JP6959078B2 - ガス分析方法およびガス分析装置 - Google Patents
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Description
而して、都市ガスグリッドに注入可能なガスの熱量規格(水素ガスや二酸化炭素ガスの混合許容度)は地域ごとに(例えば都市ガス会社など)決められているため、生成された合成ガスを既存の都市ガスグリッドに注入するに際しては、合成ガスの組成を分析してモニタリングすることが必要とされる。一般に、天然ガスの組成の分析にあっては、例えば、ガスクロマトグラフィーによるガス分析方法が用いられている(例えば特許文献1参照。)。
(1)キャリアガスとして、水素を用いた場合には、分析対象ガスに含まれる水素の濃度測定を行うことができない。また、キャリアガスとして、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスを用いた場合には、測定誤差が大きくなる。
(2)一種のバッチ処理であるため、分析対象ガスにおける各成分ガスをすべて検出するまでに時間を要し、連続測定を行うことができない。
式(1) XCO2 =(100/kCO2 )×{(Q O −Q S )/(1−α)}
(1)前記分析対象ガスの屈折率の値から換算された屈折率換算密度の値をD O 〔kg/m 3 〕、当該分析対象ガスの音速の値から換算された音速換算密度の値をD S 〔kg/m 3 〕、二酸化炭素ガスについての密度に対する誤差係数をk CO2 、前記屈折率換算密度の測定誤差と前記音速換算密度の測定誤差との差に基づく補正因子をαとしたとき、下記式(1)によって、前記補正因子αとして、12.9〜24.9の範囲内から選択される値、前記誤差係数kCO2 として、0.064〜0.089の範囲内から選択される値が用いられ、当該分析対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度値X CO2 〔vol%〕を算出する手順。
式(1) X CO2 =(100/k CO2 )×{(D O −D S )/(1−α)}
(2)前記屈折率換算密度の値および前記音速換算密度の値に基づいて算出される当該分析対象ガスの密度の値と、当該分析対象ガスにおける各成分ガスについての密度の値と、各成分ガスの体積分率とに基づいて、当該分析対象ガスに含まれるメタンガスの濃度および水素ガスの濃度を算出する手順。
(1)前記分析対象ガスの屈折率の値から換算された空気に対する屈折率換算比重の値をS O 、当該分析対象ガスの音速の値から換算された空気に対する音速換算比重の値をS S 、二酸化炭素ガスについての空気に対する比重に対する誤差係数をk CO2 、前記屈折率換算比重の測定誤差と前記音速換算比重の測定誤差との差に基づく補正因子をαとしたとき、下記式(1)によって、前記補正因子αとして、12.9〜24.9の範囲内から選択される値、前記誤差係数kCO2 として、0.050〜0.068の範囲内から選択される値が用いられ、当該分析対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度値X CO2 〔vol%〕を算出する手順。
式(1) X CO2 =(100/k CO2 )×{(S O −S S )/(1−α)}
(2)前記屈折率換算比重の値および前記音速換算比重の値に基づいて算出される当該分析対象ガスの空気に対する比重の値と、当該分析対象ガスにおける各成分ガスについての空気に対する比重の値と、各成分ガスの体積分率とに基づいて、当該分析対象ガスに含まれるメタンガスの濃度および水素ガスの濃度を算出する手順。
さらに、分析対象ガスの各成分ガスの濃度が演算により検出されるため、高い応答速度を得ることができ、連続測定を行うことができる。
しかも、屈折率換算出力測定機構および音速換算出力測定機構を備えた構成とされることにより、実際の状況に即した分析対象ガスの組成を連続的に検出することができるので、分析対象ガスの組成の変動を監視(モニタリング)することができる。
本発明のガス分析方法およびガス分析装置は、メタンガスを主成分とし、水素ガスおよび二酸化炭素ガスのいずれか一方または両方を含む混合ガスを分析対象ガスとするものである。分析対象ガスにおけるメタン濃度は、70.0vol%以上100.0vol未満であり、水素濃度は、0vol%以上20.0vol%以下であり、二酸化炭素濃度が0vol%以上30.0vol%以下である。
このような混合ガスの具体例としては、例えば、メタネーション反応によって、二酸化炭素および水素から生成されたガス、メタンを主成分とする合成ガス(以下、本明細書において「合成メタンガス」ともいう。)などが挙げられる。
この例のガス分析装置は、分析対象ガスの屈折率の値から求められる特定のガス物性についての屈折率換算出力値UO を得るための屈折率換算出力測定機構10と、当該分析対象ガスの音速の値から求められる当該特定のガス物性についての音速換算出力値US を得るための音速換算出力測定機構15と、当該分析対象ガスの当該特定のガス物性の値Uを算出するガス物性計算機構20と、分析対象ガスにおける各成分ガスの濃度を算出するガス濃度算出機構25と、分析対象ガスにおける各成分ガスの濃度および特定のガス物性などの情報を表示する表示機構30とを備えている。
分析対象ガスの屈折率の値および音速の値から換算される特定のガス物性は、二酸化炭素濃度との間に、特定の関係を有するものであって、例えば、熱量、密度および比重のうちから選ばれるものである。
式(2) U =(US −α×UO )/(1−α)
式(3) U =(UO −α×Us )/(1−α)
また、特定のガス物性が『密度』である場合には、上記式(3)において、屈折率換算出力値UO および音速換算出力値US として、屈折率換算密度の値DO および音速換算密度の値DS が用いられる。計算に供される屈折率換算密度の値Do および音速換算密度の値DS の単位は、〔kg/m3 〕である。
さらにまた、特定のガス物性が空気に対する『比重』である場合には、上記式(3)において、屈折率換算出力値UO および音速換算出力値US として、屈折率換算比重の値SO および音速換算比重の値SS が用いられる。
また、特定のガス物性が『密度』である場合には、補正因子αとしては、例えば12.9〜24.9の範囲内、より好ましくは14.7〜20.1の範囲内から選択される値が用いられる。
さらにまた、特定のガス物性が『比重』である場合には、補正因子αとしては、例えば12.9〜24.9の範囲内、より好ましくは14.7〜20.1の範囲内から選択される値が用いられる。
式(1) XCO2 =(100/kCO2 )×{(UO −Us )/(1−α)}
また、特定のガス物性が『密度』である場合(屈折率換算密度の値DO および音速換算密度のDS が用いられる場合)には、誤差係数kCO2 としては、例えば0.064〜0.089の範囲内から選択される値が用いられ、補正因子αとしては、例えば12.9〜24.9の範囲内、より好ましくは14.7〜20.1の範囲内から選択される値が用いられる。
さらにまた、特定のガス物性が空気に対する『比重』である場合(屈折率換算比重の値SO および音速換算比重の値SS が用いられる場合)には、誤差係数kCO2 としては、例えば0.050〜0.068の範囲内から選択される値が用いられ、補正因子αとしては、例えば12.9〜24.9の範囲内、より好ましくは14.7〜20.1の範囲内から選択される値が用いられる。
また、補正因子αの値が過小あるいは過大である場合についても同様に、屈折率換算出力値UO および音速換算出力値US に生じた測定誤差を十分に補正することができず、最終的に得られる二酸化炭素ガスの濃度値XCO2 に測定誤差が生じてしまう。
式(4) U =(A1 ×XCH4 +A2 ×XCO2 +A3 ×XH2 )/100
式(5) XCH4 +XCO2 +XH2 =100
なお、計算に供される熱量の値は、真発熱量の値であってもよい。
一方、当該屈折率換算出力値UO および当該音速換算出力値US に基づいて、上記(2)または式(3)によって、補正因子αとして特定の範囲内において選択された値を用いる条件で、分析対象ガスの特定のガス物性の値Uが、ガス物性計算機構20によって算出される。
さらに、各々物理センサよりなる屈折率測定手段11および音速測定手段16により取得された屈折率の値および音速の値が用いられ、分析対象ガスの各成分ガスの濃度が演算により検出されるため、高い応答速度を得ることができて連続測定を行うことができ、しかも、物理センサは、感度の劣化が生じにくいものであるため、信頼性の高いガス分析を行うことができる。
例えば、ガス分析装置自体が屈折率測定手段および音速測定手段を備えている必要はなく、分析対象ガスの屈折率および音速の両者を適宜の光学センサおよび音速センサによって測定し、これにより得られるデータが入力される構成とされていてもよい。
下記表1に示すガス組成を有する5種類(A〜E)の試料ガスを用意した。表1における熱量(理論値)は、試料ガスにおける各成分ガスの濃度からJIS K2301:1995に基づいて算出された値である。
そして、図1に示す構成のガス分析装置を用いて、各々の試料ガスA〜Eにおける各成分ガスの濃度を求めた。試料ガスにおける二酸化炭素濃度の算出にあっては、上記式(1)において、屈折率換算熱量QO の値および音速換算熱量QS の値を用いると共に、誤差係数kCO2 の値を40.66とし、補正因子αの値を2.21とした。また、試料ガスにおけるメタン濃度および水素濃度の算出にあっては、上記式(4)におけるA1 〜A3 の値をそれぞれ燃焼基準温度および測定基準温度に応じて設定した。結果を下記表2に示す。
試料ガスにおける各成分ガスの濃度の算出に係る特定のガス物性として『密度』を利用したことの他は、実験例1と同様にして、各試料ガスにおける各成分ガスの濃度を算出したところ、誤差は最大でも0.5vol%であることが確認された。ここに、二酸化炭素ガスの濃度算出に際しては、上記式(1)において、屈折率換算密度DO の値および音速換算密度DS の値を用いると共に、誤差係数kCO2 の値を0.07308、補正因子αの値を16.7とした。また、試料ガスにおけるメタン濃度および水素濃度の算出にあっては、上記式(4)におけるA1 〜A3 の値をそれぞれ燃焼基準温度および測定基準温度に応じて設定した。
また、試料ガスをガス分析装置に導入してから各成分ガスの濃度を検出するまでに要した時間は、5秒間以内であった。
試料ガスにおける各成分ガスの濃度の算出に係る特定のガス物性として『比重』を利用したことの他は、実験例1と同様にして、各試料ガスにおける各成分ガスの濃度を算出したところ、誤差は最大でも0.5vol%であることが確認された。ここに、二酸化炭素ガスの濃度算出に際しては、上記式(1)において、屈折率換算比重SO の値および音速換算比重SS の値を用いると共に、誤差係数kCO2 の値を0.05652、補正因子αの値を16.7とした。また、試料ガスにおけるメタン濃度および水素濃度の算出にあっては、上記式(4)におけるA1 〜A3 の値をそれぞれ燃焼基準温度および測定基準温度に応じて設定した。
また、試料ガスをガス分析装置に導入してから各成分ガスの濃度を検出するまでに要した時間は、5秒間以内であった。
11 屈折率測定手段
12 屈折率換算出力取得手段
15 音速換算出力測定機構
16 音速測定手段
17 音速換算出力取得手段
20 ガス物性計算機構
25 ガス濃度算出機構
26 二酸化炭素濃度計算機構
27 メタン濃度・水素濃度計算機構
30 表示機構
40 ガス分析装置
41 メタネーション装置
42 水素ガス供給源
43 二酸化炭素ガス供給源
45 処理装置
50 都市ガスグリッド
Claims (6)
- メタンガスを主成分とし、水素ガスおよび二酸化炭素ガスのいずれか一方または両方を含む混合ガスよりなる分析対象ガスにおける各成分ガスの濃度を、下記(1)および(2)の手順によって算出することを特徴とするガス分析方法。
(1)前記分析対象ガスの屈折率の値から換算された屈折率換算熱量の値をQ O 〔MJ/m 3 〕、当該分析対象ガスの音速の値から換算された音速換算熱量の値をQ S 〔MJ/m 3 〕、二酸化炭素ガスについての熱量に対する誤差係数をkCO2 、前記屈折率換算熱量の測定誤差と前記音速換算熱量の測定誤差との差に基づく補正因子をαとしたとき、下記式(1)によって、補正因子αとして、1.8〜2.8の範囲内から選択される値、前記誤差係数k CO2 として、35〜48の範囲内から選択される値が用いられ、当該分析対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度値XCO2 〔vol%〕を算出する手順。
式(1) XCO2 =(100/kCO2 )×{(Q O −Q S )/(1−α)}
(2)前記屈折率換算熱量の値および前記音速換算熱量の値に基づいて算出される当該分析対象ガスの熱量の値と、当該分析対象ガスにおける各成分ガスについての熱量の値と、各成分ガスの体積分率とに基づいて、当該分析対象ガスに含まれるメタンガスの濃度および水素ガスの濃度を算出する手順。 - メタンガスを主成分とし、水素ガスおよび二酸化炭素ガスのいずれか一方または両方を含む混合ガスよりなる分析対象ガスにおける各成分ガスの濃度を、下記(1)および(2)の手順によって算出することを特徴とするガス分析方法。
(1)前記分析対象ガスの屈折率の値から換算された屈折率換算密度の値をD O 〔kg/m 3 〕、当該分析対象ガスの音速の値から換算された音速換算密度の値をD S 〔kg/m 3 〕、二酸化炭素ガスについての密度に対する誤差係数をk CO2 、前記屈折率換算密度の測定誤差と前記音速換算密度の測定誤差との差に基づく補正因子をαとしたとき、下記式(1)によって、前記補正因子αとして、12.9〜24.9の範囲内から選択される値、前記誤差係数k CO2 として、0.064〜0.089の範囲内から選択される値が用いられ、当該分析対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度値X CO2 〔vol%〕を算出する手順。
式(1) X CO2 =(100/k CO2 )×{(D O −D S )/(1−α)}
(2)前記屈折率換算密度の値および前記音速換算密度の値に基づいて算出される当該分析対象ガスの密度の値と、当該分析対象ガスにおける各成分ガスについての密度の値と、各成分ガスの体積分率とに基づいて、当該分析対象ガスに含まれるメタンガスの濃度および水素ガスの濃度を算出する手順。 - メタンガスを主成分とし、水素ガスおよび二酸化炭素ガスのいずれか一方または両方を含む混合ガスよりなる分析対象ガスにおける各成分ガスの濃度を、下記(1)および(2)の手順によって算出することを特徴とするガス分析方法。
(1)前記分析対象ガスの屈折率の値から換算された空気に対する屈折率換算比重の値をS O 、当該分析対象ガスの音速の値から換算された空気に対する音速換算比重の値をS S 、二酸化炭素ガスについての空気に対する比重に対する誤差係数をk CO2 、前記屈折率換算比重の測定誤差と前記音速換算比重の測定誤差との差に基づく補正因子をαとしたとき、下記式(1)によって、前記補正因子αとして、12.9〜24.9の範囲内から選択される値、前記誤差係数k CO2 として、0.050〜0.068の範囲内から選択される値が用いられ、当該分析対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度値X CO2 〔vol%〕を算出する手順。
式(1) X CO2 =(100/k CO2 )×{(S O −S S )/(1−α)}
(2)前記屈折率換算比重の値および前記音速換算比重の値に基づいて算出される当該分析対象ガスの空気に対する比重の値と、当該分析対象ガスにおける各成分ガスについての空気に対する比重の値と、各成分ガスの体積分率とに基づいて、当該分析対象ガスに含まれるメタンガスの濃度および水素ガスの濃度を算出する手順。 - 前記分析対象ガスが、メタネーション反応によって、二酸化炭素および水素から生成されたガスであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のガス分析方法。
- 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のガス分析方法によって、分析対象ガスの各成分ガスの濃度を算出するガス濃度算出機構を備えていることを特徴とするガス分析装置。
- 分析対象ガスの屈折率を測定して前記特定のガス物性についての屈折率換算出力値を得る屈折率換算出力測定機構と、当該分析対象ガスの音速を測定して当該特定のガス物性についての音速換算出力値を得る音速換算出力測定機構とを備えていることを特徴とする請求項5に記載のガス分析装置。
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