(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭ガス化装置で生成された常圧よりも高圧な石炭ガス化ガスが流れる配管と、
前記配管の途中における前記石炭ガス化ガスの流路を絞った絞り部材の出口の直後の箇所に設けられた測定部と、
前記測定部を通過する前処理をしていない前記石炭ガス化ガスに波長が４００ｎｍ以上のレーザー光を照射するレーザー部と、
前記レーザー光の照射により前記石炭ガス化ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行う分光部と、
前記計測の結果から前記石炭ガス化ガスの発熱量を算出する計算部と
を具備し、
前記測定部は、
前記レーザー光が通過する窓と、
前記窓と前記測定部の前記石炭ガス化ガスが通過する領域との間に設けられ、前記窓を前記石炭ガス化ガスから保護し、前記レーザー光が前記石炭ガス化ガスへ照射されるとき開く弁と
を備える
ガス発熱量測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、前記レーザー光を照射するとき、前記窓を前記石炭ガス化ガスから保護するように、前記窓から前記領域へ向かう方向に不活性ガスを流す
請求項１に記載のガス発熱量測定装置。
【請求項３】
前記石炭ガス化ガスは、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
前記レーザー光の波長が、前記有機芳香族物質からの散乱光の強度が前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
請求項１乃至２のいずれかに記載のガス発熱量測定装置。
【請求項４】
前記レーザー光が、偏光した光である
請求項１乃至３のいずれかに記載のガス発熱量測定装置。
【請求項５】
燃料と空気の供給により、燃焼用の常圧よりも高圧な石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉から延びている前記石炭ガス化ガスが流れる配管の途中における前記石炭ガス化ガスの流路を絞った箇所に設けられ、前記石炭ガス化ガスの発熱量の算出を行う請求項１乃至４のいずれかに記載のガス発熱量測定装置と、
前記算出の結果に基づいて、前記燃料及び前記空気の供給の制御を行う制御部と
を具備する
ガス化装置。
【請求項６】
石炭ガス化装置で生成され前処理をしていない、常圧よりも高圧な石炭ガス化ガスを、測定領域を含む配管に流すステップと、ここで、前記測定領域は、前記配管の途中における前記石炭ガス化ガスの流路を絞った箇所に設けられ、
前記測定領域へ波長が４００ｎｍ以上のレーザー光を導入する窓と前記配管との間に設けられ前記窓を前記石炭ガス化ガスから保護する弁を開くステップと、
前記石炭ガス化ガスに前記レーザー光を照射するステップと、
前記レーザー光の照射により前記石炭ガス化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、
前記計測の結果から前記石炭ガス化ガスの発熱量を算出するステップと
を具備する
ガス発熱量測定方法。
【請求項７】
前記開閉部を開くステップ部は、前記窓から前記領域へ向かう方向に不活性ガスを流すステップを備える
請求項６に記載のガス発熱量測定方法。
【請求項８】
前記石炭ガス化ガスが、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
前記レーザー光の波長が、前記有機芳香族物質からの散乱光の強度が前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
請求項６乃至７のいずれかに記載のガス発熱量測定方法。
【請求項９】
燃料と空気の供給により、燃焼用の常圧よりも高圧な石炭ガス化ガスを生成するステップと、
レーザー光を用いて前記石炭ガス化ガスの分析を行い、前記分析の結果に基づいて、前記石炭ガス化ガスの発熱量の算出を行う請求項６乃至８のいずれか一項に記載のガス発熱量測定方法を実行するステップと、
を具備する
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、ガス化装置及びガス発熱量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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６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１、生成ガス２、サンプリング管３、前処理部４、ガスクロマトグラフ５、計算部６、制御部７、燃料供給弁１３、空気供給弁１４、配管１２、ガスタービン１１からなる。ガス化炉１は、燃料（石炭）供給弁１３及び空気供給弁１４を経由して石炭及び空気の供給を受け、ガスタービン１１用の高温・高圧（例えば４００℃、３０気圧）の生成ガス２を生成する。生成ガス２は、ガスタービン１１に送られる配管１２の途中で、その一部が、サンプリング管３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４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５へ送る。ガスクロマトグラフ５では、サンプリングガスである生成ガス２が分析され、ガスの組成が測定される。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６にいおて、単位体積当たりの発熱量Ｑ（ｋｃａｌ／Ｎｍ３）が計算される。生成ガス２の発熱量Ｑの計算結果は、制御部７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１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１３及び空気供給弁１４により石炭及び空気の供給量が制御され、生成ガス２の発熱量が常に許容範囲に入るように制御される。
【０００４】
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１による生成ガス２の発熱量をガスクロマトグラフ５で測定し、その値によってガス化炉１を制御していた。しかし、ガスクロマトグラフ５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。
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４において、降圧、冷却、除塵、除湿時にトラうブルが起きる場合があり、メインテナンスに労力を要していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ガスの組成を高速に測定することが可能なガス発熱量測定装置及びガス発熱量測定方法を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的としては、ガスの組成を低ノイズで計測することが可能なガス発熱量測定装置及びガス発熱量測定方法を提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、ガスの組成を前処理を行うことなく計測することが可能なガス発熱量測定装置及びガス発熱量測定方法を提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、ガスの組成から、ガスの発熱量を計算することが可能なガス発熱量測定装置及びガス発熱量測定方法を提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、生成ガスの組成を高速、低ノイズかつ前処理無しで測定することが可能なガス化装置及びガス化方法を提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、生成ガスをサンプリングすることなく、配管途中で直接にガス組成分析し、その結果に基づいてガス発熱量を精度良く求めることが可能なガス化装置及びガス化方法を提供することである。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、生成ガスの発熱量を正確に制御することが可能なガス化装置及びガス化方法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ために、本発明のガス発熱量測定装置は、試料としてのガスにレーザー光を照射するレーザー部（図２（ａ）、３９）と、前記レーザー光の照射により前記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行う分光部（図２（ａ）、４１）と、前記計測の結果から前記ガスの発熱量を算出する計算部（図２（ａ）、６）とを具備する。
【００１３】
また、本発明のガス発熱量測定装置は、前記ガスが、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、前記レーザー光（図２（ａ）、３０）の波長が、前記有機芳香族物質からの散乱光の強度が前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。
【００１４】
更に、本発明のガス発熱量測定装置は、前記レーザー光（図２（ａ）、３０）が、波長が４００ｎｍ以上である。
【００１５】
更に、本発明のガス発熱量測定装置は、前記レーザー光（図２（ａ）、３０）が、偏向した光である。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明のガス化装置（図１、３０）は、燃料と空気の供給により、燃焼用のガスを生成するガス化炉（図１、１）と、レーザー光を用いて前記ガスの分析を行い、前期分析の結果に基づいて前記ガスの発熱量の算出を行うガス発熱量測定装置（図１、４２）と、前記算出の結果に基づいて、前記燃料及び前記空気の供給の制御を行う制御部（図１、７）とを具備する。
【００１７】
また、本発明のガス化装置は、前記ガス発熱測定装置（図１、４２）が、上記のいずれかのガス発熱量測定装置（図２（ａ））である。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明のガス発熱量測定方法は、試料としてのガスにレーザー光を照射するステップと、前記レーザー光の照射により前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、前記計測の結果から前記ガスの発熱量を算出するステップとを具備する。
【００１９】
また、本発明のガス発熱量測定方法は、前記ガスが、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、前記レーザー光の波長が、前記有機芳香族物質からの散乱光の強度が前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。
【００２０】
更に、本発明のガス発熱量測定方法は、前記レーザー光の波長が、４００ｎｍ以上である。
【００２１】
更に、本発明のガス発熱量測定装置は、前記ガスからの前記レーザー光の反射光（図２（ｂ）、３５）以外の散乱光（図２（ｂ）、３１）について、波長毎の強度の計測を行う。
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明のガス化方法は、燃料と空気の供給により、燃焼用のガスを生成するするステップと、前記ガスにレーザー光を照射するステップと、前記レーザー光の照射により前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、前記計測の結果に基づいて、ガスの発熱量の算出を行うステップと、前記算出の結果に基づいて、前記燃料及び前記空気の供給の制御を行うステップとを具備する。
【００２４】
【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。
【００２５】
（実施例１）
本実施例では、本発明であるガス化装置用のガス発熱量測定装置に関する実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２６】
図２（ａ）は、本発明であるガス発熱量測定装置４２の実施例を示すブロック図であり、レーザー部３９、サンプル部４０、分光部４１（以上、ガス測定部８）、計算部６からなる。
レーザー部３９は、レーザー１５、パワーメータ１６、第１のミラー１７、第１のレンズ１８を具備し、レーザー光３０を出力し、測定試料であるガスへ照射する機能を有する。サンプル部４０は、第１の石英窓１９、第２の石英窓２０、電磁弁１０、計測部９、パージガイド２１を具備し、レーザー光３０が照射できるような形で、測定試料であるガス（以下、「測定ガス」という）を内部に保持又は流通させる機能を有する。分光部４１は、第２のレンズ２２、第３のレンズ２３、偏光素子２４、第２のミラー２５、フィルター２６、第４のレンズ２７、分光器２８、ＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ２９を具備し、測定ガスからの散乱光３１を分光し、測定データとして取り出す機能を有する。計算部６は、測定データに基づいて、測定ガスの発熱量を計算する機能を有する。レーザー光を用いた本ガス発熱量測定装置４２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。
【００２７】
以下に、本発明であるガス発熱量測定装置４２の構成の詳細について、図２（ａ）を参照して説明する。
まず、レーザー光３０を出力しサンプルガスへ照射する機能を有するレーザー部３９について説明する。
レーザー１５は、レーザー発信によりレーザー光３０を出力する。使用するレーザー１５により、レーザー光３０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、５３２ｎｍのものを用いている。
【００２８】
パワーメータ１６は、レーザー１５から出力されるレーザー光３０の進行方向上の、レーザー１５の先にやや離れてある。その測定部にレーザー光３０を通過させることにより、レーザー光３０の出力を正確に計測することが出来る計測機器である。この数値をフィードバックし、レーザー１５の出力を調整する。
【００２９】
第１のミラー１７は、レーザー１５から出力されたレーザー光３０の進行方向上の、パワーメータ１６の先にやや離れてある。レーザー光３０の進行方向を、測定ガスの存在する測定領域４４の方向へ、反射により向けさせるミラーである。
【００３０】
第１のレンズ１８は、第１のミラー１７で反射したレーザー光３０の進行方向（測定領域４４の方向）上であって、ミラーから少し離れた位置にある。レーザー光３０が測定領域４４の中心で焦点を結ぶように、レーザー光３０を絞るレンズである。
【００３１】
次に、レーザー光３０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サンプル部４０について説明する。サンプル部４０は、測定ガスが内部に存在しており、それを外部（レーザー部３９や分光部４１を含む）にリークさせないような構造をしている。測定用のレーザー光３０及び測定ガスからの散乱光は、石英窓から出入りする。
【００３２】
第１の石英窓１９及び第２の石英窓２０は、サンプル部４０の端にあり、レーザー光３０の進行方向上の、第１のレンズ１８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、その窓をレーザー光３０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。
【００３３】
電磁弁１０は、レーザー光３０の進行方向上の、第２の石英窓２０の先にやや離れてある。測定ガスを保持又は流通させる部分（計測部９）と、第２の石英窓２０のある部分とを隔絶するための弁である。通常は、閉じている。これは、長期間に渡り第２の石英窓２０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、その汚れの為にレーザー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。
【００３４】
パージガイド２１は、レーザー光３０の進行方向上の、電磁弁１０の先にやや離れてある。測定ガスが、第１の石英窓１９及び第２の石英窓２０の方へ流入するのを防止するために、電磁弁１０の脇から計測部９へ向けてパージガスを流す際のガイドである。測定ガスの流入を防止するのは、測定ガス中の不純物により第２の石英窓２０が汚されるのを防止するためにである。石英窓の汚れは、レーザー光３０による測定を困難にするからである。
【００３５】
計測部９は、レーザー光３０の進行方向上の測定ガスが存在している測定領域４４を含む場所であり、パージガイド２１に隣接している。測定領域４４に存在するガスにレーザー光３０が照射されることにより測定がなされる。ただし、測定ガスは、この場所で留まっている必要は無く、計測部９が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。
【００３６】
ここで、サンプル部４０に関して、図３を参照して、更に説明する。図３（ａ）は側面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）において、測定ガス流路３７とサンプル部４０とは計測部９において交差している。測定ガスは、測定ガス流路３７を通り、計測部９に達し、更にその先へ流れていく。その際、計測部９での測定ガスの密度が高くなるように、測定ガス流路３７の内部に絞り３６が設置されている。設置場所は、絞り３６の出口が計測部９の直前になる位置である。密度を高くするのは、レーザー光３０が測定ガスに照射されてできる散乱光の強度を上げて、測定精度を向上させるためである。絞り３６の入口（計測部９と反対の側）は測定ガス流路３７と同等の円形の開口広さであるが、流路を絞り、計測部９の直前の出口では、狭い楕円形の開口広さとなっており（図３（ｂ））、計測部９の測定領域４４において著しく測定ガスの密度が高くなる。
【００３７】
また、パージガス３８は、電磁弁１０の脇からパージガイド２１を通過し、測定ガス流路３７へ排出される。このガスの流れにより、測定ガスが、測定ガス流路３７から第２の石英窓２０の方へ流れ込まない。通常、パージガス３８として不活性ガスを用い、ここでは、窒素ガスを使用している。
【００３８】
次に、測定ガスからの散乱光３１を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光部４１について説明する。ここで、測定領域４４の中心部から散乱された散乱光３１は、レーザー光３０からある角度をなして、計測部９−パージガイド２１−電磁弁１０−第２の石英窓−第１の石英窓１９を経て、分光部４１へ入る。
第２のレンズ２２及び第３のレンズ２３は、サンプル部４０の第１の石英窓１９の外側の、散乱光３１の進行方向上に、この順にやや離れてある。測定ガスによる散乱光３１を集光するためのレンズである。
【００３９】
偏光素子２４は、散乱光３１の進行方向上の、第３のレンズ２３の先にやや離れてある。散乱光３１の内、特定の偏光面を持つ散乱光３２のみを進行方向は変えずに透過させる偏光素子である。
【００４０】
第２のミラー２５は、散乱光３２の進行方向上の、偏光素子２４の先にやや離れてある。散乱光３２の進行方向を曲げて分光器２８方向へ導くミラーである。
【００４１】
フィルター２６は、第２のミラー２５で曲げられた散乱光３２の進行方向上の、第２のミラー２５の先にやや離れてある。特定の波長の散乱光３３のみ透過させるフィルター２６である。ここでは、５７０〜７００ｎｍの光が透過するフィルターを使用する。
【００４２】
第４のレンズ２７は、散乱光３３の進行方向上の、フィルター２６の先にやや離れてありる。散乱光３３を分光器２８に集光する。
【００４３】
分光器２８は、散乱光３３の進行方向上の第４のレンズ２７の先にある。充分に狭い複数の波長領域に散乱光３３を分光する。
【００４４】
ＩＣＣＤカメラ２９は、分光器２８に接続されている。光の強度を計測する光電子増倍型のデバイスである。分光器２８で分光された各波長の光の強度を計測する。
【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計算部６について説明する。
計算部６は、各波長毎の散乱光３３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。
【００４６】
次に、本発明であるガス化装置のガス発熱量測定装置４２の実施例に関する動作について、図２、図３、図４、図７を参照して説明する。
【００４７】
まず、ガス発熱量測定装置４２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。
波数ν（波長λの逆数）のレーザー光を物質に照射し、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、レーザー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７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。
【００４８】
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、波長が長いレーザー光を使用する場合、散乱光の強度は著しく低下する。従って、波長の長過ぎるレーザーは用いられない。
【００４９】
次に、本発明であるガス発熱量測定装置４２に関する動作について、図２、図３、図４を参照して説明する。
まず、図２（ａ）において、レーザー１５からレーザー光３０が発射される。本実施例では、レーザー光３０は、パルスの形で発射し、それと同期を取った分光器２８及びＩＣＣＤカメラ２９により散乱光３３の計測が行われる。また、継続的にレーザー光３０を発射し、それの散乱光３３を計測することも可能である。
【００５０】
また、本実施例では、可視光である波長５３２ｎｍのレーザーを使用する。
レーザー波長の選択は、以下のような観点から行った。もし、４００ｎｍより波長の短い３５５ｎｍの紫外光レーザーでは、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、レーザー波長を選択した。
【００５１】
また、レーザー光３０は、偏光した光である偏光を用いる。偏光のレーザー光を出力するレーザーを使用しても良いし、偏光素子を通過させたレーザー光を使用しても良い。そのようなレーザー光３０を用いると、測定ガスからの散乱光３１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、途中に入れた偏光素子２４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２４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。
【００５２】
レーザー光３０は、計測部９の中心付近の測定領域４４で焦点を結ぶように、ミラー１７で方向を曲げられ、第１のレンズ１８で絞られる。そして、サンプル部４０の第１の石英窓１９及び第２の石英窓２０を透過し、測定ガスの存在する計測部９へ到達する。
【００５３】
図２（ａ）の計測部９において、測定用のレーザー光３０は測定領域４４の測定ガスに入射すると、測定ガスに散乱されて、強度の強い反射光３５とその他の散乱光となる。図２（ｂ）において、反射光３５は、レーザー光３０がそのまま反射した反射光であり、測定したい測定ガスからのラマン散乱光に比較して非常に強度が強い。従って、反射光３５が、後段の分光部４１に進入して測定の妨げとなることがないように、測定する散乱光は、反射光３５の方向から角度をずらした、散乱光３１とする。散乱光３１の測定により、角度のずれた反射光３５の影響は受けずに済む。散乱光３１の方向は、レーザー光３０と反射光３５が成す角を二等分する方向から、ある角度だけずれた方向とする。その角を散乱角αと呼ぶことにする。散乱角α３４は、５〜３０度であり、本実施例では、５度である。散乱角α３４が小さいほど、散乱光３１の強度は強くなり、測定精度が向上するが、反射光３５の影響も強くなる。逆に散乱角α３４が大きいほど、散乱光３１の強度は弱くなるが、反射光３５の影響も弱くなる。従って、両者の兼ね合いと、他の測定条件等を勘案し、適切な値を選択する。
【００５４】
散乱光３１は、第２の石英窓２０及び第１の石英窓１９を経由して第２のレンズ２２及び第３のレンズ２３で集光される。測定に用いる光の強度を高めるためである。
【００５５】
そして集光された散乱光３１は偏光素子２４を通過し、偏光である散乱光３２となる。このとき、偏光素子２４と同じ偏光面を持った散乱光しか偏光素子２４を通過できない。レーザー光３０は、偏光であるので、そのラマン散乱光も偏光である。しかし、単なる乱反射光や蛍光は、偏光ではないので、この時点でカットすることが可能である。
【００５６】
さらに、散乱光３２は、第２のミラー２５で分光器２８へ向けて反射された後、フィルター２６で、波長が５７０ｎｍ〜７００ｎｍ以外の成分がカットされた、最終的な散乱光３３となる。フィルター２６により、残っていたレーザー光３０の反射成分（波長５３２ｎｍ）を除去することが出来る。この散乱光３３は、ノイズ光やレーザー光３０の反射光３５をほとんど含まない、計測対象ガスからのラマン散乱光である。
【００５７】
最終的に得られた散乱光３３は、分光器２８に入いる。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２９により測定することにより測定結果が得られる。
【００５８】
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３３の強度のデータ）は、計算部６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２全体の単位体積当たりの発熱量である。
【００５９】
図４において、本実施例１のガス発熱量測定装置４２を用いて、ガス化装置で生成されたガスを測定した結果を示す。（ａ）、（ｂ）とも、縦軸は、散乱光３３の信号強度（最大値で正規化）、横軸は、計測チャンネルである。計測チャンネルは、波長に対応している。そして、（ａ）は、波長３５５ｎｍの紫外光レーザーによる計測結果であり、（ｂ）は、波長５３２ｎｍの本実施例での可視光レーザーによる計測結果である。図で明らかなように、（ａ）では、その有機芳香族物質からの散乱光であるノイズ光が非常に大きく、測定対象物質（ＣＯ２，ＣＯ，Ｎ２，ＣＨ４，Ｈ２Ｏ，Ｈ２）の信号のＳ／Ｎに悪影響を与えている。しかし、（ｂ）の本実施例の波長５３２ｎｍのレーザー光３０では、ノイズ光の影響がほとんど無くなっている。
【００６０】
本実施例で示したガス発熱量測定装置４２では、（１）レーザー光３０の波長を紫外域から可視域にしたことにより、有機芳香族物質からの散乱光をほぼゼロに抑えることが可能となる、（２）偏光であるレーザー光３０を使用しているので、ラマン散乱光も偏光であり、従って、偏光素子２４により、他のノイズとなる散乱光等は除去される、（３）レーザー光３０の反射光３５の方向からある角度を成す方向の散乱光３１を計測しているので、強度の非常に大きい反射光３５の影響を少なく出来る、等の効果により測定精度を大きく向上させる効果がある。
【００６１】
また、パージガス３８を導入することにより、前処理無しで、ガス発熱量測定装置４２を汚染することなく、配管１２中のガスを直接測定することが可能となり、従って、高速で測定が可能となる。
【００６２】
なお、本実施例で使用されている、ミラーおよびレンズは、レーザー１５、計測部９および分光器２８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。
【００６３】
（実施例２）
次に、本発明であるガス化装置の第二の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例では、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置に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。
【００６４】
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１を参照して、本実施例では、燃料及び空気をガス化炉１へ供給し、生成した生成ガス２は、配管１２を通り、ガスタービン１１へ供給される。その際、ガスタービン１１に供給する生成ガス２の発熱量を正確に制御する必要がある。その制御は、実施例１で説明したガス発熱量測定装置４２を使用して行う。すなわち、実施例１のガス発熱量測定装置４２をガス化装置に組み込む。そして、配管１２の途中において、ガス測定部８を用いて、配管１２を流れる生成ガス２のラマン散乱光の測定を行う。その測定結果に基づき、計算部６にて生成ガス２の組成を計算する。計測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７で、ガス化炉１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１において生成される生成ガス２の発熱量が正確に制御される。
【００６５】
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１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。
【００６６】
生成ガス２は、ガス化炉１により生成したガスである。石炭ガス化の場合、生成ガス２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。
【００６７】
配管１２は、ガス化炉１とガスタービン１１を結ぶ配管であり、ガス化炉１で生成した生成ガス２のガスタービン１１への流路である。
【００６８】
ガスタービン１１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２の供給により運転している。
【００６９】
計算部６、ガス測定部８、計測部９、電磁弁１０は、実施例１で説明したガス発熱量測定装置４２の一部である。
計測部９は、配管１２とガス測定部８とが交わっている場所である。この場所において、生成ガス２がガス発熱量測定装置４２により、その発熱量を測定される。また、実施例１の測定ガス流路３７は、本実施例においては、配管１２に相当し、絞り３６は、配管１２内に設置されている。計算部６の生成ガス２の発熱量の計算結果は、制御部７に出力される。
その他の各部は、実施例１と同様なので説明は省略する。
【００７０】
制御部７は、計算部６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２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１３及び空気供給弁１４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７の機能を計算部６に行わせることも可能である。
【００７１】
燃料供給弁１３及び空気供給弁１４は、それぞれ燃料及び空気をガス化炉１へ供給するための弁であり、制御部７により制御される。
【００７２】
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１を参照して、ガス化炉１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１１用の燃である生成ガス２を生成している。生成ガス２の組成は、ガス化炉１の燃焼条件により決まる。また、ガスタービン１１に必要な生成ガス２の発熱量は、ガスタービン１１の運転条件で決まる。従って、ガスタービン１１の運転条件に応じて、ガス化炉１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、ガス発熱量装置装置４２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。
【００７３】
ガス化炉１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２を生成する。ガス化炉１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。
【００７４】
ガス化炉１で生成された生成ガス２は、配管１２を通りガスタービン１１へ供給される。その際、配管１２の途中に組み込まれたガス発熱量測定装置４２により、生成ガス２の発熱量の測定を行う。ここでは、配管１２からサンプリング管等により生成ガス２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１２中の生成ガス２を直接測定する。直接測定により、ガスタービン１１へ供給される生成ガス２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。
【００７５】
ガス発熱量測定装置４２における動作は、実施例１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７６】
ガス発熱量測定装置４２により算出された生成ガス２の発熱量は、制御部７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７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用に、燃料供給弁１３及び空気供給弁１４の制御を行う。
なお、他の運転条件（ガス化炉１の運転温度、運転圧力等）の制御により、生成ガス２の成分を制御することも可能である。
【００７７】
カラムを用いたガスクロマトグラフとは異なり、レーザー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１２の生成ガス２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１１の生成ガス２の発熱量を、常に最適に制御することが可能となる。
【００７８】
（実施例３）
次に、本発明であるガス化装置の第三の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例では、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置に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。
【００７９】
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。
図５を参照して、本実施例のガス化装置は、実施例２のガス発熱量測定装置４２が配管１２内の生成ガス２を直接分析するのに対して、サンプル管３によりサンプリングした生成ガス２の一部をガス発熱量測定装置４２で測定する点が、実施例２と異なる。その他の構成及び動作は、実施例２と同様である。本実施例においても、ガス化炉１において生成される生成ガス２の発熱量が正確に制御される。
【００８０】
次に、本発明であるガス測定装置の実施例の構成について、詳細に説明する。図５を参照して、サンプリング管３は、ガス化炉１で生成された生成ガス２（ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４等）が流れる配管１２から、測定試料として生成ガス２の一部を抜き取る。抜き取りは、連続的な小流量の生成ガス２の分流とすることや、少量だけの抜き取りとすることが可能である。
【００８１】
前処理部４は、サンプリング管３で採取された生成ガス２に対し、降圧、冷却、除塵、除湿等の後、常圧・常温で乾燥し、かつ塵を含まない状態にする前処理を行うことが可能である。前処理が不必要な場合には、処理を行わずに生成ガス２を通過させることも可能である。
【００８２】
計測部９は、前処理部４を通り出てきた生成ガス２を、レーザー光３０を用いて分析測定する場所である。
【００８３】
上記以外の本実施例における各構成部は、実施例２と同様なので、説明を省略する。
【００８４】
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。
ガス化炉１は、燃料及び空気（必要に応じて水蒸気）の供給を受け、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２を生成する。
【００８５】
ガス化炉１で生成された生成ガス２は、配管１２を通りガスタービン１１へ供給される。その際、配管１２の途中で、サンプリング管３が、生成ガス２の一部を採取する。採取された生成ガス２は、前処理部４へ入る。前処理部４においては、ガスが非常に汚れている場合等において必要に応じて前処理を行う。ただし、生成ガス２が清浄ならば、必ずしもその必要はない。前処理部４から出た生成ガス２は、ガス発熱量測定装置４２の計測部９において、生成ガス２の発熱量の測定を行う。測定済みの生成ガス２は、元の配管１２に戻すか、又は、排気する。
【００８６】
ガス発熱量測定装置４２における動作を含むその他の動作は、実施例１及び実施例２と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００８７】
本実施例では、実施例２と異なり、配管１２上でガス発熱量の測定を行っていない。配管や装置上の要請により、配管１２に直接にガス発熱量測定装置４２を接合しない場合や、生成ガス２の状態により、分析前に前処理が必要な場合等において、本実施例のケースを用いることが可能である。
【００８８】
また、本実施例では、実施例２と異なり、前処理部４での前処理を行う場合には、迅速性という面で若干実施例２に劣るものの、ラマン散乱光を用いる分析の性質上、カラムを用いたガスクロマトグラフに比較して充分に高速に測定することが可能である。また、前処理が必要ない場合には、実施例２と同等の高速応答性を持った測定を行うことが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明により、ガスを高速、低ノイズで正確に分析し、分析結果からガスの正確な発熱量を計算することが可能となる。
【００９０】
また、本発明により、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】本発明であるガス化装置の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】（ａ）本発明であるガス発熱量測定装置の実施の一形態を示す構成図である。
（ｂ）本発明であるガス発熱量測定装置の実施の一形態におけるレーザー光の散乱経路を説明する図である。
【図３】（ａ）本発明であるガス発熱量測定装置の実施の一形態の一部を示す構成図である。
（ｂ）本発明であるガス発熱量測定装置の実施の一形態の一部を別角度から見た示す構成図である。
【図４】（ａ）レーザー波長３５５ｎｍを用いた場合の、ガス発熱量測定装置を用いたガス分析の測定結果である。
（ｂ）レーザー波長５３２ｎｍを用いた場合の、本発明であるガス発熱量測定装置の実施の一形態を用いたガス分析の測定結果である。
【図５】本発明であるガス化装置の他の実施の一形態を示す構成図である。
【図６】従来のガス化装置の形態を示す構成図である。
【図７】ラマン散乱光の測定例を示す図である。
【符号の説明】
１    ガス化炉
２    生成ガス
３    サンプリング管
４    前処理部
５    ガスクロマトグラフ
６    計算部
７    制御部
８    ガス測定部
９    計測部
１０    電磁弁
１１    ガスタービン
１２    配管
１３    燃料供給弁
１４    空気供給弁
１５    レーザー
１６    パワーメータ
１７    第１のミラー
１８    第１のレンズ
１９    第１の石英窓
２０    第２の石英窓
２１    パージガイド
２２    第２のレンズ
２３    第３のレンズ
２４    偏光素子
２５    第２のミラー
２６    フィルター
２７    第４のレンズ
２８    分光器
２９    ＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ
３０    レーザー光（入射光）
３１    散乱光
３２    散乱光（偏光成分）
３３    散乱光（フィルターを透過したもの）
３４    散乱角α
３５    反射光
３６    絞り
３７    測定ガス流路
３８    パージガス
３９    レーザー部
４０    サンプル部
４１    分光部
４２    ガス発熱量測定装置
４３    窓
４４    測定領域
【図１】
0003842982.tif 000002
【図２】
0003842982.tif 000003
【図３】
0003842982.tif 000004
【図４】
0003842982.tif 000005
【図５】
0003842982.tif 000006
【図６】
0003842982.tif 000007
【図７】
0003842982.tif 000008