JP7080083B2

JP7080083B2 - 熱量計測装置及び熱量計測方法

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Publication number: JP7080083B2
Application number: JP2018060570A
Authority: JP
Inventors: 和伸小林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP2019174199A

Description

炭化水素を含む対象ガスの熱量を計測する熱量計測装置及び熱量計測方法に関する。

化石燃料の一つである天然ガスや工場などから排出されるガスなどには、種々の物質が含まれている。例えば、天然ガスは、メタンやエタンなどの複数種の炭化水素を含んでおり、炭化水素の含有割合によって着火性などの性質が変化するものである。そのため、天然ガスの性質を把握するためには、ガスに含まれる成分を計測することが重要となる。

また、工場などから排出されるガスには、水銀などの重金属が含まれる可能性があるが、近年の環境問題に対する意識の高まりから、重金属の排出を規制する傾向にあり、重金属の排出量を削減するために、排ガス中に含まれる重金属成分を計測することが必要である。

このような事情から、ガスに含まれる成分を計測するための装置や方法については従来から盛んに研究されており、例えば、排ガスに含まれる重金属成分を計測する装置として、特許文献１に開示された微量成分計測装置が提案されている。

この従来の微量成分計測装置は、ガスの供給・排出ラインを備えた減圧セル、減圧セル内に供給されたガス中の微量成分である水銀をプラズマ化する一対の放電電極を有する放電装置と、発生したプラズマ光を分光し、分光して得られたプラズマスペクトルのうち、所定の波長の発光強度を検出する検出装置とを具備している。

そして、この従来の微量成分計測装置によれば、減圧セル内を真空ポンプによって所定の圧力まで減圧した状態で、時短パルスを発生させる高電圧電源から所定の電圧を放電電極に印加する。これにより、減圧セル内に供給されたガスがプラズマ化する。そして、発生したプラズマ光を分光し、分光して得られた所定の波長の発光強度を検出し、検出した発光強度を基にして、ガスに含まれる微量成分の濃度を計測することができる。

特開２００６－２２０５０１号公報

上記のように、特許文献１記載の微量成分計測装置は、ガスに含まれる成分の濃度を計測することができ、排ガスに含まれる有害な重金属成分の濃度の計測だけでなく、天然ガスなどの炭化水素を含むガスの成分の濃度の計測にも用いることができるが、炭化水素を含むガスの熱量を容易に計測可能な装置が求められる場合もある。

しかしながら、上記従来の微量成分計測装置は、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化したものではないため、そのような要請に十分に応えることができない。

そこで、本願発明者は、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化し、熱量を容易に計測することができる手法について鋭意研究を重ねた結果、メタンやエタン、プロパンなどの炭化水素の含有割合が異なるガスであっても、炭素由来の所定波長の発光強度に対する水素由来の所定波長の発光強度の比を利用して、炭化水素を含むガスの熱量を算出できることを見出した。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化し、熱量を容易に計測することができる熱量計測装置及び熱量計測方法の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る熱量計測装置の特徴構成は、少なくとも炭化水素を含む対象ガスを供給する供給ラインが接続された放電チャンバと、
一対の放電電極を有し、前記放電チャンバ内に供給された前記対象ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記放電チャンバ内でプラズマ化した前記対象ガスのプラズマスペクトルのうち、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出する検出手段と、
制御手段とを備えており、
前記制御手段は、前記検出手段によって検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出し、算出した発光強度の比を用いて前記対象ガスの熱量を算出する点にある。

また、上記目的を達成するための本発明に係る熱量計測方法の特徴構成は、少なくとも炭化水素を含む対象ガスを供給ラインを通じて放電チャンバ内に供給し、
前記放電チャンバ内に供給された前記対象ガスを、一対の放電電極を有するプラズマ生成手段によってプラズマ化し、
前記放電チャンバ内でプラズマ化した前記対象ガスのプラズマスペクトルのうち、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出し、
前記検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出し、
前記算出した発光強度の比を用いて前記対象ガスの熱量を算出する点にある。

上記両特徴構成によれば、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出し、検出したこれらの発光強度を基にして、炭素由来の所定波長の発光強度と水素由来の所定波長の発光強度との比（以下、「発光強度比」ともいう）を算出し、この算出した発光強度比を利用して対象ガスの熱量を算出することができる。即ち、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化したものとなり、炭化水素を含むガスの熱量を容易に計測することができる。

また、本発明に係る熱量計測装置の更なる特徴構成は、前記制御手段は、
前記検出手段によって検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出する発光強度比算出部と、
前記発光強度比算出部で算出した発光強度の比を炭素と水素との原子数比に変換する原子数比変換部と、
前記原子数比変換部で変換された原子数比を基に、前記対象ガスの熱量を算出する熱量算出部とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、発光強度比算出部で算出した発光強度比を炭素と水素との原子数比に変換して、当該原子数比を基にガスの熱量を算出することができ、上記と同様に、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化したものとなり、炭化水素を含むガスの熱量を容易に計測することができる。

尚、対象ガスの熱量は、所定の炭化水素を含む混合ガスの熱量とこの混合ガスの炭素に対する水素の原子数比との関係を予め規定しておくことで、この予め規定しておいた熱量と原子数比との関係、並びに上記変換された原子数比を基に算出することができる。

即ち、本発明に係る熱量計測装置の更なる特徴構成は、予め規定した、所定の炭化水素を含む混合ガスの熱量と該混合ガスの炭素に対する水素の原子数比との関係、並びに前記変換された原子数比を基に、前記熱量算出部において、前記対象ガスの単位体積当たりの熱量を算出する点にある。

また、本発明に係る熱量計測装置の更なる特徴構成は、前記プラズマ生成手段は、マイクロ波を放電電極に印加して放電させ、前記対象ガスをプラズマ化する点にある。

上記特徴構成によれば、生成するプラズマの密度が高くなるため、プラズマスペクトルのうちの所定波長の発光強度を検出し易くなる。

第１実施形態に係る熱量計測装置の構成例を示す図である。炭化水素の含有割合が異なる複数の混合ガスの炭素に対する水素の原子数比を示すグラフである。炭化水素の含有割合が異なる複数の混合ガスの熱量を示すグラフである。メタンをプラズマ化した際のプラズマスペクトルを示すグラフである。

以下、図面を参照して、一実施形態に係る熱量計測装置について説明する。尚、図１は、一実施形態に係る熱量計測装置１の概略的な構成図である。

〔第一実施形態〕
図１に示すように、熱量計測装置１は、炭化水素を含む対象ガスＯｇを供給する供給ライン３及び内部を減圧するための排気ライン４が接続された放電チャンバ２と、一対の放電電極１１ａ，１１ｂを有し、放電チャンバ２に供給された対象ガスＯｇをプラズマ化するプラズマ生成手段１０と、放電チャンバ２内でプラズマ化した対象ガスＯｇのプラズマスペクトルのうち、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出する検出手段１５と、制御手段２０とを備えている。

放電チャンバ２は、気密性を有するボックス状であり、窓部２ａを通して内部を観察できるようになっている。また、放電チャンバ２には、例えば、天然ガスの供給ルートから分岐した供給ライン３を介して内部に対象ガスＯｇが供給され、排気ライン４に接続された真空ポンプ５によって内部が減圧されるようになっている。

プラズマ生成手段１０は、放電チャンバ２内に所定の間隔を空けて対向して配設された一対の放電電極１１ａ，１１ｂと、一対の放電電極１１ａ，１１ｂのうちの一方の放電電極１１ａに接続した整合器１２と、当該整合器１２に接続した方向性結合器１３と、方向性結合器１３に接続し、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ±５０ＭＨｚ）を最大２００Ｗで印加することができるマイクロ波発生源１４とを備えており、整合器１２及び方向性結合器１３を介して一対の放電電極１１ａ，１１ｂに所定の電力のマイクロ波を印加する手段である。尚、他方の放電電極１１ｂは接地されている。

検出手段１５は、放電チャンバ２内に生成したプラズマの光を集光するレンズなどからなる光学部１６や、プラズマの光を分光し、分光した光を検出する分光器１７を有しており、分光器１７で検出した光を基に、少なくとも炭素由来の所定波長の発光強度及び水素由来の所定波長の発光強度を検出する。

また、制御手段２０は、プラズマ生成手段１０などの動作を制御するとともに、検出手段１５による検出結果を受信するように構成されており、検出結果を基にして対象ガスＯｇの熱量を算出するための機能部として、発光強度比算出部２１、原子数比変換部２２及び熱量算出部２３を備えている。

具体的に、発光強度比算出部２１は、検出された炭素由来の所定波長の発光強度に対する水素由来の所定波長の発光強度の比（発光強度比）を算出する。また、原子数比変換部２２は、発光強度比算出部２１で算出した発光強度比を炭素に対する水素の原子数比（Ｈ／Ｃ比）に変換する。更に、熱量算出部２３は、原子数比変換部２２で変換されたＨ／Ｃ比を基に、対象ガスＯｇの熱量を算出する。

次に、本実施形態に係る熱量計測装置１によって熱量を計測する過程について以下説明する。まず、真空ポンプ５によって放電チャンバ２内を所定の真空度となるまで減圧し、供給ライン３を通じて放電チャンバ２内に対象ガスＯｇを供給するとともに、整合器１２及び方向性結合器１３を介して、マイクロ波発生源１４により放電電極１１ａ，１１ｂにマイクロ波を印加する。これにより、放電チャンバ２内に供給された対象ガスＯｇがプラズマ化される。

そして、検出手段１５は、生成したプラズマの光が分光器１７によって分光され、分光された光を検出するとともに、検出した光を基に、炭素由来の所定波長の発光強度及び水素由来の所定波長の発光強度を検出し、この検出結果を制御手段２０が受信する。

制御手段２０では、発光強度比算出部２１で炭素由来の所定波長の発光強度に対する水素由来の所定波長の発光強度の比が算出され、この算出された発光強度比が原子数比変換部２２でＨ／Ｃ比に変換される。

尚、発光強度比をＨ／Ｃ比に変換する態様としては、例えば、Ｈ／Ｃ比が既知であるメタンガス等をプラズマ化して、炭素由来の所定波長の発光強度に対する水と由来の所定波長の発光強度の比を算出し、発光強度比をＨ／Ｃ比に変換するための校正係数を決定しておき、この校正係数を用いて、対象ガスＯｇの発光強度比をＨ／Ｃ比に変換する態様を例示することができる。

そして、変換されたＨ／Ｃ比を基にして熱量を算出する。ここで、本願発明者の知見によると、対象ガスＯｇに含まれる炭化水素の含有割合が異なる場合でも、当該対象ガスＯｇのＨ／Ｃ比を基に熱量を算出することができる。

これについて、図２及び図３を参照して説明する。図２は、メタン、エタン及びノルマルブタンを含み、これらの含有割合が異なる５種類の混合ガスのＨ／Ｃ比を示すグラフであり、図３は、上記５種類の混合ガスにおけるメタン、エタン及びノルマルブタンの含有割合、及び５種類の混合ガスの単位体積当たりの熱量（発熱量）を示すグラフである。

図２及び図３に示すように、混合ガスにおけるメタン、エタン及びノルマルブタンの含有割合が異なる場合であっても、Ｈ／Ｃ比が同じであれば発熱量は４５～４５．１５ＭＪ／ｍ^３の範囲内に収まり略一定となる。したがって、これらの関係からＨ／Ｃ比を基に、誤差約０．３％の範囲内でＨ／Ｃ比を基に熱量を算出することができる。

具体的に、本実施形態においては、メタン、エタン、プロパン、ノルマルブタン及びイソブタンを含みこれらの含有割合が異なる複数の混合ガスの発熱量（単位体積当たりの熱量）が、下記数式１で算出でき、複数の混合ガスのＨ／Ｃ比が、下記数式２及び３で算出できる炭素の原子数と水素の原子数との比である点に着目し、発熱量とＨ／Ｃ比との関係を予め規定しておき、この予め規定しておいた発熱量とＨ／Ｃ比との関係を参照して、Ｈ／Ｃ比を基に対象ガスＯｇの発熱量を算出する。尚、発熱量とＨ／Ｃ比との関係を規定するに際し、発熱量は理論計算で算出する。
（数式１）
Ｑ＝Ｕ_Ｍｅ×Ｒ_Ｍｅ＋Ｕ_Ｅ×Ｒ_Ｅ＋Ｕ_Ｐｒ×Ｒ_Ｐｒ＋Ｕ_ｎＢｕ×Ｒ_ｎＢｕ＋Ｕ_ｉＢｕ×Ｒ_ｉＢｕ
（数式２）
Ｈ＝４×Ｒ_Ｍｅ＋６×Ｒ_Ｅ＋８×Ｒ_Ｐｒ＋１０×Ｒ_ｎＢｕ＋１０×Ｒ_ｉＢｕ
（数式３）
Ｃ＝１×Ｒ_Ｍｅ＋２×Ｒ_Ｅ＋３×Ｒ_Ｐｒ＋４×Ｒ_ｎＢｕ＋４×Ｒ_ｉＢｕ
尚、Ｑは熱量、Ｕ_Ｍｅはメタンの発熱量、Ｕ_Ｅはエタンの発熱量、Ｕ_Ｐｒはプロパンの発熱量、Ｕ_ｎＢｕはノルマルブタンの発熱量、Ｕ_ｉＢｕはイソブタンの発熱量、Ｒ_Ｍｅは混合ガス中のメタンの含有割合、Ｒ_Ｅは混合ガス中のエタンの含有割合、Ｒ_Ｐｒは混合ガス中のプロパンの含有割合、Ｒ_ｎＢｕは混合ガス中のノルマルブタンの含有割合、Ｒ_ｉＢｕは混合ガス中のイソブタンの含有割合、Ｈは混合ガス中の水素の原子数、Ｃは混合ガス中の炭素の原子数である。

以上のように、本実施形態に係る熱量計測装置１によれば、対象ガスＯｇをプラズマ化し、そのプラズマ光のプラズマスペクトルのうち、炭素由来の所定波長の発光強度に対する水素由来の所定波長の発光強度の比を算出し、これをＨ／Ｃ比に変換することによって、このＨ／Ｃ比を基にして熱量を算出することができる。即ち、当該熱量計測装置１は、炭化水素を含む対象ガスＯｇの熱量の計測に特化したものとなり、対象ガスＯｇの熱量を容易に計測することができる。また、単位体積当たりの熱量を計測することで、この熱量を基にウォッベ指数を算出することも可能である。

以下、具体的な実験結果を基に本発明の効果を示す。図４は、放電チャンバ内の圧力を３ｋＰａに減圧するとともに、放電チャンバ内にメタンを供給し、マイクロ波の入力電力を５０Ｗ（電流２２ｍＡ、損失電力２Ｗ）としてメタンをプラズマ化した際のプラズマ光のプラズマスペクトル（波長領域：５８０～６６０μｍ）を示すグラフである。

同図から分かるように、メタンをプラズマ化した際のプラズマスペクトルには、６５６ｎｍに水素由来のシャープなピークが現れる一方、炭素由来のピークは、５８９ｎｍにシャープなピークが現れる。発光強度比のブレを小さくするためには、シャープなピークが現れている波長の発光強度を用いて算出することが好ましいため、本実験では、炭素由来の５８９ｎｍの発光強度と水素由来の６５６ｎｍの発光強度とから発光強度比を算出した。

同様に、ノルマルブタンとメタンとの混合ガスと、所謂１３Ａとをそれぞれプラズマ化し、炭素由来の５８９ｎｍの発光強度及び水素由来の６５６ｎｍの発光強度から発光強度比を算出した。

表１は、ノルマルブタンとメタンとの混合ガス、１３Ａ及びメタンについて、含有する炭化水素の割合、炭化水素の割合を基に算出した理論炭素原子数量及び理論水素原子数量、この原子数量を基に算出した理論Ｈ／Ｃ比、実験により得られた炭素由来の所定波長の実発光強度と水素由来の所定波長の実発光強度とを基に算出した実発光強度比、実発光強度比から変換したＨ／Ｃ比を基に算出した算出発熱量、並びに測定誤差をまとめたものである。尚、表１において、メタンの算出発熱量は、文献値を記載している。

メタンの実発光強度比と理論Ｈ／Ｃとの関係から予め校正係数を決定しておき、この校正係数を用いて混合ガスの実発光強度比をＨ／Ｃ比に変換し、上記予め規定しておいた熱量とＨ／Ｃ比との関係及び変換したＨ／Ｃ比を基に単位体積当たりの熱量を算出した。算出した熱量と理論Ｈ／Ｃ比を基に算出した熱量との誤差が最大でおよそ０．８％程度であり、本実施形態に係る熱量計測装置によって混合ガスの熱量を精度良く計測できることが確認できた。

〔別実施形態〕
〔１〕上記実施形態では、熱量計測装置１の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、単位体積当たりの熱量（発熱量）を算出する態様を例にとって説明したが、算出する熱量は、単位体積当たりの熱量に限られない。

〔２〕また、上記実施形態では、制御手段２０が発光強度比算出部２１、原子数比変換部２２及び熱量算出部２３を備える態様を示したが、これに限られるものではない。即ち、発光強度比を算出し、算出した発光強度比を利用して対象ガスＯｇの熱量を算出できるような構成であれば、特に限定されるものではない。

〔３〕更に、上記実施形態では、炭素由来の所定波長の発光強度として５８９ｎｍの発光強度を用い、水素由来の所定波長の発光強度として６５６ｎｍの発光強度を用いて発光強度比を算出する例を示したが、他の波長の発光強度を用いて発光強度比を算出するようにしても良い。

〔４〕更に、上記実施形態では、プラズマ生成手段１０として、マイクロ波を印加して対象ガスＯｇをプラズマ化する手段を例示したが、これに限られるものではなく、高周波を印加して対象ガスＯｇをプラズマ化する手段を例示することもできるが、プラズマ生成手段１０は、プラズマを生成可能な手段であれば、特に限定されるものではなく、種々公知のものを適用することができる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、炭化水素を含むガスの熱量の計測に特化し、熱量を容易に計測することができる熱量計測装置及び熱量計測方法に利用できる。

１熱量計測装置
２放電チャンバ
３供給ライン
１０プラズマ生成手段
１５検出手段
２０制御手段
２１発光強度比算出部
２２原子数比変換部
２３熱量算出部
Ｏｇ対象ガス

Claims

少なくとも炭化水素を含む対象ガスを供給する供給ラインが接続された放電チャンバと、
一対の放電電極を有し、前記放電チャンバ内に供給された前記対象ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記放電チャンバ内でプラズマ化した前記対象ガスのプラズマスペクトルのうち、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出する検出手段と、
制御手段とを備えており、
前記制御手段は、前記検出手段によって検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出し、算出した発光強度の比を用いて前記対象ガスの熱量を算出する熱量計測装置。
前記制御手段は、
前記検出手段によって検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出する発光強度比算出部と、
前記発光強度比算出部で算出した発光強度の比を炭素と水素との原子数比に変換する原子数比変換部と、
前記原子数比変換部で変換された原子数比を基に、前記対象ガスの熱量を算出する熱量算出部とを備える請求項１に記載の熱量計測装置。
予め規定した、所定の炭化水素を含む混合ガスの熱量と該混合ガスの炭素に対する水素の原子数比との関係、並びに前記変換された原子数比を基に、前記熱量算出部において、前記対象ガスの単位体積当たりの熱量を算出する請求項２に記載の熱量計測装置。
前記プラズマ生成手段は、マイクロ波を放電電極に印加して放電させ、前記対象ガスをプラズマ化する請求項１～３の何れか一項に記載の熱量計測装置。
少なくとも炭化水素を含む対象ガスを供給ラインを通じて放電チャンバ内に供給し、
前記放電チャンバ内に供給された前記対象ガスを、一対の放電電極を有するプラズマ生成手段によってプラズマ化し、
前記放電チャンバ内でプラズマ化した前記対象ガスのプラズマスペクトルのうち、少なくとも炭素由来の所定波長及び水素由来の所定波長の発光強度を検出し、
前記検出した発光強度を基に、前記炭素由来の所定波長の発光強度と前記水素由来の所定波長の発光強度との比を算出し、
前記算出した発光強度の比を用いて前記対象ガスの熱量を算出する熱量計測方法。