JP3319575B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車用道路のトン
ネルの排ガス処理、とくに既設の道路のトンネル中の排
ガスの処理を行なう装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用道路のトンネル内には、自動車
の走行に伴って発生する煤煙を含む排ガスやタイヤ、路
面のアスファルトなどの摩耗粉塵などによって空気が汚
染され、自動車内の乗員や道路、トンネルの保守作業者
の健康に悪影響を与えると共に、トンネル内の視界を悪
化させて運転操作にも支障が生じるなどの弊害が発生す
るので、トンネル内の汚染した空気を換気しなければな
らない。この換気には自然換気と機械換気とがあって、
自然換気による空気の浄化の限界は、トンネルの幾何条
件、交通条件、気象条件などによって変動するが、経験
的には対面交通ではＬ×Ｎ＝６００が一つの目安として
考えられている。ただしここでＬはトンネルの総延長距
離（ｋｍ）、Ｎは時間交通量（台／ｈ）を示す。一方向
交通の場合はＬ×Ｎ＝２０００まで自然換気が可能とさ
れ、それぞれこの限界値以上の条件では機械換気が必要
となり、土木構造的にバイパスを設定して吸引ポンプを
取り付け、気流を増勢してトンネル内の排ガスなどを速
やかにトンネル外へ排出する設定を原則としている。

【０００３】従来の換気は排ガス中の固形分、たとえば
煤塵の除去が主な対象であり、電気集塵機を使用して排
ガス中の粉塵を取り除き大気中へ放出すれば目的を達し
たものと解釈されていたが、近年排ガス中に微量とはい
え含まれるＮＯｘやＳＯｘなどの拡散が人体に有害であ
ることが重視されるようにり、単に従来のような粉塵の
除去だけでは済まされない新たな環境汚染として注目を
集めるようになった。とくに排ガスの換気口やトンネル
の抗口など換気と入れ替えに放出されるガス濃度の高い
地点ではＮＯｘなどの影響が憂慮される。

【０００４】これに対してＮＯ_Xの分解処理として幾つ
かの研究が実施され、たとえば活性化したゼオライトを
使用してＮＯｘを吸着するアンモニア脱硝法、ゼオライ
ト系ペレット吸着剤でＮＯｘを吸着し、次いで脱着され
たＮＯｘをゼオライト系ペレット触媒で熱分解する接触
分解法、ＮＯｘを活性炭により酸化吸着し周期的に脱
着、濃縮して触媒接触還元反応によって分解する活性炭
法など、これらの技術が実用化されているが、処理装置
に必要なスペースが非常に大きく、かつエネルギーコス
トも嵩むので、大量の排ガスを処理する手段としては、
多くの問題点が提起されている。

【０００５】近年、最も注目を集めるＮＯｘの分解処理
装置として酸化チタンによる光触媒作用を利用した技術
がある。特開平３−２３３１００号公報に示す従来技術
では、図５のように自動車用道路のトンネル１０１にお
いて、バイパストンネル１０２を設け、トンネル内の排
ガスを送風機１０３で電気集塵機１０４へ送気した後、
有毒ガス除去装置１０５を通して浄化し、清浄な空気を
送風機１０６で本線トンネル内に放出している。この有
毒ガス除去装置としては、二酸化チタンと活性炭の混合
物と、これに波長が３００ｎｍ以上の光を照射する光源
からなることを特徴とする。電気集塵機と有毒ガスの分
解装置とを連結することによって、電気集塵機による粉
塵の除去と共にＮＯｘなどの有害ガスの双方を取り除く
機能を具えた換気設備を実現することができると謳って
いる。その他、酸化チタン系の光触媒による独自の作用
を利用した従来技術として特開平６−３１５６１４号公
報や特開平８−１０５７６号公報なども見出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】たとえば図５の従来技
術のようなバイパストンネルによる換気装置では、トン
ネル工事の最初から設計的に取り決め、本線トンネルの
付帯工事として必ず並行して施工しなければならない。
しかし既設のトンネルについては、改めてバイパストン
ネルを新たに掘削することは膨大な工事費が必要であ
り、土木構築的に換気処理設備を改善することはほとん
ど不可能に近い。したっがって従来の自然換気による
か、あるいはジェットファンをトンネル内の天井面に取
り付けて換気を増進していた程度の対応策では、全国無
数のトンネルに対して、ＮＯｘを含む有害ガスの除去を
可能とする抜本的な改善に繋がらないと言う課題があ
る。

【０００７】また図５のように機械換気を設計段階から
設定し、バイパストンネルを併設した場合でも、酸化チ
タンの光触媒作用によるＮＯｘの分解には、かなりの照
射時間が必要であり、その時間を確保するための大スペ
ースの処理装置をバイパス内に設置できるか容積的な制
約から見れば疑問も残る。本発明は以上の課題を解決す
るために既設、新設を問わず安価な工事費でＮＯｘの除
去と粉塵などの固形物の除去に貢献する排ガス処理装置
の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の排ガス処理装置
は、自動車用道路のトンネル内で発生する排ガスを換気
処理する装置であって、基本的な要件は図１に示すよう
に、トンネル１の抗口１１に連接したトンネル外で透明
の上面板２１および距離を隔てた類似形の下面板２２に
よってトンネル１の断面とほぼ同形の二重シェルタ２を
延設し、該二重シェルタ２内に上下の端部を交互に連通
する間隙を設けた多数の垂直板２３を立設して、二重シ
ェルタ外端に設けた換気搭３へ連通する反応風路２４を
形成し、前記垂直板２３の側面にＮＯｘを分解する光触
媒酸化チタン膜２５を塗着すると共に、トンネル１内の
上部および下部からそれぞれ排ガスＧを吸引する上部排
ガス回収装置４、および下部排ガス回収装置５で、吸引
した前記排ガスＧを反応風路２４へ給気している装置を
具えていることを構成上の特徴とする。

【０００９】この構成は通常の排ガス処理装置とは異な
りトンネルの抗口に連接したトンネル外の通常の道路
を、たとえばアーチ形に跨ぐような二重シェルタを形成
する点が特徴であり、かつ、該二重シェルタ内では透明
な上面板を透過する太陽光線、とくに有効な紫外線によ
って通過する排ガスが照射を受け、垂直板に塗着した光
触媒酸化チタン膜の作用によって含まれるＮＯｘの大部
分をＮＨＯ₃に変換析出し、無害化した気体を大気中に
放出するから、従来、トンネルの抗口付近や排気口など
に集中していた排ガス中のＮＯｘによる大気汚染の集中
が低減され、身体に悪影響を与える公害源を消滅する作
用がある。

【００１０】光触媒酸化チタンによるＮＯｘの分解作用
については、近来、急速に研究が進んでいるが、理想的
な配合条件であってもＮＯｘの有効な分解には一定の照
射時間を確保することが最大の要件であり、この要件を
適用すべきＮＯｘの発生現地の条件と如何にマッチング
させるかという点が分解効率を左右する最大の要素とな
る。たとえば図２はハイアルミナセメントによって酸化
チタンを固定した薄膜の場合、縦軸に窒素酸化物の濃度
（ｐｐｍ）、横軸に照射時間をプロットして種々の二酸
化チタンの濃度による分解効率を反応時間との関係を表
わしたグラフであるが（村澤：２nd Int．Symp．on New
Trend in Photoelectrochemistry. Tokyo 1994）、二
酸化チタンの配合率が２５重量％の場合で窒素酸化物の
濃度を１０．００ｐｐｍから０．０１ｐｐｍにまで落と
すのに必要な反応時間は、約２０分間を要するという実
験報告が示されている。しかし、単なる排ガスの素通り
程度では酸化チタンの分解反応機能は決して満足できる
結果が得られないことも多くの実験であきらかとなって
いるが、本発明は前記構成によってＮＯｘの分解に必要
な反応時間を確保できる具体的で実施可能な構成を、既
設のトンネルに構築し、課題を解決することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の２
つの異なる実施形態を示す縦断正面図であり、図４
（Ａ）は図３（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図、図４
（Ｂ）は同ｂ−ｂ矢視断面図、図４（Ｃ）は同ｃ−ｃ矢
視断面図をそれぞれ示す。これらの図において、二重シ
ェルタ２は透明な上面板２１と不透明な下面板２２とを
距離を隔てて二重に路面を被覆してアーチ形に形成し、
その中空部へ上下交互に連通する間隙を残して垂直板２
３を交互に立設して反応風路２４とする。上面板２１は
強化ガラス、アクリルあるいはプラスチックを材料と
し、下面板２２は亜鉛鍍金を施した鋼板、またはステン
レス鋼板で製作する。垂直板２３は透明な強化ガラス、
アクリル、プラスチックの中から適宜選べるが、好まし
くは透明アクリル板が推奨に価する。また、この実施形
態ではトンネルとほぼ同形のアーチ形（馬啼形）の二重
シェルタをトンネル外に延長した形で被冠した形態とし
たが、当然、その断面形状は矩形の門形でもよく、また
図１で示しているようにトンネルの抗口に横並びに隣接
しているときには、箱形を選ぶと経済的にも有利である
というように適宜トンネルや前後に繋がるトンネル外の
道路の地形に応じて最適の形状とすることが求められ
る。

【００１２】光触媒酸化チタン膜２５としては二酸化チ
タンと活性炭および鉄系酸化物を混合した塗膜を垂直板
２３の両側面に塗着するが、その塗膜の膜厚は数ミクロ
ンの単位であり、ＮＯｘを含む排ガスと接触して二酸化
チタンの酸化活性を促す反応時間を確保するように流動
速度を調整しなければ有効な処理は期待できない。二酸
化チタンと活性炭およびその他の添加物の配合割合は、
種々の学会の報告や内外の論文から最適と思われる成分
を選ぶが、工事費の多寡に応じて考慮すれば少なくとも
２０〜３０分の反応時間によってＮＯｘが分解するよう
反応風路内の滞留時間を設定する。

【００１３】排ガス回収の具体的な構成を図に基づいて
例示すると、上部排ガス回収装置４は抗口１１近くの天
井面１２の下方に誘導天井板４１を水平に架設して換気
ダクト４２を形成し、該誘導天井板４１の抗口１１側に
吸引ポンプ４３を介して電気集塵機６へ連接する実施形
態が望ましい。既設のトンネル１の内部に浮遊する排ガ
スＧは、トンネルの天井面１２近くに多数の細かい塵埃
を含み、ジェットファン４４の作用によって抗口１１の
方向に噴出し、トンネルの抗口１１の上部に横架した誘
導天井板４１によってトンネル内壁と誘導天井板４１と
の間に換気ダクト４２を形成しこの換気ダクト内へ上部
の排ガスを誘導し、吸引ポンプ４３によって吸引して電
気集塵機６内へ給気する。該電気集塵機６内で細かい塵
埃を除去した後、排ガスＧは反応風路２４内へ誘導され
る。

【００１４】図３（Ｂ）は本発明の別の実施形態を示す
縦断正面図であり、トンネルの天井面１２に吊支したジ
ェットファン４４の位置を除いて誘導天井板４１Ａをト
ンネルの全長に亘って取り付け、トンネルの天井面１２
との管に吸引ポンプ４３と繋がる通風ダクト４５を形成
した構成で、特に長い距離のトンネルの上部排ガス処理
装置として適した形態である。

【００１５】一方トンネル内の下部、すなわち路面近く
に浮遊する粗塵埃を含む下部排ガス回収装置５について
は、アーチ形に路面を被冠する二重シェルタ２の下半分
を区切って利用した形態が合理的であり経済的でもあ
る。すなわち、路面近くの両側面下方に開口する吸引室
５１と吸引ポンプ５２と除塵フィルタ５３、およびその
上方の回帰ダクト５４とを一体的に組合わせた回収ユニ
ット５０を着脱自在に直列に配設し、前記の二重シェル
タの下半分として構成する方式が好ましい実施形態であ
る。排ガス作用は自動車の流れによる交通換気力やジェ
ットファン４４の強制的な気流促進作用によって、トン
ネル外のアーチ状の延長部内にまで流動してきた後、二
重シェルタの側壁下部に設けた吸引室５１から吸引ポン
プ５２によって吸引され、該吸引室５１の上部に設けた
除塵フィルタ５３へ給気する。

【００１６】排ガスは除塵フィルタ５３を通過して粗塵
埃を取り除いた後、回帰ダクトへ入ってトンネルの抗口
１１の方向へ逆進し、合流ダクト５５から電気集塵機６
へ送気して微粉の塵埃を取り除き、同様に合流ダクト５
５から電気集塵機６へ誘導された上部排ガス回収装置４
から回収された排ガスと共に二重シェルタ２へ導入さ
れ、光触媒酸化チタン膜２５の酸化、還元作用を受けて
含有するＮＯｘなどを分解し、無害化して換気搭３から
大気中へ放散する。

【００１７】望ましい実施形態としては吸引室５１、吸
引ポンプ５２、除塵フィルタ５３、回帰ダクト５４をそ
れぞれ組合わせて１セットの回収ユニット５０を形成し
二重シェルタ２の両側の側面を形成するように二重シェ
ルタの全長に亘って並べる構成が挙げられる。これらの
回収ユニットは適宜交換して保全や修理を行ないメンテ
ナンスを容易に、かつ、計画的に実施できる利点があ
る。図３の例では５セットの回収ユニット５０を並べた
形態を示しているが、トンネルの長さ、交通量などによ
って増減する排ガス量の多寡や、含有するＮＯｘ濃度な
どを勘案してこの回収ユニットのセット数を最適に選択
することはいうまでもない。

【００１８】排ガスの処理を酸化チタンと太陽光の紫外
線による酸化、還元作用によってＮＯｘの無害化を行な
っているが、夜間においては図示しない蛍光燈などの人
工的光源を設けて点灯し、光触媒作用を反応させて処理
を継続するように設定しておけば、２４時間の排ガス処
理が途切れることなく常に進行する。

【００１９】二重シェルタ内で進行する光触媒酸化チタ
ン膜２５の表面に生じる強力な酸化活性化によってＮＯ
ｘはＮＨＯ₃に化学変化して、二重シェルタの垂直板２
３の表面に付着するが、水道水を図示しないノズルから
定期的に噴霧することによって洗い流し、常に光触媒酸
化チタンの有効な機能が確保されるように図ることが有
効な作用を保証する上で必要な条件である。またこの場
合、洗浄水と共に排出されるＮＨＯ₃の濃度は微量であ
り、許容され得る範囲内に制御することは容易である。

【００２０】

【発明の効果】この構成は通常の排ガス処理装置とは異
なり、トンネルの抗口に連接したトンネル外の通常の道
路を、たとえばアーチ形に跨ぐような二重シェルタを形
成する工事が主体であるから、従来技術の多くがトンネ
ル自体の側方や上面に別のバイパスを構築するなど新設
のトンネルを構築する場合の要件と比べても、施工コス
トの点で比較にもならないほどの有利性がある。まして
や既に使用に供されている全国数千に達するトンネルの
うち、従来の自然換気だけでは不十分となるケースの場
合、経済的な負担を軽減したＮＯｘ処理装置が可能とな
る。さらに除塵フィルタ等をユニットとして簡単に取り
替える構成にすることによるメンテの負担減と、常に高
効率の排ガス処理が維持できることの効果も見逃すこと
はできない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な構成と機能を示したブロック
図である。

【図２】残留窒素酸化物の濃度と二酸化チタンの配合割
合別に示した照射時間との関係図である。

【図３】（Ａ）（Ｂ）によって本発明の２つの実施形態
を示す縦断正面図である。

【図４】（Ａ）は図３（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面
図、（Ｂ）は図３（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図、
（Ｃ）は図３（Ａ）におけるｃ−ｃ矢視断面図を示す。

【図５】従来技術の一つを示す概略図である。

【符号の説明】

１ トンネル ２ 二重シェルタ ３ 換気塔 ４ 上部排ガス回収装置 ５ 下部排ガス回収装置 ６ 電気集塵機 11 抗口 12 天井面 21 上面板 22 下面板 23 垂直板 24 反応風路 25 光触媒酸化チタン膜 41 誘導天井板 42 換気ダクト 43 吸引ポンプ 44 ジェットファン 45 通風ダクト 50 回収ユニット 51 吸引室 52 吸引ポンプ 53 除塵フィルタ 54 回帰ダクト 55 合流ダクト Ｇ 排ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−233100（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−108138（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−10576（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−151899（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−271635（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−225622（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−15351（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−151322（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−136017（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−8643（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21F 5/00 E21F 1/00 E21D 9/14 B01D 53/86 B01D 53/94 B01J 21/06 B01J 35/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動車用道路のトンネル内で発生する排
   ガスＧを換気処理する排ガス処理装置において、該トン
   ネル１の抗口１１に連接したトンネル外で透明の上面板
   ２１および距離を隔てた類似形の下面板２２によってト
   ンネル１の断面とほぼ同形の二重シェルタ２を延設し、
   該二重シェルタ２内に上下の端部を交互に連通する間隙
   を設けた多数の垂直板２３を立設して、二重シェルタ外
   端に設けた換気塔３へ連通する反応風路２４を形成し、
   前記垂直板２３の側面にＮＯｘを分解する光触媒酸化チ
   タン膜２５を塗着すると共に、トンネル１内の上部およ
   び下部からそれぞれ排ガスＧを吸引する上部排ガス回収
   装置４および下部排ガス回収装置５を具えたことを特徴
   とする排ガス処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、上部排ガス回収装置
   ４は抗口１１近くの天井面１２の下方に誘導天井板４１
   を水平に架設して換気ダクト４２を形成し、該誘導天井
   板４１の抗口１１側に吸引ポンプ４３を介して電気集塵
   機６へ連接することを特徴とする排ガス処理装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、トンネルの天井面１
   ２に吊支したジェットファン４４の位置を除いて誘導天
   井板４１Ａを全長に亘って取り付け、トンネルの天井面
   １２との間に吸引ポンプ４３と繋がる通風ダクト４５を
   形成したことを特徴とする排ガス処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかにおいて、下部
   排ガス回収装置５は二重シェルタ２の路面近くの両側面
   下方に開口する吸引室５１と吸引ポンプ５２と除塵フィ
   ルタ５３、およびその上方の回帰ダクト５４とを一体的
   に組合わせた回収ユニット５０を着脱自在に直列に配設
   して電気集塵機６へ連接することを特徴とする排ガス処
   理装置。