(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電極（１Ｂ）と接地極（１Ａ）との間を排ガス処理通路（５）とさせる放電装置（１）を設け、その放電装置（１）の放電極（１Ｂ）と接地極（１Ａ）との間に短パルスコロナ放電を行わせるパルス電源（２）を設け、前記放電装置（１）の接地極（１Ａ）の表面にアルカリ成分溶液として海水を供給する中和用の溶液供給手段を設けてある排ガス処理装置。
【請求項２】
前記放電装置（１）に供給する排ガスを冷却・洗浄するスクラバー  （３）を設けてある請求項１記載の排ガス処理装置。
【請求項３】
前記スクラバー（３）として、海水を冷却・洗浄液に用いるものを設けてある請求項２記載の排ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、重油・石炭を燃料とする工業炉やボイラ、或いは、舶用内燃機関などから排出される排ガス、つまり、窒素酸化物（一酸化窒素などで以下ＮＯｘと称する。）や硫黄酸化物（二酸化硫黄などで以下ＳＯｘと称する。）といった有害ガス成分を含む排ガスを浄化処理するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排ガス処理装置としては次のようなものが実用化されている。
【０００３】
排ガス中のＮＯｘを除去する排煙脱硝装置としては、アンモニア（又は尿素）でＮＯｘを窒素と水とに還元して排出する方法であって、ＮＯｘを含んだ排ガス中にアンモニア  （ＮＨ3 ）を添加して均一混合した後に反応器に導いて、３００〜４００℃の温度下で脱硝触媒と接触させることにより、排ガス中のＮＯｘをアンモニアと選択的に反応させて、無害な窒素と水蒸気とに分解する選択触媒還元法で脱硝する装置が知られている。
【０００４】
排ガス中のＳＯｘを除去する排煙脱硫装置としては、吸収剤として石灰石を用いる湿式石灰石膏法により脱硫する装置や、吸収剤として苛性ソーダを用いる湿式苛性ソーダ吸収法により脱硫する装置、吸収剤として水酸化マグネシウムを用いる湿式水酸化マグネシウム吸収法により脱硫する装置、乾式活性炭吸着法により脱硫する装置等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の排煙脱硝装置によるときは、高価な割りには寿命が４年程度の脱硝触媒を必要とするから、ランニングコストが高く付くという欠点があった。しかも、アンモニアなどの還元剤を必要とするから、排ガス発生源が舶用内燃機関などの移動用機関や移動するもの（以下これらを移動発生源と総称する。）である場合には還元剤の搭載及び補給が不可欠で、それが負担となって移動発生源用として不向きであるという欠点も有していた。
【０００６】
他方、上記従来の排煙脱硫装置のうち湿式吸収型の各装置によるときは、吸収剤を溶解した吸収液スラリーに排ガスを接触させて、その排ガス中のＳＯｘを吸収除去するから、用水（淡水）を多量に必要とするという欠点があった。また、乾式活性炭吸着法による装置によるときも、ＳＯｘを良好に除去するためには活性炭と排ガスとの接触面積を十分に確保する必要があるから、装置全体が大型化するという欠点があった。
【０００７】
そして、そのように多量に用水を必要とする装置や大型化した装置は、積載面や搭載面から移動発生源用として非常に不利である。
【０００８】
本発明の第１の目的は、排ガス中からの脱硝率や脱硫率を十分に確保しながらも、ランニングコストが安くて済むとともに、処理に多量の用水が不要で、小型に構成できる排ガス処理装置を提供する点にある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、煤塵や炭化水素をも同時に除去できる排ガス処理装置を提供する点にある。
【００１０】
本発明の第３の目的は、舶用内燃機関など移動発生源用として非常に有用な排ガス処理装置を提供する点にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明第１発明による排ガス処理装置の特徴は、放電極と接地極との間を排ガス処理通路とさせる放電装置を設け、その放電装置の放電極と接地極との間に短パルスコロナ放電を行わせるパルス電源を設け、前記放電装置の接地極の表面にアルカリ成分溶液として海水を供給する中和用の溶液供給手段を設けてある点にある。
【００１２】
請求項２記載の本発明第２発明による排ガス処理装置の特徴は、上記本発明第１発明において、前記放電装置に供給する排ガスを冷却・洗浄するスクラバーを設けてある点にある。
【００１３】
【００１４】
請求項３記載の本発明第３発明による排ガス処理装置の特徴は、上記本発明第２発明において、前記スクラバーとして、海水を冷却・洗浄液に用いるものを設けてある点にある。
【００１５】
【作用】
ＮＯｘやＳＯｘを含有する排ガス中でコロナ放電を行うと、ＯＨなどの酸化ラジカルが生成してＮＯｘやＳＯｘが酸化され、酸が生成されることが知られている。
【００１６】
すなわち、ＮＯｘについて言えば、コロナ放電によるＮＯｘ（ＮＯとＮＯ2 ）の酸化反応は、
ＮＯ＋Ｎ→Ｎ2 ＋Ｏ          ………  （式１）
ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ2             ………  （式２）
ＮＯ2 ＋ＯＨ→ＨＮＯ3       ………  （式３）
で示され、常温では、式１、式２、式３のいずれも同じオーダーの速い反応速度である。なお、ＯＨは水蒸気の結合解離により生成される。
【００１７】
従って、コロナ放電によるＮＯｘやＳＯｘの酸化で生成された酸をアルカリで捕捉中和することにより、排ガス中のＮＯｘやＳＯｘを除去できることが判る。
【００１８】
更に、ＮＯｘやＳＯｘを酸化させるためのコロナ放電としては、一定電圧（２０〜６０ＫＶ）での直流コロナ放電と、ナノセカンドパルス高電圧（立上り時間が５０〜５００ナノセカンド、周期が５〜５０ミリセカンド、電圧が５０〜２００ＫＶ程度）での短パルスコロナ放電（ＰＰＣＰ＝Ｐｕｌｓｅ  Ｃｏｒｏｎａ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）とが知られている。
【００１９】
また、コロナ放電により、例えばＮＯをＮＯ2 に酸化させ、更にＨＮＯ3 に酸化させるなど、ＮＯｘやＳＯｘを酸化させるには、ＯＨラジカルの生成が不可欠であり、このＯＨラジカルは水蒸気の結合解離により生成され、それに必要なエネルギーは、４９９ＫＪ／ｍｏｌであり、これを電界内の電子温度に換算すれば、５．１７ｅＶである。
【００２０】
ところで、直流コロナ放電では、ガス温度の上昇を抑制する上で、電圧が一定で電界強度Ｅが１〜５ＫＶ／ｃｍの範囲に限定されるために放射される電子の加速度が極めて小さくて、電界内の平均電子温度が１ｅＶ以下であり、その結果、電界全域においてＯＨラジカルを生成することができずに、放電極近傍だけで局所的にＯＨラジカルが生成される可能性しかない。つまり、ＮＯｘやＳＯｘを酸化させるに必要な非平衡プラズマ（低温プラズマ）の生成域が小さく、ラジカルの生成効率が悪い。
【００２１】
それに対して、短パルスコロナ放電では、極短い立上り時間と短い周期で間欠的に放電するから、ガス温度の上昇を抑制しながらも高電圧を印加して瞬間的に２０〜５０ＫＶ／ｃｍの範囲の高い電界を生成できるために電子に大きい加速度と速度とを与えることができて、電界内の平均電子温度を２〜６ｅＶとできる。その結果、電界内の広域においてＯＨラジカルを生成することができる。つまり、ＮＯｘやＳＯｘを酸化させるに必要な非平衡プラズマの生成域が大きく、効率良くラジカルを発生してＮＯｘやＳＯｘを酸化させることができる。
【００２２】
すなわち、放電界において１００ｅＶ当たりのエネルギー入力によって生成されるラジカルの生成数は、直流コロナ放電（Ｅ＝５ＫＶ／ｃｍ）では、Ｎラジカルが０．１、Ｏラジカルが０．１、ＯＨラジカルが０．１であり、短パルスコロナ放電（Ｅ＝５０ＫＶ／ｃｍ）では、Ｎラジカルが０．７、Ｏラジカルが１．５、ＯＨラジカルが１．６である。
【００２３】
従って、例えば前述の式１〜３に基づいて、放電場のＮＯｘ分子１個当たりの酸化処理に要するエネルギーを算定すると、直流コロナ放電（Ｅ＝５ＫＶ／ｃｍ）では、
０．１（Ｎ＋ＮＯ）→０．１Ｎ2 ＋０．０５Ｏ2 
０．１（Ｏ＋ＮＯ）→０．１ＮＯ2 
０．１（ＯＨ＋ＮＯ2 ）→０．１ＨＮＯ3 
となって、
０．１（Ｎ＋Ｏ＋ＯＨ）＋０．２ＮＯ→０．１Ｎ2 ＋０．０５Ｏ2 ＋０．１ＨＮ        Ｏ3 
となり、０．１（Ｎ＋Ｏ＋ＯＨ）＝１００ｅＶの入力で０．２個のＮＯを処理でき、その結果、ＮＯ分子１個当たりの酸化処理に要するエネルギーは、５００ｅＶとなる。
【００２４】
他方、短パルスコロナ放電（Ｅ＝５０ＫＶ／ｃｍ）では
０．７（Ｎ＋ＮＯ）→０．７Ｎ2 ＋０．３５Ｏ2 
１．５（Ｏ＋ＮＯ）→１．５ＮＯ2 
１．６（ＯＨ＋ＮＯ2 ）→１．６ＨＮＯ3 
となって、
０．７Ｎ＋１．５Ｏ＋１．６ＯＨ＋２．２ＮＯ＋０．１ＨＮＯ2 
となり、０．７Ｎ＋１．５Ｏ＋１．６ＯＨ＝１００ｅＶの入力で２．３個のＮＯｘ（２．２ＮＯ＋０．１ＨＮＯ2 ）を処理でき、その結果、ＮＯｘ分子１個当たりの酸化処理に要するエネルギーは、４３．５ｅＶとなる。
【００２５】
要するに、直流コロナ放電と短パルスコロナ放電とを比べてみた場合、短パルスコロナ放電では、直流コロナ放電よりも一桁少ない放電入力で同じラジカル生成を行えることが、実験の結果からも判明している。
【００２６】
従って、本発明第１発明によれば、コロナ放電用の放電装置と、その放電装置で短パルスコロナ放電を行わせるようにナノセカンドパルス高電圧を印加させるパルス電源とを設けて、排ガス処理通路内で短パルスコロナ放電を行わせるように構成してあるから、少ない放電入力により、ラジカルを生成する非平衡プラズマを排ガス処理通路の広域に生成して、排ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘを効率よく酸化させることができる。
【００２７】
そして、溶液供給手段を設けて、放電装置の接地極の表面にアルカリ成分溶液として海水を供給することで、ＮＯｘやＳＯｘの酸化で生成された酸をその海水と接触させることにより中和して海水内に取り込むように構成してあるから、排ガス中からＮＯｘやＳＯｘを除去することができる。
【００２８】
以上のように、短パルスコロナ放電によりＮＯｘやＳＯｘを酸化させ、この酸化で生成された酸を海水で中和することで脱硝や脱硫を行うから、脱硝に脱硝触媒が不要であり、また、脱硫に用水が不要である。
【００２９】
そして、短パルスコロナ放電によりＮＯｘやＳＯｘを酸化させ、この酸化で生成された酸をアルカリ成分溶液で中和することで行う脱硝や脱硫では、放電装置で印加する電圧制御により、脱硝率及び脱硫率を０〜９０％以上の広範囲で制御できることが実験で確かめられている。
【００３０】
従って、効率良く脱硝でき、その結果、脱硝や脱硫の性能の割りには装置全体を小型に構成できる。
【００３１】
更に、本発明者が実験研究を行った結果、前記短パルスコロナ放電により非平衡プラズマを生成してＮＯｘやＳＯｘを酸化処理するに際しては、排ガス温度を１００℃以下、好ましくは、７５℃以下にすると、その酸化処理を効果的に行えることを知見した。
【００３２】
上記の知見に着目して、本発明第２発明では、スクラバーを設けて、放電装置に供給する排ガスを冷却・洗浄するように構成してあるから、短パルスコロナ放電によるＮＯｘやＳＯｘの酸化処理性能の向上を図ると同時に、排ガス中に煤塵や炭化水素が含まれる場合、それらを除去することができる。
【００３３】
換言すれば、短パルスコロナ放電によるＮＯｘやＳＯｘの酸化処理の適正化と、煤塵や炭化水素除去とを行えながらも、一つのスクラバーを設けるだけの簡単安価な構造で済む。
【００３４】
また、短パルスコロナ放電によりＮＯｘやＳＯｘを酸化させることで生成された酸を中和させるにあたっては、アルカリ成分溶液として、弱アルカリの用水（海水など、苛性ソーダなら０．０２％以下の濃度のもの）を用いれば済むことが判った。
【００３５】
すなわち、ＮＯｘ（ＮＯとＮＯ2 ）の酸化反応では、式１、式２のＮＯが２モルで式３のＨＮＯ3 が１モル生成され、ＮＯ１モルにつきこれを中和するアルカリは１／２モルとなる。
【００３６】
今、例えば対象ガスのＮＯ（気体）濃度を２０００ｐｐｍとすると、常温での対象ガス１ｍ3 当たりのＮＯのモル数は、
２０００×１０-6／２２．４＝９０×１０-3ｍｏｌ
となり、これを中和するアルカリの当量は、苛性ソーダ（４０ｇ／ｍｏｌ）の場合で、
１／２×９０×１０-3×４０＝１．８ｇ
となる。
そして、常温の対象ガス１ｍ3 に対する処理水量を１０リットルとすると、中和に要するアルカリの重量濃度は、
１．８／１０4 ＝０．０２％
となる。
【００３７】
上記の点に着目して、本発明第１発明では、アルカリ成分溶液として海水を供給するようにしてあるから、短パルスコロナ放電によるＮＯｘやＳＯｘの酸化で生成された酸を確実に中和できることはもちろん、舶用内燃機関用とした場合には、アルカリ成分溶液の入手を容易安価に達成できる。
【００３８】
本発明第３発明によれば、海水を冷却・洗浄液に用いるスクラバーを設けてあるから、舶用内燃機関用とした場合には、冷却・洗浄液の入手を容易安価に達成できる。
【００３９】
【発明の効果】
従って、本発明第１発明によれば、効率良く脱硝や脱硫を行えて脱硝性能や脱硫性能に優れながらも、脱硝触媒が不要であることと、脱硝、脱硫に要する入力エネルギーが少なくて済むこととの相乗により、ローコストで実施でき、しかも、用水使用量が少なくて済み、その上、小型に構成でき、更に、脱硝や脱硫に、還元剤や多量の用水を使用しないことと、小型に構成できることとにより、舶用内燃機関など移動発生源用のものとして実施し易い排ガス処理装置を提供できるようになった。
また、舶用内燃機関用とした場合、アルカリ成分溶液としての海水の入手が容易であるから、舶用内燃機関用のものとして好適である。
【００４０】
本発明第２発明によれば、更に、排ガス中の煤塵や炭化水素をも除去できるのみならず、初期の脱硝や脱硫の適正化を同時に図れて、簡単安価な構造で実施することができる。
【００４１】
【００４２】
本発明第３発明によるときは、舶用内燃機関用とした場合、冷却・洗浄液の入手が容易であるから、舶用内燃機関用のものとして好適である。
【００４３】
【実施例】
舶用内燃機関用の排ガス処理装置への適用例を示す。
排ガス処理装置は、図１に示すように、放電装置１とパルス電源２と溶液供給手段とスクラバー３とを設けて構成されている。
【００４４】
前記放電装置１は、下部に排ガス入口４Ａを、かつ、上部に排ガス出口４Ｂをそれぞれ形成した処理ケース４内に配置されており、上下向き姿勢の円筒形の接地極１Ａとその中心に配置した放電極１Ｂとの対の３つを並置して構成されている。
【００４５】
そして、接地極１Ａ内、つまりは、接地極１Ａと放電極１Ｂとの間は下方から上方に向かう排ガス処理通路５に形成されており、排ガス処理通路５は、下端において排ガス入口４Ａに連通接続し、かつ、上端において排ガス出口４Ｂに連通接続されている。
前記放電極１Ｂは、上端部において処理ケース４の天板に電気絶縁碍子６を介して支持されており、下端において、振動により接地極１Ａに接触しないように支持材７で支持されている。前記支持材７は、電気絶縁体８を介して処理ケース４に装着されている。前記電気絶縁碍子６及び電気絶縁体８は、露点以上に加熱した乾燥気体が供給されるボックス９内に収容されている。
かつ、放電極１Ｂには、複数の放電誘発用の突起１ａが長手方向に間隔を隔てて形成されている。すなわち、放電極１Ｂの中間が若干曲がって放電極１Ｂと接地極１Ａとの距離が不均一になることがあっても、突起１ａからの放電を優先して行わせることにより、放電を放電極１Ｂの全長（排ガス処理通路５の全長）にわたって行わせるように構成されている。また、突起１ａを接地極１Ａに形成せずに、放電極１Ｂに形成する理由は、接地極１Ａに突起１ａを形成すると、接地極１Ａが汚れるからである。
【００４６】
前記パルス電源２は、放電装置１の放電極１Ｂと接地極１Ａとの間に、図２に示すような電圧波形（つまり、電圧が５０〜２００ＫＶ、立上り時間が５０〜５００ｎｓ、周期が５〜５０ｍｓ）のナノセカンドパルス高電圧を印加して短パルスコロナ放電を行わせるものであって、電界強度は２０〜５０ＫＶ／ｃｍ程度であり、電界内の平均電子温度は２〜６ｅＶである。
【００４７】
従って、排ガス処理通路５内に１００℃以下、好ましくは、７５℃以下の排ガスが供給された場合、放電装置１による短パルスコロナ放電により、排ガス処理通路５内は非平衡プラズマ（低温プラズマ）状態となり、排ガス中にＮＯｘやＳＯｘが含まれていると、ＮやＳ、ＯＨのラジカルが生成されて、ＮＯｘやＳＯｘが酸化され、酸が生成される。
なお、実験によれば、接地極１Ａとして直径１０ｃｍの金属管を用いた場合、放電極１Ｂに印加させる尖頭電圧は５０〜８０ＫＶｐｐである。
【００４８】
前記溶液供給手段は、前記接地極１Ａの表面（排ガスに接触する内周面）にアルカリ成分溶液を供給して、前記の短パルスコロナ放電で生成された酸を接触させて中和させる手段であって、ポンプなどを用いてアルカリ成分溶液を供給する供給管１０とそれにより供給されてきたアルカリ成分溶液を各接地極１Ａの上端に分配供給する分配管１１とからなる。そして、アルカリ成分溶液は、アルカリが苛性ソーダ（４０ｇ／ｍｏｌ）の場合で、重量濃度が０．０２％又はそれ以下の溶液であり、この実施例では、アルカリ成分溶液として海水を使用している。なお、接地極１Ａの内周面は、それに沿って流下するアルカリ成分溶液の放電極１Ｂ側への飛散をなくす、或いは、非常に少なくするように凹凸のない平滑な面に形成されている。その理由は、接地極１Ａの内周面に沿って流下するアルカリ成分溶液が放電極１Ｂに飛散すると電流の短絡のおそれがあるからである。
【００４９】
従って、短パルスコロナ放電により生成された酸はアルカリ成分溶液により捕捉中和されて、そのアルカリ成分溶液とともに流下排出され、その結果、排ガス中からＮＯｘやＳＯｘが除去される。つまり、脱硝や脱硫が行われる。この脱硝や脱硫による除去率は、放電装置１に印加する電圧を制御することで調整でき、普通、脱硝においては、除去率８０％程度を容易に達成でき、脱硫においては、除去率９０％程度を容易に達成できる。
【００５０】
前記スクラバー３は、前記放電装置１に供給する排ガス（舶用ディーゼル機関の排ガスの場合、排ガス温度は２５０〜４００℃程度である。）を１００℃以下、好ましくは、７５℃以下にまで冷却するとともに、その排ガス中の煤塵や炭化水素（タールなど）を洗浄除去するサイクロンスクラバーであって、放電装置１の下部に配置されている。１２は、スクラバー３に海水を冷却・洗浄液として供給する供給管である。
【００５１】
従って、排ガスが煤塵や炭化水素を含有する場合、その煤塵や炭化水素を除去でき、しかも、放電極１Ｂや接地極１Ａがそれら煤塵や炭化水素で汚染されることもなく、所期の短パルスコロナ放電の性能を良好に維持することができる。
【００５２】
そして、処理ケース４の下部には、流下してきたアルカリ成分溶液及びスクラバー３による冷却・洗浄排水を外部に排出する排水口１３が形成されている。１４は、その排水口１３からの排液を受け入れる排水溜である。
【００５３】
〔別実施例〕
上記実施例では、放電極１Ｂと接地極１Ａとの対を３つ設けて実施したが、対の数は１つ、２つ、４つ以上であっても良い。
【００５４】
上記実施例では、スクラバー３を設けて実施したが、排ガスが煤塵や炭化水素を含有していない場合などはスクラバー３を設けずに実施しても良い。この場合、排ガス温度が、短パルスコロナ放電による非平衡プラズマ状態の現出に好適な温度以上であるときは、放電装置１への排ガス供給路に排ガスを好適温度（１００℃以下、好ましくは、７５℃以下）に冷却する冷却器を設けて実施することが好ましい。もちろん、この場合は、ＮＯｘやＳＯｘの除去のみに止まる。
【００５５】
上記実施例では、放電装置１の下方にスクラバー３を配置して実施したが、スクラバー３の設置箇所は放電装置１への排ガス供給路であればいずれの箇所でも良い。
【００５６】
上記実施例では、スクラバー３としてサイクロンスクラバーを示したが、スクラバー３は、サイクロン式の他、散水式のものなど他の形式のものであっても良い。
【００５７】
【００５８】
上記実施例では、冷却・洗浄液として海水を用いたが、冷却・洗浄液は淡水など海水以外のものであっても良い。
【００５９】
上記実施例では、舶用内燃機関用の排ガス処理装置を示したが、本発明の排ガス処理装置は、ボイラーや工業炉用にも適用できる。
【００６０】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】概略構成図
【図２】短パルス電圧の波形図
【符号の説明】
１      放電装置
１Ａ    接地極
１Ｂ    放電極
２      パルス電源
３      スクラバー
５      排ガス処理通路
【図１】
0003625499.tif 000002
【図２】
0003625499.tif 000003