JP5693787B2 - オゾン発生システムおよびオゾン発生方法 - Google Patents
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Description
図1〜図6は、本発明の実施の形態1にかかるオゾン発生システムおよびその運転方法を説明するためのもので、図1はオゾン発生システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す系統図、図2(a)と図2(b)はオゾン発生装置の放電電極部の構成を示すためのもので、図2(a)は放電電極部のガス流れ方向に平行な切断面による断面図、図2(b)はガス流れ方向に垂直な方向の断面で、図2(a)のA−A線による断面図である。また、図3はオゾン発生システムの運転方法を説明するためのフローチャート、図4はオゾン発生システムでの運転条件範囲を示す図で、オゾン発生装置に供給する冷却水の温度と放電電極部の電極管温度との関係で示している。そして、図5は放電電極部での除去対象であるN2O5の温度と蒸気圧との関係を示す図である。
オゾン発生システムは、図1に示すように、原料ガスである空気を加圧して供給するためのガス供給装置1と、ガス供給装置1から供給された加圧空気からオゾンを生成してオゾン化ガスを出力するオゾン発生装置3と、出力されたオゾン化ガスを用いてオゾン処理を行うオゾン利用設備200から排出された余剰オゾン化ガス、あるいはオゾン利用設備200を介さず送られてきたオゾン化ガスからオゾンを取り除く排オゾン処理部5と、オゾン発生装置3の温度を調節する温度調節器として、冷却により温度を調節する冷却系統(温度調節装置7)と、当該システムの運転制御を行う制御部4と、を備えている。ここで、用いられるオゾン発生装置3は、空気源オゾン発生装置と称される。
オゾン発生装置3は電極間に誘電体を介する無声放電式のオゾン発生装置である。電極形状には、平行平板式や円筒管式等、さまざまな形態が適用できるが、ここでは、図2に示すように、円筒管式の放電電極部30を例に説明する。放電電極部30には、高電圧電極として、円筒状をなす高電圧電極303と、高電圧電極303の外周面と一端側を覆うように高電圧電極303と一体化されたガラス管の誘電体302と、によって構成される高圧電極管304が設けられている。そして、接地電極として、高圧電極管304の外周面に対して所定の間隔(=後述する空隙長(ギャップ長)d)をあけて内周面を対向させるように高圧電極管304と同心に設置され、外周側に冷却水306が流れるように形成された接地電極(管)301が設けられている。
オゾン発生装置3に供される原料ガスの露点は一般的に−60℃以下(大気圧露点)に設定されている。当然のことながら、露点が高くなると、原料ガスに同伴されオゾン発生装置3に流入する水分量が多くなるので、オゾン発生効率に影響をおよぼすこと、およびオゾン発生装置3内における硝酸生成を引き起こすため、この露点よりも高い露点で運転することは推奨されていない。
このオゾン発生システムには、(1)通常運転モード、(2)メンテナンスモードの2つの動作モードが設定されている。そして、露点計測部2および差圧計測部6からの信号を基に、制御部4は放電電極部30内での異常の兆候である差圧上昇あるいはガス露点の上昇を検知して、オゾン発生装置3内でのオゾン生成のための放電が継続した状態のまま動作モードを切り替えるようにしている。なお、ここで示す「異常」とは放電生成物の堆積・固着の兆候または初期段階を示し、放電や絶縁といった電気的な異常を示すものではない。
本実施の形態で議論する放電生成物の固着は、放電空間305内の平均温度および放電空間305に接する電極管(接地電極301の内周面、高圧電極管304の外周面)の表面温度により制御できる。詳細に言えば、放電空間305に面する高圧電極管の表面温度は放電空間305の平均温度よりも必ず数℃〜10℃程度高くなり、また、定常状態におけるそれぞれの温度は、放電電極部30に設けられた流路に流される冷却水の温度、投入電力密度およびギャップ長dにより一義的に決定される。例として、高圧電極管の表面温度(以下、電極管温度と称する。)により本実施の形態の動作モードを議論する。
<通常運転モード>
通常運転モードは、生成されたオゾン化ガスをオゾン利用設備200へ直接供給する場合であり、露点計測部2および差圧計測部6から出力された信号では、異常の兆候を示すような状態であると判定されるような状態ではなく、通常通りに稼動している状態を示す。例えば、ガス露点が−60℃以下に保たれ、差圧は初期差圧の約1.5倍未満に収まっており、急な変化がない場合、制御部4は異常兆候なし判断(ステップS20で「N」)して、通常運転モードを継続する。その際、電極管温度の温度条件が図4の領域Bの範囲内に収まるように、投入電力密度と冷却水温度を制御できるよう、図示しないオゾン発生装置3の駆動電源、および冷却系統(温度調節装置7)の温度調節器13に指令を出す。
メンテナンスモードは、露点計測部2または差圧計測部6の少なくとも一方から、制御部4が異常の兆候が発生していると判断するようなデータを示す信号が発せられているときに実行される。すなわち、オゾンとともに発生するN2O5、原料ガス水分とN2O5の反応により生成される硝酸、および硝酸と金属部材の反応により生成するFe(NO3)3の顕在化により、オゾン発生装置3の動作に対する異常発生の予兆、または異常が発生する状態であると判断したときに実行する動作モードである。つまり、この動作モードは、前記生成物のオゾン発生装置3内における固着量が正常動作時の値を超過している可能性が高い、または超過した状態に対して実行される。
図5はN2O5の蒸気圧曲線で、横軸は飽和蒸気圧の絶対圧表記、縦軸が温度である。つまり、横軸を放電空間305内のガス圧力Pとすると、それに対応する温度以上に上げると、N2O5の飽和蒸気圧は雰囲気圧以上になり、100%気化させることができる。ここで、本実施の形態で最適化したオゾン発生装置3の動作圧力範囲は0.2〜0.3MPa(絶対圧)であるため、動作圧力下におけるN2O5の昇華温度は大気圧時の32.4℃と異なり、0.2MPa時に42℃、0.3MPa時には47.5℃となる。
本発明の実施の形態2にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態2にかかるオゾン発生システムは、基本的な構成および動作は実施の形態1と同様であるが、オゾン発生装置とオゾン利用設備との間に硝酸濃度計測部と硝酸トラップを組み込んでいる点が特徴的である。図6は本実施の形態2にかかるオゾン発生システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す系統図である。図中、実施の形態1にかかるオゾン発生システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本発明の実施の形態3にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態3にかかるオゾン発生システムは、基本的な構成および動作は実施の形態1と同様であるが、冷却系統において、バイパス配管を設置する代わりに、冷却器の動作を制御するようにした点が特徴的である。図7は本実施の形態3にかかるオゾン発生システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す系統図である。図中、実施の形態1にかかるオゾン発生システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本発明の実施の形態4にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態4にかかるオゾン発生システムは、実施の形態2にかかるオゾン発生システムのガスフロー系統と実施の形態3にかかるオゾン発生システムの冷却系統を組み合わせたものである。その他、基本的な構成および動作は実施の形態1〜3と同様である。
本発明の実施の形態5にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態5にかかるオゾン発生システムは、実施の形態3にかかるオゾン発生システムに対して、冷却系統において、オゾン発生装置を駆動させる電源装置の排熱と冷却水との熱交換を行う熱交換器を設置するようにした点が特徴的である。その他基本的な構成および動作は上記各実施の形態1〜4で説明したのと同様である。
本発明の実施の形態6にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態6にかかるオゾン発生システムは、実施の形態2にかかるオゾン発生システムのガスフロー系統と実施の形態5にかかるオゾン発生システムの冷却系統を組み合わせたものである。その他、基本的な構成および動作は実施の形態1〜5と同様である。
本発明の実施の形態7にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態7にかかるオゾン発生システムは、実施の形態1〜6にかかるオゾン発生システムと基本的な構成および動作は同様であるが、オゾン発生装置に導入する原料ガスが酸素ガスである点が特徴的である。
本発明の実施の形態8にかかるオゾン発生システムについて説明する。本実施の形態8にかかるオゾン発生システムは、実施の形態1〜7にかかるオゾン発生システムと基本的な構成および動作は同様である。
3,22,23:オゾン発生装置、 30:放電電極部(放電電極)、
301:接地電極管、 304:高圧電極管、 305:放電空間、
4:制御部、 5:排オゾン処理部、 6:差圧計測部(検出部)、
7:冷却系統(温度調節装置)、 8:冷却器、 9:循環ポンプ、
10:バイパス配管、 13:温度調節器、 20:熱交換器、
16:硝酸濃度計測部(検出部)、 17:硝酸トラップ(硝酸除去部)、
25:検出部、 200:オゾン利用設備、 A1:投入電力、
A2:冷却水温度、 Di:検出値(オゾン発生パラメータ)、
d:空隙長(電極の間隔)、 P:ガス圧力(A3)。
Claims (10)
- 対向配置されて放電空間を形成する放電電極を有するオゾン発生装置と、
前記放電空間にオゾン発生のための原料ガスとして、酸素を含むガスを供給するガス供給装置と、
前記放電電極に放電のための電力を供給する電源装置と、
前記放電電極の温度を調節する温度調節装置と、
前記ガス供給装置と前記電源装置と前記温度調節装置とを制御して、前記オゾン発生装置の運転を制御する制御部と、
前記オゾン発生装置におけるオゾン発生パラメータを検出する検出部と、を備え、
前記制御部は、前記検出部から出力されたオゾン発生パラメータの値に基づき、通常の運転モードから、前記温度調節装置と前記ガス供給装置、または前記温度調節装置と前記電源装置とを連携制御し、前記放電電極の温度を五酸化二窒素が気化する温度まで上昇させて、前記放電空間でのオゾンの発生を継続した状態で前記放電電極表面および前記放電空間を清浄化する、清浄化運転モードへ移行するように前記オゾン発生装置の運転を制御することを特徴とするオゾン発生システム。 - 前記オゾン発生パラメータは、前記放電空間に供給される原料ガスの露点、前記原料ガスに同伴される積算水分量、前記オゾン発生装置で発生する差圧、前記オゾン発生装置の入口ガス圧力、前記オゾン発生装置の出口ガス圧力、前記原料ガスの流量、前記オゾン発生装置から出力されるオゾンガスのオゾン濃度、前記オゾンガスの流量、前記オゾンガスの発生量、オゾン発生効率、前記オゾンガスの硝酸濃度、前記オゾンガスのNOx濃度、および運転時間、の少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載のオゾン発生システム。
- 前記制御部は、前記放電空間に投入される投入電力密度、前記放電電極を流通する冷却水温度、および前記放電空間内のガス圧力を制御し、前記放電電極の温度を上昇させることを特徴とする請求項1または2に記載のオゾン発生システム。
- 前記制御部は、前記放電空間内のガス圧力よりも前記放電電極の温度に対応する五酸化二窒素の飽和蒸気圧の方が高くなるように、大気圧を超える所定圧力まで前記放電空間内のガス圧力を下げることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のオゾン発生システム。
- 前記放電空間内のガス圧力が、ゲージ圧で0.1MPa以上0.2MPa未満に設定されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載のオゾン発生システム。
- 前記検出部は、前記オゾン発生装置から供給されたオゾン化ガス中の硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測部またはNOx濃度を計測するNOx濃度計測部を含み、前記オゾン発生装置の下流に前記オゾン化ガス中の硝酸成分を取り除く硝酸除去部が設けられ、
前記制御部は、
前記硝酸濃度または前記NOx濃度の値が第1の規定値よりも高い場合に、前記清浄化運転モードに移行し、
前記硝酸濃度または前記NOx濃度の値が、前記第1の規定値よりも高い第2の規定値よりも高い場合に、前記オゾン化ガスの少なくとも一部を前記硝酸除去部に通すように制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のオゾン発生システム。 - 前記対向配置された放電電極の間隔が、0.2mm以上かつ0.6mm以下であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のオゾン発生システム。
- 前記温度調節装置は、前記放電電極から出た冷却水が冷却器を通って前記放電電極に戻るように構成された主配管と、前記放電電極から出た冷却水が前記冷却器を通らずに前記放電電極に戻るように構成されたバイパス配管とを有し、
前記バイパス配管に流す冷却水の比率を増加させることで、前記冷却器による前記冷却水からの吸熱量を減少させることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載のオゾン発生システム。 - 前記温度調節装置には、前記放電電極から出た冷却水を前記電源装置からの排熱で温める熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか一項に記載のオゾン発生システム。
- 対向配置されて放電空間を形成する放電電極を有するオゾン発生装置に、酸素を含むガスを供給して前記放電空間における放電を用いてオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記オゾン発生装置におけるオゾン発生パラメータを検出し、前記放電電極を冷却する冷却水の温度と前記ガスの圧力、または前記放電電極を冷却する冷却水の温度と前記放電電極への投入電力とを連携制御し、前記オゾン発生パラメータの値に基づき、前記放電電極の温度を五酸化二窒素が気化する温度まで上昇させて、前記放電空間でのオゾンの発生を継続した状態で、前記放電電極表面および前記放電空間を清浄化する、ことを特徴とするオゾン発生方法。
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