JPH09159587A - 分析用燃焼ガスの除湿方法及び分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼排ガスを分析精度に影響を与えるこ
となく容易にかつ充分に除湿して分析用サンプルに調製
しうる燃焼排ガスの除湿方法及びこれを利用した分析方
法を提供する。 【解決手段】 上記課題は、分析用燃焼排ガスから、窒
素ガスを分離することにより水蒸気分圧を高め、次いで
除湿を行なうことを特徴とする、分析用燃焼排ガスから
水分を除去する方法と、上記の除湿を行なった分析用燃
焼排ガスに先に分離した窒素ガスを合わせて分析を行な
うことを特徴とする燃焼排ガスの分析方法、によって解
決される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃焼排ガスをガスク
ロマトグラフ、質量分析計などにかける際の分析用サン
プルの除湿方法、とくに小型で簡単な装置を用いたサン
プルの除湿方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来、分析用ガスサンプルから水分を除
去する方法としては、多孔膜、イオン交換膜などの水分
分離膜を用いたガス分離除湿装置の１次側にガスサンプ
ル、２次側に後段で用いる分析機器のガスクロマトグラ
フ用の低露点キャリアーガスあるいはガスクロマトグラ
フからの排ガスを通してガスサンプルの除湿を行なうよ
うにした方法がある（特開平６−１８６２１３号公
報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の方法は水分量の
少ないガスの場合には有効であるが、水分量が増すと充
分な除湿をすることができず、燃焼排ガスのような水分
の多いガスの除湿には不適当であった。

【０００４】本発明は、燃焼排ガスを分析精度に影響を
与えることなく容易にかつ充分に除湿して分析用サンプ
ルに調製しうる燃焼排ガスの除湿方法及びこれを利用し
た分析方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決した除湿方法及び分析方法を開発するべく種々検討
の結果、通常の燃焼排ガスなどで１０〜３０％の水分を
含むものについては低い温度でガス分離膜にて除湿しよ
うとすると、凝縮水が発生した。この凝縮水（液相）に
分析対象成分が取り込まれたり、またガス相と液相の移
動速度が異なるため、後段の分析装置による分析値が正
しく出ないといったことがあった。特に、クロロベンゼ
ン類・クロロフェノール類など高沸点の化合物を分析対
象とするときは本質的な課題として低温分離ではガス分
離膜に分析対象化合物が吸着し、分析誤差を生じる。

【０００６】これを避けるために凝縮水が発生しないよ
うな温度に加温して膜分離・除湿を行なうと、燃焼排ガ
スを構成する成分のうち、とくに窒素の透過係数が温度
上昇により増大して水蒸気のみを選択的に分離できなく
なるため、分析用サンプルガスとして不適切になる分離
膜が多かった。これに対して、イオン交換膜の一種であ
るテフロンとパーフルオロスルホン酸の共重合物は、水
蒸気のみを選択的に分離できるものの、温度が高くなる
と水蒸気分離性能が低下、すなわち透過係数が小さくな
るため除湿率の向上には除湿装置を大型化する必要があ
った。特に、分析対象化合物の濃度が極めて希薄なとき
は、吸着・濃縮装置のみでは検出器の定量下限に達せ
ず、普通これに加えて、細管を液体窒素・二酸化炭素な
どで冷却しておき細管内に、吸着・濃縮し、装置から化
合物を追い出してこれに吸着して濃縮度を大きくする必
要があった。すなわち、２段濃縮である。このとき、水
分が多いと、細管が閉塞するため、除湿装置を強化（大
型化）しなければならなく、このためオンライン計では
分析時間の遅れとなるという欠点があった。

【０００７】そこで、本発明者らはさらに検討を進めた
結果、分析用燃焼排ガスから窒素ガスを分離して水蒸気
分圧を高めた後除湿を行なうことにより、分析用燃焼排
ガスから、分析精度に影響を与えることなく容易にかつ
充分に除湿して分析用サンプルを調製しうることを見出
し本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明は、分析用燃焼排ガスか
ら、窒素ガスを分離することにより水蒸気分圧を高め、
次いで除湿を行なうことを特徴とする、分析用燃焼排ガ
スから水分を除去する方法と、上記の除湿を行なった分
析用燃焼排ガスに先に分離した窒素ガスを合わせて分析
を行なうことを特徴とする燃焼排ガスの分析方法に関す
るものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の方法が適用される燃焼排
ガスは少なくとも分析対象成分と窒素と水分を含むもの
である。分析対象成分は、炭酸ガス、一酸化炭素、ＮＯ
_X、ＳＯ_x、パラフィン系炭化水素、オレフィン系炭化水
素など脂肪族係炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、クロロベンゼン類などベンゼン誘導体、クロロフェ
ノール類などフェノール誘導体等である。特に好適な成
分はベンゼン誘導体およびフェノール誘導体等である。
その他の成分としては沸点が１００℃を超える脂肪族系
炭化水素などがある。燃焼排ガスの組成としては、窒素
ガス５５〜８５％程度、特に６０〜８０％程度、水分１
０〜３０％程度、特に２０〜３０％程度、分析対象成分
については凡そ１００ｐｐｍから０．１ｐｐｂのレベル
である。なお、窒素水以外の主たる成分は酸素である。
このような燃焼排ガスの例としては、重油を燃焼するボ
イラーから発生するもの、石炭を燃焼する微粉炭燃焼ボ
イラーあるいは流動層ボイラーから発生するもの、およ
び都市ごみの焼却炉などから発生するものなどを挙げる
ことができる。

【００１０】窒素ガス分離手段としては、窒素ガス分離
膜を好ましく使用することができ、例えば通常の酸素富
化膜として用いられているエチルセルロース、ポリスル
ホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンなどを
使用できる。膜の形状は平膜状、スパイラル状、中空糸
状等いずれの形状であってもよい。分離温度は、とくに
限定されるものではないが、一般的に温度が上昇すると
分離効率が低下するので、１００℃以下が好ましい。分
離圧力については、２次側より１次側の方を高圧とすれ
ばよく、例えば１次側を加圧してもよいし、あるいは２
次側を減圧してもよい。ただし、２次側／１次側の圧力
が小さい程、分離効率は向上するので、一般的には、２
次側を減圧とした方が好ましい。

【００１１】この窒素ガス分離工程では窒素ガスを３０
〜５０％程度、好ましくは４０〜５０％程度除去し、水
蒸気分圧を４０〜５０程度に高める。

【００１２】窒素ガスを分離した燃焼排ガスは次いで除
湿を行なう。除湿手段としてはやはり膜分離が好まし
く、特に、下記の構造を有するテフロンとパーフルオロ
スルホン酸の共重合物のイオン交換膜が好ましい。

【００１３】

【数１】

【００１４】その他の膜としては塩化ビニル、ポリイミ
ド、フッ素系ポリマーの膜がある。膜の形状は平膜状、
スパイラル状、中空糸状等いずれの形状であってもよ
い。除湿温度は、この共重合物の耐熱温度が１６０℃で
あるため、１６０℃以下であれば構わないが、低温ほど
除湿効率が向上するので低温の方が好ましい。圧力につ
いては、加圧であっても、減圧であっても、２次側の水
蒸気分圧が低ければよい。

【００１５】この除湿工程では水分を９０〜９９％程
度、好ましくは９９％程度除去し、残水分の分圧が０．
０１以下好ましくは０．００１以下になるようにする。

【００１６】除湿を行なった燃焼排ガスには先に窒素ガ
ス分離工程で分離した窒素ガスを合わせてから分析対象
成分の分析を行なう。この窒素ガスを合わせないと除か
れた窒素ガス量を計測して分析値の補正を行なわなけれ
ばならないが、窒素ガスを合わせてから分析を行なうこ
とによりこの補正が不要になる。従って、窒素ガス量計
測装置、補正のためのコンピュータ等の付帯設備が不要
になるという利点がある。一方、窒素分離装置の１次側
１１の出口および除湿装置の１次側２１の出口にそれぞ
れ流量計を設置すれば、計測結果により除去された窒素
ガスを補正して、窒素ガスを合流させなくとも分析値を
算出できる。

【００１７】合わせた燃焼排ガスは分析対象成分の種類
に応じて公知の分析方法に従って分析を行なえばよい。
この分析方法の例としてはガスクロマトグラフィー、質
量分析計等を挙げることができる。

【００１８】本発明の方法では、１段目の窒素分離工程
によって水蒸気分圧を高めた燃焼排ガスサンプルを２段
目の除湿工程に送り込むことになるので、分圧差による
駆動力（ドライビングフォース）が大きくなる。その結
果、従来の１段で除湿する方法と比較し、本発明は２段
に分けて実施するが、その容積は合計しても１段処理の
方法より小さくかつ処理時間も速い。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 内径０．５ｍｍ、長さ２５０ｍｍのポリスルホン中空糸
膜を１０本束ねてケースに入れて窒素分離装置とした。

【００２０】また、内径０．６４ｍｍ、長さ１８３ｍｍ
の中空糸状のテフロン−パーフルオロスルホン酸共重合
体製イオン交換膜（「サンセップ−Ｗ」、旭硝子（株）
製）を２００本束ねてケースに入れて除湿装置とした。

【００２１】上記の窒素分離装置と除湿装置を図１に示
すように配管接続した。すなわち、サンプルガス供給管
３１を窒素分離装置１０の１次側１１入口に接続し、２
次側１２出口からは除湿装置２０の１次側２１入口に接
続した。窒素分離装置１０の１次側１１出口と除湿装置
２０の１次側２１出口の配管は途中で結合させて処理サ
ンプルガス供給管３２とした。除湿装置２０の２次側２
２出口には水蒸気排出管３３を接続した。この両装置１
０、２０を恒温槽５０に入れた。

【００２２】サンプルガス供給管３１を通じて燃焼排ガ
スのモデル試料として、水分１０％、酸素１２％、窒素
７８％の混合ガスを９０℃に加温して供給し、恒温槽５
０を９０℃に保持した。処理サンプルガス供給管３２に
ダイヤフラム式のポンプを取り付けて０．５ｍｌ／ｍｉ
ｎ、出口圧１８０ｔｏｒｒで吸引し、その先に通常の吸
着・濃縮装置の２段目の濃縮部をイメージして内径０．
５ｍｍの薄肉のガラス細管を取り付けた。この細管部に
は炭酸ガスを吹き付けてそこを通過する水蒸気を凝固さ
せた。なお、窒素分離装置１０の１次側１１出口配管に
はニードルバルブを設けて流量を調節した。水蒸気排出
管３３には真空ポンプを取り付けて常時吸引した。この
条件で運転を続けたところ約７時間後にガラス細管が閉
塞して壊れた。

【００２３】比較例１ 実施例１の除湿装置のみを５ユニット直列に連結して実
施例１と同様に運転したところ約３時間後にガラス細管
が閉塞して壊れた。

【００２４】以上の実施例と比較例から明らかな如く、
本発明の方法により除湿装置のみの場合より１／５程度
の大きさの除湿装置でより大きな除湿能力で除湿するこ
とができ、オンライン分析装置では分析時間も短縮でき
る。

【００２５】実施例２ 実施例１で用いたものと同一の窒素分離装置・除湿装置
を用い、分析対象成分としてベンゼンを乾燥ガス基準で
１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、および５０ｐｐｍとなるよう
添加して混合ガス（水分１０％、酸素１２％、窒素７８
％）を調製した以外は実施例１と同一の条件で行なっ
た。ベンゼン添加量を変化させた条件について、それぞ
れ３２の配管に取り付けているダイヤフラム式ポンプの
下流にテトラバックをつけてガス採取を行なった。これ
らについて、水素炎検出器を有するガスクロマトグラフ
装置にてベンゼン温度を分析し、結果を表１にまとめ
た。正確な分析値であることが明らかである。

【００２６】

【表１】

【００２７】比較例２ 実施例２の条件で、窒素分離装置１０の１次側出口の配
管を除湿装置２０の１次側出口配管と合流させることな
く、また、吸引ポンプを取り付け、それぞれのポンプ出
口水流量計を取り付けて、流量を計測した値によって補
正を行ない分析値を求めた。すなわち、除湿装置１次側
出口の流量は０．０７ｍｌ／ｍｉｎ、窒素分離装置１次
側出口の流量は０．４３ｍｌ／ｍｉｎであったので、配
管３２出口の濃度計測値を流量補正した。結果を表１に
示す。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、除湿工
程のみと比べ除湿の程度が大幅に改善され、また、除湿
をコンパクトな装置で行なえるため、オンライン計測の
ときなどで、分析結果が短い時間で得られるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例で使用した装置の構成を示す
フローシートである。

【符号の説明】

１０ 窒素分離装置 １１ １次側 １２ ２次側 ２０ 除湿装置 ２１ １次側 ２２ ２次側 ３１ サンプルガス供給管 ３２ 処理サンプルガス供給管 ３３ 水蒸気排出管 ５０ 恒温槽

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分析用燃焼排ガスから、窒素ガスを分離
   することにより水蒸気分圧を高め、次いで除湿を行なう
   ことを特徴とする、分析用燃焼排ガスから水分を除去す
   る方法
2. 【請求項２】 請求項１の除湿を行なった分析用燃焼排
   ガスに先に分離した窒素ガスを合わせて分析を行なうこ
   とを特徴とする燃焼排ガスの分析方法