JP3991252B2

JP3991252B2 - パルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置

Info

Publication number: JP3991252B2
Application number: JP34585198A
Authority: JP
Inventors: 功天野; 聡西方
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: JP2000167336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放電電極と接地電極との間に排ガスを通流し、前記両電極間にパルス電源からパルス電圧を印加することにより放電を起こし、この放電の作用により排ガス中の有機物を分解するパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴミ焼却場から排出されるダイオキシンに代表されるように、排ガス中に含まれる有機物による環境汚染が問題となっている。
【０００３】
排ガス中の有機物を処理する方法として、排ガス中で放電を起こし、この放電の作用で有機物を分解する方法が知られている。
【０００４】
放電による有機物の分解プロセスは以下のように考えられる。まず、放電によって生じた電子が電界によって加速され、高いエネルギーを持つようになる。その後、下記の二つのプロセスによって有機物が分解される。
(1)高速の放電電子が酸素分子に衝突して酸素分子を解離し、解離によって生じた酸素ラジカルが有機物を酸化分解する。
(2)高速の放電電子が有機物と衝突することによって、有機物を分解する。放電による排ガス処理方式には、無声放電方式や沿面放電方式など種々の方式があるが、その中の一つにパルスコロナ放電方式がある。
このパルスコロナ放電方式の排ガス処理方法および装置の従来例について、図４を用いて説明する。
【０００５】
図４は同軸円筒型の電極構造を有するパルスコロナ放電式排ガス処理装置の概略構成図である。本装置は、パルス電源１と、同軸円筒型の放電反応容器２とからなり、この放電反応容器２は、外側に円筒状の接地電極５を備え、その中心部に棒状の放電電極６を備えている。外側の接地電極５には、排ガス流入孔３と排ガス流出孔４を設け、放電電極６と接地電極５との間に排ガスが通流されるように構成されている。棒状の放電電極６に、パルス電源１からパルス状の高電圧を印加すると、放電電極６と接地電極５との間でコロナ放電７が起こる。この放電の作用により排ガス中の有機物を分解する。
放電持続時間が長くなると、ガスの温度が上昇し放電電力が熱エネルギーとして外部に放出され、有機物の分解効率が悪化する。そこでパルスコロナ放電方式では、例えばパルス幅を1μｓ以下にすることにより、放電持続時間を短くし、ガス温度の上昇を押さえて分解効率を向上するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のパルスコロナ放電方式の排ガス処理装置では、副生成物として窒素酸化物（NOx）が生成されることが問題になっている。発生したNOxを除去するために有機物分解処理工程の後段に、更にNOx除去工程を設けるようなことも行われているが、装置が複雑になりコストの増大につながっている。
【０００７】
ところで、従来のパルスコロナ放電方式において、NOxが発生しやすい理由は、以下のとおりである。
例えば、パルス幅1μｓ以下の短パルス電圧を印加して放電を起こす場合、直流電圧によって放電を起こすときと比較して、放電開始電圧が高くなることが知られている（この電圧上昇分を過電圧率という。）。これは短パルス電圧を印加した場合、電圧の時間変化が急峻なため、放電開始に十分な電圧が印加されてから実際に放電が開始するまでの時間的な遅れの間に、電極間の電圧が上昇してしまうために発生する現象である。
【０００８】
この現象のため、パルスコロナ放電方式では放電空間の電界が、過電圧の分だけ強くなる。そして放電電子はより強い電界によって加速されるため、より高いエネルギーを持つようになる。この結果、パルスコロナ放電方式では他方式の放電による排ガス処理装置に比べてNOxが発生しやすくなっている。
この発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、NOxの発生を抑制可能なパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明者等は放電によるNOxの生成プロセスに着目した。すなわち放電によるNOxの生成プロセスは下記のように考えられる。
(1)電界によって加速された放電電子が窒素分子に衝突して、窒素分子を解離する
(2)解離によって生じた窒素ラジカルが酸素と結合してNOxになる
NOxの発生プロセスの第１段階は、窒素分子を解離して窒素ラジカルを生じることである。つまり窒素分子の解離を抑制すれば、NOxの発生も抑制できる。
表１に各種の有機物、酸素、窒素の結合解離エネルギーを示す。
【００１０】
【表１】
【００１１】
表１に示すように、有機物の結合解離エネルギーはおよそ３〜５eVの範囲にある。また酸素の結合解離エネルギーは5.1eVである。これに対し窒素の結合解離エネルギーは9.8eVと他の結合解離エネルギーに比較して高い。このことから電子のエネルギーを低く押さえれば、有機物を分解しつつNOxの生成を抑制することが可能であることが分かる。
【００１２】
かかる知見に基づき、この発明によれば、前述の課題を解決するため、平均電界強度１５kV／cm以下で放電が開始されるようにパルス電圧印加前に予め排ガス中に電子を供給しておくこととする。放電が開始される平均電界強度としては、８kV／cm以上、１５kV／cm以下が好適である。
【００１３】
そこで、この発明の有機物分解装置としては、放電電極と接地電極との間に排ガスを通流し、前記両電極間にパルス電源からパルス電圧を印加することにより放電を起こし、この放電の作用により排ガス中の有機物を分解するパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置において、平均電界強度８〜１５ kV ／ cm で放電が開始されるようにパルス電圧印加前に予め排ガス中に電子を供給しておくための電子供給手段を備え、前記電子供給手段は、予備放電電極を有し、この予備放電電極とパルス電圧印加用の主放電電極との間で予備放電を発生させることにより電子を供給するものとし、さらに、前記パルス電源の出力を二つに分け、一方は前記予備放電電極に印加されるように接続してなり、他方は遅延回路を経て前記主放電電極に印加されるように接続してなり、予備放電発生後に主放電が発生するようにしてなるものとする（請求項１）。
【００１４】
また、前記請求項１記載の装置は、パルス電源と、同軸円筒型の放電反応容器とからなり、前記放電反応容器は外側に円筒状の接地電極を備え、その中心部に棒状の放電電極を備え、前記放電電極と接地電極との間に排ガスを通流するように構成したものとする（請求項２）。
【００１５】
さらに、前記請求項２記載の装置において、前記電子供給手段は、前記放電反応容器の中心に配設された主放電電極の表面に溝を設け、ここに予備放電用電極を配設してなり、この予備放電電極と前記主放電電極との間で予備放電を発生させることにより電子を供給するものとする（請求項３）。
【００１６】
また、上記とは異なる有機物分解装置の発明としては、パルス電源を、直流の高電圧電源と、充電用コンデンサと、パルス調整用抵抗と、放電スイッチとから構成し、この放電スイッチの動作時に放電スイッチから放出される電磁波を放電電極に照射することによって放電電極から光電子を放出させ、平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで放電が開始されるようにパルス電圧印加前に予め排ガス中に電子を供給するようにしてなるものとする（請求項４）。
【００１７】
また、前記請求項４記載の装置は、パルス電源と、同軸円筒型の放電反応容器とからなり、前記放電反応容器は外側に円筒状の接地電極を備え、その中心部に棒状の放電電極を備え、前記放電電極と接地電極との間に排ガスを通流するように構成したものとする（請求項５）。
【００１８】
このように、この発明の装置では、パルス電圧を印加する直前に、電子供給手段によって放電空間に放電を開始させるための初期電子をあらかじめ供給することができるので、電圧印加と放電開始の時間的ずれが従来とくらべて少なくなる。このため過電圧に到る前のより低い電圧で放電が発生するので、放電電子のエネルギーが全体的に低くおさえられ、電子分布も前記窒素の結合解離エネルギーの9.8eV以下が主となって、NOxの発生を抑制することができる。
【００１９】
次に、好適な平均電界強度の範囲について詳述する。
【００２０】
図３は、酸素原子および窒素原子の生成効率と電解強度との関係を示す。有機物を分解処理するためには、前述のように、酸素原子の生成が不可欠であり、一方、NOxの発生を抑制するためには、窒素原子の生成効率が低い程、また窒素分子ガスの電離係数が小である程よい。酸素原子の生成のための電解強度の下限は、約８kV／cmであり、窒素原子の生成効率は、電解強度１５kV／cm付近から急激に低下する。さらに窒素分子は、電解強度１５kV／cm以下ではほとんど電離せず，酸素分子のみが電離する。以上の結果から、電解強度の上限は略１５kV／cm、下限は略８kV／cmとするのが好適であることが判る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００２２】
図１（a）は、予備放電によって電子を供給するタイプの排ガス処理装置の実施例の概略図、図１（b）は放電反応器内部に設置された電極の断面図である。排ガス流入孔１１および排ガス流出孔１２を有する接地電極１３を備える同軸円筒型の放電反応容器１０の中心にある主放電電極１５の表面に、溝１５ａを設け、ここに予備放電用電極１４を配設する。パルス電源８の出力を二つに分け、一方はそのまま予備放電電極に、もう一方は遅延回路９を経てから主放電電極１５に接続する。パルス電源８の出力は、予備放電電極に印加された後、電子の残存時間を考慮して、例えば1〜100ns遅れて主放電電極に印加されるように調整されている。
【００２３】
予備放電電極１４にパルス電圧が印加されることによって、まず予備放電電極１４と主放電電極との間に予備放電が発生する。この予備放電によって主放電電極１５の近傍に電子が供給される。その後、主放電電極１５にパルス電圧が印加され、主放電電極１５と接地電極１３との間に主放電が発生する。この主放電によって排ガス中に含まれる有機物が分解される。
【００２４】
予備放電によって平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで主放電が開始されるように予め電子が供給されるため、従来の方法に比較して放電開始電圧は低くなり、その結果NOxの発生が抑制される。
【００２５】
次に、電子供給手段として電磁波照射手段を有する実施例について、以下に説明する。図２は放電スイッチからの電磁波の照射によって電子を供給するタイプの排ガス処理装置の実施例の概略図を示す。排ガス流入孔２３および排ガス流出孔２４を有する接地電極１３ならびにガラス窓２２を備える同軸円筒型の放電反応容器２１に排ガスを流通し、放電を発生させて排ガス中の有機物を処理する。パルス電源は、直流の高電圧電源１６と、充電用コンデンサ１７と、パルス調整用抵抗１８と、放電スイッチ１９とからなり、直流の高電圧電源１６により充電用コンデンサ１７に高電圧を充電し、放電スイッチ１９を作動させることにより、放電電極２６に高電圧パルスを印加する構成になっている。
【００２６】
放電スイッチ動作時には紫外線などの電磁波２０が放射される。この電磁波２０がガラス窓２２を通して放電電極２６に照射されるように配置する。
【００２７】
充電コンデンサ１７に十分な電圧を充電させた後、放電スイッチ１９を作動すると、まず放電スイッチ１９から放射した紫外線などの電磁波が放電電極２６に照射され、光電子放出によって電子が供給される。この後、放電電極２６に高電圧パルスが印加され接地電極２５との間で主放電が発生し、この主放電の作用によって排ガス中の有機物を分解する。
【００２８】
平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで主放電が開始されるように予め電子が供給されるため、従来の方法に比較して放電開始電圧は低くなり、その結果NOxの発生が抑制される。
【００２９】
【発明の効果】
前述のように、従来のパルスコロナ放電方式では、放電が開始される前に電極間が過電圧となり、放電電子が強い電界によって加速されてより高いエネルギーを持つようになるため、NOxが発生しやすい問題があったが、この発明では、平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで放電が開始されるようパルス電圧印加前に予め排ガス中に電子を供給することができるので、NOxの発生を抑制可能なパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置を提供することができる。また本発明によれば、放電開始電圧が従来より低くなるので、放電による消費電力を減少させる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の概略図を示し、図１（a）は、予備放電によって電子を供給するタイプの排ガス処理装置の実施例の概略図、図１（b）は放電反応器内部に設置された電極の断面図である。
【図２】この発明の異なる実施例の概略図で、放電スイッチからの電磁波の照射によって電子を供給するタイプの排ガス処理装置の実施例の概略図である。
【図３】酸素原子および窒素原子の生成効率と電解強度との関係を示す図である。
【図４】同軸円筒型の電極構造を有する従来のパルスコロナ放電式排ガス処理装置の概略構成図である。
【符号の説明】
８：パルス電源、９：遅延回路、１０，２１：放電反応容器、１３，２５：接地電極、１４：予備放電電極、１５：主放電電極、１５ａ：溝、１６:高電圧電源、１７：充電用コンデンサ、１８：パルス調整用抵抗、１９：放電スイッチ、２０：電磁波、２２：ガラス窓。

Claims

放電電極と接地電極との間に排ガスを通流し、前記両電極間にパルス電源からパルス電圧を印加することにより放電を起こし、この放電の作用により排ガス中の有機物を分解するパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置において、平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで放電が開始されるようにパルス電圧印加前に予め排ガス中に電子を供給しておくための電子供給手段を備え、前記電子供給手段は、予備放電電極を有し、この予備放電電極とパルス電圧印加用の主放電電極との間で予備放電を発生させることにより電子を供給するものとし、さらに、前記パルス電源の出力を二つに分け、一方は前記予備放電電極に印加されるように接続してなり、他方は遅延回路を経て前記主放電電極に印加されるように接続してなり、予備放電発生後に主放電が発生するようにしてなることを特徴とするパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置。
請求項１記載の装置は、パルス電源と、同軸円筒型の放電反応容器とからなり、前記放電反応容器は外側に円筒状の接地電極を備え、その中心部に棒状の放電電極を備え、前記放電電極と接地電極との間に排ガスを通流するように構成したことを特徴とするパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置。
請求項２記載の装置において、前記電子供給手段は、前記放電反応容器の中心に配設された主放電電極の表面に溝を設け、ここに予備放電用電極を配設してなり、この予備放電電極と前記主放電電極との間で予備放電を発生させることにより電子を供給するものとしたことを特徴とするパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置。
放電電極と接地電極との間に排ガスを通流し、前記両電極間にパルス電源からパルス電圧を印加することにより放電を起こし、この放電の作用により排ガス中の有機物を分解するパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置において、前記パルス電源は、直流の高電圧電源と、充電用コンデンサと、パルス調整用抵抗と、放電スイッチとからなり、この放電スイッチの動作時に放電スイッチから放出される電磁波を放電電極に照射することによって放電電極から光電子を放出させ、平均電界強度８〜１５ kV ／ cmで放電が開始されるようにパルス電圧印加前に排ガス中に予め電子を供給するようにしてなることを特徴とするパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置。
請求項４記載の装置は、パルス電源と、同軸円筒型の放電反応容器とからなり、前記放電反応容器は外側に円筒状の接地電極を備え、その中心部に棒状の放電電極を備え、前記放電電極と接地電極との間に排ガスを通流するように構成したことを特徴とするパルスコロナ放電による排ガス中の有機物分解装置。