JP2014115117A

JP2014115117A - ガス中のガス成分計測装置及び方法

Info

Publication number: JP2014115117A
Application number: JP2012267616A
Authority: JP
Inventors: Shinsaku Dobashi; 晋作土橋; Chisato Tsukahara; 千幸人塚原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】測定精度が高いガス中のガス成分計測装置及び方法を提供する。
【解決手段】例えばガス化炉（図示せず）で生成した高圧ガス１１を母管１２から分岐する分岐管１３ａと、該分岐管１３ａに介装され、分岐ガス１１ａにレーザ光２１を照射し、レーザラマン散乱計測する高圧ガス計測場２２と、高圧ガス計測場２２にレーザ光２１を照射すると共に、発生したラマン散乱光２５を受光する第１のレーザ計測手段２３と、前記高圧ガス計測場２２の後流側に設けられ、前記分岐ガス１１ａを低圧ガス１１ｂとする減圧手段であるオリフィス３１と、該オリフィス３１の後流側の分岐管１３ｂに介装され、低圧ガス１１ｂ中のガス組成を半導体レーザ計測する第２のレーザ計測手段４１とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ計測によるガス中のガス成分計測装置及び方法に関する。

石炭ガスを使用した火力発電では、石炭ガス化炉にて生成される生成ガスを燃料として、ガスタービン等の発電設備に導いて使用している。発電設備では、目標とする発電量が設定されており、それに応じて生成ガスの発熱量を制御することが重要である。そして、それに対応して、ガス化炉において生成ガスの発熱量（組成）が許容範囲に入るように制御することが、非常に重要である。発電所の発電目標設定値は、常に一定ではなく、電力の使用量の変化や、時間帯等により短時間で変更されることも多い。従って、それに応じて、ガス化炉において生成される生成ガスの発熱量も迅速に制御される必要がある。

従来においては、石炭ガス化の生成ガスをレーザによるラマン散乱計測が提案されている（特許文献１）。

特開２００５−２４２４９号公報

しかしながら、ラマン散乱計測は高速応答計測であり、高圧場での計測では精度の高い計測ができるが、ラマン散乱計測法の校正が困難であるという、問題がある。

そこで、半導体レーザの成分濃度計測により、ラマン散乱計測の校正を行うことを実施する提案があるが、この場合、装置構成が異なるので、別のサンプリング座を用いて、生成ガスを分岐して計測する必要があり、分析対象ガスの同一性の確保が保証されず、信頼性が高いガス成分計測ができない、という問題がある。

よって、ガス組成の精度の信頼性の高い計測ができるガス中のガス成分計測装置及び方法の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、測定精度が高いガス中のガス成分計測装置及び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、高圧ガスを母管から分岐する分岐管と、該分岐管に介装され、分岐ガスにレーザ光を照射し、レーザラマン散乱計測する高圧ガス計測場と、前記高圧ガス計測場にレーザ光を照射すると共に、発生したラマン散乱光を受光する第１のレーザ計測手段と、前記高圧ガス計測場の後流側に設けられ、前記分岐ガスを低圧ガスとする減圧手段と、該減圧手段の後流側の分岐管に介装され、低圧ガス中のガス組成を半導体レーザ計測する第２のレーザ計測手段とを具備することを特徴とするガス中のガス成分計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、第１のレーザ計測手段で計測したガス組成の各濃度を、第２のレーザ計測手段で計測したガス濃度により校正することを特徴とするガス中のガス成分計測装置にある。

第３の発明は、高圧ガスを母管から分岐し、分岐ガスの高圧ガス計測場内にレーザ光を照射し、レーザラマン散乱計測する第１のレーザ計測工程と、前記高圧ガス計測場の後流側に設けられ、前記分岐ガスを低圧ガスとする減圧工程と、減圧された低圧ガス中のガス組成を半導体吸収によりレーザ計測する第２のレーザ計測工程とを有することを特徴とするガス中のガス成分計測方法にある。

第４の発明は、第３の発明において、第１のレーザ計測工程で計測したガス組成の各濃度を、第２のレーザ計測工程で計測したガス濃度により校正することを特徴とするガス中のガス成分計測方法にある。

本発明によれば、母管から分岐した分岐ガスを高圧ガス計測場で、レーザラマン散乱計測すると共に、その分岐ガスをオリフィスに通過させることで、低圧ガスとし、この低圧ガス中の特定成分を半導体レーザ吸収法により計測することができるので、同一ガスを用いて、同一の計測場（高圧ガス計測場及び低圧ガス計測場）での計測が可能となる。

図１は、実施例１に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。図２は、実施例２に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。図３は、実施例３に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。図４は、石炭ガス化ガスのラマン散乱スペクトルである。図５は、石炭ガス化ガス（窒素パージあり）のラマン散乱スペクトルである。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、実施例１に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るガス中のガス成分計測装置１０Ａは、例えばガス化炉（図示せず）で生成した高圧ガス１１を母管１２から分岐する分岐管１３ａと、該分岐管１３ａに介装され、分岐ガス１１ａにレーザ光２１を照射し、レーザラマン散乱計測する高圧ガス計測場２２と、高圧ガス計測場２２にレーザ光２１を照射すると共に、発生したラマン散乱光２５を受光する第１のレーザ計測手段２３と、前記高圧ガス計測場２２の後流側に設けられ、前記分岐ガス１１ａを低圧ガス１１ｂとする減圧手段であるオリフィス３１と、該オリフィス３１の後流側の分岐管１３ｂに介装され、低圧ガス１１ｂ中のガス組成を半導体レーザ計測する第２のレーザ計測手段４１とを具備するものである。

第１のレーザ計測手段２３は、被測定ガスである分岐ガス１１ａに第１のレーザ光２１を照射する第１のレーザ装置２４と、前記第１のレーザ光２１の照射により発生するラマン散乱光２５を計測する分光部２６を備えた光検出器２７と、を具備してなるものである。なお、図中、符号２２は高圧ガス計測場、４０は低圧ガス計測場、２２ａはレーザ光２１を集光させて計測を行う測定領域、２２ｂはレーザ光を吸収するダンパ、２８は集光レンズ、２９はレーザ光が通過する石英窓、Ｖは開閉バルブを各々図示する。

まず、レーザ光２１を出力し被測定ガスの分岐ガス１１ａへ照射する機能を有する第１のレーザ計測手段２３について説明する。
第１のレーザ計測手段２３は、レーザ装置２４のレーザ発信によりレーザ光２１を出力する。使用するレーザにより、レーザ光２１の波長は、所望のものを使用できる。本発明では、波長が可視光域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）のものを使用する。ここでは、５３２ｎｍのものを用いている。
図示しない集光手段により、測定領域２２ａの所定位置で焦点を結ぶように、レーザ光２１を絞るようにしている。
高圧ガス計測場２２は、分岐ガス１１ａが内部に存在しており、それを外部にリークさせないような耐圧構造としている。測定用のレーザ光２１及び分岐ガス１１ａからのラマン散乱光２５は、石英窓２９から出入りする。

測定領域２２ａ中心部から散乱されたラマン散乱光２５は、レーザ光２１からある角度をなして、高圧ガス計測場２２から分光部２６へ入る。分光部２６には、フィルタが配設されており、特定の波長の散乱光のみ透過させるようにしている。本実施例では、５７０〜８００ｎｍの光が透過するフィルタを使用する。分光部２６には例えばＩＣＣＤカメラ等の光検出器２７が接続されている。これによりラマン散乱計測が可能となる。

第１のレーザ計測手段２３でのラマン散乱計測が終了した分岐ガス１１ａは、分岐管１３ａに介装された減圧手段である例えばオリフィス３１を通過することで、低圧ガス１１ｂとなり、低圧ガス計測場４０において、半導体吸収法による第２のレーザ計測手段４１により、各成分を個別に計測する。

ここで、高圧ガス計測場２２の圧力範囲としては、例えば大気圧（０．０ＭＰａ）以上で好適には０．７ＭＰａ以上とするのが良い。
また、低圧ガス計測場４０の圧力範囲としては、高圧ガス計測場２２の圧力に応じて適宜低圧側に設定されるが、例えば０．４ＭＰａ以下で好適には大気圧（０．０ＭＰａ）とするのが良い。

また、オリフィス３１以外の減圧手段としては、圧力調整弁（減圧弁、リリーフ弁等）を適用するようにしてもよい。なお、排ガス中の煤塵やタール等の影響を考慮すると、オリフィス構造とするのが好適である。

第２のレーザ計測手段４１は、特定のガス成分を計測できるように、半導体レーザ４２と、低圧ガス１１ｂ中に半導体レーザ光４３を導入する計測部４４と、レーザ吸収分光法により低圧ガス１１ｂ中の特定の成分（例えばＣＯ等）濃度を計測する検出器４５と、を具備するものである。
なお、符号４６、４７は半導体レーザ光が通過する石英窓を各々図示する。

また、第２のレーザ計測手段４１では、図示しない参照レーザ吸収光を用いて、各半導体レーザの波長のずれによる生じる計測誤差を校正している。
ここで、半導体レーザの波長は、例えば１．０〜６．０μｍとし、計測対象のガスにより波長域を選定している。
これは、ガス成分には、ガス特有の光を吸収する波長帯があり、この波長帯における１本の吸収線を選定している。例えばＣＯは２．２μｍ、ＣＯ₂は２．０μｍ、ＣＨ₄は１．６５μｍとしている。

このように、本発明のレーザ計測によれば、母管１２から分岐した分岐ガス１１ａを高圧ガス計測場２２で、ラマン散乱計測すると共に、その分岐ガス１１ａをオリフィス３１に通過させることで、低圧ガス１１ｂとし、この低圧ガス１１ｂ中の特定成分を半導体レーザ吸収法により計測することができるので、同一ガスを用いて、同一の計測場（高圧ガス計測場２２及び低圧ガス計測場４０）での計測が可能となる。

よって、同一成分の分岐ガス１１ａでの計測であるので、誤差を都度校正できる計測が可能となり、信頼性の高い計測となる。

ガス校正は、第１のレーザ計測手段２３で計測したガス組成の各濃度を、第２のレーザ計測手段４１で計測したガス濃度により校正する。

図４に石炭ガス化ガスのラマン散乱スペクトルを示す。
一般に、石炭ガス化炉により生成した石炭ガス化の場合、およそ一酸化炭素（ＣＯ）１０〜３０％、水素（Ｈ_２）４〜１０％、メタン（ＣＨ_４）０．１〜１％、二酸化炭素（ＣＯ_２）５〜１０％、窒素（Ｎ_２）５５〜７０％の範囲の体積分率を有する。
図４に示すように、ラマン散乱レーザ分析では、一酸化炭素（ＣＯ）が窒素（Ｎ₂）との重なりがあるので、ＣＯ濃度の測定精度が低いものとなっている。

これに対し、第２のレーザ計測手段４１での計測は赤外半導体レーザの特定の吸収線を用いて、ガスの吸収を計測する結果、ガス計測精度が高いものとなるので、この第２のレーザ計測手段４１でＣＯ濃度を求め、これにより、分岐ガス１１ａのガス組成の校正を行うことで、精度の高いガス濃度分析が可能となる。

本発明による実施例に係るガス中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。なお、実施例１のガス中のガス成分計測装置の構成部材と同一の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。

本実施例では、実施例１のガス中のガス成分計測装置１０Ａの第２のレーザ計測手段４１においては、複数のガス成分を計測できるようにしている。
図２に示すように、実施例２に係るガス中のガス成分計測装置１０Ｂの第２のレーザ計測手段４１は、第１乃至第３の半導体レーザ４２Ａ〜４２Ｃと、低圧ガス１１ｂ中に半導体レーザ光４３Ａ〜４３Ｃを導入する第１〜３の計測部４４Ａ〜４４Ｃと、レーザ吸収分光法により低圧ガス１１ｂ中の各成分（例えばＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄）濃度を計測する第１〜３の検出器４５Ａ〜４５Ｃと、を具備するものである。なお、符号４６Ａ〜４６Ｃ、４７〜４７Ｃは半導体レーザ光が通過する石英窓を各々図示する。

また、第２のレーザ計測手段４１での校正のためのガス成分としては、実施例１で例示したＣＯ以外に、二酸化炭素（ＣＯ₂）、メタン（ＣＨ₄）、水（Ｈ₂Ｏ）等を計測するのが好ましい。
これは、これらのガス成分は、ガス化ガスを燃料として用いる場合のカロリー計算に重要な要素であるからである。

また、複数の半導体レーザの計測手段を追加し、ガス中の微量元素である例えば硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）、三酸化硫黄（ＳＯ₃）等を半導体レーザ吸収法により測定することで、ラマン散乱計測では計測できなかったガス組成を同一座で計測することができる。

よって、ガス計測の同一性の確保ができ、しかもサンプリング座を追加することなく、同じ分岐ラインを用いての併用計測が可能となり、ガス計測精度が高いものとなる。

本発明による実施例に係るガス中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。図３は、実施例３に係るガス中のガス成分計測装置の概略図である。図５は、石炭ガス化ガス（窒素パージあり）のラマン散乱スペクトルである。なお、実施例１のガス中のガス成分計測装置の構成部材と同一の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。

本実施例に係るガス中のガス成分計測装置１０Ｃは、実施例２のガス中のガス成分計測装置１０Ｂの第２のレーザ計測手段４１において、さらに高圧ガス計測場２２に設置するレーザ光の出入用の石英窓２８の内部の煤塵の付着を防止するために、パージガスとして窒素ガス（Ｎ₂）を、パージガス導入手段２２ｂにより内部に導入し、石英窓２８の内側の清浄化を保つようにしている。
このパージガスの影響がガス組成の計測にあるので、これを是正するようにしている。

この結果、石炭ガス化ガス中に窒素パージガスが混合されるので、図５に示す、石炭ガス化ガス（窒素パージあり）のラマン散乱スペクトルのように、ガス組成の濃度が薄まることとなる。

すなわち、分岐ガス１１ａの導入量を「Ｖ₁ｍ³／ｈ」とし、パージガスの導入量を「Ｖ₂ｍ³／ｈ」とすると、これらの合計した低圧ガス１１ｂのガス量は「（Ｖ₁＋Ｖ₂）ｍ³／ｈ」となる。
よって、第２のレーザ計測手段４１で得られた各成分濃度に対して、是正係数（Ｖ₁＋Ｖ₂／Ｖ₁）を乗ずることで、真の半導体レーザ吸収法による濃度計測が可能となる。

１０ガス中のガス成分計測装置
１１高圧ガス
１１ａ分岐ガス
１１ｂ低圧ガス
１２母管
１３ａ、１３ｂ分岐管
２１レーザ光
２２高圧ガス計測場
２３第１のレーザ計測手段
３１オリフィス
４０低圧ガス計測場
４１第２のレーザ計測手段

Claims

高圧ガスを母管から分岐する分岐管と、
該分岐管に介装され、分岐ガスにレーザ光を照射し、レーザラマン散乱計測する高圧ガス計測場と、
前記高圧ガス計測場にレーザ光を照射すると共に、発生したラマン散乱光を受光する第１のレーザ計測手段と、
前記高圧ガス計測場の後流側に設けられ、前記分岐ガスを低圧ガスとする減圧手段と、
該減圧手段の後流側の分岐管に介装され、低圧ガス中のガス組成を半導体レーザ計測する第２のレーザ計測手段とを具備することを特徴とするガス中のガス成分計測装置。
請求項１において、
第１のレーザ計測手段で計測したガス組成の各濃度を、
第２のレーザ計測手段で計測したガス濃度により校正することを特徴とするガス中のガス成分計測装置。
高圧ガスを母管から分岐し、分岐ガスの高圧ガス計測場内にレーザ光を照射し、レーザラマン散乱計測する第１のレーザ計測工程と、
前記高圧ガス計測場の後流側に設けられ、前記分岐ガスを低圧ガスとする減圧工程と、
減圧された低圧ガス中のガス組成を半導体吸収によりレーザ計測する第２のレーザ計測工程とを有することを特徴とするガス中のガス成分計測方法。
請求項３において、
第１のレーザ計測工程で計測したガス組成の各濃度を、
第２のレーザ計測工程で計測したガス濃度により校正することを特徴とするガス中のガス成分計測方法。