JP2017026346A

JP2017026346A - 化学発光式窒素酸化物分析計

Info

Publication number: JP2017026346A
Application number: JP2015142238A
Authority: JP
Inventors: 亮田辺; Akira Tanabe
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】試料ガス中のＮＯ濃度にかかわらずシリカゲルを用いることなく正確な測定を行うことのできる化学発光式窒素酸化物分析計を提供する。
【解決手段】リアクタ７に導入する試料ガスの流量を制御する電磁弁５ａ〜５ｃ、キャピラリ６ａ〜６ｃからなる流量制御手段を設け、測定レンジの設定状態に応じて、高濃度レンジほど試料ガスの流量が小さくなるように自動的に試料ガスの流量を変更することで、リアクタ７での反応に必要となるオゾン濃度を低下させるとともに、オゾン発生器１１にオゾンの原料として導入する空気の除湿に際してシリカゲルを用いる必要をなくす。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼排ガスなどに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を連続して測定する化学発光式窒素酸化物分析計に関する。

火力発電所、石油化学プラント、あるいは製鉄所などの排ガス測定や、触媒研究用途等におけるガス中の窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯ_２）の濃度を測定する装置として、化学発光式窒素酸化物分析計が知られている。この分析計は、試料ガスとオゾン（Ｏ_３）とをリアクタに導入して混合し、試料ガス中のＮＯが酸化されてＮＯ_２になる際の反応時に発する光、つまり化学発光の強度を検出して試料ガスのＮＯ濃度を測定する。ここで、ＮＯ_２の濃度については、試料ガスに含まれるＮＯ_２を還元することによってＮＯに変換した上でリアクタに導入してＯ_３と混合することで、上記と同様の反応を生起させる（例えば特許文献１，２参照）。

図３は従来の化学発光式窒素酸化物分析計の構成例を示すブロック図である。
試料ガスはポンプ３１で吸引され、電子クーラー３２を通過することによって除湿された後、流量計３３、背圧弁３４、キャピラリ３５を経てリアクタ３６内に導入される。ポンプ３１によりリアクタ３６に向けて移送される試料ガスは、リアクタ３６の前段においてキャピラリ３５の抵抗を受け、これによってリアクタ３６に流れ込む試料ガスは一定の流量に制限され、余剰の試料ガスは背圧弁３４を通じてバイパスへと導かれる。

一方、Ｏ_３はオゾン発生器３７によって生成されてリアクタ３６内に導入されるが、オゾン発生器３７には原料となる空気がポンプ３８により供給され、この空気をオゾン発生器３７内で無声放電させることによってＯ_３が生成される。オゾン発生器３７におけるＯ_３の発生濃度は、空気中の水分量に大きく依存し、水分が少ないほどＯ_３の濃度は高くなる。そこで、空気の吸引ライン上に電子クーラー３９とシリカゲル除湿部４０とが設けられ、空気を電子クーラー３９で冷却して一定の除湿を行った後、シリカゲルと接触させることによって更に除湿をする。

具体的には、電子クーラー３９によって空気をまず２〜５℃程度に冷却して水分濃度を１ｖｏｌ％程度に除湿した後、シリカゲル除湿部４０を通して水分濃度を１０００ｐｐｍ程度まで除湿してオゾン発生器３７に供給する。

以上のようにして生成したオゾンと試料ガスとをリアクタ３６に導入して混合すると、試料ガス中のＮＯがＯ_３で酸化されてＮＯ_２になり、その際に光を発する。この化学発光の強度をリアクタ３６に設けられた検出器４１で検出することにより、試料ガス中のＮＯ濃度を求めることができる。

なお、図３の構成においてオゾン発生器３７への空気の供給量は流量計４２によって計量され、また、リアクタ３６内での反応後のガスは、オゾン分解器４３によって余剰のＯ_３が分解された上で排気される。

特開２００２−１４８１９３号公報特開平５−１９６５７４号公報

ところで、この種の分析計により正確な測定結果を得るためには、リアクタに導入された試料ガス中のＮＯを余すところなくＮＯ_２に酸化させるに足るＯ_３の濃度が必要である。したがって、１台の化学発光式窒素酸化物分析計により低濃度（数ｐｐｍ）から高濃度（４０００ｐｐｍ程度）まで測定できるようにするために、Ｏ_３は高濃度のＮＯが反応するのに十分な濃度とする必要がある。ゆえに、空気を電子クーラーにより除湿するだけではＯ_３濃度が不足するため、図３に示すようにシリカゲルも併用する必要が生じる。

ここで、シリカゲルは吸湿によって飽和するため、定期的に交換する必要があり、手間とコストがかかるという問題がある。

リアクタに導入する試料ガスの流量は０．４Ｌ／ｍｉｎ程度であり、その試料ガス流量を少なくすれば必要とするＯ_３濃度を下げることができるが、試料ガス流量を少なくするとＮＯ濃度が低濃度の試料ガスを測定する際に化学発光の強度が低下し、感度が低下して測定精度が悪くなるという問題が生じる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、試料ガス中のＮＯ濃度にかかわらずシリカゲルを用いることなく正確な測定を行うことのできる化学発光式窒素酸化物分析計の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の化学発光式窒素酸化物分析計は、試料ガスと、オゾン発生器に空気を導いて生成したオゾンとをリアクタに導入し、試料ガス中の一酸化窒素とオゾンとの反応により生じる化学発光の強度を検出することにより、試料ガス中に含まれる一酸化窒素の濃度を測定する化学発光式窒素酸化物分析計において、複数の測定レンジのうち任意のものを選択的に設定する測定レンジ設定手段と、上記リアクタに導入する試料ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、その流量制御手段は、上記測定レンジ設定手段により設定された測定レンジに応じて、高濃度レンジほど小流量となるように上記リアクタへの試料ガスの導入流量を自動的に切り替えることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明における流量制御手段の具体的構成としては、上記リアクタの試料ガス流入路上に並列に配置された互いに抵抗の相違する複数のキャピラリと、その各キャピラリのうちのいずれかに試料ガスを導く流路切り替え手段を備えた構成（請求項２）を採用することができ、また、他の構成としては、上記リアクタの試料ガス流入路上に配置され、指令により流量を切り替えるマスフローコントローラを設けた構成（請求項３）を採用することもできる。

そして、本発明は上記のいずれかの構成と併せることにより、上記オゾン発生器に導く空気の除湿が、電子クーラーのみによって行われる構成（請求項４）を採用することができる。

本発明は、この種の分析計において通常に備えている測定レンジ切り替え機能を利用し、選択された測定レンジに応じてリアクタに導入する試料ガスの流量を自動的に変更することで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明においては、リアクタ内に導入する試料ガスの流量を制御する流量制御手段を設け、選択された測定レンジが高濃度側であるほど試料ガスの流量が小さくなるように自動的に流量制御する。これにより、試料ガスのＮＯ濃度が高くても流量が小さくなる分だけＮＯの絶対量が減少し、必要となるＯ_３濃度を低下させることができる。その結果、オゾン発生器に導入する空気の除湿にシリカゲルを用いる必要がなくなる。

本発明によれば、１台の分析計で低濃度から高濃度までの測定が可能でありながら、オゾン発生器に導く空気を、シリカゲルを用いて除湿する必要がなくなり、その交換の手間を不要とするとともに、ランニングコストを削減することができる。

本発明の実施形態の要部構成を示すブロック図。本発明の他の実施形態の要部構成を示すブロック図。従来の化学発光式窒素酸化物分析計の構成例を示すブロック図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１はその要部構成を示すブロック図である。

試料ガスはポンプ１で吸引され、その吸引過程で電子クーラー２によって冷却され、流量計３、背圧弁４以下へと移送される。背圧弁４を経た試料ガス流路は並列に設けられた３本の流路に分岐し、その各流路には流量制御手段となる電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃとキャピラリ６ａ，６ｂ，６ｃが設けられている。各キャピラリ６ａ，６ｂ，６ｃの出口は再び１本の流路に合流した後、リアクタ７に連通している。

なお、試料ガス中のＮＯに加えてＮＯ_２の合計濃度を測定する場合、あるいはＮＯ_２のみの濃度を測定する場合には、試料ガスはＮＯ_２−ＮＯコンバータ（図示略）を介在させることによってあらかじめＮＯ_２をＮＯに還元変換しておく。

各電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃは開閉弁であり、後述する弁駆動回路２２から送られる駆動信号により３つのうちの１つが開となり、他の２つが閉となる。したがって、これらの各電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃの動作によって、背圧弁４を経た試料ガスは３つのキャピラリ６ａ，６ｂ，６ｃのうちのいずれかに導かれた後、リアクタ７に導入される。

各キャピラリ６ａ，６ｂ，６ｃは、その抵抗が互いに異なり、キャピラリ６ａの抵抗が最大であって、キャピラリ６ｃが最小であり、キャピラリ６ｂがその中間となっている。したがって、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃの動作によるキャピラリ６ａ，６ｂ，６ｃの選択により、リアクタ７に導入される試料ガスの流量が変化し、キャピラリ６ａ→６ｂ→６ｃの順に流量が大きくなる。このキャピラリ６ａ〜６ｃのいずれかによる流量制限により余剰となった試料ガスは、背圧弁４を介してバイパスへと導かれる。

一方、Ｏ_３の原料となる空気は、ポンプ８で吸引され、電子クーラー９を通過することによって冷却および除湿された後、流量計１０を介してオゾン発生器１１へと導かれる。そして、オゾン発生器１１内での無声放電によりＯ_３が生成され、リアクタ７へと導入される。このオゾン供給ラインにおいて、空気の除湿は電子クーラー９による冷却のみであって、シリカゲルは用いられていない。

リアクタ７内に導入された試料ガスとオゾンは、このリアクタ７内で混合されることによりＮＯとＯ_３とが反応し、ＮＯがＮＯ_２に酸化される。このときに生じる化学発光がリアクタ７内に受光面を臨ませた検出器１２によってその強度が検出される。また、反応後のリアクタ７内のガスは、オゾン分解器１３によって未反応のＯ_３が分解された上で排気される。

さて、検出器１２から出力されたデータは、増幅器や検出器駆動回路等を含む測定回路１４に入力されて増幅等の処理がなされた後、Ａ／Ｄ変換器１５によってデジタル化され、演算・制御装置１６に取り込まれる。この演算・制御装置１６は、測定回路１４から出力されてＡ／Ｄ変換器１５でデジタル化された光強度データをあらかじめ取得した検量データ等を用いてＮＯ濃度データに換算する演算部１７、検量データ等を記憶するメモリ１８、装置各部を制御する制御部１９、マウスやキーボード等からなり各種設定や指令を入力する操作部２０、測定結果や装置の状態等を表示する表示器２１を備えている。なお、この演算・制御装置１６は、実際にはコンピュータとその周辺機器を主体として構成され、インストールされたプログラムに従って動作するのであるが、図１では説明の便宜上、主要な機能ごとのブロック図で示している。

この例において、操作部２０は、測定レンジを３種（高濃度レンジ、中濃度レンジ、低濃度レンジ）のいずれかに設定することができる測定レンジ設定手段として機能する。この測定レンジを設定変更すると、測定回路１４は、制御部１９からの指令により、検出器１２の出力の増幅率を変更後の測定レンジに対応するものに変更し、演算部１７においても変更後の測定レンジに対応した演算内容に変更する。この点は従来と同等である。

この実施の形態の特徴は、測定レンジの設定内容に応じて、制御部１９から弁駆動回路２２に向けて制御信号を供給し、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃのうち設定された測定レンジに対応する電磁弁を開にする。すなわち、測定レンジが高濃度レンジに設定されると、電磁弁５ａを開にするとともに最も抵抗の大きいキャピラリ６ａを介して試料ガスをリアクタ７内に導入する。また、中濃度レンジが設定されると電磁弁５ｂを開にするとともにキャピラリ６ｂを介して導入し、低濃度レンジが設定されると電磁弁５ｃを開にするとともにキャピラリ６ｃを介してそれぞれ試料ガスをリアクタ７内に導入する。

以上の本発明の実施の形態によれば、Ｏ_３を生成するための空気の除湿が電子クーラー９による冷却のみでシリカゲルを用いていない分だけ、Ｏ_３生成用の空気の湿度が従来の分析計（図３参照）に比して高くなり、生成されるＯ_３濃度が低くなるものの、ＮＯ濃度の高い試料ガスの測定時にはリアクタ７に導入される試料ガスの流量が少なくなって反応に必要なＯ_３濃度が低くなるため、Ｏ_３濃度が不足することがない。しかも、ＮＯ濃度の低い試料ガスの測定時にはリアクタ７に導入される試料ガスの流量が多くなるため、Ｏ_３との反応時の化学発光が弱くなりすぎず、感度の低下もない。

そして、以上の実施の形態によると、オゾン発生器１１に導入する空気の除湿にシリカゲルを使用していないので、その定期的な交換に際しての手間とコストを不要とすることができる。

ここで、以上の実施の形態においては、試料ガスの流量制御手段として電磁弁５ａ〜５ｃで選択される複数のキャピラリ６ａ〜６ｃを用いたが、本発明はこれに限定されることなく、指令により試料ガスの流量を制御できる構成であれば他の構成を採用することができる。

図２に他の構成例を示す。この図２において、図１における部材と同等の部材については同じ符号を付することにより説明を省略する。この例は、試料ガスの流量制御手段として、演算・制御装置１６からの指令に基づいて流量を変化させることのできるマスフローコントローラ２３をリアクタ７の上流に設けた点を特徴としている。

すなわち、ポンプ１で吸引された試料ガスは電子クーラー２で冷却され、流量計３、背圧弁４を経た後、マスフローコントローラ２３でその流量が制御され、リアクタ７内へと導入される。このマスフローコントローラ２３に駆動制御信号を供給するドライバ２４は、演算・制御装置１６の制御下に置かれている。演算・制御装置１６では、操作部２０の操作によって先の例と同様に測定レンジを高濃度レンジから低濃度レンジまで複数のレンジのなかから選択できるようになっており、その選択状況に基づいて制御部１９からドライバ２４に指令を送信し、高濃度レンジの場合は流量を小さく、低濃度レンジの場合は流量を大きくするようにマスフローコントローラ２３を駆動制御する。また、この実施の形態においても、オゾン発生器１１に供給される空気は電子クーラー９による冷却により除湿されており、シリカゲルは用いていない。

以上の実施の形態によっても、先の例と全く同等の作用効果を奏することができる。

１，８ポンプ
２，９電子クーラー
３，１０流量計
４背圧弁
５ａ，５ｂ，５ｃ電磁弁（流量制御手段）
６ａ，６ｂ，６ｃキャピラリ（流量制御手段）
７リアクタ
１１オゾン発生器
１２検出器
１３オゾン分解器
１４測定回路
１５Ａ／Ｄ変換器
１６演算・制御装置
１７演算部
１８メモリ
１９制御部
２０操作部（測定レンジ設定手段）
２１表示器
２２弁駆動回路
２３マスフローコントローラ
２４ドライバ

Claims

試料ガスと、オゾン発生器に空気を導いて生成したオゾンとをリアクタに導入し、試料ガス中の一酸化窒素とオゾンとの反応により生じる化学発光の強度を検出することにより、試料ガス中に含まれる一酸化窒素の濃度を測定する化学発光式窒素酸化物分析計において、
複数の測定レンジのうち任意のものを選択的に設定する測定レンジ設定手段と、上記リアクタに導入する試料ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、その流量制御手段は、上記測定レンジ設定手段により設定された測定レンジに応じて、高濃度レンジほど小流量となるように上記リアクタへの試料ガスの導入流量を自動的に切り替えることを特徴とする化学発光式窒素酸化物分析計。
上記流量制御手段は、上記リアクタの試料ガス流入路上に並列に配置された互いに抵抗の相違する複数のキャピラリと、その各キャピラリのうちのいずれかに試料ガスを導く流路切り替え手段によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学発光式窒素酸化物分析計。
上記流量制御手段は、上記リアクタの試料ガス流入路上に配置され、指令により流量を切り替えるマスフローコントローラによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学発光式窒素酸化物分析計。
上記オゾン発生器に導く空気の除湿が、電子クーラーのみによって行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学発光式窒素酸化物分析計。