JP6105857B2 - 赤外線分析計の前処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理に用いられる赤外線分析計に供給する試料ガスの前処理を行う赤外線分析計の前処理装置に関する。

従来、下水処理を行う下水処理場においては、生物処理を行う反応槽が設けられている。この反応槽においては、汚泥に対して生物処理を行うことにより、種々のガスが排出される。これらの排出ガスには、メタン（ＣＨ_４）ガスおよび亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスといった温室効果ガスが含まれる。

Ｎ₂Ｏガスの温室効果は、ＣＯ₂ガスの約３１０倍と非常に高い。また、Ｎ₂Ｏガスは、フロンガスと同様、成層圏のオゾン層を破壊するオゾン層破壊ガスとしても問題視されている。そのため、下水処理場において、ガス分析計を用いてＣＨ_４ガスやＮ₂Ｏガスの排出量を計測している。このガス分析計としては、高い選択性を有し測定感度も高いことから、特許文献１に記載されているような赤外線分析計が広く用いられる。そして、赤外線分析計を用いて計測を行う場合には、水分が赤外線を吸収するため、前処理装置によって排出ガスから水分を除去して、計測対象となる排出ガスを乾燥させる必要がある。

特開平１０−２３９２３５号公報

ところで、排出ガスには、ＣＨ_４ガスやＮ₂Ｏガスなどの温室効果ガス以外にも、腐食性ガスとして、硫化水素ガス（Ｈ₂Ｓガス）が含まれている。そのため、本発明者によって、赤外線分析計は、排出ガス中に含まれる温室効果ガスの量や濃度を計測する際に、硫化水素ガスによって腐食する可能性が高く、その寿命が短くなるという問題が生じることが確認された。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、水処理場の反応槽から排出される排出ガスから腐食性ガスである硫化水素を効率的かつ安定的に除去することができ、後段に設けられる赤外線分析計の腐食を抑制して、その長寿命化を図ることができる赤外線分析計の前処理装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る赤外線分析計の前処理装置は、測定対象気体を含む気体から水分を一部除去する第１の乾燥手段と、第１の乾燥手段の下流側に設けられ、水分が一部除去された気体から硫化水素を除去する硫化水素除去手段と、測定対象気体を測定する赤外線分析計の上流側に設置可能に構成されているとともに、硫化水素除去手段の下流側に設けられ、導入した気体から残留している水分を除去する第２の乾燥手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る赤外線分析計の前処理装置は、上記の発明において、第１の乾燥手段、硫化水素除去手段、および第２の乾燥手段が密閉された筐体内に設けられていることを特徴とする。

本発明に係る赤外線分析計の前処理装置は、上記の発明において、測定対象気体が、亜酸化窒素およびメタンの少なくとも一方であるとともに、測定対象気体を含む気体が、水処理における生物処理を行う反応槽から排出される排出ガスであることを特徴とする。

本発明に係る赤外線分析計の前処理装置によれば、下水処理場の反応槽から排出される排出ガスから腐食性ガスである硫化水素ガスを効率的かつ安定的に除去することができ、後段に設けられる赤外線分析計の長寿命化を図ることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による赤外線分析計の前処理装置を示す構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による前処理装置におけるガスろ過器が硫化水素を除去する際の、温度ごとの除去速度の湿度依存性を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施形態による前処理装置におけるガスろ過器が硫化水素を吸着する際の、水分濃度ごとの吸着容量の温度依存性を示すグラフである。 図４は、本発明の一実施形態による前処理装置におけるガスろ過器の入口および出口における硫化水素の量を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、上述した本発明者により確認された課題を解決するために、本発明者は鋭意検討を行った。ここで、本発明の理解を容易にするために、本発明者が行った鋭意検討の概要について説明する。

まず、本発明者の知見によれば、赤外線分析計の腐食の原因は、生物処理が行われる反応槽から排出される排出ガスに硫化水素（Ｈ₂Ｓ）ガスといった腐食性ガスが含まれていることである。そこで、本発明者は、赤外線分析計の腐食を防止するためには、排出ガスが赤外線分析計に到達する前に、前処理装置によってＨ₂Ｓガスを除去することが望ましいことを想起した。ところが、排出ガスからＨ₂Ｓガスを除去する際に、測定対象であるＮ₂ＯガスやＣＨ_４ガスも除去されてしまう可能性があった。

そこで、本発明者は、赤外線分析計の前処理装置において、Ｈ₂Ｓガスを効率的で安定的に除去するために、Ｈ₂Ｓを選択的に除去可能な硫化水素除去用の活性炭を用いてＨ₂Ｓガスの除去を行うことを想起した。さらに、本発明者は、この硫化水素除去用活性炭を用いて、どのようにＨ₂Ｓの除去を行うことが望ましいかについて、種々実験および検討を行った。そして、赤外線分析計の前処理装置においては、通常、測定対象となる試料ガスから水分を除去するが、本発明者が実験および検討を行ったところ、試料ガスに含まれるＨ₂Ｓの除去においては、試料ガスの湿度は比較的高い方が望ましいことが分かった。図２は、試料ガス中に含まれるＨ₂Ｓガスが除去される除去速度の湿度依存性を、３０℃〜７０℃の温度範囲で計測した結果を示すグラフである。また、図３は、硫化水素除去用活性炭におけるＨ₂Ｓの吸着容量の温度依存性を、３０℃〜７０℃の温度範囲で、０〜２０ｍｇ／ｌの水分濃度に変化させて計測した結果を示すグラフである。

図２から、試料ガスの湿度が０％で温度が７０℃の場合のＨ₂Ｓの除去速度と、試料ガスの湿度が２０％で温度が３０℃の場合のＨ₂Ｓの除去速度とは、ほぼ同じ速度になることが分かる。すなわち、試料ガスの温度が３０℃、５０℃、および７０℃のいずれの場合においても、試料ガスの湿度が高いほどＨ₂Ｓの除去速度は増加するとともに、排出ガスの温度ごとに湿度依存性を比較すると、試料ガスの温度が高いほど除去速度が増加することが分かる。このことから、本発明者は、実験に基づいて、排出ガスの湿度が比較的高い状態であれば、試料ガスの温度がそれほど高くない場合であっても、Ｈ₂Ｓを効率よく除去できることを知見するに至った。

また、図３から、試料ガスの温度が同じであれば、水分濃度（湿度）が高いほど硫化水素除去用活性炭の吸着容量が大きくなることが分かる。さらに、図３から、硫化水素除去用活性炭の吸着容量は、試料ガスの温度が高くなるほど低下することが分かる。すなわち、本発明者は、実験に基づいて、試料ガスの温度を比較的低くし、水分濃度を比較的高くすることによって、Ｈ₂Ｓを効率よく除去できることを知見するに至った。

これらのことから、本発明者は、Ｈ₂Ｓの除去は、試料ガスから水分が除去する前段階で行うことが望ましいことを想起するに至った。本発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。

次に、以上の鋭意検討に基づいた本発明の一実施形態による赤外線分析計の前処理装置について説明する。図１は、この一実施形態による赤外線分析計の前処理装置の構成を示す。

図１に示すように、この一実施形態による赤外線分析計の前処理装置１の筐体１ａが、フランジ１１ａおよび継手１１ｂを備えた既設の脱臭ダクト１１に、試料ガス導入口１２ａを介して接続している。なお、脱臭ダクト１１は、例えば下水処理場の反応槽（図示せず）に設けられている。また、前処理装置１の筐体１ａは、外部と連通したドレン１２ｂ、排気口１２ｃ、および空気取込口１２ｄを有するとともに、断熱材から構成され、密閉構造となっている。

また、前処理装置１は、筐体１ａの内部に、ドレンセパレータ１３、ドレンポット１４、ガスろ過器１５、ガスコンディショナ１６、ガス吸引器１８、電子冷却器１９、ガスドライヤ２１、二方電磁弁２２、フローチェッカ３２、およびメンブレンフィルタ３３が備えられている。さらに、前処理装置１には、後述する赤外線分析計３４におけるＮ₂ＯおよびＣＨ₄の計測値の正確性を担保するために適宜校正を行うための校正ガスを封入したガスボンベ２３，２６，２９が設けられている。ガスボンベ２３，２６，２９はそれぞれ、圧力調整器２４，２７，３０および電磁弁２５，２８，３１を介して、二方電磁弁２２とフローチェッカ３２との間に接続されている。なお、赤外線分析計３４の校正を行う際には、校正ガスが逆流しないように二方電磁弁２２は閉じられる。また、ドレン１２ｂに連結した配管においては、ガスろ過器１５からの配管にバルブ１７が設けられ、電子冷却器１９からの配管に調圧弁２０が設けられている。これらによって、この一実施形態による前処理装置１が構成されている。また、前処理装置１の下流側（後段）には、赤外線分析計３４が接続されている。

ドレンセパレータ１３には、脱臭ダクト１１から試料ガス導入口１２ａに通じる配管が、水平方向に対して所定の角度θに傾けて連結されている。この所定の角度θは、この配管内で生じた結露となった水分を下流側のドレンセパレータ１３に向けて流下させるために、１５度以上とすることが望ましい。ドレンセパレータ１３は、ガス吸引器１８によって脱臭ダクト１１から試料ガス導入口１２ａを通じて導入された、温室効果ガスおよびＨ₂Ｓガスを含む試料ガスに含まれる水分の一部を除去する第１の乾燥手段を構成する。

ドレンセパレータ１３によって除去された水分は、水としてドレンポット１４に供給される。ドレンポット１４は、供給された水が過剰になるとドレン１２ｂを通じて外部に排出する。一方、ドレンセパレータ１３によって一部の水分が除去された試料ガスは、ガス吸引器１８によって吸引され、ガスろ過器１５に供給される。

ガスろ過器１５は、試料ガスに含まれる腐食性ガスであるＨ₂Ｓガスを吸着除去可能に構成された、上述した硫化水素除去用活性炭を有して構成されている。そして、ガスろ過器１５は、供給された試料ガスに含有されたＨ₂Ｓガスを選択的に吸着除去する。なお、このＨ₂Ｓを除去する際には、試料ガスの温度を３０℃〜７０℃、水分濃度を８〜２０ｍｇ／ｌとし、具体的には、温度を例えば３０℃、水分濃度を例えば２０ｍｇ／ｌ（湿度２５％）とする。また、ガスろ過器１５の内部で結露が生じた場合、バルブ１７を開けることによって水分はドレン１２ｂを通じて外部に排出される。

ガスろ過器１５においてＨ₂Ｓガスが除去された試料ガスは、ガス吸引器１８によって吸引されてガスコンディショナ１６に供給される。このガスコンディショナ１６は、ガス吸引器１８による吸引圧力を一定にするためのものであり、水分を貯留する部分がドレン１２ｂに連結されているとともに、気体が貯留可能な空間が空気取込口１２ｄに連結されている。そして、ガスコンディショナ１６において、試料ガスから水分がさらに除去される。

水分が除去された試料ガスは、ガス吸引器１８によって電子冷却器１９に供給される。ガス吸引器１８の下流側に連結された電子冷却器１９は、例えばペルチェ素子などの冷却器からなる。電子冷却器１９は、ガス吸引器１８から供給された試料ガスを、例えば５℃程度の温度で冷却することによって、試料ガスからさらに水分を除去する。電子冷却器１９の排出側に連結された調圧弁２０は、正常状態においては配管内の圧力を所定の圧力に維持し、分離された水分のドレン１２ｂを通じた排出を調整する。

一方、電子冷却器１９において水分が除去された試料ガスは、２重巻構造のガスドライヤ２１に供給されて、さらに水分が除去される。このガスドライヤ２１には、試料ガスから水分を除去するために、赤外線分析計３４からの試料ガスが循環供給される。以上のガスコンディショナ１６、電子冷却器１９およびガスドライヤ２１は、ガスろ過器１５を通過した試料ガスからほとんどの水分を除去する第２の乾燥手段を構成する。

そして、ガスドライヤ２１においてほとんどの水分が除去された試料ガスは、さらに二方電磁弁２２およびフローチェッカ３２を介して、メンブレンフィルタ３３に供給される。メンブレンフィルタ３３は、試料ガス中の不純物を除去して試料ガスを清浄化する。

以上のように前処理装置１によって清浄化された試料ガスは、赤外線分析計３４に供給される。赤外線分析計３４は、前処理装置１によって水分および不純物が除去された試料ガス中の、測定対象気体としての例えばＮ₂ＯガスおよびＣＨ_４ガスなどの温室効果ガスの濃度や量を計測する。

次に、以上のように構成された赤外線分析計の前処理装置１において、Ｈ₂Ｓの除去効率を測定するため、ガスろ過器１５の吸引側（活性炭入口）および排出側（活性炭出口）における試料ガスに含まれる硫化水素の濃度（Ｈ₂Ｓ濃度）を日ごとに計測した。図４は、このガスろ過器１５の流入側および流出側におけるＨ₂Ｓ濃度の変化を示すグラフである。

図４から、ガスろ過器１５の吸引側において、試料ガス中のＨ₂Ｓ濃度が日ごとで種々変化していても、ガスろ過器１５の排出側においては、試料ガス中にＨ₂Ｓがほとんど含まれていないことが分かる。

さらに、ガスろ過器１５の吸引側および排出側の試料ガスに含まれるＮ₂Ｏの濃度をそれぞれ計測したところ、ガスろ過器１５の吸引側において、９６．９（ｐｐｍ）であったＮ₂Ｏ濃度は、排出側において、９５．５（ｐｐｍ）となっていることが確認された。すなわち、Ｎ₂Ｏガスなどの温室効果ガスは、硫化水素除去用活性炭を有するガスろ過器１５によって、ほとんど除去されないことが確認された。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、赤外線分析計３４の前処理装置１における、ドレンセパレータ１３の下流側でガスコンディショナ１６の上流側にＨ₂Ｓガスを吸着する硫化水素除去用活性炭を有するガスろ過器１５を設けていることにより、下水処理場の反応槽において発生した排出ガスから、Ｈ₂Ｓガスを選択的に効率よく除去することができる。従って、赤外線分析計３４に供給される試料ガス中のＨ₂Ｓガスの濃度を大幅に低減することができるので、赤外線分析計３４において、Ｈ₂Ｓガスによる腐食を大幅に抑制することができ、長寿命化が可能となる。また、前処理装置１の筐体１ａを断熱材から構成するとともに密閉構造としていることにより、前処理装置１の外部の外気温度の変化がガスろ過器１５に影響するのを防止することができるので、Ｈ₂Ｓガスを安定して除去することが可能になる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

上述の一実施形態においては、赤外線分析計の計測対象となるガスを、亜酸化窒素ガス（Ｎ₂Ｏガス）およびメタンガス（ＣＨ_４ガス）としていたが、赤外線を用いて測定可能なガスであれば、必ずしも亜酸化窒素ガスやメタンガスの計測に限定されるものではなく、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスの計測を行うことも可能である。

１ 前処理装置
１ａ 筐体
１１ 脱臭ダクト
１１ａ フランジ
１１ｂ 継手
１２ａ 試料ガス導入口
１２ｂ ドレン
１２ｃ 排気口
１２ｄ 空気取込口
１３ ドレンセパレータ
１４ ドレンポット
１５ ガスろ過器
１６ ガスコンディショナ
１７ バルブ
１８ ガス吸引器
１９ 電子冷却器
２０ 調圧弁
２１ ガスドライヤ
２２ 二方電磁弁
２３，２６，２９ ガスボンベ
２４，２７，３０ 圧力調整器
２５，２８，３１ 電磁弁
３２ フローチェッカ
３３ メンブレンフィルタ
３４ 赤外線分析計

Claims (3)

1. 水処理における生物処理を行う反応槽から排出され配管を通じて導入された測定対象気体及び硫化水素を含む試料ガスから前記配管内で結露となった水分を集めて除去する第１の乾燥手段と、
   前記第１の乾燥手段の下流側に設けられ、前記第１の乾燥手段によって前記配管内で結露となった水分が除去された試料ガスから硫化水素を除去する硫化水素除去手段と、
   試料ガス中の前記測定対象気体を測定する赤外線分析計の上流側に設けられているとともに、前記硫化水素除去手段の下流側に設けられ、前記硫化水素除去手段によって硫化水素が除去された試料ガスから残留している水分を除去するガスドライヤを含む第２の乾燥手段と、
   を備え、
   前記硫化水素除去手段は、硫化水素除去用活性炭を含み、前記配管を通じて導入され、かつ、前記第１の乾燥手段によって前記配管内で結露となった水分が除去されたことにより、温度が摂氏３０度以上７０度以下、水分濃度が８ｍｇ／ｌ以上２０ｍｇ／ｌ以下とされた試料ガスから硫化水素を除去する手段であり、前記試料ガスから硫化水素を除去している最中に該試料ガスから凝縮した水分をドレン可能な排出手段を有する、
   ことを特徴とする赤外線分析計の前処理装置。
2. 前記第１の乾燥手段、前記硫化水素除去手段、および前記第２の乾燥手段が密閉された筐体内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線分析計の前処理装置。
3. 前記測定対象気体が、亜酸化窒素ガスおよびメタンガスの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線分析計の前処理装置。

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