WO2005037412A1 - 排気ガス処理方法及び処理装置 - Google Patents

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WO2005037412A1
WO2005037412A1 PCT/JP2004/014737 JP2004014737W WO2005037412A1 WO 2005037412 A1 WO2005037412 A1 WO 2005037412A1 JP 2004014737 W JP2004014737 W JP 2004014737W WO 2005037412 A1 WO2005037412 A1 WO 2005037412A1
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exhaust gas
adsorbent
plasma
gas treatment
nitrogen
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PCT/JP2004/014737
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Masaaki Okubo
Toshiaki Yamamoto
Tomoyuki Kuroki
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Osaka Industrial Promotion Organization
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    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/28—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a plasma reactor
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas treatment method and a treatment device. More specifically, the present invention relates to an exhaust gas treatment method and a treatment apparatus capable of effectively treating components to be treated such as nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas by using non-thermal plasma.
  • NOx nitrogen oxides
  • Patent Document 1 A reduction method using water and an hybrid method (Patent Document 1 below) have been proposed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-117049
  • Patent Document 2 JP-A-11 114351
  • Patent Document 3 JP 2001-300257 A
  • a conventional exhaust gas treatment device is applied to a fixed combustion device such as a boiler or gas turbine or a mobile combustion device such as a diesel vehicle
  • the efficiency is relatively low, the cost is high, and a large amount of water is required.
  • the catalyst itself contains a noble metal, is relatively expensive, has a limited reserve, and has a relatively short life.
  • problems such as poisoning by sulfur in the fuel and a decrease in combustor performance due to an increase in back pressure due to clogging.
  • Patent Document 2 is intended to remove NOx or the like with a plasma containing oxygen (0).
  • the present invention enhances the activity by ionizing using nitrogen gas to form a plasma, effectively utilizing this property, and adsorbing the plasma containing nitrogen as a main component.
  • an exhaust gas processing method and a processing apparatus which combine desorption and nitrogen plasma processing and can effectively perform processing for removing components to be processed in exhaust gas containing oxygen.
  • the exhaust gas treatment method of the present invention comprises a step of adsorbing the component to be treated in the exhaust gas to the adsorbent, and then flowing a nitrogen gas having an oxygen concentration of 10 vol% or less and a purity of 90 vol% or more into the adsorbent.
  • An exhaust gas treatment method comprising the step of applying a non-thermal plasma to the adsorbent, wherein the component to be treated in the exhaust gas is adsorbed on the adsorbent, and then the nitrogen gas is passed through the adsorbent to discharge.
  • the method is characterized in that the generated non-thermal plasma of nitrogen gas is applied to an adsorbent to perform a desorption process of a component to be treated and a regeneration of the adsorbent.
  • the exhaust gas treatment apparatus of the present invention includes an adsorbing section for adsorbing a component to be treated in exhaust gas to an adsorbent, and a gas flow for flowing nitrogen gas having an oxygen concentration of 10 vol% or less and a purity of 90 vol% or more into the adsorbent.
  • An exhaust gas treatment device including a passage and a reactor for applying non-thermal plasma to the adsorbent, wherein the component to be treated in the exhaust gas is adsorbed by the adsorbent, and the nitrogen gas is adsorbed by the adsorbent. And means for generating a discharge to apply the non-thermal plasma of the nitrogen gas to the adsorbent to desorb the component to be treated and regenerate the adsorbent.
  • FIG. 1 is a schematic view schematically showing an embodiment of an exhaust gas treatment method by adsorption and desorption according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view schematically showing one embodiment of a plasma exhaust gas treatment method of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing one embodiment of an exhaust gas treatment device of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view schematically showing a state in which the exhaust gas and the nitrogen gas are switched in one embodiment of the exhaust gas processing apparatus of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of another embodiment of the exhaust gas treatment apparatus of the present invention, which is provided with a honeycomb adsorbent rotor.
  • FIG. 6 is a schematic view of an exhaust gas treatment apparatus according to another embodiment of the present invention provided with an exhaust gas circulation treatment apparatus.
  • FIG. 7 is an overall schematic configuration diagram for performing various measurements of an exhaust gas treatment device in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a circuit diagram of a power supply for plasma application in an example of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the concentration of NO and the elapsed time at the outlet of the adsorbent at the time of adsorption in the example of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the concentration of NO and NOx at the outlet of the adsorbent and the elapsed time during desorption of air plasma and nitrogen plasma in the example of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the NOx concentration and the elapsed time at the outlet of the reactor after performing plasma treatment after nitrogen plasma desorption in the example of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing an applied voltage applied to an air plasma generation electrode in an exhaust gas treatment apparatus, an electric current flowing at that time, and instantaneous electric power in an example of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing an applied voltage applied to a nitrogen plasma generation electrode in an exhaust gas treatment apparatus, an electric current flowing at that time, and instantaneous electric power in an example of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between SED and NOx removal rate when plasma processing is performed in an example of the present invention.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration and the NOx reduction amount, the oxygen concentration and the NO reduction amount, and the oxygen concentration and the NO increase amount when performing the plasma treatment in the example of the present invention.
  • components to be treated such as nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas are adsorbed (also referred to as absorption) by an adsorbent, and desorption (also referred to as desorption) of the components to be treated is carried out using nitrogen gas as a main component. It is performed quickly and efficiently by plasma.
  • NOx nitrogen oxides
  • the concentration of the component to be treated is increased, and at the same time, the exhaust gas treatment method for regenerating the adsorbent, and further, the nitrogen gas is further downstream of the method
  • an exhaust gas treatment method in which components to be treated such as nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas are efficiently removed by the plasma as the main component and discharged into the atmosphere, and By switching the adsorbent and circulating the exhaust gas, it is possible to provide a highly efficient and energy-saving exhaust gas processing method and apparatus.
  • the present invention provides the following method or apparatus to process exhaust gas with high efficiency and energy saving, thereby contributing to the preservation of the global environment.
  • non-thermal plasma used herein refers to plasma in an ionized state where the gas temperature is considerably lower than a normal gas combustion temperature (about 700 to 1000 ° C.). Refers to plasma below ° C. Particularly preferred conditions are a temperature: 100 ° C. or less, a pressure: about atmospheric pressure, a relative humidity: 60% or less, an applied voltage: 1 to 50 kV, and a peak current: 1 to 100 A.
  • the step of adsorbing the component to be treated in the gas to the adsorbent the step of flowing a nitrogen gas having an oxygen concentration of 10 vol% or less and a purity of 90 vol% or more into the adsorbent, A step of applying a plasma, wherein after the component to be treated in the gas is adsorbed on the adsorbent, the nitrogen gas is caused to flow through a flow path in which the adsorbent is present to generate a discharge, and the non-thermal plasma of the nitrogen gas is discharged to the adsorbent.
  • desorption also called desorption
  • regeneration of the adsorbent sometimes referred to as the first invention.
  • the method may further include a step of applying the plasma of the nitrogen gas to the desorbed component to be treated by a non-thermal plasma reactor disposed downstream or integrally, and removing the nitrogen gas plasma. May be called).
  • the adsorbent is preferably a zeolite having an average pore diameter of 0.1-5 nm.
  • the gas is a combustion exhaust gas, and the components to be treated are ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ O, SO, SO, SO,
  • At least one selected from volatile organic compounds (VOCs), environmental pollutants represented by dioxins, hydrocarbons, CO, CO and water vapor (H 0) is preferred.
  • VOCs volatile organic compounds
  • Nitrogen oxides (NO) such as, ⁇ , ⁇ 0 can be reduced to nitrogen gas (N).
  • sulfur such as SO 2, SO
  • Volatile organic such as yellow oxide (SO), hydrocarbon, CO, CO, toluene, benzene, xylene, etc.
  • Environmental pollutants such as compounds (VOCs), dioxins, halogenated aromatic substances, and highly condensed aromatic hydrocarbons can be decomposed or converted into harmless substances.
  • the nitrogen gas having an oxygen concentration of 10vol% or less and a purity of 90vol% or more is It can be part of the exhaust gas discharged from the system. In this case, the exhaust gas discharged from the diesel engine can be used effectively.
  • the plasma gas temperature of the nitrogen gas is preferably 1000K or less.
  • the lower limit of the temperature is of course possible especially at room temperature (27 ° C), and it can be carried out at –100 ° C or –200 ° C.
  • the step of applying the plasma includes a pulse discharge method using an AC or DC voltage, a silent discharge method, a corona discharge method, a creeping discharge method, a barrier discharge method, a honeycomb discharge method, a pellet packed layer discharge method, or a combination thereof. It is preferable to use.
  • the step of applying the plasma includes an arc discharge method using an AC or DC voltage, an inductive coupling discharge method, a capacitive coupling discharge method, a microwave excitation discharge method, a laser induced discharge method, an electron beam induced discharge method, It is preferable to use the particle beam induced discharge method or a combination thereof.
  • a catalyst is disposed in at least one of the inside of the adsorbent, the inside of the plasma reactor, and the downstream thereof.
  • a plurality of flow paths in which the adsorbent plasma reactor and the component-removing plasma reactor are arranged in series toward the gas inlet rocker outlet are prepared and arranged so that they can be switched.
  • Exhaust gas is introduced from upstream, and the components to be treated are adsorbed by the adsorbent.
  • the flow path is switched, and nitrogen gas with a purity of 90 vol% or more is flowed to the adsorbent after adsorption, desorbed and regenerated.
  • the adsorbent after desorption is newly used for adsorption of exhaust gas.
  • the released components to be treated such as NOx are concentrated and removed with a low energy using a component removal plasma reactor arranged downstream.
  • the switching method of the flow path is a valve switching method or a rotary rotor method.
  • the flow path at the time of the desorption and detoxification treatment of the component to be treated is preferably a gas circulation type (EGR). It is also possible to desorb adsorbed harmful components and re-introduce them into the combustor to make them harmless.
  • EGR gas circulation type
  • the exhaust gas treatment device itself further includes an exhaust device capable of changing the gas pressure to be equal to or lower than the atmospheric pressure to promote adsorption and desorption. Good.
  • the exhaust gas treatment apparatus itself further includes a device capable of heating or cooling exhaust gas or nitrogen gas to promote adsorption and desorption.
  • the exhaust gas treatment device itself further include a gas measuring device such as an oxygen concentration sensor in the exhaust gas.
  • the exhaust gas treatment device itself further includes a device for collecting aerosol and particulates in the exhaust gas.
  • the exhaust gas treatment apparatus itself further includes a humidity adjusting means for the exhaust gas or the nitrogen gas.
  • the device of the present invention can be installed and used in a combustion system such as a diesel engine, a boiler, a gas turbine, an incinerator, or the like.
  • the components to be treated such as NOx contained in the exhaust gas are absorbed by the adsorbent, and after the adsorption, the components to be treated are desorbed with high efficiency using a plasma containing nitrogen as a main component.
  • a method of regenerating and increasing the concentration of the components to be treated (first invention). Further downstream, the components to be treated in the exhaust gas are efficiently removed by a plasma containing nitrogen as the main component, and the air is removed.
  • the present invention relates to a device (third invention).
  • FIG. 1 shows an example of the first embodiment of the present invention, in which a reactor in which both ends of a quartz tube 1 are sealed with silicone rubber stoppers 2 and 3 is used.
  • the components to be treated are adsorbed and removed by the pellet-type adsorbent 5 installed in the reactor for a long time, and then discharged. After the adsorption, nitrogen gas was introduced, and the discharge wire 6 installed inside the reactor and the surrounding area outside the reactor A high-voltage pulse voltage is applied from a power supply 8 between the copper mesh electrodes 7 installed in the apparatus. As a result, plasma is generated, plasma is applied to the adsorbent, and desorption of exhaust gas in a short time and regeneration of the adsorbent are performed.
  • the treated gas b is discharged from the outlet 9.
  • the inner diameter of the quartz tube 1 of the reactor 1 was 20 mm, the outer diameter was 26 mm, the length of the quartz tube was 450 mm, and the length of the pellet and copper mesh electrode was 56 mm.
  • the adsorbent is not particularly limited as long as it can effectively absorb the component to be treated and can be desorbed.
  • Preferred examples thereof include zeolite, activated carbon, alumina, cordierite and polyester fiber having an average pore diameter of 1.0 to 5 mm. Can be mentioned.
  • the conductivity is as low as possible, and the higher the conductivity is, because a strong plasma can be generated.
  • the shape is preferably a pellet shape or a honeycomb shape in order to reduce the flow pressure loss.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a component removal plasma reactor for decomposing the component to be desorbed with nitrogen plasma.
  • An example of the second invention is constituted by the component-removing plasma reactor.
  • the same reference numerals as those in FIG. In FIG. 2, a high-voltage pulse voltage is applied to the desorbed gas containing the component to be processed that flows in from the upper left, between the discharge wire and the same mesh electrode to generate plasma, and the component to be processed is removed.
  • the component to be treated in the exhaust gas is nitric oxide (NO)
  • NO nitric oxide
  • the generated NO can be reduced to almost 100% N by the reaction of nitrogen radicals formed by nitrogen plasma and high-speed electrons.
  • the type of plasma generated by the component-removing plasma reactor is not particularly limited. However, for a hardly decomposable gas (such as CO), a high temperature of about 1000 ° C (heat, high temperature, thermal
  • the step of applying the plasma includes a pulse discharge method using an AC or DC voltage, a silent discharge method, a corona discharge method, a creeping discharge method, a barrier discharge method, a honeycomb discharge method, a pellet filling layer discharge method, and an arc discharge method.
  • Inductively coupled discharge, capacitively coupled discharge, microwave-excited discharge, laser-induced discharge An electric system, an electron beam induced discharge system, a particle beam induced discharge system, or a combination thereof can be used.
  • the adsorbent plasma reactor and the component-removing component plasma reactor used in the present invention are not limited to the structures shown in FIGS. 1 and 2, and are suitable for each type of plasma application. Various conceivable methods can be adopted.
  • a catalyst for activating the reduction may be disposed in at least one of the inside of the adsorbent plasma reactor, the inside of the component-removing plasma reactor, and the downstream thereof.
  • the catalyst is an auxiliary means for improving the performance of the treatment apparatus, and is not essential.
  • an exhaust gas treatment device based on the above exhaust gas treatment method is installed in a combustion system of a diesel engine, a boiler, a gas turbine, or an incinerator, a part of the output is generated by a generator. Instead of electric power, the plasma reactor can be driven.
  • FIG. 3 shows an example of the embodiment of the third invention.
  • the adsorbent plasma reactor 13 and the component-removing plasma reactor 14 based on the second invention prepare a plurality of flow paths arranged in series toward the exhaust port also for the gas inlet rocker and arrange them so that they can be switched.
  • Exhaust gas 11 is introduced from upstream, and the components to be treated such as NOx therein are adsorbed by the adsorbent in the adsorbent plasma reactor 13.
  • the present invention can be carried out only with the adsorbent plasma reactor 13, the use of the component-removing plasma reactor 14 improves the efficiency.
  • the flow paths are switched, and the exhaust gas 11 is treated with another adsorbent, while the nitrogen gas 12 having a purity of 90 vol% or more is passed through the adsorbent after the adsorption, and the plasma power is supplied.
  • Detach and play by switching ONZOFF of 15 The desorbed adsorbent will be newly used for exhaust gas adsorption.
  • the released components to be treated such as NOx are highly concentrated, are subjected to low-energy removal treatment using the component-removing plasma reactor 14 disposed downstream, and are exhausted as purified exhaust gas 16. With the above-described method, the exhaust gas 16 is always kept in a purified state.
  • the adsorbent plasma reactor and the component-removing plasma reactor may be combined.
  • the switching method of the flow path is a valve switching method or a diagram as shown in Figs. As shown in FIG. 5, a switching method using a rotary rotor 17 may be used. This facilitates the switching of the flow path.
  • FIG. 6 shows an example of an embodiment in which the flow path at the time of removing the component to be treated is a single gas circulation type.
  • Exhaust gas 21 is introduced from the upstream, and components to be treated such as NOx therein are adsorbed on one of the two adsorbents 23 by a three-way valve 28. After the adsorption, the flow path is switched by a three-way valve 28, and nitrogen gas 22 having a purity of 90 vol% or more is flown into the adsorbent 23 after adsorption using the valve 27, and the plasma power supply 25 is turned on to perform the adsorption. Desorb and regenerate the agent. The desorbed adsorbent 23 is newly used for exhaust gas adsorption.
  • the released components to be treated such as NOx are highly concentrated and temporarily stored in the gas tank 30. Thereafter, the outlet force of the component-removing plasma reactor 24 is also circulated to the inlet by the pump 29, and at the same time, the plasma is generated by turning on the power supply 25, and the component to be processed is removed by the 24 and finally purified. It is discharged as 26.
  • the exhaust gas 21 is introduced from the upstream and adsorbed by the adsorbent 23, and then the nitrogen gas 22 having a purity of 90 vol% or more is passed through the adsorbent 23, and the plasma power supply 25 is turned on to desorb the adsorbent.
  • the supply direction of the nitrogen gas 22 having a purity of 90 vol% or more may be the same direction (cocurrent) or the opposite direction (counterflow) as the supply direction of the exhaust gas 21. . If anything, countercurrent is preferred because the adsorbate is easily desorbed.
  • the exhaust gas treatment apparatus itself can be provided with an exhaust apparatus capable of changing the gas pressure to be equal to or lower than the atmospheric pressure to promote adsorption and desorption.
  • an apparatus capable of heating or cooling nitrogen gas to promote adsorption and desorption can be further provided.
  • the adsorbent plasma reactor In order to prevent clogging of the adsorbent and the component-removing plasma reactor, it is desirable to provide an aerosol or a fine particle filter in the processing apparatus. However, if the adsorbent plasma reactor has the performance due to the effects of electrostatic collection, filter, etc., it can also be used. [0058] Since the desorption and the plasma reaction depend on the humidity and the temperature, it is desirable to provide means for dehumidifying, heating and cooling exhaust gas or nitrogen gas in the processing apparatus. Its structure includes a general mist trap, heating by an electric heater, and air cooling by a blower.
  • the exhaust gas treatment device When the exhaust gas treatment device is installed in a combustion system such as a diesel engine, a boiler, a gas turbine, an incinerator, or the like, part of the output is converted to electric power by a generator and both plasma reactors are driven. can do.
  • a combustion system such as a diesel engine, a boiler, a gas turbine, an incinerator, or the like
  • the treatment of exhaust gas from a combustion device containing a large amount of oxygen at a low concentration is combined with adsorption, desorption, and non-thermal plasma treatment of nitrogen gas. It can be processed efficiently with a dry process without additional processing.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the experimental apparatus of this example.
  • Dry nitrogen gas (purity 99%, hereinafter referred to as nitrogen) 31 dry air (hereinafter referred to as air) 32, dry nitrogen dilution 2% NO gas (hereinafter referred to as NO) 33 are mixed, and three mass flow controllers 34 After adjusting the flow rate and the oxygen, nitrogen, and NO concentrations to the specified values, the mixed model exhaust gas was passed through the three-way valve 35a, and charged with unused zeolite adsorbent pellets (MS-13X, manufactured by Merck KGaA). It was poured into the adsorbent Plas Mariaactor 36 and adsorbed.
  • nitrogen dry nitrogen gas
  • air dry air
  • NO dry nitrogen dilution 2% NO gas
  • a voltage was applied to the adsorbent plasma reactor 36 from the pulsed high-voltage power supply 38 while flowing nitrogen or air to generate non-thermal plasma, and the adsorbed NO was desorbed. Further, the three three-way valves 35a, 35b, and 35c were opened and closed, and the desorbed NO was introduced into the downstream component-removing plasma reactor 37 to perform a purification process using plasma.
  • the outer shape of the adsorbent plasma reactor 36 is a quartz tube similar to that shown in FIG.
  • the length was 20 mm, the outer diameter was 26 mm, the total length of the quartz tube was 450 mm, and the length of the pellet and copper mesh electrode was 56 mm.
  • the external shape of the plasma reactor 37 for removing components to be treated was the same as that shown in Fig. 2, with an inner diameter of 20mm, an outer diameter of 26mm, a quartz tube length of 450mm, and a copper mesh electrode length of 260mm.
  • the plasma power supply 38 includes an IGBT pulse high-voltage power supply (manufactured by Masuda Laboratories, PPCP Pulsar
  • FIG. 8 shows the circuit diagram.
  • reference numeral 42 denotes a DC power supply, which can output up to 7 A at 200 V AC.
  • 43 is a gate drive circuit
  • 44 is a high voltage tank
  • CO is a capacitor. 1.
  • 5-1. 9kV voltage is switched by IGBT.
  • Reference numeral 45 denotes a pulse transformer, and its ratio is set to 1:20.
  • 46 is a magnetic pulse compression means.
  • Reference numeral 47 denotes a high voltage output, which is 9 Hz to lkHz and 35 kV.
  • the waveforms of the applied voltage, current, and instantaneous power to both plasmactors are measured with an oscilloscope (DL1740, manufactured by Yokogawa Electric Corporation), a high-voltage probe, and a current probe (SonyTektronix, P6015A and P6021), and the integrated power of the instantaneous power is measured. The power consumption was determined.
  • NOx may be newly generated even at a low temperature of about 100 ° C due to the reaction between oxygen and nitrogen in the gas.
  • the plasma reactor 37 for removing components to be treated used in the present example it has been previously confirmed that NOx is not discharged when NO is not adsorbed. That is, it was confirmed that NOx in Fig. 10 was generated by desorption.
  • FIG. 11 shows the results when NOx desorbed with nitrogen is treated in the downstream component-removing plasma reactor 37. With a power consumption of 36W, more than 95% removal is possible.
  • Figs. 12 and 13 show an adsorbent plasma reactor using air and nitrogen, respectively.
  • the waveforms of the applied voltage, current, and instantaneous power to 36 are shown.
  • the instantaneous power is displayed by multiplying V and I in the region where V> 0.
  • the waveforms are almost the same, and the integrated power of the instantaneous power is about 11 W, which is almost the same value.
  • FIG. 14 shows the experimental results of NOx reduction under various conditions using nitrogen plasma at 2.0 L / min.
  • P discharge power (W)
  • Q gas flow rate (L / min). It can be seen that NO can be 100% reduced to N at 250 J / L (power conversion 8.3 W) for 500 ppm concentration NO and about 500 J / L (power conversion 16.7 W) for 100 ppm NO.
  • FIG. 15 shows the result of examining the effect of the oxygen concentration on the plasma reaction.
  • the plasma power is 28 W, which is larger than the minimum power value calculated from Fig. 14.
  • the oxygen concentration was adjusted by mixing air and nitrogen. From Fig. 15, when the oxygen concentration is 0%, the power that can achieve almost 100% NO removal The NO removal amount decreases as the oxygen concentration increases, and NO or a small amount of HNO not shown in the figure , ⁇ 0, ⁇ ⁇ etc.
  • Ratio increases. When the oxygen concentration approaches 10% when the oxygen concentration is 6% or more, most of NO becomes NO etc.
  • the device of the present invention can be installed in a combustion system such as a diesel engine, a boiler, a gas turbine, an incinerator and the like.

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Abstract

　排気ガス中の被処理成分を吸着剤(5)に吸着させる工程と、その後、酸素濃度10vol%以下で純度90vol%以上の窒素ガスを前記吸着剤(5)に流入させる工程と、前記吸着剤(5)に非熱プラズマを印加する工程(6,7,8)を含む排気ガス処理方法であって、前記排気ガス中の被処理成分を吸着剤(5)に吸着後、前記窒素ガスを吸着剤(5)に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印加し、被処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生を行う。これにより、窒素ガスを用いて電離しプラズマ化することにより活性度を高め、この性質を有効に利用し、吸着、窒素を主成分とするプラズマ脱着と窒素プラズマ処理を組み合わせ、酸素を含む排気ガス中の被処理成分除去を有効に行う。

Description

明 細 書
排気ガス処理方法及び処理装置
技術分野
[0001] 本発明は、排気ガス処理方法及び処理装置に関する。さら〖こ詳しくは、非熱プラズ マを用いて排気ガスに含まれる窒素酸ィ匕物 (NOx)等の被処理成分を有効に処理でき る排気ガス処理方法及び処理装置に関する。
背景技術
[0002] 内燃機関、ボイラ、ガスタービン等の燃焼装置で発生した燃焼ガスを排気系を経由 して排出する際における排気ガスの規制強化に伴い、燃料の組成改善、あるいは排 気ガスの燃焼装置への再循環、燃焼自体の改善等の燃焼装置側の改良がなされる 一方で、上記燃焼装置力も排出される排気ガス中の有害成分あるいは被処理成分 を、乾式触媒処理装置を用いて除去処理することが行われて 、る。
[0003] 一方、排気ガス浄化、窒素酸化物 (NOx)処理方法の一つとして、電子温度が極端 に高ぐガス温度は低い、非熱プラズマを用いた研究が進められており、排気ガスを 非熱プラズマリアクタに流し、その中に含まれる窒素酸ィ匕物の大部分を占める一酸ィ匕 窒素 (NO)を、アンモニアガスと反応させて硝酸アンモ-ゥム微粒子に変換し、電気集 じん装置で回収する PPCP方式（PulseCoronalnducedPlasma Chemical Process , ルスコロナ励起プラズマ化学プロセス法)あるいは、アンモニアは使用せず、ほぼ完 全に二酸ィ匕窒素 (NO )に酸ィ匕し、別に設置された湿式化学プロセス装置で窒素 (N )と
2 2 水に還元するノ、イブリツド法（下記特許文献 1)が提案されている。
[0004] また、一般的に排気ガスの濃度は低い場合が多ぐプラズマによりこれを高効率に 処理するためには単位濃度、単位流量あたりのエネルギー投入量が極めて大きくな り、運転コストが高くなる。そのため、一度吸着剤に被処理成分を吸着させ、プラズマ により脱着し、濃縮する技術が提案されている（下記特許文献 2— 3)。
[0005] 特許文献 1：特開 2000— 117049号公報
特許文献 2：特開平 11 114351号公報
特許文献 3：特開 2001— 300257号公報 しかし、従来の排気ガス処理装置をボイラ、ガスタービン等の固定燃焼装置あるい はディーゼル自動車等移動燃焼装置に適用する場合、効率が比較的低い、コストが かかる、大量の水を必要とする、装置が大型化する等の理由から、特許文献 1に開示 されている湿式ではなぐできる限り乾式の処理装置を使用することが望ましい。
[0006] また乾式選択触媒還元 (SCR)法等の触媒による処理法にぉ 、ては、触媒自体には 貴金属を含み比較的高価で、埋蔵量も限られており、寿命も比較的短ぐ燃料中の 硫黄による被毒の問題や、目詰まりによる背圧上昇による燃焼器性能低下等の問題 があり、できればなくすことが望ましい。
[0007] また 、わゆるディーゼルエンジンにお 、ては、軽油を燃料とし、高圧縮による自己 着火が行われ、排気ガスには多量の酸素が含まれており、ガソリン自動車等用に利 用され広く使用されて ヽる三元触媒の使用が困難である。
[0008] また、 SCR法及び PPCP法等では触媒やプラズマと併用して、通常、アンモニア等 力 SNOx処理に使用される力 取り扱いが困難で、人体に有害であり、装置からの漏 れゃ未反応分のアンモニアガスが大気中に放出される危険性があり、使用しない方 法が望ましい。
[0009] さらには、 PPCP法においては、可燃性の硫酸アンモ-ゥムの微粒子が大量に発 生するので、ディーゼル自動車等移動燃焼装置に適用する場合、その回収処理イン フラの問題等制約が多い。
[0010] 一般に燃焼装置等力もの排気ガス中には、通常 2— 10%程度の体積濃度の酸素 が含まれている。このようなガスをプラズマリアクタに流し、プラズマを印加するだけで は、燃焼ガス中に含まれる NOが NOへ酸化されるだけで、 NOx ( = NO + NO )自
2 2 体はほとんど減少せず、公害の処理にはならない。発生した NOを除去するためには
2
、必ずハイブリッド法、 PPCP法等の付カ卩的な処理が必要となるという課題があった。
[0011] また前記特許文献 2の方法は、 NOx等を対象にして酸素（0 )を含むプラズマで脱
2
着を行おうとすると、脱着量が低く効率が低いという課題があった。また、脱着したガ スを処理する手段として、揮発性有機化合物 (VOCs)等の可燃性のガスの場合、引火 燃焼処理することが考えられるが、不燃性のガスの場合、その処理方法も確立されて いないという問題があった。 [0012] また前記特許文献 3の方法は、排気ガスをー且冷却し、排気ガスに含まれる有害ガ スを吸着剤に吸着しこれを排ガス中に発生させたプラズマにより直接分解するが、被 処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生処理がなされておらず、チッソプラズマを使 用していないため、処理効率は高くなぐ吸着剤の長期使用にも問題があった。 発明の開示
[0013] 本発明は、前記従来の問題を解決するため、窒素ガスを用いて電離しプラズマ化 することにより活性度を高め、この性質を有効に利用し、吸着、窒素を主成分とする プラズマ脱着と窒素プラズマ処理を組み合わせ、酸素を含む排気ガス中の被処理成 分除去処理を有効にできる排気ガス処理方法及び処理装置を提供する。
[0014] 本発明の排気ガス処理方法は、排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる 工程と、その後、酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスを前記吸着剤に 流入させる工程と、前記吸着剤に非熱プラズマを印加する工程を含む排気ガス処理 方法であって、前記排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着後、前記窒素ガスを 吸着剤に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印加し、被 処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生を行うことを特徴とする。
[0015] 本発明の排気ガス処理装置は、排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる 吸着部と、酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスを吸着剤に流入させる ガス流路と、前記吸着剤に非熱プラズマを印加するリアクタを含む排気ガス処理装置 であって、前記排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着し、前記窒素ガスを吸着剤 の存在する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印 加し、前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤を再生する手段を含むことを特徴とす る。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の吸着脱着による排気ガス処理方法の一実施形態を模式的に示す模 式図である。
[図 2]本発明のプラズマ排気ガス処理方法の一実施形態を模式的に示す模式図で ある。
[図 3]本発明の排気ガス処理装置の一実施形態を模式的に示す模式図である。 [図 4]本発明の排気ガス処理装置の一実施形態における排気ガスと窒素ガスが切り 替えられた状態を模式的に示す模式図である。
[図 5]本発明の排気ガス処理装置の別の実施形態におけるハ-カム吸着剤ロータを 備えた状態の模式図である。
[図 6]本発明の排気ガス処理装置の別の実施形態における排気ガス循環処理装置 を備えた状態の模式図である。
[図 7]本発明の実施例における排気ガス処理装置の各種測定を行うための全体概要 構成図である。
[図 8]本発明の実施例におけるプラズマ印加用電源の回路図の概要図である。
[図 9]本発明の実施例における吸着時の吸着剤出口での、 NOの濃度と経過時間の 関係を示すグラフである。
[図 10]本発明の実施例における空気プラズマ及び窒素プラズマ脱着時の、吸着剤 出口での、 NO及び NOxの濃度と経過時間の関係を示すグラフである。
[図 11]本発明の実施例における窒素プラズマ脱着後に、プラズマ処理を行い、リアク タの出口での、 NOxの濃度と経過時間の関係を示すグラフである。
[図 12]本発明の実施例における排気ガス処理装置内の空気プラズマ発生電極に掛 力る印加電圧と、その際に流れる電流及び瞬時電力を示したグラフである。
[図 13]本発明の実施例における排気ガス処理装置内の窒素プラズマ発生電極に掛 力る印加電圧と、その際に流れる電流及び瞬時電力を示したグラフである。
[図 14]本発明の実施例におけるプラズマ処理を行った際の、 SEDと NOxの除去率の 関係を示すグラフである。
[図 15]本発明の実施例におけるプラズマ処理を行った際の、酸素濃度と NOx減少量 、酸素濃度と NO減少量、酸素濃度と NO増加量の関係を示すグラフである。
2
発明を実施するための最良の形態
本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物 (NOx)等の被処理成分を吸着剤に吸着 (吸収とも言う）させ、被処理成分の脱着 (脱離とも言う）を、窒素ガスを主成分とする プラズマにより急速かつ高効率に行う。これにより被処理成分を高濃度化すると同時 に、吸着剤の再生を行う排気ガス処理方法、ならびにその下流でさらに、窒素ガスを 主成分とするプラズマにより、排気ガスに含まれる窒素酸ィ匕物 (NOx)等の被処理成分 を高効率に除去して大気中に排出する排気ガス処理方法、ならびに以上の技術を 利用し、吸着剤の切り替え、排気ガスの循環処理を行い、高効率、省エネルギーな 排気ガス処理方法と装置を提供できる。
[0018] 本発明は、以下の方法又は装置を提供することで、高効率かつ省エネルギーで排 気ガスを処理し、地球環境の保全に資するものである。
[0019] 本発明にお 、て用いる「非熱プラズマ」とは、ガス温度が通常の気体の燃焼温度（7 00— 1000°C程度）より相当低 、電離状態のプラズマを 、 、、通常 300°C以下のプ ラズマをいう。特に好ましい条件は、温度：100°C以下、圧力：大気圧程度、相対湿 度： 60%以下、印加電圧： 1一 50kV、ピーク電流 1一 100Aの範囲である。
[0020] 本発明では、ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる工程と、酸素濃度 10vol% 以下で純度 90vol%以上の窒素ガスを吸着剤に流入させる工程、及び前記吸着剤に 非熱プラズマを印加する工程を備え、ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着後、前記 窒素ガスを吸着剤の存在する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱ブラ ズマを吸着剤に印加し、被処理成分の脱着 (脱離ともいう）処理、吸着剤の再生を行 う（第 1の発明と呼ぶことがある）。
[0021] 前記処理後に、下流又は一体化して配置された、非熱プラズマリアクタにより前記 窒素ガスのプラズマを脱着した被処理成分に印加し除去する工程をさらに備えても 良 、（第 2の発明と呼ぶことがある）。
[0022] 前記吸着剤は、平均細孔直径 0.1— 5 nmのゼオライトであることが好ましい。
[0023] 前記ガスが燃焼排気ガスであり、その被処理成分が、 ΝΟ,ΝΟ ,Ν Ο,Ν O ,SO ,SO ,
2 2 2 5 2 3 揮発性有機化合物 (VOCs),ダイォキシン類に代表される環境汚染物質,炭化水素 ,CO,CO及び水蒸気（H 0)から選ばれる少なくとも一つが好ましい。例えば ΝΟ,ΝΟ
2 2 2
，Ν〇，Ν 0等の窒素酸化物 (NO )は窒素ガス (N )に還元できる。また、 SO ,SO等の硫
2 2 5 2 2 3 黄酸化物 (SO )、炭化水素, CO,CO、トルエン、ベンゼン、キシレン等の揮発性有機
2
化合物 (VOCs)や、ダイォキシン類、ハロゲン化芳香族物質、高縮合度芳香族炭化 水素等の環境汚染物質は、無害な物質に分解又は変換できる。
[0024] 前記酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスは、ディーゼルエンジンか ら排出される排ガスの一部とすることもできる。この場合は、ディーゼルエンジンから 排出される排ガスを有効利用できる。
[0025] 前記窒素ガスのプラズマガス温度が 1000K以下が好ましい。温度の下限値はとくに なぐ室温（27°C)はもちろん可能で、— 100°Cでも— 200°Cでも実施可能である。
[0026] 前記プラズマを印加する工程は、交流又は直流電圧によるパルス放電方式、無声 放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バリア放電方式、ハニカム放電方式、 ペレット充填層放電方式、又はこれらの結合を用いるのが好まし 、。
[0027] 前記プラズマを印加する工程は、交流又は直流電圧によるアーク放電方式、誘導 結合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放 電方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合を用いるの が好ましい。
[0028] 前記吸着剤内部、又はプラズマリアクタ内部、又はその下流のうち、少なくとも一個 所に、触媒が配置されているのが好ましい。
[0029] 本発明の装置は、吸着剤プラズマリアクタ及び被処理成分除去プラズマリアクタが ガス流入ロカ 排気口に向かい直列に配置された流路を複数準備し、切り替えでき るように配置する。排気ガスを上流より導入し、その中の被処理成分を吸着剤に吸着 させる。その後、流路の切り替えを行い、純度 90vol%以上の窒素ガスを吸着後の吸着 剤に流し、脱着、再生させる。脱着後の吸着剤は新たに排気ガスの吸着に利用する 。放出された NOx等の被処理成分は高濃度化され、下流に配置された被処理成分 除去プラズマリアクタを用いて低 、エネルギーで除去処理される。以上の性能をもつ 乾式の排気ガス処理装置 (第 3の発明と呼ぶことがある）である。
[0030] 前記流路の切り替え方式が、弁切り替え方式又は回転式ロータ方式であることが好 ましい。
[0031] 前記被処理成分の脱着、無害化処理時の流路が、ガス循環式 (EGR)であることが 好ましい。吸着された有害成分を脱着させ、再度燃焼器内に導入し、無害化すること も可能である。
[0032] 前記排気ガス処理装置自体に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは以上に 変化させて、吸着及び脱着を促進することのできる排気装置をさらに備えたことが好 ましい。
[0033] 前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス又は窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着 及び脱着を促進することのできる装置をさらに備えたことが好ましい。
[0034] 前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス中の酸素濃度センサ等のガス計測装置 をさらに備えたことが好ましい。
[0035] 前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス中のエアロゾル及び微粒子捕集装置をさ らに備えたことが好ましい。
[0036] 前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス又は窒素ガスの湿度調整手段をさらに備 えたことが好ましい。
[0037] 本発明の装置は、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃焼シス テムの中に設置して使用できる。
[0038] 本発明方法及び装置にお!ヽては、非熱プラズマを吸着剤に印加し、被処理成分の 脱着処理した後、下流で窒素プラズマによる被処理成分の除去を行うのが好ま 、。
[0039] 以下、図面を参照して、本発明の排気ガス処理装置の実施形態について詳細に説 明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなぐ本発明の範囲を逸 脱しない限りにおいて、発明者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え 得るものである。
[0040] 本発明では、排気ガスに含まれる NOx等の被処理成分を吸着剤に吸収させ、吸着 後、被処理成分の脱着を窒素を主成分とするプラズマにより高効率に行い、吸着剤 の再生を行い、被処理成分を高濃度化する方法 (第 1の発明）、さらにその下流で、 窒素を主成分とするプラズマにより排気ガス中の被処理成分を高効率に除去して大 気中に排出する排気ガス浄化方法 (第 2の発明）、及び、以上の技術を応用し、吸着 剤の切り替え、排気ガスの再循環を行うことで排気ガス処理を高効率、省エネルギー に行う排気ガス処理装置 (第 3の発明）に関する。
[0041] 図 1は第 1の発明の実施形態の一例で、石英管 1の両端部をシリコンゴム栓 2, 3で 封止した反応器を用い、左上の供給口 4より流入した排気ガス a中の被処理成分を、 反応器の内部に設置したペレット状吸着剤 5に長時間吸着除去させ、排出する。吸 着後、窒素ガスを流入させ、反応器の内部に設置した放電線 6と反応器の外側周囲 に設置した銅網電極 7間に電源 8から高電圧パルス電圧を印加する。これによりブラ ズマを発生させ、吸着剤にプラズマを印加し、排気ガスの短時間脱着及び吸着剤の 再生を行う。処理されたガス bは排出口 9より排出される。反応器の石英管 1の内直径 20mm,外直径 26mm、石英管全長 450mm、ペレット及び銅網電極の長さは 56mmであ つた o
[0042] 吸着剤は被処理成分を有効に吸収し、脱着可能であれば種類を問わな 、が、平均 細孔直径 1.0— 5應のゼオライト、活性炭、アルミナ、コージエライト、ポリエステル繊維 を好適例として挙げることができる。また、導電性はできるだけ低いことが望ましぐ誘 電率は高い方が強力なプラズマが発生できるため好ましい。また形状は、ペレット状 もしくは流動圧力損失を少なくするためにハ-カム状のものであることが好ま 、。
[0043] 図 2は脱着させた被処理成分を窒素プラズマで分解するための被処理成分除去プ ラズマリアクタの模式図であり、図 1の吸着剤プラズマリアクタ及びその下流に位置す る図 2の被処理成分除去プラズマリアクタにより、第 2の発明の一例が構成される。図 1と同一の符号は同一物を示すので説明を省略する。図 2では左上より流入した被処 理成分を含む脱着ガスを、放電線と同網電極間に高電圧パルス電圧を印加し、ブラ ズマを発生させ、被処理成分の除去処理を行う。排気ガス中の被処理成分が一酸化 窒素 (NO)である場合には、窒素プラズマにより形成された窒素ラジカルと高速電子 による反応により、発生する NOをほぼ 100%Nまで還元できる。
2
[0044] 本発明では前記排気ガスの主な被処理成分力 NO, NO ，N 0,SO ,SO ，CO，C〇
2 2 2 3 2
，V〇Cs，HC，H Oのいずれかであること主に想定している力 他のガス成分に対しても
2
有効である。
[0045] 前記被処理成分除去プラズマリアクタで発生させるプラズマの種類は特に限定され ないが、難分解性のガス (CO等）に関しては 1000°C程度の高温 (熱、高温、サーマ
2
ル)非平衡プラズマを使用するのが有効である。これ以上のガス温度ではエネルギー 効率の低下は避けられない。その他、前記プラズマを印加する工程は、交流又は直 流電圧によるパルス放電方式、無声放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バ リア放電方式、ハニカム放電方式、ペレット充填層放電方式、アーク放電方式、誘導 結合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放 電方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合方式が使 用できる。
[0046] なお、本発明で使用される吸着剤プラズマリアクタ及び被処理成分除去プラズマリ ァクタは、図 1、図 2の構造に限定されるものではなぐプラズマを印加する各方式に 従って、それに適した、考え得る種々の方式を採用することができる。
[0047] 前記吸着剤プラズマリアクタ内部、又は被処理成分除去プラズマリアクタ内部、又 はその下流のうち、少なくとも一個所に、還元を活性化するため触媒を配置することも できる。なお、触媒は、本処理装置の性能を向上させる補助的な手段であり、不可欠 なものではない。
[0048] 以上の排気ガス処理方法にもとづく排気ガス処理装置をディーゼルエンジン、ボイ ラ、ガスタービン、焼却炉のいずれかの燃焼システム中に設置する場合には、出力の 一部を発電機により、電力に変え、プラズマリアクタを駆動することができる。
[0049] 図 3は第 3の発明の実施形態の一例である。第 2の発明に基づぐ吸着剤プラズマ リアクタ 13及び被処理成分除去プラズマリアクタ 14がガス流入ロカも排気口に向か い直列に配置された流路を複数準備し、切り替えできるように配置する。排気ガス 11 を上流より導入し、その中の NOx等の被処理成分を吸着剤プラズマリアクタ 13内の 吸着剤に吸着させる。なお、本発明では吸着剤プラズマリアクタ 13のみでも実施でき るが、被処理成分除去プラズマリアクタ 14を用いるとさらに効率が良くなる。
[0050] その後、図 4に示すように流路の切り替えを行い、排気ガス 11を別の吸着剤で処理 する一方、純度 90vol%以上の窒素ガス 12を吸着後の吸着剤に流し、プラズマ電源 1 5の ONZOFFを切り替えることで脱着、再生させる。脱着後の吸着剤は新たに排気 ガスの吸着に利用する。放出された NOx等の被処理成分は高濃度化され、下流に配 置された被処理成分除去プラズマリアクタ 14を用いて低 、エネルギーで除去処理さ れ、浄化排気ガス 16として排気される。以上の方式により、排気ガス 16は常に浄ィ匕さ れた状態に保たれる。
[0051] なお、吸着剤プラズマリアクタと被処理成分除去プラズマリアクター体ィ匕されていて も良い。
[0052] 前記流路の切り替え方式は、図 3、図 4に示したような、弁切り替え方式あるいは図 5に示すような、回転式ロータ 17を用いた切り替え方式でも良い。これにより流路切り 替えが容易になる。
[0053] 図 6は被処理成分除去時の流路が、単一のガス循環式であるような実施形態の一 例である。排気ガス 21を上流より導入し、その中の NOx等の被処理成分を三方向弁 28で 2個の吸着剤 23のいずれかに吸着させる。吸着後、三方向弁 28で流路の切り 替えを行い、純度 90vol%以上の窒素ガス 22をバルブ 27を用いて、吸着後の吸着剤 23に流し、プラズマ電源 25を ONすることで、吸着剤を脱着、再生させる。脱着後の 吸着剤 23は新たに排気ガスの吸着に利用する。放出された NOx等の被処理成分は 高濃度化され、一時的にガスタンク 30に蓄えられる。その後、ポンプ 29により被処理 成分除去プラズマリアクタ 24の出口力も入り口へと循環し、同時に電源 25を ONする ことによってプラズマが発生し、被処理成分が 24により除去処理され、最終的に浄化 排気ガス 26となって排出される。前記において、排気ガス 21を上流より導入し、吸着 剤 23に吸着させ、その後、純度 90vol%以上の窒素ガス 22を吸着剤 23に流し、プラズ マ電源 25を ONすることで、吸着剤を脱着、再生させるが、純度 90vol%以上の窒素ガ ス 22の供給方向は、排気ガス 21の供給方向と同一方向（並流)であっても良いし、 反対方向（向流)であっても良い。どちらかというと向流のほうが吸着物を脱離しやす く好ましい。
[0054] なお、排気ガス処理装置自体に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは以上 に変化させて、吸着及び脱着を促進することのできる排気装置を備えることができる
[0055] また、窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着及び脱着を促進することのできる装置を さらに備えることができる。
[0056] プラズマ処理は排気ガス中の酸素濃度等に敏感に依存するので、排気ガス流路中 に、酸素濃度センサ等のガス濃度を制御するためのセンサを備えることが望まし 、。 その計測結果によりプラズマを制御する。
[0057] 吸着剤、被処理成分除去プラズマリアクタの目づまりを防ぐため、エアロゾル又は微 粒子フィルタ等を、処理装置内に備えることが望ましい。ただし静電捕集、フィルタ等 の効果により吸着剤プラズマリアクタがその性能を持つ場合は兼用することもできる。 [0058] 脱着、プラズマ反応は湿度、温度に依存するので、排気ガス又は窒素ガスの除湿、 加熱及び冷却手段を処理装置内に備えることが望ましい。その構造として一般的なミ ストトラップや、電気ヒータによる加熱、ブロアによる空気冷却があげられる。
[0059] 本排気ガス処理装置をディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃 焼システム中に設置する場合には、出力の一部を発電機により、電力に変え、両プラ ズマリアクタを駆動することができる。
[0060] 以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定 されるものではない。
[0061] 本発明により、低濃度で酸素を多量に含む燃焼装置からの排気ガス処理を吸着、 脱着、窒素ガスの非熱プラズマ処理を組み合わせることにより、簡単な装置で原則と して触媒や、付加的な処理を行わず乾式で高効率に処理できる。
実施例
[0062] 本実施例の実験装置の概略図を図 7に示す。乾燥窒素ガス (純度 99%、以下窒素 と呼ぶ） 31、乾燥空気（以下空気と呼ぶ） 32、乾燥窒素希釈 2%NOガス（以下 NOと 呼ぶ） 33を混合して、 3台のマスフローコントローラ 34で所定の流量及び酸素、窒素 、 NO濃度に調整し、混合したモデル排気ガスを、三方向弁 35aを通過させ、未使用 のゼオライト吸着剤ペレット（MS-13X、 Merck KGaA社製）を充填した吸着剤プラズ マリアクタ 36内に流し込み、吸着させた。その後、窒素又は空気を流しながら吸着剤 プラズマリアクタ 36にパルス高電圧電源 38により電圧を印加して、非熱プラズマを発 生させ、吸着した NOを脱着させた。また、 3個の 3方向弁 35a, 35b, 35cを開閉して 、下流の被処理成分除去プラズマリアクタ 37に脱着した NOを導入し、プラズマによる 浄化処理を行った。
[0063] 吸着剤プラズマリアクタ 36の外形は図 1に示したものと同様な石英管で、内直径
20mm,外直径 26mm、石英管全長 450mm、ペレット及び銅網電極の長さは 56mmであ つた。また被処理成分除去プラズマリアクタ 37の外形は図 2に示したものと同様な石 英管で、内直径 20mm、外直径 26mm、石英管全長 450mm、銅網電極の長さは 260mm であった。
[0064] ΝΟ,ΝΟ ,ΝΟχ,Οの濃度は、ガス分析器 (堀場製作所製、 PG-235) 39を用いて測定 した。処理後のガスは排気路 40から排気した。 41はオシロスコープ及び電流電圧プ ローブである。
[0065] プラズマ電源 38には IGBTパルス高電圧電源（増田研究所製、 PPCP Pulsar
SMC(30/1000)を使用した。図 8にその回路図を示す。図 8において、 42は直流電源 であり、 AC200V、最大 7Aまでの出力が可能である。 43はゲート駆動回路、 44は 高電圧タンクであり、 COはコンデンサである。 IGBTにより 1. 5-1. 9kVの電圧がス イッチングされる。 45はパルストランスであり、その比率は 1 : 20とした。 46は磁気パ ルス圧縮手段である。 47は高電圧出力であり、 9Hz— lkHz、 35kVとした。両プラズ マリアクタへの印加電圧、電流、瞬時電力の波形をオシロスコープ (横河電機社製 DL1740)と高電圧プローブ、電流プローブ（SonyTektronix社製、 P6015A及び P6021 )で測定し、瞬時電力の積分値力 消費電力を求めた。
[0066] 吸着プロセスでは、空気と NOを混合して 500ppmに調整したガスを流量 2.0L/minで 120分間、吸着剤プラズマリアクタ 36内の MS-13Xに吸着させた。 NOの排気濃度を図 9に示す。 120分に渡って 80%以上吸着が続いた。
[0067] 吸着後、被処理成分除去プラズマリアクタ 37による脱着プロセスでは、空気
2.0L/min又は窒素 2.0L/minのプラズマを流して行った。パルス高電圧の周波数は 420Hz,ピーク電圧を 31— 33kVである。図 10に結果を示す。脱着した NOの一部は酸 化されており NOになっているため、図 10では NOx ( = NO + NOで定義する）の濃度
2 2
も併記した。図 10から窒素プラズマを用いた方が、空気プラズマを流した場合と比べ て、より高濃度で大量に脱着していることが分力る。
[0068] なお、被処理成分除去プラズママリアクタ 37の種類によっては、ガス中の酸素と窒 素の反応により、 100°C程度の低温でも、 NOxが新たに発生する場合もあることが知 られている力 本実施例で使用した被処理成分除去プラズマリアクタ 37では、 NOの 吸着を行わない場合には、 NOxの排出は起こらないことを、あら力じめ確認している 。すなわち、図 10の NOxは脱着により発生したものと確認した。
[0069] 図 11に窒素で脱着した NOxを下流の被処理成分除去プラズマリアクタ 37で処理し た場合の結果を示す。消費電力 36Wで、 95%以上の除去が可能である。
[0070] 図 12及び図 13にそれぞれ、空気及び窒素を用いた場合の吸着剤プラズマリアクタ 36への印加電圧、電流、瞬時電力の波形を示す。瞬時電力は、 V>0となる領域で Vと Iをかけ合わせて表示した。両図ともほぼ同様の波形を示し、瞬時電力の積分値 力も求めた消費電力は 11W程度であり、ほぼ同じ値であった。
[0071] 以上の結果から、同じ電力で大量の脱着が可能な、窒素プラズマの有効性が確か められた。
[0072] 図 14は窒素プラズマ 2.0L/minによる種々の条件での NOx還元の実験結果である。
電圧、周波数、メッシュの長さを変えて、エネルギー密度比 SEDと除去可能な最大の NOxの濃度を計測した。ここで SEDとは単位処理ガス体積あたりの投入エネルギーで あり、 SED=60P/Q(J/L)で定義される。ここで、 P:放電電力 (W)、 Q:ガス流量 (L/min)で ある。図力 500ppm濃度の NOなら 250J/L (電力換算 8.3W)で、 lOOOppm濃度の NO なら約 500J/L (電力換算 16.7W)で、 NOを Nに 100%還元できることがわかる。
2
[0073] 図 15は酸素濃度がプラズマ反応に与える影響を調べた結果である。実験条件は、 電源の周波数 420Hz、 V=30kV、 Q=2.0L/min、 NO初期濃度 500ppmである。プラズマ 電力は図 14から計算される最小の電力値より大きい 28Wを投入している。空気と窒 素を混合することで酸素濃度を調節した。図 15より、酸素濃度が 0%の時には、ほぼ 100%の NO除去が達成できている力 酸素濃度が増加するにつれて NO除去量は 低下し、 NOあるいは、図には示していないが少量の HNO ,Ν 0 ,Ν Ο等に変換され
2 3 2 5 2
る割合が大きくなる。酸素濃度が 6%以上で 10%に近づくと NOの大部分は NO等に
2 変換され、実質的な公害の処理はほとんど行われて 、な 、。
[0074] 以上から、酸素を少なくても 10%含むガス、あるいは純度 90%以下の窒素ガスで は、 NOxの 100%に近い除去はプラズマのみでは困難なことがわかる。この結果か ら、酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスとして、ディーゼルエンジンか ら排出される排ガスの一部を適用することができる。この場合は、ディーゼルエンジン カゝら排出される排ガスを有効利用できる。
[0075] そもそも実際の燃焼ガスを窒素プラズマ (非酸素プラズマ)で直接処理することは、 その中に数％程度の酸素がもともと含まれて 、る場合が多 、ので、以上の結果から 困難である。被処理成分を一度吸着させて、窒素で脱着、処理する本発明の優位性 はこの点にある。 産業上の利用可能性
本発明の装置は、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃焼シス テム中に設置することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる工程と、
その後、酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスを前記吸着剤に流入さ せる工程と、
前記吸着剤に非熱プラズマを印加する工程を含む排気ガス処理方法であって、 前記排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着後、前記窒素ガスを吸着剤に流し、 放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印加し、被処理成分の脱 着処理及び吸着剤の再生を行うことを特徴とする排気ガス処理方法。
[2] 請求項 1の処理後に、下流又は一体ィ匕して配置された、非熱プラズマリアクタにより 前記窒素ガスのプラズマを脱着した被処理成分に印加し除去する工程をさらに備え た請求項 1に記載の排気ガス処理方法。
[3] 前記吸着剤が、平均細孔直径 0.1— 5應のゼオライトである請求項 1に記載の排気ガ ス処理方法。
[4] 前記排気ガスが燃焼排気ガスであり、その被処理成分が、 ΝΟ,ΝΟ ,Ν Ο,Ν O ,SO
2 2 2 5 2
,SO，揮発性有機化合物 (VOCs),ダイォキシン類に代表される環境汚染物質,炭化水
3
素, CO,CO及び水蒸気 (H 0)から選ばれる少なくとも一つである請求項 1に記載の
2 2
排気ガス処理方法。
[5] 前記酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスが、ディーゼルエンジンから 排出されるガスの一部である請求項 1に記載の排気ガス処理方法。
[6] 前記窒素ガスプラズマガス温度が 1000K以下である請求項 1に記載の排気ガス処理 方法。
[7] 前記プラズマを印加する工程が、交流又は直流電圧によるパルス放電方式、無声放 電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バリア放電方式、ハニカム放電方式、ペレ ット充填層放電方式、又はこれらの結合を用いた請求項 1に記載の排気ガス処理方 法。
[8] 前記プラズマを印加する工程が、交流又は直流電圧によるアーク放電方式、誘導結 合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放電 方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合を用いた請 求項 1に記載の排気ガス処理方法。
[9] 前記吸着剤内部、又はプラズマリアクタ内部、又はその下流のうち、少なくとも一個所 に、触媒が配置されている請求項 1又は 3に記載の排気ガス処理方法。
[10] 排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる吸着部と、
酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスを吸着剤に流入させるガス流路 と、
前記吸着剤に非熱プラズマを印加するリアクタを含む排気ガス処理装置であって、 前記排気ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着し、前記窒素ガスを吸着剤の存在 する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印加し、 前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤を再生する手段を含むことを特徴とする排 気ガス処理装置。
[11] 前記排気ガス処理装置が、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉の!/ヽ ずれかの燃焼システム中に設置されて 、る請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[12] 吸着剤にプラズマを印加するリアクタと、被処理成分除去のためのプラズマリアクタが
、ガス流入ロカ 排気口に向かい直列に配置された流路を複数準備し、切り替えで きるように配置した請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[13] 前記流路の切り替え方式が、弁切り替え方式又は回転式ロータ方式である請求項 1
2に記載の排気ガス処理装置。
[14] 前記被処理成分の脱着、無害化処理時の流路が、ガス循環式である請求項 10に記 載の排気ガス処理装置。
[15] 前記排気ガス処理装置に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは大気圧以上 に変化させて、吸着及び脱着を促進する排気装置をさらに備えた請求項 10に記載 の排気ガス処理装置。
[16] 前記排気ガス処理装置に、排気ガス又は窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着及び 脱着を促進する装置をさらに備えた請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[17] 前記排気ガス処理装置に、排気ガス中の酸素濃度センサを含むガス計測装置をさら に備えた請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[18] 前記排気ガス処理装置に、排気ガス中のエアロゾル及び微粒子捕集装置をさらに備 えた請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[19] 前記排気ガス処理装置に、排気ガス又は窒素ガスの湿度調整手段をさらに備えた請 求項 10に記載の排気ガス処理装置。
[20] 前記酸素濃度 10vol%以下で純度 90vol%以上の窒素ガスが、ディーゼルエンジンから 排出されるガスの一部である請求項 10に記載の排気ガス処理装置。
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