JP2011128078A - ガス中の煤塵濃度計測方法及び燃焼設備の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定ガス中の煤塵濃度を計測することができるガス中の煤塵濃度計測方法及び燃焼設備の運転方法を提供する。
【解決手段】被測定ガス１２にレーザパルス１１を照射させ、発生するミー散乱光３０から被測定ガス１２中の煤塵濃度を計測するガス中の煤塵濃度計測装置を用い、レーザパルス１１の測定状態を出力計で監視し、ミー散乱光の信号強度を連続してミー散乱用の光検出器３１で計測すると共に、レーザ出力計（計測用出力計１５Ａ、参照用出力計１５Ｂ）において、レーザパルス１１の１パルスあたりのレーザパルスの出力における所定単位時間の所定の設定閾値の範囲内であるか否かを判断して、閾値範囲内であれば、計測データを許容し、閾値外であれば除外する判断を行い、設定閾値内の許容したミー散乱信号強度データを演算装置で所定時間積算し、その平均をミー散乱信号強度の平均値とし、その平均値から煤塵濃度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ計測において被測定ガス中の煤塵濃度を安定して分析することができるガス中の煤塵濃度計測方法及び燃焼設備の運転方法を提供することを課題とする。

従来、燃料ガス中のダスト（煤塵）成分の濃度をパルスレーザ照射によるミー散乱光により計測することが知られている（特許文献１、２参照）。

特開２００５−２４２４９号公報 特開２００５−２４２５０号公報

ところで、パルスレーザ照射によるガス分析においては、プラント制御手段として適用するために、定量性を確保しながらも迅速に分析することが要望されている。
しかしながら、一定の定量性を確保するためには、各パルスレーザにて取得された信号を積算することで、Ｓ／Ｎ（シグナルノイズ比）の高い信号を取得する必要があり、時間がかかる。さらに、ミー散乱光による煤塵濃度分析においては、レーザパルスの出力が不安定な場合には、定量性が低下することが問題となっている。

図８は、レーザパルスの出力と信号強度との関係図である。図８に示すように、ミー散乱の信号ピークは、適正範囲であれば、問題はないが、レーザパルスの出力が低い場合において、ミー散乱強度が非線形的に減少するのに、ノイズと信号との分離が困難となり、定量性が低下するという問題がある。
レーザパルスの出力が高い場合において、ミー散乱強度が非線形的に増大してしまい、実際の濃度よりも高い判断となるので、定量が不正確となるような場合がある。

このため、濃度分析値にバラツキが発生することを防止しながら、迅速に分析が可能となるガス中の煤塵濃度分析手法の確立が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、迅速且つ高精度に被測定ガス中の煤塵濃度を分析することができるガス中の煤塵濃度計測方法及び燃焼設備の運転方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、被測定ガスにレーザパルスを照射するレーザ装置と、レーザパルスの照射により発生するミー散乱光を計測するミー散乱用の光検出器と、レーザパルスの測定状態を監視するレーザ出力計とを用いて、被測定ガスに対して照射されるレーザパルスにより発生するミー散乱光から被測定ガス中の煤塵濃度を計測するガス中の煤塵濃度計測方法において、ミー散乱光の信号強度を計測し、出力計において、レーザパルスの１パルスあたりのレーザパルスの出力における所定単位時間の所定の設定閾値の範囲内であるか否かを判断して、閾値範囲内であれば、計測データを許容し、閾値外であれば除外する判断を行い、設定閾値内の許容したミー散乱信号強度データを所定時間積算し、その平均をミー散乱信号強度の平均値とし、その平均値から煤塵濃度を求めることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記設定閾値は、レーザパルスの出力の指標が（測定チャンバ内のレーザパルスの計測パワー強度：Ｉ₁）／（レーザ装置から発振された際のレーザパルスの基本パワー強度：Ｉ₀）であることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法にある。

第３の発明は、第１の発明において、被測定ガスのガス組成をラマン散乱光より計測するラマン散乱用の光検出器を設け、被測定ガスの所定ガス成分のピーク感度（所定ガス成分ピーク強度：Ｉ₂）／（レーザパルスの基本パワー強度：Ｉ₀）を求めることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法にある。

第４の発明は、第３の発明において、所定ガス成分が窒素ガスであることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法にある。

第５の発明は、第１乃至４の発明のいずれか一つのガス中の煤塵濃度計測方法により判断し、燃焼条件のフィードバック制御を行うことを特徴とする燃焼設備の運転方法にある。

本発明によれば、ミー散乱光の計測のバラツキを修正することにより、被測定ガス中のミー散乱光による煤塵濃度の計測の信頼性が向上することができる。

図１は、実施例１に係る煤塵濃度計測装置の概略図である。 図２は、実施例１のデータ処理と比較例（通常）のデータ処理との対比グラフである。 図３は、実施例１に係る煤塵濃度計測装置でのレーザパルスの出力とミー散乱光の信号強度の判定結果の一例を示す図である。 図４は、バイオマスガス化ガスシステムの構成図である。 図５は、実施例２に係る煤塵濃度計測装置の概略図である。 図６は、バイオマスガス化ガスのラマン散乱光計測結果のチャートである。 図７は、実施例２のデータ処理と比較例（通常）のデータ処理との対比グラフである。 図８は、レーザパルスの出力と信号強度との関係図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る煤塵濃度計測方法について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る煤塵濃度計測装置の概略図である。図１に示すように、ガス中の煤塵濃度計測装置１０Ａは、被測定ガス１２に対して照射されるレーザパルス１１により発生するミー散乱光３０から被測定ガス１２中の煤塵濃度を計測するガス中の煤塵濃度計測装置を用い、レーザパルス１１の照射により発生するミー散乱光３０をミー散乱用の光検出器３１で計測すると共に、レーザパルス１１の測定状態を出力計（計測用出力計１５Ａ、参照用出力計１５Ｂ）で監視し、ミー散乱光の信号強度を連続してミー散乱用の光検出器３１で計測すると共に、レーザ出力計（計測用出力計１５Ａ、参照用出力計１５Ｂ）において、レーザパルス１１の１パルスあたりのレーザパルスの出力における所定単位時間の所定の設定閾値の範囲内であるか否かを判断して、閾値範囲内であれば、計測データを許容し、閾値外であれば除外する判断を行い、設定閾値内の許容したミー散乱信号強度データを演算装置（図示せず）で所定時間積算し、その平均をミー散乱信号強度の平均値とし、その平均値から煤塵濃度を求めるものである。

本発明においては、レーザパルス１１の１パルスあたりのレーザパルスの出力における所定単位時間（例えば１０ｎｓ）の所定の設定閾値の範囲内であるか否かを判断するようにしている。
この判断は、レーザ出力計により、「レーザ装置１３から発振された際の参照用出力計１５Ｂにより求めたレーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀」が０．９５−１．０５の範囲内であるときに、データを許容し、この範囲外であるときには、データを除外するようにしている。
また、レーザの指標＝（測定チャンバ２０内の計測用出力計１５Ａにより求めたレーザパルス１１の計測パワー強度：Ｉ₁）／（レーザ装置１３から発振された際の参照用出力計１５Ｂにより求めたレーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀）が所定の範囲内であるときに、データを許容し、この範囲外であるときには、データを除外するようにすることもできる。

その後、設定閾値内の許容したミー散乱信号強度データを演算装置（図示せず）で所定時間（例えば５秒）積算し、その平均をミー散乱信号強度の平均値とし、その平均値から煤塵濃度を求めるものである。

これにより、ミー散乱の信号強度と、ノイズ強度との分離能力が増大することとなり、精度の高い煤塵濃度計測が可能となる。

以下に、レーザ装置を用いた煤塵濃度計測装置の各構成部材について説明する。

レーザ装置１３からのレーザパルス１１は、測定チャンバ２０内に出射される。
なお、測定チャンバ２０内に設けられる計測用出力計１５Ａは、反射ミラー２１−１により反射されたレーザパルス１１の進行方向上に設けられており、レーザパルス１１の出力を正確に監視している。なお、レーザパルス１１はレンズにより測定領域１４に照射できるようにされている。また、レーザ装置１３からのレーザパルス１１の出力を参照出力として求める参照用出力計１５Ｂは、レーザパルス１１を反射ミラー２１−２で反射させて、出射時のレーザパルスの出力を監視している。

次に、レーザパルス１１が照射できるような形で被測定ガス１２を保持又は流通させる機能を有する測定チャンバ２０について説明する。
測定チャンバ２０は、計測される被測定ガス１２が内部に存在しており、それを外部（レーザ部や分光器を含む）にリークさせないような構造をしている。

石英窓２３−１、２３−２は、被測定ガス１２を外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザパルス１１が透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。

次に、煤塵濃度の計測手順について説明する。
１） レーザパルス１１の出力の指標＝（測定チャンバ２０内のレーザパルス１１の計測パワー強度：Ｉ₁）／（レーザ装置１３から発振された際のレーザパルスの基本パワー強度：Ｉ₀）を計測して、レーザパルスの出力状態を確認する。通常は１．０である。
２） 次に、ミー散乱信号強度をミー散乱用の光検出器３１で計測する。
３） この際、レーザ出力計により、出力が例えば１Ｗであるときに、レーザ装置１３から発振された際の参照用出力計１５Ｂにより求めたレーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀が０．９５〜１．０５Ｗの範囲内であるときに、ミー散乱信号強度のデータを許容（ｘ回）し、この範囲外（０．９５Ｗ未満の場合又は１．０５Ｗを超える場合）であるときには、データを除外（ｙ回）し、判定を行うようにしている。
なお、１パルスは２０回／秒であるので、５秒間計測することで１００回計測することとなる。その結果の一部を表１に示す。
４） 最後に許容したデータを積算して、積算量を許容された回数ｘ＝（１００−ｙ）で割ることにより、信号強度の平均値を求める。
５） その後、信号強度の平均値から予め求めた検量線（図示せず）を用いて、煤塵濃度を推定する。

図３は、実施例１に係る煤塵濃度計測装置でのレーザパルスの出力とミー散乱光の信号強度の判定結果の一例を示す図である。図３に示すように、レーザパルスのピークを０．９５〜１．０５の閾値として判断し、この適切な出力条件の場合のミー散乱光ピークのみのデータを受光データとして許容することで、ノイズの少なくなり、高精度な煤塵濃度分析を行うことができる。
このように、本発明では、所定回数（例えば１００回）のレーザのパルスの出力値、ミー散乱光強度をデータ処理装置に転送し、適切なレーザパルス出力値におけるミー散乱光強度のみを積算するようにしたので、適切でないレーザパルス出力値のデータを除外できるので、短時間に高精度な煤塵分析が可能となる。
これは、近年の分析時間の短縮化に寄与することとなる。

図２は、実施例１のデータ処理と比較例（通常）のデータ処理との対比グラフである。 図２に示すように、本実施例のような処理を行う場合では、理想（破線）に近づく、データを取得できる。これに対し、本発明のような処理をしない場合では、ばらつきが発生することとなる。

図４は燃焼設備の構成図である。
図４に示すように、バイオマスガス化システム１００の燃焼設備であるバイオマス燃焼炉１０１からのガス化ガス１０２を供給するガスライン１０３から、その一部のガス化ガス１０２ａを分岐する分岐ライン１０３ａを設け、該分岐ライン１０３に煤塵濃度計測装置１０Ａを設けている。そして、被測定ガスであるガス化ガス１０２中の煤塵濃度を、前述した煤塵濃度計測方法により短時間で判断し、燃焼条件のフィードバック制御を制御装置１０４により行う。これにより、短時間（例えば５秒以内）で、煤塵濃度を高い精度で計測することができ、燃焼条件の迅速は対応を行うことができる。

本発明による実施例に係る煤塵濃度計測方法について、図面を参照して説明する。
図５は、実施例２に係る煤塵濃度計測装置の概略図である。図５に示すように、ガス中の煤塵濃度計測装置１０Ｂは、実施例１の装置において、さらに、ラマン散乱光の信号を検知するラマン散乱用の光検出器４３を設けている。
ラマン散乱用の光検出器４３の受光手段は、発生するラマン散乱光４０を計測する分光部４１とＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ４２から構成されている。受光された信号はデータ処理手段２３（ＣＰＵ）で処理され、被測定ガス１２の所定ガス組成のスペクトルピーク強度が求められる。

図６はバイオマスガス化ガスのラマン散乱光計測結果のチャートである。図６に示すように、水素（Ｈ₂）が８％、水（Ｈ₂Ｏ）が６２％、二酸化炭素（ＣＯ₂）が１２％、一酸化炭素（ＣＯ）が６％、メタン（ＣＨ₄）が１％、窒素（Ｎ₂）が１２％である。なお割合はチャートからの計算による。

本実施例では、１パルスあたりの所定ガス成分（窒素）の信号強度を求めた。
そして、被測定ガス１２の所定ガス成分（例えばＮ₂）のピーク感度の指標＝（所定ガス成分（Ｎ₂）ピーク強度：Ｉ₂）／（レーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀）を求め、第２の閾値で判定を行い、レーザ出力計により、（測定チャンバ２０内のラマン散乱光４０の窒素のピーク強度：Ｉ₂）／（レーザ装置１３から発振された際の参照用出力計１５Ｂにより求めたレーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀）が０．９５−１．０５の範囲内であるときに、データを許容し、この範囲外であるときには、データを除外するようにしている。
なお、前記指標は、本実施例では０．９５〜１．０５の範囲としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、分析条件により適宜変更してもよい。

ここで、前記指標の閾値の設定方法の一例としては、実施例記載の方法のようにして、ガス中の標準サンプルを用いた検量線データを取得する。所定の分析時間にて得られる分析精度を、指標（レーザパルスの出力範囲）を変化させながら、予め適正化しておくようにすればよい。

図７は、実施例２のデータ処理と比較例（通常）のデータ処理との対比グラフである。 図７に示すように、本実施例のような処理を行う場合では、理想（破線）に近づく、データを取得できる。これに対し、本発明のような処理をしない場合では、ばらつきが発生することとなる。

また、レーザパルスの出力の低下に伴い、閾値の判断を変更するようにしてもよい。
例えば、（測定チャンバ２０内のラマン散乱光４０の窒素のピーク強度：Ｉ₂）／（レーザ装置１３から発振された際の参照用出力計１５Ｂにより求めたレーザパルス１１の基本パワー強度：Ｉ₀）が０．９５−１．０５の範囲内で判断している場合、０．９０〜１．００の範囲に変更して、劣化に対応した判断とするようにしてもよい。
なお、変更の範囲については、レーザパルスの条件により適宜変更すればよい。

本発明にかかる煤塵濃度計測方法は、例えば加圧流動床ボイラ、ガス化炉、コークス炉等からの生成ガスの煤塵濃度の計測や、例えばタービンやガスエンジン、各種ボイラに供給される導入ガスのガス中の煤塵濃度を計測する際において、レーザパルスの光軸を常に監視することで長期間に亙って安定してガス成分計測を行うことができることとなる。
また、ラマン散乱による分析においても適切なレーザパルスを選択していくことによって、計測精度の向上を図ることもできる。
また、発電プラントのみならず、化学プラントから得られる有用ガス（例えばＧＴＬ）のガス組成を計測することができる。

以上のように、本発明に係るガス中の煤塵濃度計測方法によれば、被測定ガス中の煤塵濃度の迅速な定量が確実となる。

１０Ａ、１０Ｂ 煤塵濃度計測装置
１１ レーザパルス
１２ 被測定ガス
１３ レーザ装置
１４ 測定領域
２０ 測定チャンバ
３０ ミー散乱光
３１ ミー散乱用の光検出器
４０ ラマン散乱光
４３ ミー散乱用の光検出器

Claims (5)

1. 被測定ガスにレーザパルスを照射するレーザ装置と、
   レーザパルスの照射により発生するミー散乱光を計測するミー散乱用の光検出器と、
   レーザパルスの測定状態を監視するレーザ出力計とを用いて、
   被測定ガスに対して照射されるレーザパルスにより発生するミー散乱光から被測定ガス中の煤塵濃度を計測するガス中の煤塵濃度計測方法において、
   ミー散乱光の信号強度を計測し、
   出力計において、レーザパルスの１パルスあたりのレーザパルスの出力における所定単位時間の所定の設定閾値の範囲内であるか否かを判断して、閾値範囲内であれば、計測データを許容し、閾値外であれば除外する判断を行い、
   設定閾値内の許容したミー散乱信号強度データを所定時間積算し、その平均をミー散乱信号強度の平均値とし、その平均値から煤塵濃度を求めることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法。
2. 請求項１において、
   前記設定閾値は、レーザパルスの出力の指標＝（測定チャンバ内のレーザパルスの計測パワー強度：Ｉ₁）／（レーザ装置から発振された際のレーザパルスの基本パワー強度：Ｉ₀）であることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法。
3. 請求項１において、
   被測定ガスのガス組成をラマン散乱光より計測するラマン散乱用の光検出器を設け、
   被測定ガスの所定ガス成分のピーク感度（所定ガス成分ピーク強度：Ｉ₂）／（レーザパルスの基本パワー強度：Ｉ₀）を求めることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法。
4. 請求項３において、
   所定ガス成分が窒素ガスであることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つのガス中の煤塵濃度計測方法により判断し、燃焼条件のフィードバック制御を行うことを特徴とする燃焼設備の運転方法。

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