(57)【要約】【課題】  計測の応答性が飛躍的に向上し、生成ガスの前処理も大幅に簡素化された高温・高圧生成ガスの発熱量計測方法を提供する。【解決手段】  前処理としてガス化生成ガスを除塵処理した後に、水分が含まれている該ガス化生成ガスにレーザー光を照射し、該生成ガスからの散乱光をスペクトラム分析することにより、該生成ガス中の可燃性ガスの濃度を計測すると同時に、該生成ガス中の水分濃度を計測して、これらの濃度から水分が含まれている生成ガスの発熱量を算出することを特徴とするガス化生成ガスの発熱量計測方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前処理としてガス化生成ガスを除塵処理した後に、水分が含まれている該ガス化生成ガスにレーザー光を照射し、該生成ガスからの散乱光をスペクトラム分析することにより、該生成ガス中の可燃性ガスの濃度を計測すると同時に、該生成ガス中の水分濃度を計測して、これらの濃度から水分が含まれている生成ガスの発熱量を算出することを特徴とするガス化生成ガスの発熱量計測方法。
【請求項２】
請求項１記載のガス化生成ガスの発熱量計測方法により計測した生成ガスの発熱量により、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を調整することを特徴とするガス化装置。
【請求項３】
請求項１記載のガス化生成ガスの発熱量計測方法により計測した生成ガスの発熱量により、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を調整することを特徴とするガス化装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭ガス化炉の生成ガス等に適用される発熱量計測方法、並びに、該計測方法を用いたガス化装置及びその運転方法に関する。さらに詳しくは、計測の応答性が飛躍的に向上し、生成ガスの前処理も大幅に簡素化された高温・高圧生成ガスの発熱量計測方法、並びに、該計測方法を用いたガス化装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭ガスによる発電においては、ガス化炉から送られてくる生成ガスをガスタービン等の発電設備に導き、それを燃料として使用する。この場合、目標とする発電量に応じて生成ガスの発熱量を制御すること、及び、生成ガス発熱量が燃料として許容され得る範囲内に入るように常に制御することが非常に重要である。  従来の生成ガス発熱量の測定においては、図４に示すように高温・高圧（例えば、約４００℃，３０気圧）ガスの一部をサンプリングし、降圧，冷却，除塵，除湿等の前処理を行い、常温・常圧で乾燥し、かつ塵を含まない状態にする。その後、ガスクラマトグラフで組成を分析し、その中の可燃ガスの濃度を算出し、可燃ガスの理論発熱量から計算により生成ガスの発熱量を算出していた。
【０００３】
具体的には、図４に示すようにガス化炉１からの生成ガス２をサンプリング管３により一部をサンプリングし、前処理装置４には降圧，冷却，除塵，除湿したガスをガスクロマトグラフ５へ送る。
ガスクロマトグラフ５では、生成ガスが分析され、それぞれのガスの濃度が測定される。ここで通常、石炭ガス化生成ガスの場合には、一酸化炭素（ＣＯ）１０〜３０％，水素（Ｈ２ ）４〜１０％，メタン（ＣＨ４ ）0.１〜１％，二酸化炭素（ＣＯ２ ）５〜１０％，窒素（Ｎ２ ）５５〜７０％の体積濃度を有する。上記成分ガスの内、可燃性ガスである一酸化炭素，水素，メタンの濃度値が計算機６へ出力され、下式により単位体積当たりの発熱量Ｑ（Kcal/Nm３）が計算される。
Ｑ＝ ＣCO ×ＪCO ＋ＣH2 ×ＪH2 ＋ＣCH4 ×ＪCH4    ・・・（１）
式（１）中、ＣCOは一酸化炭素濃度（vol%）、ＪCOは一酸化炭素の理論発熱量（Kcal/Nm3）、ＣH2，ＪH2はそれぞれ水素濃度及びその理論発熱量、ＣCH4 ，ＪCH4はそれぞれメタン濃度及びその理論発熱量である。
【０００４】
上記生成ガス発熱量Ｑの計算結果は制御装置７へ伝達されて、この結果によりガス化炉１内へ投入される石炭量，空気量がそれぞれ供給弁１３，１４にて調節され、生成ガス発熱量が常に許容範囲内に入るように制御されていた。
このように従来の石炭ガス化による発電においては、石炭ガス化炉による生成ガスの発熱量をガスクロマトグラフで測定し、その値によってガス化炉１を制御していたが、ガスクロマトグラフを用いた場合、分析に要する時間が５分程度以上必要とされるために速やかな制御ができなかった。
【０００５】
これに対し、近年の火力発電では、昼間と夜間との使用電力が大幅に違うため、従来に比べて負荷（発電量）の時間的変動が大きくなっており、これに対処するため最大負荷を１００％とすると、少なくとも１分間当たり３％程度の負荷を増減できる制御速度が要求されている。したがって、これに組み合わせるガス化炉では、リアルタイム（少なくとも３０秒程度）でのガス発熱量測定が要求されている。よって、ガスクロマトグラフを用いた従来の発熱量計測方法では、火力発電等におけるガス化装置の効率的かつ信頼性の高い運転が困難であるという問題点を有していた。
また、従来のガス化設備における別の問題としては、前処理装置でのトラブルがある。特に冷却した際に、水滴あるいは析出したＮＨ４ Ｃｌ（塩化アンモニウム）が管内に付着し、管の閉塞が頻繁に起こり、前処理装置のメインテナンスに多大の労力を要していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、ガス化炉の生成ガス等に適用される高温・高圧ガスの発熱量計測において、計測の応答性に優れ、リアルタイムでの計測が可能であり、かつ、生成ガスの前処理も大幅に簡素化された発熱量計測方法、並びに、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を速やかに制御，調整できるガス化装置及びその運転方法を開発すべく鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、従来のガスクロマトグラフを用いる計測方法とは全く異なり、レーザー光を照射した際の散乱光のスペクトラム分析に基づき、生成ガス中の成分及び濃度を計測して、生成ガスの発熱量を算出する方法により、かかる問題点が解決されることを見い出した。
本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、前処理としてガス化生成ガスを除塵処理した後に、水分が含まれている該ガス化生成ガスにレーザー光を照射し、該生成ガスからの散乱光をスペクトラム分析することにより、該生成ガス中の可燃性ガスの濃度を計測すると同時に、該生成ガス中の水分濃度を計測して、これらの濃度から水分が含まれている生成ガスの発熱量を算出することを特徴とするガス化生成ガスの発熱量計測方法を提供するものである。
また、本発明は、上記方法により計測した生成ガスの発熱量の結果を用い、制御装置を通じて燃料供給弁及び空気供給弁を調節することにより、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を調整することを特徴とするガス化装置、並びに、該ガス化装置の運転方法を提供するものである。
【０００８】
本発明では上記のような特徴を有することによって、ガスクロマトグラフを用いた場合には困難であった速やかな制御が可能となり、リアルタイム（少なくとも３０秒程度）での生成ガス発熱量計測が可能である。
また、上記発熱量計測方法を用いて、投入する燃料及び空気の供給量を調整するガス化装置の運転方法では、要求される負荷の増減が可能であり、火力発電等の設備の一部に採用すれば、設備の効率的な運転が可能である。更に、本発明では、ガス化設備の前処理装置等において、冷却した際の水滴等の管内に付着、さらには管の閉塞の問題が解消され、前処理装置のメインテナンスの労力軽減を図ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発熱量計測方法は、石炭ガス化炉の生成ガス等に適用される高温・高圧ガスの発熱量測定において、リアルタイムでの計測が可能であり、ガス化装置の計測部，制御部に用いれば、投入する燃料及び空気の供給量を速やかに制御，調整することができる。
また、本発明のガス化装置及びその運転方法によれば、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を迅速かつ効果的に調整できるので、火力発電で一般に要求される負荷の増減速度での運転が可能である。
更に、本発明によれば、例えば冷却した際に管の閉塞が起こり、前処理装置のメインテナンスに多大の労力を要する等の不都合が解消されて、優れた信頼性・安定性を有するガス化装置を提供できる。
したがって、本発明はガス化設備の信頼性向上及び補修工事数の低減等に対する寄与も大きく、その産業上の意義は極めて大きい。
以下、本発明について、詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
添付図面（図１〜３）を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態
図１は、本発明に係る発熱量計測方法により、生成ガスの発熱量を計測して、投入する燃料及び空気の供給量を調整するガス化装置の実施の形態の１つを示す構造図である。
図１において、ガス化炉１では石炭等の燃料をガス化する。ガス化された生成ガス２は、ガスタービン１１に連結された配管１２に誘導されるが、その一部は途中に設けられたサンプリング管３を通って、前処理装置４に導かれる。前処理装置４では、生成ガス２を脱塵処理する。
【００１１】
一方、本発明の発熱量計測方法を用いたガス化装置は、前処理装置から燃料及び空気供給弁に至るまでの計測，制御部において、生成ガスにレーザー光を照射（入射）し、該生成ガスからの散乱光をスペクトラム分析することにより、該生成ガス中の可燃性ガスの濃度を計測して、該濃度から発熱量を算出する。
図１により具体的に説明すれば、以下のようになる。
すなわち、レーザー１５より発射されたレーザービーム１６は、レンズ１７にて集光され、ビームスプリッタ１８を経由して、生成ガス管の計測部１９に取り付けた計測用窓２０を通して管内部で焦点を結ぶ。レーザービーム焦点域２１より散乱されたラマン光（散乱光）２２は、ビームスプリッタ１８を経由して、レンズ２３で集光され分光器２４に入射される。
【００１２】
分光器２４では、散乱光のスペクトラム（波長及び強度）が計測され、計測データが計算機６に伝達される。計算機６では散乱光のスペクトラムより、生成ガス中の各成分及びその濃度が解析される。
生成ガスの内、可燃性ガスである一酸化炭素，水素，メタンの濃度値が計算機６へ出力され、下式により単位体積当たりの発熱量Ｑ（Kcal/Nm３）が計算される。
Ｑ＝ ＣCO ×ＪCO ＋ＣH2 ×ＪH2 ＋ＣCH4 ×ＪCH4    ・・・（１）
式（１）中、ＣCOは一酸化炭素濃度（vol%）、ＪCOは一酸化炭素の理論発熱量（Kcal/Nm3）、ＣH2，ＪH2はそれぞれ水素濃度及びその理論発熱量、
ＣCH4 ，ＪCH4はそれぞれメタン濃度及びその理論発熱量である。
【００１３】
次いで、上記方法により計測した生成ガスの発熱量を用い、制御装置を通じて燃料及び空気供給弁を調節することにより、ガス化炉へ投入する燃料及び空気の供給量を調整する。
すなわち、生成ガス発熱量Ｑの計算結果が制御装置７へ伝達されて、ガス化炉運転制御用信号に変換される。この信号により、ガス化炉１内へ投入される石炭等の燃料量，空気量がそれぞれ燃料供給弁１３，空気供給弁１４にて調節され、生成ガス発熱量が常に許容範囲内に入るように制御される。
【００１４】
ここで、散乱光のスペクトラムからガス成分濃度を求める原理は、ラマン散乱分光分析法に基づいており、図２で説明する。
計測対象のガス分子に周波数ω1（波長λ＝光速ｃ／周波数ω）のレーザービームを入射すると、ラマン効果により基本光ω1より周波数が低いほうにΔωシフトした周波数ω2のストークス光、及び周波数が高い方にΔωシフトした周波数ω3のアンチストークス光がラマン光として発生する。
そして、このシフト量Δωは成分に固有な量であるため、この値により生成ガス中の各成分を特定できる。また、ストークス光の強度Ｉ2及びアンチストークス光の強度Ｉ3は、各成分の分子数すなわち濃度に比例する。したがって、ラマン散乱光のスペクトラム（波長及び強度）を計測することにより、ガスの成分濃度を計測できることになる。
【００１５】
図３に、石炭ガス化生成ガスを計測対象とした場合のスペクトラム計測例を示すが、このように各成分の濃度が同時に計測できる。計測に要する時間については、原理的に散乱光の測定なので高速であること、及び計測信号を全て電気信号として取り扱えるので数秒以内である。
また、前処理については、必要な処理は除塵のみである。原理的にガスが高温高圧であっても制約を受けないし、水分が含まれていてもよく、スペクトラム分析により水分濃度も計測可能である。したがって、ガスを冷却した際に、水滴あるいは析出したＮＨ4Ｃｌ（塩化アンモニウム）が管内に付着し、管の閉塞を起こすことがなくなり、従来多大の労力（手間）を要していた前処理装置のメインテナンスが大幅に軽減される。
このように、ラマン散乱法をガス化生成ガスの発熱量計測に応用すると、計測の応答性が飛躍的に向上し、前処理も大幅に簡素化され、従来法の課題が解決される。
【００１６】
一方、ラマン散乱法は通常、ガスの成分濃度計測にはあまり利用されていない。これは、ラマン散乱光の強度は非常に微弱であるため、ノイズ信号に埋もれやすく、良好なＳ／Ｎ比で計測することが容易でないからである。
他方、石炭等のガス化生成ガスは前記したように非常に高圧である。高圧場のガスは、単位体積当たりの分子数が圧力に比例して増加する。ラマン散乱光強度は分子数に比例するので、例えば石炭ガス化生成ガスを計測対象とした場合、常圧のガスに比べてＳ／Ｎ比が大幅に向上する。
かかる観点とともに、前記した応答性及び前処理の容易な点により、ラマン散乱法をガス化生成ガスの発熱量計測に応用すると、特有な効果を発揮できるのである。
【００１７】
本発明に係る発熱量計測方法及びガス化装置は、上記実施の形態に限らず、本発明の技術的思想の範囲において種々変形が可能であり、上記した具体的な形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る発熱量計測方法を用いたガス化装置の実施の形態を示す構成図である。
【図２】ラマン散乱の原理を示す図である。
【図３】石炭ガス化生成ガスのラマン散乱を計測した場合のスペクトラム（波長及び強度）の概略を示す図である。
【図４】従来のガスクラマトグラフを用いた発熱量計測方法によるガス化装置の構成図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  ガス化炉
２  生成ガス
３  サンプリング管
４  前処理装置
５  ガスクロマトグラフ
６  計算機
７  制御装置
１１  ガスタービン
１２  生成ガス配管
１３  燃料供給弁
１４  空気供給弁
１５  レーザー装置
１６  レーザービーム
１７，２３  集光レンズ
１８  ビームスリッター
１９  ガス管計測部
２０  計測用窓
２１  レーザービーム焦点域
２２  ラマン散乱光
２４  スペクトラム分析分光器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004325458.tif 000006