(57)【要約】【課題】例えばプラズマリアクタ及びＶＯＣガスを分解するための装置及び手段を稼動させるエネルギーの一部を、プラズマ反応から発生する熱エネルギーにより賄う装置及び方法を提供する。【解決手段】プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備するプラズマ処理装置及び方法を提供する。【選択図】図１
2005161180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、
前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
熱電素子が、前記プラズマ処理装置により分解処理したガスを排出する流通路に設置され、熱電素子の高温端側と流路管とが接触していることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
熱電素子の低温端側を、処理ガスにより冷却することを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、
前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】
熱電素子が、前記プラズマ処理装置により分解処理したガスを排出する流通路に設置され、熱電素子の高温端側と流路管とが接触していることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
熱電素子の低温端側を、被処理ガスにより冷却することを特徴とする請求項４又は５記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物を含む気体、特に揮発性有機物質（Volatile Organic Compounds（ＶＯＣ）：以下ＶＯＣと記す）を含む気体を分解処理するためのプラズマ処理装置及び方法に関し、分解による熱エネルギーを有効利用して、連続した分解反応を行う際に必要な投入電力量を低減し、エネルギー効率の向上を可能にするプラズマ処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＯＣを含有するガスを分解処理する方法として非平衡プラズマ法がある。非平衡プラズマ法は、常温常圧で広い濃度範囲のＶＯＣが短時間で分解でき、装置構成も簡単である等の利点が明らかとなっている。そして、常圧下で放電を発生させる方法は数多く開発されており（特許文献１）、その方法は、無声放電、沿面放電、パルスコロナ放電、パックトベッド放電に大別できる。
【０００３】
無声放電は電極間距離が数ｍｍ程度と短く、大容量のガスで安定した放電を得るためには反応器を数多く用意する必要がある。又、沿面放電はセラミックス等の無機物表面と内部に電極を形成し交流電圧を印加するとセラミックス表面に放電が発生するもので極めて部分的な放電状態となる。これらの問題点を解決すべき方法として無機誘電体を充填したパックトベッド式がある。パックトベッド式プラズマ装置はリアクタ内に無機誘電体として比誘電率（ε）１０００〜１００００の強誘電体を充填して、グロー放電を発生させることを特徴とするものである。
【０００４】
以上より、上記したパックトベッド式プラズマ装置によるＶＯＣ分解処理は、各種ＶＯＣに対して有効である。しかしながら、従来の大気圧プラズマ反応装置では、投入電力の全てが分解に寄与する訳ではなく、発熱等、分解処理に関係の無い部分にエネルギーを損失してしまう。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−２６６８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の大気圧プラズマ反応装置では、前述したように、発熱等、分解処理に関係の無い部分にエネルギーを損失してしまうことから、過剰に投入電力を要するという点に問題を有している。このことは、プラズマ反応装置を用いたガス分解処理全体のランニングコストを割高なものにしてしまい、プラズマ反応装置の有用性を著しく悪化させる要因となっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、従来ものにおける課題を解決し、プラズマ反応装置を用いたガス分解処理全体のランニングコストを抑えることのできるプラズマ反応装置とプラズマ処理方法及びプラズマ反応を利用した排熱回収システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【０００９】
又、本発明は、プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プラズマ反応装置及び方法において、エネルギー効率の向上、例えばプラズマリアクタ及びＶＯＣガスを分解するための装置及び手段を稼動させるエネルギーの一部を、プラズマ反応から発生する熱エネルギーにより賄うことが可能となる。これにより、プラズマ反応装置を用いたガス分解処理全体のランニングコストを抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、上記課題を達成するために、次の（１）〜（６）のように構成したプラズマ反応装置とプラズマ処理方法を提供するものである。
（１）プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することで排熱エネルギーを電気エネルギーとして回収し、エネルギー効率を向上できる。
（２）熱電素子が、前記プラズマ処理装置により分解処理したガスを排出する流通路に設置され、熱電素子の高温端側と流路管とが接触していることで、加熱部から伝わる熱が熱電素子に導かれて、効率良く発電を行うことができる。
（３）熱電素子の低温端側を、被処理ガスにより冷却することで、別途冷却装置を必要とせず、これにより装置の簡略化が達成される。
（４）プラズマ反応を利用し、被処理ガスを分解する大気圧プラズマ反応装置において、前記プラズマ反応によって発生する熱による加熱部と、冷却媒体による冷却部と、高温端側が前記加熱部により加熱され且つ低温端側が前記冷却部により冷却されて両端の温度差により熱電発電する熱電素子を具備することで排熱エネルギーを電気エネルギーとして回収し、エネルギー効率を向上できるプラズマ処理方法。
（５）熱電素子が、前記プラズマ処理装置により分解処理したガスを排出する流通路に設置され、熱電素子の高温端側と流路管とが接触していることで、加熱部から伝わる熱が熱電素子に導かれて、効率良く発電を行うことができるプラズマ処理方法。
（６）熱電素子の低温端側を、被処理ガスにより冷却することで別途冷却装置を必要とせず、これにより、装置の簡略化が達成されるプラズマ処理方法。
【００１２】
上記構成によって、従来捨てていたプラズマ反応から発生する熱エネルギーを、電気エネルギーに変換することで、プラズマ反応装置を稼動させるエネルギーの一部を、プラズマ反応から発生する熱エネルギーにより賄うことが可能となる。
【００１３】
以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係るプラズマ反応装置とプラズマ処理方法及びプラズマ反応を利用した排熱回収システムを示す模式図である。
【００１５】
図１において、１は交流高電圧電源、２はプラズマリアクタ、３は熱電素子、４はインバータ、５はコンデンサであり、本実施の形態に係るプラズマ反応装置はこれによって構成されている。
【００１６】
次に、本実施の形態に係るプラズマ反応動作について説明する。
【００１７】
交流高電圧電源１とプラズマリアクタ２は、図２に示したパックトベッド式プラズマ装置と同様のものであり、ＶＯＣ等を含有するガスを分解することができる。このプラズマ処理装置は、円柱状の装置内に外部と内部に導電性の電極６を持ち、電極間に円柱型ペレット状或は球状の誘電体７を充填した構成となっている。ここで、電極６に交流高電圧電源１より交流高電圧を印加し、該電圧を放電開始電圧以上にすると、大気圧下で安定した均一なグロー放電を発生させ、そこにＶＯＣ等を含有するガスを通過させると、これらが分解されることになる。
【００１８】
ところで、このプラズマによるＶＯＣ分解過程では、放電によりリアクタ及び処理ガスが加熱されるため、リアクタの出口付近の温度が高温となる。
【００１９】
図３は本実施の形態における排熱回収システムの構成を示す。
【００２０】
図３において、熱電発電する熱電素子は、図２に示した処理ガスを排出する流路管８の外表面に一側面が接触するように取り付けられる熱電素子３と、該熱電素子３の他側面に接触するように取り付けられた冷却部（被処理ガス流路管）によって構成される。そして、前記熱電素子３において、処理ガスを排出する流路管８の外表面と接触する高温端と、冷却部（被処理ガス流路管）と接触する低温端との間で温度差を生じさせることで、熱電素子に起電力を発生させ、排熱エネルギーを電気エネルギーとして回収するものである。図３の場合、一側面が接触するように取り付けられるような熱電素子３により排熱を回収しているが、図４に示すような処理ガスを排出する流路管８の外表面に一側面が接触或は内部にニードル型として設置するように取り付けられる熱電素子９、或はコルゲート型等、効率的に排熱を回収できる構造であれば何れの形状であっても良い。回収した排熱エネルギーは、直流の電気エネルギーとして回収されるため、熱電素子３の後段に設置されたインバータ４により交流に変換され、一時的にコンデンサ５に充電される。コンデンサ５に蓄えられた電気エネルギーは放電エネルギーとして、被処理ガスの分解に用いられる。
【００２１】
以下に、本発明の実施例について説明する。尚、以下の実施例及び比較例で用いられる実験条件内容は次の通りである。
・実験装置
放電分解装置：粒径３ｍｍのチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３ ：ε＝１６００）
ペレットを充填した同軸円筒状パックトベッド式放電装置
リアクタ寸法：外φ＝４０ｍｍ、内φ＝１５ｍｍ、長さ＝３００ｍｍ
サンプルガス：１００ｐｐｍメタノールガス
・処理条件
ガス流量：３Ｌ／ｍｉｎ
消費電力：４．７Ｗ
・熱電素子
Ｂｉ−Ｔｅ系熱電素子（４８ｍｍ×４８ｍｍ）
【実施例１】
【００２２】
実施例１において、図２に示す実験系を用いてメタノール１００ｐｐｍの処理を行い、熱電素子の発電効果の検討を行った。熱電素子の形状は図３に示す通りである。実験開始時の被処理ガスの温度は２５℃であった。電圧印加により、電源が供給する消費電力は４．７Ｗであった。リアクタには前記電力が一定に供給されるように、長時間放電を行った。この際、コンデンサに蓄えられた電力で電源から供給される電力を補いながら、常に前記電力になるように供給した。その結果、放電開始から５時間後、処理ガスの温度が１０７℃に達し、設置した熱電素子による発電は０．３Ｗに達した。この電力をメタノールの分解に用いることにより、電源から供給する消費電力は４．４Ｗに抑制された。尚、実験開始時から５時間経過しても分解率に変化は見られなく、メタノールは７５％分解した。
【実施例２】
【００２３】
実施例２において、図２に示す実験系を用いてメタノール１００ｐｐｍの処理を行い、熱電素子の発電効果の検討を行った。熱電素子の形状は図４に示す通りである。実験開始時の被処理ガスの温度は２５℃であった。電圧印加により、電源が供給する消費電力は４．７Ｗであった。リアクタには前記電力が一定に供給されるように、長時間放電を行った。この際、コンデンサに蓄えられた電力で電源から供給される電力を補いながら、常に前記電力になるように供給した。その結果、放電開始から５時間後、処理ガスの温度が１０７℃に達し、設置した熱電素子による発電は０．６Ｗに達した。この電力をメタノールの分解に用いることにより、電源から供給する消費電力は４．１Ｗに抑制された。尚、実験開始時から５時間経過しても分解率に変化は見られなく、メタノールは７５％分解した。
【００２４】
＜比較例１＞
比較例１において、図２に示す実験系から熱電素子を取り除いた装置を用いてメタノール１００ｐｐｍの長時間分解処理を行った。実験開始時の被処理ガスの温度は２５℃であった。電圧印加により、電源が供給する消費電力は４．７Ｗであった。リアクタには前記電力が一定に供給されるように、長時間放電を行った。その結果、放電開始から５時間後、処理ガスの温度が１０７℃に達するが、電源から供給する電力は４．７Ｗである。尚、実験開始時から５時間経過しても分解率に変化は見られなく、メタノールは７５％分解した。
【００２５】
本実施例において、実施例１では、比較例１と比べて、熱電素子により電源から供給される電力は６％低減された。実施例２は熱電素子の形状を変え、排熱との接触面積を増加し、熱回収効率を向上させることで、電源から供給される電力は１３％低減された。その結果、実施例１と比較してより効率的に排熱を回収できた。
【００２６】
以上より、熱電発電をする熱電素子を用いることでプラズマ反応から発生した排熱を電気エネルギーとして回収することができ、エネルギーの有効利用を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ反応装置を示す模式図である。
【図２】一般的なパックトベッド式プラズマ装置の模式図である。
【図３】本発明の実施例に係るプラズマ反応を利用した排熱回収システムの一例を示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施例に係るプラズマ反応を利用したニードル型排熱回収システムの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    交流高電圧電源
２   プラズマリアクタ
３   熱電素子
４   コンデンサ
５   インバータ
６   電極
７   誘電体
８   ガスを排出する流通路
９   ニードル型熱電素子
【図１】
2005161180.tif 000003
【図２】
2005161180.tif 000004
【図３】
2005161180.tif 000005
【図４】
2005161180.tif 000006