JP2014115198A - ガス採取バック及びレーザ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの計測が可能なガス採取バック及びレーザ計測装置を提供する。
【解決手段】第１の窓部１４Ａ及び第２の窓部１４Ｂを有するガス採取バック１０と、このガス採取バック１０の第１の窓部１４Ａを装着する第１のレーザポート３１Ａと、第２の窓部１４Ｂを装着する第２のレーザポート３１Ｂと、第１のレーザポート３１Ａと第２のレーザポート３１Ｂとが、所定距離（Ｌ）となるように、設置治具３２に設置された第１の支持部３３Ａと、第２の支持部３３Ｂとから構成され、排ガスをサンプリングして一時的に封印したガスバック本体１３内にレーザ光４３を照射してレーザ計測する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガス中の分析対象物を検査するガス採取バック及びレーザ計測装置に関するものである。

例えば、石炭ガス化ガスのガス組成を分析する場合には、従来においては、ガス煙道に設けたガス採取ポートからガスを抜きだす場合、各測定点において長尺なサンプリング管を出し入れすることで実施している。
そして、吸引したサンプリングガスを吸収液に吸収させるまでサンプリング配管をヒータにより保温する必要があり、また吸収用の吸収溶媒を設置する必要もある。
そして、吸収したガスは分析室に運ばれ、分析結果がでるまでに多大な分析時間（例えば一両日）を要していた。

このガス採取バックとしては、例えば「テドラーバッグ Tedlar Bag」（Tedlarはデュポン社の登録商標、成分：フッ化ビニル）、「テフロンバッグ」（テフロンは登録商標、主成分：４フッ化エチレン・６フッ化プロピレン共重合体）、「エバール（株式会社クラレの登録商標）バッグ」（主成分：エチレン酢酸ビニル共重合体ケン化物）などが用いられている（特許文献１）。

近年、この問題を解決するため、半導体レーザ吸収法を用いたレーザ分光分析技術が注目されている（特許文献２及び３）。本方法を適用すれば、吸収溶剤も必要とせず、しかも迅速にその場で計測データが取得できるという、利点がある。

特開２０１１−５３１３３号公報 特開２０１２−８００８号公報 特開２０１０−２３６８７７号公報

しかしながら、レーザ分光分析技術を排ガスのトラバース計測に適用しようとした場合、以下の問題点がある。
ここで、トラバース計測とは、例えば長尺サンプリング管を用いて、分析対象の排ガスを煙道の複数点において、吸引・採取し、別途分析する技術である。
１）長尺なサンプリング管の出し入れが必要となる。
２）サンプリングされたガスを吸引してそのまま直接分析する場合には、分析箇所までの保温領域が拡大し、計測セルまでヒータ保温する必要がある。
３）例えばガス化ガス設備で、ガス成分組成を分析する場合、振動が激しいので、レーザ分光分析技術を適用する場合、大掛かりな耐震対策が必要となる。

そこで、サンプリングされたガスを保温する必要なく、排ガスのトラバース計測が可能な手法の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、排ガスの計測が可能なガス採取バック及びレーザ計測装置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、ガス採取管を備えたガス採取バック本体に、検査治具を装着する開口部を少なくとも有することを特徴とするガス採取バックにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記検査治具が、光透過用窓部であることを特徴とするガス採取バックにある。

第３の発明は、一対の第１の窓部と第２の窓部とを装着する第１の開口部と第２の開口部とを有するガス採取バックと、前記第１の窓部に接続するレーザ送光器と、前記第２の窓部に接続するレーザ受光器と、前記レーザ送光部とレーザ受光器とを所定間隔を持って取り付けるレーザポートを有する設置治具と、を具備することを特徴とするレーザ計測装置にある。

第４の発明は、一対の窓部を装着する第１の開口部と第２の開口部を有するガス採取バックと、前記第１の窓部に、光ファイバポートを介して各々光ファイバ接続するレーザ送光器及びレーザ受光器と、前記第２の窓部に接続するビームダンパと、を具備することを特徴とするレーザ計測装置にある。

本発明によれば、排ガスをサンプリングし、直ちに排ガス中のガス組成の濃度をレーザ計測により求めることができる。

図１は、実施例１に係るガス採取バックとこれを用いたガス採取状況を示す概略図である。 図２は、実施例１に係るガス採取バックの概略図である。 図３は、実施例１に係るガス採取バックの窓部の構成概略図である。 図４は、実施例１に係るガス採取バックの窓部の概略図である。 図５は、実施例１に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測する計測設置の概略図である。 図６は、吸収分光計測の概念図である。 図７は、吸収分光計測の吸収チャート図である。 図８は、実施例２に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測する計測設置の概略図である。 図９は、実施例３に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測する計測設置の概略図である。 図１０は、石炭ガス化ガス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に係るガス採取バックとこれを用いたガス採取状況を示す概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るガス採取バック１０は、ガス採取管１２を備えたガス採取バック本体１３に、検査治具である窓部を装着する開口部１３ａを少なくとも有するものである。
図１中、符号２０は排ガス、２１はガス煙道、２２は吸引ポンプ、２３はバルブを各々図示する。

本実施例の窓部は、レーザ光を透過する光透過用の窓部であり、図２に示すように、第１の窓部１４Ａと第２の窓部１４Ｂとからなり、本実施例では相対向するように配置されている。

図３は窓部の一例を示す図である。
図３に示すように窓部１４は、内窓１４ａとその内窓１４ａに嵌合する外窓１４ｂとからなり、内窓１４ａに形成された凹部１５ａと、外窓１４ｂに形成された凸部１５ｂとを嵌合することで、一体となるようにしている。

そして、ガス採取バック本体１３の開口部１３ａに窓部１４を装着する際には、長方形状にカットしたガス採取バック本体１３を開いた状態で、袋を綴じた際に内窓１４ａが内側に位置するようにし、開口部１３ａの周囲を挟むようにして、凹部１５ａと凸部１５ｂとを嵌合することで、一体となるようにして窓部１４を装着する。
その後、内窓１４ａを内側にしつつ、ガス採取バック本体１３の一辺を折りたたみ、次いで周囲を熱融着させ、ガス採取バック本体１３を完成させる。なお、ガス採取管１２は、別途一部に装着している。

図４は、ガス採取バックの窓部の概略図である。
図４に示すように、開口部１３ａの周囲を囲むように、凹部と凸部とが嵌合されて、窓部１４を形成している。
ここで、内窓１４ａと外窓１４ｂとには、光透過部（例えば石英ガラス等）１５が設けられており、レーザ光の送光と受光とを透過可能としている。

また、バック本体の材質としては、ガスバリア性を備えた公知の樹脂フィルム等を用いている（材質としては例えば特許文献１参照）。

図５は、実施例１に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測するレーザ計測装置の概略図である。
図５に示すようにレーザ計測装置３０Ａは、ガス採取バック１０の第１の窓部１４Ａを装着する第１のレーザポート３１Ａと、第２の窓部１４Ｂを装着する第２のレーザポート３１Ｂと、第１のレーザポート３１Ａと第２のレーザポート３１Ｂとが、所定距離（Ｌ）となるように、設置治具３２に設置された第１の支持部３３Ａと、第２の支持部３３Ｂとから構成されている。
また、第１のレーザポート３１Ａにはレーザ送光器（以下「送光器」）４１が接続され、第２のレーザポート３１Ｂにはレーザ受光器（以下「受光器」）４２が接続されている。

このガス採取バック１０を用いて、排ガスをサンプリングし、レーザ光分析する手順について説明する。

１） 先ず、図１に示すように、ガス煙道２１内の所定の箇所にガス採取管１２を挿入し、排ガス２０をサンプリングし、バック本体１３内にサンプリングガスを封入する。
この際、吸引ポンプ２２でガスを吸引すると共にバルブ２３を開いて、ガス採取バック本体１３内に所定量（例えば１０Ｌ〜３０Ｌ等）の排ガスを吸引し、バルブ２３を閉じてサンプリングガスを一時的に封印する。
なお、ガス採取管１２は、途中で連結するようにしてもよい。

２） 次に、図５に示すレーザ計測装置３０Ａに、サンプリングしたガスを封入したガス採取バック１０を装着する。
レーザ計測装置３０Ａの第１のレーザポート３１Ａに、第１の窓部１４Ａを装着し、第２のレーザポート３１Ｂに第２の窓部１４Ｂを装着する。

３） 次いで、送光器４１からレーザ光４３をバック本体１３内に照射し、例えば吸収分光によるレーザ光４３を受光器４２で受光し、吸収分光計測するようにしている。

ここで、ガス成分として、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を計測する場合には、量子カスケードレーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示することができる。波長：５〜６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる。）を用いることができる。

また、例えばアンモニア（ＮＨ₃）を計測する場合には、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長：１．５μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる。）を用いることができる。

例えばアンモニア以外のガス成分として、ＳＯ₂（酸化硫黄）を計測する場合には、量子カスケードレーザ（波長：７．０〜７．５μｍを例示することができる）を用いることができる。

また、ガス成分として、メタン（ＣＨ₄）を計測する場合には、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長：１．６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる。）を用いることができる。

図６は、吸収分光計測の概念図である。
図７は、吸収分光計測の吸収チャート図である。
そして、排ガス２０中のガス成分を計測する場合には、所定濃度の煤塵が含まれる送光点と受光点との間のレーザ経路である計測領域Ｌを通過した後の受光強度（Ｉ₀’）を基準とし、この基準から特定のガス組成の吸収による光強度（Ｉ）を求める。
そして、（Ｉ）／（Ｉ₀’）によりガス成分濃度を求める。なお、受光強度（Ｉ₀）は、大気中で煤塵がない環境で測定した光透過率の初期データである。ここで、ガス中に煤塵がない場合には、Ｉ₀’は受光強度（Ｉ₀）となる。

ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）の濃度を求める場合の光透過率は、下記数１に示すランベルト・ベールの式を用いて算出することができる。

ここで、Ｉは、ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）の吸収による光強度である。
Ｉ₀’は、煤塵有りの状態でのガス透過後のガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）の光吸収がない場合のレーザ光強度である。
αは、ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）吸光係数（ｐｐｍ／ｍ²）である。
ｃは、ガス成分（アンモニアや窒素酸化物等）濃度（ｐｐｍ／ｍ³）である。
Ｌは、有効光路の長さである。
ｔは、温度補正値である。

本実施例に係るガス採取バック１０は、バック本体１３に相対向するレーザ光透過可能な窓部１４（第１の窓部１４Ａ、第２の窓部１４Ｂ）を設けているので、サンプリングしたガス採取後において、第１及び第２の窓部１４Ａ、１４Ｂを、レーザ計測装置３０Ａの所定距離（Ｌ）に設定された第１のレーザポート３１Ａと第２のレーザポート３１Ｂとに各々装着することで、バック本体１３内部にレーザ光４３を導入し、レーザ計測することができる。

本実施例によれば、排ガスをサンプリングし、直ちに排ガス中のガス組成の濃度をレーザ計測により求めることができる。

通常のガス分析では、ガスクロマトグラフによる分析を実施するが、この場合、バッグに封入されたガスを採取し、ガスクロマトグラフ分析装置に入れ込む作業が必要となる。この場合、ガス採取に手間がかかり、周囲ガス混入による精度低下が懸念され、さらに対象ガスが例えばＣＯ、Ｈ₂Ｓといった毒ガスの場合、安全性にも支障がおこる。
これに対し、本発明ではガス採取バック本体内のガスを非接触で分析できるため、手間もなく、高精度であり、安全性も確保される。

図８は、実施例２に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測するレーザ計測装置の概略図である。実施例１のレーザ計測装置の構成と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図８に示すように、本実施例に係るレーザ計測装置３０Ｂは、第１のレーザポート３１Ａと第２のレーザポート３１Ｂとに装着したガス採取バック１０を覆うと共に、内部を加温する加温手段４９を設けている。
測定するガス中のガス組成の構成成分の沸点が低い場合には、ガス採取バックを外部から加温することで、気化させるようにしている。

特に芳香族炭化水素や脂肪族炭化水素等の成分を分析する場合に好適となる。
加温温度は最高２００度程度とすればよい。

図９は、実施例３に係るガス採取バックを装着し、レーザ計測するレーザ計測装置の概略図である。実施例１のレーザ計測装置の構成と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図９に示すように、本実施例に係るレーザ計測装置３０Ｃは、第１の窓部１４Ａを装着する光ファイバポート５１と、第２の窓部１４Ｂを装着するビームダンパ５２と、光ファイバポート５１とビームダンパ５２とを、第１の支持部３３Ａ及び第２の支持部３３Ｂとを介して支持する設置治具３２とから構成されている。
光ファイバポート５１には、送光器４１と受光器４２に各々接続された光ファイバ５３、５３が接続されている。
ビームダンパ５２は、第２の窓部１４Ｂを装着すると共に、内部にレーザ光４３を吸収する光吸収部５２ａを有している。

このガス採取バック１０を用いて、排ガスをサンプリングし、レーザ光分析する手順について説明する。

１） 先ず、図１に示すように、ガス煙道２１内の所定の箇所にガス採取管１２を挿入し、排ガス２０をサンプリングし、バック本体１３内にサンプリングガスを封入する。

２） その後、レーザ計測装置３０Ｃの光ファイバポート５１にガス採取バック１０の第１の窓部１４Ａを装着すると共に、ビームダンパ５２に第２の窓部１４Ｂを装着する。

３） 次に、バック本体１３内部に対してレーザ光４３を照射し、サンプリングガスからのラマン散乱光（散乱光）４４を受光器４２で受光し、測定データとして取り出すようにしている。

本実施例によれば、排ガスをサンプリングし、直ちに排ガス中のガス組成をラマン散乱光計測により求めることができる。

図１０は、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。なお、水分（Ｈ₂Ｏ）ピークの出現は、保温機構を用いている場合である。
本実施例では、この窒素のピークを指標として、所定ガス成分（例えばＮ₂）ピーク感度を求めた。
ここで、窒素ガスをピークとする理由は、燃料ガスのバランスガスとして適用されることが多く、その組成が安定しているためである。なお、窒素ガス以外にもガス種によって適宜選定することができる。

本実施例では、ラマン散乱によりガス組成を求めたが、手法はこれに限定されるものではなく、たとえば、レーザ誘起蛍光分析法、アンチストークスラマン分析法、レーザブレイクダウン分析、キャビティリングダウン分析法などの各種レーザ分光分析法に適用可能である。

１０ ガス採取バック
１２ ガス採取管
１３ ガス採取バック本体
２０ 排ガス
２１ ガス煙道
３０Ａ、３０Ｂ レーザ計測装置
４１ レーザ送光器（送光器）
４２ レーザ受光器（受光器）

Claims (4)

1. ガス採取管を備えたガス採取バック本体に、検査治具を装着する開口部を少なくとも有することを特徴とするガス採取バック。
2. 請求項１において、
   前記検査治具が、光透過用窓部であることを特徴とするガス採取バック。
3. 一対の第１の窓部と第２の窓部とを装着する第１の開口部と第２の開口部とを有するガス採取バックと、
   前記第１の窓部に接続するレーザ送光器と、
   前記第２の窓部に接続するレーザ受光器と、
   前記レーザ送光部とレーザ受光器とを所定間隔を持って取り付けるレーザポートを有する設置治具と、を具備することを特徴とするレーザ計測装置。
4. 一対の窓部を装着する第１の開口部と第２の開口部を有するガス採取バックと、
   前記第１の窓部に、光ファイバポートを介して各々光ファイバ接続するレーザ送光器及びレーザ受光器と、
   前記第２の窓部に接続するビームダンパと、を具備することを特徴とするレーザ計測装置。

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