JP5499345B2 - 排ガスの処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や船舶に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関やボイラ、ガスタービン等の燃焼装置の排気系から排出される排ガスの処理方法及び処理装置に関する。より詳しくは、排ガス中の粒子状物質（Particulate Matters：ＰＭ）をフィルタで捕捉するとともに、フィルタに捕捉された粒子状物質中の可燃性成分を燃焼させてフィルタを再生することができる排ガスの処理方法及び処理装置に関する。

排ガス処理装置では、フィルタを用いて排ガス中の粒子状物質を除去する。このような用途に用いられるフィルタとしてハニカムフィルタ（ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と呼ばれることもある）が知られている。ハニカムフィルタ８０は、図８に示すように、隔壁８１によって区画された複数のセル８２を有している。複数のセル８２は、互い違いに、その長手方向の両端の開口のうちの一方がプラグ８３で封止されている。排ガス８５は、複数のセル８２のうち開口したセル８２内に流入し、隔壁８１を通過して隣のセル８２に流入し、当該隣のセル８２の開口から流出する。排ガス８５が隔壁８１を通過する際に排ガス中の粒子状物質が捕捉され除去される。このようなハニカムフィルタ８０は、一般に耐熱性に優れたセラミックスの多孔質体からなる。

フィルタに大量の粒子状物質が堆積するとフィルタでの圧力損失が高くなり、例えばエンジンにおいてはエンジンの性能が低下する。従って、フィルタに堆積した粒子状物質を定期的に除去してフィルタを再生する必要がある。

フィルタを再生する方法としては、間欠的にフィルタを加熱して粒子状物質を燃焼して除去する方法が知られている。しかしながら、この方法は、フィルタを６００℃以上に加熱する必要があるため、燃費悪化につながる。また、粒子状物質の局所的な自発的燃焼が生じやすく、フィルタがセラミックスからなる場合にはフィルタが割れるという問題がある。セラミックス多孔質体からなるフィルタは一般に高い粒子状物質の捕捉効率を有するため、これが使用できないことは大きなデメリットとなる。

フィルタを再生する別の方法として、フィルタの上流に配置された酸化触媒で排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化力の強い二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化し、この二酸化窒素でフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼して除去する方法がある。しかしながら、酸化触媒を活性化するためには３００〜４００℃の高温を必要とするため、近年ますます多用される過給機付きディーゼルエンジンでは排ガス温度が低く、フィルタを十分に再生することができない。また、船舶用ディーゼルエンジンでは重油燃料を用いるため、排ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれ、これが酸化触媒を半永久的に劣化させるという問題がある。

特許文献１には、プラズマ発生装置による低温プラズマによって生成したラジカルによって排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化し、この二酸化窒素でフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼し除去してフィルタを再生する方法が記載されている。

また、特許文献２には、ディーゼルエンジンからの排ガス中の粒子状物質をフィルタを用いて除去しながら、排ガス経路とは別の経路にて目詰まりしたフィルタにオゾンガスを通過させて、フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼し除去する方法が記載されている。

特開２００４−２４５０９１号公報 特開２００７−１８７１３６号公報

特許文献１の方法によれば、ラジカルの生成は常温で行うことができ、また、ラジカルを用いて一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる反応も常温で可能である。従って、排ガス温度が２５０℃程度以上あれば二酸化窒素で粒子状物質を燃焼させることができ、フィルタの再生を行うことができる。また、酸化触媒を用いないので、排ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれていてもフィルタの再生が可能である。

しかしながら、粒子状物質の捕捉効率に優れたフィルタには大量の粒子状物質が堆積している。特許文献１の方法により、船舶用ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるような大量の粒子状物質を燃焼させるためには、多くのラジカルを生成する必要であり、そのために消費エネルギーが増大し、また、装置が大型化してしまう。

一方、特許文献２の方法では、排ガス経路とは別の経路にて高濃度のオゾンで粒子状物質を燃焼させることができるので、比較的少量のオゾンでフィルタの再生が可能である。

しかしながら、高濃度のオゾンを使用すると、フィルタに堆積した粒子状物質の局所的な燃焼が生じやすく、フィルタがセラミックスからなる場合にはフィルタが割れるという問題がある。また、排ガス経路とは別の経路でフィルタを再生するので、排ガスやオゾンガスの経路が複雑である。

本発明は、局所的な燃焼の発生を抑えながら、小型且つ簡単な構成で、更に、少ない消費エネルギーで、フィルタに堆積した粒子状物質を除去してフィルタを再生することができる排ガスの処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明の排ガスの処理方法は、排ガス中の粒子状物質を、前記排ガスの流路上に設置されたフィルタで捕捉する工程と、前記排ガスの流路上に、前記フィルタに対して上流側に配置された複数のオゾン注入ポートからオゾンを放出し、前記フィルタに捕捉された前記粒子状物質を前記オゾンによって燃焼させて前記フィルタを再生する工程とを備える。前記複数のオゾン注入ポートは、互いに直交する２直線上に配置されている。前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるように前記オゾン注入ポートから前記排ガス中にオゾンを放出し、且つ、前記複数のオゾン注入ポートのうちオゾンを放出するオゾン注入ポートを経時的に変えることにより、前記オゾン濃度分布を経時的に変化させることを特徴とする。

本発明の排ガス処理装置は、排ガスの流路上に設置され、前記排ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルタと、前記排ガスの流路上に、前記フィルタに対して上流側に配置された複数のオゾン注入ポートと、前記複数のオゾン注入ポートにオゾンを供給するオゾナイザとを備え、前記複数のオゾン注入ポートから放出されたオゾンによって前記フィルタに捕捉された前記粒子状物質を燃焼させて前記フィルタを再生する排ガス処理装置である。前記複数のオゾン注入ポートは、互いに直交する２直線上に配置されている。前記オゾン注入ポートは、前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるように前記排ガス中にオゾンを放出することができ、且つ、前記複数のオゾン注入ポートのうちオゾンを放出するオゾン注入ポートを経時的に変えることにより、前記オゾン濃度分布を経時的に変化させることができることを特徴とする。

本発明によれば、排ガスの上流側からフィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるようにオゾンを排ガス中に注入するので、排ガスの上流側からフィルタを見たときオゾンが高濃度に分布する領域でフィルタを選択的に高効率で再生することができる。オゾンを局所的に高濃度になるように注入するので、必要な総オゾン量が少なくて済み、オゾン生成のために必要なエネルギー量を少なくすることができ、また、オゾン生成のための装置を小型化することができる。オゾンを排ガス中に注入するので、フィルタに堆積した粒子状物質が局所的に燃焼するのを防止することができる。また、オゾン濃度分布を経時的に変化させることにより、フィルタ全体を再生することができるので、フィルタ寿命の短縮化を防止できる。

図１Ａは本発明の排ガス処理装置のフィルタが排ガス中の粒子状物質を捕捉する工程を示した概略図、図１Ｂは本発明の排ガス処理装置のフィルタを再生する工程を示した概略図である。 図２は、排ガスに対するオゾンの体積割合と粒子状物質の燃焼速度との関係の一例を示した図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るフィルタ再生方法を示した図である。 図４は、本発明の実施例で用いた装置の全体構成を示した図である。 図５Ａは本発明の実施例で用いた排ガス処理装置の概略構成を示した図、図５Ｂは図５Ａの排ガス処理装置における４本のオゾン注入管の配置を示した図である。 図６は、比較例におけるフィルタの抵抗係数の時間的変化を示した図である。 図７は、実施例におけるフィルタの抵抗係数の時間的変化を示した図である。 図８は、一般的なハニカムフィルタの切り欠き斜視図である。

本発明の排ガス処理装置は、排ガスの流路上に設置され、排ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルタを備える。

処理対象となる排ガスを排出する機関（エンジン）としては、特に制限はなく、一般には燃料の燃焼により発生する熱エネルギーを動力に変換する機械、装置であって、内燃機関及び外燃機関のいずれであっても良い。中でも、ディーゼルエンジンが好ましい。特に、船舶用のディーゼルエンジンは、一般にその排ガス中に大量の粒子状物質が含まれるので、本発明を適用することによりフィルタを少ないオゾン量で効率良く再生することができるので、好ましい。

フィルタは、排ガス中の粒子状物質を捕捉する。使用可能なフィルタの種類は特に制限はなく、例えば排ガス処理の分野で使用されれている公知のフィルタを適宜選択して使用することができる。中でも、図８に示したハニカムフィルタは、粒子状物質の捕捉効率に優れるので好ましい。ハニカムフィルタの材料は、耐熱性の観点から、例えばコージェライト、炭化珪素、サイアロン、窒化珪素などのセラミックス、またはステンレス鋼等の金属からなることが好ましい。図８では、各セル８２の断面形状が正方形であるが、これに限定されず、例えば、正方形以外の四角形、三角形、六角形、円形、楕円形などであっても良い。

図１Ａに示すように、フィルタ１は排ガス５の流路７上に配置される。排ガス５がフィルタ１を通過する際に、排ガス５中に含まれる炭素を主成分とする粒子状物質がフィルタ１に捕捉される。従って、粒子状物質が除去された清浄なガス６が得られる。

時間が経過すると、フィルタ１に粒子状物質が堆積し、フィルタ１での圧力損失が増加する。従って、フィルタ１に堆積した粒子状物質を除去してフィルタ１を再生する必要がある。本発明では、フィルタ１を再生するためにオゾンを利用する。即ち、図１Ｂに示すように、フィルタ１に対して上流側の排ガスの流路７上で、排ガス５中にオゾン（Ｏ₃）を注入する。すると、下記反応式（１）に示すように、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）がオゾン（Ｏ₃）によって二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化され、次いで下記反応式（２）に示すように、この二酸化窒素（ＮＯ₂）がフィルタに堆積した粒子状物質中の可燃性物質である炭素（Ｃ）と反応して粒子状物質の燃焼反応を引き起こす。その結果、フィルタに堆積した粒子状物質は主に二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化されてガス化され、フィルタが再生される。

ＮＯ＋Ｏ₃→ＮＯ₂＋Ｏ₂ …（１）
２ＮＯ₂＋Ｃ→ＣＯ₂＋２ＮＯ …（２）
しかし、排ガス中には未燃炭化水素や硫黄酸化物（ＳＯｘ）なども存在するため、これらの物質が一酸化窒素に優先してオゾンによって酸化される場合がある。また、オゾンが排ガス流路の内壁面などに接触し分解される場合もある。これらの場合、上記反応（１）が阻害され、その結果、粒子状物質を燃焼させる反応（２）が生じにくくなる。従って、排ガス中へのオゾン注入量に対して上記反応式（１），（２）から理論的に求められる粒子状物質の燃焼量に比べて、実際の粒子状物質の燃焼量は少なくなる。

但し、排ガス中に注入されたオゾン量に対する、一酸化窒素以外の物質との反応によって消費されるオゾン量の割合は、排ガス中へのオゾン注入量が多くなるほど相対的に低くなる。図２に、排気量２００ｃｃの発電用ディーゼルエンジンの排ガスの全量をハニカムフィルタに導くように構成された排ガス処理装置において、ハニカムフィルタの再生のために注入したオゾンの排ガスに対する体積割合を変えたときの、粒子状物質の燃焼速度の変化を測定した結果を示す。縦軸の粒子状物質の燃焼速度は、後述する粒子状物質の燃焼速度Ｃ_PM（ｇ／ｈ）と同様に求めたものである。図２からも分かるように、排ガス中に注入されるオゾン量が増えれば増えるほど、粒子状物質の燃焼速度が増大しており、より高効率でフィルタを再生することができる。

ところが、多量のオゾンを生成するためには、大型のオゾン発生装置が必要となり、排ガス処理装置の大型化を招く。また、多量のオゾン生成のために、エネルギー消費量が増大する。

そこで、本発明では、排ガスの上流側からフィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるようにオゾンを排ガス内に放出する。オゾンが高濃度に存在する領域では上記反応式（１）を阻害する物質はオゾンに比して相対的に少量となるため、大部分のオゾンが一酸化窒素の酸化反応（反応式（１））に用いられる。その結果、無駄に消費されるオゾン量が減少し、フィルタを高効率で再生できる。

但し、フィルタに対して単に不均一なオゾン濃度分布を形成するだけでは、フィルタの同一部分が常に部分的に再生される。そこで、本発明では、オゾン濃度分布を経時的に変化させる。これにより、フィルタ全体を再生して、フィルタ寿命が短縮化するのを防ぐ。

本発明の一実施形態に係るフィルタ再生方法を図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。フィルタ（ハニカムフィルタ（ＤＰＦ））２５に対して排ガス流の上流側に、フィルタ２５から離間して４本のオゾン注入管２６ａ〜２６ｄが設置されている。オゾン注入管２６ａ〜２６ｄは、略円柱形状のフィルタ２５の中心軸に対して放射状に９０°間隔で配置されている。オゾン注入管２６ａ〜２６ｄのそれぞれのフィルタ２５に対向する面には、複数のオゾン注入ポートが形成されている。

フィルタ２５に粒子状物質が堆積しフィルタ２５での圧力損失が増加すると、図３Ａに示すように、排ガスが流れている状態で、一直線上に配置されたオゾン注入管２６ｂ，２６ｄのオゾン注入ポートからオゾンをフィルタ２５に向かって放出する。オゾンは、オゾン注入管２６ｂ，２６ｄの近傍に高濃度に分布するので、フィルタ２５のうち、オゾン注入管２６ｂ，２６ｄに対向する部分が主として再生される。フィルタ２５での圧力損失が低下すると、オゾンの放出を停止する。

その後、フィルタ２５での圧力損失が再び増加すると、今度は図３Ｂに示すように、排ガスが流れている状態で、一直線上に配置されたオゾン注入管２６ａ，２６ｃのオゾン注入ポートからオゾンをフィルタ２５に向かって放出する。オゾンは、オゾン注入管２６ａ，２６ｃの近傍に高濃度に分布するので、フィルタ２５のうち、オゾン注入管２６ａ，２６ｃに対向する部分が主として再生される。フィルタ２５での圧力損失が低下すると、オゾンの放出を停止する。

このように、フィルタ２５の再生時に、複数のオゾン注入ポートのうちの一部のみからオゾンを注入することで、排ガスの上流側から見たとき不均一なオゾン濃度分布が排ガス中に形成される。従って、排ガスの上流側から見たとき、オゾンが高濃度に分布する領域でフィルタは部分的に高効率で再生される。

また、フィルタ２５の再生ごとに、複数のオゾン注入ポートのうちオゾンを実際に放出するオゾン注入ポートを変えることで、フィルタ２５のうち再生される部分を変えることができる。その結果、長期的に見てフィルタ２５の全体をほぼ満遍なく再生することができるので、フィルタ寿命の短縮化を防止できる。

本発明のフィルタ再生では、オゾンの生成や、上記の反応（１）は常温で可能である。また、上記の反応（２）が生じるためには、粒子状物質の濃度や排ガス成分によって異なるが、オゾン注入ポートが設置された地点で排ガスが好ましくは２２０℃以上、更に好ましくは３００℃以上という比較的低温を有していれば足りる。また、排ガスがフィルタを通過している状態でオゾンを排ガス中に放出することができるので、上述した特許文献２で起こりうる、フィルタに堆積した粒子状物質の局所的な自発的燃焼は、本発明ではほとんど発生しない。従って、フィルタとして高性能なセラミックスからなるフィルタを用いても、フィルタが高温となって割れるなどの問題は生じない。

なお、本発明では、オゾン注入ポートが設置された地点での排ガス温度の上限は特に制限はないが、３２０℃以下が好ましい。これより高温でも上記の反応（２）が促進されることはなく、むしろ高温によるフィルタの破損などの弊害が発生するからである。

本発明では、フィルタの上流側に、排ガスの上流側からフィルタを見たとき不均一なオゾン濃度分布が形成され、且つ、当該オゾン濃度分布が経時的に変化するように、排ガスの経路上にオゾン注入ポートを配置すればよいので、装置構成は簡単となり、また、既存の排ガス経路を大幅に変更する必要はない。

図３Ａ、図３Ｂでは、複数のオゾン注入ポートを互いに直交する２直線上に配置した。この配置は、直線状のオゾン注入管を用いて容易に不均一なオゾン濃度分布を形成することができる。但し、本発明においてオゾン注入ポートの配置は、フィルタを排ガスの上流側から見たとき不均一なオゾン濃度分布を形成することができれば、図３Ａ、図３Ｂに限定されない。例えば、複数のオゾン注入ポートを、格子点上に配置したり、複数の同心円上に配置したりしてもよい。

また、本発明では、オゾン濃度分布を経時的に変化させる。これを実現するための方法も特に制限はない。図３Ａ、図３Ｂに例示されるように、複数のオゾン注入ポートを設けておき、この複数のオゾン注入ポートの中から実際にオゾンを放出するポートを順次切り替える方法は、バルブ等の切り替えで容易に実現することができる。但し、これ以外に、例えば、不均一なオゾン濃度分布を形成することができる１つ又は複数のオゾン注入ポートを順次移動させることにより、オゾン濃度分布を経時的に変化させてもよい。

不均一なオゾン濃度分布を形成するためには、オゾン注入ポートからフィルタまでの距離Ｌは小さい方が好ましい。具体的には、フィルタの直径をＤとしたとき、Ｌ／Ｄ≦０．３７、更にＬ／Ｄ≦０．３０を満足することが好ましい。

また、オゾン注入ポートはフィルタに向かってオゾンを放出することが好ましい。これにより、オゾン注入ポートから放出されたオゾンの拡散を抑制することができるので、無駄に消費されるオゾン量が減少する。

オゾン注入ポートの材料は、排ガス温度で耐熱性を有し、オゾンと反応しない材料が好ましい。具体的にはステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６等）を用いることができる。

図４は、実施例で用いた装置の全体構成を示した図である。エンジン１１として、排気量４７．１Ｌの過給器付きエンジンを用いた。このエンジン１１は、Ａ重油を燃料とし、船舶内において発電用に用いられるものである。エンジン１１には２００ｋＷの負荷を与えた。エンジン１１の排ガス５の排気口に接続した排ガス流路１２を、途中で第１排ガス流路１３及び第２排ガス流路１４に分岐した。第１排ガス流路１３及び第２排ガス流路１４の各排ガス流量は、バタフライバルブ１５，１６で調整した。第１排ガス流路１３上に排ガス処理装置２０を設置した。

図５Ａに、排ガス処理装置２０の概略構成を示す。略漏斗形状の第１ダクト２１、略中空円筒形状の第１筒部２２、略中空円筒形状の第２筒部２３、略漏斗形状の第２ダクト２４を順に連結して排ガスの流路を形成した。排ガスは、第１ダクト２１側から第２ダクト２４側に向かって、この流路内を流れる。排ガス処理装置２０の排ガス流方向の寸法（即ち、第１ダクト２１の上流側端から第２ダクト２４の下流側端までの距離）は８４５．５ｍｍであった。

第２筒部２３内にフィルタ２５を設置した。フィルタ２５として、直径Ｄが１９０．５ｍｍ、排ガス流方向の長さが１００ｍｍで、１６９ｃｐｓｉ／１６ｍｉｌの多孔質ＳｉＣセラミック製のハニカムフィルタ（ＤＰＦ）を用いた。フィルタ２５は、９０％程度の粒子状物質の捕捉効率を有している。

第１筒部２２に４本のオゾン注入管２６ａ〜２６ｄを突き刺した。図５Ｂは、４本のオゾン注入管２６ａ〜２６ｄを、排ガスの上流側から見た図である。オゾン注入管２６ａ〜２６ｄは、略円柱形状のフィルタ２５の中心軸に直交する、互いに直交する２直線に沿って配置した。オゾン注入管２６ａ〜２６ｄのそれぞれの第１筒部２２内に位置する部分に、フィルタ２５に対向するように６個のオゾン注入ポート２７を形成した。フィルタ２５の上流側の端面とオゾン注入管２６ａ〜２６ｄとの間隔Ｌは７１ｍｍとした。

第１ダクト２１と第１筒部２２との接合部に整流板２８を設置した。整流板２８として、多数の貫通孔が形成されたパンチング金属板を用いた。フィルタ２５の上流側の端面と整流板２８との間隔は１１６ｍｍとした。

図４に戻り、オゾン注入管２６ａ〜２６ｄには、オゾン発生装置（オゾナイザ）３０で発生させたオゾン３１を供給した。

フィルタ２５の上流側及び下流側の排ガス圧力を圧力計３２ａ，３２ｂで測定した。また、オゾン注入管２６ａ〜２６ｄ近傍での排ガス温度を温度計３３で測定した。フィルタ２５を通過した排ガス流量をピトー管３４で測定した。更に、フィルタ２５の上流側及び下流側で排ガス中の粒子状物質濃度を測定した。

最初に、比較例として、図５Ａと異なり４本のオゾン注入管２６ａ〜２６ｄを整流板２８よりも上流側に配置した。そして、エンジン１１を運転しながら、一直線上に配置されたオゾン注入管２６ａ，２６ｃのオゾン注入ポート２７からオゾンを整流板２８に向かって放出した。オゾン注入速度は４３ｇ／ｈ，９２ｇ／ｈの２水準とした。フィルタ２５の上流側において排ガス温度は２７０℃、粒子状物質濃度３４〜４０ｍｇ／Ｎｍ³、フィルタ２５を通過した排ガス流量は５０Ｎｍ³／ｈであった。

比較例におけるフィルタ２５の抵抗係数Ｃ_Rの時間的変化を図６に示す。縦軸の抵抗係数Ｃ_R（ｋＰａ・ｈ／ｍ³）は以下によって定義される。

Ｃ_R＝ΔＰ／Ｑ …（３）
ここで、ΔＰはフィルタ２５の上流側と下流側との排ガスの圧力差、Ｑはフィルタ２５を通過した排ガス流量である。

図６において、７０ｍｉｎから１４０ｍｉｎまではオゾンを注入していないので、抵抗係数は増加した。１４０ｍｉｎから１６０ｍｉｎまでは少量（４３ｇ／ｈ）のオゾンを注入しており、抵抗係数は横ばい又は僅かに低下した。そして、１７０ｍｉｎから１９０ｍｉｎまでは多量（９２ｇ／ｈ）のオゾンを注入しており、抵抗係数は低下した。

次いで、本発明に対応する実施例として、４本のオゾン注入管２６ａ〜２６ｄを図５Ａに示すように整流板２８とフィルタ２５との間に移動した。そして、エンジン１１を運転しながら、一直線上に配置されたオゾン注入管２６ａ，２６ｃのオゾン注入ポート２７からオゾンをフィルタ２５に向かって放出した。オゾン注入速度は比較例と同様に４３ｇ／ｈ，９２ｇ／ｈの２水準とした。その他の条件は、比較例と同じとした。

実施例におけるフィルタ２５の抵抗係数Ｃ_Rの時間的変化を図７に示す。６０ｍｉｎから９０ｍｉｎまでは少量（４３ｇ／ｈ）のオゾンを注入しており、抵抗係数は低下した。９０ｍｉｎから１２０ｍｉｎまでは多量（９２ｇ／ｈ）のオゾンを注入しており、抵抗係数は大きく低下した。そして、１２０ｍｉｎから１４７ｍｉｎまではオゾンを注入しておらず、抵抗係数は増加した。

図７において、オゾン注入管２６ａ，２６ｃからのオゾン注入量が９２ｇ／ｈのときの抵抗係数の低下速度（即ち、グラフの傾き）は、前段のフェーズ１で大きく、後段のフェーズ２で小さい。また、これに続くオゾン注入を停止したときの抵抗係数の増加速度（即ち、グラフの傾き）は、前段のフェーズ３で大きく、後段のフェーズ４で小さい。このように、抵抗係数が変化する理由は以下のように考えられる。

フェーズ１では、排ガスの上流側からフィルタを見たとき、高濃度のオゾンが存在する、オゾン注入管２６ａ，２６ｃと対向する部分に堆積した粒子状物質が燃焼する。粒子状物質が燃焼して消失するにしたがって、抵抗係数は低下する。

オゾン注入管２６ａ，２６ｃと対向する部分に堆積した粒子状物質がほぼ燃焼して消失すると、フィルタ２５内のこの部分に、フィルタ２５の上流側と下流側とを結ぶ低圧損領域が形成される。低圧損領域が形成された段階がフェーズ２である。フェーズ２では、排ガス及びオゾン注入管２６ａ，２６ｃから注入されたオゾンは粒子状物質がほぼ燃焼し消失してしまった低圧損領域を主として流れるので、粒子状物質の更なる燃焼速度は低下する。従って、フェーズ２での抵抗係数の低下速度は、フェーズ１よりも小さい。

次に、オゾンの注入を停止してフェーズ３に移行する。フェーズ３では、排ガスは主として低圧損領域を流れるので、粒子状物質はフィルタ２５内の低圧損領域内に優先的に堆積する。粒子状物質が堆積するのにしたがって、抵抗係数は増加する。低圧損領域はフィルタ２５の一部を占めるにすぎないので、フェーズ３での抵抗係数の増加速度は大きい。

フィルタ２５内に低圧損領域が消失すると、フェーズ４に移行する。フェーズ４では、フィルタ２５の全体に粒子状物質が堆積するので、フェーズ４での抵抗係数の増加速度は、フェーズ３より小さい。

上記の説明より明らかなように、フィルタ２５内に低圧損領域が形成されたフェーズ２では、注入されたオゾンの一部は、粒子状物質の燃焼に寄与することなく、フィルタ２５を通過してしまう可能性がある。従って、実際のフィルタの再生では、フェーズ２に至る前にオゾン注入を停止することが好ましい。

図７において、オゾン注入量が４３ｇ／ｈの場合には、オゾン注入量が９２ｇ／ｈの場合のような抵抗係数の低下速度の変化は認められない。即ち、図７のオゾン注入量が４３ｇ／ｈである期間はフェーズ１の状態であって、この期間内にフェーズ２には至っていないものと推測される。

図６（比較例）と図７（実施例）とを比較すると、オゾン注入時には、注入量が４３ｇ／ｈ、９２ｇ／ｈのいずれであっても、抵抗係数の低下速度は図７の方が大きい。これは、図７では、フィルタ２５が部分的に再生されるので、フィルタ２５が高効率に再生されているからである。

なお、オゾンを注入していないときの抵抗係数の増加速度も、図６より図７の方が大きい。但し、図７では、オゾンを部分的に高濃度で注入しているので、上述した反応式（１）以外のために消費されるオゾン量は少ない。従って、全体としてオゾンの総注入量は、図６に比べて少なくて済む。

図６及び図７において、１ｇの粒子状物質を燃焼するのに必要なオゾン量を計算する。

オゾン注入時の粒子状物質の燃焼速度をＣ_PM（ｇ／ｈ）、フィルタ２５の粒子状物質の捕捉速度をＡ_PM（ｇ／ｈ）、粒子状物質の捕捉時（オゾン不注入時）の抵抗係数Ｃ_Rの上昇速度をａ_a（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）、オゾン注入時の抵抗係数Ｃ_Rの低下速度をａ_c（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）とする。捕捉速度Ａ_PMは、ａ_aに比例する。オゾン注入時には、粒子状物質はフィルタ２５で捕捉されると同時にオゾンで燃焼されるため、燃焼速度Ｃ_PMは（ａ_a＋ａ_c）に比例する。従って、以下の式（４）が成立する。

Ｃ_PM／Ａ_PM＝（ａ_a＋ａ_c）／ａ_a …（４）
捕捉速度Ａ_PMは、フィルタ２５の上流側及び下流側で排ガス中の粒子状物質濃度の実測値と、フィルタ２５を通過した排ガス流量から算出することができる。比較例（図６）及び実施例（図７）では、いずれもＡ_PM＝１．５３ｇ／ｈであった。また、ａ_a，ａ_cは図６、図７のグラフの傾きから求めることができる。

図６において、オゾン注入量が９２ｇ／ｈのとき、
ａ_a＝１．３６×１０^-5（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）
ａ_c＝１．５４×１０^-5（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）
であるから、上記式（４）より、Ｃ_PM＝３．２６ｇ／ｈとなる。従って、図６（比較例）において９２ｇ／ｈでオゾンを注入したとき、１ｇの粒子状物質を燃焼するのに２８ｇ（＝９２／３．２６）のオゾンが消費された。

一方、図７において、オゾン注入量が９２ｇ／ｈのとき、フェーズ１，４に着目すると、
ａ_a＝４．２３×１０^-5（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）
ａ_c＝７．１４×１０^-5（ｋＰａ・ｈ／ｍ³・ｍｉｎ）
であるから、上記式（４）より、Ｃ_PM＝４．１１ｇ／ｈとなる。従って、図７（実施例）において９２ｇ／ｈでオゾンを注入したとき、１ｇの粒子状物質を燃焼するのに２２ｇ（＝９２／４．１１）のオゾンが消費された。

従って、本発明のようにオゾン濃度分布が不均一になるように排ガス中にオゾンを注入することにより、少ないオゾン総注入量で高効率にフィルタを再生することができることが計算上でも確認された。

図７では、オゾンを注入するオゾン注入管の切り替えを行っていない。しかしながら、例えば、オゾン注入をオゾン注入管２６ａ，２６ｃとオゾン注入管２６ｂ，２６ｄとで交互に行っても、排ガス中の粒子状物質量は一定であるから、抵抗係数は図７と同様に変化するはずである。

本発明の利用分野は特に制限はないが、粒子状物質を含む排ガスを排出するディーゼルエンジン等の内燃機関やボイラ、ガスタービン等の燃焼装置から排出される排ガスの処理装置として好ましく利用することができる。

１，２５ フィルタ
５ 排ガス
７ 排ガスの流路
１１ エンジン
１２，１３，１４ 排ガス流路
２０ 排ガス処理装置
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ オゾン注入管
２７ オゾン注入ポート
３０ オゾン発生装置（オゾナイザ）
３１ オゾン

Claims (8)

1. 排ガス中の粒子状物質を、前記排ガスの流路上に設置されたフィルタで捕捉する工程と、
   前記排ガスの流路上に、前記フィルタに対して上流側に配置された複数のオゾン注入ポートからオゾンを放出し、前記フィルタに捕捉された前記粒子状物質を前記オゾンによって燃焼させて前記フィルタを再生する工程と
   を備えた排ガスの処理方法であって、
   前記複数のオゾン注入ポートは、互いに直交する２直線上に配置されており、
   前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるように前記オゾン注入ポートから前記排ガス中にオゾンを放出し、且つ、前記複数のオゾン注入ポートのうちオゾンを放出するオゾン注入ポートを経時的に変えることにより、前記オゾン濃度分布を経時的に変化させることを特徴とする排ガスの処理方法。
2. 前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たとき、オゾンが高濃度に分布する領域で前記フィルタを選択的に再生する請求項１に記載の排ガスの処理方法。
3. 前記フィルタの直径をＤ、前記オゾン注入ポートと前記フィルタとの距離Ｌとしたとき、Ｌ／Ｄ≦０．３７を満足する請求項１又は２に記載の排ガスの処理方法。
4. 前記オゾン注入ポートが設置された地点での前記排ガスの温度が２２０℃以上である請求項１〜３のいずれかに記載の排ガスの処理方法。
5. 排ガスの流路上に設置され、前記排ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルタと、前記排ガスの流路上に、前記フィルタに対して上流側に配置された複数のオゾン注入ポートと、前記複数のオゾン注入ポートにオゾンを供給するオゾナイザとを備え、前記複数のオゾン注入ポートから放出されたオゾンによって前記フィルタに捕捉された前記粒子状物質を燃焼させて前記フィルタを再生する排ガス処理装置であって、
   前記複数のオゾン注入ポートは、互いに直交する２直線上に配置されており、
   前記オゾン注入ポートは、前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たときオゾン濃度分布が不均一になるように前記排ガス中にオゾンを放出することができ、且つ、前記複数のオゾン注入ポートのうちオゾンを放出するオゾン注入ポートを経時的に変えることにより、前記オゾン濃度分布を経時的に変化させることができることを特徴とする排ガス処理装置。
6. 前記オゾン注入ポートは、前記排ガスの上流側から前記フィルタを見たとき、オゾンが高濃度に分布する領域で前記フィルタを選択的に再生させる請求項５に記載の排ガス処理装置。
7. 前記フィルタの直径をＤ、前記オゾン注入ポートと前記フィルタとの距離Ｌとしたとき、Ｌ／Ｄ≦０．３７を満足する請求項５又は６に記載の排ガス処理装置。
8. 前記オゾン注入ポートが設置された地点での前記排ガスの濃度が２２０℃以上である請求項５〜７のいずれかに記載の排ガス処理装置。

Images