JP2004160363A

JP2004160363A - 窒素酸化物除去装置およびこれを備えた燃焼機器

Info

Publication number: JP2004160363A
Application number: JP2002329654A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyuki Otani; 哲幸大谷; Kazuo Nishikawa; 和男西川; Hideo Nojima; 秀雄野島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】装置構成が簡易であり、居住空間の空気を汚染することなくＮＯｘを除去できる窒素酸化物除去装置とこれを備えた燃焼機器を提供する。
【解決手段】間隔をあけて互いに対向するように配置された複数の平板状の電極とこれらの電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とからなる電界発生部と、電極間に生成した活性種を吸着する活性種吸着部とを備えた窒素酸化物除去装置と、この窒素酸化物除去装置を備えた燃焼機器である。ここで、活性種吸着部が電界発生部のガス下流側に設置されていることが好ましく、活性種吸着部のガス下流側にオゾンを分解するオゾン分解部が設置されていることがより好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素酸化物除去装置に関するものであるとともに、この特徴的な窒素酸化物除去装置を備えた燃焼機器（例えば、石油ファンヒータ、石油ストーブ、ガスファンヒータ、ガスストーブ等）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題の顕在化や居住空間の高気密化に伴い、空気中の有害物質を取り除き、健康で快適な生活を送りたいという要望が強くなっている。この要望に応えるため、各種のフィルタを備えた空気清浄機が開発されている。これらの空気清浄機は、居住空間における空気を吸引してフィルタにより有害物質を吸着する方式を採用している。
【０００３】
しかしながら、高気密化された居住空間の中で石油ファンヒータ等の燃焼機器を使用した場合には、石油等の燃焼によって大量に発生した窒素酸化物ＮＯｘが住居空間に放出されるため、従来の空気清浄機においては住居空間におけるＮＯｘ濃度の増加を十分に防ぐことができないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、例えば、特許文献１においては、必要に応じてアンモニアガスを発生させ、このアンモニアガスとＮＯｘとの触媒反応によって燃焼機器から排出される排ガス中のＮＯｘを除去する装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６５０４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている除去装置においてアンモニガスを過剰に発生させてしまった場合には、未反応のアンモニアガスが排ガス中に含まれてしまうため、居住空間の空気が汚染されるという問題があった。その上、燃焼機器から発生するＮＯｘの量に応じてアンモニアガスの供給量を調節する必要があるため、装置の構成が非常に複雑になり、装置の製造コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、装置構成が簡易であり、居住空間の空気を汚染することなくＮＯｘを除去することができる窒素酸化物除去装置およびこれを備えた燃焼機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、間隔をあけて互いに対向するように配置された複数の平板状の電極とこれらの電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とからなる電界発生部と、電極間に生成した活性種を担持する活性種担持部とを備えた窒素酸化物除去装置である。
【０００９】
ここで、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、活性種担持部が電界発生部のガス下流側に設置されていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、活性種担持部がゼオライトを含むフィルタからなることが好ましい。
【００１１】
ここで、活性種担持部に含まれるゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が５０〜５００００であることがより好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、電極が絶縁体板上に金属板を設置することにより形成されており、互いに対向している電極の対向面の一方が絶縁体板面となるように電極を配置することができる。
【００１３】
また、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、電極が２枚の絶縁体板の間に金属板を挟み込むことにより形成されており、互いに対向している電極の対向面の双方が絶縁体板面となるように電極を配置することができる。
【００１４】
ここで、電極を構成する絶縁体板が金属板よりも大きく、金属板の周縁が絶縁体板の周縁から後退させられていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、電圧印加手段が電極間に交流電圧を印加するものであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る窒素酸化物除去装置においては、活性種担持部のガス下流側に、オゾンを分解するオゾン分解部が設置されていることが好ましい。
【００１７】
ここで、オゾン分解部は酸化マンガンを含むフィルタであることが好ましい。
さらに、本発明は、上記窒素酸化物除去装置を備えた燃焼機器である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（窒素酸化物除去装置）
図１に本発明に係る窒素酸化物除去装置の好ましい一例の模式的な斜視図を示す。図１において、窒素酸化物除去装置１は、ケース９内に、平板状の電極２と、活性種担持部３と、オゾン分解部４とを含んでいる。図１中、矢印はガスが流れる方向を示している。ここで、活性種担持部３は電極２のガス下流側に設置され、オゾン分解部４は活性種担持部３のガス下流側に設置されている。
【００１９】
本発明に係る窒素酸化物除去装置１は、このような構成をとっていることから、たとえば燃焼機器等の排出口からＮＯｘを含む排ガスが矢印の方向に流れてきた場合に、電極２間に電圧を印加してＮＯｘまたは空気等のガスが存在する電極２間の空間にプラズマを発生させ、そのプラズマ中のラジカル等の活性種をガス下流側に設置された活性種担持部３において担持することによって、または担持した活性種とＮＯｘとを反応させることによって、ＮＯｘを除去できるのである。また、オゾン分解部４を活性種担持部３のガス下流側に設置することによって、活性種担持部３においてオゾンが担持されなかった場合でも、オゾン分解部４において不快な臭いを有するオゾンを分解することができる。
【００２０】
（電極）
図２に電極２を拡大した模式的な斜視図を示す。図２において、電極２は、絶縁体板５上に金属板６を設置することによって形成されている。そして、複数の電極２が間隔をあけて互いに対向するように配置されている。ここで、互いに対向している電極２の対向面の一方が絶縁体板５面であることから、電極２は、絶縁体板５面−金属板６面からなる対向面の組み合わせが連続するように配置されている。このような構成で電極２間に電界を発生させた場合には、絶縁体板５の誘電率は電極２間の空間に存在するガスの誘電率よりも大きいことから、絶縁体板５が受ける電界の影響よりも電極２間に存在するガスが受ける電界の影響の方が大きくなる。しかも、電極２間に存在するガスの方が、絶縁体板５よりも低い電界強度で絶縁破壊を起こす。
【００２１】
したがって、電極２間に印加する電圧を増加させて所定範囲の電圧にすると、電極２間に存在するガスの放電が穏やかに起きてプラズマが発生することとなる。ここで、電極２間に存在するガスが受ける電界強度は均一であるため、電極２間の空間に広く均一にプラズマを発生させることが可能となる。
【００２２】
また、電極２においては、絶縁体板５が金属板６よりも大きく形成され、金属板６の周縁が絶縁体板５の周縁から後退させられていることが好ましい。この場合には、互いに対向する電極２の端面間に導電性の高い放電路が形成されて電極２間に大きな電流が流れることを防止することができる。
【００２３】
また、電極２は、２枚の絶縁体板の間に金属板を挟み込むことにより形成されていることが好ましい。この場合には、電極２の対向面の双方が絶縁体板５面となるように電極２が配置されることとなる。したがって、対向する電極２の端面間に導電性の高い放電路が形成されて電流が流れることがない。
【００２４】
また、電極２を２枚のみ用いてこれらの電極間に電界を発生させてもよいが、上述のように電極２を３枚以上用いてこれらの電極間に電界を発生させることが好ましい。この場合には、より広い空間にプラズマを発生させることができる。
【００２５】
なお、絶縁体板５としては、例えば、ホウ珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の絶縁体薄板が用いられる。また、金属板６としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、タングステン等の金属薄板が用いられる。また、金属板６は、絶縁体板５の表面にアルミニウム、銅、タングステン等の金属薄膜を物理的または化学的に堆積させることにより形成されてもよい。
【００２６】
（電界発生部）
図３に本発明に用いられる電界発生部の好ましい一例の模式的な概念図を示す。図３において、電界発生部７は、絶縁体板５上に金属板６が形成され、対向面の一方が絶縁体板５面となるように配置された複数の電極２と、これらの電極２間に電圧を印加するための電圧印加手段８とを含む。このような構成とすることにより、電圧印加手段８によって電極２間に電圧を印加して、電極２間にプラズマを発生させることができる。このとき、電極２間に存在する分子、イオン、電子のうち、電子は体積および質量が非常に小さいため、電極２間に印加された電圧により、電子が原子等から放出されてから他の分子等に衝突するまでに電界によって十分に加速されて非常に温度が高くなる。しかし、分子やイオンは体積および質量が大きいため、あまり加速されず温度が高くならない。すなわち、電極２間に交流電圧を印加すると、分子およびイオンと、電子との間に温度差がある非平衡プラズマが発生することとなる。そして、この非平衡プラズマによって、たとえば酸素原子ラジカル（・Ｏ）、窒素原子ラジカル（・Ｎ）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、ヒドロペルオキシドラジカル（・ＨＯ_２）、オゾン（Ｏ_３）等の高い反応性を持つ活性種が生成される。すなわち、電極２間の広い空間に一様にラジカル、オゾン等の活性種が生成されることとなる。
【００２７】
ここで、電圧印加手段８は、電極２間に交流電圧を印加するものであることが好ましい。電極２間に印加される電圧が直流電圧である場合には、絶縁体板５の存在によって金属板６に流れ込めない電荷が絶縁体板５の表面に蓄積されていくことから、電極２間に存在するガスに影響を与える電界が減少して、電極２間に発生したプラズマがすぐに消失してしまう傾向にある。しかし、電極２間に印加される電圧が交流電圧である場合には、絶縁体板５の表面に電荷が蓄積されていかないことから、電極２間に安定してプラズマを維持することができる。
【００２８】
なお、電界発生部７としては、たとえば図４に示すように、絶縁体板５の間に金属板６を挟み込んで形成した電極２を複数配置し、電極２間に電圧を印加する電圧印加手段８を備えたものも用いることができる。この場合にも電極２間の広い空間に非平衡プラズマを安定して維持することができる。
【００２９】
（活性種担持部）
図１に示す活性種担持部３は、ゼオライトを含むフィルタであることが好ましい。燃焼機器の排ガスまたは空気中に含まれるＮＯｘは電界発生部において活性種に分解されるか、電界発生部で分解されなかったＮＯｘは活性種担持部３で吸着等によって担持される。すなわち、電界発生部においてＮＯｘおよび空気が分解されて生成したラジカル等の活性種と、電界発生部で分解されなかったＮＯｘとは、共にゼオライトが持つ細孔内に引き寄せられる。そして、この細孔内で、活性種とＮＯｘとが反応を起こすと、ＮＯｘは窒素分子（Ｎ_２）に還元されるか、硝酸（ＨＮＯ_３）等に酸化される。ここで、ＮＯｘが細孔内で酸化されて生成した硝酸（ＨＮＯ_３）等は、吸着等によってゼオライトの細孔内に確実に担持されるものと推察される。特に、ゼオライトが燃焼機器の排ガスとの接触により十分高温になっている場合には、ゼオライトの触媒活性が高くなっているため、細孔内における活性種とＮＯｘとの反応が非常に起きやすくなる。したがって、活性種担持部３がゼオライトを含むフィルタである場合には、ＮＯｘは、電極２間および活性種担持部３を一回通過するだけで大部分が除去されることとなる。
【００３０】
ここで、ゼオライトを含むフィルタは、例えば、ゼオライトの粉末を粘土等と混練したものを金型によってハニカム状に成型して作製してもよく、またはゼオライトの粉末をハニカム状担体に塗布して作製してもよい。
【００３１】
また、ゼオライトとしては、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が５０〜５００００であるものを用いることが好ましく、より好ましくは上記モル比が５００〜１００００であるものを用いることが好ましく、さらに好ましくは上記モル比が２０００〜５０００であるものを用いることが好ましい。ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が５０未満である場合には水分子等の極性分子を吸着しやすくＮＯｘを除去する能力が低下する傾向にあり、モル比が５００００より大きい場合にはゼオライトの結晶構造内におけるアルミニウムの数が少な過ぎてゼオライトの吸着能が低下すると推察される。
【００３２】
ゼオライトの結晶構造は、たとえばＳｉ（珪素）を中心とし、Ｏ（酸素）が四面体の各頂点に配置されたＳｉＯ_４四面体と、Ａｌ（アルミニウム）を中心とし、Ｏ（酸素）が四面体の各頂点に配置されたＡｌＯ_４四面体とが、Ｏ（酸素）を共有しながら３次元的に配列した構造になっている。そして、ゼオライトの結晶構造内のＡｌに対するＳｉの割合が大きくなる程、ゼオライト細孔内に水分子等の極性分子が吸着しにくくなる。すなわち、ゼオライト細孔内に吸着した水分子等の極性分子は、ラジカル等の活性種とＮＯｘとが細孔内で反応するのを妨害することから、ゼオライトの結晶構造内におけるＡｌに対するＳｉの割合が大きい程、ＮＯｘを除去する能力が高くなる。一方、ゼオライトの結晶構造内のＡｌの数が少な過ぎると、Ｓｉ^４＋を置換する配位数４のＡｌ^３＋の数が少なくなるため、ラジカル等の活性種とＮＯｘを吸着する能力が低下し、ひいてはＮＯｘを除去する能力が低下すると推察される。
【００３３】
（オゾン分解部）
図１に示すように、本発明に係る窒素酸化物除去装置１においては、活性種担持部３のガス下流側に、オゾンを分解するオゾン分解部４が設置されていることが好ましい。非平衡プラズマによって生成したラジカル、オゾン等の活性種のうち、酸素原子ラジカル（・Ｏ）、窒素原子ラジカル（・Ｎ）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、ヒドロペルオキシドラジカル（・ＨＯ_２）等は、反応活性が非常に高く生成してから消滅するまでの時間が非常に短いため活性種担持部３から放出されることはないが、オゾン（Ｏ_３）は活性種担持部３で担持されず居住空間に放出されることがあり、オゾンが放出されると、不快なオゾン臭がする上、人体に悪い影響を及ぼす場合があるためである。ここで、オゾンはオゾン分解部４を通過する際に酸素分子（Ｏ_２）に分解される。
【００３４】
オゾン分解部４は、例えば、酸化マンガンの粉末を粘土等と混練したものを金型によってハニカム状に成型して作製してもよく、酸化マンガンの粉末をハニカム状担体に塗布して作製してもよい。また、オゾンを分解する効果を持つ触媒を用いてもよい。特に、酸化マンガンまたはオゾン分解触媒が燃焼機器の排ガスとの接触により十分高温になっている場合には、酸化マンガンまたはオゾン分解触媒の触媒活性が高くなっているため、非平衡プラズマによって発生したオゾンはオゾン分解部を通過する際にほぼ確実に分解されることとなる。
【００３５】
（燃焼機器）
本発明に係る燃焼機器は、上述した窒素酸化物除去装置を石油ファンヒータ、石油ストーブ、ガスファンヒータ、ガスストーブ等の排ガス排出口に取り付けることによって作製される。したがって、本発明に係る燃焼機器はその構成が簡易であることから、容易に作製することができる。また、燃焼機器等からの排ガスは窒素酸化物除去装置によって除去されることから、本発明に係る燃焼機器は、居住空間の空気を汚染することなくＮＯｘを除去することができる。
【００３６】
【実施例】
（装置）
図１に示す窒素酸化物除去装置１を石油ファンヒータの排出口に取り付けて、ＮＯｘ除去率を算出した。ここで、電極２の配列方向は、ガスの流れに対して直交する方向とし、電界発生部に送り込まれたガスは、電極２間の空間を通過するようにした。
【００３７】
また、活性種担持部３は、ゼオライトの粉末と粘土とを混練したものを金型によってハニカム状に成型して作製し、オゾン分解部４は、酸化マンガンの粉末をアルミニウム製のハニカム状担体に塗布して作製した。
【００３８】
なお、絶縁体板５にはガスの流れ方向の長さが５０ｍｍ、厚み０．５５ｍｍのホウ珪酸ガラス板を用い、金属板６にはガスの流れ方向の長さが２５ｍｍ、厚み０．０５ｍｍのステンレス板を用いて、絶縁体板５上に金属板６を設置することにより電極２を形成した。なお、電極２は、すべて平行になるように配置し、その配置間隔を１．１ｍｍとした。また、電圧印加手段８に印加する電圧は、振幅７ｋＶ、周波数６０Ｈｚの交流電圧とした。
【００３９】
（試験方法）
まず、窒素酸化物除去装置１を取り付けないで、石油ファンヒータの排出口から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。
【００４０】
次に、石油ファンヒータの排出口に外側から窒素酸化物除去装置１を取り付け、窒素酸化物除去装置１の電圧印加手段８に電圧を印加した時に、窒素酸化物除去装置１を通過した後の排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。
【００４１】
そして、窒素酸化物除去装置１によって除去されたＮＯｘの割合、すなわち、ＮＯｘ除去率を以下の計算式で算出した。
ＮＯｘ除去率（％）＝１００×（窒素酸化物除去装置を取り付ける前の排ガス中のＮＯｘ濃度−窒素酸化物除去装置の通過後の排ガス中のＮＯｘ濃度）／（窒素酸化物除去装置を取り付ける前の排ガス中のＮＯｘ濃度）
なお、活性種担持部３の作製に用いるゼオライトとして、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が２、５０、５００および２０００の４種類を用い、それぞれ別々に試験を行なって、ＮＯｘ除去率の比較を行なった。
【００４２】
（試験結果）
図５に試験結果を示す。図５は横軸にＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比を、縦軸にＮＯｘ除去率（単位：％）をとり、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比とＮＯｘ除去率との関係を示している。
【００４３】
図５に示すように、活性種担持部３の作製に用いるゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が大きくなる程、ＮＯｘ除去率が高かった。ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が２である場合には石油ファンヒータから排出される排ガス中のＮＯｘの約４２％しか除去されなかったが、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が５０である場合にはＮＯｘの約６７％が、モル比が５００である場合にはＮＯｘの約７４％が、モル比が２０００である場合にはＮＯｘの約８７％が除去された。
【００４４】
また、上記の試験において、オゾン分解部４を通過後の排ガスに含まれるオゾンの濃度を測定したところ０．０１ｐｐｍ以下であった。すなわち、電界発生部が生成したオゾンは、オゾン分解部４を通過する際にほぼ確実に分解されていることがわかった。
【００４５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、装置構成が簡易であり、居住空間の空気を汚染することなくＮＯｘを除去することができる窒素酸化物除去装置およびこれを備えた燃焼機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒素酸化物除去装置の模式的な斜視図である。
【図２】本発明に用いられる電極の一例の模式的な斜視図である。
【図３】本発明に用いられる電界発生部の一例の模式的な概念図である。
【図４】本発明に用いられる電界発生部の他の例の模式的な概念図である。
【図５】実施例におけるＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比とＮＯｘ除去率との関係を示した図である。
【符号の説明】
１窒素酸化物除去装置、２電極、３活性種担持部、４オゾン分解部、５絶縁体板、６金属板、７電界発生部、８電圧印加手段、９ケース。

Claims

間隔をあけて互いに対向するように配置された複数の平板状の電極とこれらの電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とからなる電界発生部と、電極間に生成した活性種を担持する活性種担持部とを備えた窒素酸化物除去装置。
活性種担持部が電界発生部のガス下流側に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物除去装置。
活性種担持部はゼオライトを含むフィルタからなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒素酸化物除去装置。
ゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が５０〜５００００であることを特徴とする請求項３に記載の窒素酸化物除去装置。
電極が絶縁体板上に金属板を設置することにより形成されており、互いに対向している電極の対向面の一方が絶縁体板面となるように電極が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒素酸化物除去装置。
電極が２枚の絶縁体板の間に金属板を挟み込むことにより形成されており、互いに対向している電極の対向面の双方が絶縁体板面となるように電極が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒素酸化物除去装置。
絶縁体板が金属板よりも大きく、金属板の周縁が絶縁体板の周縁から後退させられていることを特徴とする請求項５または６に記載の窒素酸化物除去装置。
電圧印加手段は、電極間に交流電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒素酸化物除去装置。
活性種担持部のガス下流側に、オゾンを分解するオゾン分解部が設置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒素酸化物除去装置。
オゾン分解部は酸化マンガンを含むフィルタであることを特徴とする請求項９に記載の窒素酸化物除去装置。
請求項１から１０のいずれかに記載の窒素酸化物除去装置を備えたことを特徴とする燃焼機器。