JP2001318033A - 固体粒子サンプリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 石炭水素添加ガス化炉内でのチャーのよう
に、採取試料（固体粒子）の凝集性、反応性などがサン
プリング室（反応室）１００内で種々変化する場合であ
っても、試料採取箇所での採取試料の粒度分布や反応性
などをそのまま保った状態でサンプリングできる固体粒
子サンプリング装置を得る。 【解決手段】 気体と固体粒子の混合流が所定流速で移
動するサンプリング室１００から標本としての固体粒子
を採取するためのサンプリング装置であって、試料採取
口をサンプリング室内に位置させたサンプリング管１０
と、該サンプリング管に接続した試料移動流路１２、２
２、５１２と、該試料移動流路の途中に配置した固体粒
子収集手段２０、３０と、前記サンプリング管の試料採
取口を通過する前記混合流の流速を制御する流速制御手
段（サンプリング管１０先端に装着する口径の異なるキ
ャップ部材１５及び流量計４０、流量調整弁５０）とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体粒子サンプリン
グ装置、特に、気体と固体粒子の混合流が所定流速で移
動するサンプリング室から標本としての固体粒子を、当
該サンプリング室内での標本の粒度分布を維持したまま
で採取することを可能とした固体粒子サンプリング装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】気体と固体粒子の混合流から標本として
の固体粒子を採取する固体粒子サンプリング装置は従来
から知られている。例えば、特開昭６３−２９８１３３
号公報にはエンジン排気ガス中の微粒子、特に微粒子中
のカーボン質を主体とした固形分のサンプリングに好適
な微粒子サンプリング装置が記載されている。通常、気
体と固体粒子の混合流が移動するサンプリング室にサン
プリング管を差し込み、該サンプリング管に接続した試
料移動流路の途中に固体粒子収集手段を配置して、該固
体粒子収集手段により目的とする固体粒子を採取するよ
うにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、サンプリン
グする場での固体粒子濃度を正確に把握するには、サン
プリング室内での混合流における固体粒子の粒度分布を
正確に維持した状態で、すなわち、固気混合流の流れ
（流線）に影響を与えることなくサンプリング管から固
体粒子を採取することが求められる。その場合に、サン
プリング室内での混合流の流速と等しい流速でサンプリ
ング管の試料採取口から混合流を吸引することが必要で
あり、より早い流速で吸引すると試料採取口周囲の流れ
を引き込んでしまい、また、より遅い速度で吸引すると
試料採取口への流れの一部を周囲に排除してしまい、正
確な粒度分布に関する情報が得られない。

【０００４】また、サンプリング室（反応室）が高温・
高圧状態であるときに、該高温・高圧状態下での固体粒
子の性状を正確に把握するには、サンプリング管に流入
した直後に固体粒子を不活性状態として、高温・高圧状
態下での固体粒子の性状を固定することが求められる。
採取位置によって固体粒子の性状が大きく変化するよう
な場合にも、個々の採取位置での固体粒子の性状を正確
に把握するために、採取直後の固体粒子の不活性化が求
められる。

【０００５】上記のような試料の採取条件が必要とされ
る一例として、石炭水素添加ガス化装置におけるガス化
炉内での微粉炭あるいは微粉炭の反応後のチャーの採取
がある。石炭水素添加ガス化とは、石炭（微粉炭）に高
温高圧の水素を噴射してガス化し、メタンなどの炭化水
素系ガスを直接製造しようとするものであり、特開昭５
２−１４２７０３号公報には、図２ａ、図２ｂに示すよ
うに、上方のプレート１５６と底部のインジェクタプレ
ート１６０と、それらの中心部に支えられている濃密度
の微粉炭を運ぶ微粉炭ノズル１５４とから構成されるガ
ス化炉１５２の一例が記載されている。

【０００６】このガス化炉１５２において、前記プレー
ト１５６の内面１５７とインジェクタプレート１６０の
内面１５８とにより環状の室１６２が区画され、該環状
の室１６２には、図示しない予熱器において１５００−
１８００゜Ｆの温度範囲に加熱された水素が導管１６４
から導入される。インジェクタプレート１６０には微粉
炭ノズル１５４の回りに等間隔に４個のオリフィス１６
６が形成さられている。各オリフィス１６６は前記微粉
炭ノズル１５４の中心線に関して約３０度の衝突角をな
しており、各オリフィス１６６から噴出する高温水素
は、微粉炭ノズル１５４から噴出する微粉炭とインジェ
ク表面下流で衝突し、微粉炭と高温水素の混合が進行し
て、石炭のガス化が進行する。

【０００７】上記の石炭水素添加ガス化において、ガス
化炉内で微粉炭と高温水素が衝突して反応した後の残さ
であるチャーの凝集性、反応性などを正確に把握するこ
とは、石炭水素添加ガス化の運転を最適化するために必
須となる。しかし、石炭水素添加ガス化炉内で微粉炭と
水素の混合流の流速は流れ方向に変化すること、石炭水
素添加ガス化炉内は高温・高圧状態でありかつ流れ方向
でのチャーの凝集性、反応性などが変化する可能性があ
ること、などから、従来のサンプリング装置をそのまま
用いてチャーを採取したときに、採取されたチャーは変
化してしまい、ガス化炉内でのチャーの性状や状態を正
確に反映したものとはならなかった。

【０００８】本発明の目的は上記の事情に鑑みてなされ
たものであり、例えば石炭水素添加ガス化炉内でのチャ
ーのように、採取試料（固体粒子）の凝集性、反応性な
どがサンプリング室（反応室）内で種々変化する場合で
あっても、試料採取箇所での採取試料の性状や状態をそ
のまま保った状態で、試料をサンプリングすることを可
能とする固体粒子サンプリング装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による固体粒子サ
ンプリング装置は、気体と固体粒子の混合流が所定流速
で移動するサンプリング室から標本としての固体粒子を
採取するためのサンプリング装置であって、試料採取口
をサンプリング室内に位置させたサンプリング管と、該
サンプリング管に接続した試料移動流路と、該試料移動
流路の途中に配置した固体粒子収集手段と、前記サンプ
リング管の試料採取口を通過する前記混合流の流速を制
御する流速制御手段とを備えていることを特徴とする。

【００１０】本発明による固体粒子サンプリング装置に
よれば、サンプリング管の試料採取口を通過する混合流
の流速を制御する流速制御手段を備えているので、サン
プリング管の試料採取口から混合流を吸引する速度とサ
ンプリング室内でのサンプリングする場所での混合流の
流速とを等しく調整する、すなわち等速吸引することが
可能となる。等速吸引が行われることにより、サンプリ
ング室内での混合流の流線を乱さない状態でサンプリン
グ管から当該混合流を吸引することが可能となり、結果
として、当該混合流における固体粒子の粒度分布を正し
く維持した状態で固体粒子を採取することがでる。その
結果、サンプリングする場での固体粒子濃度を正確に把
握することが可能となる。

【００１１】流速制御手段は任意であり、適宜のものを
用いうるが、サンプリング室が高圧下にある条件では、
試料移動流路の最下流側に流量調整弁とサンプリング管
の試料採取口の開口面積を変化させる手段との組み合わ
せによる流速制御手段は好ましい態様である。具体的に
は、一方において、試料移動流路の最下流側に設けた流
量調整弁を調整して、用いる固体粒子収集手段（例えば
サイクロン）が機能するのに必要な最少流量以上の流量
が得られるようにし、他方において、サンプリングする
場での混合流の流速をパイロットテストなどにおいて予
め求めておく。そして、それらの値を基礎として、サン
プリング管の試料採取口で当該流速が得られるような試
料採取口の開口面積を計算により求め、該開口面積とな
るようにサンプリング管の試料採取口の開口面積を調整
する。後記するように、不活性ガスを試料移動流路に流
入させる場合には、その流量も加味して試料採取口の開
口面積を定める。また、流量調整弁を通過するときとサ
ンプリング室内とで混合流の温度に無視できない変化が
起こる場合には、必要な温度補償を行った上で、試料採
取口の開口面積を定めるようにする。

【００１２】好ましい態様において、固体粒子サンプリ
ング装置は、窒素ガスのような不活性ガス供給源をさら
に備える。該不活性ガス供給源からの不活性ガスは、前
記サンプリング管の試料採取口からサンプリング室に噴
出する態様と、サンプリング管で採取された試料と共に
前記試料移動流路を流下する態様の２つの態様を選択的
にとれるようにされている。前者の態様では、サンプリ
ング管のパージを行い、後者の態様では、サンプリング
管に流入した固体粒子を不活性状態として、高温・高圧
状態下での固体粒子の性状を固定化する。それにより、
試料採取位置によって固体粒子の性状が大きく変化する
ような場合でも、当該試料採取位置での固体粒子の性状
を正確に把握することが可能となる。

【００１３】前記固体粒子収集手段は、採取する固体粒
子の種類に応じて適宜選択できる。また、固体粒子収集
手段は１種類であってもよく、２種類以上のものを同時
に用いてもよい。例えば、１０μｍ程度以上の粒子を分
離回収できるサイクロンを上流側に配置し、その下流に
さらに小径の粒子を回収するダストキャッチャのような
ものを配置するようにしてもよい。ダストキャッチャの
ような一種のフィルター類を配置することにより、その
下流に流量調整弁と共に流量計を配置するような場合
に、それらに詰まりによる機能障害を発生させないとい
う付加的な効果を生じさせることもでき、有意義であ
る。

【００１４】本発明による固体粒子サンプリング装置は
上記の構成であり、気体と固体粒子の重量比が１：５と
いうような質量濃度の高い混合流から固体粒子をサンプ
リングするのに好適に用いうる。特に、前記した石炭水
素添加ガス化装置のガス化炉あるいはその実験炉をサン
プリング室とし、サンプリングする（採取する）固体粒
子が石炭（微粉炭）のガス化反応後の残さ（チャー）で
ある場合に、特に適した固体粒子サンプリング装置とな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体粒子サン
プリング装置の一実施の形態を、石炭水素添加ガス化装
置のガス化炉あるいはその実験炉に用いた場合を例とし
て、図面を参照しながら説明する。図１において、１０
０は石炭水素添加ガス化装置のガス化炉の一例を示す模
式図であり、円筒状の炉体１０１とその上端に気密に装
着されたインジェクタ１０２とを備える。炉体１０１及
びインジェクタ１０２は共通の中心軸心Ｌを有し、イン
ジェクタ１０２には該中心軸心Ｌを軸心線として微粉炭
ノズル１０３と、該微粉炭ノズル１０３の回りに等間隔
に４個の高温水素ノズル１０４（図では２本のみが示さ
れる）が、前記微粉炭ノズル１０３の中心線に関して約
３０度の衝突角をなすようにして配置されている。各高
温水素ノズル１０４から噴出する高温水素は、微粉炭ノ
ズル１０３から噴出する微細な微粉炭とインジェク表面
下流で衝突し、微粉炭と高温水素の混合が進行して、石
炭のガス化が進行する。

【００１６】このような石炭水素添加ガス化装置のガス
化炉において、微粉炭と高温水素とが衝突した直後に生
成されるチャーが、粒子同士が融着して凝集塊を作るこ
となく、等しい濃度で分散している状態にあることは、
石炭のガス化反応を進める上できわめて望ましいことで
あり、そのために、チャーをサンプリングして、粒度分
布や物性を解析することが行われる。そのためのチャー
サンプリング手段として、炉体１０１の炉側壁を貫通し
て２本のサンプリング管１０、１０が流れ方向に位置を
変えて挿入される。

【００１７】サンプリング管１０、１０は、共に、グラ
ンドパッキン１１を介して炉側壁に気密状態で進出及び
回動自在に装着されている。サンプリング管１０の先端
側は湾曲しており、その開口端面（試料採取口）は前記
中心軸心Ｌに直交して上方に開放する試料採取位置（図
で実線位置）と、そこから１８０度反転した位置（図で
仮想線位置）とを取りうるようにされている。また、サ
ンプリング管１０の先端には、異なった開口径を持つ多
種類のキャップ１５（図１ｂ参照）が選択的かつ交換自
在に装着できるようにされている。サンプリング管１０
は、さらに、その流路の一部に開閉弁１５を備えた分岐
管１４を有しており、該分岐管１４は図示しない流量調
整を介して図示しない液体窒素源に接続している。開閉
弁１５を開くことによりサンプリング管１０には分岐管
１４から窒素ガス（Ｎ₂）が流入する。

【００１８】サンプリング管１０の後流端側は、適宜の
管路１２及び開閉弁１３を介して、この例では直径１０
μｍ以上の粒子を分離回収できるサイクロン２０の流入
口２１に接続している。該サイクロン２０からの排出流
体は管路２２及び開閉弁２３を介して、より小粒径のチ
ャーを採取するダストキャッチャ３０の流入口３１に接
続している。該ダストキャッチャ３０からの排出流体
は、直列に配置された流量計４０及び流量調節弁５０を
通過し、管路５１を通過してガス放散ラインへ流れる。
なお、ダストキャッチャ３０の炉材としては、濾紙、金
属製メッシュ材のようにフィルターとしての機能を持つ
ものが用いられる。

【００１９】上記の固体粒子サンプリング装置を用い
て、チャーをサンプリングする方法を説明する。石炭水
素添加ガス化装置の運転あるいはテストを開始する前
に、テストモデルによりサンプリング管１０の前記キャ
ップ１５位置である試料採取位置における炉内混合流の
流速（Ｖ１）及び炉内圧力（Ｐ１）を予め把握してお
く。また、固体粒子収集手段（この例では、サイクロン
２０）が所期の機能を発揮することのできる最少流量
（Ｑ１）も求めておく。そして、ガス放出ライン５１か
らの放出流量Ｑ２（＞Ｑ１）と前記混合流の流速（Ｖ
１）及び炉内圧力（Ｐ１）とから、サンプリング管１０
の開口先端（すなわち、試料採取位置）を通過して流入
する混合流の流速（Ｖ２）が前記流速（Ｖ１）と等しく
なるような開口先端の口径を算出し、該口径を持つキャ
ップ１５をサンプリング管１０の開口先端に装着する。
分岐管１４から窒素ガスをサンプリング管１０に導入す
る場合には、その量も考慮する。また、必要な場合に
は、温度補償も行う。

【００２０】サンプリング開始に先立ち、サンプリング
管１０の開口端面をパージ位置、すなちわ、図に仮想線
で示す位置におく。開閉弁１５を開き、分岐管１４から
窒素ガスを導入して、サンプリング管１０、試料移動流
路（管路１２、２２、５１など）と、流速制御手段（サ
イクロン２０及びダストキャッチャ３０）のパージを行
う。炉１００の運転を開始すると共に、サンプリング管
１０を１８０度反転し、その開口端面を中心軸心Ｌに直
交して上方に開放した位置（図に実線で示す試料採取位
置）とし、同時に、開閉弁１５を操作して、所定量の窒
素ガスをサンプリング管１０に導入する。

【００２１】それにより、ガス化炉１００内での当該サ
ンプリングする場での混合流の流速と同じ速度でチャー
を含む混合流がサンプリング管１０のキャップ１５の開
口から吸引されると共に、吸引されたチャーは低温であ
る窒素ガスに接して、直ちに反応を停止する。なお、窒
素ガスの流量はチャーが反応温度以下の温度に低下する
量とされる。その結果、サンプリング室であるガス化炉
内での混合流におけるチャーの粒度分布を正確に維持し
た状態でサンプリング管１０からチャーは流入し、流入
したチャーの反応は、ガス化炉内での状態とほぼ同じ状
態で停止する。また、冷却されることにより、採取後
に、チャーの凝集が進むことも阻止される。

【００２２】不活性化したチャーを含む混合流はサイク
ロン２０に流入して、そこで直径１０μｍ以上のチャー
を分離する。サイクロン２０で採取されたチャーは図示
しない分析装置に移され、凝集程度や脱揮発状態などの
分析が行われる（この分析手法はすでに知られたもので
あり、ここでは省略する）。なお、水素を燃焼させると
水蒸気が発生しやすく、その水蒸気が管路に混入して凝
縮すると、凝縮した水蒸気とチャーとで管路１２に詰ま
りを生じさせる恐れがあるので、サンプリング管１０と
サイクロン２０とは可能な限り接近させておくことが望
ましい。

【００２３】前記サイクロン２０からの排気流はダスト
キャッチャ３０を通過し、そこでより小径のチャー及び
発生した水蒸気が採取される。採取されたチャーも同様
に分析装置に移される。ダストキャッチャ３０を出たガ
スは、流量計４０、流量調節弁５０を通過してガス放散
ライン５１から放出される。フィルターとしての機能を
果たすダストキャッチャ３０の存在により流量計４０や
流量調節弁５０に詰まりが生じるのは回避される。な
お、サンプリング中に、流量計４０の目盛りが常に初期
設定値である流量Ｑ２を維持するように、流量調整弁５
０を微調整する。所定のサンプリング作業を終えた後、
各開閉弁を閉じて、サイクロン２０やダストキャッチャ
３０の清掃などを行い、サンプリング装置を初期状態に
戻し、次のサンプリングに備える。

【００２４】なお、図示の例では、サンプリング管１０
を流れ方向（上下方向）の位置を異ならせて２本配置し
ているが、その先端に装着するキャップ１５の口径を除
いて、試料移動流路及び固体粒子収集手段などは同じで
あってよい。各サンプリング管１０の先端には、その試
料採取位置での炉内における混合流の流速に見合った口
径を持つキャップ１５が装着される。図示しないが、前
記した固定開口であるキャップ１５に変えて、可変開口
を持つキャップ相当体をサンプリング管の試料採取口に
取り付けることもできる。この場合には、別途設ける試
料採取位置での混合流の流速測定手段からの情報に基づ
き、それに応じた口径に調整しながらサンプリングでき
る利点がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明による固体粒子サンプリング装置
によれば、例えば石炭水素添加ガス化炉内でのチャーの
ように、採取試料（固体粒子）の凝集性、反応性などが
サンプリング室（反応室）内で種々変化する場合であっ
ても、試料採取箇所での採取試料の粒度分布や反応性な
どをそのまま保った状態で、試料をサンプリングするこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体粒子サンプリング装置の一実
施の形態を、石炭水素添加ガス化装置のガス化炉に用い
た場合を説明するフロー図。図１ｂは、サンプリング管
１０の先端に装着するキャップ１５を拡大して示してい
る。

【図２】石炭水素添加ガス化装置の説明に供せられる図
であり、図２ｂは図２ａのｂ−ｂ線による断面を示す。

【符号の説明】

１００…石炭水素添加ガス化装置のガス化炉、１０…サ
ンプリング管、１５…キャップ部材、２０…サイクロ
ン、３０…ダストキャッチャ、４０…流量計、５０…流
量調整弁

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体と固体粒子の混合流が所定流速で移
   動するサンプリング室から標本としての固体粒子を採取
   するためのサンプリング装置であって、試料採取口をサ
   ンプリング室内に位置させたサンプリング管と、該サン
   プリング管に接続した試料移動流路と、該試料移動流路
   の途中に配置した固体粒子収集手段と、前記サンプリン
   グ管の試料採取口を通過する前記混合流の流速を制御す
   る流速制御手段とを備えていることを特徴とする固体粒
   子サンプリング装置。
2. 【請求項２】 前記流速制御手段は、前記試料移動流路
   の下流側に配置した流量調整弁と前記サンプリング管の
   試料採取口に備えた開口面積調整手段との組み合わせで
   あることを特徴とする請求項１記載の固体粒子サンプリ
   ング装置。
3. 【請求項３】 前記固体粒子収集手段はサイクロンを少
   なくとも備えることを特徴とする請求項１又は２記載の
   固体粒子サンプリング装置。
4. 【請求項４】 前記サンプリング管はその試料採取口を
   サンプリング室を移動する混合流に対向させた位置とそ
   れ以外の位置との２位置を選択的にとれるようにされて
   いることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の
   固体粒子サンプリング装置。
5. 【請求項５】 前記サンプリング管に不活性ガスを供給
   する不活性ガス供給源をさらに備えていることを特徴と
   する請求項１ないし４いずれか記載の固体粒子サンプリ
   ング装置。
6. 【請求項６】 不活性ガスが窒素である請求項５記載の
   固体粒子サンプリング装置。
7. 【請求項７】 前記サンプリング室が石炭水素添加ガス
   化装置のガス化炉又はその実験炉であり、採取する固体
   粒子が石炭の反応後の残さ（チャー）であることを特徴
   とする請求項１ないし６いずれか記載の固体粒子サンプ
   リング装置。