JP3364669B2

JP3364669B2 - プラズマ法排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3364669B2
Application number: JP17572595A
Authority: JP
Inventors: 博之大工; 英彦前畑; 浩成荒井; 賢士保田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0924237A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は都市ゴミや産業廃棄
物の燃焼処理において燃焼炉から出る排ガス、および産
業用ボイラーから出る排ガス、そしてトンネルや屋内駐
車場内において自動車から出る排ガスを処理対象とする
プラズマ法排ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】煙道の内部に少なくとも１つの放電電極
および少なくとも１つの対向電極が交互に設けられてな
る反応器と、両電極に接続された高電圧パルス発生電源
とを備え、両電極間に高電圧パルスを連続的に印加する
ことにより非平衡プラズマを発生させ、排ガスが反応器
中を通過する間に排ガス中の有害ガス成分を捕集しやす
い形態もしくは無害な形態に転換するプラズマ法排ガス
浄化装置は、従来より知られている（公表特許公報昭６
３−５０００２０号公報参照）。これを図１０を参照し
て説明する。

【０００３】図１０において、(1) はプラズマを発生さ
せるための高電圧パルス発生装置を示し、(2) はワイヤ
型放電電極、(3) はプレート型対向電極を示す。この両
電極(2)(3)間にパルスピーク電圧１ｋＶ〜５００Ｋｖ、
パルス周波数１０ＨＺ〜２５０ＨＺ、パルス幅１ナノ秒
〜１０マイクロ秒、立ち上がり時間１００ｋＶ／ナノ秒
〜１００Ｖ／ナノ秒の高電圧パルスを連続的に印加する
と、電極間に非平衡プラズマ(4) が発生する。このよう
な場に有害ガス成分を含む排ガス(5) を通じるとプラズ
マ(4) によって各種ラジカルが発生する。

【０００４】排ガス中の有害成分はこのラジカルとの反
応によりＣＯはＣＯ₂に、ＳＯｘはＳＯ₃に、ＮＯｘは
ＮＯ₂に酸化され、無害な形態あるいは捕集されやすい
形態に変化する。また、被処理ガスがごみ焼却炉からの
排ガスの場合、ガス中に含まれるダイオキシンなどは分
解されて無害化される。これらの反応が生じている反応
器内、あるいは反応器後流にアンモニア、石灰等を吹き
込むとＳＯｘ成分およびＮＯｘ成分はそれぞれ硫酸アン
モニウムおよび硝酸アンモニウムまたは硫酸カルシウム
および硝酸カルシウム等の固体に変化するので、後流に
電気集塵器あるいはバグフィルターを設けてこれらを捕
集することにより排ガス浄化が達成される。

【０００５】図１０に示したワイヤ型放電電極(2) とプ
レート型放電電極(3) との間に発生するプラズマ(4)
は、非対称な電極(2)(3)間におけるパルスストリーマコ
ロナ放電形式であり、電流の大部分は電子によるもので
ある。ストリーマコロナ放電は、平等電界、不平等電界
のいずれの場合においても比較的電極間隙が長い範囲で
発生する。その発生機構は、電子なだれの前方で中性分
子の光電離によって電子が作り出され、これが核となっ
て新しい電子なだれを起こし、前の電子なだれと次々と
合体しつつ全体として著しい高速でなだれが進行するこ
とにある。

【０００６】電極(2)(3)間の電界は、図１１に示すよう
に、ワイヤ電極(2) 付近に著しい電界の集中があるた
め、両電極(2)(3)間に印加される電圧が十分であれば、
その部分での電離数密度は非常に大きくなり、電子なだ
れで多量の正イオンと光量子が作り出される。通常ワイ
ヤ電極(2) を正とするが、この場合ワイヤ電極(2) 近傍
付近では前述の多量の光量子があらゆる方向に放出さ
れ、近傍の中性分子に吸収されてこれを電離していくた
めに、次々とワイヤ電極(2) に向かう多数の電子なだれ
が形成され、新たな電子なだれが先行なだれの残した正
イオン中に流入して、やはりプラズマ柱を形成する。こ
の場合プラズマ前縁には陰極に向かう正イオンが高い密
度を持って密集するから、この先端部分ではワイヤ電極
の張り出しに対応する電界集中のほかに、その空間電荷
と飛来する新しいなだれ電子群の空間電荷との間に特に
強力な電界が形成され、それによって電離発光がさらに
促進される。その結果図１２に示すようにその前方に光
電離による電子の発生、それによるなだれの再生が強力
に繰り返され、やはりストリーマ前縁は光電子によって
正イオンよりもはるかに速くリレー式に前進する正スト
リーマとなる。

【０００７】ところで、上記の図１０に示した電極を使
用する従来のプラズマ法排ガス浄化装置では、排ガスの
通過方向にプレートを長くするとともにワイヤを多数本
設置することにより１つの電極ユニットを形成し、この
電極ユニットを排ガスの通過方向と直角の方向に複数配
置することによりスケールアップして、大量の排ガス処
理ができるようにしている。しかし、これらの電極を使
用したプラズマ法排ガス浄化装置では、ワイヤの長さ方
向に間欠的にプラズマが発生する特徴を持つので、発生
するプラズマに疎の部分ができてプラズマと排ガスとの
接触効率が良くないと言う問題があった。

【０００８】そこで、本出願人は、先に、複数の放電針
を備えた放電電極と平板状の対向電極とを備えたプラズ
マ法排ガス浄化装置を提案した（特願平７−４３７４
６）。このプラズマ法排ガス浄化装置によると、放電針
先端に強い電界が発生し、電極間に放電が起こりやす
く、しかも、放電針１本１本と平板との間の放電である
ため、放電範囲を広げるには放電針の本数を増やすこと
によって達成でき、スケールアップにも適しているとい
う利点を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記複数の放電針を備
えた放電電極と平板状の対向電極とを備えたプラズマ法
排ガス浄化装置では、放電針が短いとプラズマが発生し
にくいという問題があった。

【００１０】この発明は、プラズマが確実に発生するプ
ラズマ法排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明によるプラズ
マ法排ガス浄化装置は、煙道の内部に少なくとも１つの
放電電極および少なくとも１つの対向電極が交互に設け
られてなる反応器と、両電極に接続された高電圧パルス
発生電源とを備え、両電極間に高電圧パルスを連続的に
印加することにより非平衡プラズマを発生させ、排ガス
が反応器中を通過する間に排ガス中の有害ガス成分を捕
集しやすい形態もしくは無害な形態に転換するプラズマ
法排ガス浄化装置において、対向電極は、プレート型で
あり、放電電極が、対向電極と同じ面積の金属板および
これに設けられた複数の先端が尖った放電針よりなり、
放電針の長さＬと同太さＤとの比Ｌ／Ｄを３〜２０とし
たことを特徴とするものである。ここで、放電針の長さ
とは、金属板の表面から針の先端までの直線距離をい
い、放電針の太さとは、金属板の表面における針の直径
をいう。Ｌ／Ｄが小さすぎると、プラズマが発生せず、
Ｌ／Ｄが大きすぎると、プラズマが存在しない部分が大
きくなりすぎて排ガスの処理能力が低下する。Ｌ／Ｄ
は、より好ましくは、１０〜２０とされる。

【００１２】第２の発明によるプラズマ法排ガス浄化装
置は、煙道の内部に少なくとも１つの放電電極および少
なくとも１つの対向電極が交互に設けられてなる反応器
と、両電極に接続された高電圧パルス発生電源とを備
え、両電極間に高電圧パルスを連続的に印加することに
より非平衡プラズマを発生させ、排ガスが反応器中を通
過する間に排ガス中の有害ガス成分を捕集しやすい形態
もしくは無害な形態に転換するプラズマ法排ガス浄化装
置において、放電電極が、支持板および支持板表面に設
けられた複数の放電針よりなり、支持板表面が絶縁体で
形成されるとともに、複数の放電針の基端部同士が電気
的に接続されており、放電針の長さＬと同太さＤとの比
Ｌ／Ｄを１〜２０としたことを特徴とするものである。
ここで、放電針の長さとは、絶縁体で形成された支持板
表面から針の先端までの直線距離をいい、放電針の太さ
とは、支持板の表面における針の直径をいう。Ｌ／Ｄが
小さすぎると、プラズマが発生せず、Ｌ／Ｄが大きすぎ
ると、プラズマが存在しない部分が大きくなりすぎて排
ガスの処理能力が低下する。Ｌ／Ｄは、より好ましく
は、５〜２０とされる。支持板表面が絶縁体で形成され
るとともに、複数の放電針の基端部同士が電気的に接続
される構成としては、例えば、放電針を絶縁物で支持す
るとともに、絶縁物裏面（対向電極と対向していない
面）で放電針同士を電気的に接続する構成や、放電針を
絶縁物コーティングした金属板で支持する構成などがあ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、第１の発明が対象とする
プラズマ法排ガス浄化装置のプラズマ発生用電極の概念
図であり、同装置は、放電電極(13)、対向電極(14)およ
び両電極(13)(14)に接続された高電圧パルス発生電源(1
2)とを備えている。

【００１４】対向電極(14)はプレート型である。放電電
極(13)は、対向電極(14)と同じ面積の金属板(15)と、金
属板(15)上に設けられた多数の放電針(16)とよりなる。
放電電極(13)は、ステンレス等の良好な導電性材料から
なり、放電針(16)の先端部は０．１ｃｍ〜１ｃｍの直径
を有している。放電針(16)の基端部の直径は任意である
が、放電針(16)は、円錐状、山形などとされて、その先
端部が尖っているほうが好ましい。放電針(16)の先端部
を尖った形状とすることにより、電界強度を大きくする
ことができる。金属板(15)上における放電針(16)の存在
密度は、放電電圧、電流、排ガス(18)中のダスト濃度、
排ガス(18)の性状等を考慮して決められるが、通常、
０．１〜１０本／平方ｃｍ程度である。放電針(16)の長
さも放電電圧、電流等の諸条件によって任意に設計され
るものであるが、通常は０．１ｃｍから１０ｃｍの間の
値が採用される。

【００１５】排ガス量の増大に対して装置をスケールア
ップするには、排ガス(18)の流れ方向と平行に配置され
た複数の放電電極(13)および複数の対向電極(14)を排ガ
ス(18)の流れ方向およびこれと直角方向に増やしていく
ことにより、容易に行い得る。また、スケールアップ時
には、放電針(16)は金属板(15)の両面に設けられる。

【００１６】ＮＯｘとＳＯｘを含む被処理排ガス(18)
は、放電電極(13)と対向電極(14)との間に導入される。
両電極(13)(14)間には、高電圧パルスが印加されること
により非平衡プラズマ（パルスストリーマコロナ）(21)
が発生している。このプラズマは、円錐状であり、放電
針(16)の先端部分と対向電極(14)との間には密に存在し
ているが、放電針(16)の先端部分と放電電極(13)との間
には存在していない。被処理排ガス(18)は両電極(13)(1
4)間を通過する間にプラズマ(21)と接触し、これにより
排ガス(18)中に各種ラジカルが発生する。このラジカル
によって排ガス(18)中のＮＯｘとＳＯｘは酸化されて、
ＮＯ₂とＳＯ₃に変化する。このように変化した有害ガ
ス成分を含む排ガス(18)は後流に設けた捕集部（図示
略）に移動する。

【００１７】図１に示した電極(13)(14)において、プラ
ズマ(21)は放電針(16)先端への電界集中により発生す
る。図２（ａ）（ｂ）は、金属板(15)に放電針(16)を垂
直に立てた形で取り付けた放電電極(13)を用いた場合
に、放電針(16)が長いときと短いときとで、電界がどの
ように違うかを比較したものである。図中、実線は等電
位線を、破線はこれに直交するで電気力線をそれぞれ示
している。図２（ａ）に示すように放電針(16)が十分に
長いときには、電界が放電針(16)先端に集中するが、図
２（ｂ）に示すように放電針(16)が短いときには、金属
板(15)の影響を受けて電界の放電針(16)先端への集中が
少なくなり、プラズマ(21)が発生しなくなる。

【００１８】図３は、放電針(16)の長さＬとプラズマ(2
1)の発生を示すストリーマ電流との関係を示したもの
で、同図に示すように、ストリーマ電流は、放電針(16)
の長さがある限界値よりも短くなると流れなくなる。こ
の長さの限界値は、放電針(16)の太さが１．０ｍｍのと
きには、３ｍｍであり、放電針(16)の太さが１．６ｍｍ
のときには、４．８ｍｍである。

【００１９】図４は、放電針(16)の長さＬと放電針(16)
の太さＤとの比Ｌ／Ｄを横軸にとり、縦軸にストリーマ
電流を取ってまとめたものである。この図からわかるよ
うに、放電針(16)の太さが１．０ｍｍであっても１．６
ｍｍであっても、放電針(16)の長さＬと放電針(16)の太
さＤとの比Ｌ／Ｄを考えると、これとストリーマ電流と
の関係は非常に似ており、Ｌ／Ｄ＝３以上になると、ス
トリーマ電流が流れ始める。すなわち、放電針(16)の長
さを放電針(16)の太さの３倍以上とすることにより、ス
トリーマ電流の発生が可能となる。ここで、Ｌ／Ｄが２
０を越えると、放電針(16)の先端から放電電極(13)の金
属板(15)までの距離、すなわち、プラズマ(21)が存在し
ない部分が大きくなりすぎて排ガスの処理能力が低下す
る。Ｌ／Ｄの下限は３であるが、プラズマ(21)を確実に
発生させるには、Ｌ／Ｄは１０以上が好ましい。

【００２０】図５は、第２の発明が対象とするプラズマ
法排ガス浄化装置のプラズマ発生用電極の概念図であ
り、同装置は、放電電極(13)、対向電極(14)および両電
極(13)(14)に接続された高電圧パルス発生電源(12)とを
備えており、放電電極(13)が、金属板(15)と、金属板(1
5)に支持された複数の放電針(16)とを備え、複数の放電
針(16)が、その先端部分だけを除いて、テフロンやガラ
スなどからなる絶縁板(22)中に埋め込まれている。

【００２１】図５に示した電極(13)(14)では、図６に示
すように、放電針(16)が短くても、電界が放電針(16)先
端に集中する。すなわち、図１に示した電極(13)(14)で
は、放電針(16)が短いと金属板(15)にも電流が流れ、放
電針(16)先端に電界が集中しなくなり、プラズマ(21)が
発生しなくなるが、これに対して、図５に示した電極(1
3)(14)では、絶縁板(22)には電流は流れないことから、
放電針(16)が短くても、電界が放電針(16)先端に集中
し、プラズマ(21)の発生が可能となる。なお、図６中、
実線は等電位線を、破線はこれに直交するで電気力線を
それぞれ示している。

【００２２】図７は、図５に示した電極(13)(14)につい
て、放電針(16)の長さＬとストリーマ電流との関係を示
したもので、同図に示すように、ストリーマ電流は、放
電針(16)の長さがある限界値よりも短くなると流れなく
なる。この長さの限界値は、放電針(16)の太さが１．０
ｍｍのときには、１ｍｍであり、放電針(16)の太さが
１．６ｍｍのときには、１．６ｍｍである。

【００２３】図８は、放電針(16)の長さＬと放電針(16)
の太さＤとの比Ｌ／Ｄを横軸にとり、縦軸にストリーマ
電流を取ってまとめたものである。この図からわかるよ
うに、放電針(16)の太さが１．０ｍｍであっても１．６
ｍｍであっても、放電針(16)の長さＬと放電針(16)の太
さＤとの比Ｌ／Ｄを考えると、これとストリーマ電流と
の関係は非常に似ており、Ｌ／Ｄ＝１以上になると、ス
トリーマ電流が流れ始める。すなわち、放電針(16)の長
さを放電針(16)の太さ以上とすることにより、ストリー
マ電流の発生が可能となる。ここで、Ｌ／Ｄが２０を越
えると、放電針(16)の先端から放電電極の金属板までの
距離、すなわち、プラズマ(21)が存在しない部分が大き
くなりすぎて排ガスの処理能力が低下する。Ｌ／Ｄの下
限は１であるが、プラズマ(21)を確実に発生させるに
は、Ｌ／Ｄは５以上が好ましい。

【００２４】上記において、絶縁板(22)の厚みは、絶縁
破壊電圧に耐える（絶縁破壊しない）厚みとされ、例え
ば両極間の電圧が１０ｋＶのとき、テフロン１ｍｍ厚で
ある。また、絶縁板(22)を省略して、金属板(15)の対向
電極(14)側の面に絶縁物でコーティングを施すことによ
っても同様の性能が得られる。

【００２５】図９は、第２の発明が対象とするプラズマ
法排ガス浄化装置の他のプラズマ発生用電極の概念図で
あり、同装置は、放電電極(13)、対向電極(14)および両
電極(13)(14)に接続された高電圧パルス発生電源(12)と
を備えており、放電電極(13)が、先端部分だけを除いて
絶縁板(22)中に埋め込まれた複数の放電針(16)と、複数
の放電針(16)同士を電気的に接続する導線(25)とよりな
る。このような電極(13)(14)においても、図６から図８
までに示したものと同様の特性を有しており、放電針(1
6)が短くても、プラズマ(21)の発生が可能であり、Ｌ／
Ｄ＝１〜２０、より好ましくは５〜２０が、ストリーマ
電流の発生の適値となる。図９において、複数の放電針
(16)の基端部分は、絶縁板(22)から突出していてもよ
い。なお、図５、図６および図９に示した実施例以外に
も、放電電極が、支持板および支持板に設けられた複数
の放電針よりなり、支持板の対向電極に対向する部分が
絶縁体で形成されるとともに、複数の放電針の基端部同
士が電気的に接続されているものであれば、放電針が短
くても、プラズマの発生が可能であり、Ｌ／Ｄ＝１〜２
０、より好ましくは５〜２０が、ストリーマ電流の発生
の適値となる。そして、このようなプラズマ法排ガス浄
化装置では、放電針の長さを短くできることから、装置
のコンパクト化が図れるという効果を有している。

【００２６】なお、上記の図３、図４、図７および図８
におけるストリーマ電流の測定は、放電針(16)の本数は
１本、対向電極(14)の面積は放電針(16)の断面積の１０
０倍以上、放電針(16)先端から対向電極(14)までの距離
は２ｃｍという条件の下で行われたものである。ただ
し、放電針(16)先端から対向電極(14)までの距離につい
ては、０．５〜５ｃｍまで変更してもグラフの傾向は変
わらず、放電針(16)先端から対向電極(14)までの距離が
変わっても本発明は適用可能である。また、放電針(16)
の本数を増やしても同様の傾向が得られることが確認さ
れている。

【００２７】

【発明の効果】第１の発明のプラズマ法排ガス浄化装置
によると、適正な放電針の長さ条件が得られ、これによ
り、安定したプラズマ発生が可能となる。

【００２８】第２の発明のプラズマ法排ガス浄化装置に
よると、放電針の長さが短い場合の適正な放電針の長さ
条件が得られ、これにより、放電針の長さが短い場合で
あっても安定したプラズマ発生が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明が対象とするプラズマ法排ガス浄化
装置の電極の概念を示す斜視図である。

【図２】同電極間の電界を示す図であり、（ａ）は放電
針が長いとき、（ｂ）は放電針が短いときのものであ
る。

【図３】上記電極を使用したときの放電針の長さと平均
ストリーマ電流との関係を示すグラフである。

【図４】同じく、放電針の長さと太さとの比と平均スト
リーマ電流との関係を示すグラフである。

【図５】第２の発明が対象とするプラズマ法排ガス浄化
装置の電極の概念を示す斜視図である。

【図６】同電極間の電界を示す図である。

【図７】上記電極を使用したときの放電針の長さと平均
ストリーマ電流との関係を示すグラフである。

【図８】同じく、放電針の長さと太さとの比と平均スト
リーマ電流との関係を示すグラフである。

【図９】第２の発明が対象とするプラズマ法排ガス浄化
装置の他の電極の概念を示す斜視図である。

【図１０】従来のプラズマ法排ガス浄化装置におけるプ
ラズマ発生用の電極の概念を示す斜視図である。

【図１１】上記電極間の電界を示す図である。

【図１２】ワイヤ電極からの正ストリーマの進行機構を
概略的に示す図である。

【符号の説明】

(13) 放電電極 (14) 対向電極 (15) 金属板 (16) 放電針 (22) 絶縁板 (25) 導線

フロントページの続き (72)発明者保田賢士大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (56)参考文献特開平５−321641（ＪＰ，Ａ) 特開平７−313833（ＪＰ，Ａ) 特開平８−155249（ＪＰ，Ａ) 特開平９−869（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−14171（ＪＰ，Ａ) 実公平６−11073（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 53/32 B01D 53/34 B01J 19/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】煙道の内部に少なくとも１つの放電電極
および少なくとも１つの対向電極が交互に設けられてな
る反応器と、両電極に接続された高電圧パルス発生電源
とを備え、両電極間に高電圧パルスを連続的に印加する
ことにより非平衡プラズマを発生させ、排ガスが反応器
中を通過する間に排ガス中の有害ガス成分を捕集しやす
い形態もしくは無害な形態に転換するプラズマ法排ガス
浄化装置において、対向電極は、プレート型であり、放
電電極が、対向電極と同じ面積の金属板およびこれに設
けられた複数の先端が尖った放電針よりなり、放電針の
長さＬと放電針の太さＤとの比Ｌ／Ｄを３〜２０とした
ことを特徴とするプラズマ法排ガス浄化装置。
【請求項２】煙道の内部に少なくとも１つの放電電極
および少なくとも１つの対向電極が交互に設けられてな
る反応器と、両電極に接続された高電圧パルス発生電源
とを備え、両電極間に高電圧パルスを連続的に印加する
ことにより非平衡プラズマを発生させ、排ガスが反応器
中を通過する間に排ガス中の有害ガス成分を捕集しやす
い形態もしくは無害な形態に転換するプラズマ法排ガス
浄化装置において、放電電極が、支持板および支持板に
設けられた複数の放電針よりなり、支持板の対向電極に
対向する部分が絶縁体で形成されるとともに、複数の放
電針の基端部同士が電気的に接続されており、放電針の
長さＬと放電針の太さＤとの比Ｌ／Ｄを１〜２０とした
ことを特徴とするプラズマ法排ガス浄化装置。