JPH1015336A - ガス処理装置とそれを用いた排ガス中の窒素酸化物の分解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一対の放電電極間に高周波電圧を印加して大気
圧グロー放電プラズマを発生させ、排ガス中の窒素酸化
物を高効率で分解するガス処理装置の提供。 【解決手段】放電容器内に設けた少なくとも一対の放電
電極間に高周波電圧の印加により発生する大気圧グロー
放電プラズマでガスを分解するガス処理装置において、
前記放電電極が表面に等間隔に多数の四角錐状の突起
３’を設けた第１電極と、該第１電極の突起面側に対向
し、かつ、対向面が誘電体で被覆されている第２電極と
を備え、前記第１電極と第２電極間に２０〜１００ｋＨ
ｚの高周波電圧を印加できる高周波電圧印加手段を有し
ているガス処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はディーゼルエンジ
ン、プラント用ボイラ、ガスタービンなどで発生した排
気ガスを、高効率で分解できるガス処理装置並びに排ガ
ス中の窒素酸化物の分解方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、自然環境の破壊は年々深刻化して
おりその中でも、特に、大気汚染を如何にして防ぐかが
課題になっている。

【０００３】大気汚染物質としては一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、炭素水素（ＣＨ）、窒素
酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等が知られて
おり、これらはディーゼルエンジン等の排気ガス中に多
く含まれている。こうした大気汚染物質の中でもＮＯｘ
は酸性雨の原因となり、光化学スモッグ発生の原因物質
として注目されている。特に、人体には咳、痰など呼吸
障害を引き起こすため、都市近郊部においてはＮＯｘの
処理技術が切望されている。

【０００４】そこで、このＮＯｘを除去するために、従
来から種々の処理方法が試みられている。

【０００５】従来の処理方法（１）には、放電プラズマ
＋添加ガスを用いた乾式無触媒脱硝方法がある。

【０００６】通常では起こりにくい化学反応を、放電プ
ラズマを用いることで極めて容易に起こすことができる
ため、こうしたＮＯｘ等の分解処理への応用が盛んにな
っている。なお、プラズマは外部電界により加速された
高エネルギー電子が、周りの原子，分子と衝突して、相
手をイオン化あるいは励起し、これらが共存した電離気
体である。

【０００７】上記の有害ガスは放電プラズマにより分解
され、無害なガスとして放出される。ガス処理の効率を
高めるために、アンモニアガスを処理対象ガスに添加し
てから放電プラズマ分解を行う方法が知られている（特
開平２−２４１５１９号公報）。

【０００８】これによれば、プラズマ反応容器の入口部
に設けられたアンモニア供給装置から、少量のアンモニ
アが処理対象ガスに添加され反応容器内に導入される。
このプラズマ反応器内では、放電プラズマにより下記の
化学反応が起こる。

【０００９】

【化１】 ＮＨ₃＋電子エネルギー → ＮＨ₂＋Ｈ …（１） ２ＮＯ₂＋電子エネルギー → ２ＮＯ＋Ｏ₂ …（２） ＮＨ₂＋ＮＯ → Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ …（３） 即ち、ＮＯｘガスは上記（１）〜（３）式に示す過程で
無害なガスに分解される。

【００１０】また、従来の他の処理方法（２）には、プ
ラズマ反応容器内の放電電極に高周波および低周波の合
成波を印加してガス処理を行う方法である（特開平４−
３６３１１５号公報)。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術（１）の
ガス処理方法では、実用化する上で次のような問題があ
った。

【００１２】 ガス処理の効率を上げるのに使用する
アンモニアガスの貯蔵、取扱いが難しい。

【００１３】 硝酸アンモニウム（ＮＨ₄ＮＯ₃）など
の固形物が発生し、これが放電電極の表面に付着して、
長時間の安定放電を維持することが困難で、ガスの処理
率が著しく低下する。

【００１４】また、前記従来技術（２）のガス処理方法
では、高周波および低周波の合成波を発生できる電源装
置が必要なため、設備のコストアップにつながり実用的
でない。更に、放電を安定化させるためには印加電圧を
ある程度高くする必要があり、これに伴い放電プラズマ
の温度が高くなって、一旦分解したＮＯｘが再成され易
い。

【００１５】本発明の目的は、アンモニア等の添加を全
く必要とせず、大気圧で安定したグロー放電を発生し、
かつ、低消費電力，低設備コストで、高ガス処理率が得
られるガス処理装置を提供することにある。

【００１６】また、本発明の他の目的は、上記装置を用
いた排ガス中の窒素酸化物の分解方法の提供にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００１８】放電容器内に設けた少なくとも一対の放電
電極間に高周波電圧の印加により発生する大気圧グロー
放電プラズマでガスを分解するガス処理装置において、
前記放電電極が表面に等間隔に多数の四角錐状の突起を
設けた第１電極と、該第１電極の突起面側に対向し、か
つ、対向面が誘電体で被覆されている第２電極とを備
え、前記第１電極と第２電極間に２０〜１００ｋＨｚの
高周波電圧を印加できる高周波電圧印加手段を有してい
るガス処理装置にある。

【００１９】また、前記第１電極が平面に四角錐状の突
起を有し、対向する前記第２電極が平板状である前記ガ
ス処理装置にある。

【００２０】また、前記第１電極が円筒状に形成され、
前記第２電極が第１電極と同心円状に対向配置されてい
る前記ガス処理装置にある。

【００２１】また、前記放電電極が多重に構成されてい
る前記ガス処理装置にある。

【００２２】更にまた、放電容器内に設けた少なくとも
一対の放電電極間に高周波電圧の印加して発生する大気
圧グロー放電プラズマによりで排ガス中の窒素酸化物の
分解方法において、前記放電電極が表面に等間隔に多数
の四角錐状の突起を設けた第１電極と、該第１電極の突
起面側に対向し、かつ、対向面が誘電体で被覆されてい
る第２電極とを備えた放電容器内に排ガスを流入し、前
記両電極間に２０〜１００ｋＨｚの高周波電圧を印加し
て窒素酸化物を分解することを特徴とする排ガス中の窒
素酸化物の分解方法にある。

【００２３】

【発明の実施の形態】

〔実施例 １〕図１は本実施例によるガス処理装置の構
成の一例を示す。ガス入口６とガス出口７を有する放電
客器１内には放電電極３，４が対向して設けられてい
る。

【００２４】第１電極３の対向面には、図２に示すよう
な高さが５〜１０ｍｍ程度、先鋭度は四角錐の勾配が約
３０度の四角錐状の突起３’がほぼ等間隔に設けられて
いる。なお、四角錐の勾配は３０〜４５度が好ましい。

【００２５】他方の第２電極４は、表面がガラス等の誘
電体５で均一に被覆されており、両電極３，４は高周波
電源２に接続されている。

【００２６】上記電極３，４間に高周波電圧を印加する
ことで、安定した広断面積グロー放電が形成される。な
お、印加電圧の周波数は２０〜１００ｋＨｚ、印加電圧
２〜４ｋＶが好ましく、その波形は正弦波でも矩形波で
もよいので、一般の安価な電源装置が用い得る。

【００２７】排ガス中のＮＯｘはプラズマ化されて下式
に示す化学反応を起こす。

【００２８】

【化２】 ２ＮＯ₂＋ｅ → Ｎ₂＋２Ｏ₂＋ｅ …（４） ２ＮＯ₂＋ｅ → ２ＮＯ＋２Ｏ＋ｅ …（５） ２ＮＯ＋ｅ → Ｎ₂＋Ｏ₂＋ｅ …（６） Ｎ₂Ｏ＋ｅ → ２Ｎ₂＋Ｏ₂＋ｅ …（７） また、処理ガスの分解率は次式（８）で与えられる。

【００２９】

【数１】 ガス分解率＝(放電処理前濃度−放電処理後濃度)／放電処理前濃度 …（８） まず、本発明の四角錐状電極と、従来の平板状電極の放
電開始電圧の試験結果を図３に示す。

【００３０】電極の形状を四角錐状にすることにより放
電開始電圧を、平板状電極の約２／５の２ｋＶ程度の低
電圧で放電プラズマを形成することができる。従って、
温度の低い放電プラズマを安定して発生できるので、Ｎ
Ｏｘの再生を防ぎ、高い分解率を維持することができ
る。

【００３１】また、ガスを効率よく分解する上で重要な
ことは、安定な放電を長時間維持することにある。こう
した点で、四角錐状の放電電極は安定な放電プラズマが
得られるので優れている。

【００３２】更にまた、ガスの分解効率上げるには、長
くプラズマ中に存在させる必要がある。換言すれば、プ
ラズマ中のガスの滞留時間が影響する。しかし、長く滞
在し過ぎるとガス温度が上昇し、ＮＯｘの再生が起こり
易くなるため、次式（９）で与えられるガスの滞在時間
を０.０２分程度に調整するのが望ましい。

【００３３】

【数２】 滞在時間（分）＝容積(ｍl)／流量（ｍl／分） …（９） 従つて、放電容器内の処理ガスの流れがスムーズであ
り、かつ、プラズマにもよく曝されることが重要であ
る。こうした点でも本発明の四角錐状の放電電極を備え
たガス処理装置は、上記両者を比較的よく満足するた
め、ガスの分解効率が高い。

【００３４】これについては、ＮＯｘ分解率を、従来の
針状電極との比較を行つた結果からも明らかである。

【００３５】なお、針状電極を有するガス処理装置とし
ては、本実施例の四角錐状の突起３’と同様な高さの針
状電極を有するものを作製し、図４の模式図に示すよう
な測定装置でＮＯｘの放電分解を行い比較した。

【００３６】ジーゼルエンジンで発生させたＮＯｘを含
むガスを５００ｍｌ／分で流しながら、放電電極間に２
０ｋＨｚのＡＣ電圧を印加し、印加電圧に対するＮＯｘ
の分解率（％）をＮＯｘ計（Ｂest Ｉnstruments社製，
ＮＯｘ Ａnalyzer ＢＣＬ５１１）で測定した結果を図
５に示す。

【００３７】図５から分かるように、針状電極を有する
ガス処理装置を用いた場合は、ＮＯｘを分解できる印加
電圧は低いがその範囲が狭いため、放電を長時間安定に
継続しにくい。特に、分解ガスの水分や濃度の変動に対
して、放電が安定して追随できにくいと云う問題があ
る。

【００３８】また、針状電極は電界の集中度が高い割に
はガス分解率がそれほど上がらないのは、針状電極の先
端部の放電エリア１４を通過するガスと、針状電極の根
本を通過するガスの混合が良くないためにガス温度が高
くなり、その結果、ＮＯｘの再生が起こるためと考え
る。

【００３９】上記に対し、本実施例の四角錐状電極にお
いては、放電開始電圧が針状電極に比べて高いが、ＮＯ
ｘを分解できる印加電圧の範囲が広く、放電を長時間安
定に継続することができる。これは、ガスの種類、濃
度、流速の変化に対応した分解電圧を選択できる幅が広
いことを示している。また、ガスの分解率が針状電極よ
りも高いのは、電極形状を四角錐状にしたことにより、
針の根本を通過するガスが四角錐に従って上昇し、混合
されるためと考える。

【００４０】一方、容器内でのガスの滞留時間が長いと
プラズマにより加熱され、ＮＯｘが再生する。これを解
決する手段の一つとして、処理ガスのプラズマ中に滞在
する時間を短くするため、放電エリア１４を容器内の一
部にのみ設けるよう構成してもよい。また、放電容器を
２段以上設けて、処理ガスが放電エリア１４外で一旦冷
却させるよう構成してもよい。これによってガス温度の
上昇が抑制され、ＮＯｘの再生を防止することができ
る。

【００４１】ガス分解率は、電極間に挿入する誘電体５
の比誘電率にも依存する。放電エリア１４と誘電体に加
わる電圧は、それぞれが持つ静電容量に反比例する。そ
のため、放電部へ大きな電圧を印加するには、誘電率が
５以上の誘電体、例えば、石英ガラス、アルミナ等を第
２電極上に被覆するのが望ましい。

【００４２】また、誘電体５は、グロー放電がアーク放
電に移行するのを防止する目的のために設けており、従
つて、材質的にも緻密なものであることが望ましい。

【００４３】なお、長期間の連続放電を行うと、電極表
面の酸化や分解副生物が電極や誘電体表面に堆積して、
放電形態またはガスの化学反応に影響を与えるので、電
極材料としては電子衝撃、ＮＯ₂、Ｏ₃などに強い材料、
例えば、真ちゅう等の金属が望ましい。

【００４４】図６は、本実施例の装置の電極間に５０ｋ
Ｈｚの高周波電圧を印加したときのＮＯｘ濃度の経時変
化を示すグラフである。放電開始と共にＮＯｘが分解さ
れてその濃度は急激に減少し、時間が経過してもその濃
度が上昇せず、ＮＯｘの再生が実質的にないことを示し
ている。

【００４５】〔実施例 ２〕図７は、本実施例のガス処
理装置の模式斜視図である。両端が開口した円筒型放電
容器８は、円筒状の外電極９と、外電極９の内側に設け
られた円筒状の内電極１２により構成され、外電極９お
よび内電極１２との間には円筒状の中間電極１０が同軸
に、所定の間隔で配置され設けられている。

【００４６】外電極９および内電極１２の、中間電極１
０面側の表面には、ガラス等の誘電率が高い誘電体１１
で被覆されている。

【００４７】また、中間電極１０の表面は、外電極９側
および内電極１２側の両面に四角錐状の突起が多数設け
られており、これらのピッチは先端の電界強度が均一に
なるように調整されている。

【００４８】上記外電極９および内電極１２は、高周波
電源５に接続されている。処理対象ガスは外電極９と中
間電極１０間、および、中間電極１０と内電極１２間に
流される。

【００４９】処理対象ガスを流しながら外電極９と中間
電極１０間、および、中間電極１０と内電極１２間に２
０ｋＨｚの高周波電圧を印加して大気圧グロー放電を発
生させ、グロー放電によりプラズマ化された処理対象ガ
スを効率よく分解することができる。

【００５０】プラズマ反応容器が２重円筒状に構成され
ているため、単位体積当たりの放電面積を大きくできる
ので、小型の放電容器で排ガスを高効率に処理すること
ができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明の四角錐形電極を備えた放電容器
を、ディーゼルエンジン等の排気系統に備えることによ
り、発生する排ガス中のＮＯｘ等を、触媒やアンモニア
を使用せずに、高効率で分解処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のガス処理装置の構成図である。

【図２】四角錐状突起を形成した第１電極の模式斜視図
である。

【図３】四角錐状電極および平板状電極の放電開始電圧
の気圧依存性を示すグラフである。

【図４】実施例１のＮＯｘ分解実験装置の構成図であ
る。

【図５】四角錐状電極および平板状電極の放電電圧とＮ
Ｏｘ分解率を示すグラフである。

【図６】実施例１において５０ｋＨｚの電圧印加時のＮ
Ｏｘ濃度の経時変化を示すグラフである。

【図７】実施例２のガス処理装置の模式斜視図である。

【符号の説明】

１…放電容器、２…高周波電源、３…第１電極、３’…
四角錐状電極、４…第２電極、５…誘電体、６…ガス入
口、７…ガス出口、８…放電容器（円筒型）、９…外電
極、１０…中間電極、１１…誘電体、１２…内電極、１
３…四角錐状電極、１４…放電エリア。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 和夫 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 株式会 社日立エンジニアリングサービス内 (72)発明者 石垣 幸雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電容器内に設けた少なくとも一対の放
   電電極間に高周波電圧の印加により発生する大気圧グロ
   ー放電プラズマでガスを分解するガス処理装置におい
   て、 前記放電電極が表面に等間隔に多数の四角錐状の突起を
   設けた第１電極と、該第１電極の突起面側に対向し、か
   つ、対向面が誘電体で被覆されている第２電極とを備
   え、前記第１電極と第２電極間に２０〜１００ｋＨｚの
   高周波電圧を印加できる高周波電圧印加手段を有してい
   ることを特徴とするガス処理装置。
2. 【請求項２】 前記第１電極が平面に四角錐状の突起を
   有し、対向する前記第２電極が平板状である請求項１に
   記載のガス処理装置。
3. 【請求項３】 前記第１電極が円筒状に形成され、前記
   第２電極が第１電極と同心円状に対向配置されている請
   求項１に記載のガス処理装置。
4. 【請求項４】 前記放電電極が多重に構成されている請
   求項１に記載のガス処理装置。
5. 【請求項５】 前記放電容器が２個以上連結して設けら
   れている請求項１に記載のガス処理装置。
6. 【請求項６】 放電容器内に設けた少なくとも一対の放
   電電極間に高周波電圧の印加して発生する大気圧グロー
   放電プラズマによりで排ガス中の窒素酸化物の分解方法
   において、 前記放電電極が表面に等間隔に多数の四角錐状の突起を
   設けた第１電極と、該第１電極の突起面側に対向し、か
   つ、対向面が誘電体で被覆されている第２電極とを備え
   た放電容器内に排ガスを流入し、前記両電極間に２０〜
   １００ｋＨｚの高周波電圧を印加して窒素酸化物を分解
   することを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の分解方
   法。
7. 【請求項７】 前記第１電極が平面に四角錐状の突起を
   有し、対向する前記第２電極が平板状である請求項６に
   記載の排ガス中の窒素酸化物の分解方法。
8. 【請求項８】 前記第１電極が円筒状に形成され、前記
   第２電極が第１電極と同心円状に対向配置されている請
   求項６に記載の排ガス中の窒素酸化物の分解方法。
9. 【請求項９】 前記放電電極が多重に構成されている請
   求項６に記載の排ガス中の窒素酸化物の分解方法。
10. 【請求項１０】 前記放電容器が２個以上連結して設け
    られている請求項６に記載の排ガス中の窒素酸化物の分
    解方法。