(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非分散赤外分析法によってガスのシロキサン含有量を求める方法であって：
前記シロキサンの吸収帯域により選択された限定波数帯域（Ｆ１、Ｆ２）の赤外光（３）を供給するステップと、
分析されるある体積のガス（８）に前記限定波数帯域の前記赤外光を送るステップと、
分析される前記体積のガスを通過した前記限定波数帯域の前記赤外光の強度を検出するステップと、
前記限定波数帯域の前記赤外光の吸収に基づいて前記シロキサン含有量を求めるステップとを含み、
前記限定波数帯域が８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内にあり、
前記限定波数帯域が２つ以上の副帯域（Ｆ１、Ｆ２）を含み、前記シロキサン含有量を求める前記ステップにおいて、前記シロキサン含有量が、それぞれの前記副帯域の前記赤外光の吸収に基づいて求められることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記方法が分析される前記ガス中の二酸化炭素含有量を規定するステップをも含み、前記シロキサンを求めるステップが、前記限定波数帯域の前記赤外光の前記吸収に対する二酸化炭素の影響を補償するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記二酸化炭素含有量を規定する前記ステップが：
二酸化炭素の吸収帯域により選択された補償波数帯域の赤外光（３）を供給するステップと、
分析される前記体積の前記ガス（８）に前記補償波数帯域の前記赤外光を送るステップと、
分析される前記体積の前記ガスを通過した前記補償波数帯域の前記赤外光の強度を検出するステップと、
前記補償波数帯域の前記赤外光の吸収に基づいて前記二酸化炭素含有量を求めるステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記補償波数帯域が８００〜８６０ｃｍ−１の範囲外にある、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シロキサン含有量を求める前記ステップが、それぞれの前記副帯域の前記赤外光の吸収に基づいて環状および直鎖のシロキサンの含有量を求めるステップを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記限定波数帯域の前記赤外光を供給する前記ステップが：
赤外光（３）を発生させるステップと、
前記赤外光が前記限定波数帯域（Ｆ１、Ｆ２）に限定されるように前記赤外光をフィルターに通すステップとを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記赤外光をフィルターに通す前記ステップが、分析される前記体積の前記ガスに前記限定波数帯域の前記赤外光を送る前記ステップの前に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
求められたシロキサン含有量に基づいて、バイオガス取り扱いプロセスを制御するための制御信号を発生させるステップをさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記バイオガス取り扱いプロセスが、バイオガス精製プロセス、およびバイオガスを天然ガスパイプライン中に注入するためのバイオガス注入プロセスの一方である、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
非分散赤外分析法によってガスのシロキサン含有量を求めるための装置（１）であって：
分析されるガスを受け取るための試料室（５）、
前記シロキサンの吸収帯域により選択された限定波数帯域（Ｆ１、Ｆ２）の赤外光（３）を発生させ前記限定波数帯域の前記赤外光が前記試料室を透過するように構成された照明配列（２、４、１０）、
前記試料室を通過した前記限定波数帯域の前記赤外光の強度を検出するための検出器（１１）、ならびに
メモリ、および前記メモリに結合したプロセッサ（１３）を含み、前記メモリは、前記プロセッサによって実行されると、前記装置が前記限定波数帯域の前記赤外光の吸収に基づいて前記シロキサン含有量を求めるように構成されたプログラムコード命令を含み、
前記限定波数帯域が８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内にあり、
前記限定波数帯域が２つ以上の副帯域（Ｆ１、Ｆ２）を含み、前記プログラムコード命令は、前記装置がそれぞれの前記副帯域の前記赤外光の吸収に基づいて前記シロキサン含有量を求めるように構成される、装置。
【請求項１１】
分析される前記ガス（８）中の二酸化炭素含有量が得られるようにさらに構成され、前記プログラムコード命令は、前記装置が前記限定波数帯域（Ｆ１、Ｆ２）の前記赤外光の吸収に対する二酸化炭素の影響を補償するように構成される、請求項１０に記載の装置（１）。
【請求項１２】
前記照明配列（２、４、１０）が、二酸化炭素の吸収帯域により選択された補償波数帯域の赤外光を発生させ前記補償波数帯域の前記赤外光が前記試料室を透過するようにさらに構成され、
前記検出器（１１）が、分析される前記ガスを通過した前記補償波数帯域の前記赤外光の強度を検出するようにさらに構成され、
前記プログラムコード命令は、前記装置が前記補償波数帯域の前記赤外光の吸収に基づいて前記二酸化炭素含有量を求めるように構成される、請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１３】
前記補償波数帯域が８００〜８６０ｃｍ−１の範囲外にある、請求項１２に記載の装置（１）。
【請求項１４】
前記プログラムコード命令は、前記装置がそれぞれの前記副帯域の前記赤外光の吸収に基づいて環状および直鎖のシロキサンの含有量を求めるように構成される、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１５】
前記照明配列が、
赤外光を発生させるための光源（２）と、
前記赤外光が前記限定波数帯域に限定されるように前記赤外光をフィルターに通すように構成されるフィルター配列（９、１０）とを含む、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１６】
前記フィルター配列（９、１０）は、前記赤外光が前記試料室（５）を透過する前に前記赤外光がフィルターを通るように構成される、請求項１５に記載の装置（１）。
【請求項１７】
前記プログラムコード命令は、前記装置が、求められたシロキサン含有量に基づいてバイオガス取り扱いプロセスを制御するための制御信号を発生するようにさらに構成される、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１８】
前記バイオガス取り扱いプロセスが、バイオガス精製プロセス、およびバイオガスを天然ガスパイプライン中に注入するためのバイオガス注入プロセスの一方である、請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非分散赤外分析法によるガスのシロキサン含有量を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガスは、再生可能エネルギーの重要な供給源である。バイオガスは、たとえば排水処理プラント、廃棄物処理プラント、および農業用地嫌気プラントにおいて消化によって有機物から製造することができる。これは埋立処分地から収集することも可能である。したがって、用語「バイオガス」は、「バイオガス」、「埋立地ガス」、「消化ガス」などのいずれかを意味する一般用語として本文献において使用される。バイオガスの主成分はメタンＣＨ４および二酸化炭素ＣＯ２であり、典型的には不純物として少量の硫化水素Ｈ２Ｓ、水分、およびシロキサンも含む。エネルギー源としてのバイオガスの使用は、それらの成分のエネルギー放出燃焼に基づいている。バイオガスは、典型的には、電気を発生させるガスエンジン、ガスタービン、マイクロタービン、および燃料電池の燃料として使用される。これは熱を発生するために燃焼させることもできる。
【０００３】
シロキサンは、半揮発性の有機ケイ素化合物であり、化粧品および潤滑剤などの多数の工業用途および消費者製品に使用されている。それらの広範な使用の結果として、かなりの量のシロキサンが最終的には埋立地および下水に到達し、そこでそれらは埋立地ガスまたは消化ガスの中に揮発する。バイオガス中のシロキサンは通常は有機ケイ素化合物である。シロキサンは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を有する有機ケイ素化学における官能基である。
【０００４】
廃棄物管理および下水処理におけるバイオガスおよび再生可能エネルギーの生産に対する関心の高まりによって、バイオガス中のシロキサンの存在に関して大きな問題が生じている。気体化合物としてのシロキサンは、それ自体は反応性でも腐食性でもないが、バイオガスが使用される設備の種々の表面上の付着物として硬質な研磨性シリカを形成する。このような付着物は、熱的および電気的な絶縁体としても機能する。この付着物によって、バイオガス利用設備中のファウリング、腐食、およびエネルギー出力の減少などの重大な損害が発生することがある。
【０００５】
表１は、消化ガス中に最も一般に発生する一部のシロキサンを示している。それらの分子構造に基づくと、シロキサンは、直鎖（「Ｌ」で示される）および環状（「Ｄ」で示される）のシロキサンに一般に分類される。バイオガスのシロキサン濃度は一般に０〜５０ｍｇ／ｍ３の範囲内であり、典型的には１０ｍｇ／ｍ３未満である。
【０００６】
【表１】
0006446457.tif 000002
【０００７】
文献によると、埋立地ガス中の最も一般的なシロキサンはＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｌ２、およびＬ３である。シロキサン以外に、埋立地ガスは、比較的高濃度のシラノールも含有する。
【０００８】
シロキサンの上記悪影響を軽減するために、バイオガスのシロキサン含有量をできる限り少なく維持するまたは少なくするべきである。たとえば、バイオガス製造プラントは典型的には、種々の方法を用いて有害なシロキサンをバイオガスから除去するバイオガス精製システムを含む。それによって、たとえばガスエンジン中の燃料としてバイオガスを使用する前に、シロキサン含有量が減少する。しかし、バイオガスのシロキサン含有量は、異なる場所では異なることがあり、さらには異なる期間中では同じ場所でも異なることがある。したがって、シロキサン除去設備の洗浄効果が変化する場合、または洗浄すべきガスのシロキサン含有量が変化する場合に、シロキサン除去設備の運転を最適化するために、精製システムの前および／または後のシロキサン含有量を連続的に監視することが必要となる。
【０００９】
天然ガスパイプラインへのバイオガスの注入は、信頼性のあるシロキサン含有量の監視が必要となる用途の別の例である。天然ガスパイプラインに注入すべきバイオガスの品質に対する厳格な条件が設定され、そのためバイオガス中のシロキサン含有量を正確に求めることが必要となる。
【００１０】
ガス中のシロキサンを監視する必要性は、クリーンルーム中の空気品質の制御においてシロキサンの監視が特に必要となるプラスチック製造および半導体製造産業においても認識されている。
【００１１】
従来、バイオガス中のシロキサン含有量は、ガス試料を採取し、それを実験室中で分析することによってオフラインで求められる。サンプリングおよび実験室分析において使用される方法は遅く面倒であり、サンプリングおよび保管に関連する損失の危険性がある。現在使用される方法では、プロセス設備の現場での監視および直接監視が不可能である。最も一般的な分析方法は、ガスクロマトグラフィーおよび質量分析の組合せ（ＧＣ／ＭＳ）に基づいている。分析されるガスのシロキサン含有量が０．１〜５ｐｐｍまで低ければ、その分析方法に対する需要が高くなる。
【００１２】
試料の完全なＩＲスペクトルの測定に基づいており、バイオガス組成の広範な分析が可能となる分光分析方法が存在する。たとえばＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外）分光測定に基づく多成分分析計によって、原理上はすべての主要ガス成分の濃度を求めることが可能となる。しかしＦＴＩＲ分析器は、非常に高価で複雑な装置である。さらに、そのオンライン測定装置としての使用および測定結果の評価には、長年の経験が必要となる。
【００１３】
米国特許出願公開第２０１０／０２２３０１５Ａ１号明細書には、ＦＴＩＲ分光測定によるバイオガス中のシロキサン化合物の監視方法が開示されている。第１のスペクトル測定値および第２のスペクトル測定値の比に基づいて、第１の吸収スペクトルが得られる。第１のスペクトル測定値は、対象の特定の波長範囲において赤外吸収を実質的に示さない非吸収性ガスから得られる。第２のスペクトル測定値は、バイオガスを含む試料ガスから得られる。この方法は、濃度既知の少なくとも１種類のシロキサン化合物の第１の個別の吸収スペクトルに少なくとも基づき、第２の吸収スペクトルを用いてバイオガス中の上記少なくとも１種類のシロキサン化合物の濃度を計算するステップをも含む。この測定器は複雑で高価である。
【００１４】
より単純で低コストの方法として、特開２００６−０９８３８７号公報には、ＮＤＩＲ（非分散）技術によってガスのシロキサン含有量を測定するための分析装置が開示されている。この分析装置は、広帯域ＩＲ源と、分析される試料ガスおよび基準ガスが相互作用する光を１２５０〜７７０ｃｍ−１の波数範囲に制限する光学フィルターとを含む。種々のシロキサンが、この波数範囲にそれらの吸収極大を有し、そのため、検出された吸収に基づいて試料ガス中のシロキサンの存在を測定できる。しかし、この波数範囲において、測定結果は水分、二酸化炭素、メタンなどのバイオガスの多くの他の成分によっても影響され、それらの濃度はシロキサンの濃度よりも数桁高い。したがって、干渉するガス成分の影響を解消するために特殊な測定が必要となる。このため分析装置が複雑になり、測定結果の解釈が困難になる。たとえば、測定に対する水分の影響を解消するために脱湿器または湿度計が必要である。分析装置中に特殊な検出システムが使用され、それによって１２５０〜７７０ｃｍ−１の前記波数範囲の光が検出される
【００１５】
まとめると、ガス中、特にバイオガス中のシロキサン含有量の信頼性の高いオンライン分析を妥当なコストで可能にする技術に対する市場での需要が続いている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、ガスのシロキサン含有量の費用対効果が高く単純な測定のための方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の方法および装置は、それぞれ請求項１および１１に示されることを特徴とする。
【００１８】
方法の一態様によると、本発明は、非分散赤外分析法によってガスのシロキサン含有量を求める方法に関する。本明細書においてシロキサン含有量は、分析されるガス中に存在する１種類以上のシロキサンの濃度を意味する。ある用途においては、問題となるガス中に存在するすべてのシロキサンの種類の全濃度を含む全シロキサン含有量を求めれば十分である。ある別の用途においては、それらのグループの種々のシロキサンの種類の含有量を求めることができる。本発明の方法によって分析されるガスはバイオガスであってよい。他方、本発明の方法は、たとえば、半導体産業におけるクリーンルームの空気のシロキサン含有量を分析するために使用することもできる。
【００１９】
非分散赤外（ＮＤＩＲ）分析は、測定される化合物の吸収スペクトルに基づいて選択された狭い波数（または波長）帯域の光の吸収の使用に基づいたある特殊で単純で費用対効果が高い分光測定技術を意味する。したがってＮＤＩＲ分光測定は、広帯域の光が別個の波長成分に分散され、そのそれぞれが別々に分析される分散技術、およびたとえば干渉計と測定された生データの複雑な計算との使用に基づいたＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外）分光測定の両方とは異なる。
【００２０】
本発明の方法は、シロキサンの吸収帯域により選択された限定波数帯域の赤外光を供給するステップと；分析されるある体積のガスに限定波数帯域の赤外光を送るステップと；分析されるガスを通過した限定波数帯域の赤外光の強度を検出するステップと；限定波数帯域の赤外光の吸収に基づいてシロキサン含有量を求めるステップとを含む。
【００２１】
したがって本発明の方法の基本原理は、ＮＤＩＲ分析の分野において一般に知られており：赤外光は分析されるガスを透過し、シロキサンの吸収帯域に相当する限定波数帯域におけるその強度が検出される。次に、その強度の低下が、分析されるガス中のシロキサンの存在の指標として使用される。
【００２２】
本発明によると、限定波数帯域は８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内にある。本明細書において、前記範囲内にあるとは、限定波数帯域中の赤外光の最大強度がこの範囲内にあり、本発明の方法に使用される赤外光のエネルギーが前記波数範囲内に集中し、そのため本発明の方法に使用される光エネルギーの実質的な量は、この範囲外には存在しないことを意味する。たとえば、前記限定波数帯域の赤外光の強度スペクトルを考慮する場合、強度が最大強度値の半分以上となる波数が、好ましくは８００〜８６０ｃｍ−１の前記範囲内にある。
【００２３】
シロキサン測定において使用される赤外線を前記範囲に限定することによって、分析されるガス中、たとえばバイオガス中に存在する別の化合物に対する本発明の方法の感度を大きく低下させることができるという点で大きな利点が得られる。たとえば特開２００６−０９８３８７号公報の広帯域プロセスにおけるシロキサン測定に影響するこのような不純物の１つは水分である。この限定範囲内のシロキサンの吸収ピークは、たとえば波数１０００ｃｍ−１付近の吸収ピークよりも低くなる。しかし、本発明者らは、たとえば水分に対する感度を大幅に低下させることによって、このより少ない吸収が補償されることを見出した。
【００２４】
ガスの体積は、分析されるガスの静止試料体積であってよい。他方これはガスが連続貫流として通過する体積であってもよい。
【００２５】
前記波数範囲内に吸光度を有し、シロキサン含有量が求められるガス中に存在することが多い化合物の１つは二酸化炭素である。したがって、限定波数帯域の正確な位置および幅に左右されるが、赤外光の吸収に対する二酸化炭素の影響を補償する必要が生じうる。したがって、一実施形態においては、本発明の方法は、分析されるガス中の二酸化炭素の含有量を規定するステップをも含み、シロキサンを求めるステップは、限定波数帯域の赤外光の吸収に対する二酸化炭素の影響を補償するステップを含む。同時に、二酸化炭素含有量自体を求めることもできる。
【００２６】
二酸化炭素の含有量を規定する前記ステップは、二酸化炭素含有量に対する既存の情報を受け取るステップを含むことができる。他方、二酸化炭素含有量は、本発明の方法自体で求めることもできる。後者の方法に基づく一実施形態においては、二酸化炭素の含有量を規定するステップは、二酸化炭素の吸収帯域により選択された補償波数帯域の赤外光を規定するステップと、分析される上記体積のガスに補償波数帯域の赤外光を送るステップと、分析されるガスを通過した補償波数帯域の赤外光の強度を検出するステップと、補償波数帯域の赤外光の吸収に基づいて二酸化炭素含有量を求めるステップとを含む。ＮＤＩＲによる二酸化炭素含有量の測定も、同じ設備、すなわち同じ光源および検出手段を限定波数帯域および補償波数帯域の両方で使用することができる。好ましくは、補償波数帯域は、８００〜８６０ｃｍ−１の範囲外にあり、すなわち限定波数帯域のある範囲の外にある。このため、シロキサンによる吸収が二酸化炭素測定に大きく干渉しないような補償波数帯域の選択が可能となる。補償波数帯域の選択を可能にする二酸化炭素の好適な吸収ピークの一例は、９７２ｃｍ−１における吸収ピークである。
【００２７】
本文献において、問題の波数帯域における「吸収に基づいて」という表現は、問題となる特定の物質、たとえばシロキサンまたは二酸化炭素の測定に、その特定の帯域の吸収が使用されることを必然的に意味する。しかし、留意すべき重要なこととして、前記表現は、同様に８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内のある別の帯域における吸収に関する情報の使用を排除しない。したがって、たとえば、「補償波数帯域の赤外光の吸収に基づいて」二酸化炭素含有量を求める場合、限定波数帯域（場合により２つ以上の副帯域を有する）の吸収も考慮することができる。これは逆の場合も適用されるので、シロキサン含有量の測定において補償波数帯域の吸収も使用できる。異なる化合物の含有量を実際に求めるために使用される正確なアルゴリズムは、強度測定に使用される波数帯域の詳細により調節することができる。
【００２８】
二酸化炭素と同様に、既に求められたメタン含有量を受け取ること、または別の補償波数帯域によりメタン含有量を求めることのいずれかによって、メタンも測定することができ、シロキサン含有量の測定において考慮することができる。
【００２９】
最も一般的な環状および直鎖のシロキサンの多くは、８００〜８６０ｃｍ−１の波数範囲内に吸収帯域を有する。したがって、原理上は、前記範囲内にある任意の１つの限定波数帯域を、分析されるガス中のシロキサン含有量を求めるために使用することができる。しかし、異なるシロキサンの種類の異なる吸収スペクトルのため、全体的なシロキサン含有量測定の精度は、ガス中に存在するシロキサンの種類の影響を強く受けることがある。たとえば、同じ濃度の場合、限定波数帯域において低い吸光度を有するあるシロキサンの種類は、より強い吸光度を有する別のシロキサンの種類よりもはるかに低い測定シロキサン含有量が得られうる。したがって、一実施形態においては、限定波数帯域は、第１の副帯域および第２の副帯域を含み、シロキサン含有量を求めるステップにおいて、シロキサン含有量は、第１および第２の副帯域の赤外光の吸収に基づいて求められる。異なるシロキサンの種類の吸収帯域により２つの副帯域を適切に選択し、好適なアルゴリズムを用いれば、全体のシロキサン含有量を確実に求めることができる。一例として、副帯域の１つは実質的に８００〜８６０ｃｍ−１の全範囲を含むことができ、他方の副帯域は、より狭くし、一部の特定のシロキサン吸収帯域に適合させるために調節することができる。２つの狭い副帯域を使用することもでき、３つ以上の副帯域を使用することもできる。
【００３０】
全シロキサン含有量に加えて、またはその代わりに、ある用途においては、環状および直鎖のシロキサンの部分的含有量を知ることが望ましい。したがって、２つの副帯域が使用される一実施形態において、シロキサン含有量を求めるステップは、第１および第２の副帯域の赤外光の吸収に基づいて環状および直鎖のシロキサンの含有量を求めるステップを含む。
【００３１】
原理上は、限定波数帯域の赤外光は、前記帯域で発光する１つ以上の狭い帯域の光源によって作られることができる。これに対する代替の１つとして、一実施形態において、限定波数帯域の赤外光を供給するステップは、場合により広い発光スペクトルを有する赤外光を発生させるステップと、限定波数帯域に限定されるように赤外光をフィルターに通すステップとを含む。このため、たとえば低コストの広帯域熱源の使用が可能となる。他方、限定波数帯域および補償波数帯域の両方の光を発生させるために、同じ広帯域源を使用することができる。
【００３２】
好ましくは、赤外光をフィルターに通すステップは、分析される上記体積のガスに限定波数帯域の赤外光を送るステップの前に行われる。
【００３３】
上記実施形態において、当技術分野において周知のような装置および方法を使用することができる。たとえば、周知の赤外線源、フィルター、および検出器によって、所望の波数帯域の赤外光を発生させ検出することができる。試料室を形成するための周知の原理を用いて、連続オンライン測定を実施することができる。副帯域を場合により含む限定波数帯域における測定、および可能な補償波数帯域における測定は、各波数帯域に対して別個の光路および検出器を使用することによって、空間的に分離することができる。あるいは、これらは、異なる帯域における強度を交替で測定することによって時間的に分離することができる。これは、たとえば、回転チョッパーホイール上に搭載されたフィルターを使用することによって実施することができる。
【００３４】
シロキサン含有量の測定は、特にバイオガスの種々の取り扱いプロセスにおいて多くの用途を有する。一実施形態においては、本発明の方法は、求められたシロキサン含有量に基づいて、たとえばバイオガス精製プロセス、および天然ガスパイプライン中にバイオガスを注入するためのバイオガス注入プロセスの一方であってよいバイオガス取り扱いプロセスを制御するための制御信号を発生させるプロセスをさらに含む。制御信号は、そのようなプロセスに使用するためのあらゆる信号であってよい。たとえば、シロキサン含有量が所定の限度を超えることを示す単純な警報信号であってよい。そのような警報信号は、次に、たとえばバイオガスの注入の停止、または精製装置の運転の調節に使用することができる。これは、ガスエンジン、タービン、または燃料電池などの分析したバイオガスを利用する装置の保全周期を推定するために使用することもできる。
【００３５】
本発明の方法は、ガス処理装置に沿って連続オンライン測定として行うことができ、分析されるガスは、ガスパイプラインから測定ステーションまでを往復する連続流として送られる。
【００３６】
本発明の方法の詳細および利点に関連して前述したことは、必要な変更を加えることで、後述の本発明の装置にも適用される。同じことが逆の場合にも適用される。
【００３７】
装置の一態様によると、本発明は、非分散赤外分析によるガスのシロキサン含有量を求めるための装置に関する。
【００３８】
本発明の装置は、好ましくは分析されるガスがガスパイプラインから測定ステーションまでを往復する場所でのオンライン測定を可能とするための連続貫流として、分析されるガスを受け取る試料室を含む。他方、真のオンライン測定を可能にするために、既存のガスパイプラインの一体部分が形成されるように、試料室を構成することもできる。
【００３９】
本発明の装置は、シロキサンの吸収帯域により選択された限定波数帯域の赤外光を発生させ、その限定波数帯域の赤外光が試料室を透過するように構成された照明配列も含む。照明配列は、１つ以上の光源および光学部品、たとえばレンズを含むことができる。さらに本発明の装置は、試料室を通過した限定波数帯域の赤外光の強度を検出する検出器を含む。
【００４０】
最後に、本発明の装置は、少なくとも１つのメモリ、およびメモリに結合した少なくとも１つのプロセッサをも含み、メモリは、プロセッサによって実行されると、装置が限定波数帯域の赤外光の吸収に基づいてシロキサン含有量を求めるように構成されたプログラムコード命令を含む。メモリおよびプロセッサは、特定用途の機器として実装されてよいが、標準的なコンピュータの一部であってもよい。
【００４１】
一般に、上記のように規定される装置のすべての要素は、当技術分野、特にＮＤＩＲ分光測定の分野において周知のような部品および装置に基づくことができる。したがって、本文献においてそれらの詳細な説明は行わない。上記要素に加えて、完成した装置は、光源の制御と、検出器によって測定される信号の処理とを行うための適切な測定エレクトロニクスなどの別の部品および要素をも必然的に含むことができる。
【００４２】
本発明によると、限定波数帯域は８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内にある。本発明の方法に関連して前述したように、これによって、測定精度の改善、および分析されるガス中に含まれる別の化合物との交差感度の低下において大きな利点が得られる。
【００４３】
限定波数帯域における赤外光吸収に対する二酸化炭素の影響を考慮するために、本発明の装置は、好ましくは、分析されるガス中の二酸化炭素含有量が得られるようにさらに構成され、プログラムコード命令は、装置が限定波数帯域の赤外光の吸収に対する二酸化炭素の影響を補償するように構成される。一実施形態においては、照明配列は、二酸化炭素の吸収帯域により選択された補償波数帯域の赤外光を発生させ、その補償波数帯域の赤外光が試料室を透過するようにさらに構成され；検出器は、試料室を通過した補償波数帯域の赤外光の強度を検出するようにさらに構成され；プログラムコード命令は、装置が補償波数帯域の赤外光の吸収に基づいて二酸化炭素含有量を求めるように構成される。したがって、この実施形態において、本発明の装置は、限定波数帯域および補償波数帯域の両方の赤外吸収を測定するように構成される。これらの測定は、ガス中に存在する二酸化炭素も考慮することによってシロキサン含有量を求めるために使用される。好ましくは、シロキサンが二酸化炭素含有量測定を妨害するのを防止するために、補償波数帯域は８００〜８６０ｃｍ−１の範囲外にある。両方の波数帯域に対して同じ光源および検出器を使用することができる。
【００４４】
一実施形態において、限定波数帯域は第１の副帯域および第２の副帯域を含み、プログラムコード命令は、装置が第１および第２の副帯域の赤外光の吸収に基づいてシロキサン含有量を求めるように構成される。そのような２つの副帯域に基づいた特定の一実施形態においては、プログラムコード命令は、装置が第１および第２の副帯域の赤外光の吸収に基づいて環状および直鎖のシロキサンの含有量を求めるように構成される。
【００４５】
照明配列は、所望の波数帯域で発光する狭帯域赤外線源を含むことができる。あるいは、好ましい一実施形態においては、照明配列は、赤外光を場合により広発光帯域で発生するための光源と、赤外光を限定波数帯域に限定するために赤外光をフィルターに通すように構成されるフィルター配列とを含む。これに対応して、補償波数帯域の赤外光も、フィルター配列によって最初に広帯域光をフィルターに通すことによって作られ得る。したがってフィルター配列は、副帯域を場合により含む限定波数帯域用、および補償波数帯域用の別個のフィルターを含むことができる。異なるフィルターは、たとえば回転チョッパーホイール上に搭載することができ、試料室に送られる光は、限定波数帯域および補償波数帯域で交互にフィルターに通される。
【００４６】
好ましくは、フィルター配列は、赤外光が試料室を透過する前に赤外光がフィルターを通るように構成される。ｉｓが試料室に入る前に赤外光がフィルターに通されることによって、広帯域照明によって生じうる蛍光および一部の他の望ましくない影響を回避することができる。
【００４７】
単なるシロキサン含有量測定の代わりに、本発明の装置は、求められたシロキサン含有量の利用を促進する手段をも含むことができる。一実施形態においては、プログラムコード命令は、装置が、求められたシロキサン含有量に基づいて、バイオガス取り扱いプロセスを制御する制御信号を発生させるようにさらに構成される。バイオガス取り扱いプロセスは、たとえば、バイオガス精製プロセス、またはバイオガスを天然ガスパイプライン中に注入するためのバイオガス注入プロセスであってよい。このような信号は、このようなプロセスの自動制御システムに送ることができる。あるいは、この信号は、制御信号に基づいてプロセスを手作業で調節するために使用することができる。
【００４８】
本発明の装置は、既に求められたメタン含有量を受け取ることによって、またはメタンの吸収帯域により選択された別の補償波数帯域により二酸化炭素含有量と同様に求めることによって、分析されるガスのメタン含有量を求めるためにさらに構成されてよい。
【００４９】
本発明のさらなる理解を得るために含まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の原理の説明に役立つ記述とともに、本発明の実施形態を例証するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】８００〜８６０ｃｍ−１の波数範囲内にあるバイオガス中に存在する種々の一般的なシロキサンの吸収スペクトルを示している。
【図２】本発明による非分散赤外分析方法を流れ図として示している。
【図３】本発明による非分散赤外分析器を概略図として示している。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１は、８００〜８６０ｃｍ−１の波数範囲における濃度４ｐｐｍの一般的に出現する５種類のシロキサン（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｄ４、およびＤ５）の吸収スペクトルを示している。これらのシロキサン吸収スペクトルのそれぞれは、８００〜８５０ｃｍ−１において少なくとも１つの吸収ピークを有することが分かる。環状シロキサンＤ４およびＤ５は最も高い吸光度ピーク値を有する。図１は、濃度４０％の二酸化炭素、濃度６０％のメタン、および濃度２００ｐｐｍの水の吸収スペクトルも示している。異なるシロキサンの種類および二酸化炭素のこれらの濃度は、バイオガス中のこれらの物質の典型的な含有量を表している。バイオガス中の水の含有量は変動する。図１に一例として使用されている２００ｐｐｍは、天然ガスパイプラインに注入されるバイオガス中の典型的な含有量である。他方、ガスエンジンに供給される精製バイオガスは典型的には１〜２体積パーセントの水Ｈ２Ｏを含む。
【００５２】
図１から分かるように、８００〜８６０ｃｍ−１の波数範囲内において、二酸化炭素は大きな吸収を示し、一方、水の吸収ははるかに少ない。メタンもこの波数帯域において事実上低い吸光度を示す。このことが本発明の基礎を形成しており：この波数範囲におけるシロキサンの吸光度は、たとえば波数範囲１０５０〜１１００ｃｍ−１における吸光度よりも明らかに低いにもかかわらず、水およびメタンに対する吸収測定の感度が低いことで、驚くべきことに、この波数帯域は、ガス、たとえばバイオガスのシロキサン含有量を求めるための優れた選択となる。実際的にはＣＯ２のみが吸収測定に影響し、その影響は以下に説明するように本発明において補償することができる。
【００５３】
図１は、２つの副帯域Ｆ１、Ｆ２の中心となりうる位置の例も示しており、これらを合わせたものが本発明による方法に使用される限定波数帯域を形成する。
【００５４】
図２に示される方法は、ＩＲ光を発生させるステップと、それをフィルターに通して８００〜８６０ｃｍ−１の間にある限定波数帯域にするステップとによって開始する。フィルターを通った光は、分析されるある体積のガスまで送られ、ガスによる光の吸収を調べるために、その体積のガスを通過した光の強度が検出される。これらのステップは、前記波数範囲内の第１の副帯域で１回、および第２の副帯域で１回の２回繰り返すことができる。これによって、２つの異なる波数帯域における２つの異なる強度測定値が得られる。
【００５５】
８００〜８６０ｃｍ−１の範囲外の二酸化炭素の吸収帯域により選択された補償波数帯域でも、対応するＩＲ光を発生させるステップ、それをフィルターに通すステップ、上記体積のガスを透過させるステップ、および通過した光の強度を検出するステップが行われる。
【００５６】
上記ステップは、光を交替でフィルターに通して異なる波数帯域にすることによって、１つの光源および１つの検出器の１つの組を用いて行うことができる。実際にはこれは、たとえば複数の異なる帯域フィルターが上に搭載された回転チョッパーホイールを用いることによって行うことができる。
【００５７】
次に、分析されるガス中の二酸化炭素含有量が、補償波数帯域の赤外光の吸収に基づいて求められる。この二酸化炭素含有量に基づいて、限定波数帯域の赤外光の吸収に対する二酸化炭素の影響が補償され、ガスのシロキサン含有量が、限定波数帯域の赤外光の吸収に基づいて求められる。
【００５８】
最後に、求められたシロキサン含有量は、ある種のバイオガス取り扱いプロセス（図面には示していない）の制御のための制御信号の発生に使用することができる。
【００５９】
図３の装置１は、赤外光源２を含む。これは、たとえば、プランクの輻射法則に従う加熱体の輻射に基づいて機能する熱源であってよい。そのような熱源材料の可能性の１つは炭化ケイ素ＳｉＣである。
【００６０】
赤外光源から放出された光３は、レンズ４によって平行にされ、試料室中の分析されるガス８を供給するための入口６および出口７を有する試料室５に向けられる。試料室と光源との間には、回転チョッパーホイール９が存在する。チョッパーホイールの開口部上に３つの狭帯域フィルター１０が搭載される。したがって、チョッパーホイールが回転すると、光は交替で３つのフィルターに通される。同時に、試料室に送られた光はパルスとなり、光の強度のＡＣ測定が可能となる。
【００６１】
２つのフィルターは、８００〜８６０ｃｍ−１の範囲内のシロキサンの吸収帯域により選択された通過帯域を有する。１つのフィルターは、二酸化炭素の吸収帯域により選択されたこの範囲外の通過帯域を有する。
【００６２】
分析されるガスが満たされた試料室を通過した後、フィルターを通りパルスとなった赤外光は、光の強度およびその変形を検出するための検出器１１によって受け取られる。次に強度は、分析されるガスによる吸収による強度低下を測定するために、フィルターの通過帯域であまり吸収しない基準ガスを用いることによって測定した強度値と比較することができる。当然ながら、基準ガスは、これらの通過帯域で吸収する含有量が正確に知られている化合物を有するある種のガス混合物であってもよい。
【００６３】
一例として、約８２０および８４５ｃｍ−１においてピークを有するシロキサン用の２つの通過帯域を配置することができ、それぞれ４０および１０ｃｍ−１のＦＷＨＭ（半値全幅）値を有することができる。したがって、この例において、これら２つのフィルターの一方は、８００〜８６０ｃｍ−１の全範囲の主要部分を含み、他方のより狭いフィルターは直鎖（Ｌ型）シロキサンが環状シロキサンよりも高い吸光度を有する範囲に調節される。２つの副帯域における強度を検出することによって、全シロキサン含有量をより正確に求めることができ、環状および直鎖のシロキサンの含有量、ならびにそれらの関係を求めることもできる。あるいはこれら２つのフィルターの両方が狭い通過帯域を有することができ、２つの通過帯域は場合により部分的に重なりあう。一般に、留意すべき重要なこととして、上記波数値は単なる例であり、フィルターによって８００および８６０ｃｍ−１の限定波数範囲内の赤外光に限定されるのであれば、実際のフィルター性能は変動しうる。シロキサン用に１つのみのフィルターを使用することもできる。たとえば、本発明を調べると、たとえば８１８および８１９ｎｍにおける透過ピーク値、ならびに１４および３８ｃｍ−１のＦＷＨＭ値を有するフィルターを用いた単一フィルター方法を使用することによって、非常に良好なシロキサン決定測定性能が得られた。
【００６４】
二酸化炭素の測定用のフィルターの通過帯域は、シロキサンによる赤外光の吸収が二酸化炭素測定をあまり妨害しないあらゆる位置に配置することができる。このような妨害を回避するため、シロキサン吸収の測定に使用される８００〜８６０ｃｍ−１の波数範囲から明確に離れた二酸化炭素用の通過帯域フィルターを選択することが好ましい。この方法の一例として、二酸化炭素用の通過帯域フィルターは、９７２ｃｍ−１における局所吸収ピークに調節することができる。別個の波数範囲にも関わらず、十分に広い発光スペクトルを有するならば、シロキサンおよび二酸化炭素の両方の測定に同じ光源を使用することができる。
【００６５】
検出器によって測定された信号は、測定エレクトロニクスユニット１２によって処理される。この処理は、たとえば信号の増幅および周波数フィルタリングを含むことができる。たとえば、このエレクトロニクスはチョッパーホイールの回転によって調節されるロックイン増幅器を含むことができる。
【００６６】
処理された信号は、図３中のラップトップコンピュータ１３で示されるプロセッサに送られる。コンピュータのメモリにはソフトウェアがインストールされ、それよりプロセッサによって、３つの通過帯域において検出された強度に基づいて、ガス中の全シロキサン含有量、ならびに直鎖および環状のシロキサンの部分含有量を求められ、検出強度の低下に対する二酸化炭素の影響も考慮される。したがって二酸化炭素含有量も求められる。
【００６７】
場合による特徴の１つとして、求められたシロキサン含有量に基づいて、ある種のバイオガス取り扱いプロセス、たとえばバイオガス精製プロセスを制御するための制御信号をプロセッサ／コンピュータが発生することができる。
【００６８】
留意すべき重要なこととして、図３は、シロキサン含有量のみを求めるための装置の一部の中心的要素を概略的に示している。当然ながら、本発明の装置は、完成した分析器を実際に実現するために必要なあらゆる他の光学的、機械的、電子的、および／または電気的な手段を含むことができる。単なる一例として、試料室に供給される前に分析されるガスを加熱する手段、および測定結果に対する温度のゆらぎの影響を回避するために試料室を一定温度に維持する手段が存在してよい。
【００６９】
図３に示されるような装置は、たとえば、ガス精製システムの一部として一体化されてよく、その装置によってその場で連続的にシロキサンを測定することができる。
【００７０】
技術の進展とともに、本発明の基本概念を種々の方法で実施できることは当業者には明らかである。したがって本発明およびその実施形態は、前述の例に限定されるものではなく、むしろそれらは特許請求の範囲内で変動しうる。可能性のある変形形態の単なる一例として、連続的に発光する赤外線源および回転チョッパーホイールの代わりに、電気的に調節される赤外光源によってパルス赤外光が供給され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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