(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排ガスの流れ方向に対して前流にて、該排ガス中に含まれる微粒子を帯電凝集させる、静電凝集工程と、
該静電凝集工程の後流にて、少なくとも一対の電極間に静電凝集した微粒子を排ガスの流れに沿って流下させることによって、該微粒子を一方の電極上へ凝集させてから再飛散することを繰り返し、微粒子の粒径もしくはその集合体の径を１０μｍ以上に大きくする、極板凝集工程と、
前記静電凝集工程と極板凝集工程の後流にて、
前記排ガスを旋回流として、排ガス中に含まれる微粒子成分とガス成分とを遠心分離によって分離し、微粒子成分を捕集する、微粒子除去工程と、を含むことを特徴とする排ガス中の微粒子除去方法。
【請求項２】
前記静電凝集工程において、正極性パルスストリーマ放電方式を用いることを特徴とする請求項１に記載の排ガス中の微粒子凝集方法。
【請求項３】
前記静電凝集工程において、高周波バリア放電方式を用いることを特徴とする請求項１に記載の排ガス中の微粒子凝集方法。
【請求項４】
請求項１に記載の微粒子除去工程の後流にて、
前記排ガス中に含まれている未回収の微粒子を捕捉して蓄積する、細孔径が５０μｍ〜２００μｍのフィルターを用い、微粒子を吸着除去する工程をさらに含むことを特徴とする排ガス中の微粒子除去方法。
【請求項５】
内燃機関からの排ガスの流れ方向に対して前段にて、排ガス流路内の外壁部に設けられる接地電極、および、該排ガス流路の中央部に設けられる中心電極、を備えた静電凝集部と、
該静電凝集部の後段にて、排ガス流路内に設けられる少なくとも一対の電極面を備えた極板凝集部と、
該極板凝集部の後段にて、凝集した微粒子を含む排ガスを旋回流として、排ガス中に含まれる微粒子成分とガス成分とを遠心分離によって分離し、微粒子成分を捕集する、サイクロン集塵器と、
を有することを特徴とする排ガス中の微粒子除去装置。
【請求項６】
前記静電凝集部において、前記接地電極として排ガス流路内の対向する外壁部にそれぞれ金属板が設けられているとともに、前記中心電極として該金属板と略平行に金属ワイヤからなる電極が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の排ガス中の微粒子除去装置。
【請求項７】
前記静電凝集部において、前記接地電極として円筒状の排ガス流路内の外周に筒状金属部が設けられているとともに、前記中心電極として円筒状の中央部に金属ワイヤもしくは外面が凹凸状の金属棒からなる電極が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の排ガス中の微粒子除去装置。
【請求項８】
前記極板凝集部において、少なくとも該一対の電極面として、２枚の金属板を外壁に沿って対向させて配置するとともに、一方の金属板が接地電極であり、他方の金属板が正極性電極であることを特徴とする請求項５に記載の排ガス中の微粒子除去装置。
【請求項９】
前記極板凝集部において、円筒状の排ガス流路内に設けられる少なくとも一対の電極面が、外周に設置した筒状金属からなる接地電極と、該円筒状の外周と同軸円を形成してその内部に配置される正極性電極と、の組み合わせからなることを特徴とする請求項５に記載の排ガス中の微粒子除去装置。
【請求項１０】
前記静電凝集部および極板凝集部が、排ガス流路に平行に複数設置されていることを特徴とする請求項５に記載の排ガス中の微粒子除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関排ガス中の微粒子凝集方法および微粒子除去方法、並びにその装置に関し、さらに詳しくは、軽油や重油燃料のディーゼルエンジン排ガスや都市ガス原料の排ガス等の内燃機関排ガス中に含まれる黒鉛等の微粒子を、凝集させて分離除去するのに好適な微粒子凝集方法および微粒子除去方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関から排出される黒煙微粒子(PM)と窒素酸化物(NOx)による環境汚染の深刻化に伴い、多くの国で排ガス規制の強化が段階的に進められてきた。
内燃機関のうち、例えばディーゼルエンジンは燃費性能および耐久性に優れているため、動力源として特に産業上重要な地位を占めている。環境面ではその排ガスに含まれる炭化水素(HC)およびC0が少ない反面、発ガン性が疑われる有害物質のPMや大気汚染の原因であるNOxの発生量が多い。
【０００３】
排ガスに対して微粒子除去フィルターを使用するのは、PMを低減するのに有効な技術の１つであり、種々のフィルターを使用して黒鉛微粒子を捕集する方法が開発されている。その際、フィルター内面に微粒子が付着した場合には、内部流路での目詰まりを無くすために、フィルター内での燃焼反応によってすす等の微粒子を除去する方法が多く提案されている。
しかしながら、すす等の微粒子を燃焼させて除去する方法では、フィルターにかかる負荷が大きく、劣化や破損によってフィルターの寿命が短くなるという問題があった。
また、このようなフィルター内に蓄積した微粒子を燃焼させるには、微粒子の捕集工程とは別個に、フィルター内の微粒子を除去して再生させる工程を経なければならない。よって、連続的に供給される排ガスからの微粒子除去は困難であり、一旦排ガスの流れを停止してから、燃焼による再生を行わなければならなかった。このようなことから、連続的に排出される排ガス中の微粒子を、効率的に捕集する方法が待望されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関から排出される排ガス中の微粒子、例えばディーゼルエンジン排ガス中の微粒子は、主にカーボンである。カーボン粒子は低抵抗ダストであり、その電気抵抗率は104Ω・cm程度である。一方、サイクロンで捕集可能なカーボン粒子（カーボンブラック等）の粒径は、約10μm程度である。
このようなサイクロンは粒子が極めて小さい場合には、慣性力が小さくなり、ガスの気流にのってしまうので分離回収が困難である。よって、サイクロンを用いて排ガス中の微粒子を捕集する場合には、回収する粒子はある程度以上の大きさが必要である。したがって、このサイクロンに導入する排ガスの前処理として、慣性力の小さいような微粒子については、その前段で凝集させて粒径を大きくしておくことが必要である。より具体的には、サイクロンを使用する場合には、その前段にて、ディーゼルエンジンから排出されるカーボン粒子を約10μm程度まで凝集させる必要がある。
【０００５】
そこで本発明者らは、上記問題点に鑑み、排ガス中に含まれる黒鉛等の微粒子を効果的に凝集して、サイクロン等で効率的に回収が可能な粒径に大径化できる処理方法、さらに排ガス中の微粒子浄化システム全体の処理効率向上および運転効率の向上を可能とする方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、サイクロンの前流にて、静電凝集と極板凝集とを組み合わせた独自の微粒子凝集システムで排ガス中の微粒子を大きくすることによって、サイクロンで効率的な分離除去が可能となり、後流のフィルターへの負荷も低減して長時間の連続運転が実現可能となり、上記課題が解決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、静電凝集工程と極板凝集工程とを含む排ガス中の微粒子凝集方法を提供するものである。ここで静電凝集（帯電凝集）工程とは、内燃機関からの排ガスの流れ方向に対して前流にて、該排ガス中に含まれる微粒子を帯電凝集させる工程であり、例えば正極性パルスストリーマ放電方式を用いることや、高周波バリア放電方式を用いることができる。また、極板凝集工程とは、静電凝集工程の後流にて、少なくとも一対の電極間に静電凝集した微粒子を排ガスの流れに沿って流下させることによって、微粒子を一方の電極上へ凝集させてから再飛散することを繰り返し、微粒子の粒径もしくはその集合体の径をさらに大きくする工程である。
【０００７】
また、本発明は排ガス中の微粒子除去方法として、上記静電凝集工程と極板凝集工程の後流にて、排ガスを旋回流として、排ガス中に含まれる微粒子成分とガス成分とを遠心分離によって分離し、微粒子成分を捕集する、微粒子除去工程をさらに含む方法を提供するものである。さらに、この微粒子除去工程の後流にて、排ガス中に含まれている未回収の微粒子を捕捉して蓄積するフィルターを用い、微粒子を吸着除去する工程をさらに含むことができる。
【０００８】
また、本発明は、内燃機関からの排ガスの流れ方向に対して前段にて、排ガス流路内の外壁部に設けられる接地電極、および、該排ガス流路の中央部に設けられる中心電極、を備えた静電凝集部と、静電凝集部の後段にて、排ガス流路内に設けられる少なくとも一対の電極面を備えた極板凝集部と、を有する排ガス中の微粒子凝集装置をも提供するものである。
かかる装置では、静電凝集部において、接地電極として排ガス流路内の対向する外壁部にそれぞれ金属板が設けられているとともに、中心電極として該金属板と略平行にタングステンワイヤ等の金属ワイヤからなる電極が配置されている態様が挙げられる。また、同じく静電凝集部において、前記接地電極として円筒状の排ガス流路内の外周に筒状金属部が設けられているとともに、前記中心電極として円筒状の中央部にタングステンワイヤもしくはステンレスボルト等からなる金属ワイヤもしくは外面が凹凸状の金属棒（例えばボルト状金属棒）からなる電極が配置されている態様も挙げられる。
【０００９】
一方、微粒子凝集装置の極板凝集部においては、例えば、排ガス流路内に設けられる少なくとも一対の電極面が、２枚の金属板を外壁に沿って対向させて配置されているとともに、一方の金属板が接地電極であり、他方の金属板が正極性電極である態様が挙げられる。また、同じく極板凝集部において、円筒状の排ガス流路内に設けられる少なくとも一対の電極面が、外周に設置した筒状金属からなる接地電極と、該円筒状の外周と同軸円を形成してその内部に配置される正極性電極と、の組み合わせからなる態様も好適に挙げられる。
さらに本発明の微粒子凝集装置では、前記静電凝集部および極板凝集部を、排ガス流路に平行に複数設置していてもよい。
【００１０】
本発明によれば、燃焼排ガス中に含まれる黒鉛等の微粒子を効果的に凝集して、フィルターで回収する前段にてサイクロン等で効率的に分離回収することができる。よって、微粒子が詰まる等のフィルターへの負荷が低減して、フィルターを用いての長時間の連続運転が実現可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
多孔質体フィルターに排ガス中の黒鉛微粒子（すす成分、ＰＭ）を捕捉・回収させる前段階としては、サイクロン等の遠心分離装置によって、排ガス中の微粒子を分離回収して、微粒子量を低減する。このサイクロンによる微粒子成分の分離捕集能力を向上させるには、粒子を10μm程度まで凝集させる必要がある。本発明は、かかる微粒子の凝集を効率的に実施するものである。
以下、本発明に係る方法について、添付図面を参照しながら、その具体的な実施形態を説明する。
【００１２】
本発明では、大気圧非平衡プラズマを利用し、(1)カーボン微粒子を帯電することによる放電空間での静電凝集工程、(2)集塵電極上での凝集、再飛散の繰り返しによる極板凝集工程、を組み合わせることにより、微粒子を大粒径化する。
静電凝集工程は、大気圧下のプラズマ存在下でカーボン等の微粒子を帯電することにより行う。次いで、さらに電極上での凝集過程と、ガス流れの剪断力によって極板表面から剥離して再飛散する過程と、を繰り返す、極板凝集工程によって、微粒子の粒径あるいはその集合体の径を大きくする。このような工程の組み合わせによって、カーボン等の微粒子を１０μｍ以上にまで凝集させることができる。
つまり、カーボン粒子のような低抵抗ダストの場合、集塵電極上で捕集しても、すぐに電荷を失うために、ガス流れにより粒子が剥離し再飛散する。このような極板凝集と再飛散とを繰り返すことによって、電極にいわゆるハイパスフィルタのような作用を持たせるものである。
【００１３】
図１および図２に、本発明の微粒子凝集装置の例を示す。
本発明の装置は、前段の微粒子を帯電させる静電凝集部と、後段の極板凝集部とから構成される。形状は、図１に示す直方体形状タイプ、あるいは、図２に示す同心円筒形状タイプが好適に挙げられる。また、これらを任意に組合せた構造も可能である。
直方体形状タイプでは、静電凝集部１０において、接地電極として排ガス流路内の対向する外壁部にそれぞれ金属板２が設けられているとともに、中心電極として金属板２と略平行にタングステンワイヤ１からなる電極が配置されている。極板凝集部１１においては、排ガス流路内に設けられる一対の電極面が、２枚の金属板を外壁に沿って対向させて配置されているとともに、一方の金属板２１が接地電極であり、他方の金属板２２が正極性電極である。
同心円筒形状タイプでは、静電凝集部１０において、接地電極として円筒状の排ガス流路内の外周である外壁部に筒状金属部３１が設けられているとともに、中心電極として円筒状の中央部にタングステンワイヤ１もしくはステンレスボルトからなる電極が配置されている。極板凝集部においては、円筒状の排ガス流路内に設けられる一対の電極面が、外周である外壁部に筒状金属を配置した接地電極４１、および、円筒状の外壁部と同軸円を形成してその内部に配置される正極性電極４２から構成されている。
【００１４】
次に、静電凝集工程における放電方式について説明する。大気圧非平衡プラズマを生成するために、コロナ放電の一種であるストリーマ放電を用いることができる。
第一の形態としては、正極性パルスストリーマ放電方式を挙げることができ、この方式では線状電極に正バイアス電圧をパルス状に印加する。これは、DCストリーマと比較して、空間電荷による放電抑制がなく効率が良いこと、および、負極性ストリーマの場合、線状電極の近傍に生成される正イオンが放電の進行を抑制し、放電が広がりにくいことによる。また、正極性とすることで、正電荷の微粒子を多数生成し、後段の極板凝集の効果を増加できるものと考えられる。さらに、ストリーマの進展とともに全路絶縁破壊となり対向電極を損傷する前にパルスの時間を設定すれば、損傷を防ぐことができる。損傷を完全に防止するならば、対向の接地電極の前面をガラス等の絶縁体で覆い、バリア放電とする処置を行うこともできる。
【００１５】
パルスストリーマ放電方式の場合、例えば、図１に示す直方体形状タイプの装置においては、排ガス流路内の両側には金属板２が設けられており、２枚の金属板の中央部分には、タングステンワイヤ１等の中心電極が備えられる。金属板と中心電極の間には、高電圧が印加される。
パルス高電圧は、火花ギャップスイッチにより高電圧で充電したコンデンサを負荷に接続して発生させる。電圧立上がり時間が短いほど、電流および発光強度が大きくなり、放電の発光領域も広範囲となる。時間幅の短いパルス電圧を発生するには、コンデンサとインダクタンスを組み合わせたパルス伝送回路を用い、その過渡現象を利用する方法などがあり、パルス電力伝達効率を高めるには電源回路と負荷とのインピーダンスマッチングを考慮することが重要になる。また、火花ギャップスイッチを加圧することも電力伝達効率を高めるために有効である。
【００１６】
第二の形態としては、50Hz程度の高周波バリア放電方式を挙げることができる。この場合、微粒子はバルクプラズマ中を通過することで、正負に帯電することになるので、空間中での静電凝集は加速される。一方、後段の極板凝集では、両方の極板に集塵されるために、極板凝集の繰り返しの効果は上記正極性パルスストリーマの場合とは異なることが考えられる。
【００１７】
高周波バリア放電方式の場合、例えば、図１に示すような直方体形状タイプの装置においては、排ガス流路内の両側には、金属板２が設けられており、その中央部分にはタングステンワイヤ１等の中心電極が備えられる。この間に高電圧が印加されるとともに、この間にはガラス等の絶縁体からなる板が設置される。
また、図２に示すような同心円筒タイプの装置においては、排ガス流路内の中心部分には、タングステンワイヤ１等の中心電極が備えられ、その外周にはガラス等の絶縁体が取り巻いており、さらにその外周に電極３１が設けられる。
【００１８】
正極性ストリーマ放電方式の場合、排ガス中に含まれる微粒子は放電部を通過する際に、正に荷電される。ストリーマ中に存在する多数の正イオンが微粒子表面に捕捉されることにより、多くは正電荷を持った微粒子となる。これらの微粒子は主に電荷量の相違による静電凝集(ヘテロ凝集)により、同電荷でありながらポテンシャル障壁が低下し凝集する。また、一部電子付着により負に帯電したものも存在すると考えられるので、これらとの静電凝集も起こる。
一方、高周波バリア放電の場合、通過する微粒子は、正負両極性に荷電される。負に帯電したものは電子付着、正に帯電したものは二次電子放出によるものや正イオンの衝突荷電である。粒径が10nm程度では、正負の極性を行き来するフリップフロップ的に変化する現象が現れ、粒径100nm〜1μmへの微粒子の急速凝集の要因になると考えられる。
このことから、高周波バリア放電方式の方が帯電・凝集部の後部での微粒子の粒径が大きい可能性がある。これらいずれの方式を用いる場合においても、前段部での静電凝集を行った微粒子は、後段部の極板凝集部へと送られて、約10μm以上の粒径になるように更なる大径化が行われる。
【００１９】
次に、極板凝集工程について説明する。図３に、微粒子の凝集過程を模式的に示す。
静電凝集部を通過後の微粒子を極板凝集部の中を通過させることで、累積的な極板凝集により微粒子は大粒径化する。前述したようにカーボン粒子のような低抵抗ダストは集塵器内で再飛散しやすく、粒径の大きい粒子の集塵性能が劣化する。これは図３に示すように極板凝集と飛散を繰り返すことによると考えられる。
ストリーマ放電中で正帯電した微粒子は、接地電極に捕集される。次々と飛来する正電荷の微粒子は接地電極に堆積し、そこで凝集する。極板上で成長した微粒子はガス流れに起因する剥離力が極板との付着力を上回ると、ガス流れの中に戻り、再飛散する。この際、再飛散粒子は静電誘導により接地電極と同極性に帯電し、極板間の電界により今度は正極性電極上に捕集される。正極性電極上の粒子も極板凝集し、また剥離して接地電極に捕集される。この動作を繰り返すことで、粒子の粒径が大きくなり、やがてガス流れとともに系外へ放出される。
前段に高周波バリア放電を用いた場合、後段の集塵部では、正極性・接地電極双方に微粒子が捕集される。この場合も原理的には上記と同様な極板凝集と飛散を繰り返す。
このように、上記した静電凝集工程と極板凝集工程の２段の凝集作用を組み合わせることにより、後段のサイクロン等で捕集可能な粒径以上のカーボン粒子のみを、凝集装置後流に放出させることが可能となる。
【００２０】
静電凝集工程と極板凝集工程の後流では、通常、凝集した微粒子を含む排ガスを旋回流として、排ガス中に含まれる微粒子成分とガス成分とを遠心分離によって分離し、微粒子成分を捕集する、微粒子除去工程を実施する。この微粒子除去工程は、例えばサイクロン集塵器などによって好適に行うことができる。ここで用いられるサイクロンは遠心分離装置の一種であり、排ガス中の微粒子は円錐状の内部を回転しながら、重い粒子成分は重力でサイクロン下部へ溜まっていき、軽い成分（ガス等）は上部の配管から外部に排出される。
上記した静電凝集装置においては、得られる印加電圧の大きさのもとで放電可能な電圧を印加する電極と接地電極の距離が存在する。すなわち、静電凝集装置のガスが流れるために開口部の断面積が上記距離によって決まる。また、後流の極板凝集装置におていも、微粒子の得られる印加電圧の大きさにより電極間の電界強度が決まり、微粒子の再飛散距離が変わるので、適当な再飛散距離を得ようとする場合、電極間距離、すなわち装置の開口部の断面積が規定される場合がある。このような場合、所望のガス流速においても不要な圧損を生じさせないためには、多気筒型微粒子凝集装置にすることが好ましい。多気筒型微粒子凝集装置では、前記静電凝集部および極板凝集部を束ねてガス流路と平行に複数設置し、ガス流路の断面積を所望の大きさにすればよい。具体的には、例えば図４に示すように断面が直方形の微粒子凝集部１０１を４つ束ねて、４気筒型にした多気筒型微粒子凝集装置２０１が挙げられる。
【００２１】
また、この微粒子除去工程の後流においては、通常、排ガス中に含まれている未回収の微粒子を完全に捕捉して蓄積するフィルターを用い、さらに微粒子を吸着除去する工程を行う。すなわち、上記静電凝集工程と極板凝集工程の組み合わせによっても、凝集を行わずに、微粒子のままで存在するものはサイクロン等によって分離除去できずに、後流に流れてくる。本工程においては、フィルターを用いて、このような排ガス中の未回収微粒子を吸着除去・回収するものである。
【００２２】
フィルターの材料としては、例えばコージュライト、シリカ、アルミナ等が用いられる。本発明では、サイクロンまでの前段で一定以上の大きさを有する微粒子を除去しているので、フィルターの細孔径は、例えば約50μｍ〜200μｍ程度のものを用いることが好ましく、これによって排ガス中の大部分の微粒子を除去することができる。なお、このフィルター部には、黒鉛微粒子をより完全に捕集する観点から、２以上の異なる細孔径を有するフィルターを組合せて用いても良い。フィルターを組み合わせる場合、大きめの微粒子は前段でトラップし、後段になるに従い、徐々に大きさの異なる小さな粒子が捕捉することによって、フィルター部での急激な詰まりが生じ難くすることもできる。
フィルターの形状は特に限定されるものではなく、各装置における排ガス流路の形状によって任意に定めることができるが、例えば円柱状のフィルター等を用いることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、内燃機関の排ガス中に含まれる黒鉛等の微粒子を効率よく凝集することが可能であり、粒径を約10μm以上に大径化することにより、後流に設けられるサイクロン等の分離装置で効果的に微粒子を分離回収することができる。そして、サイクロンの後流にフィルターを設置する場合には、その前段で効果的な微粒子除去が行われているので、微粒子による閉塞等のフィルターへの負荷が大幅に低減して、フィルターを用いての長時間の連続運転が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微粒子凝集装置の一例である直方体形状の装置構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の微粒子凝集装置の一例である同心円筒形状の装置構成を示す斜視図である。
【図３】本発明における(a)静電凝集工程における放電、(b)静電凝集、(c)極板凝集を順に示した模式図である。
【図４】本発明の微粒子凝集装置の一例である多気筒型微粒子凝集装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  タングステンワイヤ
２  金属板（電極）
３  ＤＣ電源
４  ＤＣパルス
１０  静電凝集部
１１  極板凝集部
１０１  単気筒型微粒子凝集装置（微粒子凝集部）
２０１  多気筒型微粒子凝集装置
【図１】
0003702230.tif 000002
【図２】
0003702230.tif 000003
【図３】
0003702230.tif 000004
【図４】
0003702230.tif 000005