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特集論文

温室効果ガスの高精度モニタリング技術の開発
Development of High-Precision Monitoring
Technology of Green House Gases
牟 田 研 二＊1

田 浦 昌 純＊2

菊 川 知 之＊4

中Kenji Muta

Tomoyuki Kikugawa

飯 嶋 正 樹＊3

Masazumi Tanoura

屋Ko Nakaya

Masaki Iijima

耕＊5

大気環境中やプラント周辺における温室効果ガス（CO2，CH4，N2O ほか）の高精度モニタリング技術を開発した．本技術は，波長可変半導体レーザ吸収分光法に基づき，これに，独自の波長変調技術やレーザ波長安定化技術を加え，高い計側感度・高い応答性・高い安定性を実現した．

1．はじめ

表１に

温室効果ガス及び大気汚染ガスの計測波長
1.2

地球温暖化対策には，CO2，CH4，N2O の排出量削

CO2減，温室効果ガス吸収源対策の推進などの，環境と経CH4済の両立が可能な実践プログラムの推進・実行と併せ1.3

1.4

1.5

1.61.71.81.9μm

N 2Oて，その効果を定量的に評価・認証するための，温室CO効果ガスの監視が必須である．
筆者らは，発電用ボイラや大型ごみ焼却炉などの炉NO内における O2，CO，NOx などの濃度監視のために，

NO2

近赤外波長可変半導体レーザ吸収分光（TDLAS ：：特性吸収帯

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，以下 TDLAS と呼ぶ）法を利用したガス濃度計測システの光を，分子に照射すると，分子による光吸収が起こムを開発し，パイロットプラントや実機などでの炉内り，その吸収強度から分子の濃度の情報が得られる．

ガス濃度計測，大気中の CO2 濃度への自動車排

2．2 装置構成及び機能（1）〜（3）装置のブロックダイアグラムを図１に，測定ユニッガスの影響の計測試験等 を通じて，その有効性を確（4）認してきた．

ト外観を図２に示す．装置は，以下で構成される（6）．

本方法は，共存ガスなどの影響を受けずに，ガス濃（1）光源：アンリツ（株）でガス検知用途に開発した，度を高感度で連続計測可能であり，排出源・吸収源及近赤外領域の光を室温で発振する，歪多重量子井戸

び広域における温室効果ガスのモニタリング技術とし構造を持つ分布帰還型（MQW-DFB）InGaAs（P）半て，最も実用に近い技術の一つである．本報では，本導体レーザ（LD）で，特定のガス種に対応した単技術の原理と特徴，温室効果ガスの計測例，応用展開色の波長の光を発振する（7）．

について報告する．

2．測定原理と特徴
2．1（2）受光器： InGaAs フォトダイオード（PD）で，レーザ光の強度を計測する．
（3）参照セル：既知濃度の標準ガスを一定圧力で封入し，濃度校正とレーザの波長安定化に使用する．

測 定 原 理開発したガスモニタリング技術は，波長可変半導体（4）測定ユニット：レーザの波長に変調をかけ，受光レーザ吸収分光法に基づいている．ガス状分子は，波した光信号の中から，その変調周波数に同期した信長１〜２μ m の近赤外領域に，分子内振動に起因す号を取り出し，濃度情報を得る．

る特性吸収を有する．表１に，CO2，CH4，N2O 等の（5）LD ドライバユニット： LD の温度・電流設定を特性吸収帯を示す ．一つの吸収帯は，多数の吸収線行い，レーザの発振波長を設定する．

からなり，この吸収線のいずれか一本に合致した波長

LD から発振したレーザ光は，ハーフミラーで 2 つ（5）

技術本部先進技術研究センター化学・反応プロセスグループ
技術本部先進技術研究センター化学・反応プロセスグループ主席
理博＊3
プラント・交通システム事業センター CO2 事業推進グループ長
＊1
＊2

＊4

アンリツ
（株）
コアテクノロジー R&D センター ガスセンサ開発プ
ロジェクト C チーム部長＊5（財）電力中央研究所環境科学研究所生物環境領域主任研究員

209〈TDLAS 光源部〉
ハーフミラー
半導体レーザモジュール
レーザ参照部
受光器〈計測領域〉
計測域
受光器
背景光参照セル背景光受光器

ミラー制御信号
・ガス濃度
解析・表示
・粒子濃度
PC（・フラックス）

参照信号
TDLAS
TDLAS制御
制御/解析部／解析部

背景光強度信号
計測信号

図１ TDLAS 法によるガスモニタリング装置の基本構成

半導体レーザを用いた波長変調方式のガスモニタリング装置の系統図を示す．に分けられ，１つは，参照セルを通り，参照部受光器

表２

図２ ガスモニタリング装置の測定ユニットの外観

TDLAS 法により計測可能なガス種と計測感度化学種で受光され，ガス濃度の校正と波長安定化に用いられ

感度＊1＊2

室内実験

燃焼炉

る．もう一つは計測領域へ導かれ，計測域受光器で受CO23.0 ppm・m○○＊3

光され，計測領域にて吸収された光の量から，濃度をN 2O

3.0○○算出する．レーザ光の光軸と離れたところに設置され地球温暖化
関連た背景光受光器は，レーザ光以外の光（例えば火炎や太陽光など）の影響を除去するために使用する．３つの受光器からの電気信号を測定ユニットで処理して，燃焼関連

CH4〜0.07−−H 2O〜0.002（0.73）○○

O29.1○○

CO3.6○○

計測実績長30 mNO1.3○−NO2〜0.01（2.0）○−

高度化した．レーザ発振波長を注入電流で制御できる

HCl〜0.006（0.56）○○という LD の特徴をいかし，LD への注入電流に変調

NH3

0.06

○○を加えることで，レーザ波長を変調する．ガスによっ＊1：〜は予想感度，（ ）内は現状感度，＊2：煤塵許容濃度 10 g/m3N（油焚ボイラ炉内，微粉炭焚ボイラ煙道部の条件に相当）＊3：自動車排ガス計測○：実証済，―：未実施

ガス濃度を計測する．著者らは，波長変調法を採用し，て吸収され，受光された信号中から，変調に同期した成分やその高調波成分のみを同期検波することで，ガスによる光吸収量を高感度に計測できる．さらに，参照セルを用いて，レーザ波長を計測波長に安定させる測例を表２に示す．ここで，計測感度の単位（ppm･m）技術や，二つの変調周波数で変調する二重変調方式をは，計測長が１ m の場合に，その光軸上に存在する独自開発し，通常の TDLAS 法と比較して大幅に感度対象ガスの濃度の変化をとらえることができる計測下を向上した．また，これにより長時間の計測安定性を限界を示す（例えば，CO2 の場合，３ ppm･m の計測飛躍的に向上させることに成功し，屋外での長時間計感度を持つが，これは，計測長１ m では，３ ppm，測を可能とした．

計測長 100 m では 0.03 ppm の濃度まで計測可能であ

2．3

特徴

TDLAS 法によるガスモニタリング装置は，以下の特徴を有する．
① ppm レベル，または，それ以下のガス濃度を高感度かつリアルタイムで計測可能である．
② ガスやばいじん・雨滴などの共存物質の影響を受ることを示す）．表に記すように，TDLAS 法では温室効果ガスの代表である CO2，CH4，N2O はすべて数ppm･m レベルの計測が可能である．

3．温室効果ガスの計測例
3．1

汚泥焼却実炉での N2O 濃度計測

けず，ガスと粒子濃度の同時計測が可能である．

TDLAS 法を汚泥焼却炉実機での N2O 濃度計測に適③ 試料の吸引が不要なことから，応答が早く，また，用した．試験は，図３（a）に示すように，炉出口付近ばいじん除去フィルタが不要なことから，長期間の両側に光学窓を設置し，一方に光源部を，反対側ににわたり，メンテナンスフリーである．
④ コンパクト，低コストな装置で，連続自動計測が受光部を設置し，両者間にレーザを通しながら，N2O濃度の連続計測を行った．また，比較のために，ほぼ可能である．

同一位置でガスサンプリング式 N 2O 濃度計を用いた2．4計測を行った．計測結果の一例を図３（b）に示す．

計測可能な温室効果ガス

TDLAS 法で計測可能なガス種とその計測感度，計TDLAS 法での計測結果は全炉幅（90 cm）の N2O 平均
三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）

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TDLAS 法を計測長 25 m の条件で大気中 CO2 を計測

排ガス
サンプリング前処理
燃焼排ガス

N 2O 計した結果を図４に示す．試験は，地表面に光源部と受光部とを 25 m 離して設置し，大気中 CO2 濃度の計測

計測窓
TDLAS
光源部
制御信号

PC
制御／解析部参照
N2 O信号を行った．また，TDLAS 法による濃度計測値の妥当受光部性検証のため，計測光路の中央でガスサンプリング式

炉内
N2O信号

フリーボードCO 2 濃度計による計測を行った．計測結果の一例を，
図４（b）に示す．上記 3．1 項の炉内計測結果と同様に，〈汚泥焼却炉〉

TDLAS 法による計測値とガスサンプリング式 CO2 濃燃料（汚泥）

砂層度計による値の平均値は一致した．さらに，TDLAS法による計測データのノイズレベルは，図４（b）のTDLAS 法によるデータの百分の一程度であり，図４

空気炉内 N2O 計測結果（ppm）（a）
200：サンプリング式：TDLAS 法150（b）のデータは，実際の CO2 濃度が変動していることを示している．これは，TDLAS 法では，大気のゆらぎや車両通行に起因する周囲環境の変化をとらえるこ

1分38秒とができており，実際の現象をリアルタイムでモニタ100リング可能であることを示している．

50
1分25秒
0
13：30

14：00
計測時刻（h：min）

4．今後の応用展開と課題

14：30

本技術の応用展開先の候補を図５に示す．
工場地帯，（b）炉内計測結果例

都市環境，自然界にて様々な応用展開が期待できる．
図３ TDLAS 法による汚泥焼却炉の炉内（a）炉内計測の装置系
N 2O 計測例

4．1 広域モニタリングへの応用
TDLAS 法によるガスモニタリング手法を，CO2 地統，（b）その計測結果を示す．

下処分プラントや天然ガスプラントやパイプラインで濃度を示し，サンプリング式での計測結果はサンプリの CH 4 漏洩検知，トンネルや交差点などの都市環境ング位置の局所濃度を示す．両者の平均値はほぼ 60計測等の各種用途への適用を検討している．

ppm と一致している．また，燃料投入量変動等の影

さらに広域のガスモニタリングのためには，計測長響で急激な濃度変化が起きた場合，TDLAS 法ではリの長距離化が必要であり，現在，レーザ光軸の自動制アルタイムで現象をとらえているが，従来のサンプリ御機構や集光光学系を組み合わせ，１ km 程度の長距ング式濃度計では，２分ほど遅れて検出しており，離計測を目指している．さらに，レーザの走査機能をTDLAS 法が，従来の計測法と比べ，リアルタイムで加え，面計測を可能とし，これにより，１ km 四方程計測できることを確認できた．

度の広域のガス漏洩モニタリングへの適用を検討予定

屋外での大気中 CO2 濃度の観測例

3．2である．

本技術を，CO2 地下処分プラントの CO2 モニタリン

4．2 フラックス計測への応用

グ，森林における CO2 吸収量のモニタリング等に適用するための予備検討を実施中である．

スフラックス（計測対象ガスの鉛直方向移動量）を計

日中の風向き25 m〈大気〉

制御／解析部PCTDLAS
光学系

レーザ

受光部

大気サンプリング250 mm
従来 CO2 計

前処理器
地150 mm面

大気中 CO2 濃度計測値（ppm）：電気信号：レーザ：ガス（大気）TDLAS 法によるガス濃度計測技術を発展させ，ガ

600
500
400
300
光軸遮断
200
100
0
11：00

：TDLAS 法：サンプリング式

12：00

13：00

14：00

15：00

計測時刻（h：min）（a）

図４

TDLAS 法による大気中 CO2 濃度計測例（b）（a）大気監視の装置系統，（b）その計測結果を示す．

211
〈上 空〉
飛行船，航空機による温室効果ガス・有害ガスの監視（CO2，NOx）〈海 洋〉
・海洋・沿岸におけるCO2 量調査
・海洋貯留のCO2 漏洩量監視〈上 空〉
火山からの有害ガス検知（H2S，HF）〈森 林〉
CO2 吸収量計測の高精度化〈燃焼装置〉
ごみ焼却炉内の燃焼監視（NOx，CO，N2O）〈CO2 地下処分〉
地下処分場 CO2 漏洩監視
炭層貯留のCH4 漏洩監視PM

〈燃焼装置〉〈天然ガスプラント〉
・天然ガスプラント，パイプラインからのCH4 漏洩監視

図５

〈交 通〉
・地下街，トンネル，ビル等の閉鎖空間での火災予兆，ガス漏洩検知（NOx，CO）
・トンネル，交差点，地下駐車場，渋滞道路，料金所での大気汚染ガス検知

温室効果ガス及び大気汚染ガスの広域モニタリング技術の適用先候補
TDLAS 法による広域監視システムのプラント漏洩監視，都市環境監視，森林監視などへの適用候補例を示す．

測できる技術を開発中である．レーザ光路上の大気が乱流状態になると，光路上の屈折率も不規則に変化し，受光するレーザ強度が不規則に変動するため，その変動量から，光路上の運動量フラックス，熱フラックスを計測可能であり（シンチレーション法と称されている），この手法と TDLAS 法による濃度計測技術を組み合わせたガスフラックス計測技術を開発中である．
この手法は，局所的なフラックス計測法として知られる渦相関法と，数百 km を対象とする地球監視衛星からのリモートセンシングの中間の計測スケールを有しており，これらのデータを統合・解析することで，監視対象が数百 km2 にも及ぶ広域監視ネットワークの構築が可能と考えている．

5．まと〈環境排出ガス〉
・水田／牧草地の監視（N2O，CH4）
・畜産施設からの漏洩量監視

め

温室効果ガス（CO2，CH4，N2O ほか）の高精度モニタリング技術を開発した．本技術は，波長可変半導体レーザ吸収分光法に基づく，試料非吸引方式の自動計測装置であり，独自の波長変調技術やレーザ波長安参 考 文 献（1）松寺ほか，流動炉排ガス計測へのレーザ分析計の適用，第 40 回下水道研究発表会講演集（2003）
p.976（2）Muta K, et al., Simultaneous Detection ofoxygen molecule and soot particles by visible
diode laser absorption spectroscopy, EuropeanSensing Symposium（1997）（3）Muta K, et al., In-situ Measurement of CO by
Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
in a Large Scale Waste Test Furnace,
International Laser Sensing Symposium（1999）（4）Tanoura M, et al., Tunable diode laser
measurements of nitrous oxide and carbon
dioxide at 1.5 μ m, Conference on Tunable
Diode Laser Spectroscopy（2001）（5）Tanoura M, et al., Detection of nitrogen oxides
by high resolution near-infrared absorption
spectroscopy, European Sensing Symposium（1997）（6）Tanoura M, et al., An In-situ Gas Analyzer
Based on Tunable Diode Laser Absorption
Spectroscopy, International Laser Sensing
Symposium（1999）（7）東門ほか，ガスセンシング用分布帰還型半導体レーザ，アンリツテクニカル 76 号（1998）p.114

定化技術の開発により，高い計測感度・高い応答性・高い安定性・共存物質の影響を受けないなどの特徴を有する．
今後は，CO2 地下処分プラントや天然ガスプラントでのガス漏洩監視などに活用するとともに，広域のガス濃度モニタリング，ガスフラックス計測技術の開発も並行して進め，森林 CO2 吸収量計測や埋立地からの牟田研二

田浦昌純

菊川知之

中屋耕

飯嶋正樹

CH4 放出量の見積り等，排出権取引事業に必要な調査及び認証のための計測への展開を考えている．
N2O 分子の吸収強度の温度依存性の評価においてご指導頂いた独立行政法人産業総合技術研究所環境管理研究部門

山田耕一博士に深く感謝致します．

三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）