JP2007218232A - 炭素系粒子状物質除去装置 - Google Patents

Abstract

【課 題】比較的低温で高効率にトラップを再生できるＰＭ除去装置およびそのようなＰＭ除去装置を用いた燃焼排ガス処理方法を提供する。
【解決手段】炭素系粒子状物質を含む燃焼排ガス中の炭素系粒子状物質を除去するための炭素系粒子状物質除去装置であって、該排ガスの管路中に設けられ、ガス導入口３とガス排出口４とを有する炭素系粒子状物質を捕集するためのトラップ２と、該トラップ内にオゾンを供給するためのオゾン発生装置７を主とするオゾン供給手段とを少なくとも有してなり、オゾンを用いて炭素系粒子状物質を酸化除去することを特徴とする炭素系粒子状物質除去装置１０１。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル排気ガス等の化石燃料の燃焼排ガス中に含まれる炭素系粒子状物質を除去するための炭素系粒子状物質除去装置、ならびに、該炭素系粒子状物質除去装置を用いた排ガス処理方法に関する。

従来から、化石燃料である重油や軽油を燃料とするディーゼル機関は、車両、船舶、農業用、工業用又は発電用等の分野において広く利用されている。しかし、ディーゼル機関の排ガス中には、不完全燃焼により通常黒煙と呼ばれる炭素系粒子状物質（以下、「PM」ということがある。）が混入しており、このPMの排出は、単に大気を汚染するのみならず、種々の健康被害をもたらす要因となることが指摘され、環境衛生上非常に問題視されている。このため近年はPM排出量が厳しく規制される傾向にある。

そこで、PMを低減させる方法が種々提案されており、ディーゼル機関の燃焼効率を向上させてPMの発生そのものを減少させる試みがなされる一方、排ガスからPMを除去するためのPM除去装置が盛んに開発されている。

このうち、排ガス管路にトラップを設け、このトラップによってPMを捕集すると共に、後処理でトラップ内のPMを除去する方式によるものが実用的に有望であるため、種々提案されている。ここで用いられるトラップは、通常、金属等のケース内に、繊維やハニカム多孔体等のフィルタエレメント（以下、「フィルタ」と略称することがある。）が装着された構造をしている。

上記構造のフィルタを有するトラップにおいては、使用により捕集されたPMがフィルタに蓄積し、目詰まりを起こして排ガスの流れを著しく阻害することにより、ＰＭ除去性能が低下したり、PM除去装置を装着したエンジン等の排気効率を悪化させてしまったりするので、再生処理が必要となる。

この再生処理は、現状では電気ヒーターによる燃焼再生が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−９７９２９公報（明細書段落[００２９]等）

上記の電気ヒーターによる燃焼再生では、少なくともPMを５００℃以上の高温に加熱する必要があり、フィルタの材質に耐熱性金属やセラミック等を使用せねばならず高コストなものとなるばかりでなく、PM堆積量の多い部分でのPM燃焼によりその部分の温度が著しく上昇してフィルタ等を破損することがあり、耐久性に問題が生じる場合があった。また、５００℃以上の高温を維持するためには、高出力（１ｋｗ以上）の電気ヒーターを使用する必要があり、エネルギー消費の大きいものとなるという問題があった。

かかる現況に鑑み、本発明の課題は、比較的低温で高効率にトラップを再生できるＰＭ除去装置およびそのようなＰＭ除去装置を用いた燃焼排ガス処理方法を提供することにある。

すなわち、本発明は、
［１］炭素系粒子状物質を含む燃焼排ガス中の炭素系粒子状物質を除去するための炭素系粒子状物質除去装置であって、該排ガスの管路中に設けられ、ガス導入口とガス排出口とをそれぞれ１つ以上有する炭素系粒子状物質を捕集するためのトラップと、該トラップ内にオゾンを供給するためのオゾン供給手段とを少なくとも有してなり、オゾンを用いて炭素系粒子状物質を酸化除去することを特徴とする炭素系粒子状物質除去装置；
［２］上記トラップが、物理的に炭素系粒子状物質を捕集するフィルタエレメント、静電場を用いて炭素系粒子状物質に荷電して捕集する静電フィルタエレメント、または炭素系粒子状物質の固体表面への吸着／付着作用により炭素系粒子状物質を捕集する網状物のいずれか１つ以上を有してなるものである前項［１］に記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［３］上記オゾン供給手段が、少なくとも一対の電極間に高電圧を印加してプラズマ放電を生ぜしめ、該プラズマ放電空間内で含酸素ガス中の酸素をオゾンに変化させることによりオゾンを発生させるオゾン発生装置を有してなるものである前項［１］または［２］に記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［４］上記オゾン発生装置が、与えられた信号に応じて、電極間に高電圧を印加するための高圧電源の電圧および／または周波数を制御することによりオゾン発生量を制御できるものである前項［３］に記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［５］上記オゾン供給手段において、オゾン発生装置内に含酸素ガスを供給するための含酸素ガス供給装置が、与えられた信号に応じてガス流量を制御できるものである前項［１］〜［４］のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［６］上記トラップ内の温度および圧力を測定するための温度センサーおよび圧力センサーと、上記トラップのガス導入口前段に設けられ、トラップ内に導入されるガスの流れを制御するための制御弁V1と、上記トラップのガス排出口の後段に設けられ、トラップより排出されたガスの流れを制御するための制御弁V2とを有してなる前項［１］〜［５］のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［７］上記オゾン発生装置のオゾン発生量を制御するために与えられる信号を発生する機構、および／または上記含酸素ガス供給装置のガス流量を制御するために与えられる信号を発生する機構および／または制御弁Ｖ1を制御するための信号と制御弁Ｖ2を制御する信ための信号とを発生する機構と、それらの信号を発生する機構を温度センサーからの入力信号および／または圧力センサーからの入力信号および／または炭素系粒子状物質除去装置外部からの入力信号に応じて制御する機構と、該入力信号を受信する機構とを備えた制御装置を有してなる前項［４］〜［６］のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置；
［８］上記炭素系粒子状物質除去装置より大気中に排出されるガスに含まれるオゾンを分解するためのオゾン分解手段を有してなる前項［１］〜［７］のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置；および
［９］上記オゾン分解手段が、MnO₂、Mn₂Ｏ₃、Fe₂Ｏ₃、FeO、V₂O₅、NiO、MoO₃およびMgOからなる群より選択される１以上の金属酸化物を主成分とする触媒を用いてオゾンを分解する装置である前項［８］に記載の炭素系粒子状物質除去装置；ならびに
［１０］前項［１］〜［９］のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置を用いて、炭素系粒子状物質を捕集した上記トラップを再生しつつ、化石燃料の燃焼排ガス中に含まれる炭素系粒子状物質を除去することを特徴とする化石燃料の燃焼排ガス処理方法に関する。

本発明のＰＭ除去装置では、トラップ内に捕集されたＰＭをオゾンにより酸化して処理するので、トラップをより低温で再生できる。このため、従来の電気ヒーターによる燃焼再生を行う方式のものに比べて、耐熱性の低いトラップの使用が可能となり、また、オゾンによるＰＭの酸化速度は比較的緩やかで燃焼に到るようなことがないので、局部的な著しい温度上昇によってトラップを痛めるようなこともない。
本発明のうち、制御弁の制御装置を有する好ましい態様のＰＭ除去装置では、温度センサーと圧力センサーによってPMの捕集具合を検知し、それに応じてマップ化した制御方法を適用し、トラップを効率よく再生することができる。さらには、トラップ内の温度に応じてオゾンの供給を制御し、例えばトラップ内の温度が比較的高温粋域にあるタイミングでオゾンを供給することにより、トラップを再生するためのエネルギー消費を低く抑えることもできる
また、本発明のＰＭ除去装置を用いた燃焼排ガス処理方法によれば、ディーゼル機関の排ガスに代表される化石燃料の燃焼排ガス中に含まれるＰＭを除去する排ガス処理にあたり、トラップを再生しつつ、低温で効率良く処理を行うことができる。

以下に、本発明の実施形態例を図面に沿って説明する。
図１は、本発明のＰＭ除去装置（以下、「本装置」と略記することがある。）の一例を示すシステム図である。本装置１０１は主に、トラップ２、オゾン発生装置７を有するオゾン供給手段、およびそれらの間にガスを流すための管路から構成される。本装置には、ＰＭを含んだ排ガスが本装置に入るための装置入口１と、ＰＭを除去された排ガスが本装置の外部に出るための装置出口２１が通常備わっていることはいうまでもなく、前記トラップ２は、この装置入口と装置出口を結ぶ管路中に設けられている。なお、図1で例示される本装置は、トラップ２を１個設けたものであるため、単独型ＰＭ除去装置とも称される。

トラップ２は、排ガス中のＰＭを捕集するためのものであり、トラップ内にガスを導入するためのガス導入口３とトラップ外の管路にガスを排出するためのガス排出口４とを少なくとも１つずつ有する。トラップ２としては、金属製等のハウジングケース内にＰＭを捕集することのできるフィルタが格納されたものが通常用いられる。

上記フィルタとしては、特に限定されるものではなく、ＰＭ捕集用として公知のフィルタを採用すればよいが、例示すれば、物理的にＰＭを捕集するフィルタ、例えばＰＭを捕集することのできる細孔を有する繊維素材等で構成されたフィルタが挙げられる。また、静電場を用いてＰＭに荷電して電気的引力の作用によりＰＭを捕集する、一般的に静電フィルタと称されるフィルタが挙げられる。また、ＰＭの固体表面への吸着／付着作用によりＰＭを捕集する網状物からなるフィルタが挙げられる。それらのフィルタは、単独で、あるいは複数を組み合わせて用いることができる。

オゾン供給手段は、ＰＭを酸化させるためのオゾンをトラップ内に供給するための手段であって、オゾン発生装置７を主要部として構成される。オゾン発生装置としては、特に限定されるものではなく、公知のオゾン発生装置を用いることができるが、高効率にオゾンを発生できる点で、プラズマ放電方式のオゾン発生装置が好ましい。プラズマ放電方式のオゾン発生装置とは、少なくとも一対の電極間に高電圧を印加してプラズマ放電を生ぜしめ、該プラズマ放電空間内で含酸素ガス中の酸素をオゾンに変化させることによりオゾンを発生させる装置をいう。

オゾン発生装置７には、該装置にオゾンの原料となる含酸素ガスを供給するための含酸素ガス供給装置１０が付属し、両装置間は管路により接続されている。また、オゾン発生装置の電極間に高電圧を印加するための高圧電源が接続される。

具体的な含酸素ガス供給装置１０としては、例えば、含酸素ガスボンベ、空気コンプレッサー、空気送風機、空気から酸素を分離して供給する装置等が挙げられる。含酸素ガス供給装置を通じてオゾン発生装置に供給される含酸素ガス１１としては、空気でもよいが、酸素ガスの方がオゾンを効率よく発生させることができるので、例えば酸素ボンベを使用することが好ましい。また、含酸素ガス供給装置には、除塵ろ過フィルタ１２が設けられていることが好ましく、該装置の故障を防ぐのに有効である。

上記の説明から理解できることであるが、図１に示した例では、含酸素ガス供給装置１０およびこれに付属する含酸素ガス１１と、オゾン発生装置７およびこれに付属する高圧電源８とが、オゾン供給手段を構成する。なお、高圧電源その他の装置は、通常、外部電力（図では必ずしも示されていない）の供給を受けることはいうまでもない。

本装置によりＰＭが除去される仕組みについて図１の例で説明すると、まず、ディーゼル機関の排ガス等、ＰＭを含む化石燃料の燃焼排ガスは、装置入口1から装置内に入り、さらに制御弁Ｖ1を経由してガス導入口３よりトラップ２内に入る。制御弁Ｖ1は、トラップに内に導入されるガスの流れ、すなわち、上記排ガスおよびオゾン供給手段から流れてくる含オゾンガスの流量を制御するための弁であり、制御弁Ｖ1を通るガスはトラップ２の方向にのみ流れるようになっており、オゾン発生装置７および装置入口１の方向へは流れないようになっている。なお、図１および後述する図２においては、太い矢印をもって管路内のガスの流れる方向を示している。

トラップに入った上記排ガス中のＰＭは、トラップ内のフィルタによって捕集されるので、排ガスがトラップ内を連続して流れることにより、ＰＭはトラップに捕集されることになる。したがって、トラップに捕集されたＰＭを除去しないことには、フィルタが次第に目詰まりを起こし、圧力損失が増大して装置の運転に支障をきたすことになる。

そこで本装置では、このＰＭをオゾンの酸化力により酸化させ、二酸化炭素として除去するのであるが、そのために、オゾン供給手段のオゾン発生装置７からガス流れ制御弁Ｖ1を経由して、トラップ内にオゾンを導入する。これにより、フィルタに捕集ないし堆積したＰＭが除去される。つまり、トラップ内にオゾンが供給されないうちは、ＰＭがフィルタに堆積してトラップの機能を低下させることになるが、オゾンが供給されることによって該ＰＭが除去されて機能が回復し、トラップは再生されることになる。

なお、オゾンによるＰＭの酸化反応は、従来の電気ヒーターによる燃焼のように５００℃以上の高温を要するものではなく、比較的低温域で目的とする酸化反応が行われる。ある程度は高い温度の方が酸化反応が促進されるが、３００〜４００℃もあれば十分に反応が促進され、この程度の温度はディーゼル機関等の排ガス自体が有する温度で達成されうる。

トラップのガス排出口４から出たガスには、ＰＭが除去された排ガスのほかに、供給されたオゾンが消費されて生じたガスが含まれるが、オゾンが残存していることもある。このため、装置出口２１の前には、本装置より大気中に排出されるガスに含まれるオゾンを分解するべく、オゾン分解装置２０等のオゾン分解手段を設けることが好ましい。オゾンは量によっては人体や物に害を与えることがあり、そのような有害物質にもなりうるオゾンが本装置外に放出されるのを防止できるからである。上記のオゾン分解手段としては、MnO₂、Mn₂Ｏ₃、Fe₂Ｏ₃、FeO、V₂O₅、NiO、MoO₃およびMgOからなる群より選択される１以上の金属酸化物を主成分とする触媒を用いてオゾンを分解する装置が好ましい。

また、残存したオゾンまたは酸素を有効に活用するために、トラップのガス排出口４から出たガスの流れの一部を制御弁Ｖ２により分岐させ、オゾン供給手段を経由して再度トラップ２に導入されるよう、循環させることもできる。この循環ガスと、含酸素ガス１１からの酸素との流量を制御弁Ｖ３により制御することもできる。循環ガスには塵埃等の異物が含まれるおそれもあるが、その場合には、除塵ろ過フィルタ１２を設けることが特に有効となる。

本装置を運転するに際しては、排ガスからＰＭをトラップに捕集するのと同時並行的に捕集されたＰＭをオゾンにより酸化除去することができる。すなわち、本装置を用いることにより、ＰＭを捕集したトラップを再生しつつ、化石燃料の燃焼排ガス中に含まれるＰＭを除去するという燃焼排ガス処理方法が可能となる。

もっとも、オゾンによるＰＭの酸化除去は、常に一定のペースで行う必要はなく、ある程度フィルタにＰＭが堆積した時点で集中的に行うほうが効率的ということもできる。このため、本装置においては、本装置の運転状況、本装置で処理される排ガスの発生源であるディーゼル機関等の運転状況、あるいはあらかじめプログラムされた情報に応じて、所望の運転状況を選択できるよう、種々の運転条件を制御できることが好ましい。

そのような理由から、オゾン発生装置７としては、与えられた信号に応じて、電極間に高電圧を印加するための高圧電源８の電圧および／または周波数を制御することによりオゾン発生量を制御できるものであることが好ましい。この場合のオゾン発生装置において、当該信号を受信する機構ないし装置を備えていることはいうまでもない。

同様に、オゾン発生装置７内に含酸素ガスを供給するための含酸素ガス供給装置１０としては、与えられた信号に応じてガス流量を制御できるものであることが好ましい。この場合の含酸素ガス供給装置において、当該信号を受信する機構ないし装置を備えていることはいうまでもない。

同様に、トラップ２には、トラップ内の温度および圧力を測定するための温度センサー５および圧力センサー６を設けることが好ましく、当該センサーにより検知されたトラップの温度、圧力状態に応じて、ガス導入口３前段に設けられた制御弁V1と、ガス排出口４の後段に設けられた制御弁V2とを適宜制御することができる。トラップ内の温度、圧力状態を検知することは、換言すればＰＭの捕集具合を検知することでもあり、その捕集具合に応じてマップ化した制御方法を適用することもできる。

上記したような各種運転条件を自動的に制御するためには、制御装置１４を備えていることが好ましい。制御装置１４に入力される信号としては、トラップ内の温度および圧力の情報を伝える温度センサー５からの信号入力および圧力センサー６からの信号入力、ディーゼル機関の運転状況等の装置外部からの情報を伝える外部信号入力１８等が挙げられる。一方、制御装置１４から出力される信号としては、オゾン発生装置のオゾン発生量を制御するために高圧電源８に向けて出力される制御信号９、含酸素ガス供給装置１３に向けて出力される制御信号１４、制御弁Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3のそれぞれに向けて出願される制御信号１５、１６、１７等が挙げられる。制御装置１４としては、所望により上記の入力信号のうちの一部または全部を受信できる機構、および上記の出力信号のうちの一部または全部を発生できる機構、ならびに受信した入力信号の内容に応じて出力信号を発生する機構を制御する機構を有する制御装置を採用することができ、それによって上記出力信号の一部または全部を変化させることができるので、運転条件を自動的に制御できる。

図２に示す例は、トラップ２を並列に２個設けた本装置１０２の例である。この例では、基本的な構成は図１に示した例と共通するので、共通する構成についての説明は省略するが、トラップを複数設けたことにより、トラップを同時に使用することも、交互に使用することもできる。したがって、制御弁を適宜制御することにより、一方のトラップには排ガスのみを流してＰＭ除去を行いつつ、他方のトラップでは、捕集されたＰＭのオゾンによる酸化除去すなわちトラップの再生のみを行うという使用方法をとることもできる。このことから、図２に示す例は、交互型ＰＭ除去装置とも称される。

本発明のＰＭ除去装置は、エネルギー消費が少ないものであり、図１および図２に示したＰＭ除去装置を用いてＰＭを除去する時に要する電気エネルギーは、主にオゾン発生に消費される。オゾンを発生してＰＭを除去する際の電気エネルギー消費の指標として、電気エネルギーあたりのＰＭ除去量の一例を示せば、含酸素ガスとして空気（酸素濃度２１％）を使った場合では約１２グラムＰＭ／ｋＷｈであり、含酸素ガスとして純度９５％超の酸素を使った場合では約２４グラムＰＭ／ｋＷｈである。

本発明のＰＭ除去装置の一例の構成を示すシステム図である。 本発明のＰＭ除去装置のうち、トラップを複数有する例の構成を示すシステム図である。

符号の説明

１ 装置入口
２ トラップ
３ ガス導入口
４ ガス排出口
５ 温度センサー
６ 圧力センサー
７ オゾン発生装置
８ 高圧電源
９ 制御信号（高圧電源ないしオゾン発生装置）
１０ 含酸素ガス供給装置
１１ 含酸素ガス
１２ 除塵ろ過フィルタ
１３ 制御信号（含酸素ガス供給装置）
１４ 制御装置
１５ 制御信号（制御弁Ｖ1）
１６ 制御信号（制御弁Ｖ2）
１７ 制御信号（制御弁Ｖ3）
１８ 外部信号入力
１９ 外部信号出力
２０ オゾン分解装置
２１ 装置出口
１０１ 単独型ＰＭ除去装置
１０２ 交互型ＰＭ除去装置

Claims (10)

1. 炭素系粒子状物質を含む燃焼排ガス中の炭素系粒子状物質を除去するための炭素系粒子状物質除去装置であって、該排ガスの管路中に設けられ、ガス導入口とガス排出口とをそれぞれ１つ以上有する炭素系粒子状物質を捕集するためのトラップと、該トラップ内にオゾンを供給するためのオゾン供給手段とを少なくとも有してなり、オゾンを用いて炭素系粒子状物質を酸化除去することを特徴とする炭素系粒子状物質除去装置。
2. 上記トラップが、物理的に炭素系粒子状物質を捕集するフィルタエレメント、静電場を用いて炭素系粒子状物質に荷電して捕集する静電フィルタエレメント、または炭素系粒子状物質の固体表面への吸着／付着作用により炭素系粒子状物質を捕集する網状物のいずれか１つ以上を有してなるものである請求項１に記載の炭素系粒子状物質除去装置。
3. 上記オゾン供給手段が、少なくとも一対の電極間に高電圧を印加してプラズマ放電を生ぜしめ、該プラズマ放電空間内で含酸素ガス中の酸素をオゾンに変化させることによりオゾンを発生させるオゾン発生装置を有してなるものである請求項１または2に記載の炭素系粒子状物質除去装置。
4. 上記オゾン発生装置が、与えられた信号に応じて、電極間に高電圧を印加するための高圧電源の電圧および／または周波数を制御することによりオゾン発生量を制御できるものである請求項３に記載の炭素系粒子状物質除去装置。
5. 上記オゾン供給手段において、オゾン発生装置内に含酸素ガスを供給するための含酸素ガス供給装置が、与えられた信号に応じてガス流量を制御できるものである請求項1〜4のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置。
6. 上記トラップ内の温度および圧力を測定するための温度センサーおよび圧力センサーと、上記トラップのガス導入口前段に設けられ、トラップ内に導入されるガスの流れを制御するための制御弁V1と、上記トラップのガス排出口の後段に設けられ、トラップより排出されたガスの流れを制御するための制御弁V2とを有してなる請求項１〜5のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置。
7. 上記オゾン発生装置のオゾン発生量を制御するために与えられる信号を発生する機構、および／または上記含酸素ガス供給装置のガス流量を制御するために与えられる信号を発生する機構および／または制御弁Ｖ1を制御するための信号と制御弁Ｖ2を制御する信ための信号とを発生する機構と、それらの信号を発生する機構を温度センサーからの入力信号および／または圧力センサーからの入力信号および／または炭素系粒子状物質除去装置外部からの入力信号に応じて制御する機構と、該入力信号を受信する機構とを備えた制御装置を有してなる請求項４〜６のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置。
8. 上記炭素系粒子状物質除去装置より大気中に排出されるガスに含まれるオゾンを分解するためのオゾン分解手段を有してなる請求項１〜７のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置。
9. 上記オゾン分解手段が、MnO₂、Mn₂Ｏ₃、Fe₂Ｏ₃、FeO、V₂O₅、NiO、MoO₃およびMgOからなる群より選択される１以上の金属酸化物を主成分とする触媒を用いてオゾンを分解する装置である請求項８に記載の炭素系粒子状物質除去装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の炭素系粒子状物質除去装置を用いて、炭素系粒子状物質を捕集した上記トラップを再生しつつ、化石燃料の燃焼排ガス中に含まれる炭素系粒子状物質を除去することを特徴とする化石燃料の燃焼排ガス処理方法。
    
    

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