JP2006247522A - 放電ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有害物質や臭気物質を含む排ガスを効率よく処理できる空間全体にわたって均一で安定した放電プラズマを発生させることが可能で、かつ、製作が容易な放電ガス処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】有害物質や悪臭物質を含む排ガスをパルスコロナ放電によって処理する放電ガス処理装置であって、排ガスを通す放電室を設け、該放電室内に放電電極と接地電極を備え、この両電極間にパルス電圧を印加してパルスコロナ放電を形成せしめるパルス電源を放電室外に備える放電ガス処理装置において、排ガスの流れ方向に対して軸を鉛直方向とした金属丸棒の接地電極を正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形状に複数立柱させ、形成される正六角形の中心位置にワイヤ型放電電極を排ガスの流れ方向に対して鉛直方向に配置させた。
【選択図】図２

Description

本発明は、下水処理場、し尿処理場、ごみ処理場および各種工場などから排出される排ガス中に含まれる有害物質や悪臭物質をパルスコロナ放電によって処理する放電ガス処理装置に関する。

ごみ焼却炉などから排出される排ガスにはダイオキシンなどの有害物質が含まれるため、それらの有害物質を除去する必要がある。また、下水、し尿、都市ごみなどの処理施設および食品工場や化学工場などから排出される排ガスには硫化水素やメチルメルカプタンなどの硫黄系臭気成分やアンモニアなどの塩基性臭気成分が含まれるため、それらの悪臭物質を除去する必要がある。

従来より排ガス中に含まれる有害物質や悪臭物質を処理する方法が種々提案されているが、最近ではコロナ放電（放電プラズマ）によって発生させた高エネルギー電子や反応活性なラジカルを有害物質や悪臭物質と反応させて無臭・無害な物質に変換する方法が提案されている。

放電電極と、これと対向する接地電極間に高圧電源を用いて高電圧を印加すると、両電極間にコロナ放電が起こり、非平衡プラズマ（以下、単にプラズマと記す）が発生する。このような空間に排ガスを通すとプラズマによって生ずるエネルギーの高い高速電子や反応活性の高い各種ラジカルと反応して排ガス中に含まれる有害物質や悪臭物質が無害・無臭の物質に改質される。

コロナ放電を利用するガス処理装置として、例えば円筒状などのパイプからなる外側電極（接地電極）内にワイヤからなる内側電極（放電電極）を同軸に配置して構成された放電管にガスを導入して、パルスコロナ放電によって発生させたプラズマでガスを処理する放電ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記のようなワイヤ型放電電極とパイプ型接地電極を使用するものでは、プラズマに疎の部分ができないのでプラズマと排ガスとの接触は良好である。
しかし、大量の排ガスを処理する場合には、小口径のパイプを多数配置する必要があリ、複数のパイプを並べて配置すると、隣接するパイプ間、例えば、３本のパイプが重なり合う場合３本のパイプの中間にデッドスペースができ、装置全体では空間の使用率が悪くなるという問題がある。

また、２枚の並行な金属プレートを接地電極として配置し、その接地電極間の空間を気流ダクトとし、各ダクトに放電電極フレームおよび放電電極フレームに保持された多数のワイヤ型放電電極を配置した構造の装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この構造はワイヤ型放電電極相互の間隔が狭いと、ワイヤ型放電電極から横方向（接地電極に向う方向）に離れてもそれほど電界は弱まらないので、コロナ放電がアーク放電に移行しやすくなる。従って、コロナ放電を安定させるにはワイヤ型放電電極相互の間隔を広くとらなければならない。

しかし、この構造のものでは、放電電極周辺の電界分布が縦方向（接地電極と平行な方向）には弱く、ワイヤ型放電電極間の領域にプラズマが発生しないので、ワイヤ型放電電極相互の間隔を広くすると、そこにプラズマが疎の広い領域ができ、プラズマと排ガスとの接触効率が悪いという問題がある。

この問題を解決する方法として、接地電極を断面多角形の複数の角筒体からなるハニカム状とし、各角筒体の中心に、ワイヤ型放電電極を配置した排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

この構造のものは、ワイヤ型放電電極とプレート型接地電極とを使用するものに比べて、排ガスとプラズマとの接触効率がよいという利点を有するが、処理ガス量が多くなると、ハニカム状接地電極を構成する多数の角筒体が必要になり、製作やコストの点で問題がある。

また、接地電極をパイプに代えて筒状の金網あるいはコイルにし、その中心に線状の放電電極を配置した構造の排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
この構造のものは、接地電極が金網やコイルのため、電極に対して直角方向に供給される排ガスは接地電極の透過孔を通過して多くの接地電極によって囲まれた空間（プラズマ発生領域）を通過することにより処理が行われるが、複数の接地電極で囲まれる空間はプラズマが発生しないので、その空間を流れる間は処理が行われないという問題がある。
また、接地電極が金網やコイルのため歪みやすく、また、精度よく製作することが困難である。

特開２０００−１２６５４３号公報 特開平９−３１３９８３号公報 特開平７−２６５６５２号公報 特開２０００−２６２８４０号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、有害物質や臭気物質を含む排ガスを効率よく処理できる空間全体にわたって均一で安定した放電プラズマを発生させることが可能で、かつ、製作が容易な放電ガス処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を達成するためになされたもので、以下の手段で解決された。
下水処理施設や都市ごみ処理施設などから排出される有害物質や悪臭物質を含む排ガスをパルスコロナ放電によって処理する放電ガス処理装置であって、排ガスを通す放電室を設け、該放電室内に放電電極と接地電極を備え、この両電極間にパルス電圧を印加してパルスコロナ放電を形成せしめるパルス電源を放電室外に備える放電ガス処理装置において、排ガスの流れ方向に対して軸を鉛直方向とした金属丸棒の接地電極を正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形状に複数立柱させ、形成される正六角形の中心位置にワイヤ型放電電極を排ガスの流れ方向に対して鉛直方向に配置させたことを特徴とする放電ガス処理装置。

また、前記正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形上に複数立柱される前記金属丸棒の接地電極の本数が、前記正六角形の一つの辺上に辺の両端も含めて２〜６本であること、前記金属丸棒の接地電極は、直径が隣り合う２本の金属丸棒の接地電極の軸間隔の１／２以下で、かつ、３ｍｍ以上であること、前記ワイヤ型放電電極は、直径が金属丸棒の接地電極の直径の１／２以下で、かつ、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

さらに、前記金属丸棒の接地電極または／および前記ワイヤ型放電電極が導電性金属の表面に二酸化チタンをコーティングしたものであることを特徴とする。

上述したように、本発明によるパルスコロナ放電による排ガス処理装置では、放電ワイヤを中心にこれを取り囲む正六角形の辺上に沿って接地電極が配置されているので、放電ワイヤのどの方向にも均一にコロナ放電が発生し、空間全体を広くプラズマ化するので、排ガスとの接触が良好である。

また、金属丸棒の接地電極が正六角形の辺上に適度な間隔をもって配置されるため、処理される排ガスは接地電極間の間隙を自由に通過することができ、プラズマ化された多くの空間を通過することになるので、ショートパスがなく、効率よく排ガスを処理することが可能である。

また、接地電極は複数の金属丸棒をワイヤ型放電電極を取り囲むように六角形上に立柱させたもので、構造がシンプルで製作が容易であり、かつ、強固である。

以下、本発明に関する好適な実施形態を添付図面に従って説明するが、本発明は下記の実施の形態になんら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
図１は本発明の放電ガス処理装置の概念を示す模式図である。
図１において、放電ガス処理装置２は、供給される排ガスＧを図上横向きに通過させる放電室１０と、該放電室１０内部に、排ガスＧの流れと鉛直な方向に配される金属ワイヤの放電電極（以下、単に放電電極とする）１１、 該放電電極１１を取り巻き、排ガスＧの流れと鉛直な方向に配される金属丸棒の接地電極（以下、単に接地電極とする）１２、および放電電極１１と接地電極１２に接続されるパルス電源１３とを備えている。

処理される排ガスＧは、放電室１０の入口側に備えられた整流板１４によって均一な流れとして放電室１０内に供給される。
排ガスＧの供給に合わせて、パルス電源１３から放電電極１１と接地電極１２間に高電圧を印加し、両電極１１、１２間にパルスコロナ放電を起こさせる。
これによって、排ガスＧ中の有害物質や悪臭物質は放電室１０内において、放電によるプラズマによって生ずる高エネルギー電子や、放電によって生成したオゾンや各種の反応活性なラジカル（Ｏラジカル、ＯＨラジカルなど）によって無害・無臭の物質に変換される。
このようにして、放電ガス処理装置２で処理された排ガスは放電室１０の出口から大気に放出される。

図２は本発明の放電ガス処理装置の放電電極と接地電極の配置を示す概略平面図、図３は同じく放電電極と接地電極の設置要領を示す概略正断面図である。
図において、１７は放電室１０の天板であり、該天板１７には、放電電極１１を通す貫通孔１５と、接地電極１２を固定する固定孔１６が設けられている。
図示のごとく貫通孔１５は等間隔の千鳥状に配置され、固定孔１６は貫通孔１５を中心にして正六角形状に配置されている。

１８は放電室１０の底板であり、該底板１８にも設置電極１２の固定孔が設けられており、接地電極１２は天板１７の固定孔１６に頂部を固定され、基部は底板１８の固定孔に通されて、固定ナット１９により固定支持されている。

２０は後述するスリーブを保持する碍子管であって、前記放電電極１１の貫通孔１５に対応して、底板１８に設けられている。放電電極１１の下端にはスリーブ２２が固定されており、上端には吊下げ金具２３が固定されている。２１は天板１７の貫通孔１５に設置される碍子管であって、放電電極貫通孔が設けられており、該放電電極貫通孔に放電電極１１を通した状態で、放電電極吊下げ金具２３を介して放電電極１１を吊持している。
放電電極１１は、放電電極吊下げ金具２３で保持すると共に、放電電極１１の下端を碍子管２０内で固定するようにしてもよい。

なお、処理する排ガス中に多量の水分が含まれる場合、あるいはダストが含有されている場合などには、放電電極吊下げ金具２３の周りに水分が結露したり、ダストが付着して絶縁性が低下することがある。

図４に示す例は、天板１７の下に仕切り板２４を配し、放電室１０の上部を仕切ったものであり、この仕切った空間に図示していないがヒータを設置するか、暖かい空気を供給して絶縁性が低下するのを防止するようにしている。この例の場合、仕切り板２４には放電電極貫通孔１５Ｂと接地電極固定孔１６Ｂが設けられており、接地電極１２は仕切り板２４に固定される。

本発明の放電ガス処理装置においては、排ガスの流れ方向に対して軸を鉛直方向とした接地電極１２が正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形状に複数本立柱され、形成される正六角形の中心位置に放電電極１１が排ガスの流れ方向に対して鉛直方向に配置される。

すなわち、放電電極１１を中心に、それぞれの放電電極１１を取り囲む六角形の辺に沿って接地電極１２が配置される。この構造はパイプや金網の筒を接地電極として、その中心にワイヤ型放電電極を設置した場合のように完全な同心円筒電界にはならないが、正六角形の辺近くを除けば放電電極１１を中心に近似的に同心円筒電界を形成することが可能である。

本発明による排ガス処理装置２では、接地電極１２である複数の金属丸棒が正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように正六角形上に立柱され、複数の金属丸棒の接地電極１２で形成される正六角形ハニカム体の骨格柱のそれぞれの中心にワイヤ型放電電極１１が設置されているものであるから、全ての空間が放電領域になり、発生するプラズマに疎の部分ができないことが大きな特徴である。このため、排ガスとプラズマの接触を良好に保持することができる。

また、接地電極１２は、接地電極１２の直径の２倍以上の間隙を保って正六角形の辺上に配置されているので、処理される排ガスＧは接地電極１２間の間隙を自由に通過することができ、プラズマ化された多くの空間を通過するので、排ガスのショートパスを防止することが可能である。
以上のことから、本発明の放電ガス処理装置では、高効率で排ガスを処理することが可能である。

本発明による放電ガス処理装置２では、処理すべき排ガス量に応じて、六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように立柱される接地電極１２の配置数を増し、形成される正六角形の中心位置に放電電極１１を配置することにより容易に対応することが可能である。

正六角形ハニカム体の骨格柱を形成させるように正六角形の一つの辺に配置される接地電極１２の適した本数ｎ（辺の両端を含める）は２〜６本である。この本数で空間全体にわたって有効にプラズマを発生させることができる。７本以上では接地電極１２間の間隙が狭くなり排ガスの流れが阻害されて圧力損失が大きくなり、効果的ではない。

このように、接地電極１２の適した設置本数は、正六角形の一辺に６本以下であり、辺の中間の接地電極１２は隣接する正六角形との間で兼用され、また、辺の両端のものは正六角形の頂点の位置に配置されており、隣接する３つの正六角形で兼用されるので、接地電極１２の全体の接地本数はそれほど多くの数にはならない。また、接地電極１２は金属の丸棒なので、製作、組立が容易である。

適した接地電極１２の金属丸棒の直径は、隣り合う２本の金属丸棒の軸間隔の半分以下で、かつ、３ｍｍ以上とすることが好ましい。
直径があまり大きすぎると、放電が不均一になること、また、接地電極１２間の間隙が狭くなり、処理ガスの流れが阻害される傾向がある。３ｍｍ以下では多数の接地電極１２が必要になること、また、強度が弱くなるという問題がある。

また、適した放電電極１１の直径は金属丸棒の接地電極１２の直径の半分以下で、かつ、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。放電電極１１の直径が金属丸棒の接地電極の直径の半分以上では均一で安定な放電が難しく、また、直径が０．５ｍｍ以下とあまり細いと断線する恐れがある。

放電電極１１および接地電極１２の材質は鉄、ステンレス、アルミニウム合金、タングステン、チタンなど各種の金属を使用することが可能であるが、放電電極１１は線径が小さいのでタングステンやチタンなどの硬くて曲がりにくい機械的強度が強いものが好ましい。接地電極は径が太いので鉄、ステンレスなど各種のものを使用することができる。

なお、本発明の放電ガス処理装置では放電電極１１または／および接地電極１２として導電性金属の表面に酸化チタン（アナターゼ型）をコーティングしたものを使用することが一つの特徴である。酸化チタンをコーティングした放電電極１１や接地電極１２は光触媒機能を有するので、放電によって発生する紫外線によって両電極表面で排ガス中の有害物質や悪臭物質の処理に有効な光触媒反応が促進される。

すなわち、本発明の放電ガス処理装置では放電によって発生する紫外線を光触媒反応に有効利用することができる。導電性金属の両電極１１、１２表面に酸化チタンをコーティングするには、例えば、チタニアゾルを塗布して焼成するか、有機チタン化合物（例えば、チタンイソプロポキシドなど）のアルコール溶液などを電極に塗布して焼成することにより行うことができる。

本発明による放電ガス処理装置では、両電極１１、１２間に高電圧パルスが印加される。両電極間に印加する電圧が高いほど、排ガス中の有害物質や悪臭物質の処理に有効な高速電子の割合が増加すること、また、パルス電圧の印加は安定なコロナ放電の発生に適しているため、両電極１１、１２間には短パルスの高電圧を印加することが好ましい。

両電極間１１，１２間に印加される高電圧パルスは、パルスピーク電圧数ｋＶ〜数１００ｋＶ、パルス周波数数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅数１０ナノ秒〜数マイクロ秒である。
なお、放電電圧、放電時間などは、処理される排ガスの濃度や性状により決められ、これらの放電電圧や放電時間の条件でプラズマが良好に発生するように調整される。

以上、説明したように、本発明の放電ガス処理装置では放電室１０内の放電電極１１と放電電極を取り巻く接地電極１２との間にパルス電源１３よりパルス電圧を連続的に印加することにより、排ガスが通過する空間全体にプラズマを発生させることができるので、排ガス中に含まれる有害物質や悪臭物質を酸化反応や分解反応などによって無害・無臭な物質に効率よく変換することができる。

本発明の放電ガス処理装置は各種の排ガス処理に単独でも使用することもできるが、処理すべき排ガスの種類や処理すべき成分に応じて、その他の機器等と組合せて総合的な排ガス処理設備として使用することにより、より効果的な処理を行うことが可能である。
図５は本発明の放電ガス処理装置を用いる排ガス処理設備の構成例を示す概略図であり、図６は本発明の放電ガス処理装置を用いる他の排ガス処理設備の構成例を示す概略図である。

図５において、下水処理場の汚泥処理工程やし尿処理場のし尿取扱い工程などの排ガス発生源１から発生する排ガスが、放電電極と接地電極間にパルス電圧が印加され、パルスコロナ放電が形成される放電ガス処理装置２へ導入される。

放電ガス処理装置２において、パルスコロナ放電によるプラズマによって発生する高エネルギー電子や放電によって生成したオゾンや各種の反応活性なラジカル（Ｏラジカル、ＯＨラジカルなど）によって排ガス中の硫化水素、メチルメルカプタンなどの硫黄系臭気成分やアンモニアなどの塩基性臭気成分は分解あるいは酸化され無臭の物質に変換される。

次いで、放電ガス処理装置２で処理された排ガスはアルミナ、ゼオライトなどの多孔体に白金などの貴金属やマンガン、鉄などの金属酸化物を担持させた触媒を充填した触媒反応器３へ導入され、排ガス中に残存するオゾンや未反応の臭気成分が更に処理された後、大気へ放出される。

図６においては、ごみ焼却場の焼却炉などの排ガス発生源４から発生する燃焼排ガスが冷却器５へ導入され、約２００℃程度に冷却される。次いでバグフィルタなどの集塵機６へ導入され、排ガス中のダストが取り除かれる。

除塵された排ガスは、パルス電圧が印加され、パルスコロナ放電が形成される放電ガス処理装置２へ導入される。排ガス処理装置２において、排ガス中のダイオキシンなどの有害物質がコロナパス放電によるプラズマによって生成する高エネルギー電子や放電によって生成したオゾンや反応活性なラジカルによって分解あるいは酸化され無害な物質に変換される。
また、排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）やＳＯｘ（硫黄酸化物）は硝酸や硫酸に変換される。

次いで、放電ガス処理装置２で処理された排ガスは触媒反応器３へ導入され、排ガス中に残存するオゾンや未反応の有害物質が更に処理された後、アルカリ水溶液などが噴霧される吸収塔７へ導入される。吸収塔７内で硝酸、硫酸、塩化水素などの水溶性物質が除去され、処理ガスは大気に放出される。

なお、放電ガス処理装置２には、放電室１０内の放電電極１１や接地電極１２にダストや硫酸ミストなどが付着する恐れがある場合には、ダストを払い落とす槌打装置やミストを洗い流すスプレーノズル（図示していない）を設けることも可能である。

本発明の放電ガス処理装置の概念を示す模式図である。 本発明の放電ガス処理装置の放電電極と接地電極の配置を示す概略平面図である。 本発明の放電ガス処理装置の放電電極と接地電極の設置要領を示す概略正断面図である。 本発明の放電ガス処理装置の他の放電電極と接地電極の配置を示す概略正断面図である。 本発明の放電ガス処理装置を用いる排ガス処理設備の構成例を示す概略図である。 本発明の放電ガス処理装置を用いる他の排ガス処理設備の構成例を示す概略図である。

符号の説明

１ 排ガス発生源
２ 放電ガス処理装置
３ 触媒反応器
４ 排ガス発生源
５ 冷却器
６ 集塵機
７ 吸収塔
１０ 放電室
１１ 放電電極
１２ 接地電極
１３ パルス電源
１４ 整流板
１５ 放電電極貫通孔
１６ 接地電極固定孔
１７ 天板
１８ 底板
１９ 固定ナット
２０ 碍子管
２１ 碍子管
２２ スリーブ
２３ 放電電極吊下げ金具
２４ 仕切り板

Claims (5)

1. 排ガスを通す放電室を設け、該放電室内に放電電極と接地電極を備え、この両電極間にパルス電圧を印加してパルスコロナ放電を形成せしめるパルス電源を放電室外に備える放電ガス処理装置において、排ガスの流れ方向に対して軸を鉛直方向とした金属丸棒の接地電極を正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形状に複数立柱させ、形成される正六角形の中心位置にワイヤ型放電電極を排ガスの流れ方向に対して鉛直方向に配置させたことを特徴とする放電ガス処理装置。
2. 前記正六角形ハニカム体の骨格柱を形成するように、正六角形上に複数立柱される前記金属丸棒の接地電極の本数が、前記正六角形の一つの辺上に辺の両端も含めて２〜６本であることを特徴とする請求項１記載の放電ガス処理装置。
3. 前記金属丸棒の接地電極は、直径が隣り合う２本の金属丸棒の接地電極の軸間隔の１／２以下で、かつ、3ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１、請求項２記載の放電ガス処理装置。
4. 前記ワイヤ型放電電極は、直径が金属丸棒の接地電極の直径の１／２以下で、かつ、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３記載の放電ガス処理装置。
5. 前記金属丸棒の接地電極または／および前記ワイヤ型放電電極が導電性金属の表面に二
   酸化チタンをコーティングしたものであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項
   ３、請求項４記載の放電ガス処理装置。
   
   

Images