JP2017090324A - ガスサンプリング装置、ガス分析装置、ガスサンプリング方法及びガス分析方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】加熱機構により加熱された固体燃料の表層から生じるガスを採取するガスサンプリング装置であって、表面に上記固体燃料を装填する試料皿と、上記試料皿の上部において上記試料皿に接触及び離反可能に設けられ、一端が封止され、上記試料皿と対向する側面にガス採取孔を有するガス採取管と、を備えるガスサンプリング装置が提供される。
【選択図】図3
Description
(2)上記ガス採取管は石英管である、(1)に記載のガスサンプリング装置。
(3)上記ガス採取管の外径は2mm以下であり、かつ、上記ガス採取管の内径は0.1mm以下である、(1)または(2)に記載のガスサンプリング装置。
(4)上記試料皿は、雰囲気ガスが流通する反応管の内部に設けられる、(1)〜(3)のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置。
(5)上記加熱機構は、赤外線加熱ランプである、(1)〜(4)のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置。
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置と、上記ガスサンプリング装置により採取されたガスの種類および濃度を逐次的に分析するガス分析器と、を備える、ガス分析装置。
(7)上記ガス分析器は、飛行時間型質量分析装置またはフーリエ変換赤外分光度計である、(6)に記載のガス分析装置。
(8)固体燃料が装填された試料皿の上部において、一端が封止され上記試料皿と対向する側面にガス採取孔を有するガス採取管を、上記試料皿に接触させて配置し、上記固体燃料を加熱し、加熱された上記固体燃料の表層から生じるガスを、上記ガス採取孔を通じて上記ガス採取管内に採取する、ガスサンプリング方法。
(9)(8)に記載のガスサンプリング方法を用いて採取されたガスの種類および濃度を逐次的に分析する、ガス分析方法。
[1.1.背景]
本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、固体燃料の燃焼性の評価指標の一つである燃焼速度を精度高く算出するために、燃焼中の固体燃料の表層のガスを適切にサンプリングするとともに、サンプリングされたガスを精度高く測定することを可能とするものである。以下、本実施形態に係るガス分析装置を開発するに至った背景について説明する。
図2は、本実施形態に係るガス分析装置1の構成を示す図である。図2を参照すると、ガス分析装置1は、固体燃料の燃焼によって発生したガスを採取するためのガス採取部2、およびガス採取部2において採取されたガスを分析するためガス分析部3を備え、さらにガス採取部2において生じたガスを採取し、ガス分析部3へ採取したガスを供給するためのガス採取管10を有する。なお、本実施形態において、ガス採取部2およびガス採取管10がガスサンプリング装置としての機能を有する。以下、ガスの流れに沿って、ガス採取部2、ガス採取管10、ガス分析部3の順に説明する。
図3は、本実施形態に係るガス採取部2の平面図および正面図を示す図である。図3を参照すると、ガス採取部2は、ガス採取部2は、反応管20、試料皿21、台座22、加熱機構23、雰囲気ガス導入管24、および測温機構25を備える。
ガス採取管10は、燃焼により固体燃料の表層から生じたCOおよびCO2ガス、並びに未燃焼のO2ガス等を採取し、ガス分析部3に供給するための管である。ガス採取管10は、反応管20の枝配管の内部に挿入されており、試料皿21の上部において試料皿21の上面と略水平方向に渡されるように設けられる。また、ガス採取管10は、後述するXYZステージ31による制御により、3次元方向に移動可能である。ガス採取管10は、XYZステージ31によって試料皿21に対して接触または離反可能に設けられる。また、ガス採取管10の端部のうち、反応管20内に収容される端部は封止されており、また他端は、ガス分析部3に採取したガスを流通させるガス搬送管30の一端と接続される。
以上、ガス採取部2の構成について説明した。次に、再び図2に戻り、ガス分析部3の構成について説明する。図1を参照すると、ガス分析部3は、XYZステージ31、ガス流量制御器32、ガス分析器33、およびポンプ34を備える。ガス流量制御器32、ガス分析器33、およびポンプ34はガス搬送管30により接続されており、ガス搬送管30はXYZステージ31に支持されている。
次に、本実施形態に係るガス分析装置を用いた実験手順について以下に示す。まず、固体燃料を任意の粒径に破砕し、破砕された固体燃料を試料皿21に装填する。なお、本実験で用いられる固体燃料は、試料皿21内に収まるように加圧成型してバルク状に加工されたものであってもよい。
以上、本実施形態に係るガス分析装置1およびガス分析装置1を用いたガス分析方法について、詳細に説明した。本発明によれば、燃焼時の固体燃料の表層のガス種を安定して連続的に定量することが可能となるので、燃焼速度が速い(つまり燃焼性の高い)固体燃料の初期発生ガス、および低温燃焼における微量発生ガスの測定データを得ることができ、より幅広い燃焼速度を持つ固体燃料の評価が可能となる。したがって、固体燃料の燃焼性についてより精度高く評価することが可能となる。
本実施形態に係るガス分析装置1を用いて、低温において燃焼性が異なるふたつの固体燃料(コークス、チャー)を用いて表層ガス分布の差異を分析し、本実施形態に係るガス分析装置1の有効性について評価した。
本実施形態に係るガス採取管10によるガスの採取方法の有効性を示すために、種々の固体燃料を各温度において加熱した際における、ガス採取管10の有無によるガスの検出精度について評価した。本実施例においては、固体燃料として、揮発分量が5%以下である無煙炭AおよびB、揮発分量が約20%である瀝青炭CおよびD、並びに揮発分量が45%以上である褐炭EおよびFを用いた。これらの固体燃料を、150℃、200℃および300℃の各温度において加熱した。なお、本実施例においては、比較例として、反応管20の内部からガス採取管10を取り除いたガス分析装置1を用意した。具体的には、比較例においては反応管20の枝配管に設けられているガス採取管10が取り除かれており、枝配管の端部にはガス搬送管30が継手等により接続されている状態である。この状態では、反応管20の内部に導入された雰囲気ガスは、反応管20の枝配管の端部からガス搬送管30へと流れる。実施例および比較例において固体燃焼の燃焼により生じたガスは、ガス搬送管30を通じてガス分析器33に送られる。ガス分析器33が各燃焼温度についてガス(特にCOガス)を検出可能であったか否かについて、実施例および比較例についてそれぞれ評価した。なお、雰囲気ガスの酸素分圧は21kPaであり、雰囲気ガスのガス流量は10L/minとした。
本実施形態に係るガス採取管10の材質、および固定方法の有効性を示すために、本実施形態に係るガス分析装置1において、本実施例として、ガス採取管10として石英管を用い、かつ、試料皿21に固定した場合について評価した。一方、本比較例として、一般的なシリカ製のキャピラリーをガス採取管10として用いた場合、および、ガス採取管10として石英管を用いたがガス採取管10を試料皿21に固定しなかった場合について評価した。本実施例で用いられた固体燃料はコークスである。石英管は外径1.0mmのものを、また、シリカ製のキャピラリーは外径0.5mmのものを用いた。評価のプロセスについては、上述した実施例1と同様である。具体的には、雰囲気ガスの導入開始後約100秒を経過してからコークスの加熱を開始した。雰囲気ガスの酸素分圧は21kPaであり、雰囲気ガスのガス流量は10L/minとした。採取したガスについて、ガス分析器33によりCO、CO2およびO2の濃度の測定を行った。
本実施形態に係るガス分析装置1に用いられるガス採取管10の外径および内径の範囲の有効性を示すために、各種ガス採取管を用いて表層のガス測定を行った場合の分析結果の再現性について評価した。本実施例として、外径が2mm以下であり、かつ、内径が0.1mm以下であるガス採取管10を用いた。また、本比較例として、上述した外径および内径の条件を満たさないガス採取管を用いた。評価のプロセスについては、上述した実施例1と同様である。具体的には、雰囲気ガスの導入開始後約100秒を経過してからコークスの加熱を開始した。雰囲気ガスの酸素分圧は21kPaであり、雰囲気ガスのガス流量は10L/minとした。採取したガスについて、ガス分析器33によりCO、CO2およびO2の濃度の分析を行った。これらの分析について各5回行い、その再現性について評価した。なお、下記の表3における再現性の評価基準は、以下のとおりである。
◎:再現性が極めて高い
○:再現性が高い
×:再現性が低い、または再現性がない
2 ガス採取部
3 ガス分析部
10 ガス採取管
11 ガス採取孔
20 反応管
21 試料皿
22 台座
23 加熱機構
24 雰囲気ガス導入管
25 測温機構
30 ガス搬送管
31 XYZステージ
32 ガス流量制御器
33 ガス分析器
34 ポンプ
Claims (9)
- 加熱機構により加熱された固体燃料の表層から生じるガスを採取するガスサンプリング装置であって、
表面に前記固体燃料を装填する試料皿と、
前記試料皿の上部において前記試料皿に接触及び離反可能に設けられ、一端が封止され、前記試料皿と対向する側面にガス採取孔を有するガス採取管と、
を備えるガスサンプリング装置。 - 前記ガス採取管は石英管である、請求項1に記載のガスサンプリング装置。
- 前記ガス採取管の外径は2mm以下であり、かつ、前記ガス採取管の内径は0.1mm以下である、請求項1または2に記載のガスサンプリング装置。
- 前記試料皿は、雰囲気ガスが流通する反応管の内部に設けられる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置。
- 前記加熱機構は、赤外線加熱ランプである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスサンプリング装置と、
前記ガスサンプリング装置により採取されたガスの種類および濃度を逐次的に分析するガス分析器と、
を備える、ガス分析装置。 - 前記ガス分析器は、飛行時間型質量分析装置またはフーリエ変換赤外分光度計である、請求項6に記載のガス分析装置。
- 固体燃料が装填された試料皿の上部において、一端が封止され前記試料皿と対向する側面にガス採取孔を有するガス採取管を、前記試料皿に接触させて配置し、
前記固体燃料を加熱し、
加熱された前記固体燃料の表層から生じるガスを、前記ガス採取孔を通じて前記ガス採取管内に採取する、ガスサンプリング方法。 - 請求項8に記載のガスサンプリング方法を用いて採取されたガスの種類および濃度を逐次的に分析する、ガス分析方法。
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