(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向するコロナ電極と非コロナ電極との間に形成される放電空間に空気を主体とする被処理ガスを導入し、この両電極間にパルス電圧を繰り返し印加して前記放電空間内の被処理ガス中でパルスコロナ放電を発生させてオゾンを含むラジカルを生成して当該被処理ガスを処理する方法において、前記パルス電圧の１パルス当たりに前記放電空間の被処理ガス中に投入される電気エネルギー密度を１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ3 にすることを特徴とする放電ガス処理方法。
【請求項２】
前記電気エネルギー密度を１０〜５０Ｊ／Ｎｍ3 にする請求項１記載の放電ガス処理方法。
【請求項３】
相対向するコロナ電極と非コロナ電極とを有していて両電極間に形成される放電空間に空気を主体とする被処理ガスが導入され、両電極間に繰り返して印加されるパルス電圧によって前記放電空間内の被処理ガス中でパルスコロナ放電を発生させてオゾンを含むラジカルを生成して当該被処理ガスを処理する放電処理部と、この放電処理部の両電極間に前記パルス電圧を繰り返し印加して前記放電空間内の被処理ガス中で前記パルスコロナ放電を発生させるパルス電源とを備える装置において、前記パルス電圧の１パルス当たりに前記放電空間の被処理ガス中に投入される電気エネルギー密度が１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ3 になるように、前記放電空間の体積および当該放電空間に前記パルス電圧の１パルス当たりに投入される電気エネルギーを設定していることを特徴とする放電ガス処理装置。
【請求項４】
前記電気エネルギー密度が１０〜５０Ｊ／Ｎｍ3 になるように、前記放電空間の体積および前記放電空間に前記パルス電圧の１パルス当たりに投入される電気エネルギーを設定している請求項３記載の放電ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被処理ガスをパルスコロナ放電によって処理して、例えば当該被処理ガス中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、硫化水素、アンモニア等の有害物質や悪臭物質の分解除去を行う、あるいはオゾンの発生を行う放電ガス処理方法およびその装置に関し、より具体的には、消費電力を低減する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被処理ガス中でパルスコロナ放電を発生させることによって、被処理ガス中の有害物質や悪臭物質を分解除去する技術が既に提案されている（例えば、特開昭６２−２８９２４９号公報参照）。
【０００３】
そのような装置の一例を図３に示す。この放電ガス処理装置は、円筒状の外部電極４内に線状の内部電極６が同軸状に配置されていて、両電極４、６間に形成される放電空間８に被処理ガス１２が導入される放電処理部２と、この放電処理部２の両電極４、６間にパルス電圧ＶＰ  を繰り返し印加して放電空間８内の被処理ガス１２中でパルスコロナ放電１０を発生させるパルス電源１４とを備えている。この例では、円筒状の外部電極４が非コロナ電極であり、線状の内部電極６がコロナ電極であり、これらが同軸状に相対向している。パルスコロナ放電１０は、細くて電界強度の高い内部電極６側から外側の外部電極４に向けて伸展する。
【０００４】
パルス電圧ＶＰ  は、そのパルス幅が例えば１０ｎｓ〜１μｓ程度の短パルスであり、かつ放電空間８での距離的平均電界強度が例えば８ｄ〜３０ｄ［ｋＶ／ｃｍ］（ｄ：０℃１気圧のガスの密度を１としたとき、被処理ガスの温度・気圧におけるガスの相対密度をｄとする）程度になるような高電圧である。このパルス電圧ＶＰ  は、通常は正パルスであるが負パルスでも良い。
【０００５】
なお、この明細書で距離的平均電界強度とは、パルス電圧ＶＰ  の波高値をコロナ電極（この例では内部電極６）からの空間距離で除した電界強度をいう。
【０００６】
上記パルスコロナ放電１０中に生成される高速電子やラジカル類によって、被処理ガス１２中の前述したような有害物質や悪臭物質が分解され、無害化、除去等の処理が行われる。被処理ガス１２が空気の場合、ラジカルの一種であるオゾンを発生させることもできる。
【０００７】
なお、有害物質や悪臭物質の種類によっては、上記のような放電処理部２と、その下流側に設けられた触媒部とを併用することによって、分解除去性能を一層高めることができることは既に知られている（例えば、特開平３−１６６１６号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなパルスコロナ放電を利用して被処理ガス１２を処理する技術の普及を妨げる要因の一つに、消費電力の大きいことが挙げられるけれども、これ迄は、当該技術において消費電力を低減する具体的な提案は未だ成されていない。
【０００９】
そこでこの発明は、上記のようなパルスコロナ放電を利用して被処理ガスを処理する技術において、消費電力を低減することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る放電ガス処理方法は、前記パルス電圧の１パルス当たりに前記放電空間の被処理ガス中に投入される電気エネルギー密度を１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ３  にすることを特徴としている。
【００１１】
この発明に係る放電ガス処理装置は、前記パルス電圧の１パルス当たりに前記放電空間の被処理ガス中に投入される電気エネルギー密度が１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ３  になるように、前記放電空間の体積および当該放電空間に前記パルス電圧の１パルス当たりに投入される電気エネルギーを設定していることを特徴としている。
【００１２】
上記電気エネルギー密度は、パルス電圧の１パルス当たりに放電空間に投入される電気エネルギー（単位はジュールＪ）を、放電に曝されるガス体積（単位は換算体積Ｎｍ３  。ガス体積は圧力と温度に依存するため、０℃１気圧におけるガス体積を基準として立方メートル単位で表したもの）で割った値である。放電に曝されるガス体積は、距離的平均電界強度が８ｄ［ｋＶ／ｃｍ］（ｄ：０℃１気圧の被処理ガスの密度を１としたときのガスの相対密度）を越える放電空間におけるガス体積のことである。
【００１３】
発明者達は、上記目的を達成するために試験研究を行った結果、１パルス当たりに放電空間中のガスに投入される電気エネルギー密度を上記範囲内にすることによって、放電空間中での被処理ガスの処理に有効なラジカルの生成効率が向上することを見い出した。ラジカルの生成効率が向上することによって、被処理ガスを効率良く処理することができるので、消費電力を低減することができる。
【００１４】
特に、上記電気エネルギー密度を１０〜５０Ｊ／Ｎｍ３  の範囲内にすることによって、ラジカルの生成効率は著しく向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る放電ガス処理方法を実施する放電ガス処理装置の一例を示す概略図である。この装置は、基本的には、図３に示した従来の装置と同様の構成をしている。従って、図３に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１６】
この図１に示した構成の装置において、放電処理部２の放電空間８の体積Ｍ（単位ルットルＬ）を１．４Ｌ、２．８Ｌ、４．７Ｌの３種類、パルス電源１４からこの放電処理部２に印加するパルス電圧ＶＰ  の１パルス当たりのエネルギーＥ（単位Ｊ）を１００ｍＪ、３００ｍＪ、６００ｍＪの３種類、パルス電圧ＶＰ  の繰り返し率ｆ（単位１秒当たりのパルス数ｐｐｓ）を１０ｐｐｓ、２０ｐｐｓ、１００ｐｐｓ、２００ｐｐｓの４種類に取り、１パルス当たりに放電空間８の被処理ガス１２中に投入される電気エネルギー密度ε（単位Ｊ／Ｎｍ３  ）と、ラジカルの生成効率の指標であるオゾン生成効率ηとの関係を実験によって測定した結果の一例を図２に示す。
【００１７】
オゾンは放電によって生成される代表的ラジカルであり、計測が容易なことから、ラジカル生成の指標として有用である。上記実験では放電処理部２の内部電極６（コロナ電極）と外部電極４（非コロナ電極）とに挟まれる同軸円筒空間全域について距離的平均電界強度が８ｄ［ｋＶ／ｃｍ］を越えるので、同軸円筒内空間の体積が放電空間８の体積となっている。一般に被処理ガス１２は空気が主体となっていることが多いので、上記実験では被処理ガス１２として温度２５℃、圧力１ａｔｍの空気を採用している。
【００１８】
被処理ガス１２である空気は放電空間を流通せしめているが、その放電空間８の通過時間は０．１秒〜１秒の範囲内にあり、一方、パルス電圧ＶＰ  の１パルス当たりの放電時間は１００ｎｓ以下であるから、ε＝１０００Ｅ／Ｍとして差し支えない（厳密にはガス体積の温度換算の影響のため、ε＝１０９２Ｅ／Ｍ）。また、オゾン生成効率ηは、ガスに投入された電気エネルギー当たりに何ｇのオゾンが生成されたかを示すものであり、慣例に従って１Ｗｈ（＝３６００Ｊ）の電気エネルギー当たりに生成されるオゾンｇ数をとった。
【００１９】
この図２から明らかなように、１パルス当たりの電気エネルギー密度εを１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ３  の範囲内に設定することによって、ラジカル生成効率の指標であるオゾン生成効率ηが向上することを見い出した。特に、当該電気エネルギー密度εを１０〜５０Ｊ／Ｎｍ３  の範囲内に設定することによって、オゾン生成効率ηは著しく向上している。
【００２０】
ちなみに、上記のような電気エネルギー密度εに着目した従来技術は見当たらないけれども、公知文献（例えば、電学論Ａ，１１７巻９号，平成９年，頁９５６−９６１または静電気学会誌，１２，４（１９８８）２７７−２８３）中に記載されている電気エネルギーおよび放電空間体積に基づいて電気エネルギー密度εを計算すると、２５０〜４００Ｊ／Ｎｍ３  程度である。
【００２１】
ラジカル生成効率が向上すれば、所定量の有害物質や悪臭物質等の処理に必要な量のラジカルをより少ない消費電力で供給することができる。即ち、消費電力を低減することができる。
【００２２】
例えば、ε＝２００Ｊ／Ｎｍ３  を基準にすると、ε＝１５０Ｊ／Ｎｍ３  で約１５％、ε＝５０Ｊ／Ｎｍ３  で約３０％、ε＝２０Ｊ／Ｎｍ３  で約５０％の消費電力削減を実現することができる。
【００２３】
このように電気エネルギー密度εがラジカル生成効率に関係する理由については明確にはなっていないが、次のように推察される。
【００２４】
即ち、代表的ラジカルであるオゾンについては、電子によってオゾンを失活（オゾンを分解してしまうこと）させる反応のあることが報告されている（例えば、電学論Ａ，１１６巻２号，平成８年，頁１２１−１２７）。電気エネルギー密度εを大きく取ると、パルス放電中の電子密度は高くなる。電子はオゾン生成の前駆物質となる酸素原子ラジカルの生成（これは、電子による酸素分子の解離によって生成されると考えられる。）に不可欠であるが、電子密度が過剰になると、オゾンを失活させる反応の寄与が大となり、オゾン生成効率が低下するものと考えられる。
【００２５】
例えばヒドロキシルラジカル等のオゾン以外のラジカルについてはこのような反応メカニズムは明確になっていないが、オゾンと同様、過剰電子による失活等が影響している可能性が考えられる。
【００２６】
次に、上記電気エネルギー密度εと有害物質や悪臭物質の除去性能との関係を測定した結果の一例を表１に示す。これは、図１に示したような放電処理部２（それに印加したパルス電圧ＶＰ  は、パルス幅４０ｎｓ、波高値４０ｋＶ）と触媒（オゾン分解触媒）とを併用した放電ガス処理装置において、１０ｐｐｍの硫化水素を含んだ被処理ガス１２を流し、その硫化水素の除去率（＝処理後濃度／入口濃度）を測定した結果である。この実験では、上記電気エネルギー密度εとパルス電圧ＶＰ  の繰り返し率ｆとの積（即ち平均消費電力）は一定とした。
【００２７】
【表１】
0003601377.tif 000002
【００２８】
この表から分かるように、電気エネルギー密度εを６６Ｊ／Ｎｍ３  にすることによって、硫化水素の除去性能が大幅に向上している。これは、図２の結果と良く一致している。この表１と図２の結果とを総合すれば、電気エネルギー密度εを１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ３  にすることによって有害物質や悪臭物質の除去性能が向上し、１０〜５０Ｊ／Ｎｍ３  にすることによって同性能が顕著に向上することが分かる。
【００２９】
ところで、実用的には被処理ガス１２を連続的に処理することが好ましい。この場合、被処理ガス１２を放電空間８に連続して流通させることになるが、パルスコロナ放電１０で電気エネルギー投入が成される放電時間は１パルス当たり高々１μｓ程度の時間領域であり、一方、被処理ガス１２が放電空間８を通過する時間は実用的には１０ｍｓ〜１ｓの時間領域である。つまり、１パルスの放電時間中ではガスは実質的には静止しているとして扱って良く、前記電気エネルギー密度εは、１パルス当たりに放電空間８に投入される電気エネルギーを放電空間体積で除したものに、被処理ガス１２の温度・圧力で決まる補正係数をかければ良い。即ち、被処理ガス１２の温度Ｔ（単位℃）、圧力Ｐ（単位ａｔｍ）、放電空間８の体積Ｍ（単位リットルＬ）、１パルス当たりに放電空間８に投入される電気エネルギーＥ（単位ジュールＪ）を用いて、電気エネルギー密度ε（単位Ｊ／Ｎｍ３  ）は次式で表すことができる。
【００３０】
【数１】
ε＝１０００×｛（２７３＋Ｔ）／２７３｝×｛Ｅ／（Ｍ×Ｐ）｝
【００３１】
被処理ガス１２を連続的に処理する場合、放電処理部２においてパルスコロナ放電１０によって被処理ガス１２中に連続的にラジカルを供給することになる。その場合、被処理ガス１２中の被処理物質濃度に応じて、上記電気エネルギー密度εとパルス電圧ＶＰ  の繰り返し率ｆとを設定すれば良い。
【００３２】
例えば、繰り返し率ｆ（単位ｐｐｓ）は次のように設定する。放電処理部２内の被処理ガス１２の滞留時間は通常１００ｍｓ〜１ｓ程度に設定されることが多いので、電気エネルギー密度を１００Ｊ／Ｎｍ３  にすると、被処理ガス１２の１Ｎｍ３  当たりに投入される総電気エネルギー密度α（単位Ｊ／Ｎｍ３  ）は次式で与えられる。
【００３３】
【数２】
α＝（１０〜１００）×ｆ  ［Ｊ／Ｎｍ３  ］
【００３４】
一般的な考え方として、被処理物質１モルに必要なラジカル量を１モル、つまり化学的に等量に設定するのが目安である。被処理物質濃度を１００ｐｐｍ程度として、これに必要なラジカル濃度をオゾン換算で１００ｐｐｍ程度とする。図２から分かるように、電気エネルギー密度εが１００Ｊ／Ｎｍ３  以下ではオゾン生成効率η＞０．０６ｇ／Ｗｈ＝１６．７μｇ／Ｊである。被処理ガス１２の主体が空気であるとすれば、１００ｐｐｍのオゾン濃度は０．２１ｇ／Ｎｍ３  に相当するので、α＝（０．２１ｍｇ／Ｎｍ３  ）／（１６．７μｇ／Ｊ）＝１２６００Ｊ／Ｎｍ３  。よって、電気エネルギー密度εを１００Ｊ／Ｎｍ３  にするなら、数２からｆは１２６〜１２６０ｐｐｓ程度で良いことになる。
【００３５】
パルス電源１４から、前述したような短パルス高電圧のパルス電圧ＶＰ  を数１０００ｐｐｓの繰り返し率ｆで発生させることは、現在の技術で比較的容易に成し得る。放電処理部２での被処理ガス１２の滞留時間を適切に選べば、被処理物質濃度が１０００ｐｐｍ以上の場合でも、数１０００ｐｐｓ以下の繰り返し率ｆで対処することは可能である。
【００３６】
一例として、被処理ガス１２の流量が１００Ｎｍ３  ／ｍｉｎ、被処理物質濃度が１０ｐｐｍの場合に放電処理を行う場合を考える。放電処理部２でのガス滞留時間を０．１ｓｅｃとすると、必要な放電空間体積Ｍは約１７０Ｌとなる。この場合、図１に示したような同軸円筒状の放電処理部２を用いるとすれば、例えば内径（より具体的にはその外部電極４の内径）８０ｍｍ、長さ０．８５ｍの放電処理部２を４０本並列接続すれば良い。
【００３７】
上記電気エネルギー密度εを例えば５０Ｊ／Ｎｍ３  とすると、上記放電処理部２に必要なパルス電圧ＶＰ  の１パルス当たりの電気エネルギーＥは約８．５Ｊとなる。パルス電源１４からこの放電処理部２への電気エネルギーＥの伝達損失を１５％程度とすると、パルス電源１４には１パルス当たり１０Ｊの電気エネルギーＥが蓄積できていれば良い。内径８０ｍｍの放電処理部２には通常は６０ｋＶ程度のパルス電圧ＶＰ  が印加可能であるので、コンデンサからの放電で上記エネルギーＥのパルス電圧ＶＰ  を供給するパルス電源１４を考えると、そのコンデンサの容量は約６ｎＦで良い。
【００３８】
電気エネルギー密度ε＝５０Ｊ／Ｎｍ３  では、図２からオゾン生成効率η＝０．０７ｇ／Ｗｈ＝１９．４μｇ／Ｊなので、必要ラジカル濃度をオゾン換算で１０ｐｐｍ＝０．０２１ｇ／Ｎｍ３  とすると、必要となる総電気エネルギー密度αは１０８２Ｊ／Ｎｍ３  となる。放電処理部２でのガス滞留時間は０．１ｓなので、必要繰り返し率ｆは２１６ｐｐｓということになる。
【００３９】
前記電気エネルギー密度εは、数１で与えられるように１パルス当たりに放電空間８に投入される電気エネルギーＥを放電空間体積Ｍで除したものに比例する。従って前記電気エネルギー密度εを上記範囲内にするには、前記電気エネルギーＥで調整しても良いし、放電空間体積Ｍで調整しても良いし、また、両者を共に調整しても良い。
【００４０】
なお、実際には前記電気エネルギーＥは、パルス電源１４に蓄積された電気エネルギーで単純に決まるものではない。パルス電源１４から放電空間８の被処理ガス１２中への電気エネルギーの伝達効率が、パルス電圧ＶＰ  の時間幅、印加電圧波高値で決まる平均電界強度、パルス電圧ＶＰ  の繰り返し率、被処理ガス１２の圧力、被処理ガス１２の放電空間滞留時間等の条件に複雑に依存するからである。
【００４１】
図２から分かるように、通常、前記電気エネルギーＥは過剰になりやすいので、これを抑制するように前記条件を選定する。特に、パルス電源１４から放電空間８の被処理ガス１２中への電気エネルギー伝達効率を高くとって、装置全体としてのエネルギー効率を良くする上では放電持続時間が狭小化されるように前記条件を選定するのが好適である。具体的には次に述べるようにする。
【００４２】
例えば、前記距離的平均電界強度を８ｄ〜１８ｄ［ｋＶ／ｃｍ］（ｄ：０℃１気圧の被処理ガスの密度を１としたときの相対密度）の間とし、その内でもできるだけ低い値に選定すれば、放電持続時間が狭小化される。また、パルス電圧ＶＰ  の時間幅を２００ｎｓ以下、より好ましくは１００ｎｓ以下としても、放電持続時間が狭小化される。また、パルス電圧ＶＰ  の繰り返し率を１００ｐｐｓ以上に高くとるにつれ、放電持続時間が狭小化されることが知られている。また、被処理ガス１２の圧力を２気圧以上にすることで放電持続時間を狭小化することもできる。以上のいずれか、もしくは複数の組み合わせで、過剰になりやすい前記電気エネルギーＥを抑制し、前記電気エネルギー密度εを上記範囲内に選定することができる。
【００４３】
なお、放電処理部２の構造は、図１に示した同軸円筒状以外のものでも良い。要はコロナ電極と非コロナ電極が相対向していて被処理ガス中でパルスコロナ放電が生じれば良い。例えば、放電処理部２の外部電極４（非コロナ電極）は、円筒状以外の筒状、例えば四角筒状等でも良い。筒状は管状と言い換えることもできる。また、このような外部電極４内に当該外部電極４に沿って複数本の線状の内部電極６（コロナ電極）を配置しても良い。線状は細い棒状と言い換えることもできる。このような外部電極４と内部電極６とによっても、両電極４、６間に不平等な電界を発生させてパルスコロナ放電１０を発生させることができる。
【００４４】
また、上記のような放電処理部２の下流側に、当該放電処理部２を通過した被処理ガス１２中の被処理物質を分解する触媒部を設けても良く、そのようにすれば被処理物質の除去性能が一層向上する。触媒は、例えばオゾン分解触媒、光触媒等である。
【００４５】
また、上記のような放電処理部２の上流側に、被処理ガス１２の前処理（例えば塵埃除去、温湿度調整）を行う前処理部や、被処理ガス１２を供給する送風機等を設けても良い。
【００４６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、パルス電圧の１パルス当たりに放電空間のガス中に投入される電気エネルギー密度を１０〜１５０Ｊ／Ｎｍ3 の範囲内にすることによって、放電空間中での空気を主体とする被処理ガスの処理に有効な、オゾンを含むラジカルの生成効率が向上し、当該被処理ガスを効率良く処理することができるので、消費電力を低減することができる。
【００４７】
特に、上記電気エネルギー密度を１０〜５０Ｊ／Ｎｍ3 の範囲内にすることによって、オゾンを含むラジカルの生成効率は著しく向上するので、消費電力を低減する効果は一層顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る放電ガス処理方法を実施する放電ガス処理装置の一例を示す概略図である。
【図２】１パルス当たりに放電空間のガス中に投入される電気エネルギー密度とオゾン生成効率との関係の測定結果の一例を示す図である。
【図３】従来の放電ガス処理装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２  放電処理部
４  外部電極（非コロナ電極）
６  内部電極（コロナ電極）
８  放電空間
１０  パルスコロナ放電
１２  被処理ガス
１４  パルス電源
【図１】
0003601377.tif 000003
【図２】
0003601377.tif 000004
【図３】
0003601377.tif 000005