JP3943463B2 - 交流電界形電気集じん装置、および、交流電界形電気集じん装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内の空気などを浄化するのに好適な、交流電界形電気集じん装置、および、交流電界形電気集じん装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から知られている通り、自動車道トンネル内の空気は、自動車から排出される排気ガス中の有害ガス、煤煙、自動車の走行に伴って生じるタイヤや道路アスファルトの磨耗粉塵などのサブミクロンオーダの浮遊微粒子で汚染されている。そこで、この汚染空気中の煤煙・微粒子を除去するために、帯電部および集じん部によって構成された二段式電気集じん装置を用いた空気浄化設備が実用化されている。
【０００３】
図８は、一般的に知られている２段式電気集じん装置の構成を示す。本図に示す電気集じん装置１００は、帯電部１と集じん部２から構成されている。帯電部１は、線（４）対平板電極（３ａ，３ｂ）構造を有している。そして、電極間には直流高電圧を課電し、コロナ放電を発生させている。一方、集じん部２は、平行平板電極（５ａ，５ｂ，６）構造を有している。この平行平板電極間には直流高電圧を課電することにより、静電界が形成される。これらの構成をもつ２段式電気集じん装置において、粒子は帯電部１において単極性に帯電し、集じん部２の静電界によって、集じん電極５ａ，５ｂ上に捕集される。
【０００４】
こういった従来型の二段式電気集じん装置は、ナノメータ粒子に対しても集じん率が高く、また大流量処理に適している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、自動車道路トンネル内のように、浮遊粒子の主成分として、電気抵抗の低いカーボンなどが含まれている場合には、集じん電極上に捕集された粒子が再び飛散し、ガス流と共に電気集じん装置から排出される場合がある。この現象を再飛散現象と呼ぶ。再飛散現象は、大粒径粒子の集じん率を著しく低下させることから、改善すべき大きな課題となっている。
【０００６】
図９は、上述した再飛散現象のメカニズムを示した説明図である。ここで、帯電部において粒子は、負に単極帯電されているものとする。この場合、再飛散現象のメカニズムは以下の通りである。
【０００７】
まず、図９の（Ａ）に示すように、帯電部内で負極性に帯電した粒子９は、集じん部接地電極板上に捕集される。接地電極上に集じんされたカーボン粒子は、直ちに電荷を失い接地極と同極性となる。このため、接地電極上の集じん粒子の近傍は電界が強くなる。さらに（Ｂ）に示すように、空間中の負極性帯電粒子が接地電極上に集じんされるとき、接地電極上の粒子と凝集するとともに、電界によるクーロン力によって、負極性電極方向へ数珠状凝集粒子を形成する。接地電極上の数珠状凝集粒子は凝集肥大化するに従い（図９（Ｃ）参照）、流体抗力やクーロン力などの剥離力が強くなり、これらの力が接地電極と凝集粒子間の付着力より大きくなったとき再飛散する。
【０００８】
かかる再飛散現象を極めて有効に防止する方法として、矩形波交流電気集じん装置が提案されている。
【０００９】
図１０は、矩形波交流電気集じん装置の概略構成を示す。本装置は、帯電部４０と集じん部５０から構成されている。帯電部４０は線対平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極２１，２２と線状の高電圧電極２３を有する。この線−平板電極間には高電圧電源２０から直流高電圧を印加し、帯電部４０にコロナ放電を発生させる。直流高電圧の極性は正または負のいずれでも良く、またパルス電圧でもよい。
【００１０】
集じん部５０は平行平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極３１，３２と、１枚の平板からなる高電圧電極３３とを有する。この接地−高電圧電極間には、矩形波高電圧電源３０から矩形波高電圧を印加する。なお、矩形波高電圧電源３０の代わりに正弦波交流からなる交流高電圧電源を用いても良い。
【００１１】
この種の矩形波高電圧電源の電圧範囲は、電極間１ｍｍあたり３ｋＶ以下が適当であり、一般には１ｍｍあたり約０．９ｋｖ程度である。また、印加電圧の周波数は数Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲とされていた。
【００１２】
次に、図１１および図１２を参照して、集じん部５０に矩形波高電圧を印加した場合の再飛散防止メカニズムを説明する。図１１は、集じん部５０における帯電粒子の捕集および再飛散防止モデルを示す。ここで、帯電部４０（図１０参照）には負の直流高電圧が印加され、粒子はマイナスに帯電されているものとする。図１２は、集じん部５０に印加される矩形波高電圧の波形を示す。
【００１３】
図１２において、集じん部５０に印加される電圧を３つの区間に分けて考える。ａの区間は、集じん部５０に正の高電圧が印加されている領域である。ｂの区間は、集じん部５０への印加電圧が、正から負に変化する遷移領域である（数ｍｓｅｃ）。ｃの区間は、集じん部５０に負の高電圧が印加されている領域である。ａの領域のとき、帯電部４０で負に帯電した粒子は、正極性の高電圧集じん電極板上に捕集される（図１１参照）。捕集された粒子は、直ちに正に帯電し、数珠状の極板凝集粒子を形成する。その後、ｂの区間においては、電圧の極性が正から負に急激に変化する。集じん電極板の極性が正から負に急激に変化するため、数珠状の極板凝集粒子は、静電気によって集じん電極板方向へ力を受け、球状の凝集粒子へと変化する。
【００１４】
かくして、球状の凝集粒子に変化することによって、剥離力としてはたらく風力や静電気力が小さくなり、再飛散は起こらなくなる（図１１（Ｃ）参照）。
【００１５】
ここで、矩形波電圧波形において、図１２に示したｂの区間に相当する電圧が変化する傾きｄＶ／ｄｔが大きいほど、再飛散が抑制され、集じん率も高く維持できると考えられる。しかし、このｄＶ／ｄｔが大きいほど、誘導電流値が大きくなるので、高圧電源装置内部品の耐電流値を大きくしなければならない、という問題が生じてくる。同様に、ケーブルサイズが太くなる、という問題も生じる。このような理由から、最適なｄＶ／ｄｔ値を選定することが実用上重大な課題になっている。
【００１６】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、必要最小限のｄＶ／ｄｔ値（＝矩形波の立上り・立下り傾斜）を有しながら高性能が得られ、且つ、電源装置およびケーブル類の簡略化を可能とした、交流電界形電気集じん装置、および、交流電界形電気集じん装置の駆動方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る交流電界形電気集じん装置は、主成分として電気抵抗の低いカーボンが含まれている浮遊粒子を帯電させるコロナ放電形帯電部と、該帯電部の下流において矩形波交流高電圧を印加することにより前記浮遊粒子の集じんを行う集じん部と、を備えた交流電界形電気集じん装置であって、前記矩形波交流高電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔが２０００Ｖ／ｍｓｅｃから５０Ｖ／ｍｓｅｃの範囲内である矩形波交流高電圧発生部を備え、前記浮遊粒子による数珠状の極板凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行うことを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記コロナ放電形帯電部は線対平板電極構造を有し、前記集じん部は平行平板電極構造を有することができる。
【００１９】
本発明に係る交流電界形電気集じん装置の駆動方法は、主成分として電気抵抗の低いカーボンが含まれている浮遊粒子を帯電させるコロナ放電形帯電部と、該帯電部の下流において矩形波交流高電圧を印加することにより前記浮遊粒子の集じんを行う集じん部と、を備えた交流電界形電気集じん装置を駆動するに際して、前記矩形波交流高電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを２０００Ｖ／ｍｓｅｃから５０Ｖ／ｍｓｅｃの範囲内に設定し、前記浮遊粒子による数珠状の極板凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行うことを特徴とする。ここで、前記コロナ放電形帯電部は線対平板電極構造を有し、前記集じん部は平行平板電極構造を有することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明を適用した交流電界形電気集じん装置の断面構成図である。この交流電界形電気集じん装置は、帯電部４０と集じん部５０から構成されている。帯電部４０は線対平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極２１，２２と線状の高電圧電極２３を有する。この線−平板電極間には高電圧電源２０から直流高電圧を印加し、帯電部４０にコロナ放電を発生させる。直流高電圧の極性は正または負のいずれでも良く、またパルス電圧でもよい。
【００２２】
集じん部５０は平行平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極３１，３２と、１枚の平板からなる高電圧電極３３とを有する。この接地−高電圧電極間には、矩形波高電圧電源６０から矩形波高電圧（台形波形高電圧）を印加する。
【００２３】
矩形波高電圧（台形波形高電圧）の周波数は数ｋＨｚ以下とし、立上りエッジおよび立下りエッジの変化率ｄＶ／ｄｔは、５０〜２０００Ｖ／ｍｓｅｃの範囲とする。浮遊粒子を含んだガス流は、帯電部４０を通過することによって荷電され、集じん部５０の集じん電極上に捕集される。
【００２４】
次に、本実施の形態による矩形波交流電界形電気集じん装置の理論集じん率について説明する。
【００２５】
（理論的検討）
電気集じん装置における集じん率の計算式であるＤｅｕｔｓｃｈの計算式は、次の（１）式に記載した通りである。
【００２６】
【数１】
ここで、ＶＤは集じん部に印加する直流電圧［Ｖ］、ａは比例係数である。また、電気集じん装置入口粒子濃度をＮｉ［個／ｍ３］とすると、出口粒子濃度Ｎｏは、
【００２８】
【数２】
である。
【００３０】
集じん部に印加する矩形波電圧波形を図９のように定義すると、時間ｔ１における電気集じん装置出口側粒子濃度Ｎｏｔｌは、
【００３１】
【数３】
である。一方、時間ｔ２における電気集じん装置出口側粒子濃度Ｎｏｔ２は、
【００３３】
【数４】
である。よって、時間ｔにおける電気集じん装置出口側の平均粒子濃度Ｎｏｔは、
【００３５】
【数５】
である。よって、矩形波電気集じん装置の集じん率ηＡは、
【００３７】
【数６】
となる。よって、直流印加時の集じん率ηＤと矩形波印加時の集じん率ηＡの差△ηは、
【００３９】
【数７】
で表される。ただし、直流電圧ＶＤは矩形波電圧の絶対値|Ｖ|と等しいとする。
【００４１】
ここで、ｄＶ／ｄｔとｔ２／ｔの間には次の関係が成り立つ。
【００４２】
【数８】
（７）式と（８）式より次式が導かれる。
【００４４】
【数９】
（９）式により直流電気集じん装置の集じん率ηＤと矩形波電気集じん装置の集じん率ηＡとの許容差Δηに対して必要なｄＶ／ｄｔが理論的に計算できる。
【００４６】
（９）式より計算した許容差ΔηとｄＶ／ｄｔの関係を図３に示す。計算結果より許容差Δηを１〜１５％以内とするために必要なｄＶ／ｄｔは表１の通りとなり、おおよそ２０００Ｖ／ｍｓｅｃ〜５０Ｖ／ｍｓｅｃとなる。
【００４７】
【表１】
（実験結果）
図４は、実験装置の概略構成を示す。この実験では、サンプル粒子として、粒子の主成分がカーボンであるディーゼルエンジン排気ガス中粒子（ＤＥＰ）を用いた。排気ガスは分流器７１でその一部が取り込まれ、混合槽７２で大気と希釈混合される。希釈ガスはブースタファン７３によってダクト内へ送り込まれ、吸気口２において再び大気と希釈される。さらに、吸引ファン７５によってＥＳＰ（Electrostatic Precipitator）７４を通過して処理され、ダクト外へ排出される。吸引ファン７５の回転数によってダクト内の流速を７ｍ／ｓに設定した。このとき、集じん部電極間の流速は約９ｍ／ｓとなる。
【００４９】
図５は、上記実験に用いた帯電部および集じん部の電極構造の概略を示す。帯電部（Ａ）は、アルミニウム製の接地平板電極と直径０．２６ｍｍの高電圧印加用タングステン製線電極から構成されている。ガス流に対して並列に５段、直列に３段並んでおり、合計１５の帯電空間を持っている。集じん部（Ｂ）は、同一サイズのアルミニウム製接地平板電極と高電圧印加用平板電極が９ｍｍの間隔で交互に並んでいる。
【００５０】
図６は、ダクト内における各電極の配置を示す。本図に示すように、帯電部と集じん部はガス流方向に対して直列に配置され、蓄電部の下流に集じん部が設置されている。帯電部における印加電圧は、それぞれ直流負極性１１ｋＶ、集じん部における印加電圧は矩形波交流±７．５ｋＶとした。矩形波交流（台形）高電圧の周波数は１Ｈｚとし、ｄＶ／ｄｔは４６Ｖ／ｍｓｅｃ〜６４６Ｖ／ｍｓｅｃの範囲とした。すなわち、帯電部における負コロナ放電によって負極性に帯電した粒子は、集じん部の矩形波交流電界によって、接地および高電圧平板電極上に集じんされる。
【００５１】
図７は、集じん率の粒径特性に対するｄＶ／ｄｔの依存性を示す。本図中には比較のため、集じん部に直流高電圧を印加した場合（直流−７．５ｋＶ印加、集じん率約７０％）の結果も示してある。粒径０．３〜１μｍにおける集じん率は、ｄＶ／ｄｔが大きくなるに従い集じん率は向上し、ｄＶ／ｄｔ＝４３３Ｖ／ｍｓｅｃ以上では、直流印加時とほぼ同等の集じん率が得られている。一方、粒径１μｍ以上では、直流印加時に比べて、いずれのｄＶ／ｄｔにおいても集じん率は高い値を示している。
【００５２】
なお、図７の実験結果は、図３に示した計算結果と一致していない。これはいずれの粒径においても、再飛散現象により直流印加時の集じん率が低下しているためである。
【００５３】
以上の結果から、矩形波電気集じん装置における矩形波高電圧波形のｄＶ／ｄｔは５０Ｖ／ｍｓｅｃ以上であるといえる。また、ｄＶ／ｄｔが約４００Ｖ／ｍｓｅｃ以上であれば直流印加時と同等もしくはそれ以上の集じん率が得られる。よって、矩形波高電圧波形のｄＶ／ｄｔは５０Ｖ／ｍｓｅｃ〜２０００Ｖ／ｍｓｅｃであれば十分高い集じん率が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、必要最小限のｄＶ／ｄｔ値（＝矩形波の立上り・立下り傾斜）を有しながら高性能が得られる。さらに、本発明によれば、電源装置の簡略化、および、ケーブル太さなど施工面での簡素化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した交流電界形電気集じん装置の断面構成図である。
【図２】図１の集じん部５０に印加する矩形波電圧の波形を示す図である。
【図３】直流電気集じん装置と矩形波電気集じん装置における集じん率の許容差ΔηとｄＶ／ｄｔの関係を示す線図である。
【図４】実験に用いた装置の概略構成図である。
【図５】本実施の形態による電気集じん装置の電極構成を示す図である。
【図６】ダクト内における電極配置を示す図である。
【図７】集じん率の粒径特性に対するｄＶ／ｄｔの影響を示す線図である。
【図８】一般的に知られている２段式電気集じん装置の構成を示す図である。
【図９】２段式電気集じん装置における再飛散現象のメカニズムを示した説明図である。
【図１０】交流電界形電気集じん装置の概略構成を示す図である。
【図１１】交流電界形電気集じん装置における再飛散防止メカニズムを示す説明図である。
【図１２】交流電界形電気集じん装置に印加する矩形波高電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
２０ 高電圧電源
２１，２２ 接地電極
２３ 線状の高電圧電極
３１，３２ 接地電極
３３ 高電圧電極
４０ 帯電部
５０ 集じん部
６０ 矩形波高電圧電源(50V/msec≦dV/dt≦2000V/msec)
Claims (4)
- 主成分として電気抵抗の低いカーボンが含まれている浮遊粒子を帯電させるコロナ放電形帯電部と、該帯電部の下流において矩形波交流高電圧を印加することにより前記浮遊粒子の集じんを行う集じん部と、を備えた交流電界形電気集じん装置であって、
前記矩形波交流高電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔが２０００Ｖ／ｍｓｅｃから５０Ｖ／ｍｓｅｃの範囲内である矩形波交流高電圧発生部を備え、前記浮遊粒子による数珠状の極板凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行うことを特徴とする交流電界形電気集じん装置。 - 請求項１において、
前記コロナ放電形帯電部は線対平板電極構造を有し、前記集じん部は平行平板電極構造を有することを特徴とする交流電界形電気集じん装置。 - 主成分として電気抵抗の低いカーボンが含まれている浮遊粒子を帯電させるコロナ放電形帯電部と、該帯電部の下流において矩形波交流高電圧を印加することにより前記浮遊粒子の集じんを行う集じん部と、を備えた交流電界形電気集じん装置を駆動するに際して、
前記矩形波交流高電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを２０００Ｖ／ｍｓｅｃから５０Ｖ／ｍｓｅｃの範囲内に設定し、前記浮遊粒子による数珠状の極板凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行うことを特徴とする、交流電界形電気集じん装置の駆動方法。 - 請求項３において、
前記コロナ放電形帯電部は線対平板電極構造を有し、前記集じん部は平行平板電極構造を有することを特徴とする、交流電界形電気集じん装置の駆動方法。
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