LDG)等气体。这些副产气体包括石蜡系烃气(例如甲烷(CH₄)气体)和氢(H₂)气体以及除此以外的“杂气”，此时的“杂气”是例如一氧化碳(CO)气体、二氧化碳(CO₂)气体、氮(N₂)气。

在本实施方式中，作为分析对象气体(副产气体)，例如以含有甲烷气体、氢气、一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气的气体为例进行说明。

本实施方式的组成分析装置10通过对分析对象气体(副产气体)中的杂气的一部分，具体而言对一氧化碳气体和二氧化碳气体的浓度进行测定，基于根据副产气体的声速和折射率计算出的热量，从而计算出作为剩余的杂气的氮气和甲烷气体和氢气的浓度(体积浓度)。换言之，一氧化碳气体和二氧化碳气体是实测对象气体，使用这些测定值计算作为非实测对象气体的氢气、甲烷气体和氮气的浓度(体积浓度)。

应予说明，在本实施方式中，针对热量，可以测定总热值(Gross)和净热值(Net)中的任一个。以下，特别是除了区分总热值(Gross)和净热值(Net)的情况以外，均将两者统称为“热量”。

参照图1，本实施方式的组成分析装置10具有：第一测定机构11、换算热量计算机构13、基准杂气总误差热量计算机构14、第一非实测对象气体浓度计算机构15、实测对象气体校正量计算机构16、分析对象气体热量计算机构17、第二非实测对象气体浓度计算机构18和第三非实测对象气体浓度计算机构19。

图2是表示组成分析装置10中的、第一测定机构11、换算热量计算机构13、基准杂气总误差热量计算机构14、第一非实测对象气体浓度计算机构15、实测对象气体校正量计算机构16、分析对象气体热量计算机构17的构成(功能)的概要的框图。

如该图所示，组成分析装置10具有：用于将分析对象气体分别供给到第一测定机构11和换算热量计算机构13的分析对象气体导入部31、在换算热量计算机构13中用于导入检测原理上所需的参照气体的参照气体导入部32、将不需要的副产气体和参照气体排出到装置外部的气体排出部33。应予说明，图2中的双点划线表示气体布管。

如图1和图2所示，第一测定机构11是对副产气体所含的多个实测对象气体(例如多种杂气)的浓度进行测定的机构，具体而言，是分别测定和检测副产气体所含的一氧化碳气体和二氧化碳气体的浓度的装置。

在本实施方式中，作为一个例子，第一测定机构11构成为包括2台红外线(IR)式浓度检测机构11A、11B。在第一测定机构11中，分析对象气体(副产气体)的一部分被从分析对象气体导入部31分别供给到红外线(IR)式浓度检测机构11A、11B，通过一个红外线式浓度检测机构11A测定和检测副产气体所含的一氧化碳气体的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO)，并且通过另一个红外线式浓度检测机构11B测定和检测副产气体所含的二氧化碳气体的浓度(二氧化碳气体浓度x_CO2)。

作为一个例子，本例的红外线式浓度检测机构11A、11B优选由具备红外线式传感器(IR传感器)的机构构成，所述红外线式传感器(IR传感器)根据因红外线被检测对象气体吸收而引起的红外线光量的衰减的程度而对检测对象气体的气体浓度进行检测(利用非分散型红外线吸收法)。作为第一测定机构11，通过使用利用了非分散型红外线吸收法的机构，从而能够尽可能减小分析对象气体所含的其它杂气的影响，并且能够以高精度检测一氧化碳气体浓度x_CO、二氧化碳气体浓度x_CO2。

应予说明，第一测定机构11只要是能够分别测定和检测副产气体所含的一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2的机构即可，不限于利用非分散型红外线吸收法的红外线式浓度检测机构，也可以是通过除红外线以外的机构进行测定和检测的装置。另外，在本实施方式中，虽然使用专用的(总计2台的)红外线式浓度检测机构11A、11B作为一氧化碳气体浓度x_CO的测定用和二氧化碳气体浓度x_CO2的测定用，但是如果能够单独测定一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2，则也可以共享1台传感器(第一测定机构11)。

虽然在后面进行说明，但在本实施方式中，在组成分析的运算处理中，副产气体所含的杂气是误差的重要因素。因此，在本实施方式中，针对能够比较容易地测定浓度的一氧化碳气体和二氧化碳气体，利用第一测定机构11测定其浓度，使用实测值进行运算。

换算热量计算机构13包括能够分别测定副产气体的折射率和副产气体中传播的声速的第二测定机构12，针对测得的折射率和声速分别计算该副产气体的换算热量。具体而言，例如第二测定机构12包括能够测定副产气体的折射率的光学传感器12A、能够分别测定在副产气体中传播的声速的声速传感器12B。作为一个例子，光学传感器12A构成为包括干涉仪，该干涉仪与测定对象的气体(这里为副产气体)和参照气体的折射率之差成比例地形成干涉条纹。光学传感器12A通过测定该干涉条纹的移动量，从而能够准确地求出副产气体的折射率。另外，声速传感器12B具备例如供副产气体流通的筒、配置于该筒的两端的声波发送源和接收源。通过从声波发送源向供副产气体流通的筒发出声音，并对在副产气体中传播而到达接收源的时间进行测定，从而能够准确地求出在测定气体中传播的声音的速度。

如图2所示，在换算热量计算机构13中，将分析对象气体(副产气体)的一部分从分析对象气体导入部31依次分别供给到光学传感器12A和声速传感器12B。另外，在光学传感器12A中，将检测原理上所需的参照气体(例如空气等)从参照气体导入部32供给到光学传感器12A。由此，在换算热量计算机构13中，通过光学传感器12A测定副产气体的折射率，并且通过声速传感器12B测定副产气体的声速，基于该测定结果计算折射率换算热量Q_OPT和声速换算热量Q_SONIC。

换算热量计算机构13具备例如基于副产气体的折射率的值计算折射率换算热量Q_OPT的折射率换算热量计算机构131和基于在该副产气体中传播的声速的值来计算声速换算热量Q_SONIC的声速换算热量计算机构132。

在后面进行详细说明，但在本实施方式中，基于利用折射率换算热量计算机构131和声速换算热量计算机构132计算出的折射率换算热量Q_OPT和声速换算热量Q_SONIC以及通过第一测定机构11实测到的一氧化碳气体和二氧化碳气体各自的浓度x_CO、x_CO2，计算出作为剩余的杂气的氮气和作为副产气体的主要成分的甲烷气体和氢气的浓度。

更详细而言，根据基于折射率换算热量Q_OPT和声速换算热量Q_SONIC计算副产气体的热量Q的运算(将该运算称为“RIKEN OPT-SONIC(注册商标)运算”，在以下的说明中简称为“OPT-SONIC运算”)的方法，计算出作为非实测对象气体的氮气的浓度。然而，因为炼铁工艺中产生的副产气体包含一氧化碳气体和二氧化碳气体，另外，特别是一氧化碳气体的浓度的变化大，所以导致在OPT-SONIC运算的结果产生误差。因此，在本实施方式中，利用第一测定机构11测定一氧化碳气体和二氧化碳气体各自的浓度x_CO、x_CO2，使用这些测定值和OPT-SONIC运算的方法计算出作为剩余的杂气的氮气和作为副产气体的主要成分的甲烷气体和氢气的浓度。在后面对OPT-SONIC运算进行说明。

基准杂气总误差热量计算机构14是基于利用换算热量计算机构13计算出的分析对象气体(副产气体)的换算热量(折射率换算热量Q_OPT和声速换算热量Q_SONIC)，计算出由上述分析对象气体所含的所有的杂气产生的热量计算的误差量(误差热量)中的、成为基准的误差量(误差热量)的机构。

在利用计算副产气体的热量Q的运算(OPT-SONIC运算)方法的情况下，副产气体所含的多种杂气成为误差的重要因素。因此，需要尽量高精度地掌握由各种杂气引起的热量计算中的误差量。在本实施方式中，可以根据在第一测定机构11中实测出的浓度，计算分别由一氧化碳气体和二氧化碳气体引起的误差量(在后面进行详细说明)。

另一方面，氮气是难以利用测定机构(传感器等)容易进行实测(实时的实测、利用比较简易的装置的实测)的成分。因此，在本实施方式中，将氮气作为单独的气体并作为实测的对象以外的气体(非实测对象气体)，在基准杂气总误差热量计算机构14中，首先计算出“以氮气为基准的误差量”。该“以氮气为基准的误差量”是指，在排除了由氮气的浓度(变化)引起的误差的影响的状态下，因所有的杂气(一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气)存在而引起的热量计算中的成为基准(基础)的误差量，以下，称为“基准杂气总误差热量QTE”。在后面对基准杂气总误差热量计算机构14的详细情况进行说明。

第一非实测对象气体浓度计算机构15是基于由第一测定机构11测得的实测的对象气体各自的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2)以及由上述基准杂气总误差热量计算机构14算出的基准杂气总误差热量QTE，计算出非实测对象的气体中的作为第一气体的氮气浓度(体积浓度)x_N2的机构。在后面对第一非实测对象气体浓度计算机构15的详细情况进行说明。

实测对象气体校正量计算机构16基于实测到的一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2，计算出用于针对每种实测对象气体校正因这些实测对象气体存在而引起的误差量的量(校正量)。如上所述，在本实施方式中，作为副产气体的热量Q的计算中的由杂气引起的误差，使用成为误差调整基准的基准杂气总误差热量QTE。该基准杂气总误差热量QTE采用考虑到以氮气为基准时的因所有的杂气(氮气、一氧化碳气体和二氧化碳气体)带来的影响的误差量。换言之，针对一氧化碳气体和二氧化碳气体，分别存在仅利用基准杂气总误差热量QTE调整不完的“误差调整中的误差量的(少量)偏差”。实测对象气体校正量计算机构16分别针对一氧化碳气体和二氧化碳气体计算用于吸收(调整)这些误差量的偏差的校正量。

换言之，实测对象气体校正量计算机构16基于测得的一氧化碳气体和二氧化碳气体的浓度，计算出误差调整中的一氧化碳气体的校正量(以下，记为一氧化碳气体校正量ΔCO)以及误差调整中的二氧化碳气体的校正量(以下，记为二氧化碳气体校正量ΔCO₂)，并使其反映在各气体浓度的计算中。在后面对实测对象气体校正量计算机构16的详细情况进行说明。

分析对象气体热量计算机构17是基于换算热量计算机构13的计算结果(折射率换算热量Q_OPT和声速换算热量Q_SONIC中的任一个)、实测对象气体校正量计算机构16的计算结果(一氧化碳气体校正量ΔCO和二氧化碳气体校正量ΔCO₂)以及基准杂气总误差热量计算机构14的计算结果(基准杂气总误差热量QTE)，对分析对象气体(副产气体)的热量Q进行计算的机构。在后面对分析对象气体热量计算机构17的详细情况进行说明。

图3是表示组成分析装置10的另一部分的构成(功能)的概要的框图，该图的(A)是表示第二非实测对象气体浓度计算机构18的构成的图，该图的(B)是表示第三非实测对象气体浓度计算机构19的构成的图。

第二非实测对象气体浓度计算机构18使用由分析对象气体热量计算机构17算出的副产气体的热量Q、副产气体中的实测对象气体所含的一种气体(这里为一氧化碳气体)的纯气体热量QP_CO、副产气体中的非实测对象气体的纯气体热量(甲烷气体的纯气体热量QP_CH4和氢气的纯气体热量QP_H2)以及实测对象气体的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO、二氧化碳气体浓度x_CO2)和氮气浓度x_N2，计算出非实测对象气体中的作为第二气体的甲烷气体的浓度(甲烷气体浓度x_CH4)。在后面对第二非实测对象气体浓度计算机构18的详细情况进行说明。

第三非实测对象气体浓度计算机构19通过从整体(100％)中减去实测对象气体的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO、二氧化碳气体浓度x_CO2)以及由上述计算出的氮气浓度x_N2和甲烷气体浓度x_CH4，从而计算出非实测对象气体中的作为第三气体的氢气的浓度(氢气浓度x_H2)。在后面对第三非实测对象气体浓度计算机构19的详细情况进行说明。

如图1所示，作为一个例子，本实施方式的组成分析装置10的硬件构成是在确保共同的防爆性的外装容器25内配设有2台红外线式浓度检测机构11A、11B、热量测量机构20、控制机构21以及显示预定的信息的显示机构22。

热量测量机构20是在例如框体(未图示)的内部收容上述换算热量计算机构13、基准杂气总误差热量计算机构14以及分析对象气体热量计算机构17而进行了单元化的装置(例如热量计)。

这样，本实施方式的组成分析装置10包含热量测量机构20(分析对象气体热量计算机构17)。即，虽然组成分析装置10是分析副产气体的组成(测定、计算多种气体的浓度)的装置，但是也能够与组成分析同时地计算出副产气体的热量Q。另外，由于分析对象气体热量计算机构17考虑到杂气的误差热量(基准杂气总误差热量QTE、一氧化碳气体校正量ΔCO和二氧化碳气体校正量ΔCO₂)而计算出副产气体的热量Q，所以能够得到将杂气的影响限制在最低限度的精度高的计算结果。

控制机构21均由未图示的CPU、RAM和ROM等构成，综合红外线式浓度检测机构11A、11B、热量测量机构20来执行各种控制。CPU是所谓的中央运算处理装置，执行各种程序来实现各种功能。RAM用作CPU的工作区域。ROM存储由CPU执行的基本OS、各种程序。各种程序包括执行热量测量机构20中的处理、和/或第一非实测对象气体浓度计算机构15、实测对象气体校正量计算机构16、第二非实测对象气体浓度计算机构18和第三非实测对象气体浓度计算机构19的各处理的程序。

应予说明，该硬件构成为一个例子，例如换算热量计算机构13、基准杂气总误差热量计算机构14和分析对象气体热量计算机构17可以不作为热量测量机构20而被单元化，2台红外线式浓度检测机构11A、11B和热量测量机构20可以被单元化。

另外，这里例示了基准杂气总误差热量计算机构14和分析对象气体热量计算机构17包含在热量测量机构20中(被单元化)的情况，但也可以是执行基准杂气总误差热量计算机构14和分析对象气体热量计算机构17的各处理的程序也包含在上述各种程序中的构成。

以下，对组成分析装置10的各构成和各种计算(运算)方法的一个例子进行进一步详述。

＜OPT-SONIC运算＞

首先，对作为本实施方式的组成分析装置10的基本概念的OPT-SONIC运算进行说明。

以往，已知使用基于气体的折射率的值的折射率换算热量Q_OPT和基于在该气体中传播的声速的值的声速换算热量Q_SONIC，考虑到由杂气引起的误差来计算气体的热量。将除去此时的由杂气引起的误差的运算式称为OPT-SONIC运算。

图4是表示多种纯气体的热量与折射率或声速之间的关系的图，该图的(A)是表示多种石蜡系烃气(CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀、C₂H₄、C₃H₆)、氢气、一氧化碳气体、氮气、氧气和二氧化碳气体各自的折射率(横轴)与纯气体的热量[MJ/m³](纵轴)之间的关系的图，该图的(B)是表示各声速[m/s](横轴)与纯气体的热量[MJ/m³](纵轴)之间的关系的图。

如该图(A)所示，针对仅由副产气体中不含有不燃性气体成分(例如氮气成分等)的燃烧性气体成分(石蜡系烃气)构成的特定气体，得到表示各纯气体的热量与折射率之间的相关关系的函数(在该图中由直线表示的函数)。将其作为折射率-热量换算函数Q_OPT。

另外，如该图的(B)所示，针对仅由副产气体中不含有不燃性气体成分(例如氮气成分等)的燃烧性气体成分(石蜡系烃气)构成的特定气体，得到表示各纯气体的热量与声速之间的相关关系的函数(在该图中由直线表示的函数)。将其作为声速-热量换算函数Q_SONIC。

另外，在图4中，针对氢气、一氧化碳气体、二氧化碳气体、氮气和氧气，分别绘制了各纯气体的热量与折射率之间的相关关系以及纯气体的热量与声速之间的相关关系，但是在该图中，偏离表示折射率-热量换算函数Q_OPT和声速-热量换算函数Q_SONIC的直线的成分(特别是一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气)成为杂气并成为给气体的热量的计算结果带来误差的重要因素。

并且，分析对象气体(副产气体)的真的热量Q与折射率-热量换算函数Q_OPT之间的关系可以如以下的式(1)所示，另外，分析对象气体(副产气体)的真的热量Q与声速-热量换算函数Q_SONIC之间的关系可以如以下的式(2)所示。

【数学式1】

Q＝Q_OPT-∑k_i·x_i (1)

【数学式2】

Q＝Q_SONIC-∑k′_i·x_i (2)

在此，式(1)和式(2)的右边第二项表示因含有杂气而引起的误差成分。k_i是图4的(A)所示的从某种杂气(例如一氧化碳气体)的折射率起到折射率-热量换算函数Q_OPT上的折射率为止的距离，以下称为光学传感器12A的热量误差系数(误差的大小)。另外，k′_i是图4的(B)所示的从某种杂气(例如，一氧化碳气体)的声速起到声速-热量换算函数Q_SONIC上的声速为止的距离，以下称为声速传感器12B的热量误差系数(误差的大小)。另外，下标的“i”为气体的种类(以下相同)。

此时，是“针对某种纯气体的声速的热量误差系数k′_i”与“针对某种纯气体的折射率的热量误差系数k_i”之比的值，以下的式(3)成立。

【数学式3】

并且，本申请申请人发现，如果考虑是某一程度的范围的值(某一气体种类的范围)，则无论杂气的种类“i”如何，α[i]都可以说大致恒定。

换言之，α[i]虽然因杂气的种类“i”而产生一些变化，但是通过将其作为微差，可以采用代表值“α_x”。

并且，根据式(1)～式(3)，得到以下的式(4)。

【数学式4】

该式(4)表示因含有杂气而产生的误差成分(误差量)，即，以代表的某一杂气为基准的情况下的基准杂气总误差热量QTE′。另外，α_x成为“用于校正以某一代表气体为基准时的对象气体(副产气体)所含的所有的杂气所涉及的误差量的系数(校正系数)”。在此，“以某一代表气体为基准”是指“排除了由该某一代表气体的浓度(的差异)对误差调整带来的影响”。

另外，利用式(1)和式(4)求出以下的式(5)。该式(5)是OPT-SONIC运算式，原则上，考虑到杂气的误差量的气体的热量Q可以利用式(5)来计算。在该情况下，根据成为对象的气体的种类而适当地选择校正系数α_x的值。

【数学式5】

然而，在作为运算的对象的气体是炼铁工艺中产生的副产气体的情况下，即使是由杂气引起的误差量被调整了的式(5)，应予说明，也会产生误差。这是因为炼铁工艺中产生的副产气体大多为一氧化碳气体的成分，另外其浓度变化也大。另外，由于该副产气体与其他气体相比热量相对小，所以无法忽视误差对于热量的影响。

具体而言，如果分别针对杂气的每种成分表示(5)式中的作为代表值的校正系数α_x，则以氮气为基准的校正系数为α_N2＝k′_N2/k_N2，以一氧化碳气体为基准的校正系数为α_CO＝k′_CO/k_CO，以二氧化碳气体为基准的校正系数为α_CO2＝k′_CO2/k_CO2，由于α_N2≈α_CO2≠α_CO，所以产生误差。

应予说明，炼铁工艺中产生的副产气体以外的气体中所含的一氧化碳气体的成分是微量的，另外由于即使含有也几乎是恒定量(几乎没有浓度变化)，所以误差不成为问题。

至此为止，本申请申请人对一氧化碳气体的浓度进行了实测，并基于该实测值掌握因含有一氧化碳气体而引起的误差量的偏差(误差调整中的一氧化碳气体的校正量；一氧化碳气体校正量ΔCO)，可知通过校正上式(5)所示的OPT-SONIC运算式能够计算出正确的热量。

并且，基于该见解，发现了对二氧化碳气体的浓度也进行了测定而掌握误差量的偏差(误差调整中的二氧化碳气体的校正量；二氧化碳气体校正量ΔCO₂))量，通过校正上式(5)，校正系数α_x可以使用以单一的氮气为基准的校正系数α_N2，在该热量计算的过程中，可以针对非实测对象的氮气浓度进行计算。另外，其结果是，在校正了上式(5)的热量计算中也提高其运算精度。

式(6)是基于该见解，用于利用由一氧化碳气体和二氧化碳气体的浓度引起的误差量进一步校正OPT-SONIC运算式而计算出对象气体(副产气体)的热量Q的运算式。应予说明，式(5)和式(6)均是计算对象气体的热量Q的式，但是为了与作为校正后的运算式的式(6)进行区分，将基本的OPT-SONIC运算式(式(5))示为Qo_rg。

【数学式6】

在此，α_N2是排除由氮气的浓度(的差异，偏差)带来的影响的校正系数。更详细而言，是用于校正与以氮气为基准时的副产气体所含的所有的杂气相关的误差热量的系数，是排除了由氮气的浓度(的差异，偏差)给误差调整带来的影响(即，没有因氮气浓度的变化而引起的误差热量的调整的偏差量)的情况下的、用于校正与副产气体所含的所有杂气相关的误差热量的系数。

作为一个例子，校正系数α_N2的值期望为α_N2＝1.5～3.5，优选为α_N2＝1.8～3.0，更优选为α_N2＝2.0～2.5。

另外，右边第二项的“(Q_OPT-Q_SONIC)/(1-α_N2)”是以氮气为基准的情况下的基准杂气总误差热量QTE。在本实施方式中，使用以OPT-SONIC运算式为原理的上式(6)的思想，利用以下的各机构进行运算。

＜换算热量计算机构＞

换算热量计算机构13具备例如基于副产气体的折射率的值计算出折射率换算热量Q_OPT的折射率换算热量计算机构131、以及基于在该副产气体中传播的声速的值计算出声速换算热量Q_SONIC的声速换算热量计算机构132(参照图2)。

折射率换算热量计算机构131包括图4的(A)所示的折射率-热量换算函数Q_OPT。并且，在被供给副产气体的情况下，折射率换算热量计算机构131利用光学传感器12A测定该副产气体的折射率，假定该值为上述特定气体的折射率，将测得的折射率的值与折射率-热量换算函数Q_OPT对照，从而计算出副产气体的折射率换算热量Q_OPT。

在杂气成分为一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气的情况下，考虑到由折射率换算热量计算机构131计算的由杂气引起的误差的热量Q(Q_O)是基于式(1)由以下的式(7)来表示。

【数学式7】

Q(Q_O)＝Q_OPT-k_N2·x_N2-k_CO2·x_CO2-k_CO·x_CO (7)

这里，

k_N2：针对氮气的折射率的热量误差系数

k_CO2：针对二氧化碳气体的折射率的热量误差系数

k_CO：针对一氧化碳气体的折射率的热量误差系数。

声速换算热量计算机构132包括图4的(B)所示的声速-热量换算函数Q_SONIC。并且，在被供给副产气体的情况下，声速换算热量计算机构132利用声速传感器12B测定该副产气体的声速，假定该值为上述特定气体的声速，将测得的声速的值与声速-热量换算函数Q_SONIC对照，从而计算出副产气体的声速换算热量Q_SONIC。

在杂气成分为一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气的情况下，考虑到由声速换算热量计算机构132计算的由杂气引起的误差的热量Q(Q_S)是基于式(2)由以下的式(8)来表示。

【数学式8】

Q(Q_S)＝Q_SONIC-k′_N2·x_N2-k′_CO2·x_CO2-k′_CO·x_CO (8)

这里，

k′_N2：针对氮气的声速的热量误差系数

k′_CO2：针对二氧化碳气体的声速的热量误差系数

k′_CO：针对一氧化碳气体的声速的热量误差系数。

＜基准杂气总误差热量计算机构＞

基准杂气总误差热量计算机构14计算出以氮气为基准的基准杂气总误差热量QTE。

在将作为非实测对象气体的氮气的校正系数α_N2＝k′_N2/k_N2代入式(8)，并合并使用式(7)时，得到以下的式(9)。

【数学式9】

这里，

ηCO₂：针对通过用氮气基准表示式(9)(包括以氮气为基准的基准杂气总误差热量QTE(校正系数α_N2))而产生的二氧化碳气体的误差成分系数

ηCO：针对通过用氮气基准表示式(9)(包括以氮气为基准的基准杂气总误差热量QTE(校正系数α_N2))而产生的一氧化碳气体的误差成分系数。

另外，式(9)中的右边第一项是以氮气为基准的基准杂气总误差热量QTE(式(6)的右边第二项)。

＜第一非实测对象气体浓度计算机构＞

第一非实测对象气体浓度计算机构15使用一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2、用于排除由作为非实测对象气体的氮气浓度带来的影响的校正系数α_N2、针对在使用该校正系数α_N2时产生的实测对象气体(一氧化碳气体和二氧化碳气体)的各成分的误差成分系数η_CO、η_CO2，计算出氮气浓度x_N2。具体而言，利用基于式(9)的以下的式(10)，计算出氮气浓度x_N2。

【数学式10】

＜实测对象气体校正量计算机构＞

实测对象气体校正量计算机构16计算出上式(6)的右边第三项和右边第四项的一氧化碳气体校正量ΔCO和二氧化碳气体校正量ΔCO₂。具体而言，在以下的分析对象气体热量计算机构17的说明中一起进行说明。

＜分析对象气体热量计算机构＞

分析对象气体热量计算机构17基于例如折射率换算热量Q_OPT、测得的一氧化碳气体浓度x_CO和二氧化碳气体浓度x_CO2、成为基准的误差热量QTE、因存在一氧化碳气体而产生的误差的校正量ΔCO、因存在二氧化碳气体而产生的误差的校正量ΔCO₂，计算出分析对象气体(副产气体)的热量Q。具体而言，将氮气的校正系数α_N2＝k′_N2/k_N2代入式(8)，利用使用式(7)总结的以下的式(11)而计算出副产气体的热量Q。

【数学式11】

这里，

ζ_CO：一氧化碳气体的热量误差校正系数

ζ_CO2：二氧化碳气体的热量误差校正系数。

另外，式(11)与式(6)等价，实测对象气体校正量计算机构16利用式(11)的右边第三项的ζ_CO2·x_CO2计算出二氧化碳气体校正量ΔCO₂，利用式(11)的右边第四项的ζ_CO·x_CO计算出一氧化碳气体校正量ΔCO。

如下所示地求出一氧化碳气体的热量误差校正系数ζ_CO和二氧化碳气体的热量误差校正系数ζ_CO2。

图5是表示一氧化碳气体、二氧化碳气体和氮气各自的浓度与热量计算中的误差之间的关系的图表。

例如，作为试验用气体，准备多个以甲烷气体为主要成分，作为杂气仅混入了浓度不同的一氧化碳气体的气体。

然后，针对这些试验用气体，在上述式(5)中，使用以氮气为基准的校正系数α_N2，计算出各试验用气体的热量Q(真热量Qa)。这在式(6)中与将一氧化碳气体校正量ΔCO和二氧化碳气体校正量ΔCO₂均设为“0”时的热量Q(真热量Qa)为同义。

另外，针对各个该试验用气体，基于JISK2301：2011测定热量Qb。并且，将基于JISK2301：2011得到的热量Qb作为例如真值，求出针对按上述条件计算出的热量Qa的真值的误差。并且，以一氧化碳气体浓度[vol％(体积百分率)]为横轴，比以针对热量Qa的真值的误差[MJ/Nm³，Net]为纵轴来描绘结果。在该图中用方形的曲线来表示一氧化碳气体。通过将各试验用气体的结果进行直线近似而获得的近似直线的斜率为热量误差校正系数ζ_CO。

另外，作为试验用气体，准备多个以甲烷气体为主要成分，并且仅混入了浓度不同的二氧化碳气体作为杂气的气体。

并且，针对这些试验用气体，在上述式(5)中，使用以氮气为基准的校正系数α_N2(在式(6)中，将一氧化碳气体校正量ΔCO和二氧化碳气体校正量ΔCO₂均设为“0”)，计算出各试验用气体的热量Q(真热量Qa)。

另外，针对各该试验用气体，基于JIS K2301：2011测定热量Qb。并且，将基于JISK2301：2011得到的热量Qb作为例如真值，求出针对按上述条件计算出的热量Qa的真值的误差。并且，以二氧化碳气体浓度[vol％(体积百分率)]为横轴，并以针对热量Qa的真值的误差[MJ/Nm³，Net]为纵轴来描绘结果。在该图中用三角的曲线来表示二氧化碳气体。通过将各试验用气体的结果进行直线近似而获得的近似直线的斜率为热量误差校正系数ζ_CO2。

应予说明，在图5中，针对混入了氮气来代替一氧化碳气体的试验用气体，通过与上述同样的方法而获得的数据也是曲线(圆圈)。

＜第二非实测对象气体浓度计算机构＞

第二非实测对象气体浓度计算机构18使用副产气体的热量Q、实测对象气体所含的一种气体(这里为一氧化碳气体)的纯气体热量QP_CO、非实测对象气体的纯气体热量(甲烷气体的纯气体热量QP_CH4和氢气的纯气体热量QP_H2)、实测对象气体的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO，二氧化碳气体浓度x_CO2)以及氮气浓度x_N2，计算出非实测对象气体中的作为第二气体的甲烷气体的浓度(甲烷气体浓度x_CH4)(参照图3(A))。

首先，可以由以下的式(12)来表示副产气体的热量Q。

【数学式12】

Q＝QP_H2·{1-(x_CH4+x_CO+x_CO2+x_N2)}+QP_CH4·x_CH4+QP_CO·x_CO (12)

这里，

QP_H2：氢的纯气体(100vol％)的单位热量[MJ/m³]

QP_CO：一氧化碳的纯气体(100vol％)的单位热量[MJ/m³]

QP_CH4：甲烷的纯气体(100vol％)的单位热量[MJ/m³]。

然后，利用式(12)，可以通过以下的式(13)而计算出甲烷气体浓度x_CH4。

【数学式13】

＜第三非实测对象气体浓度计算机构＞

第三非实测对象气体浓度计算机构19使用实测对象气体的浓度(一氧化碳气体浓度x_CO、二氧化碳气体浓度x_CO2)、上述计算出的氮气浓度x_N2以及甲烷气体浓度x_CH4，利用以下的式(14)，计算出非实测对象气体中的作为第三气体的氢气的浓度(氢气浓度x_H2)。

【数学式14】

x_H2＝1-(x_CH4+x_CO+x_CO2+x_N2) (14)

以上，本实施方式中说明的各运算式为一个例子，只要是能够分别计算出基准杂气总误差热量QTE、副产气体热量Q、氮气浓度x_N2、甲烷气体浓度x_CH4和氢气浓度H₂的方法即可，不限于上述所示的情况。

根据本实施方式的组成分析装置10，例如，可以利用红外线式浓度检测机构11A、11B和热量测量机构20等简易的结构而计算出副产气体的组成(副产气体所含的多种气体浓度)，另外还能够进行组成分析的连续处理。

换言之，例如与取样周期通常为几分钟的气相色谱法等相比，能够进行短时间的分析(大致实时的分析)，并且能够捕捉对象气体的成分的陡峭的(短时间的)变化。

另外，与气相色谱装置相比，由于能够以简单且低价格的构成来实现，所以能够降低组成分析装置10和组成分析所需的成本。

另外，由于组成分析装置10的各构成一体地收容在确保了防爆性的外装容器25内，所以与通常的由燃烧抽出方式进行气体的成分分析等相比，不需要用于将气体抽出到能够确保防爆性的区域的构成，能够提高设置场所的自由度。

另外，与现有的热量计算的方法相比，由于能够准确地掌握由一氧化碳气体和二氧化碳气体的浓度变化引起的误差量，所以能够进行高精度的运算。

另外，可以利用1台连续地进行副产气体的热量计算和组成分析。而且，由于能够连续地获得与实际状况相符的副产气体的热量Q，并且还能够进行组成分析，所以即使在发生气体组成的变化，例如转炉煤气所含的杂气的混合比率的变化等的情况下，也能够迅速地检测出气体组成的变动和与此相伴的热量Q的变化，能够提高组成分析的作业效率。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，可以追加各种改变。

例如，第一测定机构11不限于所谓的利用非分散型红外线吸收法，也可以具备能够检测一氧化碳气体的浓度的其他气体传感器。

另外，可以不具备第一测定机构11和第二测定机构12中的至少任一个，也可以构成为：实测对象气体(一氧化碳气体和/或二氧化碳气体)的浓度、在分析对象气体的折射率和/或该分析对象气体中传播的声速分别利用另外的测定机构测定，并基于由这些得到的浓度数据、折射率数据和声速数据进行(将它们输入到组成分析装置10)组成分析。

另外，在上述实施方式中，作为分析对象气体，以炼铁工艺中产生的副产气体(焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气和它们的混合气体)的情况为例进行了说明，但不限于此，分析对象气体如果是包含石蜡系烃(例如甲烷)、氢、一氧化碳、二氧化碳、氮这5种成分的气体，则能够进行这5种成分的组成分析和热量计算。例如，分析对象气体也能够适用于天然气体、在天然气体中混入了氢的气体。另外，分析对象气体中可以含有氧(此时作为氮气成分而进行计算)。

以下，对本发明的实验例进行说明。

[实验例]

图6是表示利用本实施方式的组成分析装置10得到的运算结果的一个例子的图表。实验中使用的分析对象气体是模拟了COG、BFG、LDG的气体(单体)或使它样的混合比变化的混合气体。图6是将这些分析对象气体导入到组成分析装置10而进行运算，并对计算出的氮气(该图(A))、甲烷气体(该图(B))和氢气(该图(C))的各浓度与运算值之间的关系进行描绘而得的结果。横轴是各实际的浓度[vol％]，纵轴是各运算值[vol％]。另外，在各图表内示出基于曲线的近似直线制作出的近似式。

由该图可知，各近似式的系数大致为“1”，得到表示组成分析装置10的运算值妥当的结果。

Claims (16)

1.一种组成分析装置，其特征在于，对分析对象气体的组成进行分析，所述组成分析装置具备：

第一测定机构，其对所述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度进行测定；

换算热量计算机构，其包括分别对所述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速进行测定的第二测定机构，并且分别对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；

基准杂气总误差热量计算机构，其基于所述分析对象气体的换算热量，对因所述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的、成为基准的误差热量进行计算；以及

第一非实测对象气体浓度计算机构，其基于所述实测对象气体各自的浓度和成为所述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的组成分析装置，其特征在于，所述基准杂气总误差热量计算机构使用排除由所述第一气体的浓度带来的影响的校正系数而计算出成为所述基准的误差热量。

3.根据权利要求2所述的组成分析装置，其特征在于，所述第一非实测对象气体浓度计算机构使用在使用所述校正系数的情况下产生的针对所述实测对象气体的各个成分的误差成分系数，计算出所述第一气体的浓度。

4.根据权利要求3所述的组成分析装置，其特征在于，具有：

实测对象气体校正量计算机构，其基于所述实测对象气体各自的浓度，计算用于对每种该实测对象气体校正因存在该实测对象气体而引起的误差量的校正量；

分析对象气体热量计算机构，其基于所述基准杂气总误差热量计算机构的计算结果和所述实测对象气体校正量计算机构的计算结果，计算出所述分析对象气体的热量；以及

第二非实测对象气体浓度计算机构，其使用所述分析对象气体的热量、所述实测对象气体所含的一种气体的纯气体热量、所述分析对象气体所含的第二气体的纯气体热量、所述分析对象气体所含的第三气体的纯气体热量、所述实测对象气体和所述第一气体各自的浓度，计算出作为非实测对象的所述第二气体的浓度。

5.根据权利要求4所述的组成分析装置，其特征在于，所述组成分析装置具有第三非实测对象气体浓度计算机构，该第三非实测对象气体浓度计算机构基于所述实测对象气体各自的浓度、所述第一气体的浓度和所述第二气体的浓度，计算出作为非实测对象的所述第三气体的浓度。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的组成分析装置，其特征在于，所述实测对象气体和所述第一气体为杂气。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的组成分析装置，其特征在于，所述第一测定机构构成为包括能够测定所述实测对象气体的红外线传感器。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的组成分析装置，其特征在于，所述第二测定机构为光学传感器和/或声速传感器。

9.一种组成分析方法，其特征在于，对分析对象气体的组成进行分析，所述组成分析方法包括：

对所述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度进行测定的步骤；

换算热量计算步骤，分别对所述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速进行测定，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；

基准杂气总误差热量计算步骤，基于所述分析对象气体的换算热量，对因所述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的、成为基准的误差热量进行计算；以及

第一非实测对象气体浓度计算步骤，基于所述实测对象气体各自的浓度和成为所述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

10.根据权利要求9所述的组成分析方法，其特征在于，在所述基准杂气总误差热量计算步骤中，使用排除由所述第一气体的浓度带来的影响的校正系数而计算出成为所述基准的误差热量。

11.根据权利要求10所述的组成分析方法，其特征在于，在所述第一非实测对象气体浓度计算步骤中，使用在使用所述校正系数的情况下产生的针对所述实测对象气体各自的成分的误差成分系数，计算出所述第一气体的浓度。

12.根据权利要求11所述的组成分析方法，其特征在于，包括：

实测对象气体校正量计算步骤，基于所述实测对象气体各自的浓度，计算出用于对每种该实测对象气体校正因存在该实测对象气体而引起的误差量的校正量；

分析对象气体热量计算步骤，基于成为所述基准的误差热量和所述校正量，计算出所述分析对象气体的热量；以及

第二非实测对象气体浓度计算步骤，使用所述分析对象气体的热量、所述实测对象气体所含的一种气体的纯气体热量、所述分析对象气体所含的第二气体的纯气体热量、所述分析对象气体所含的第三气体的纯气体热量、所述实测对象气体和所述第一气体各自的浓度，计算出作为非实测对象的所述第二气体的浓度。

13.根据权利要求12所述的组成分析方法，其特征在于，包括第三非实测对象气体浓度计算步骤，在该第三非实测对象气体浓度计算步骤中，基于所述实测对象气体各自的浓度以及所述第一气体的浓度和所述第二气体的浓度，计算出作为非实测对象的所述第三气体的浓度。

14.根据权利要求9～13中任一项所述的组成分析方法，其特征在于，所述实测对象气体和所述第一气体为杂气。

15.一种组成分析方法，其特征在于，对分析对象气体的组成进行分析，所述组成分析方法包括：

获取所述分析对象气体所含的多个实测对象气体的浓度的步骤；

分别获取所述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量的步骤；

基于所述分析对象气体的换算热量，计算因所述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量的步骤；以及

基于所述实测对象气体各自的浓度和成为所述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度的步骤。

16.一种组成分析装置，其特征在于，对分析对象气体的组成进行分析，所述组成分析装置具有：

换算热量计算机构，其分别获取所述分析对象气体的折射率和在该分析对象气体中传播的声速，并且分别针对该折射率和声速计算出该分析对象气体的换算热量；

基准杂气总误差热量计算机构，其基于所述分析对象气体的换算热量，计算出因所述分析对象气体所含的杂气产生的误差热量中的成为基准的误差热量；以及

第一非实测对象气体浓度计算机构，其基于所述分析对象气体所含的多个实测对象气体各自的浓度和成为所述基准的误差热量，计算出第一气体的浓度。

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