JP4564546B2

JP4564546B2 - ディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置

Info

Publication number: JP4564546B2
Application number: JP2008088621A
Authority: JP
Inventors: 寿仁加藤; 雄一磯崎; 兼久今井; 彰一茨木; 克憲松岡
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009243305A; WO2009119753A1

Description

本発明は、プラズマを利用してディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質を浄化するディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンより排出される排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ、スス）を、電極間に高電圧を印加して発生する非熱プラズマを用いて除去する技術が知られている。その手法としては、主に、次の４つの方法がある。

（ａ）コロナ放電を用いて粒子状物質を帯電させ、後段の電気集塵機で粒子状物質を除去するガス浄化装置がある（例えば、特許文献１（特開２００３−２６９１３４号公報）参照。）。
（ｂ）平行平板電極間に発生させるプラズマを用いて、直接、粒子状物質を除去する排気ガス浄化システムがある（例えば、特許文献２（特開２００５−２９１０７１号公報）参照。）。
（ｃ）フィルタを用いて粒子状物質を捕獲し、プラズマを用いて、間接的、あるいは直接的にフィルタを再生する装置がある（例えば、特許文献３（特表２００２−５２７６５８号公報）参照。）。この発明は、プラズマを用いて排気ガス中のＮＯをＮＯ₂に変換し、ＮＯ₂によってフィルタに捕獲された粒子状物質を低温で燃焼させることで、フィルタを再生させている。
（ｄ）電極の形状によって粒子状物質の除去率を上げる装置がある。

例えば、特許文献４（特表２００３−５２９７０５号公報）では、プラズマ発生装置の金属電極を波状またはひだ状にすることで、慣性力により粒子状物質を電極上に堆積させ、粒子状物質の除去率を向上させている。

また、特許文献５（特開２００７−２１６１９３号公報）では、金属電極及び／又は誘電体の表面に溝状の凹凸加工を施すことにより、粒子状物質の処理を均一安定化させている。

また、特許文献６（特開２００７−１４４２４４号公報）では、プラズマ発生装置の金属電極を波形に加工する、パンチングメタルを用いて電極を形成する、金属ロッドを電極に溶接する、金属の平板に溝状のエッチングを施す等の手法により、排気ガスの流れを適度に乱し、処理能力を向上させている。

また、特許文献７（特開平９−２４２３６号公報）では、プレス加工等により複数の隆起を形成した金属電極を用いることにより、効率的な排ガス浄化装置を実現している。

しかしながら、特許文献１の発明は、ＰＭを帯電させる電極と、集塵する電極の２つの電極が必要になるので、装置が大型化、コスト増になる。また、特許文献２の発明は、平行平板電極間に発生させるプラズマを用いて、直接、粒子状物質を除去するため、ＰＭの除去率を上げようとすると、多量の電力を必要とする。

特許文献３の発明は、機構が複雑で装置が大型化してしまう。フィルタのメンテナンスが煩雑である。フィルタの圧力損失が大きい。特許文献４の発明は、電極を幾何学的形状にすることで、特許文献２や特許文献３の問題点を解決しているが、複雑な形状の電極を作成することは困難である。

例えば、特許文献４（特表２００３−５２９７０５号公報）や特許文献６（特開２００７−１４４２４４号公報）のように、金属電極を波状、ひだ状、凹凸状に加工することは、製作に手間がかかり、効果も高くない。また、特許文献６（特開２００７−１４４２４４号公報）の実施例にあるように、パンチングメタル等の加工品を金属電極として用いる場合、突起が十分にないので、排気ガスの流れを乱す効果が少ない。

一方、特許文献７（特開平９−２４２３６号公報）のように、金属板にプレス等で突起状のものを加工する場合、加工の際に反りや歪みが生じ、平板電極として適さない。

特開２００３−２６９１３４号公報特開２００５−２９１０７１号公報特表２００２−５２７６５８号公報特表２００３−５２９７０５号公報特開２００７−２１６１９３号公報特開２００７−１４４２４４号公報特開平９−２４２３６号公報

本発明は、上記のような問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、プラズマ反応器だけのシンプルな構成で、高い粒子状物質の除去率を持ち、かつ圧力損失を抑え、更に、製作の容易さも兼ね備えたディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、多数の孔を有する金属製の放電電極の下面にセラミックス製の誘電体を積層して平板状の複合放電板を形成し、該複合放電板を多段に配してその間に処理ガス流路を兼ねるプラズマ放電空間を設け、前記放電電極の孔内に、転動体を前記孔内で動くことができるように充填させたプラズマ反応器を形成し、かつ、前記プラズマ反応器を処理ガスが通過する函体内に収容することを特徴とするディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、複合放電板間の距離を０．５ｍｍ〜１０ｍｍにすることを特徴とするディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、放電電極の孔のピッチを、複合放電板の距離の１．５倍〜１００倍とすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。

請求項４に係る発明は、請求項１において、転動体は、セラミックス製の球体又は円柱体であり、その直径を複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍とすることを特徴とするディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置である。

請求項５に係る発明は、請求項１において、転動体は、セラミックス製の多面体であり、その内接円の直径を複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍とすることを特徴とするディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置である。

この発明は、多数の孔を有する金属製の放電電極の下面に誘電体を積層して平板状の複合放電板を形成し、該複合放電板を多段に配してその間に処理ガス流路を兼ねるプラズマ放電空間を設け、前記放電電極の孔に転動体を充填させたプラズマ反応器を形成し、かつ、該プラズマ反応器を処理ガスが通過する函体内に収容したので、層流状態の排気ガス流れが周期的に乱され、放電電極から遠い位置にある粒子状物質（ＰＭ、スス）が放電電極付近に到達して放電電極に吸着する。

複合放電板間の排気ガスの流れを乱すと、粒子状物質（ＰＭ、スス）の除去率は高まるが、装置の圧力損失も高まる。また、排ガス流れを乱そうとして極端にプラズマ放電空間を妨げる構造にすると、圧力損失を要求される範囲内に収めることが難しい。放電電極に転動体を設置すると、その形状により、圧力損失をそれほど高めずに十分な流れの乱れを発生させることができる。また、転動体の配置数を多くするほど圧力損失が高まるが、転動体の配置数や配置の工夫により、所要の除去率や圧力損失となるように調整することができる。

また、放電電極の形状を複雑にすると、製作に手間がかかり、反りや歪みなどの発生により、製作が困難となる場合があるが、この発明の場合、放電電極の孔に転動体を充填するという手法により、容易で安定した製作が可能である。

放電電極の孔に充填された転動体は、孔内で自由に動くことが肝要である。プラズマ反応器に排気ガスを流すと、転動体の一端に粒子状物質（ＰＭ、スス）が多量に付着し、別の一端には少量しか付着しない。一方、プラズマによる転動体表面の粒子状物質酸化作用は、粒子状物質が多量に付着する面が必ずしも強いわけではない。

したがって、転動体が放電電極に固定されていれば、転動体表面の一端が粒子状物質（ＰＭ、スス）によって徐々に汚れていき、やがて安定したプラズマ生成が困難になる。しかし、転動体が放電電極の孔内で動くことができれば、粒子状物質（ＰＭ、スス）が付着する面が時々刻々変化するため、粒子状物質（ＰＭ、スス）が付着した面が、順次、プラズマによってクリーニングされる。この自己クリーニング効果によって転動体表面は、常に、汚れのない状態に保持される。転動体が放電電極の孔よりも大きい場合、転動体は、放電電極の上に乗った状態であるが、固定されていないので、やはり、排ガスの流れの中で自由に動くことができ、自己クリーニング効果を得ることができる。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図１に示すように、粒子状物質除去装置１は、処理ガス流入口３と処理ガス排出口４とを有する函体２と、この函体２内に充填材６を介して設けたプラズマ反応器５とより形成されている。

プラズマ反応器５は、平板状の複合放電板７を多段に設けて、その間に処理ガスが通過するガス流路を兼ねるプラズマ放電空間８を設けている。複合放電板７は、多数の孔９を有する平板状の金属製の放電電極１０の下面に平板状の誘電体１１を積層させたものであり、放電電極１０の孔９に一つの転動体１２を充填させている。そして、奇数段の複合放電板７は、リード線１３を介して高電圧電源１４に接続され、偶数段の複合放電板７は、リード線１５を介してアース１６に接続されている。図中、符号ａは、排気ガスを示している。

放電電極の材質は、例えば、ステンレス、ニッケル、銅、真鍮などが望ましいが、特に、特定されない。また、誘電体の材質は、セラミックス製（例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、ソーダ硝子）などが望ましいが、特に、特定されない。

複合放電板間の距離は、排気ガスが層流となるように設計されているが、複合放電板間の距離は、０．５〜１０ｍｍ、特に、０．５〜５ｍｍが望ましい。複合放電板間の距離が０．５ｍｍ未満の場合は、圧力損失が大きくなり過ぎる。他方、複合放電板間の距離が１０ｍｍを超える場合は、非熱プラズマを発生させるために、非常に高い電圧を必要とする。

放電電極の孔の配置は、碁盤の目状、千鳥状、ランダム状などが望ましい。放電電極の孔の距離（ピッチ）は、複合放電板の距離の１．５倍〜１００倍、特に、１．５倍〜１００倍が望ましい。

転動体の形状は、球体、円柱などが望ましいが、多面体でも使用可能である。また、転動体の材質としては、金属（例えば、ステンレス、ニッケル、銅、真鍮、）、セラミックス（例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、ソーダ硝子、）、無機材料（例えば、シリコン、テフロン（登録商標）、ナイロン、）などを挙げることができる。

球体、円柱の直径は、複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍、特に、１．０倍〜２．０倍が望ましい。また、多面体の内接円の直径は、複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍、特に、１．０倍〜２．０倍が望ましい。

球体や円柱の直径又は多面体の内接円の直径が複合放電板間の距離の１．０倍未満の場合は、転動体が複合放電板間を素通りして流出してしまう。他方、複合放電板間の距離の５．０倍を超える場合は、電極が大型化してしまう。

放電電極の孔の配置は、碁盤の目状、千鳥状、ランダム状などが望ましい。放電電極の孔の間隔（ピッチ）が複合放電板の距離の１．５倍未満の場合は、排気ガスの流路を妨げる効果が大き過ぎて転動体近傍以外の部分の流れまでが乱流化して圧力損失が大きくなる。放電電極の孔の間隔（ピッチ）が複合放電板の距離の１００倍を超える場合は、排気ガスの流路を妨げる効果が小さ過ぎて排気ガス中の粒子状物質を除去する効果がほとんどない。

図２に示すように、対をなす２つの複合放電板７，７間に高電圧を印加した状態でディーゼルエンジンの排気ガスａを供給すると、排気ガスａは、一対の複合放電板７，７間にあるプラズマ放電空間８を通過する間に浄化されて大気中に排出される。

この際、図３のように、粒子状物質（ＰＭ、スス）ｂの一部は、複合放電板（電極）７表面に衝突する。粒子状物質ｂが帯電している場合には、電気的に吸着される。また、転動体がない場合、電極表面近傍の粒子状物質ｂが電極表面に衝突または吸着されるだけで、対をなす２つの複合放電板（電極）７，７間の中央付近にある粒子状物質ｂは、電極表面に衝突または吸着されない。

しかし、本発明は、図２のように、複合放電板７を構成している放電電極１０の孔９に転動体１２が充填されているため、層流状態の排気ガスの流れが周期的に乱され、図４のように、放電電極１０から遠い位置にある粒子状物質ｂなども放電電極付近に到達し、転動体１２の上流端や放電電極１０に吸着する。

したがって、転動体１２が放電電極１０に固定されていれば、転動体１２の表面の一端が徐々に汚れていき、やがて安定したプラズマ生成が困難になるが、本発明では、転動体１２が放電電極１０の孔９内で動くことができるため、粒子状物質（ＰＭ、スス）ｂが付着した面が、順次、プラズマによって自己クリーニングされる。

プラズマによる粒子状物質（ＰＭ、スス）やＮＯｘの浄化作用は、次のように行われる。
Ｏ₂／２＋ＮＯ → ＮＯ₂
Ｏ₂ → Ｏ₂ ^*
Ｏ₂ → Ｏ₂ ^* → Ｏ＋Ｏ → Ｏ^*＋Ｏ
２ＮＯ₂＋Ｃ → ２ＮＯ＋ＣＯ₂
ＮＯ₂＋Ｃ → ＮＯ＋ＣＯ＋Ｃ
Ｏ₃＋Ｃ → Ｏ₂＋ＣＯ
Ｏ₂ ^*＋Ｃ → ＣＯ₂
Ｏ^*＋Ｃ → ＣＯ
ｅ＋Ｏ₂＋Ｃ → ＣＯ₂

放電面積が１１０ｍｍ×９５ｍｍで、板厚が１．０ｍｍの電極板と、板厚が１．０ｍｍのアルミナ製誘電体よりなる複合板（プラズマ放電複合板）を１７組重ね、その間に１６層の電極空間を持つプラズマ反応器を形成した。電極板は、パンチングメタルを用い、電極板の孔にセラミックの１個ずつ球体を充填した。

電極間距離、パンチングメタルの孔径、セラミックの球径、セラミック球の充填数を「表１」のように定めた電極１〜３の３種類の電極を製作した。また、セラミック球が無い場合の比較として、パンチングメタルの代わりに表面が平面の金属板を用い、セラミック球を用いないほかは、同じ仕様の電極４を製作した。

奇数段のプラズマ放電複合板を高電圧発生電源に接続し、偶数段のプラズマ放電複合板をアースに接続した。函体内にユニット電極を設置し、排ガスの一部を分流した管に接続した。ここに「表２」のような条件で運転されたエンジンの排ガスを流し、３ｋＨｚの高周波のプラズマ電力を投入したところ、投入電力に対して「表２」のようなＳｏｏｔを低減することができた。「表２」における脱Ｓｏｏｔ率は、電極通過前の排ガス中のＳｏｏｔ濃度に対する電極通過後の排ガス中のＳｏｏｔ濃度の百分率である。

エンジンは、ＤＥＵＴＺ社（三井造船マシナリーサービス社）製のディーゼル機関ＭＡＣ−３０（型式Ｆ３Ｌ９１２）を使用した。同エンジンの仕様は、「表３」の通りである。

「表」の結果について、排ガス流量に対する投入電力の比を電力密度（Ｗｈ／Ｎｍ³）として、横軸の値とし、縦軸を脱Ｓｏｏｔ率（％）として、プロットしたものが図３である。

これらの結果より、
（ａ）電極４は、他の電極１〜３に比べると、電力密度に対する脱Ｓｏｏｔ率が小さい。つまり、セラミック球がある電極の方が、Ｓｏｏｔ除去性能が高い。
（ｂ）電極１、電極２は、排ガス流量７５Ｎｍ³／ｈのときに、投入電力０．５ｋＷ以上で、Ｓｏｏｔ率を５０％以上除去した。
（ｃ）電極３は、電極１、電極２に比べると、Ｓｏｏｔの除去性能が低いものの、セラミックボールが無い電極４と比べると、はるかにＳｏｏｔの除去能率が高かった。また、圧力損失が電極１や電極２に比べると少ない。
（ｄ）電極１〜３の圧力損失は、排ガス流量７５Ｎｍ³／ｈのときに、３０〜６０ｍｍａｑであり、（フィルター方式に比べて）小さかった。
（ｅ）電極１〜３とも、約４時間の実験終了後に電極内部を目視観察したが、粒子状物質の付着はほとんど無かった。

実施例の電極２に関して、電極を通過する流体の流量が７５Ｎｍ³／ｈのときの気体の流れ解析の結果を図４に示す。図４は、電極を上方から見た断面の一部であり、図の左側から流体が流入しているところを表している。流れの解析結果より、排ガスの流れが球体によって乱されていることがわかる。流れが乱されることにより、電極ギャップ中央付近を流れ込んだむるススでも電極に付着し、除去される。

本発明に係る粒子状物質除去装置の断面図である。本発明に係る粒子状物質除去装置の作用説明図である。転動体が無い場合の作用説明図である。転動体がある場合の作用説明図である。電力密度と脱Ｓｏｏｔ率との関係を示す図である。電極を通過する流体の流れ解析の結果を示す図である。

符号の説明

２函体
５プラズマ反応器
７複合放電板
８プラズマ放電空間
９孔
１０放電電極
１１誘電体
１２転動体

Claims

多数の孔を有する金属製の放電電極の下面にセラミックス製の誘電体を積層して平板状の複合放電板を形成し、該複合放電板を多段に配してその間に処理ガス流路を兼ねるプラズマ放電空間を設け、前記放電電極の孔内に、転動体を前記孔内で動くことができるように充填させたプラズマ反応器を形成し、かつ、前記プラズマ反応器を処理ガスが通過する函体内に収容することを特徴とするディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。
複合放電板間の距離を０．５ｍｍ〜１０ｍｍにすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。
放電電極の孔のピッチを、複合放電板の距離の１．５倍〜１００倍とすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。
転動体は、セラミックス製の球体又は円柱体であり、その直径を複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍とすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。
転動体は、セラミックス製の多面体であり、その内接円の直径を複合放電板の距離の１．０倍〜５．０倍とすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気ガス中の粒子状物質除去装置。