(57)【要約】【課題】製鉄プロセスにおいて発生する副生ガスの組成分析を容易に行うとともに、組成分析と熱量の算出を連続して行い、また、副生ガスの熱量もより高い信頼性で測定することのできる組成分析装置および組成分析方法を提供する。【解決手段】分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置１０は、分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定する第一測定手段１１と、分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定する第二測定手段１２を含み、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段１３と、分析対象ガスの換算熱量に基づいて、分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段１５と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定する第一測定手段と、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定する第二測定手段を含み、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、
を有することを特徴とする組成分析装置。
【請求項２】
前記基準雑ガス総誤差熱量算出手段は、前記第一のガスの濃度による影響を排除する補正係数を用いて前記基準となる誤差熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の組成分析装置。
【請求項３】
前記第一非実測対象ガス濃度算出手段は、前記補正係数を用いた場合に生じる、前記実測対象ガスのそれぞれの成分についての誤差成分係数を用いて前記第一のガスの濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の組成分析装置。
【請求項４】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度に基づいて、該実測対象ガスが存在することによる誤差量を該実測対象ガス毎に補正するための補正量を算出する実測対象ガス補正量算出手段と、
前記基準雑ガス総誤差熱量算出手段の算出結果と、前記実測対象ガス補正量算出手段の算出結果に基づいて前記分析対象ガスの熱量を算出する分析対象ガス熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの熱量と、前記実測対象ガスに含まれる一のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第二のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第三のガスの純ガス熱量と、前記実測対象ガスおよび前記第一のガスのそれぞれの濃度とを用いて、非実測対象である前記第二のガスの濃度を算出する第二非実測対象ガス濃度算出手段を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の組成分析装置。
【請求項５】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度、前記第一のガスの濃度および前記第二のガスの濃度に基づき、非実測対象である前記第三のガスの濃度を算出する第三非実測対象ガス濃度算出手段を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の組成分析装置。
【請求項６】
前記実測対象ガスおよび前記第一のガスは、雑ガスである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項７】
前記第一測定手段は、前記実測対象ガスを測定可能な赤外線センサを含んで構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項８】
前記第二測定手段は、光学センサ及び／または音速センサである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項９】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定するステップと、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出ステップと、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出ステップと、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出ステップと、
を有することを特徴とする組成分析方法。
【請求項１０】
前記基準雑ガス総誤差熱量算出ステップでは、前記第一のガスの濃度による影響を排除する補正係数を用いて前記基準となる誤差熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項９に記載の組成分析方法。
【請求項１１】
前記第一非実測対象ガス濃度算出ステップでは、前記補正係数を用いた場合に生じる、前記実測対象ガスのそれぞれの成分についての誤差成分係数を用いて前記第一のガスの濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の組成分析方法。
【請求項１２】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度に基づいて、該実測対象ガスが存在することによる誤差量を該実測対象ガス毎に補正するための補正量を算出する実測対象ガス補正量算出ステップと、
前記基準となる誤差熱量と、前記補正量とに基づいて前記分析対象ガスの熱量を算出する分析対象ガス熱量算出ステップと、
前記分析対象ガスの熱量と、前記実測対象ガスに含まれる一のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第二のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第三のガスの純ガス熱量と、前記実測対象ガスおよび前記第一のガスのそれぞれの濃度とを用いて、非実測対象である前記第二のガスの濃度を算出する第二非実測対象ガス濃度算出ステップと、を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の組成分析方法。
【請求項１３】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記第一のガスの濃度および前記第二のガスの濃度とに基づき、非実測対象である前記第三のガスの濃度を算出する第三非実測対象ガス濃度算出ステップを有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の組成分析方法。
【請求項１４】
前記実測対象ガスおよび前記第一のガスは、雑ガスである、
ことを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の組成分析方法。
【請求項１５】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を取得するステップと、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出するステップと、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出するステップと、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、該第一のガスの濃度を算出するステップと、
を有することを特徴とする組成分析方法。
【請求項１６】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得して該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、
を有することを特徴とする組成分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、製鉄プロセスにおいて発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）といった副生ガスの組成分析が可能な組成分析装置および組成分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄プロセスにおいて発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）といった副生ガスは、例えば水素ガス、一酸化炭素ガスまたはメタンガスなどの可燃性ガス成分を含んでいる。このため、これらの副生ガスは、単独であるいは複数種のものが混合されて、燃料ガスなどとして再利用されている。
【０００３】
ところで、副生ガスの組成を検出するには、ガスクロマトグラフィー法などが用いられることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、副生ガスを燃料ガスとして再利用する場合には、副生ガス毎の熱量および混合ガスの熱量を把握することが必要である。現在、燃料ガスの熱量を測定する方法として、例えば、熱量測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量と、当該熱量測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量とに基づいて、特定の関係式により、補正係数として特定の範囲内において選択された値を用いて、熱量測定対象ガスの熱量を算出することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１２６０９０号公報
【特許文献２】特許第６４０２３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、製鉄プロセスにおいて発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）といった副生ガスの組成（副生ガスに含まれる複数種の可燃性ガス成分のそれぞれの成分濃度）をガスクロマトグラフィー法にて分析する場合、一般的にはそのサンプリング周期に数分（例えば３分）を要し、リアルタイムでの分析が困難であるため、測定ガスの急峻な（短時間での）変化をとらえることができない問題があり、また、組成分析にかかる作業効率の向上にも限界があった。
【０００７】
また、ガスクロマトグラフィー装置は価格が高価であり、ひいては組成分析のコストも高価となる問題があった。
【０００８】
また、副生ガスの熱量の把握に関しても、例えば特許文献２に記載の熱量の算出方法であっても、雑ガスに起因する誤差を十分排除できず、依然として測定誤差が生ずる問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされ、製鉄プロセスにおいて発生する副生ガスの組成分析を容易且つ簡素な構成で比較的安価に行うとともに、副生ガスの熱量もより高い信頼性で測定することのできる組成分析装置および組成分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定する第一測定手段と、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定する第二測定手段を含み、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、を有することを特徴とする組成分析装置である。
【００１１】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定するステップと、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出ステップと、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出ステップと、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出ステップと、を有することを特徴とする組成分析方法である。
【００１２】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を取得するステップと、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出するステップと、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出するステップと、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、該第一のガスの濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする組成分析方法である。
【００１３】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得して該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、該第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、を有することを特徴とする組成分析装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、製鉄プロセスにおいて発生する副生ガスの組成分析を容易且つ簡素な構成で比較的安価に行うとともに、副生ガスの熱量もより高い信頼性で測定することのできる組成分析装置および組成分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態にかかる組成分析装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる組成分析装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる組成分析装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図４】純ガスを用いた場合の（Ａ）屈折率と濃度の関係を示すグラフであり、（Ｂ）音速と濃度の関係を示すグラフである。
【図５】雑ガスの濃度と熱量算出における誤差との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態にかかる組成分析装置による演算結果の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態にかかる組成分析装置１０の構成の一例を概略的に示すブロック図である。また、図２は、図１に示す組成分析装置１０の構成を部分的に抜き出して概略的に示すブロック図である。
【００１８】
本実施形態の組成分析装置１０は、複数種のガスを含む分析対象ガスについて、その組成（成分濃度（体積濃度））を分析する装置であり、より具体的には、副生ガスに含まれる複数種のガスの濃度を算出する装置である。以下、本実施形態において「組成」および単に「濃度」と記載した場合は、体積濃度を意味するものとする。
【００１９】
分析対象ガスの一例としては、製鉄プロセスにおいて発生する副生ガスであり、具体的にはコークス炉ガス（Coke  Oven  gas：ＣＯＧ）、高炉ガス（Blast  Furnace  Gas：ＢＦＧ）および転炉ガス（Linz-Donawitz  converter  Gas：ＬＤＧ）などのガスである。これらの副生ガスは、パラフィン系炭化水素ガス（例えばメタン（ＣＨ４）ガス）および水素（Ｈ２）ガスと、これ以外の「雑ガス」を含み、この場合の「雑ガス」とは例えば、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガスである。
【００２０】
本実施形態では分析対象ガス（副生ガス）として、例えばメタンガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび、窒素ガスを含むガスを例に説明する。
【００２１】
本実施形態の組成分析装置１０は、分析対象ガス（副生ガス）のうち雑ガスの一部、具体的には一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスの濃度を測定し、副生ガスを音速および屈折率に換算した熱量を算出することによって、残りの雑ガスである窒素ガス、およびメタンガスと水素ガスの濃度（体積濃度）を算出する。つまり、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスは実測対象ガスであり、これらの測定値を用いて、非実測定対象ガスである水素ガス、メタンガス、および窒素ガスの濃度（体積濃度）を算出するものである。
【００２２】
なお、本実施形態では熱量について、総発熱量（Ｇｒｏｓｓ）および真発熱量（Ｎｅｔ）のいずれであっても測定することができる。以下、特に総発熱量（Ｇｒｏｓｓ）および真発熱量（Ｎｅｔ）を区別する場合を除いて、両者を「熱量」と総称する。
【００２３】
図１を参照して本実施形態の組成分析装置１０は、第１測定手段１１と、換算熱量算出手段１３と、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と、第１非実測対象ガス濃度算出手段１５と、実測対象ガス補正量算出手段１６と、分析対象ガス熱量算出手段１７と、第２非実測対象ガス濃度算出手段１８と、第３非実測対象ガス濃度算出手段１９を有する。
【００２４】
図２は、組成分析装置１０のうち、第１測定手段１１と、換算熱量算出手段１３と、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と、第１非実測対象ガス濃度算出手段１５と、実測対象ガス補正量算出手段１６と、分析対象ガス熱量算出手段１７の構成（機能）の概略を示すブロック図である。
【００２５】
同図に示すように、組成分析装置１０は、分析対象ガスを第１測定手段１１および換算熱量算出手段１３の各々に供給するための分析対象ガス導入部３１、換算熱量算出手段１３において検知原理上必要とされる参照ガスを導入するための参照ガス導入部３２および不要な副生ガスおよび参照ガスを装置外部に排出するガス排出部３３を有している。なお、図２における二点鎖線は、ガス配管を示す。
【００２６】
図１および図２に示すように、第１測定手段１１は、副生ガスに含まれる複数の実測対象ガス（例えば、複数の雑ガス）の濃度を測定する手段であり、具体的には、副生ガスに含まれる一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ測定・検出する装置である。
【００２７】
本実施形態では一例として、第１測定手段１１は２台の赤外線（ＩＲ）式濃度検出手段１１Ａ，１１Ｂを含んで構成される。第１測定手段１１において、分析対象ガス（副生ガス）の一部は、分析対象ガス導入部３１から赤外線（ＩＲ）式濃度検出手段１１Ａ，１１Ｂの各々に供給され、一方の赤外線式濃度検出手段１１Ａにより副生ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ）が測定・検出され、他方の赤外線式濃度検出手段１１Ｂにより副生ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度（二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）が測定・検出される。
【００２８】
この例の赤外線式濃度検出手段１１Ａ，１１Ｂは一例として、赤外線が検知対象ガスによって吸収されることによる赤外線光量の減衰の程度に応じて検知対象ガスのガス濃度を検出する（非分散型赤外線吸収法を利用した）赤外線式センサ（ＩＲセンサ）を備えたものにより構成することが好ましい。第１測定手段１１として、非分散型赤外線吸収法を利用したものが用いられることにより、分析対象ガスに含まれる他の雑ガスの影響を可及的に小さくすることができ、一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２を高い精度で検出することができる。
【００２９】
なお、第１測定手段１１は、副生ガスに含まれる一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯおよび二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２をそれぞれ測定・検出可能な手段であればよく、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式濃度検出手段に限らず、赤外線以外の手段によって測定・検出する装置であってもよい。また、本実施形態では、一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯの測定用と二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２の測定用として専用の（合計２台の）赤外線式濃度検出手段１１Ａ，１１Ｂを用いているが、一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯと、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２を個別に測定可能であれば、１台のセンサ（第１測定手段１１）で共用してもよい。
【００３０】
後述するが、本実施形態では、組成分析の演算処理において、副生ガスに含まれる雑ガスは誤差要因となる。このため本実施形態では、比較的安易に濃度の測定が可能な一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスについては、第１測定手段１１にてその濃度を測定し、実測値を用いて演算を行なう。
【００３１】
換算熱量算出手段１３は、副生ガスの屈折率、および副生ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定可能な第２測定手段１２を含み、測定された屈折率及び音速のそれぞれについて該副生ガスの換算熱量を算出する。具体的に例えば、第２測定手段１２は、副生ガスの屈折率を測定可能な光学センサ１２Ａと、副生ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定可能な音速センサ１２Ｂを含む。一例として光学センサ１２Ａは干渉計を含んで構成され、当該干渉計は測定対象のガス（ここでは副生ガス）と参照ガスの屈折率の差に比例して干渉縞を形成する。光学センサ１２Ａは、当該干渉縞の移動量を測定することにより、副生ガスの屈折率を正確に求めることができる。また、音速センサ１２Ｂは、例えば、副生ガスが流れる筒と、当該筒の両端に配置した音波発信源と受信源を備える。副生ガスが流れている筒に向かって音波発信源から音を発し、副生ガス中を伝播して受信源に達するまでの時間を測定することで、測定ガス中を伝播する音の速度を正確に求めることができる。
【００３２】
図２に示すように、換算熱量算出手段１３においては、分析対象ガス（副生ガス）の一部は、分析対象ガス導入部３１から光学センサ１２Ａおよび音速センサ１２Ｂの各々に順次に供給される。また、光学センサ１２Ａにおいて検知原理上必要とされる参照ガス（例えば空気など）が、参照ガス導入部３２から光学センサ１２Ａに供給される。これにより、換算熱量算出手段１３においては、副生ガスの屈折率が光学センサ１２Ａによって測定され、副生ガスの音速が音速センサ１２Ｂによって測定されて、当該測定結果に基づいて屈折率換算熱量ＱＯＰＴと音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣとが算出される。
換算熱量算出手段１３は、例えば、副生ガスの屈折率の値に基づき屈折率換算熱量ＱＯＰＴを算出する屈折率換算熱量算出手段１３１と、当該副生ガス中を伝播する音速の値に基づき音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣを算出する音速換算熱量算出手段１３２を備えている。
【００３３】
詳細については後述するが、本実施形態では、屈折率換算熱量算出手段１３１および音速換算熱量算出手段１３２にて算出した屈折率換算熱量ＱＯＰＴおよび音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣと、第１測定手段１１によって実測した一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスのそれぞれの濃度ｘＣＯ、ｘＣＯ２に基づいて、残りの雑ガスである窒素ガスと、副生ガスの主要な成分であるメタンガス及び水素ガスの濃度を算出する。
【００３４】
より詳細には、屈折率換算熱量ＱＯＰＴおよび音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣに基づいて副生ガスの熱量Ｑを算出する演算（以下、この演算を「オプトソニック演算」という。）の手法をベースに、非実測対象ガスである窒素ガスの濃度を算出する。しかしながら、製鉄プロセスで生じる副生ガスには一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスが含まれ、また特に一酸化炭素ガスの濃度の変動が大きいため、オプトソニック演算の結果に誤差が生じてしまう。そこで本実施形態では、第１測定手段１１によって一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスのそれぞれの濃度ｘＣＯ、ｘＣＯ２を測定し、これらの測定値とオプトソニック演算の手法を用いて、残りの雑ガスである窒素ガス、および副生ガスの主要な成分であるメタンガス及び水素ガスの濃度を算出する。オプトソニック演算については後述する。
【００３５】
基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４は、換算熱量算出手段１３によって算出された分析対象ガス（副生ガス）の換算熱量（屈折率換算熱量ＱＯＰＴおよび音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣ）に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる全ての雑ガスに起因して生じる熱量算出の誤差量（誤差熱量）のうち、基準となる誤差量（誤差熱量）を算出する手段である。
【００３６】
副生ガスに含まれる複数種の雑ガスは、副生ガスの熱量Ｑを算出する演算（オプトソニック演算）の手法を利用する場合に誤差要因となる。このため、雑ガスのそれぞれに起因する熱量算出における誤差量をなるべく高精度に把握する必要がある。本実施形態では、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスのそれぞれに起因する誤差量については、第１測定手段１１において実測された濃度から算出が可能である（詳細は後述する）。
【００３７】
一方、窒素ガスは、測定手段（センサ等）による容易な実測（リアルタイムな実測、比較的簡便な装置による実測）が困難な成分である。このため、本実施形態では窒素ガスを単独のガスとしては実測の対象外のガス（非実測対象ガス）とし、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４において、まず、「窒素ガスを基準とした誤差量」を算出する。この「窒素ガスを基準とした誤差量」とは、窒素ガスの濃度（変化）による誤差への影響を排除した状態で、全ての雑ガス（一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび窒素ガス）が存在することに起因する熱量算出における基準（ベース）となる誤差量であり、以下、「基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ」という。基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４の詳細については後述する。
【００３８】
第１非実測対象ガス濃度算出手段１５は、第１測定手段１１による実測の対象ガスのそれぞれの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯおよび二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）と、上記の基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４で算出された基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥとに基づいて、非実測対象のガスのうち第一のガスである窒素ガス濃度（体積濃度）ｘＮ２を算出する手段である。第１非実測対象ガス濃度算出手段１５の詳細については後述する。
【００３９】
実測対象ガス補正量算出手段１６は、実測された一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯおよび二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２に基づいて、これら実測対象ガスのそれぞれが存在することによる誤差量を、実測対象ガス毎に補正するための量（補正量）を算出する。既に述べたように、本実施形態では、副生ガスの熱量Ｑの算出における雑ガスに起因する誤差として、誤差調整の基準となる基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥを用いる。この基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥは、窒素ガスを基準とした場合の全ての雑ガス（窒素ガス、一酸化炭素ガス及び二酸化炭素ガス）による影響を考慮した誤差量としている。つまり、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスについては、基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥのみでは調整しきれない「誤差調整における誤差量の（僅かな）ズレ」がそれぞれ存在している。実測対象ガス補正量算出手段１６はこれらの誤差量のズレを吸収（調整）するための補正量を一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスのそれぞれについて算出する。
【００４０】
つまり、実測対象ガス補正量算出手段１６は、測定された一酸化炭素ガスおよび、二酸化炭素ガスの濃度に基づき、誤差調整における一酸化炭素ガス分の補正量（以下、一酸化炭素ガス補正量ΔＣＯ）と、誤差調整における二酸化炭素ガス分の補正量（以下、二酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯ２）を算出し、各ガス濃度の算出に反映させる。実測対象ガス補正量算出手段１６の詳細については、後述する。
【００４１】
分析対象ガス熱量算出手段１７は、換算熱量算出手段１３の算出結果（屈折率換算熱量ＱＯＰＴまたは音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣのいずれか）と、実測対象ガス補正量算出手段１６の算出結果（一酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯおよび二酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯ２）と、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４の算出結果（基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ）とに基づいて、分析対象ガス（副生ガス）の熱量Ｑを算出する手段である。分析対象ガス熱量算出手段１７の詳細については、後述する。
【００４２】
図３は、組成分析装置１０の他の一部の構成（機能）の概略を示すブロック図であり、同図（Ａ）が第２非実測対象ガス濃度算出手段１８の構成を示す図であり、同図（Ｂ）が第３非実測対象ガス濃度算出手段１９の構成を示す図である。
【００４３】
第２非実測対象ガス濃度算出手段１８は、分析対象ガス熱量算出手段１７で算出された副生ガスの熱量Ｑと、副生ガスのうち実測対象ガスに含まれる一のガス（ここでは一酸化炭素ガス）の純ガス熱量ＱＰＣＯと、副生ガスのうち非実測対象ガスの純ガス熱量（メタンガスの純ガス熱量ＱＰＣＨ４および水素ガスの純ガス熱量ＱＰＨ２）と、実測対象ガスの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）および窒素ガス濃度ｘＮ２とを用いて、非実測対象ガスのうち第二のガスであるメタンガスの濃度（メタンガス濃度ｘＣＨ４）を算出する。第２非実測対象ガス濃度算出手段１８の詳細については後述する。
【００４４】
第３非実測対象ガス濃度算出手段１９は、実測対象ガスの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）と、上記で算出した窒素ガス濃度ｘＮ２およびメタンガス濃度ｘＣＨ４を全体（１００％）から減算することにより非実測対象ガスのうち第三のガスである水素ガスの濃度（水素ガス濃度ｘＨ２）を算出する。第３非実測対象ガス濃度算出手段１９の詳細については後述する。
【００４５】
図１に示すように、本実施形態の組成分析装置１０のハードウェア構成は、一例として、２台の赤外線式濃度検出手段１１Ａ、１１Ｂと、熱量計測手段２０と、制御手段２１と、所定の情報を表示する表示手段２２とが、共通の防爆性が確保された外装容器２５内に配設されて構成されている。
【００４６】
熱量計測手段２０は、例えば筐体（不図示）の内部に上述の換算熱量算出手段１３と基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と、分析対象ガス熱量算出手段１７を収容してユニット化した装置（例えば、熱量計）である。
【００４７】
このように本実施形態の組成分析装置１０は、熱量計測手段２０（分析対象ガス熱量算出手段１７）を含んでいる。すなわち、組成分析装置１０は、副生ガスの組成を分析（複数種のガスの濃度を測定、算出）する装置であるが、組成分析と併行して副生ガスの熱量Ｑも算出することができる。また、分析対象ガス熱量算出手段１７は、雑ガスの誤差熱量（基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥと、一酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯおよび二酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯ２）を考慮して副生ガスの熱量Ｑを算出するため、雑ガスによる影響を最小限にした、精度の高い算出結果を得ることができる。
【００４８】
制御手段２１は、いずれも不図示のＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭ等から構成され、赤外線式濃度検出手段１１Ａ、１１Ｂや熱量計測手段２０を統括して各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行される基本ＯＳや各種プログラムを記憶する。各種プログラムには、熱量計測手段２０における処理や、第１非実測対象ガス濃度算出手段１５、実測対象ガス補正量算出手段１６、第２非実測対象ガス濃度算出手段１８および第３非実測対象ガス濃度算出手段１９の各処理を実行するプログラムが含まれる。
【００４９】
なお、このハードウェア構成は一例であり、例えば換算熱量算出手段１３、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４および分析対象ガス熱量算出手段１７は熱量計測手段２０としてユニット化されていなくてもよいし、２台の赤外線式濃度検出手段１１Ａ、１１Ｂと熱量計測手段２０とがユニット化されていても良い。
【００５０】
また、ここでは基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と分析対象ガス熱量算出手段１７とが熱量計測手段２０に含まれて（ユニット化されて）いる場合を例示したが、基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４と分析対象ガス熱量算出手段１７の各処理を実行するプログラムも上述の各種プログラムに含まれる構成であってもよい。
【００５１】
以下、組成分析装置１０の各構成と各種算出（演算）方法の一例についてさらに詳述する。
【００５２】
＜オプトソニック演算＞
まず、本実施形態の組成分析装置１０の基本コンセプトであるオプトソニック演算について説明する。
【００５３】
従来、ガスの屈折率の値に基づく屈折率換算熱量ＱＯＰＴと、当該ガス中を伝播する音速の値に基づき音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣとを用いて雑ガスに起因する誤差を考慮してガスの熱量を算出することが知られている。この場合の雑ガスに起因する誤差を除去する演算式をオプトソニック演算という。
【００５４】
図４は、複数種の純ガスの熱量と屈折率または音速の関係を示した図であり、同図（Ａ）が複数のパラフィン系炭化水素ガス（ＣＨ４，Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０，Ｃ２Ｈ４，Ｃ３Ｈ６）と、水素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガス、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスのそれぞれの屈折率（横軸）と純ガスの熱量［ＭＪ／ｍ３］（縦軸）の関係を示した図であり、同図（Ｂ）がそれぞれの音速［ｍ／ｓ］（横軸）と純ガスの熱量［ＭＪ／ｍ３］（縦軸）の関係を示した図である。
【００５５】
同図（Ａ）に示すように、副生ガスにおいて不燃性ガス成分（例えば窒素ガス成分など）を含まない燃焼性ガス成分（パラフィン系炭化水素ガス）のみからなる特定ガスについては、それぞれの純ガスの熱量と屈折率との相関関係を示す関数（同図において直線で示される関数）が得られる。これを屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴとする。
【００５６】
また、同図（Ｂ）に示すように、副生ガスにおいて不燃性ガス成分（例えば窒素ガス成分など）を含まない燃焼性ガス成分（パラフィン系炭化水素ガス）のみからなる特定ガスについては、それぞれの純ガスの熱量と音速との相関関係を示す関数（同図において直線で示される関数）が得られる。これを音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣとする。
【００５７】
また、図４においては、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、窒素ガスおよび酸素ガスについても、それぞれ純ガスの熱量との関係をプロットしているが、同図において、屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴおよび音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣを示す直線から外れた成分（特に、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび窒素ガス）については、雑ガスとなりガスの熱量の算出結果に誤差を与える要因となる。
【００５８】
そして、分析対象ガス（副生ガス）の真の熱量Ｑと、屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴの関係は、以下の式（１）のように表すことができ、また、分析対象ガス（副生ガス）の真の熱量Ｑと、音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣの関係は、以下の式（２）のように表すことができる。
【数１】
2020115092.tif 000003
【数２】
2020115092.tif 000004
【００５９】
ここで、式（１）および式（２）の右辺第２項は、雑ガスが含まれることに起因する誤差成分を表している。ｋｉは図４（Ａ）に示すある雑ガス（例えば、一酸化炭素ガス）の屈折率から屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴ上の屈折率までの距離であり、以下光学センサ１２Ａの熱量誤差係数（誤差の大きさ）という。また、ｋ´ｉは図４（Ｂ）に示すある雑ガス（例えば、一酸化炭素ガス）の音速から音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣ上の音速までの距離であり、以下音速センサ１２Ｂの熱量誤差係数（誤差の大きさ）という。また、添え字の「ｉ」はガスの種別である（以下同様）。
【００６０】
この場合、「ある純ガスの屈折率についての熱量誤差係数ｋｉ」に対する「ある純ガスの音速についての熱量誤差係数ｋ´ｉ」の比の値であり、以下の式（３）が成り立つ。
【数３】
2020115092.tif 000005
【００６１】
そして本願出願人は、α［ｉ］は、或る程度の範囲の値（或るガス種の範囲）で考えると、雑ガスの種別「ｉ」によらず略一定と言えることを見出した。
【００６２】
つまり、α［ｉ］は、雑ガスの種別「ｉ」によって多少の変動は生じるものの、それを微差としてとらえることにより、代表値「αｘ」とすることが可能である。
【００６３】
そして式（１）から式（３）により、以下の式（４）が得られる。
【数４】
2020115092.tif 000006
【００６４】
この式（４）は雑ガスが含まれることによる誤差成分（誤差量）、すなわち、代表となる或る雑ガスを基準とした場合の基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ´を表している。また、αｘは「或る代表ガスを基準とした場合の対象ガス（副生ガス）に含まれる全ての雑ガスに関する誤差量を補正するための係数（補正係数）」となる。ここで、「或る代表ガスを基準とした」とは、「当該或る代表ガスの濃度（の差異）による誤差調整への影響を排除した」ことを意味する。
【００６５】
また式（１）と式（４）より以下の式（５）が求められる。この式（５）がオプトソニック演算式であり、原則的に、雑ガスの誤差量を考慮したガスの熱量Ｑは、式（５）で算出することができる。その場合、補正係数αｘは、対象となるガスの種類によってその値を適宜選択する。
【数５】
2020115092.tif 000007
【００６６】
ところで、演算の対象となるガスが製鉄プロセスで発生する副生ガスの場合、雑ガスに起因する誤差量が調整された式（５）であってもなお誤差が生じてしまう。これは、製鉄プロセスで生じる副生ガスは一酸化炭素ガスの成分が多くまた、その濃度変化も大きいことによる。また、当該副生ガスは他のガスに比べて相対的な熱量が小さいため、熱量に対する誤差の影響は無視できないものとなる。
【００６７】
具体的には、（５）式における代表値である補正係数αｘをそれぞれ雑ガスの成分毎に示すと、窒素ガスを基準とした補正係数αＮ２＝ｋ´Ｎ２／ｋＮ２、一酸化炭素ガスを基準とした補正係数αＣＯ＝ｋ´ＣＯ／ｋＣＯ、二酸化炭素ガスを基準とした補正係数αＣＯ２＝ｋ´ＣＯ２／ｋＣＯ２となるが、αＮ２≒αＣＯ２≠αＣＯであるため、誤差が生じる。
【００６８】
なお、製鉄プロセスで生じる副生ガス以外のガスでは含まれる一酸化炭素ガスの成分は微量であり、また含まれていたとしてもほぼ一定量（濃度変動がほとんどない）のため誤差は問題とならない。
【００６９】
本願出願人はこれまでに、一酸化炭素ガスの濃度を実測して当該実測値に基づき一酸化炭素ガスが含まれることによる誤差量のズレ（誤差調整における一酸化炭素ガス分の補正量；一酸化炭素ガス補正量ΔＣＯ））を把握し、上式（５）で示されるオプトソニック演算式を補正することで正確な熱量を算出できる知見を得ている。
【００７０】
そして、この知見に基づき、二酸化炭素ガスの濃度も測定して誤差量のズレ（誤差調整における二酸化炭素ガス分の補正量；二酸化炭素ガス補正量ΔＣＯ２））量を把握し、上式（５）を補正することで、補正係数αｘは、単一の窒素ガスを基準とした補正係数αＮ２を用いることができ、それによる熱量算出の過程において、非実測対象の窒素ガス濃度について算出可能であることを見出した。また、結果的に上式（５）を補正した熱量算出においてもその演算精度を高められることになる。
【００７１】
式（６）は、この知見に基づいてオプトソニック演算式を、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスの濃度に起因する誤差分で更に補正して対象ガス（副生ガス）の熱量Ｑを算出するための演算式である。なお、式（５）及び式（６）はいずれも対象ガスの熱量Ｑを算出する式であるが、補正後の演算式である式（６）と区別するため、原理的なオプトソニック演算式（式（５））についてはＱｏｒｇと示している。
【数６】
2020115092.tif 000008
【００７２】
ここで、αＮ２は、窒素ガスの濃度（の差異、ばらつき）による影響を排除する補正係数である。より詳細には、窒素ガスを基準とした場合の副生ガスに含まれる全ての雑ガスに関する誤差熱量を補正するための係数であり、窒素ガスの濃度（の差異、ばらつき）による誤差調整への影響を排除した（すなわち、窒素ガス濃度の変化による誤差熱量の調整のズレ分はないものとした）場合の、副生ガスに含まれる全ての雑ガスに関する誤差熱量を補正するための係数である。
【００７３】
補正係数αＮ２の値は、一例として、αＮ２＝１．５〜３．５が望ましく、好適にはαＮ２＝１．８〜３．０、より好適にはαＮ２＝２．０〜２．５である。
【００７４】
また、右辺第２項の「（ＱＯＰＴ−ＱＳＯＮＩＣ）／（１−αＮ２）」が、窒素ガスを基準とした場合の基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥである。本実施形態では、オプトソニック演算式を原理とする上式（６）の考え方を用いて、以下の各手段によって演算を行なう。
【００７５】
＜換算熱量算出手段＞
換算熱量算出手段１３は、例えば、副生ガスの屈折率の値に基づき屈折率換算熱量ＱＯＰＴを算出する屈折率換算熱量算出手段１３１と、当該副生ガス中を伝播する音速の値に基づき音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣを算出する音速換算熱量算出手段１３２を備えている（図２参照）。
【００７６】
屈折率換算熱量算出手段１３１は、図４（Ａ）に示す屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴを含む。そして、屈折率換算熱量算出手段１３１は、副生ガスが供給された場合、光学センサ１２Ａによって当該副生ガスの屈折率を測定し、その値が上記の特定ガスの屈折率であると仮定して、測定された屈折率の値を屈折率−熱量換算関数ＱＯＰＴに対照することにより副生ガスの屈折率換算熱量ＱＯＰＴを算出する。
【００７７】
雑ガス成分が一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスである場合、屈折率換算熱量算出手段１３１によって算出される雑ガスによる誤差を考慮した熱量Ｑ（ＱＯ）は、式（１）に基づき以下の式（７）で示される。
【数７】
2020115092.tif 000009
【００７８】
ここで、
ｋＮ２：窒素ガスの屈折率についての熱量誤差係数
ｋＣＯ２：二酸化炭素ガスの屈折率についての熱量誤差係数
ｋＣＯ：一酸化炭素ガスの屈折率についての熱量誤差係数
である。
【００７９】
音速換算熱量算出手段１３２は、図４（Ｂ）に示す音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣを含む。そして、音速換算熱量算出手段１３２は、副生ガスが供給された場合、音速センサ１２Ｂによって当該副生ガスの音速を測定し、その値が上記の特定ガスの音速であると仮定して、測定された音速の値を音速−熱量換算関数ＱＳＯＮＩＣに対照することにより副生ガスの音速換算熱量ＱＳＯＮＩＣを算出する。
【００８０】
雑ガス成分が一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスである場合、音速換算熱量算出手段１３２によって算出される雑ガスによる誤差を考慮した熱量Ｑ（ＱＳ）は、式（２）に基づき以下の式（８）で示される。
【数８】
2020115092.tif 000010
【００８１】
ここで、
ｋ´Ｎ２：窒素ガスの音速についての熱量誤差係数
ｋ´ＣＯ２：二酸化炭素ガスの音速についての熱量誤差係数
ｋ´ＣＯ：一酸化炭素ガスの音速についての熱量誤差係数
である。
【００８２】
＜基準雑ガス総誤差熱量算出手段＞
基準雑ガス総誤差熱量算出手段１４は、窒素ガスを基準とした基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥを算出する。
【００８３】
非実測対象ガスである窒素ガスの補正係数αＮ２＝ｋ´Ｎ２／ｋＮ２を式（８）に代入し、式（７）を用いてまとめると、以下の式（９）が得られる。
【数９】
2020115092.tif 000011
【００８４】
ここで、
ηＣＯ２：式（９）を窒素ガス基準で表す（窒素ガスを基準とした基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ（補正係数αＮ２）を含む）ことにより生じる二酸化炭素ガスについての誤差成分係数
ηＣＯ：式（９）を窒素ガス基準で表す（窒素ガスを基準とした基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ（補正係数αＮ２）を含む）ことにより生じる一酸化炭素ガスについての誤差成分係数
である。
【００８５】
また、式（９）における右辺第１項が窒素ガスを基準とした基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ（式（６）の右辺第２項）である。
【００８６】
＜第１非実測対象ガス濃度算出手段＞
第１非実測対象ガス濃度算出手段１５は、一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯおよび二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２と、非実測対象ガスである窒素ガス濃度による影響を排除するための補正係数αＮ２と、当該補正係数αＮ２を用いた場合に生じる実測対象ガス（一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガス）のそれぞれの成分についての誤差成分係数ηＣＯ，ηＣＯ２を用いて窒素ガス濃度ｘＮ２を算出する。具体的には、式（９）に基づく以下の式（１０）により、窒素ガス濃度ｘＮ２を算出する。
【数１０】
2020115092.tif 000012
【００８７】
＜実測対象ガス補正量算出手段＞
実測対象ガス補正量算出手段１６は、上式（６）の右辺第３項および右辺第４項の一酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯと二酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯ２を算出する。具体的には、以下の分析対象ガス熱量算出手段１７の説明において合わせて説明する。
【００８８】
＜分析対象ガス熱量算出手段＞
分析対象ガス熱量算出手段１７は、例えば、屈折率換算熱量ＱＯＰＴと、測定した一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯおよび二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２と、基準となる誤差熱量ＱＴＥと、一酸化炭素ガスが存在することによる誤差の補正量ΔＣＯと、二酸化炭素ガスが存在することによる誤差の補正量ΔＣＯ２に基づき、分析対象ガス（副生ガス）の熱量Ｑを算出する。具体的には、窒素ガスの補正係数αＮ２＝ｋ´Ｎ２／ｋＮ２を式（８）に代入し、式（７）を用いてまとめた以下の式（１１）により副生ガスの熱量Ｑを算出する。
【数１１】
2020115092.tif 000013
【００８９】
ここで、
ζＣＯ：一酸化炭素ガスの熱量誤差補正係数
ζＣＯ２：二酸化炭素ガスの熱量誤差補正係数
である。
【００９０】
また、式（１１）は式（６）と等価であり、実測対象ガス補正量算出手段１６は、式（１１）の右辺第３項のζＣＯ２・ｘＣＯ２により二酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯ２を算出し、式（１１）の右辺第４項のζＣＯ・ｘＣＯにより一酸化炭素ガス補正熱量ΔＣＯを算出する。
【００９１】
一酸化炭素ガスの熱量誤差補正係数ζＣＯおよび二酸化炭素ガスの熱量誤差補正係数ζＣＯ２は以下のように求められる。
【００９２】
図５は、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスのそれぞれについて、その濃度と熱量算出における誤差との関係を示したグラフである。
【００９３】
例えば、試験用ガスとして、メタンガスを主成分とし、雑ガスとして濃度の異なる一酸化炭素ガスのみを混入させたガスを複数準備する。
【００９４】
そして、これらの試験用ガスについて上記式（５）において、窒素ガスを基準とする補正係数αＮ２を用いて、各試験用ガスの熱量Ｑ（真熱量Ｑａ）を算出する。これは、式（６）において、一酸化炭素ガス補正量ΔＣＯと、二酸化炭素ガス補正量ΔＣＯ２をいずれも「０」とした場合の熱量Ｑ（真熱量Ｑａ）と同義である。
【００９５】
また、当該試験用ガスの各々について、ＪＩＳ  Ｋ２３０１：２０１１に準拠して熱量Ｑｂを測定する。そして、ＪＩＳ  Ｋ２３０１：２０１１に準拠して得られた熱量Ｑｂを例えば真値として、上記条件で算出された熱量Ｑａの真値に対する誤差を求める。そして、一酸化炭素ガス濃度［ｖｏｌ％（体積百分率）］を横軸、熱量Ｑａの真値に対する誤差［ＭＪ／Ｎｍ３，Ｎｅｔ］を縦軸にとって結果をプロットする。同図では、四角のプロットで示している。各試験用ガスについての結果を直線近似することにより取得された近似直線の傾きが熱量換算係数ζＣＯである。
【００９６】
また、試験用ガスとして、メタンガスを主成分とし、雑ガスとして濃度の異なる二酸化炭素ガスのみを混入させたガスを複数準備する。
【００９７】
そして、これらの試験用ガスについて上記式（５）において、窒素ガスを基準とする補正係数αＮ２を用いて（式（６）において、一酸化炭素ガス補正量ΔＣＯと二酸化炭素ガス補正量ΔＣＯ２をいずれも「０」として）、各試験用ガスの熱量Ｑ（真熱量Ｑａ）を算出する。
【００９８】
また、当該試験用ガスの各々について、ＪＩＳ  Ｋ２３０１：２０１１に準拠して熱量Ｑｂを測定する。そして、ＪＩＳ  Ｋ２３０１：２０１１に準拠して得られた熱量Ｑｂを例えば真値として、上記条件で算出された熱量Ｑａの真値に対する誤差を求める。そして、二酸化炭素ガス濃度［ｖｏｌ％（体積百分率）］を横軸、熱量Ｑａの真値に対する誤差［ＭＪ／Ｎｍ３，Ｎｅｔ］を縦軸にとって結果をプロットする。同図では、三角のプロットで示している。各試験用ガスについての結果を直線近似することにより取得された近似直線の傾きが熱量換算係数ζＣＯ２である。
【００９９】
なお、図５においては、一酸化炭素ガスに代えて窒素ガスを混入させた試験用ガスについて、上記と同様の方法により取得されたデータもプロット（丸印）してある。
【０１００】
＜第２非実測対象ガス濃度算出手段＞
第２非実測対象ガス濃度算出手段１８は、副生ガスの熱量Ｑと、実測対象ガスに含まれる一のガス（ここでは一酸化炭素ガス）の純ガス熱量ＱＰＣＯと、非実測対象ガスの純ガス熱量（メタンガスの純ガス熱量ＱＰＣＨ４および水素ガスの純ガス熱量ＱＰＨ２）と、実測対象ガスの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）および窒素ガス濃度ｘＮ２とを用いて、非実測対象ガスのうち第二のガスであるメタンガスの濃度（メタンガス濃度ｘＣＨ４）を算出する（図３（Ａ）参照）。
まず、副生ガスの熱量Ｑは、以下の式（１２）で表すことができる。
【数１２】
2020115092.tif 000014
ここで、
ＱＰＨ２：水素の純ガス（１００ｖｏｌ％）の単位熱量  ［ＭＪ／ｍ３］
ＱＰＣＯ：一酸化炭素の純ガス（１００ｖｏｌ％）の単位熱量  ［ＭＪ／ｍ３］
ＱＰＣＨ４：メタンの純ガス（１００ｖｏｌ％）の単位熱量  ［ＭＪ／ｍ３］
である。
【０１０１】
そして、式（１２）よりメタンガス濃度ｘＣＨ４は以下の式（１３）で算出できる。
【数１３】
2020115092.tif 000015
【０１０２】
＜第３非実測対象ガス濃度算出手段＞
第３非実測対象ガス濃度算出手段１９は、実測対象ガスの濃度（一酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ、二酸化炭素ガス濃度ｘＣＯ２）と、上記で算出した窒素ガス濃度ｘＮ２と、メタンガス濃度ｘＣＨ４を用いて、以下の式（１４）により、非実測対象ガスのうち第三のガスである水素ガスの濃度（水素ガス濃度ｘＨ２）を算出する。
【数１４】
2020115092.tif 000016
【０１０３】
以上、本実施形態で説明した各演算式は一例であり、基準雑ガス総誤差熱量ＱＴＥ，副生ガス熱量Ｑ，窒素ガス濃度ｘＮ２，メタンガス濃度ｘＣＨ４および水素ガス濃度Ｈ２をそれぞれに算出できる方法であれば、上記に示したものに限らない。
【０１０４】
本実施形態の組成分析装置１０によれば、例えば、赤外線式濃度検出手段１１Ａ、１１Ｂと、熱量計測手段２０といったシンプルな構成で、副生ガスの組成（副生ガスに含まれる複数種のガス濃度）を算出することができ、また組成分析の連続処理も可能となる。
【０１０５】
つまり、例えばサンプリング周期が一般的には数分であるガスクロマトグラフィー法などと比較して短時間での分析（略リアルタイムでの分析）が可能となり、対象ガスの成分の急峻な（短時間での）変化をとらえることができる。
【０１０６】
また、ガスクロマトグラフィー装置と比較して、簡素で低価格な構成で実現できるため組成分析装置１０および組成分析にかかるコストを低減することができる。
【０１０７】
また、組成分析装置１０の各構成は、防爆性が確保された外装容器２５内に一体的に収容されるため、一般的な燃焼抽出方式によるガスの成分分析などと比較して、防爆性を確保できる領域までガスの引き出すための構成が不要となり、設置場所の自由度を高めることができる。
【０１０８】
また、従来の熱量算出の方法と比較して、一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスの濃度変化に起因する誤差量が正確に把握できるため、高精度の演算が可能となる。
【０１０９】
また、１台で副生ガスの熱量算出と、組成分析とを連続して行なうことができる。しかも、実際の状況に即した副生ガスの熱量Ｑを連続的に取得しつつ、組成分析も行なうことができるので、ガス組成の変動、例えば転炉ガスに含まれる雑ガスの混合比率の変動）などが生じた場合であっても、ガス組成の変動およびこれに伴う熱量Ｑの変動を速やかに検出することができ、組成分析の作業効率を向上させることができる。
【０１１０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【０１１１】
例えば、第１測定手段１１は、いわゆる非分散型赤外線吸収法を利用したものに限定されず、一酸化炭素ガスの濃度を検出可能な他のガスセンサを備えたものであってもよい。
【０１１２】
また、第１測定手段１１および第２測定手段１２の少なくともいずれかを備えていなくてもよく、実測対象ガス（一酸化炭素ガスおよび／または二酸化炭素ガス）の濃度や、分析対象ガスの屈折率および／または該分析対象ガス中を伝播する音速は、それぞれ別途の測定手段により測定し、これらにより得られる濃度データ、屈折率データおよび音速データに基づいて（これらを組成分析装置１０に入力して）組成分析を行なうように構成してもよい。
【０１１３】
また、上記の実施形態では、分析対象ガスとして、製鉄プロセスで生じる副生ガス（コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガスとこれらの混合ガス）の場合例に説明したが、これに限らず、分析対象ガスは、パラフィン系炭化水素（例えばメタン）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素の５成分を含むガスであればそれら５成分の組成分析および熱量算出を行なうことができる。例えば、分析対象ガスは、天然ガスや天然ガスに水素を混在させたガスであっても適用可能である。また、分析対象ガスに酸素が含まれていてもよい（この場合窒素ガス成分として算出される）。
【０１１４】
以下、本発明の実験例について説明する。
【０１１５】
［実験例］
図６は、本実施形態の組成分析装置１０による演算結果の一例を示すグラフである。実験に用いた分析対象ガスは、ＣＯＧ、ＢＦＧ、ＬＤＧを模したガス（単体）またはこれらの混合比を変化させた混合ガスである。図６は、これらの分析対象ガスを組成分析装置１０に導入して演算を行ない、算出された窒素ガス（同図（Ａ））、メタンガス（同図（Ｂ））および水素ガス（同図（Ｃ））のそれぞれの濃度と演算値との関係をプロットした結果である。横軸がそれぞれの実際の濃度［ｖｏｌ％］であり、縦軸がそれぞれの演算値［ｖｏｌ％］である。また、各グラフ内にはプロットの近似直線に基づいて作成した近似式を示している。
【０１１６】
同図から明らかなように、それぞれの近似式の係数は略「１」であり、組成分析装置１０の演算値が妥当であることを示す結果が得られた。
【符号の説明】
【０１１７】
１０    組成分析装置
１１    第一測定手段
１１Ａ，１１Ｂ    赤外線式濃度検出手段
１２    第二測定手段
１２Ａ    光学センサ
１２Ｂ    音速センサ
１３    換算熱量算出手段
１４    基準雑ガス総誤差熱量算出手段
１５    第一非実測対象ガス濃度算出手段
１６    実測対象ガス補正量算出手段
１７    分析対象ガス熱量算出手段
１８    非実測対象ガス濃度算出手段
１９    非実測対象ガス濃度算出手段
２０    熱量計測手段
２１    制御手段
２２    表示手段
２５    外装容器
３１    分析対象ガス導入部
３２    参照ガス導入部
３３    ガス排出部
１３１    屈折率換算熱量算出手段
１３２    音速換算熱量算出手段
【図１】
2020115092.tif 000017
【図２】
2020115092.tif 000018
【図３】
2020115092.tif 000019
【図４】
2020115092.tif 000020
【図５】
2020115092.tif 000021
【図６】
2020115092.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月20日(2019.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定する第一測定手段と、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定する第二測定手段を含み、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、
を有することを特徴とする組成分析装置。
【請求項２】
前記基準雑ガス総誤差熱量算出手段は、前記第一のガスの濃度による影響を排除する補正係数を用いて前記基準となる誤差熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の組成分析装置。
【請求項３】
前記第一非実測対象ガス濃度算出手段は、前記補正係数を用いた場合に生じる、前記実測対象ガスのそれぞれの成分についての誤差成分係数を用いて前記第一のガスの濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の組成分析装置。
【請求項４】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度に基づいて、該実測対象ガスが存在することによる誤差量を該実測対象ガス毎に補正するための補正量を算出する実測対象ガス補正量算出手段と、
前記基準雑ガス総誤差熱量算出手段の算出結果と、前記実測対象ガス補正量算出手段の算出結果に基づいて前記分析対象ガスの熱量を算出する分析対象ガス熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの熱量と、前記実測対象ガスに含まれる一のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第二のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第三のガスの純ガス熱量と、前記実測対象ガスおよび前記第一のガスのそれぞれの濃度とを用いて、非実測対象である前記第二のガスの濃度を算出する第二非実測対象ガス濃度算出手段を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の組成分析装置。
【請求項５】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度、前記第一のガスの濃度および前記第二のガスの濃度に基づき、非実測対象である前記第三のガスの濃度を算出する第三非実測対象ガス濃度算出手段を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の組成分析装置。
【請求項６】
前記実測対象ガスおよび前記第一のガスは、雑ガスである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項７】
前記第一測定手段は、前記実測対象ガスを測定可能な赤外線センサを含んで構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項８】
前記第二測定手段は、光学センサ及び／または音速センサである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の組成分析装置。
【請求項９】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定するステップと、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出ステップと、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出ステップと、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出ステップと、
を有することを特徴とする組成分析方法。
【請求項１０】
前記基準雑ガス総誤差熱量算出ステップでは、前記第一のガスの濃度による影響を排除する補正係数を用いて前記基準となる誤差熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項９に記載の組成分析方法。
【請求項１１】
前記第一非実測対象ガス濃度算出ステップでは、前記補正係数を用いた場合に生じる、前記実測対象ガスのそれぞれの成分についての誤差成分係数を用いて前記第一のガスの濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の組成分析方法。
【請求項１２】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度に基づいて、該実測対象ガスが存在することによる誤差量を該実測対象ガス毎に補正するための補正量を算出する実測対象ガス補正量算出ステップと、
前記基準となる誤差熱量と、前記補正量とに基づいて前記分析対象ガスの熱量を算出する分析対象ガス熱量算出ステップと、
前記分析対象ガスの熱量と、前記実測対象ガスに含まれる一のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第二のガスの純ガス熱量と、前記分析対象ガスに含まれる第三のガスの純ガス熱量と、前記実測対象ガスおよび前記第一のガスのそれぞれの濃度とを用いて、非実測対象である前記第二のガスの濃度を算出する第二非実測対象ガス濃度算出ステップと、を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の組成分析方法。
【請求項１３】
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記第一のガスの濃度および前記第二のガスの濃度とに基づき、非実測対象である前記第三のガスの濃度を算出する第三非実測対象ガス濃度算出ステップを有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の組成分析方法。
【請求項１４】
前記実測対象ガスおよび前記第一のガスは、雑ガスである、
ことを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の組成分析方法。
【請求項１５】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を取得するステップと、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出するステップと、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出するステップと、
前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、第一のガスの濃度を算出するステップと、
を有することを特徴とする組成分析方法。
【請求項１６】
分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、
前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得して該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、
前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、
前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、
を有することを特徴とする組成分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定する第一測定手段と、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定する第二測定手段を含み、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、を有することを特徴とする組成分析装置である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を測定するステップと、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ測定し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出ステップと、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出ステップと、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出ステップと、を有することを特徴とする組成分析方法である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析方法であって、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスの濃度を取得するステップと、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得し、該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出するステップと、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出するステップと、前記実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量とに基づいて、第一のガスの濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする組成分析方法である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、本発明は、分析対象ガスの組成を分析する組成分析装置であって、前記分析対象ガスの屈折率および該分析対象ガス中を伝播する音速をそれぞれ取得して該屈折率及び音速のそれぞれについて該分析対象ガスの換算熱量を算出する換算熱量算出手段と、前記分析対象ガスの換算熱量に基づいて、前記分析対象ガスに含まれる雑ガスに起因して生じる誤差熱量のうち、基準となる誤差熱量を算出する基準雑ガス総誤差熱量算出手段と、前記分析対象ガスに含まれる複数の実測対象ガスのそれぞれの濃度と、前記基準となる誤差熱量に基づいて、第一のガスの濃度を算出する第一非実測対象ガス濃度算出手段と、を有することを特徴とする組成分析装置である。