(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
除塵処理、除湿処理、減圧処理のいずれも行わないＮ２ＯおよびＨ２ＯおよびＣＯ２を含む常圧の排ガスに対しレーザ光を照射する照射手段と、
前記排ガスに照射された前記レーザ光を受光する受光手段と、
前記照射手段が照射する前記レーザ光の波長を３．８４μｍ〜４．００μｍ帯に制御する波長制御手段と、
前記受光手段が受光した前記レーザ光と、前記波長制御手段が制御した前記レーザ光とを用いて赤外分光法によりＮ２Ｏ濃度を演算するＮ２Ｏ濃度演算手段と
を備える
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記波長制御手段は、前記レーザ光の波長を３．９０３４μｍ〜３．９０６０μｍ、３．９０９０μｍ〜３．９１１６μｍまたは３．９１２２μｍ〜３．９１４８μｍに制御する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記波長制御手段は、前記レーザ光の波長を３．９０４７μｍ、３．９１０３μｍまたは３．９１３５μｍに制御する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記照射手段は、非線形光学結晶からなり、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光の入力による差周波発生により１／λ３＝１／λ１−１／λ２を満たす波長λ３のレーザ光を発生し、該λ３のレーザ光を出力する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記排ガスの温度を計測する温度計測手段を備え、
前記Ｎ２Ｏ濃度演算手段は、前記温度計測手段が計測した前記排ガスの温度も用いて、赤外分光法によりＮ２Ｏ濃度を演算する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記排ガスを抽出する抽出手段を備え、
前記照射手段は、前記抽出手段が抽出した前記排ガスに前記レーザ光を照射する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項７】
請求項６に記載されたＮ２Ｏ分析装置であって、
前記抽出手段により抽出された前記排ガスを加熱する加熱手段を備える
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析装置。
【請求項８】
除塵処理、除湿処理、減圧処理のいずれも行わないＮ２ＯおよびＨ２ＯおよびＣＯ２を含む常圧の排ガスに対し、照射手段により波長３．８４μｍ〜４．００μｍのレーザ光を照射し、
前記排ガスに照射された前記レーザ光を受光し、
受光した前記レーザ光と３．８４μｍ〜４．００μｍに制御された前記レーザ光とを用いて赤外分光法によりＮ２Ｏ濃度を演算する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項９】
請求項８に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
前記照射手段により照射される前記レーザ光の波長は、３．９０３４μｍ〜３．９０６０μｍ、３．９０９０μｍ〜３．９１１６μｍまたは３．９１２２μｍ〜３．９１４８μｍに制御される
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
前記照射手段により照射される前記レーザ光の波長は、３．９０４７μｍ、３．９１０３μｍまたは３．９１３５μｍに制御される
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
前記照射手段として、非線形光学結晶からなり、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光の入力による差周波発生により１／λ３＝１／λ１−１／λ２を満たす波長λ３のレーザ光を発生し、該λ３のレーザ光を出力する機器を用いる
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項１２】
請求項８から請求項１１の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
前記排ガスの温度を計測し、
計測された前記排ガスの温度も用いて赤外分光法による前記Ｎ２Ｏ濃度の演算を行う
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２の何れか一項に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
前記レーザ光を照射する前記排ガスは抽出されたものである
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載されたＮ２Ｏ分析方法であって、
抽出された前記排ガスを加熱する
ことを特徴とするＮ２Ｏ分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎ2Ｏ分析装置および分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一酸化二窒素（以後、Ｎ2Ｏと称す）は、温室効果ガスの一つであることが知られているが、排ガス規制対象ではないことから、汚泥燃焼炉や循環流動床ボイラから排出される排ガス中のＮ2Ｏ濃度の計測や当該Ｎ2Ｏ濃度による制御は行われていなかった。Ｎ2Ｏは二酸化炭素の約３１０倍の温室効果を有し、Ｎ2Ｏの削減は温室効果ガス量全体の削減に大きく貢献することから、汚泥燃焼炉や循環流動床ボイラから排出するＮ2Ｏを極力少なくすることが強く望まれている。
【０００３】
従来、Ｎ2Ｏの計測分析は、ガスをサンプリングし、粉塵や共存ガス（Ｈ2Ｏ／ＣＯ2／ＣＯ／ＳＯ2／ＣＨ4など）を除去する前処理を行い、非分散型赤外分光計またはガスクロマトグラフィー質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）またはガスクロマトグラフィー電子捕獲型検出器（ＧＣ−ＥＣＤ）等の分析機器を用いて行われていた。
【０００４】
また、近年では、ガスをサンプリングし、粉塵／Ｈ2Ｏを除去する前処理のみを行い、複数の量子カスケードレーザ（以下、ＱＣＬと称す）を用いて、ＮＯ／ＮＯ2／Ｎ2Ｏ／ＮＨ3を同時に連続分析するガス分析装置が開発・研究されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１２０９５７号パンフレット
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】O. Tadanaga et al., “Efficient 3-μm difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides”, 2006年, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.88, No.6, 061101-1-061101-3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のガス分析装置でも、除塵／除湿は必要であり、他の共存ガスの干渉を減らす為、減圧状態で分析するものであり、コストや手間がかかるという問題があった。そのため、前処理せずに、排ガス中のＮ2Ｏ濃度を直接計測することが強く望まれていた。
さらに、長波長中赤外（８μｍ）を利用するＱＣＬでは、窓材に潮解性の高いＣａＦ2やＭｇＦ2などしか利用できないため、大量のＨ2Ｏを含む燃焼排ガスの直接計測は、不可能であった。
【０００８】
以上のことから、本発明は、上述したような課題を解決するために為されたものであって、前処理せずに、排ガス中のＮ2Ｏ濃度を直接計測することができるＮ2Ｏ分析装置および分析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決する第１の発明に係るＮ２Ｏ分析装置は、
除塵処理、除湿処理、減圧処理のいずれも行わないＮ２ＯおよびＨ２ＯおよびＣＯ２を含む常圧の排ガスに対しレーザ光を照射する照射手段と、
前記排ガスに照射された前記レーザ光を受光する受光手段と、
前記照射手段が照射する前記レーザ光の波長を３．８４μｍ〜４．００μｍ帯に制御する波長制御手段と、
前記受光手段が受光した前記レーザ光と、前記波長制御手段が制御した前記レーザ光とを用いて赤外分光法によりＮ２Ｏ濃度を演算するＮ２Ｏ濃度演算手段と
を備える
ことを特徴とする。
【００１０】
上述した課題を解決する第２の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第１の発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記波長制御手段は、前記レーザ光の波長を３．９０３４μｍ〜３．９０６０μｍ、３．９０９０μｍ〜３．９１１６μｍまたは３．９１２２μｍ〜３．９１４８μｍに制御する
ことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第３の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第１または第２の発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記波長制御手段は、前記レーザ光の波長を３．９０４７μｍ、３．９１０３μｍまたは３．９１３５μｍに制御する
ことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第４の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第１から第３の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記照射手段は、非線形光学結晶からなり、波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光の入力による差周波発生により１／λ3＝１／λ1−１／λ2を満たす波長λ3のレーザ光を発生し、該λ3のレーザ光を出力する
ことを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第５の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第１から第４の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記排ガスの温度を計測する温度計測手段を備え、
前記Ｎ2Ｏ濃度演算手段は、前記温度計測手段が計測した前記排ガスの温度も用いて、赤外分光法によりＮ2Ｏ濃度を演算する
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第６の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第１から第５の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記排ガスを抽出する抽出手段を備え、
前記照射手段は、前記抽出手段が抽出した前記排ガスに前記レーザ光を照射する
ことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第７の発明に係るＮ2Ｏ分析装置は、前述した第６の発明に係るＮ2Ｏ分析装置であって、
前記抽出手段により抽出された前記排ガスを加熱する加熱手段を備える
ことを特徴とする。
【００１６】
上述した課題を解決する第８の発明に係るＮ２Ｏ分析方法は、
除塵処理、除湿処理、減圧処理のいずれも行わないＮ２ＯおよびＨ２ＯおよびＣＯ２を含む常圧の排ガスに対し、照射手段により波長３．８４μｍ〜４．００μｍのレーザ光を照射し、
前記排ガスに照射された前記レーザ光を受光し、
受光した前記レーザ光と３．８４μｍ〜４．００μｍに制御された前記レーザ光とを用いて赤外分光法によりＮ２Ｏ濃度を演算する
ことを特徴とする。
【００１７】
上述した課題を解決する第９の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第８の発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
前記照射手段により照射される前記レーザ光の波長は、３．９０３４μｍ〜３．９０６０μｍ、３．９０９０μｍ〜３．９１１６μｍまたは３．９１２２μｍ〜３．９１４８μｍに制御される
ことを特徴とする。
【００１８】
上述した課題を解決する第１０の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第８または第９の発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
前記照射手段により照射される前記レーザ光の波長は、３．９０４７μｍ、３．９１０３μｍまたは３．９１３５μｍに制御される
ことを特徴とする。
【００１９】
上述した課題を解決する第１１の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第８から第１０の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
前記照射手段として、非線形光学結晶からなり、波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光の入力による差周波発生により１／λ3＝１／λ1−１／λ2を満たす波長λ3のレーザ光を発生し、該λ3のレーザ光を出力する機器を用いる
ことを特徴とする。
【００２０】
上述した課題を解決する第１２の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第８から第１１の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
前記排ガスの温度を計測し、
計測された前記排ガスの温度も用いて赤外分光法による前記Ｎ2Ｏ濃度の演算を行う
ことを特徴とする。
【００２１】
上述した課題を解決する第１３の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第８から第１２の何れか一つの発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
前記レーザ光を照射する前記排ガスは抽出されたものである
ことを特徴とする。
【００２２】
上述した課題を解決する第１４の発明に係るＮ2Ｏ分析方法は、前述した第１３の発明に係るＮ2Ｏ分析方法であって、
抽出された前記排ガスを加熱する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、前処理せずに、排ガス中のＮ2Ｏ濃度を正確に且つ迅速に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る第一の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置を備える汚泥焼却炉の概略構成図である。
【図２】前記Ｎ2Ｏ濃度分析装置が備えるレーザ光源および波長制御装置の一例の概略構成図である。
【図３】室温での波長４．５μｍ帯におけるＮ2Ｏの吸光度を示すグラフである。
【図４】８００℃での波長４．５μｍ帯におけるＨ2ＯおよびＣＯ2およびＮ2Ｏの吸光度を示すグラフであって、図４（ａ）にＨ2Ｏの吸光度を示し、図４（ｂ）にＣＯ2の吸光度を示し、図４（ｃ）にＮ2Ｏの吸光度を示す。
【図５】室温での波長３．９μｍ帯におけるＮ2Ｏの吸光度を示すグラフである。
【図６】８００℃での波長３．９μｍ帯におけるＨ2ＯおよびＣＯ2およびＮ2Ｏの吸光度を示すグラフであって、図６（ａ）にＨ2Ｏの吸光度を示し、図６（ｂ）にＣＯ2の吸光度を示し、図６（ｃ）にＮ2Ｏの吸光度を示す。
【図７】８００℃での波長３．９μｍ付近のＨ2ＯおよびＣＯ2およびＮ2Ｏの吸光度を示すグラフである。
【図８】前記Ｎ2Ｏ濃度分析装置による計測時刻と計測結果の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第二の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係るＮ2Ｏ濃度分析装置および分析方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２６】
［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置の、汚泥焼却炉内Ｎ2Ｏ計測への応用について、図１、図２、図３、図４（ａ）〜（ｃ）、図５、図６（ａ）〜（ｃ）および図７を用いて説明する。
【００２７】
本実施形態に係る汚泥焼却炉１００Ａは、図１に示すように、汚泥供給機（フィーダ）１１１により汚泥（燃料）１が汚泥燃焼炉本体１０１内に供給されて、汚泥燃焼炉本体１０１の内部で砂粒（流動材）を熱媒体として前記汚泥１とともに流動層１０２を形成して燃焼する流動床式燃焼炉である。温度調整された燃焼用空気２が、燃焼用空気供給管１１２ａおよび燃焼用空気供給用流量調整弁１１２ｂにより汚泥燃焼炉本体１０１の底部１０１ａから導入され、助燃料３が助燃料供給管１１３ａおよび助燃料供給用流量調整弁１１３ｂにより汚泥焼却炉本体１０１の流動層１０２内に導入されて、燃焼する。加熱された流動層１０２の砂粒は、燃焼用空気２と発生する燃焼ガスによって、供給された汚泥１と共に流動しながら燃焼する。さらに、汚泥の燃焼ガスは、流動層１０２上部のフリーボード１０３中を上昇しながら、二次空気供給管１１４ａおよび二次空気供給用流量調整弁１１４ｂにより供給される二次空気４で燃焼が完結し、燃焼後の排ガス５が汚泥焼却炉本体１０１の上部の煙道１０５を通って、排ガス処理装置へ排出される。
【００２８】
上述の汚泥燃焼炉１００Ａは、前記煙道１０５を通る排ガス５中のＮ2Ｏ濃度を分析するＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａを具備する。
前記Ｎ2Ｏ濃度分析装置１０Ａは、図１に示すように、光源１１、窓部１２ａ，１２ｂ、受光器１３、制御装置１４、温度計測器１５ａ、温度信号発生器１５ｂを備える。前記制御装置１４は、光源制御部１４ａ、受光器１３からの受光信号と、信号発生器１５ｂからの温度信号と、光源制御部１４ａからの参照信号とを基に、Ｎ2Ｏ濃度を演算する信号解析部１４ｂを備える。
【００２９】
ここで、前記光源１１および前記光源制御部１４ａの一例について、図２を用いて説明する。
図２に示すように、光源１１は、発振波長が異なる２つの近赤外半導体レーザ（以後、ＮＩＲ−ＬＤと称す）１１ａ，１１ｂ、ミラー（反射鏡）１１ｃ、合波器１１ｄおよび非線形光学結晶１１ｅを備える。このような構成の光源１１では、第一（一方）のＮＩＲ−ＬＤ１１ａから発振された波長λ1のレーザ光がミラー１１ｃおよび合波器１１ｄを介して非線形光学結晶１１ｅに入力されると共に、第二（他方）のＮＩＲ−ＬＤ１１ｂから発振された波長λ2（λ2＞λ1）のレーザ光が合波器１１ｄを介して非線形光学結晶１１ｅに入力されて、その差周波数光である短波長中赤外波長λ3のレーザ光（１／λ3＝１／λ1−１／λ2）を照射する。この差周波発生は、二次非線形光学効果に基づいており、二次非線形光学結晶で起こる。二次非線形光学結晶としては、非線形定数が大きいニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）がよく知られている。
【００３０】
さらに非線形定数を効率よく利用するために、入射および出射されるレーザ光であるλ1，λ2，λ3の各波長での位相を整合させる必要があり角度整合法、又は擬似位相整合法が用いられる。例えば、非特許文献１に示すように、ＬＮを非線形光学結晶として用い、周期分極反転構造を取り入れることにより擬似位相整合を達成し、さらに導波路構造を取り入れることにより、高効率に３μｍ帯の中赤外光を発生している非特許文献１では３μｍ帯光を発生したが、例えば、２μｍ〜５μｍ域の所望の波長λ3の短波長中赤外光を発生させるためには、近赤外域にある波長λ1や波長λ2を適切に選択すれば良い。
【００３１】
この際、通信用などで多くの適用実績のあるＮＩＲ−ＬＤを元光源に使うことで、装置の安定性／堅牢性が保障される。また、長波長中赤外光を発振するＱＣＬでは、発振するレーザ光の波長線幅が広いため、共存ガスの影響を受けやすい。一方、本実施形態では、波長線幅が非常に狭いＮＩＲ−ＬＤが元になるため、発振する短波長中赤外レーザ光の波長線幅は、ＮＩＲ−ＬＤと同程度に狭く、共存ガスの影響を受け難いという特徴を有している。
【００３２】
なお、図２では、２つのＮＩＲ−ＬＤ１１ａ，１１ｂからの出射光を空間光学系において非線形光学結晶１１ｅに入射したが、光ファイバを用いて入射することも可能である。
【００３３】
さらに、前記光源１１は、光源制御部１４ａにより制御されており、２つのＮＩＲ−ＬＤ１１ａ，１１ｂと非線形光学結晶１１ｅの温度制御と２つのＮＩＲ−ＬＤ１１ａ，１１ｂの電流制御を行っている。温度を適切に設定することで、ＮＩＲ−ＬＤ１１ａ，１１ｂではその発振波長の精密制御が、非線形光学結晶１１ｅでは効率良く差周波発生できる波長の組み合わせの精密制御が可能となっている。
【００３４】
さらに、本実施形態では、計測波長に短波長中赤外（４μｍ付近）を計測波長に利用するため、前記窓部１２ａ，１２ｂに高強度／耐腐食性の高いサファイア窓板を利用できる。一方、長波長中赤外（８μｍ）を利用するＱＣＬでは、窓材に潮解性の高いＣａＦ2やＭｇＦ2などしか利用できないため、大量のＨ2Ｏを含む燃焼排ガスの直接計測は、不可能である。
【００３５】
ちなみに、Ｎ2Ｏの強い基本吸収は、波長４．５０μｍに存在し（吸収強度１×１０-18ｃｍ／ｍｏｌｅｃｕｌｅ）、通常はこのような強い吸収のある波長域で目的のＮ2Ｏの観測を行っている。しかしながら、以上のようなアプリケーションの場合に、例えば、水分５０％と二酸化炭素１２％等のガスが共存する場合には、共存ガスが邪魔（干渉）して例えばＮ2Ｏの強い吸収が存在しようとも共存ガスに比しては小さい吸収となるので、正確な吸収線の観測が不可能であった。
【００３６】
そこで、鋭意研究を行った結果、３．９μｍ付近において、吸収強度が２．５×１０-20ｃｍ／ｍｏｌｅｃｕｌｅと基本吸収に比して小さな吸収度といえども、共存ガスの影響を避けることができながら、Ｎ2Ｏの吸収が観測できることを見出した。その様子を図３、図４（ａ）〜（ｃ）、図５、図６（ａ）〜（ｃ）および図７を用いて説明する。
【００３７】
図３は、４．５μｍ付近のＮ2Ｏの吸光度を示している。図３は、Ｎ2Ｏ濃度が１００ｐｐｍであり、圧力が１気圧であり、行路長が６ｍであり、温度が室温である場合を示している。図３において、この領域の波長によっては吸光後が１を超える非常に強い吸収を示している。図４（ａ）〜（ｃ）は、温度が燃焼炉内を想定した温度の一例の８００℃であり、かつ、水分５０％とＣＯ2が１２％共存する場合の４．５μｍ帯付近の吸光度を示している。図４（ａ）〜（ｃ）にて、８００℃の高温場では、Ｎ2Ｏの吸光度が減少すると同時に、共存ガスであるＣＯ2の吸収が非常に強く、Ｎ2Ｏの観測が困難であることが確認された。なお、図４（ｂ）では、波長４．５２μｍ以下にて、ＣＯ2の吸光度が１より大きいことを示している。
【００３８】
一方、図５は、３．９μｍ付近であって、Ｎ2Ｏ濃度が１００ｐｐｍであり、圧力が１気圧であり、行路長が６ｍである場合のＮ2Ｏの吸光度を示している。４．５μｍ付近と比べて、約４０分の１の吸光度しかないことが分かる。図６（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）と同様にして、温度が燃焼炉内を想定した温度の一例の８００℃であり、かつ、水分５０％とＣＯ2が１２％共存する場合の３．９μｍ帯付近の吸光度を示している。図６（ａ）〜（ｃ）にて、４．５μｍ付近とは異なりＣＯ2の吸収の影響を受けにくいことが確認された。図７は、図６（ａ）〜（ｃ）を重ね、縦軸の尺度を変更した場合を示している。図７にて、水による吸収が３．９μｍ付近にあるものの、その吸収線の位置はまばらで水の吸収線の影響が少なく、Ｎ2Ｏを観測できることが確認された。
【００３９】
そこで、前記光源１１は、例えば、波長３．８４μｍ〜４．００μｍ帯のＮ2Ｏの振動回転吸収波長、好適には波長領域Ａ１（波長３．９０３４μｍ〜３．９０６０μｍ）、波長領域Ａ２（波長３．９０９０μｍ〜３．９１１６μｍ）または波長領域Ａ３（３．９１２２μｍ〜３．９１４８μｍ）、さらに好適には波長を３．９０４７μｍ、３．９１０３μｍまたは３．９１３５μｍのレーザ光を照射可能な中赤外半導体レーザである。
【００４０】
前記窓部１２ａ，１２ｂは、前記煙道１０５に対向配置され、前記レーザ光を透過可能なものである。前記窓部１２ａ，１２ｂとして、例えば、サファイア製のものを用いることが好ましい。これは、潮解性がなく、窓部を交換するなどのメンテナンスを行う必要が無いからである。
【００４１】
前記受光器１３は、前記光源１１が照射し、窓部１２ａ、煙道１０５および窓部１２ｂを通過したレーザ光を受光するものである。前記受光器１３により得られた光強度信号（受光信号）は、前記制御装置１４の詳細につき後述する信号解析部１４ｂに出力される。
【００４２】
前記温度計測器１５ａは、前記煙道１０５におけるレーザ計測位置とほぼ同じ位置の温度を計測するように設けられ、前記煙道１０５内を流通する排ガス５の温度を計測可能なものである。前記温度計測器１５ａが前記排ガス５の温度を計測し、信号発生器１５ｂによって発生された温度信号は、信号解析部１４ｂに出力される。
【００４３】
前記光源制御部１４ａは、前記光源１１に制御信号を送信して前記光源１１が照射するレーザ光の波長を制御すると共に、参照信号を信号解析部１４ｂに送信するものである。前記参照信号は、前記制御信号により前記光源１１が照射するレーザ光の波長情報を有する信号である。
【００４４】
前記信号解析部１４ｂは、Ｎ2Ｏ濃度を演算し、このＮ2Ｏ濃度の信号を出力するものである。前記信号解析部１４ｂは、前記光源制御部１４ａから送信された前記参照信号と、前記受光器１３で得られた受光信号と、前記温度計測器１５ａから前記信号発生器１５ｂを経由して送信された温度信号とに基づき、赤外分光法により前記Ｎ2Ｏ濃度の演算を行っている。
【００４５】
また、上述したＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａによる計測時刻とＮ2Ｏ濃度の計測結果について図８を用いて説明する。図８にて、試験体が本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置の場合を示し、比較体が、排ガスをサンプリングし、粉塵および共存ガスを除去する前処理を行った後に、Ｎ2Ｏ濃度を計測する装置であって、従来のＮ2Ｏ濃度分析装置の場合を示している。図８にて、細線が試験体の計測結果を示し、太線が比較体の計測結果を示している。対象ガスは、水分５０％、ＣＯ2１２％、Ｏ2数％含有し、温度が８００℃〜８５０℃であった。
【００４６】
図８に示すように、３０分近傍のＮ2Ｏ濃度の最高値にあっては、試験体の場合は、比較体の場合と比べて、１分３８秒前に計測できたことが確認された。また、試験体の場合は、比較体の場合と比べて、Ｎ2Ｏ濃度が高いことが確認された。４０分近傍のＮ2Ｏ濃度の最低値にあっては、試験体の場合は、比較体の場合と比べて、１分２５秒前に計測できたことが確認された。また、試験体の場合は、比較体の場合と比べて、Ｎ2Ｏ濃度が低いことが確認された。すなわち、本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａによれば、Ｎ2Ｏ濃度の最高値および最低値に関わらず、従来のＮ2Ｏ濃度分析装置と比べて、迅速に且つ正確にＮ2Ｏ濃度を分析できることが確認された。
【００４７】
したがって、本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａによれば、上述した機器を具備することにより、排ガス５中のＮ2Ｏ以外の共存ガスや粉塵を除去する前処理をせずに排ガス５中のＮ2Ｏ濃度を直接計測できることから、排ガス５中のＮ2Ｏ濃度を迅速に且つ正確に分析できる。
【００４８】
また、窓材１２ａ，１２ｂの取付位置を変えることで、上流部の、粒子濃度の高いフリーボード部１０３内や、火炎が横切り、Ｎ2Ｏ濃度の高い流動床直上位置などの計測も可能である。さらに、下流部での計測では、本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａで計測するＮ2Ｏ濃度は、レーザ光路上の平均値となる。そのため、従来のサンプリング計測では、煙道内に濃度分布があると、代表値を探すためのトラバース計測などが必要であるが、本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０ＡによるＮ2Ｏ濃度分析方法によれば、常時、煙道１０５内の平均Ｎ2Ｏ濃度の計測が可能となる。
【００４９】
［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置による汚泥焼却炉内Ｎ2Ｏ計測への応用に関して、図９を用いて説明する。
本実施形態は、上述した第一の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置に、サンプリング装置を追加しており、これ以外は概ね第一の実施形態と同様になっている。
【００５０】
本実施形態に係る汚泥焼却炉１００Ｂは、図９に示すように、上述した第一の実施形態に係る汚泥焼却炉１００Ａと同じ機器を具備すると共に、Ｎ2Ｏ濃度分析装置１０Ｂを具備する。
【００５１】
Ｎ2Ｏ濃度分析装置１０Ｂは、上述した第一の実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ａと同じ機器を具備すると共に、サンプリング装置１６をさらに具備する。サンプリング装置１６は、抽出管１６ａと、送出管１６ｂと、サンプリングセル１６ｃと、排出管１６ｄと、ブロア１６ｅとを備える。
【００５２】
前記抽出管１６ａは、先端部側が煙道１０５内に突出して設けられ、当該煙道１０５を流通する排ガス５を抽出するものである。
【００５３】
前記送出管１６ｂは、基端部側が前記抽出管１６ａの基端部側と連結し、先端部側が前記サンプリングセル１６ｃの基端部側（受光器１３と接続する端部側）と連結している。
【００５４】
前記サンプリングセル１６ｃは、先端部が窓部１２ｃを介して前記光源１１と接続し、基端部が窓部１２ｄを介して前記受光器１３と接続している。なお、窓部１２ｃ，１２ｄは、前記窓部１２ａ，１２ｂと同様、例えば、サファイア製のものであることが好ましい。
【００５５】
前記排出管１６ｄは、基端部が前記サンプリングセル１６ｃの先端部側（光源１１と接続する端部側）と連結し、先端部が前記抽出管１６ａよりも排ガス流通方向下流側で前記煙道１０５と連結している。前記排出管１６ｄの途中にブロア１６ｅが設けられる。このブロア１６ｅを作動させることにより、煙道１０５を流通する排ガス５の一部が、抽出管１６ａおよび送出管１６ｂを介してサンプリングセル１６ｃを導入され、サンプリングセル１６ｃを流通した排ガス５が排出管１６ｄを介して煙道１０５に戻されることになる。
【００５６】
前記サンプリング装置１６は、サンプリングセル１６ｃを加熱してサンプリングセル１６ｃ内の排ガス５を所望の温度に保持する加熱器１６ｆを備える。これにより、サンプリングセル１６ｃ内を所定の一定温度に保持することができ、排ガス５中のＮ2Ｏ濃度を温度計測無しで計測することができる。
【００５７】
ここで、上述したＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ｂの中心となる作動を説明する。なお、汚泥焼却炉１００Ｂの中心となる作動は、上述した汚泥焼却炉１００Ａと同じであり、この説明を省略する。
【００５８】
まず、加熱器１６ｆを作動し、サンプリングセル１６ｃを加熱する。これにより、サンプリングセル１６ｃ内を一定温度とし、煙道１０５内を流通する排ガス５のＮ2Ｏ濃度を直接計測する場合に温度補正を一定に保つことでき、温度計測装置やその信号発生器を不要とすることができる。
【００５９】
続いて、ブロア１６ｅを作動する。これにより、煙道１０５を流通する排ガス５の一部は、抽出管１６ａ、送出管１６ｂを介して、サンプリングセル１６ｃ内に流入することになる。
【００６０】
続いて、光源１１は、制御装置１４の光源制御部１４ａからの制御信号に基づき、前記所定の範囲の波長（例えば、３．８４μｍ〜４．００μｍ）のレーザ光を照射する。前記レーザ光は、窓部１２ｃ、サンプリングセル１６ｃ内の排ガス５、窓部１２ｄを介して受光器１３が受光する。受光器１３は、受光した前記レーザ光の受光信号を制御装置１４の信号解析部１４ｂに送信する。他方、信号解析部１４ｂは、前記光源制御部１４ａからの参照信号を受信する。
【００６１】
前記信号解析部１４ｂは、前記受光信号と前記参照信号に基づき、排ガス中のＮ2Ｏ濃度を赤外分光法により演算する。
【００６２】
したがって、本実施形態に係るＮ2Ｏ濃度分析装置１０Ｂによれば、上述した機器を具備することにより、排ガス５をサンプリングする場合であっても、排ガス５中のＮ2Ｏ以外の共存ガスや粉塵を除去せずに排ガス中のＮ2Ｏ濃度を直接計測できることから、排ガス５中のＮ2Ｏ濃度を迅速に且つ正確に分析できる。
【００６３】
さらに、Ｎ2Ｏ濃度分析装置１０Ｂを用いれば、炉に計測窓を取り付けるなどの大幅な改造工事無しでの設置が可能である。
【００６４】
［他の実施形態］
上記では、１００ｐｐｍのＮ2Ｏと５０％のＨ2Ｏと１２％のＣＯ2濃度とを含む排ガス中のＮ2Ｏ濃度を計測する場合について説明したが、前記排ガス中のＮ2Ｏ濃度は、１００ｐｐｍに限らず、１００ｐｐｍよりも高い場合であれば、レーザに対する吸光度が大きくなることから、上述の場合と同様の作用効果を得られる。
【００６５】
また、上記では、１００ｐｐｍのＮ2Ｏと５０％のＨ2Ｏと１２％のＣＯ2濃度とを含む排ガス中のＮ2Ｏ濃度を計測する場合について説明したが、前記排ガス中のＨ2Ｏ濃度は、５０％に限らず、５０％よりも低い場合であれば、レーザに対する吸光度は、Ｈ2Ｏ濃度が５０％のときと比べて小さくなり、Ｎ2Ｏ濃度の計測への影響が小さくなることから、上述の場合と同様の作用効果を得られる。
【００６６】
また、上記では、１００ｐｐｍのＮ2Ｏと５０％のＨ2Ｏと１２％のＣＯ2濃度とを含む排ガス中のＮ2Ｏ濃度を計測する場合について説明したが、前記排ガス中のＣＯ2濃度は、１２％に限らず、１２％よりも低い場合であれば、レーザに対する吸光度は、ＣＯ2濃度が１２％のときと比べて小さくなり、Ｎ2Ｏ濃度の計測への影響が小さくなることから、上述の場合と同様の作用効果を得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るＮ2Ｏ分析装置および分析方法は、前処理せずに、排ガス中のＮ2Ｏ濃度を正確に且つ迅速に計測することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１        汚泥（燃料）
２，７ａ  燃焼用空気
３        助燃料
４，７ｂ  ２次空気
５，９    排ガス
６        燃料
８        流動材
１０Ａ，１０Ｂ  Ｎ2Ｏ濃度分析装置
１１      光源（照射手段）
１２ａ，１２ｂ  窓板部
１３      受光器（受光手段）
１４      制御装置
１４ａ    光源制御部（波長制御手段）
１４ｂ    信号解析部（Ｎ2Ｏ濃度演算手段）
１５ａ    温度計測器（温度計測手段）
１００Ａ，１００Ｂ  汚泥燃焼炉
１０１    燃焼炉本体
１０２    流動層
１０３    フリーボード
１０５    煙道
【図１】
0006300753.tif 000002
【図２】
0006300753.tif 000003
【図３】
0006300753.tif 000004
【図４】
0006300753.tif 000005
【図５】
0006300753.tif 000006
【図６】
0006300753.tif 000007
【図７】
0006300753.tif 000008
【図８】
0006300753.tif 000009
【図９】
0006300753.tif 000010