JP5086971B2

JP5086971B2 - ガス中の煤塵濃度計測装置及び煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法、ガス中の煤塵濃度計測方法

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Publication number: JP5086971B2
Application number: JP2008284870A
Authority: JP
Inventors: 晋作土橋; 千幸人塚原; 智規小山; 昭宏野▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: JP2010112805A

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計測することができるガス中の煤塵濃度計測装置及び煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法、ガス中の煤塵濃度計測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、レーザ装置は長期間に亙って連続計測することが求められており、その長寿命化が課題となっている。
とくに、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ミー散乱光の発光効率の低下が問題となる。特にミー散乱光法は、散乱光強度により直接濃度算出するので、計測装置側の変動による影響を受けやすいという、問題がある。
そこで、長期間に亙って安定して計測が可能となるガス成分計測装置の出現が切望されている。

特に、レーザ装置は振動等の機械的な影響が大きな要因となり、産業設備に近接して設置し、排ガス等を直接計測する場合には、光軸の調整等が必要となり、その対策として簡易な光軸対策が望まれている。

本発明は、前記問題に鑑み、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ミー散乱光の発光効率の低下を監視し、必要に応じて調整して、長期間に亙って安定して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装置及び煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法、ガス中の煤塵濃度計測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、被測定ガスに対して照射されるレーザ光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装置において、被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、ミー散乱光及びラマン散乱光の計測データを処理するデータ処理手段とを具備してなり、予め、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の信号強度（＝Ｍ₀）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する被測定ガス中に存在する組成濃度が高い濃度校正用の窒素ガス（Ｎ ₂ ）のラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ₀）を計測しておき、被測定ガス中の煤塵濃度の校正を行う際に、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ₁）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ₁）を計測し、計測データを元に、前記データ処理手段により、得られた濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）で除して、校正定数（Ｋ）とし、前記ミー散乱光の煤塵の検出信号強度（Ｍ ₁ ）に校正係数（Ｋ）を乗じて煤塵濃度校正後の煤塵濃度（Ｍ ₂ ）を算出してなることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、別途添加した濃度校正用ガスのラマン散乱光の計測を、被測定ガスの煤塵濃度の計測とは別に行うことを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置にある。

第３の発明は、第１又は２のガス中の煤塵濃度計測装置を用い、所定時間経過後又は煤塵濃度に変化がある際に、煤塵濃度校正を行うことを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法にある。

第４の発明は、被測定ガスに対して照射されるレーザ光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、被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、ミー散乱光及びラマン散乱光の計測データを処理するデータ処理手段とを具備するガス中の煤塵濃度計測装置を用い、予め、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の信号強度（＝Ｍ ₀ ）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する被測定ガス中に存在する組成濃度が高い濃度校正用の窒素ガス（Ｎ ₂ ）のラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）を計測しておき、被測定ガス中の煤塵濃度の校正を行う際に、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ ₁ ）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を計測し、計測データを元に、前記データ処理手段により、得られた濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）で除して、校正定数（Ｋ）とし、前記ミー散乱光の煤塵の検出信号強度（Ｍ ₁ ）に校正係数（Ｋ）を乗じて煤塵濃度校正後の煤塵濃度（Ｍ ₂ ）を算出することを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法にある。

本発明によれば、ラマン散乱光の信号強度からミー散乱光の信号強度を補正することにより、被測定ガス中のミー散乱光による煤塵濃度を計測の信頼性が向上することができる。

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ガス中の煤塵濃度計測装置及び煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るガス中の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光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において、被測定ガス１２にレーザ光１１を照射するレーザ装置１３と、レーザ光１１の照射により発生するミー散乱光３０を計測する第１の光検出器（ミー散乱光検出器）３１と、レーザ光１１の照射により発生するラマン散乱光１５を計測する分光部１６とＩＣＣＤ（ＩｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）カメラ１７からなる第２の光検出器（ラマン散乱光検出器）１８とを具備してなり、予め、第１の光検出器３１によりミー散乱光の煤塵の信号強度（＝Ｍ₀）を計測すると共に、第２の光検出器１８により測定領域に存在する濃度校正用ガス（例えばＮ₂、ＣＨ₄等）のラマン散乱光１５の信号強度（＝Ｒ₀）を計測しておき、煤塵濃度の校正を行う際に、第１の光検出器３１によりミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ₁）を計測すると共に、第２の光検出器１８により測定領域に存在する濃度校正用ガス（Ｎ₂、ＣＨ₄等）のラマン散乱光１５の信号強度（＝Ｒ₁）を計測し、得られたＲ ₁ ／Ｒ ₀を校正定数（Ｋ）とし、前記Ｍ₁に校正係数（Ｋ＝Ｒ ₁ ／Ｒ ₀）を乗じて煤塵濃度（Ｍ₂）を算出してなるものである。
ここで、図１において、符号２０は被測定ガス１２が導入され、レーザ光１１を照射してガス成分を計測する測定チャンバ、２１はレーザ装置１３からのレーザ光１１を反射する反射ミラー、２２はレーザ光１１を集光する集光レンズ、２３はデータ処理手段（ＣＰＵ）を各々図示する。

ここで、レーザ装置１３からのレーザ光１１は、反射ミラー２１を介して測定チャンバ２０側へ反射させて、集光手段である集光レンズ２２により集光し、次いで測定チャンバ２０内へ送られ、測定領域１４内にレーザ光１１を入射させ、測定チャンバ２０内に導入される被測定ガス１２へ照射している。
なお、測定チャンバ２０は被測定ガス１２を内部に導入、保持又は排出させる機能を有するものであり、この導入は、生成ガスを送球する送給管の一部を又は送給管から分枝させて導入するようにしてもよい。

また、測定領域１４の中心部から散乱光されたラマン散乱光１５は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６で分光され、該分光部１６に接続されたＩＣＣＤカメラ１７により各波長の光の強度を計測する。
前記ＩＣＣＤカメラ１７からの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）２３に送られ、ここで計測データの処理がなされる。

次に、前記煤塵濃度計測装置１０Ａを用いて濃度を校正する煤塵濃度校正方法について説明する。
図２−１、２−２は初期時における計測結果を示すものであり、図２−１のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図２−２のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。
図２−２は校正時における計測結果を示すものであり、図３−１のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図３−２のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。図３−３は、図２−１と図３−１の各々右側のミー散乱光の計測結果を重ね合わせたものである。
図４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４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。

先ず、煤塵濃度計測装置１０Ａを用いて、予め初期値を求めておく。
ここで、本実施例では、図４に示すバイオマスガス化ガスを被測定ガスとして用いており、このバイオマスガス化ガスに多量に含まれている窒素（Ｎ₂）ガスを濃度校正用ガスとして用いている。

ここで、初期値の設定として、図２−１のチャートに示すように、第１の光検出器３１によりミー散乱光３０の煤塵の信号強度（＝Ｍ₀）を求めておく。
また、図２−２のチャートに示すように、第２の光検出器１８により測定領域に存在する濃度校正用ガス（本例ではＮ₂）のラマン散乱光１５の信号強度（＝Ｒ₀）を求めておく。なお、レーザ出力とラマン散乱光の信号強度は図５に示すように、比例関係にある。
よって、レーザ出力の低下等があると、ラマン散乱光の信号強度も低下することとなるので、所定時間経過後に、煤塵濃度の校正を行う際には、以下のように操作する。

すなわち、濃度校正が必要な場合に、第１の光検出器３１によりミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ₁）を計測する（図３−１のチャート）と共に、第２の光検出器１８により測定領域に存在する濃度校正用ガス（Ｎ₂）のラマン散乱光１５の信号強度（＝Ｒ₁）を計測する（図３−２のチャート）。
そして、図３−３に示すように、初期に得られたＲ ₀ と濃度計測の際に実際に測定されたＲ₁をとから求めた「Ｒ ₁ ／Ｒ ₀」を校正定数（Ｋ）とする。そして、前記Ｍ₁に校正係数（Ｋ＝Ｒ ₁ ／Ｒ ₀）を乗じて、校正された煤塵濃度（Ｍ₂）を算出する。

これにより、濃度の校正された煤塵濃度（Ｍ₂）を迅速に求めることができる。

本実施例では、被測定ガス１２としては、産業設備から排出され、例えばガス化に利用する生成ガスであればいずれでもよく、例えばバイオマスガス化ガス、石炭ガス化ガス等を挙げることができるが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。

以下に、レーザ装置を用いたガス中の煤塵濃度計測装置の各構成部材について説明する。
先ず、レーザ光１１を出力し被測定ガス１２へ照射する機能を有するレーザ装置１３について説明する。
レーザ装置１３は、レーザ発振によりレーザ光１１を出力するものであり、使用するレーザにより、レーザ光１１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〜７００ｎｍ）のものを使用するのが好ましい。ここでは、５３２ｎｍのものを用いている。

なお、測定チャンバ２０内に設けられるパワーメータ２６は、レーザ装置１３から出力されるレーザ光１１の進行方向上に設けられており、レーザ光１１の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置１３の出力を調整する。
これにより、レーザ光の位置検出精度が向上し、光軸修正を迅速に行うことが可能となる。ただし、劣悪環境では不向きである。

また、反射ミラー２１は、出力されたレーザ光１１の進行方向を、被測定ガス１２の存在する計測チャンバ２０の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー２１の角度を調整することにより、測定領域１４内で任意の位置での計測を可能としている。

次に、レーザ光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。なお、測定用のレーザ光１１及び被測定ガス１２からのラマン散乱光１５は、第１の窓２７−１及び第２の窓２７−２から出入りする。

第２の窓２７−２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、その窓をレーザ光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。

また、測定チャンバ２０のレーザ光１１の通路には、電磁弁（図示せず）が設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って測定チャンバ２０側の第２の窓２７−２を被測定ガス１２に曝しておくと、該被測定ガス１２中の不純物により、第２の窓２７−２が汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。

測定チャンバ２０は、レーザ光１１の進行方向上の被測定ガス１２が存在している測定領域１４を含む場所であり、該測定領域１４に存在する被測定ガス１２にレーザ光１１が照射されることにより測定がなされる。ただし、被測定ガス１２は、この場所で留まっている必要は無く、ガス供給用の配管の途中であって、その配管中をガスが滞留することなく流れている（動いている）状態であっても測定可能である。

次に、被測定ガス１２中の煤塵からのミー散乱光３０を分光し、測定データとして取り出す機能を有する第１の光検出器３１について説明する。第１の光検出器３１は、被測定ガス１２中の固体成分であるダストからのミー散乱光３０を光ファイバ３２により導入した後に分光し、測定データとして取り出す機能を有する。

また、被測定ガス１２からのラマン散乱光１５を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光部１６を有する第２の光検出器１８について説明する。ここで、測定領域１４の中心部から散乱されたラマン散乱光１５は、レーザ光１１からある角度をなして、第２の窓２７−２及び第１の窓２７−１を経由して分光部１６へ入る。

上記分光部１６内に設けられる偏光子（図示せず）は、特定の偏光面を持つ散乱光のみを進行方向は変えずに透過させる偏光手段であり、この偏光子で透過した散乱光は、集光レンズ（図示せず）により集光された後に、フィルタ（図示せず）により、特定の波長の散乱光のみ透過させるようにしている。本実施の形態では、５７０〜７００ｎｍの領域の光が透過するフィルタを使用する。

そして、特定の波長領域となったラマン散乱光１５は分光部１６で分光され、ここに接続されているＩＣＣＤカメラ１７により、光の強度を計測している。そして、このＩＣＣＤカメラ１７は光電子増倍型のデバイスであり、ここで分光部１６により分光された各波長の光の強度を計測するようにしている。

この計測モードは、煤塵濃度変化が顕著に低下した場合や、一月に２〜３回、又は数回行うようにすればよいが、レーザ装置の設置環境が劣悪の場合等、光軸調整が頻繁に必要であると判断される場合には、さらに回数を増加するようにすればよい。

本発明による実施例に係るガス中の煤塵濃度計測装置及び煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法について、図面を参照して説明する。
図６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に示すように、煤塵濃度計測装置１０Ｂは、図１に示す煤塵濃度計測装置１０Ａにおいて、さらに被測定ガス１２に別途濃度校正用ガス４１を供給するラインを設けたものである。
この別途供給する濃度校正用ガス４１とは、メタンガス（ＣＨ-）、アンモニアガス（ＮＨ₃）等の無機系ガスや芳香族化合物やホルムアルデヒド等の有機系ガスを挙げることができる。
この添加ガスは、被測定ガスの１／１００〜１／１０程度とするのが望ましい。
この添加された濃度校正用ガス４１を用いて、濃度校正を適切に行うことができる。

また、煤塵濃度の計測と同時でも良いが、濃度計測とは別に、濃度校正用ガスを添加して、校正のみを行うようにしてもよい。

また、芳香族化合物としてベンゼン、ナフタレン、アントラセン等を用いる場合には、蛍光信号を検出するようにしてもよい。この蛍光信号を検出する場合には、ラマン散乱光と比較して蛍光強度の方が、強度が強いので、濃度校正用ガスの添加量を少量とすることができる。
なお、蛍光を測定する場合には、第２の光検出器１８のフィルタを変更するか、または蛍光検出器を別途設置するようにすればよい。

また、図７に示す煤塵濃度計測装置１０Ｃのように、濃度校正用ガス４１の導入を測定チャンバ２０の第２の窓２７−２を清浄するガス（例えば窒素ガス）に添加して行うようにしてもよい。

これにより、添加された濃度校正用ガス４１を用いて、濃度校正を適切に行うことができる。

本発明にかかるガス中の煤塵濃度計測装置は、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、レーザ光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、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装置によれば、係る長期間に亙って安定してガス成分の計測ができ、被測定ガス中の煤塵濃度を安定して計測ができる。

実施例１に係るガス中の煤塵濃度計測装置の概略図である。初期のミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。初期のラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。校正時のミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。校正時のラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。ミー散乱光の計測結果を重ね合わせたものである。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。ラマン散乱信号強度とレーザ出力との相関関係図である。実施例２に係るガス中の煤塵濃度計測装置の概略図である。実施例２に係る他のガス中の煤塵濃度計測装置の概略図である。

１０Ａ〜１０Ｃ煤塵濃度計測装置
１１レーザ光
１２被測定ガス
１３レーザ装置
１４測定領域
１５ラマン散乱光
１６分光部
１８第２の光検出器（ラマン散乱光検出器）
３０ミー散乱光
３１第１の光検出器（ミー散乱光検出器）

Claims

被測定ガスに対して照射されるレーザ光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装置において、
被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、
レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、
レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、
ミー散乱光及びラマン散乱光の計測データを処理するデータ処理手段とを具備してなり、
予め、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の信号強度（＝Ｍ₀）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する被測定ガス中に存在する組成濃度が高い濃度校正用の窒素ガス（Ｎ ₂ ）のラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ₀）を計測しておき、
被測定ガス中の煤塵濃度の校正を行う際に、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ₁）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ₁）を計測し、
計測データを元に、前記データ処理手段により、得られた濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）で除して、校正定数（Ｋ）とし、前記ミー散乱光の煤塵の検出信号強度（Ｍ ₁ ）に校正係数（Ｋ）を乗じて煤塵濃度校正後の煤塵濃度（Ｍ ₂ ）を算出してなることを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置。
請求項１において、
別途添加した濃度校正用ガスのラマン散乱光の計測を、被測定ガスの煤塵濃度の計測とは別に行うことを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置。
請求項１又は２のガス中の煤塵濃度計測装置を用い、
所定時間経過後又は煤塵濃度に変化がある際に、
煤塵濃度校正を行うことを特徴とするガス中の煤塵濃度計測装置の煤塵濃度校正方法。
被測定ガスに対して照射されるレーザ光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、
被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、
レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、
レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、
ミー散乱光及びラマン散乱光の計測データを処理するデータ処理手段とを具備するガス中の煤塵濃度計測装置を用い、
予め、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の信号強度（＝Ｍ ₀ ）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する被測定ガス中に存在する組成濃度が高い濃度校正用の窒素ガス（Ｎ ₂ ）のラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）を計測しておき、
被測定ガス中の煤塵濃度の校正を行う際に、第１の光検出器により被測定ガスのミー散乱光の煤塵の検出信号強度（＝Ｍ ₁ ）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を計測し、
計測データを元に、前記データ処理手段により、得られた濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₁ ）を濃度校正用ガスのラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ ₀ ）で除して、校正定数（Ｋ）とし、前記ミー散乱光の煤塵の検出信号強度（Ｍ ₁ ）に校正係数（Ｋ）を乗じて煤塵濃度校正後の煤塵濃度（Ｍ ₂ ）を算出することを特徴とするガス中の煤塵濃度計測方法。