JP5725815B2 - 非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の処理システム - Google Patents

Description

本発明は、非平衡プラズマ燃焼により難分解性有機廃液を分解処理し、分解後の生成物として可燃ガスおよびフラーレン或いは炭素系高機能材料を生成し、当該可燃ガスを発電装置による発電に利用することのできる難分解性有機廃液の処理システムに関する。

変圧器等に使用される電気絶縁油は定期点検による交換によって廃油となる。当該廃油の処理は、近年の環境保全の観点から環境負荷の少ない物質に分解処理する必要がある。

廃油の処理方法としては、従来から、高周波誘導熱プラズマを利用した方法がその一例として知られている（特許文献１参照）。

特開平８−１３１７５７号公報

上記特許文献１記載の処理方法は、アルゴンガスを酸素や水蒸気および水素等の廃油分解に適した反応ガスに置換した後、高温のプラズマフレームに晒されて１０００〜２０００℃に加熱された加熱部材に廃油を供給することにより、瞬時に廃油を蒸発・分解し、酸素等との反応を促進する。そして、分解物質は、排気口から外部に廃棄される。

この処理方法によれば、廃油を処理するための酸素等の量は、廃油の分解処理に必要な最低限の量ですむため、排出ガス量を抑制できるといった効果を有する。

然るに、近年、環境保全に加え、資源の有効利用の観点から廃棄物を適正に処理した後、これを有効活用する社会的要請が高まりつつある。前記特許文献１記載の処理方法においては、排出ガスは無害なものであり環境保全の点からは優れているが、その一方で、廃油を分解処理し生成される生成物を直接有効活用することが、資源の有効利用の観点からより好ましい。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑みて、難分解性有機廃液を分解処理して生成される可燃ガスを直接発電に利用することのできる難分解性有機廃液の処理システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、減圧した反応管内に酸素を供給するとともに、反応管内にマイクロ波を照射して反応管内の酸素を電離して非平衡プラズマ燃焼場を生成し、この非平衡プラズマ燃焼場中にプローブを利用して前記酸素の当量反応に満たない量の難分解性有機廃液を投入することによって、難分解性有機廃液を可燃ガス及び炭素系高機能材料或いはフラーレンに改質する処理システムにおいて、前記プローブの外周部に別途酸素を供給して反応管内周面付近の酸素濃度を当量反応付近まで高めることにより、反応管内に煤が付着することを防止してマイクロ波の反応管内への透過率を向上させ、可燃ガス及び炭素系高機能材料或いはフラーレンの生成を促進することに特徴を有する。

請求項１記載の発明によれば、反応管内に供給する酸素量を難分解性有機廃液の当量反応付近に調節することにより、反応管内への煤の付着を防止して反応管内へのマイクロ波の透過率を向上しつつ、難分解性有機廃液を可燃ガス及び炭素系高機能材料或いはフラーレンへ高効率で改質することができる。

本発明に係る難分解性有機廃液の処理システムを示す全体構成図である。 前記難分解性有機廃液の処理システムを構成する処理装置における反応部を拡大して示す要部拡大縦断面図である。 本発明で用いる非平衡プラズマ燃焼の特徴であるフリーラジカルの増加量を通常の燃焼と比較した分光分析結果である。 本発明の非平衡プラズマ燃焼を用いた分解で発生する可燃ガスの組成と発生量を示したものである。

以下、本発明の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。図１は本発明に係る非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の処理システムＡを示している。

難分解性有機廃液の処理システムＡ（以下、単に処理システムという）は、マイクロ波発生装置１と、マイクロ波導波管２、難分解性有機廃液の投入部３、反応ガス供給部４、反応管５からなる難分解性有機廃液の処理装置Ｂと、難分解性有機廃液を分解処理した後の生成物を利用する生成物再利用ユニット７によって構成されている。

前記マイクロ波導波管２は、マイクロ波発生装置１から発振されたマイクロ波が反射してマイクロ波発生装置１内に入ることを防止するために、反射したマイクロ波を吸収するアイソレータ８と、マイクロ波の強度を調べるパワーモニタ９、マイクロ波を共振させ、プラズマの発生位置に焦点を合わせるスタブチューナ１０を備えて構成されている。１１は真空ポンプ６によって気圧調整される反応管５内の気圧を測定するための圧力計である。

前記生成物再利用ユニット７は、難分解性有機廃液を分解して生成される生成物を冷却する熱交換器１２と、真空ポンプ６が吸引,排出したガス利用して発電する発電装置１３から構成されている。

なお、１４は反応部Ｘ（図２参照）における反応状況を目視するための観察窓であり、反応部Ｘは、マイクロ波導波管２に対して反応管５が垂直に設置され、その上部は投入部３と反応ガス供給部４に接続され、下部は熱交換器１２に接続されている。

反応管５内には、上端を投入部３に接続した細管（以下、プローブという）１５の下端が、非平衡プラズマ燃焼場の位置上部に延出しており、当該プローブ１５の先端（下端）には、投入部３からプローブ１５を介して供給された難分解性廃液を霧状に噴霧するためのノズル（以下、噴霧ノズルという）１６が取り付けられている。

反応管５は、例えば、透明の石英管によって形成されており、図１に示すマイクロ波発生装置１から発振してプラズマ導波管２を通過したマイクロ波を反応管５内に通過させる。

次に、本発明に係る処理システムＡによる難分解性有機廃液の処理方法について説明する。図１に示す処理システムＡは、絶縁油等の難分解性の有機廃液を分解処理することができる。

絶縁油としては、例えば、柱上変圧器用の電気絶縁油が存在し、当該絶縁油は、炭素および水素から構成され、その他の元素は含まれない純粋な炭化水素である。

上記の絶縁油を分解処理するに当たっては、まず、図１に示す反応ガス供給部４から反応ガスとして酸素を供給するが、このときの酸素の供給量は、後述する当量反応に満たない量に設定する。供給された酸素は、反応管５内を図１に示す下方へ通過し、図２に示す反応部Ｘに供給される。

次に、真空ポンプ６および圧力計１１を用いて、反応管５内を所定圧力（例えば、４ｋＰａ）に減圧・固定し、この状態でマイクロ波発生装置１によって生成したマイクロ波を所定の出力（７００Ｗ等）で発振する。

マイクロ波発生装置１から出力されたマイクロ波は、マイクロ波導波管２、アイソレータ８を介してパワーモニタ９に伝播し、パワーモニタ９により入射電力が検出される。このとき、アイソレータ８は反射したマイクロ波を吸収することによって、マイクロ波発生装置１を保護する。反射したマイクロ波の電力はパワーモニタ９によって検出される。

導波管２内を通過したマイクロ波は、スタブチューナ１０によって共振され図２に示す反応管内でマイクロ波が最大量消費されるように、反応部Ｘに入射する。

反応部Ｘに入射したマイクロ波は、透明石英管等からなる反応管５を良好に透過する。このとき、反応管５内には、図１に示す反応ガス供給部４より反応ガスとして酸素が供給されており、この酸素は入射したマイクロ波によって電離してプラズマ化される。

このとき発生するプラズマは、反応管５内が一定圧に減圧（例えば、４ｋＰａ）されているので、グロー放電によって生じる。グロー放電は、コロナ放電と比較してより広範囲で安定した放電であり、アーク放電と比較して低エネルギーで生じさせることができる。

反応部Ｘにグロー放電プラズマを発生させたら、処理対象である絶縁油を液体の状態で投入部３から投入する。絶縁油は図１又は図２に示すプローブ１５から投入する。
絶縁油の投入量は、反応ガスとして供給される酸素量が当量反応に満たない量に設定する。

絶縁油は単純に液滴として投入すると反応面積が小さく反応効率が悪い。そこで、図２に示す下端（先端）に取り付けた噴霧ノズル１６から反応部Ｘに霧状に噴霧される。霧状にすることで反応面積が増加し、反応効率を向上させることができる。

このとき、絶縁油はプラズマ化している酸素と急激に反応し、非平衡プラズマ燃焼となる。非平衡プラズマ燃焼とは、通常の燃焼が熱平衡な化学反応で進行するのに対し、熱非平衡なプラズマ反応を有する燃焼方法である。

非平衡プラズマ燃焼の熱非平衡な化学反応の一例としてフリーラジカル、特にOHラジカルの増加がある。図3の分光分析結果に示すように、通常の燃焼と比較して非平衡プラズマ燃焼では多くのラジカルが検出され、特にOHラジカルについては10倍以上検出されている。

OHラジカルは極めて反応性の強いラジカルであり、難分解性廃棄物を分解するのに非常に有効である。

また、反応ガスとしての酸素が当量反応に満たない供給量であるので、通常の燃焼であっても可燃ガスを生成するが、非平衡プラズマ燃焼の場合は、図4に示すようにさらに多くの可燃ガスを生成可能である。なおかつ、難分解性有機廃液がより多くの可燃ガスに転換することで、タール等の副生成物の炭素化合物の合成を抑制することもできる。

前記生成ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、その他低分子炭化水素からなり、そのうち、水素、一酸化炭素、低分子炭化水素の可燃ガスの割合が全体の8割を占めている。

そして、生成された可燃ガスは、真空ポンプ６による吸引力により熱交換器１２で冷却された後、発電装置１３に排出される。発電装置１３としては、ガスエンジンやガスタービンが用いられ、真空ポンプ６から排出された可燃ガスを利用してガスエンジンで発電機を駆動し、又は、ガスタービンを回転させて発電することができる。つまり、廃液から再生可能エネルギーを生成することが可能になる。

加えて、反応管内のプローブ１５外周部に別途酸素を供給し、プローブ１５の周りは比較的酸素濃度が高い状態を形成することで、煤（炭素）が反応管５内に付着することにより、マイクロ波が当該反応管５を透過することの阻害となることを阻止することができる。

一方、前記可燃ガスの生成の他に、本発明では、炭素系高機能材料やフラーレンを生成することが可能となる。

炭素系高機能材料の生成は、マイクロ波の出力を高めること、或いは、所定の触媒を分解する廃液（絶縁油）に混入させることにより促進させることが可能となる。そして、生成した炭素系高機能材料やフラーレンは、未分解の絶縁油とともに反応管５下部より回収することができる。

以上の方法により、投入した絶縁油を非平衡プラズマ燃焼場で分解することによって、絶縁油等の難分解性有機廃液から発電用の可燃ガスと、炭素系高機能材料或いはフラーレンを生成することができる。なお、炭素系高機能材料としては、ダイヤモンドをはじめ、自動車やスポーツ用品等に利用され、今後は半導体としての利用が期待されるカーボンナノ材料、切削工具や自動車部品の表面加工に利用されるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、医薬品、化粧品、半導体材料に利用が検討されているフラーレン等が考えられる。また、フラーレンは、潤滑剤や太陽電池材料として利用可能である。

以上説明したように、本発明の難分解性有機廃液の処理システムは、絶縁油等の難分解性有機廃液を高効率で分解し、可燃ガスやフラーレン或いは炭素系高機能材料に改質することができ、生成した可燃ガスは、ガスエンジンやガスタービンを利用して発電に利用することができる。

また、マイクロ波を照射し廃液を分解処理することで、廃液の供給が不安定になっても反応が停止することがなく、安定した分解が可能である。

さらに、廃液を噴霧ノズルから霧状に噴霧することにより、廃油の反応面積が増大し、廃液を効率的に分解処理することが可能となる。

非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の分解処理に利用可能である。

１ マイクロ波発生装置
２ マイクロ波導波管
３ 投入部
４ 反応ガス供給部
５ 反応管
６ 真空ポンプ
７ 生成物再利用ユニット
８ アイソレータ
９ パワーモニタ
１０ スタブチューナ
１１ 圧力計
１２ 熱交換器
１３ 発電装置
１４ 観察窓
１５ 細管（プローブ）
１６ 噴霧ノズル
Ａ 難分解性有機廃液の処理システム
Ｂ 難分解性有機廃液の処理装置
Ｘ 反応部

Claims (1)

1. 減圧した反応管内に酸素を供給するとともに、該反応管内にマイクロ波を照射して当該反応管内の酸素を電離して非平衡プラズマ燃焼場を生成し、この非平衡プラズマ燃焼場中にプローブを利用して前記酸素の当量反応に満たない量の難分解性有機廃液を投入することによって、該難分解性有機廃液を可燃ガス及び炭素系高機能材料或いはフラーレンに改質する処理システムにおいて、前記プローブの外周部に別途酸素を供給して反応管内周面付近の酸素濃度を当量反応付近まで高めることにより、前記反応管内に煤が付着することを防止してマイクロ波の反応管内への透過率を向上させ、可燃ガス及び炭素系高機能材料或いはフラーレンの生成を促進することを特徴とする非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の処理システム。

Images