(57)【要約】【課題】窒素酸化物を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することが可能な排気ガス処理方法を提供する。【解決手段】二酸化窒素を含む排気ガスを処理する排気ガス処理方法であって、排気ガスを、排気系１０の所定箇所に配設した炭素材料３から構成された還元手段２に通気させ、還元手段２を構成する炭素材料３と排気ガス１１に含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む排気ガス１１を処理する排気ガス処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化窒素を含む排気ガスを処理する排気ガス処理方法であって、
前記排気ガスを、排気系の所定箇所に配設した炭素材料から構成された還元手段に通気させ、前記還元手段を構成する前記炭素材料と前記排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む前記排気ガスを処理する排気ガス処理方法。
【請求項２】
前記排気ガスが一酸化窒素をも含む場合、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させる前に、前記排気ガスを、前記排気系の前記還元手段よりも上流側に配設した酸化手段に通気させて、前記酸化手段と前記排気ガスに含まれる一酸化窒素とを接触反応させることによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項３】
前記酸化手段が、少なくとも一対の電極を有するプラズマ発生電極である請求項２に記載の排気ガス処理方法。
【請求項４】
前記還元手段を、前記排気系に、その少なくとも一部が前記酸化手段の内部に組込まれた状態で配設する請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【請求項５】
前記炭素材料から構成された前記還元手段の比表面積が、０．１ｍ2／ｇ〜５００ｍ2／ｇである請求項１〜４のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【請求項６】
前記還元手段の形状が、多孔質体形状である請求項１〜５のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【請求項７】
前記還元手段が、平均粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの炭素粒子から構成されたものである請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【請求項８】
前記還元手段が、平均粒径が１０ｎｍ〜１０μｍの炭素粒子から構成されたものである請求項１〜７のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【請求項９】
前記プラズマ発生電極が、大気圧パルス放電によりプラズマを発生させることが可能なものである請求項３〜８のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス処理方法に関する。さらに詳しくは、窒素酸化物を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することが可能な排気ガス処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼装置、硝酸を使う化学反応槽あるいはディーゼル発電機などの内燃機関等から排出される排気ガスの中には、窒素酸化物（ＮＯx）が含まれている。この窒素酸化物は有害であるために、適切な処理を行うことが必要とされている。
【０００３】
従来は、このＮＯx処理は、化学物質による還元反応が一般的に行われており、例えば、アンモニア還元触媒を用いて処理する方法や、炭化水素を用いて処理する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
アンモニア還元触媒を用いる方法は、アンモニア還元触媒にアンモニアを吹き付け、このアンモニアとＮＯxとを反応させることにより、排気ガスを処理するものである。この反応によって、アンモニアを構成する−３価の窒素が０価の窒素ガスに酸化され、また、ＮＯ2を構成する＋４価の窒素が０価の窒素ガスに還元される。
【０００５】
炭化水素を用いる方法は、燃焼によって発生するＮＯ2に、燃焼後の残留燃料（炭化水素）を触媒上で混合させ、排気ガスを処理するものである。この反応によって、炭化水素を構成する−４価の炭素が＋４価のＣＯ2に酸化され、ＮＯ2を構成する＋４価の窒素が０価の窒素ガスに還元される。
【特許文献１】特開平７−２０４５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したアンモニア還元触媒を用いる方法は、触媒の還元反応に寄与するアンモニアが毒物であり、反応の余剰分が外部に排出された場合には、別の環境汚染を生ずるという問題があった。また、炭化水素を用いる方法は、残留燃料（炭化水素）が、排出されるＮＯ2と等量存在するものではないために、不足分は燃料から直接供給する必要があり、処理装置が複雑になるという問題があった。また、燃焼装置のエネルギー効率を悪くするという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、窒素酸化物を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することが可能な排気ガス処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の排気ガス処理方法を提供するものである。
【０００９】
［１］二酸化窒素を含む排気ガスを処理する排気ガス処理方法であって、前記排気ガスを、排気系の所定箇所に配設した炭素材料から構成された還元手段に通気させ、前記還元手段を構成する前記炭素材料と前記排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む前記排気ガスを処理する排気ガス処理方法。
【００１０】
［２］前記排気ガスが一酸化窒素をも含む場合、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させる前に、前記排気ガスを、前記排気系の前記還元手段よりも上流側に配設した酸化手段に通気させて、前記酸化手段と前記排気ガスに含まれる一酸化窒素とを接触反応させることによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる前記［１］に記載の排気ガス処理方法。
【００１１】
［３］前記酸化手段が、少なくとも一対の電極を有するプラズマ発生電極である前記［２］に記載の排気ガス処理方法。
【００１２】
［４］前記還元手段を、前記排気系に、その少なくとも一部が前記酸化手段の内部に組込まれた状態で配設する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【００１３】
［５］前記炭素材料から構成された前記還元手段の比表面積が、０．１ｍ2／ｇ〜５００ｍ2／ｇである前記［１］〜［４］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【００１４】
［６］前記還元手段の形状が、多孔質体形状である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【００１５】
［７］前記還元手段が、平均粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの炭素粒子から構成されたものである前記［１］〜［６］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【００１６】
［８］前記還元手段が、平均粒径が１０ｎｍ〜１０μｍの炭素粒子から構成されたものである前記［１］〜［７］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【００１７】
［９］前記プラズマ発生電極が、大気圧パルス放電によりプラズマを発生させることが可能なものである前記［３］〜［８］のいずれかに記載の排気ガス処理方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の排気ガス処理方法によれば、排気ガスを、排気系の所定箇所に配設した炭素材料から構成された還元手段に通気させ、還元手段を構成する炭素材料と排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の排気ガス処理方法の一の実施の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く、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業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。
【００２０】
本実施の形態の排気ガス処理方法は、二酸化窒素を含む排気ガスを処理する排気ガス処理方法であって、排気ガスを、排気系の所定箇所に配設した炭素材料から構成された還元手段に通気させ、還元手段を構成する炭素材料と排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む排気ガスを処理するものである。このように構成することによって、窒素酸化物を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することができる。
【００２１】
二酸化窒素と炭素との反応は、下記式（１）のような反応である。
２ＮＯ2［ｇ］＋２Ｃ［ｓ］＝２ＣＯ2［ｇ］＋Ｎ2［ｇ］    …（１）
【００２２】
前記式（１）によって行われる反応において、ギブスの生成自由エネルギーは室温の状態でも負の値を示し、反応は進む。したがって二酸化窒素は、窒素と二酸化炭素とに分解（還元）されて無害化される。本実施の形態の排気ガス処理方法では、炭素材料から構成された還元手段を排気系に配設し、この炭素材料と二酸化窒素とを反応させて排気ガスを処理するものであり、従来のアンモニア選択還元触媒等を用いる排気ガス処理方法と比較して、簡便に排気ガスを処理することができるとともに、アンモニア等の毒物が還元反応に不用であることから、安全に排気ガスを処理することができる。
【００２３】
この炭素材料から構成された還元手段は、例えば、炭素材料を、排気ガスが通過可能な容器に充填したものを好適に用いることができ、この炭素材料は、紛体状や固体状の炭素から構成されたものを好適に用いることができる。
【００２４】
また、本実施の形態においては、排気ガスが一酸化窒素をも含む場合、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させる前に、排気ガスを、排気系の還元手段よりも上流側に配設した酸化手段に通気させて、酸化手段と排気ガスに含まれる一酸化窒素とを接触反応させることによって、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させることが好ましい。
【００２５】
そもそも、燃焼排気ガスには、二酸化窒素と比較して、より多くの一酸化窒素が含まれていることがあるが、この一酸化窒素は比較的に酸化力が低く、単に炭素材料と接触させただけでは、これを分解（還元）させることは困難である。このために、本実施の形態においては、排気ガスが一酸化窒素をも含む場合には、まず、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させる前に、この一酸化窒素を、比較的に酸化力の強い、即ち、比較的に還元され易い二酸化窒素に酸化する。この際に用いられる酸化手段としては、例えば、少なくも一対の電極を備え、この一対の電極間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極を好適例として挙げることができる。
【００２６】
また、酸化手段としては、酸化能力を有する触媒を用いることもできる。この触媒としては、特に限定されることはないが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｋ、Ｂａ、Ｌｉ、及びＮａからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒を好適例として挙げることができる。これらの触媒は、反応性に優れるとともに、排気ガスに含まれる他の成分による劣化が少なく、長期的に安定した触媒能力を発揮することが可能となる。その他、酸素（Ｏ2）あるいはオゾン（Ｏ3）と反応させるガス反応による酸化も可能である。その際、酸素源として過塩素酸ソーダ（ＮａＣｌＯ4）あるいは過酸化水素水（Ｈ2Ｏ2）が使われることもある。
【００２７】
このようにして一酸化窒素を酸化して、排気ガスに含まれる窒素酸化物を略全て二酸化窒素とする。この後、この排気ガスに含まれる二酸化窒素と、還元手段を構成する炭素材料とを接触反応させて、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させることによって、一酸化窒素及び二酸化窒素を含む排気ガスを簡便かつ効率的に処理することができる。
【００２８】
本実施の形態の排気ガス処理方法は、例えば、図１に示すような排気ガス処理装置１を用いて実現することができる。この排気ガス処理装置１は、排気系１０の所定箇所に配設した炭素材料３から構成された還元手段２を備えてなり、排気系１０を通過する排気ガス１１が還元手段２に流入すると、還元手段２を構成する炭素材料３と排気ガス１１に含まれる二酸化窒素とが接触反応し、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解して、二酸化窒素を含む排気ガスを簡便に処理することができる。また、図１においては、排気ガス１１が一酸化窒素をも含む場合にも、この排気ガス１１の処理が可能なように、排気系１０の還元手段２よりも上流側に、少なくとも一対の電極を有するプラズマ発生電極５からなる酸化手段４が配設されている。本実施の形態の排気ガス処理方法を実現するための排気ガス処理装置１においては、排気ガス処理装置１を構成する還元手段２を配設する場所は、処理すべき排気ガスが通過する排気系１０の内部であれば特に限定されることはないが、例えば、燃焼装置排気ガスを処理する場合には、燃焼装置からの距離が１ｍ〜５０ｍであることが好ましく、流入する排気ガスの温度が２０℃〜４００℃であることが好ましい。このように構成することによって、より効率的に燃焼装置排気ガスを処理することができる。なお、図１に示す排気ガス処理装置１は、燃焼装置から約２０ｍの距離に設置し、流入する排気ガスの温度が約３００℃であった。
【００２９】
また、本実施の形態の排気ガス処理方法において、酸化手段を用いて一酸化窒素を酸化する場合には、還元手段を、排気系に、その少なくとも一部が酸化手段の内部に組込まれた状態で配設することが好ましい。具体的には、図２に示すように、酸化手段４がプラズマ発生電極５である場合に、プラズマ発生電極５を構成する対向電極５ａ，５ｂの間に、還元手段２が挟みこまれた状態で配置された排気ガス処理装置１を用いることによって実現することができる。これにより、一酸化窒素を酸化して生成した二酸化窒素や、排気ガス１１に予め含まれている二酸化窒素を、酸化手段４で発生させたプラズマによってエネルギー状態の高い、例えば、励起状態にして炭素材料３と反応させることが可能となり、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解（還元）させる効率を向上させることができる。また、排気ガス処理の一連の操作を行う排気ガス処理装置１の小型化を実施することが可能になる。
【００３０】
本実施の形態の処理方法においては、炭素材料から構成された還元手段の比表面積が、０．１ｍ2／ｇ〜５００ｍ2／ｇであることが好ましく、１ｍ2／ｇ〜５００ｍ2／ｇであることがさらに好ましい。このように構成することによって、排気ガスと還元手段との接触面積を増加させて、二酸化窒素と炭素材料との反応性を向上させることができる。また、還元手段の形状を、多孔質体形状とすることによっても同様の作用効果を得ることができる。また、排気ガスが通過可能な容器に紛体状の炭素粒子を充填した炭素材料を用いてもよい。
【００３１】
この還元手段が、紛体状の炭素粒子から構成されている場合や、紛体状の炭素粒子を用いて形成された多孔質形状の炭素材料から構成されている場合には、炭素粒子の平均粒径が１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましく、１０ｎｍ〜１０μｍであることがさらに好ましい。平均粒径が１０ｎｍ未満の炭素粒子は入手が困難なことがあり、平均粒径が１００μｍを超える炭素粒子は二酸化窒素との反応性を向上させる十分な効果が得られないことがある。
【００３２】
また、酸化手段がプラズマ発生電極である場合には、そのプラズマ発生電極が、大気圧パルス放電によりプラズマを発生させることが可能なものであることが好ましい。大気圧パルス放電によりプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であれば、排気ガスを常時通気した状態で、良好にプラズマを発生させることが可能であり、効率的に一酸化窒素を酸化することできる。
【００３３】
このようなプラズマ発生電極としては、例えば、ステンレス、鋼、カンタル、インコネル等を芯線とする同軸構造のものを好適例として挙げることができる。このようなプラズマ発生電極は、低エネルギーで一酸化窒素を二酸化窒素に酸化することができる。
【００３４】
本実施の形態の排気ガス処理方法においては、還元手段を構成する炭素材料は、排気ガスに含まれる二酸化窒素と反応して消費されることから、二酸化窒素と十分に反応し得る量の炭素が常時備えられているように、所定量の排気ガスを処理する毎に、交換や追加を行う必要がある。
【００３５】
例えば、セラミックス焼成炉から排出された排気ガスを処理する場合には、３００ｇ〜１００Ｋｇの炭素材料は、安全率を考慮して約１０００時間の運転毎に交換すればよい。また、還元手段に、炭素材料の質量を測定可能な質量計を配設して、排気ガスの処理を行いながら炭素材料の質量変化を確認できるような構成としてもよい。また、炭素材料の質量測定が可能な場合には、炭素材料の質量が所定値を下回った際に警告を知らせる信号を発するような構成とすることにより、炭素材料不足により排気ガス処理装置の処理能力が低下する前に、還元手段を構成する炭素材料の交換時期を知ることができる。
【００３６】
また、本実施の形態の処理方法においては、排気ガスを有効に炭素と接触させるために、乱流を形成させて通気するか、炭素材料をガスフィルターのように配設して通気して処理することが好ましい。このように構成することによって、排気ガスをより効率よく処理することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
セラミックス焼成炉から発生する排気ガスを、本発明の排気ガス処理方法を用いて処理した。具体的には、セラミックス焼成炉から排出される排気ガスには反応性の低い一酸化窒素が多く含まれているために、まず、酸化手段としてのプラズマ発生電極にて大気圧放電プラズマを発生させ、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させた。次に、この排気ガスを、炭素材料から構成された還元手段に通気させ、還元手段を構成する炭素材料と排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む排気ガスを処理した。
【００３９】
本実施例においては、還元手段に通過させる前の排気ガスに含まれる二酸化窒素の濃度が１５ｐｐｍ〜５２ｐｐｍの排気ガスを、還元手段に通気させる際のガス流量が、２、１０、２０及び２００ＳＬＭとなるような四種類の通気条件で処理した。図３は、本実施例における、還元手段を通気させる際のガス流量と、炭素減量速度との関係を示すグラフである。
【００４０】
それぞれの条件での処理において、二酸化窒素を炭素材料と接触反応させることにより、窒素と二酸化炭素とに分解する際の平衡定数は１０の数十乗の値であり、この反応は高速で進行し、排気ガスの処理が確実に行われていた。また、図３に示すように、炭素減量速度［ｇ／ｍｉｎ］は、二酸化窒素の濃度が１５ｐｐｍで、ガス流量が２００ＳＬＭの条件で処理した場合が最大となり、約０．００１５６ｇ／ｍｉｎであった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の排気ガス処理方法によれば、燃焼装置、硝酸を使う化学反応槽あるいはディーゼル発電機などの内燃機関等から排出される排気ガスを、排気系の所定箇所に配設した炭素材料から構成された還元手段に通気させ、還元手段を構成する炭素材料と排気ガスに含まれる二酸化窒素とを接触反応させることによって、二酸化窒素を窒素と二酸化炭素とに分解させて、二酸化窒素を含む排気ガスを、簡便かつ効率的に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の排気ガス処理方法の一の実施の形態に用いられる排気ガス処理装置の一例を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の排気ガス処理方法の一の実施の形態に用いられる排気ガス処理装置の他の例を模式的に示す平面図である。
【図３】本発明の実施例における、排気ガスを処理する際のガス流量と、炭素減量速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…排気ガス処理装置、２…還元手段、３…炭素材料、４…酸化手段、５…プラズマ発生電極、５ａ，５ｂ…電極、１０…排気系、１１…排気ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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