(57)【要約】【課題】例えば石炭ガス化の生成ガス等に適用される光計測装置を提供することを課題とする。【解決手段】計測場１０内の被測定ガス１１にレーザ光等の一定波長の光１２を照射する光源１３と、上記光１２の照射により上記ガス１１から生じるラマン散乱光１４により波長毎の強度の計測を行う分光器１５と、上記光１２の照射により上記ガス１１中のダストから生じるミー散乱光１６の計測を行う第１の光検出器１７と、上記光１２の照射により上記ガス１１中の炭化水素から生じる蛍光１８の計測を行う第２の光検出器１９と、上記計測の結果から上記ガス１１の発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部であるデータ処理手段２０とを具備する。【選択図】        図１
2005024250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測場内の被測定ガスにレーザ光等の一定波長の光を照射する光源と、
上記光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、
上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う第１の光検出器と、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行う第２の光検出器と、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部と、
を具備することを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記炭化水素が芳香族炭化水素であることを特徴とする光計測装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記計側部が、上記ラマン散乱光の計測結果から水蒸気量を計測することを特徴とする光計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止する散乱防止手段を計測場内に具備することを特徴とする光計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
上記散乱光の測定に際し、光照射の時間だけ信号を測定することを特徴とする光計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、
上記ガスは、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
上記光源の波長が、上記有機芳香族物質からの散乱光の強度が上記計測対象ガスからの散乱光の強度より小さいように選択されていることを特徴とする光計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一において、
光を照射する光源を２台設け、第１の光源からの光の波長が４００ｎｍ以上であり、第２の光源からの光の波長が２００〜６００ｎｍであることを特徴とする光計測装置。
【請求項８】
燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するガス化炉と、
請求項１乃至７のいずれか一の光計測装置と、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御又はガス精製手段の制御を行う制御手段とを具備することを特徴とするガス化装置。
【請求項９】
計測場内の被測定ガスに光を照射するステップと、
上記光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出するステップとを具備することを特徴とする光計測方法。
【請求項１０】
燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するステップと、
上記ガスに光を照射するステップと、
上記光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御を行うステップと、
上記算出の結果に基づいて、ガス精製の制御を行うステップとを具備することを特徴とするガス化方法。
【請求項１１】
請求項１１において、
上記光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光より水蒸気量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記熱交換手段の制御を行うステップを具備することを特徴とするガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば石炭ガス化の生成ガス等に適用される光計測装置に関する。
【０００２】
【背景の技術及び発明が解決しようとする課題】
石炭ガスを使用した火力発電では、石炭ガス化炉にて生成される生成ガスを燃料として、ガスタービン等の発電設備に導いて使用している。発電設備では、目標とする発電量が設定されており、それに応じて生成ガスの発熱量を制御することが重要である。そして、それに対応して、ガス化炉において生成ガスの発熱量（組成）が許容範囲に入るように制御することが、非常に重要である。
発電所の発電目標設定値は、常に一定ではなく、電力の使用量の変化や、時間帯等により短時間で変更されることも多い。従って、それに応じて、ガス化炉において生成される生成ガスの発熱量も迅速に制御される必要がある。
【０００３】
従来の生成ガス発熱量の制御では、発熱量は生成ガスを分析し、その分析結果を解析することで制御を行っていた。
図１８を参照して、ガス化炉１における発熱量制御について説明する。ガス化炉０１、生成ガス０２、サンプリング管０３、前処理部０４、ガスクロマトグラフ０５、計算部０６、制御部０７、燃料供給弁０８、空気供給弁０９、配管０１０、ガスタービン０１１からなる。ガス化炉０１は、燃料（石炭）供給弁０８及び空気供給弁０９を経由して石炭及び空気の供給を受け、ガスタービン０１１用の高温・高圧（例えば４００℃、３０気圧）の生成ガス０２を生成する。生成ガス０２は、ガスタービン０１１に送られる配管０１０の途中で、その一部が、サンプリング管０３によりサンプリングされ、発熱量を測定する測定系へ流入する。サンプリングガスは、前処理部０４において、降圧、冷却、除塵、除湿等の前処理を行い、常圧・常温で乾燥し、かつ塵を含まない状態にする。
その後、サンプリングガスをガスクロマトグラフ０５へ送る。ガスクロマトグラフ０５では、サンプリングガスである生成ガス０２が分析され、ガスの組成が測定される。
【０００４】
ここで通常、石炭ガス化生成ガスの場合は、およそ一酸化炭素（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％の範囲の体積分率を有する。そして、上記分析結果に基づいて、計算部０６において、単位体積当たりの発熱量Ｑ（ｋｃａｌ／Ｎｍ３）が計算される。生成ガス０２の発熱量Ｑの計算結果は、制御部０７へ出力される。そして、この結果とその時点での発熱量目標値との相違に基づいて、ガス化炉０１内へ投入される石炭量、空気量が設定される。設定に基づき、それぞれ燃料供給弁０８及び空気供給弁０９により石炭及び空気の供給量が制御され、生成ガス０２の発熱量が常に許容範囲に入るように制御される。
【０００５】
このように従来の石炭ガス化による発電においては、ガス化炉０１による生成ガス０２の発熱量をガスクロマトグラフ０５で測定し、その値によってガス化炉０１を制御していた。しかし、ガスクロマトグラフ０５では、分析に要する時間が５分程度以上必要とされるため速やかな制御が出来なかった。かかるガスクロマトグラフ０５を利用する計測方法の公知技術として特開平１１−１７３９８９号公報がある。
【０００６】
【特許文献】
特開平１１−１７３９８９号公報
【０００７】
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。従って、この速度に対応できるガス化炉が必要であり、これに組み合わせるガス発熱量測定装置が要求されている。また、前処理部０４において、降圧、冷却、除塵、除湿時にトラブルが起きる場合があり、メンテナンスに労力を要していた。
【０００８】
また、前処理部０４において、除湿しているので、熱交換器等の漏洩があった場合に、迅速に水蒸気の測定をすることができない、という問題がある。
【０００９】
また、ガス中のダスト濃度を計測する場合には、図１９に示すように、レーザ装置０２０からのレーザ光０２１を光検出器０２２で検出し、光吸収法によりそのダスト量を計測していた。
【００１０】
また、生成ガス中には炭化水素が含まれており、これが冷却された場合に、下流側の装置（例えば脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等）の配管内部にタール分として付着し、配管の劣化を加速するという問題がある。
よって、適正なガス化条件の確認のために炭化水素量を迅速に計測したいという要望がある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、ガスの組成を高速に測定すると共にダスト濃度及び炭化水素濃度も同時に計測することが可能な光計測装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の発明は、計測場内の被測定ガスにレーザ光等の一定波長の光を照射する光源と、
上記光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、
上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う第１の光検出器と、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行う第２の光検出器と、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部と、
を具備することを特徴とする光計測装置にある。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
上記炭化水素が芳香族炭化水素であることを特徴とする光計測装置にある。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、
上記計側部が、上記ラマン散乱光の計測結果から水蒸気量を計測することを特徴とする光計測装置にある。
【００１５】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一の発明において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止する散乱防止手段を計測場内に具備することを特徴とする光計測装置にある。
【００１６】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一の発明において、
上記散乱光の測定に際し、光照射の時間だけ信号を測定することを特徴とする光計測装置にある。
【００１７】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一の発明において、
上記ガスは、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
上記光源の波長が、上記有機芳香族物質からの散乱光の強度が上記計測対象ガスからの散乱光の強度より小さいように選択されていることを特徴とする光計測装置にある。
【００１８】
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一の発明において、
光を照射する光源を２台設け、第１の光源から光の波長が４００ｎｍ以上であり、第２の光源からの光の波長が２００〜６００ｎｍであることを特徴とする光計測装置にある。
【００１９】
第８の発明は、燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するガス化炉と、
第１乃至７のいずれか一の光計測装置と、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御又はガス精製手段の制御を行う制御手段とを具備することを特徴とするガス化装置にある。
【００２０】
第９の発明は、計測場内の被測定ガスに光を照射するステップと、  上記光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出するステップとを具備することを特徴とする光計測方法にある。
【００２１】
第１０の発明は、燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するステップと、
上記ガスに光を照射するステップと、
上記光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御を行うステップと、
上記算出の結果に基づいて、ガス精製の制御を行うステップとを具備することを特徴とするガス化方法にある。
【００２２】
第１１の発明は、第１１の発明において、
上記光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光より水蒸気量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記熱交換手段の制御を行うステップを具備することを特徴とするガス化方法にある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるガス化装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例においては、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置を例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態にかかる光計測装置の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかる光計測装置は、計測場１０内の被測定ガス１１にレーザ光等の一定の波長の光１２を照射する光源１３と、
上記光１２の照射により上記ガス１１から生じるラマン散乱光１４により波長毎の強度の計測を行う分光器１５と、
上記光１２の照射により上記ガス１１中のダストから生じるミー散乱光１６の計測を行う第１の光検出器１７と、
上記光１２の照射により上記ガス１１中の炭化水素から生じる蛍光１８の計測を行う第２の光検出器１９と、
上記計測の結果から上記ガス１１の発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部であるデータ処理手段２０とを具備するものである。
本実施の形態では、上記被測定ガス１１は、例えば石炭ガス火炉の生成ガス例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
【００２４】
また、図１に示すように、光計測装置は、光源１３からの光１２をミラー２１を介して反射させて、集光手段２２により集光し、次いで計測窓２３ａ，２３ｂを透過した後、計測場１０内に入射させ、被測定ガス１１へ照射する機能を有する。
計測場１０は被測定ガス１１を内部に保持又は流通させる機能を有する。
本実施の形態では、ガス火炉からの生成ガスをタービンへ送給する送給管の一部を計測場としているが、送給管から分枝するようにしてもよい。
【００２５】
また、分光器１５はＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ２４を具備し、被測定ガス１１からのラマン散乱光１４を分光し、測定データとして取り出す機能を有する。
【００２６】
また、第１の光検出器１７は、被測定ガス１１中の固体成分であるダストからのミー散乱光１４をミラー２５を介して反射させた後に分光し、測定データ（例えば図３参照）として取り出す機能を有する。
【００２７】
また、第２の光検出器１９は、被測定ガス１１中の炭化水素からの蛍光１８をミラー２６を介して反射させた後に分光し、測定データ（例えば図３参照）として取り出す機能を有する。
【００２８】
データ処理手段２０は、測定データに基づいて、測定ガスの発熱量及びダスト濃度及び炭化水素量を計算する機能を有する。
よって、光１２を用いた本計測装置により、短時間に正確にガスの発熱量を計算することが可能である。これと同時に、ダスト量を計測することができる。さらに、ガス中の炭化水素濃度を計測することができる。
【００２９】
また、ラマン散乱光１４からの測定データ中の水分量を計測することで、図４に示すように、ガス火炉側に設けた熱交換器等の熱交換手段からの水蒸気の漏洩（チューブリーク）を同時に計測することができる。
【００３０】
以下に、光計測装置の各構成部材について図１を参照しつつ説明する。
【００３１】
まず、光１２を出力し被測定ガス１１へ照射する機能を有する光源１３について説明する。
レーザ光等の一定の波長の光を照射する光源１３は、レーザ発振等により光１２を出力する。使用する光源により、光１２の波長は、所望のものを使用できる。本発明では、波長が可視光域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）のものを使用する。ここでは、４００ｎｍのものを用いている。この波長であれば、蛍光とラマン散乱光とを同時に計測することができる。図３にその計測例を示す。
【００３２】
ここで、本実施の形態のように同じ波長の光を用いる場合には、信号を打ち消し会うので、光源照射の時分割を行うようにしている。異なる波長を用いる場合についは第２の実施の形態に詳述する。
【００３３】
なお、図示しないパワーメータは、光源１３から出力される光１２の進行方向上の、光源装置１５の先にやや離れて設けられている。これは、光１２を通過させることにより、光１２の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、光源２３の出力を調整する。
【００３４】
また、ミラー２１は、出力された光１２の進行方向を、被測定ガス１１の存在する計測場１０の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー２１の角度を調整することにより、計測場１０の任意の位置での計測を可能としている。
【００３５】
また、集光手段２２は、光１２の進行方向上であって、ミラー２１から少し離れた位置に設けられており、光１２が測定場１０の所定位置で焦点を結ぶように、光１２を絞るようにしている。
【００３６】
次に、光１２が照射できるような形で測定ガスを保持又は流通させる機能を有する計測場１０について説明する。計測場１０は、測定ガスが内部に存在しており、それを外部（光源部や分光器１５を含む）にリークさせないような構造をしている。測定用の光１２及び被測定ガス１１からのラマン散乱光１４，ミー散乱光１６は、石英窓２３ａ，２３ｂから出入りする。
【００３７】
石英窓２３ａ，２３ｂは、計測場１０の端にあり、光１２の進行方向上の、集光手段２２の先にやや離れてある。測定ガスを外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓を光が透過できるようにするためである。また、２重にしているのは、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにするためである。
【００３８】
なお、電磁弁が設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って計測場側の石英窓２３ａを測定ガスに曝しておくと、ガス中の不純物により、石英窓が汚れてしまい、その汚れの為に光による測定が困難となるからである。測定時には開口される。
【００３９】
計測場１０は、光１２の進行方向上の測定ガスが存在している測定領域を含む場所であり、該領域に存在するガス１１に光１２が照射されることにより測定がなされる。ただし、被測定ガス１１は、この場所で留まっている必要は無く、ガス供給用の配管の途中であって、その配管中をガスが滞留することなく流れている（動いている）状態であっても測定可能である。
【００４０】
次に、被測定ガス１１からのラマン散乱光１４を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光器１５について説明する。ここで、測定領域中心部から散乱されたラマン散乱光１４は、光１２からある角度をなして、計測場１０から分光器１５へ入る。
【００４１】
上記分光器１５には、フィルタが配設されており、特定の波長の散乱光２４のみ透過させるようにしている。本実施の形態では、５７０〜７００ｎｍの光が透過するフィルターを使用する。
【００４２】
分光器１５にはＩＣＣＤカメラ２４が接続されている。光の強度を計測する光電子増倍型のデバイスである。ここで。分光器１５で分光された各波長の光の強度を計測する。
【００４３】
また、本実施の形態では、被測定ガス１１からのミー散乱光１６を第１の光検出器１７で検出するようにしている。
ミー散乱光１６は、ガス中のダスト成分等の固体物質からの散乱光であり、該ミー散乱光の濃度によりダスト量を計測する。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、被測定ガス１１からの蛍光１８を第２の光検出器１９で検出するようにしている。
蛍光１８は、ガス中の炭化水素からの蛍光であり、該蛍光の濃度によりダスト量を計測する。
【００４５】
次に、測定データに基づいて、サンプルガスの発熱量を計算する機能を有するデータ処理手段２０について説明する。
データ処理手段２０は、各波長毎のラマン散乱光１４の強度から、ガスの体積分率を計算する。そのガスの体積分率から、ガスの発熱量が計算できる。
また、水のラマン散乱光１４の強度から、ガス中の水分量を計算することができる。
【００４６】
また、データ処理手段２０は、ミー散乱光１６を検出する第１の光分光器１７の情報から、ガス中のダスト量を計算することができる。
【００４７】
また、データ処理手段２０は、蛍光１８を検出する第２の光分光器１９の情報から、ガス中の炭化水素量を計算することができる。
ここで、ガス中の炭化水素の大部分は芳香族系炭化水素であり、特にベンゼン、ナフタレン、アントラセン等の多環芳香族系炭化水素及びその誘導体である。
【００４８】
次に、本発明である光計測装置の動作について、図１を参照して説明する。
【００４９】
まず、光計測装置に用いられるラマン散乱分光法の測定原理について説明する。なお、図３はラマン散乱光の測定例を示す図である。
【００５０】
波数ν（波長λの逆数）の光を物質に照射し、その散乱光を分光すると、ν、ν±ν１  、ν±ν２  、…のような波数を持つ散乱光が得られる。この内、ν±νｎ  に相当する散乱をラマン散乱といい、ν−νｎ  を持つ成分をストークスラマン散乱、ν＋νｎ  を持つ成分をアンチストークスラマン散乱という。通常、ラマン散乱として測定されるのは、ストークスラマン散乱である。また、νｎ  をラマンシフトといい、物質固有の値を取る。すなわち、ラマン散乱光におけるラマンシフトνｎ  を計測すると、光を散乱した物質が何であるかの定性分析が可能となる。物質は混合されていても構わない。加えて、ラマン散乱光の強度は存在する分子数に比例するので、散乱光の強度を測定することで定量分析も可能である。図３において、縦軸はラマン散乱光の強度、横軸は散乱光の波長（＝１／（ν−ν１  ））である。各物質（ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２など）により、ラマン散乱光の波長が決まっているので、その波長の位置で物質が同定でき、また、各散乱光強度から、各物質の体積分率が計算できる。
【００５１】
以上から、ラマン散乱が、混合物の定性及び定量分析において有用であることが分かる。ただし、測定する物質の量が多く存在する必要がある。また、ラマン散乱光の強度は、νの４乗に比例し、波長が長い光を使用する場合、散乱光の強度は著しく低下する。従って、波長の長過ぎる光は用いない。
【００５２】
そして、光計測装置において、ガスの各成分からの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を計測するには、以下のようにする。
まず、図１において、レーザ光等の一定波長の光を照射する光源１３から光１２が発射される。本実施の形態では、光１２は、パルスの形で発射し、それと同期を取った分光器１５及びＩＣＣＤカメラ２４によりラマン散乱光１４の計測が行われる。また、継続的に光１２を発射し、それの散乱光１４を計測することも可能である。
【００５３】
また、本実施の形態では、可視光である波長５３２ｎｍのレーザを使用する。レーザ波長の選択は、以下のような観点から行った。もし、４００ｎｍより波長の短い３５５ｎｍの紫外光レーザでは、測定ガス中の有機化学物質の芳香族成分からの散乱光が強くなり、それがノイズ光として測定に悪影響を及ぼす。また、逆に、波長が長すぎると、ラマン散乱光の強度が低下してしまい、検出が困難になる。従って、本実施例では、測定ガス中の芳香族成分からの散乱光がほとんど無く、かつ、測定対象物質（ＣＯ２，ＣＯ，Ｎ２，ＣＨ４，Ｈ２Ｏ，Ｈ２）からの散乱光が十分の強度を得られる、レーザ波長を選択した。
【００５４】
また、光１２は、偏向した光である偏光を用いるようにしてもよい。偏光のレーザ光を出力するレーザを使用しても良いし、偏光素子を通過させたレーザ光を使用しても良い。そのような光１２を用いると、測定ガスからの散乱光１４の内、ラマン散乱光以外の単なる散乱光は偏光ではないので、図２に示すように、途中に入れた偏光素子２７により、それらのほとんどはカットされる。従って、偏光であるラマン散乱光のみが、偏光素子２７を透過することができ、ノイズ光の抑制された測定結果が得られるのである。
【００５５】
最終的に得られたラマン散乱光１４は、分光器１５に入る。そこで、各波長毎のチャンネルに分けられる。そして、各波長毎の光の強度をＩＣＣＤカメラ２４により測定することにより測定結果が得られる。
【００５６】
測定された各波長におけるラマン散乱光の分析結果（各波長における散乱光２４の強度のデータ）は、データ処理手段２０に出力され、そこで発熱量が計算される。計算は、ガスの分析結果において、波形の強度のピークを示す波長から物質を同定し、強度からその物質の体積分率を計算する。そして、その体積分率に、各ガス成分の標準状態における単位体積当たりの発熱量を掛け合わせれば、各ガス成分毎の単位体積当たりの発熱量が計算できる。その合計が、生成ガス１１全体の単位体積当たりの発熱量である。
【００５７】
本実施の形態の光計測装置では、（１）光１２をガスに照射させて、ガス中に含まれる有機芳香族物質からのラマン散乱光１４により、各成分の濃度を求め、発熱量を計測することができる。
（２）また、水分の濃度からガス中に水蒸気が漏洩したことを検出することができる。
（３）また、ガス中にダスト成分が含まれた場合には、光１２の照射により該ダストからのミー散乱光１６を計測することで、ダスト量を同時に計測することができる。
（４）さらに、ガス中に含まれる炭化水素からの蛍光１８を計測することで、炭化水素量を同時に計測することができる。
【００５８】
なお、本実施例で使用されている、ミラーおよびレンズは、計測部および分光器の位置関係により、本発明の技術的思想の範囲で増減することや、位置が変更することが可能であり、上記実施例の形態に拘束されるものではない。
【００５９】
［第２の実施の形態］
図５は、本実施の形態にかかる光計測装置の概略図である。
図５に示すように、本実施の形態にかかる光計測装置は、計測場１０内の被測定ガス１１に第１の光１２Ａを照射する第１の光源１３Ａと、
計測場１０内の被測定ガス１１に第２の光１２Ｂを照射する第２の光源１３Ｂと、
上記第１の光１２Ａの照射により上記ガス１１から生じるラマン散乱光１４により波長毎の強度の計測を行う分光器１５と、
上記第２の光１２Ｂの照射により上記ガス１１中のダストから生じるミー散乱光１６の計測を行う第１の光検出器１７と、
上記第２の光１２Ｂの照射により上記ガス１１中の炭化水素から生じる蛍光１８の計測を行う第２の光検出器１９と、
上記計測の結果から上記ガス１１の発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部であるデータ処理手段２０とを具備するものである。
【００６０】
第１の光１２Ａは４００〜７００ｎｍの範囲のいずれかの波長を用い、第２の光１２Ｂは２００〜６００ｎｍの範囲の波長を用いる。
本実施の形態では、第１の光１２Ａでラマン散乱光１４を計測し、第２の光１２Ｂでミー散乱光１６を計測しているが、第１の光１２Ａでミー散乱光を計測するようにしてもよい。
なお、ラマン散乱光及びミー散乱光は共に信号強度が励起光に較べて弱いので、各々別々の光を励起光とするほうが好ましい。
【００６１】
図６〜図８にベンゼン、ナフタレン及びアントラセンの各蛍光強度と波長との関係を示す。
また、下記表１〜３にベンゼン、ナフタレン及びアントラセンの励起波長と蛍光波長との関係を示す。なお、表１〜３の内容は図６〜８に対応する。
【００６２】
【表１】
2005024250.tif 000003
【００６３】
【表２】
2005024250.tif 000004
【００６４】
【表３】
2005024250.tif 000005
【００６５】
これらの結果より、第１の光１２Ａの励起波長波長が短い場合には、ベンゼン等の１員環の芳香族炭化水素の蛍光強度が強く、励起波長が長くなるにつれて、３員環の多環芳香族炭化水素の蛍光強度が強くなることが判明した。
【００６６】
図９及び表４は実際のガス化ガスでの計測結果を示す。
【００６７】
図１０（ａ）、（ｂ）は、ラマン散乱光を得るための第１の光１４Ａとミー散乱光１６及び蛍光１８を得るための第２の光１４Ｂとの照射方法の一例を示す。図１０（ａ）は時間とレーザ光強度との関係を示し、図１０（ｂ）は時間と光強度との関係を示す。
なお、本実施の形態では、第２の光１４Ｂは、３回に分けて、２８０ｎｍ、３００ｎｍ、３６０ｎｍの励起光を照射するようにしている。
図１０（ｂ）は蛍光、ミー散乱光ともに、波長依存性があることの一例を示している。
【００６８】
【表４】
2005024250.tif 000006
【００６９】
ここで、ベンゼンの濃度をＣ１、ナフタレンの濃度をＣ２、アントラセンの濃度をＣ３とすると、以下の連立方程式が成立する。
【００７０】
Ａ．２５０ｎｍの励起波長に対して
・２８０ｎｍ蛍光波長：  ５Ｃ１＋４Ｃ２＋４Ｃ３＝６６    …（１）
・３３０ｎｍ蛍光波長：  ３Ｃ１＋４Ｃ２＋６Ｃ３＝４８    …（２）
・４２０ｎｍ蛍光波長：  Ｃ１＋３Ｃ２＋３Ｃ３＝２２      …（３）
Ｂ．３００ｎｍの励起波長に対して
・２８０ｎｍ蛍光波長：  Ｃ２＝３                    …（４）
・３３０ｎｍ蛍光波長：  Ｃ１＋８Ｃ２＋７Ｃ３＝４１      …（５）
・４２０ｎｍ蛍光波長：  ５Ｃ２＋６Ｃ３＝２１          …（６）
Ｃ．３６０ｎｍの励起波長に対して
・２８０ｎｍ蛍光波長：  なし                            …（７）
・３３０ｎｍ蛍光波長：  ２Ｃ２＋１Ｃ３＝７              …（８）
・４２０ｎｍ蛍光波長：  ５Ｃ２＋１０Ｃ３＝２５          …（９）
上記（１）  〜（９）  の連立方程式を解くことにより、以下の解が得られる。
実測の計測においては、計測結果にある程度の誤差が生じるので、（１）  〜（９）  の連立方程式の誤差が一番小さくなうように解を求めることになる（  最小自乗法等）。
Ｃ１  ：ベンゼンの濃度＝１０
Ｃ２  ：ナフタレンの濃度＝３
Ｃ３  ：アントラセンの濃度＝１
【００７１】
［第３の実施の形態］
図１１は、本実施の形態にかかるレーザ計測装置の要部概略図である。
図１１に示すように、本実施の形態にかかるレーザ計測装置の計測場１０には、信号光であるラマン散乱光１４、ミー散乱光１６以外のノイズ散乱光によるノイズを防止するために、散乱防止手段４１を設けている。
まず、図１２に示すように、光１２の照射により、ノイズ散乱光４２が計測場１０内に発生する。このノイズ散乱光４２は、計測場内の壁面からの散乱光であり、このノイズ散乱光４２の一部が信号光であるラマン散乱光１４及びミー散乱光１６と同一軸上で検出手段に入るとノイズとなる。
【００７２】
このノイズ散乱光４２は図１３に示すように、ラマン散乱光１４、ミー散乱光１６よりは検出器に到達する時間が遅れるので、パルスレーザ光を使用し、信号光（ラマン散乱光１４、ミー散乱光１６）に時間ゲートをかけて計測ゲートを短くすることである程度はノイズの影響を防止することができる。
【００７３】
さらに、信号光が弱い場合或いはノイズ散乱光が多量に発生する場合には、ノイズ散乱光４２が検出器側に入らないことを避けるために、散乱防止手段４１を設けてこれを防止している。
【００７４】
図１４は上記散乱防止手段４１の概略図である。図１４に示すように、散乱防止手段４１は、散乱防止手段本体４３の内部に凹凸面４４を設けており、入射した光１２のノイズ散乱光４２を封じ込め、外部へ反射させないようにしている。これにより、光１２による計測場１０でのノイズ散乱光の発生を防止している。
【００７５】
また、図１５に示すように、上記散乱防止手段４１を複数設けるようにしてもよい。
すなわち、図１５に示すように、入射した光１２の散乱防止用の散乱防止手段４１を光１２の光軸上の計測場の内壁面に設けると共に、発生した信号光（ラマン散乱光及びミー散乱光）の散乱防止用の散乱防止手段４１を光１２の光軸上の計測場の内壁面に設けている。
これにより、ノイズ散乱光の吸収により、ノイズのない信号光のみを検出することができる。
【００７６】
［第４の実施の形態］
図１６は、本実施の形態にかかる光計測装置を備えたガス化システムの概略図である。
本実施の形態では、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置を例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
【００７７】
以下、本発明であるガス化装置の実施例の構成に関して、添付図面を参照して説明する。
図１６を参照して、本実施の形態では、燃料及び空気をガス化炉１０１へ供給し、生成した生成ガス１０２は、配管１１０を通り、該配管１１０に介装されるポーラスフィルタ１２０、脱硫手段１２１及び除塵手段１２２を通過し、ガスタービン１１１へ供給される。その際、ガスタービン１１１に供給する生成ガス１０２の発熱量を正確に制御する必要がある。その制御は、第１の実施の形態で説明した光計測装置１００を使用して行う。すなわち、第１の実施の形態の光計測装置１００をガス化装置に組み込む。
【００７８】
そして、配管１１０の途中において、該配管１１０内を流れる生成ガス１０２のラマン散乱光及びミー散乱光の測定を行う。その測定結果に基づき、データ処理手段２９にて生成ガス１０２の組成を計算する。計算から計算結果が出るまでの時間は非常に短時間である。そして、その計算値に基づいて、制御部１０７で、ガス化炉１０１に供給する燃料および空気を制御する。このようにして、本発明により、ガス化炉１０１において生成される生成ガス１０２の発熱量が正確に制御される。
【００７９】
また、蛍光の計測により、ガス中の炭化水素の量を計測することができ、ガス化条件の確認を迅速に行うことができる。
【００８０】
本発明であるガス化装置の構成について、詳細に説明する。
ガス化炉１０１は、燃料及び空気の供給を受け、燃料及び空気を理論空燃比を小さくして不完全燃焼させ、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）等を生成させ、燃料ガスとして取り出すものである。本実施例では、燃料として石炭を用いている。
【００８１】
生成ガス１０２は、ガス化炉１０１により生成したガスである。石炭ガス化の場合、生成ガス１０２は、およそ一酸化炭素（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％の範囲の体積分率を有する。
【００８２】
配管１１０は、ガス化炉１０１とガスタービン１１１を結ぶ配管であり、ガス化炉１０１で生成した生成ガス１０２のガスタービン１１１への流路である。
【００８３】
ガスタービン１１１は、火力発電において、発電用に用いられるタービンである。生成ガス１０２の供給により運転している。
【００８４】
制御部１０７は、データ処理手段２９において計算された発熱量と、その時点で必要とされる発熱量（外部から入力）とを比較し、その差を計算する。そして、その結果に基づいて、生成ガス１０２の発熱量が必要とされる発熱量になるように、燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９の制御で燃料及び空気の増減を行う。燃料及び空気の増減量は、例えば、燃料及び空気の組成から生成ガスの組成を求め、発熱量を計算する方法において、燃料及び空気の組成を逐次代入する方法や、逆計算を行なう方法で計算できる。なお、制御部１０７の機能をデータ処理手段２９に行わせることも可能である。
【００８５】
燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９は、それぞれ燃料及び空気をガス化炉１０１へ供給するための弁であり、制御部１０７により制御される。
【００８６】
次に、本発明であるガス化装置の実施例の動作について、図面を参照して説明する。
図１６を参照して、ガス化炉１０１では、燃料である石炭及び空気の供給を受けて、ガスタービン１１１用の燃料である生成ガス１０２を生成している。生成ガス１０２の組成は、ガス化炉１０１の燃焼条件により決まる。また、ガスタービン１１１に必要な生成ガス１０２の発熱量は、ガスタービン１１１の運転条件で決まる。従って、ガスタービン１１１の運転条件に応じて、ガス化炉１０１の燃焼条件を対応させ、所望の生成ガスを生成する必要がある。燃焼条件の制御は、光計測装置１００による発熱量分析の結果に基づき、燃料である石炭及び空気の供給を制御することで行う。
以下に、本発明であるガス化装置の動作について、詳細に説明する。
【００８７】
ガス化炉１０１は、燃料及び空気（必要に応じて水蒸気）の供給を受け、それらを高温高圧下で空気と燃料の比を理論空気燃料費より小さくし、不完全燃焼させ、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２  ）、メタン（ＣＨ４）を主な燃料ガス成分とする生成ガス１０２を生成する。ガス化炉１０１の運転温度、運転圧力、燃料及び空気の供給量により、生成ガス２における各成分の体積分率が決まる。
【００８８】
ガス化炉１で生成された生成ガス１０２は、配管１１０を通りガスタービン１１１へ供給される。その際、配管１１０の途中に組み込まれたレーザ計測装置１００により、生成ガス１０２の発熱量の測定を行う。ここでは、配管１１０からサンプリング管等により生成ガス１０２の一部を測定装置に導く、という間接的な測定ではなく、配管１１０中の生成ガス１０２を直接測定する。直接測定により、ガスタービン１１１へ供給される生成ガス１０２の発熱量をより速く、より正確に測定することが可能となる。
【００８９】
上記光計測装置１００における動作は、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００９０】
上記レーザ計測装置１００により算出された生成ガス１０２の発熱量は、制御部１０７へ送られる。そして、そこで、算出された発熱量と必要とされる発熱量とを比較する。そして、その結果に基づいて、所望の発熱量になるように、運転条件を変化させる。運転条件として、ここでは、燃料及び空気を増減させる。増減方法は、制御部１０７が前述の算出結果に基づいて計算した所望の供給量になるように、燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９の制御を行う。
なお、他の運転条件（ガス化炉１０１の運転温度、運転圧力等）の制御により、生成ガス１０２の成分を制御することも可能である。
【００９１】
カラムを用いたガスクロマトグラフとは異なり、光を利用しているので、前処理の必要が無く、測定が迅速で応答性が非常に良い。また、配管１１０の生成ガス１０２を直接分析しているので、分析結果が非常に正確である。従って、正確な制御が必要なガスタービン１１１の生成ガス１０２の発熱量を、常に最適に制御することが可能となる。
【００９２】
また、水蒸気の量を計測することで、ガス火炉１０１内の熱交換器からのヒビ割れ等による水蒸気の漏れを確認することができる。
【００９３】
図１７はポーラスフィルタ１２０の概略構成図である。
図１７（ａ）は通常運転状態を示す。  図１７（ｂ）はリーク時の運転状態を示す。
図１７中、符号１２５はフィルタブロック、１２６は各フィルタブロックの各配管を開閉する遮断手段（バルブ）である。本実施の形態では、４本のフィルタブロック１２５ａ〜ｄとそれに対応するバルブ１２６ａ〜１２６ｄである。ポーラスフィルタ１２０の後流側には、煤塵計１２７が設けられている。
【００９４】
生成ガス１０２はダストを含むので複数のフィルタブロック１２５ａ〜１２５ｎにより除塵される。そして、各運転ブロックは出口側に遮断バルブ１２６ａ〜１２６ｎが設けられている。
【００９５】
そして、ダストの量が規定値以上となったときに、各ブロック１２５ａ〜１２５ｎを順次遮断し、煤塵濃度計１２７により煤塵の漏洩がどのブロックからかを特定し、例えばフィルタブロック１２５ｃの場合に漏れがあった場合には、バルブ１２６ｃでそのブロックを遮断する。
これにより、漏洩のあったフィルタブロックを迅速に特定でき、当該漏れがあるブロックの交換を迅速に行うことができる。
【００９６】
また、ガス化ガスの圧力及びＮ２、ＣＯ２、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ等のラマン散乱光の光量から窓汚れ効果を推定し、ダスト量を校正するようにしてもよい。
【００９７】
また、ダスト量の変動より、ガス化システムのメンテナンス時期を推定するようにしてもよい。
【００９８】
よって、本光計測装置をガス化システムに適用することで、連続して安定したガス化システムを構築することができる。
【００９９】
また、生成ガス中には含まれる炭化水素がある場合、これが冷却された場合に、下流側の装置（例えば脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等）の配管内部にタール分として付着し、配管の劣化を加速するという問題があるが、本発明により、生成ガス中の炭化水素の量を迅速に計測することで、適正なガス化条件とすることができる。
【０１００】
なお、本発明の光源としては、レーザ光源が最適ではあるが、レーザ光で代表される一定波長の光を照射する光源であれば、特に制限する必要はない。例えば、ランプの照射光をフィルタを介して取り出すことにより、一定波長の光を得ることができる。このように構成することによっても本願発明の所期の目的は達成し得る。この場合、レーザ光源よりも、安価な光源とすることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明により、計測場内の被測定ガスに光を照射する光源と、上記光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、上記光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う第１の光検出器と、上記光の照射により上記ガス中の炭化水素から生じる蛍光の計測を行う第２の光検出器と、上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を算出する計算部と、を具備するので、例えばガス火炉からの生成ガスの発熱量及びダスト量及び炭化水素量を高速、正確に分析することが可能となる。
【０１０２】
また、本発明により、複合型発電設備を備えた石炭ガス化システムにおいて、生成ガスの発熱量を配管途中で直接測定し、生成ガスの発熱量をより正確に制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる光計測装置の概略構成図である。
【図２】他の実施の形態にかかる光計測装置の概略構成図である。
【図３】ラマン散乱光及びミー散乱光の測定例を示す図である。
【図４】ラマン散乱光による水蒸気の漏洩の測定例を示す図である。
【図５】第２の実施の形態にかかる光計測装置の概略構成図である。
【図６】ベンゼンの蛍光強度と波長との関係図である。
【図７】ナフタレンの蛍光強度と波長との関係図である。
【図８】アントラセンの蛍光強度と波長との関係図である。
【図９】計測対称ガスからの蛍光強度と波長との関係図である。
【図１０】光照射方法の一例を示す図である。
【図１１】本実施の形態にかかる光計測装置の要部概略図である。
【図１２】光照射による散乱ノイズ光の散乱状態図である。
【図１３】光照射による散乱ノイズ光の測定例を示す図である。
【図１４】光照射による散乱防止手段の構成図である。
【図１５】本実施の形態にかかる光計測装置の要部概略図である。
【図１６】ガス化システムの構成図である。
【図１７】ガス化装置のフィルタの概略構成図である。
【図１８】従来のガス化装置の形態を示す構成図である。
【図１９】レーザによるダスト計測の概略図である。
【符号の説明】
１０  計測場
１１  被測定ガス
１２  光
１３  光源
１４  ラマン散乱光
１５  分光器
１６  ミー散乱光
１７  第１の光検出器
１８  蛍光
１９  第２の光検出器
２０  データ処理手段
３１  ミラー
３２ａ，３２ｂ  計測窓
３３  集光手段
３４  ＩＣＣＤカメラ
【図１】
2005024250.tif 000007
【図２】
2005024250.tif 000008
【図３】
2005024250.tif 000009
【図４】
2005024250.tif 000010
【図５】
2005024250.tif 000011
【図６】
2005024250.tif 000012
【図７】
2005024250.tif 000013
【図８】
2005024250.tif 000014
【図９】
2005024250.tif 000015
【図１０】
2005024250.tif 000016
【図１１】
2005024250.tif 000017
【図１２】
2005024250.tif 000018
【図１３】
2005024250.tif 000019
【図１４】
2005024250.tif 000020
【図１５】
2005024250.tif 000021
【図１６】
2005024250.tif 000022
【図１７】
2005024250.tif 000023
【図１８】
2005024250.tif 000024
【図１９】
2005024250.tif 000025