(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスラインに第１のプラズマリアクタと第２のプラズマリアクタを直列に設け、
前記第１のプラズマリアクタ内で、
排気ガス中のＮＯxを含む被処理成分を吸着剤に吸着し、
その後、酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを前記吸着剤に流入し、
放電を発生させ前記窒素ガスの第１の非熱プラズマを吸着剤に印加し、前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生を行い、
その後、下流に接続又は一体化して配置された第２のプラズマリアクタ内で、前記窒素ガスの第１の非熱プラズマにより脱着した被処理成分に、さらに第２の前記窒素ガスのプラズマを印加することにより、ＮＯxをＮ2に還元することを特徴とする排気ガス処理方法。
【請求項２】
前記吸着剤が、平均細孔直径０．１〜５ｎｍのゼオライトである請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項３】
前記排気ガスが燃焼排気ガスであり、その被処理成分が、ＮＯ，ＮＯ2，Ｎ2Ｏ，Ｎ2Ｏ5，ＳＯ2，ＳＯ3，揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ），ダイオキシン類，炭化水素，ＣＯ，ＣＯ2及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）から選ばれる少なくとも一つである請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項４】
前記酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスが、ディーゼルエンジンから排出されるガスの一部である請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項５】
前記第１のプラズマリアクタの非熱プラズマガス温度が３００℃以下である請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項６】
前記第２のプラズマリアクタのプラズマを印加する工程が、交流又は直流電圧によるパルス放電方式、無声放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バリア放電方式、ハニカム放電方式、ペレット充填層放電方式、又はこれらの結合を用いた請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項７】
前記第２のプラズマリアクタのプラズマを印加する工程が、交流又は直流電圧によるアーク放電方式、誘導結合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放電方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合を用いた請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項８】
前記第１のプラズマリアクタの吸着剤内部、又は第２のプラズマリアクタ内部、又はその下流のうち、少なくとも一個所に、触媒が配置されている請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項９】
吸着剤にプラズマを印加する第１のプラズマリアクタと、前記被処理成分除去のための第２のプラズマリアクタの少なくとも一方を複数設け、ガス流入口から排気口に向かって直列となるように、切り替える手段をさらに備えた請求項１に記載の排気ガス処理方法。
【請求項１０】
第１のプラズマリアクタ内に、排気ガス中のＮＯxを含む被処理成分を吸着剤に吸着させる吸着部と、
酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを吸着剤に流入させるガス流路と、
前記吸着剤に第１の非熱プラズマを印加する装置を含み、
前記第１のプラズマリアクタでは、前記排気ガス中の前記被処理成分を吸着剤に吸着し、前記窒素ガスを吸着剤の存在する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの第１の非熱プラズマを吸着剤に印加し、前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤を再生し、
前記第１のプラズマリアクタの下流に第２のプラズマリアクタを接続又は一体化して配置し、前記第１の非熱プラズマにより脱着した被処理成分に、第２の前記窒素ガスのプラズマを印加することにより、ＮＯxをＮ2に還元することを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項１１】
前記排気ガス処理装置が、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉のいずれかの燃焼システム中に設置されている請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１２】
吸着剤にプラズマを印加する第１のプラズマリアクタと、前記被処理成分除去のための第２のプラズマリアクタの少なくとも一方を複数設け、ガス流入口から排気口に向かって直列となるように、切り替える手段をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１３】
前記流路の切り替え手段が、弁切り替え方式又は回転式ロータ方式である請求項１２に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１４】
前記被処理成分の脱着、無害化処理時の流路が、ガス循環式である請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１５】
前記排気ガス処理装置に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは大気圧以上に変化させて、吸着及び脱着を促進する排気装置をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１６】
前記排気ガス処理装置に、排気ガス又は窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着及び脱着を促進する装置をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１７】
前記排気ガス処理装置に、排気ガス中の酸素濃度センサを含むガス計測装置をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１８】
前記排気ガス処理装置に、排気ガス中のエアロゾル及び微粒子捕集装置をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項１９】
前記排気ガス処理装置に、排気ガス又は窒素ガスの湿度調整手段をさらに備えた請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【請求項２０】
前記酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスが、ディーゼルエンジンから排出されるガスの一部である請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス処理方法及び処理装置に関する。さらに詳しくは、非熱プラズマを用いて排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の被処理成分を有効に処理できる排気ガス処理方法及び処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、ボイラ、ガスタービン等の燃焼装置で発生した燃焼ガスを排気系を経由して排出する際における排気ガスの規制強化に伴い、燃料の組成改善、あるいは排気ガスの燃焼装置への再循環、燃焼自体の改善等の燃焼装置側の改良がなされる一方で、上記燃焼装置から排出される排気ガス中の有害成分あるいは被処理成分を、乾式触媒処理装置を用いて除去処理することが行われている。
【０００３】
一方、排気ガス浄化、窒素酸化物（ＮＯｘ）処理方法の一つとして、電子温度が極端に高く、ガス温度は低い、非熱プラズマを用いた研究が進められており、排気ガスを非熱プラズマリアクタに流し、その中に含まれる窒素酸化物の大部分を占める一酸化窒素（ＮＯ）を、アンモニアガスと反応させて硝酸アンモニウム微粒子に変換し、電気集じん装置で回収するＰＰＣＰ方式(Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process,パルスコロナ励起プラズマ化学プロセス法）あるいは、アンモニアは使用せず、ほぼ完全に二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化し、別に設置された湿式化学プロセス装置で窒素（Ｎ2）と水に還元するハイブリッド法（下記特許文献１）が提案されている。
【０００４】
また、一般的に排気ガスの濃度は低い場合が多く、プラズマによりこれを高効率に処理するためには、単位濃度、単位流量あたりのエネルギー投入量が極めて大きくなり、運転コストが高くなる。そのため、一度吸着剤に被処理成分を吸着させ、プラズマにより脱着し、濃縮する技術が提案されている（下記特許文献２〜３）。
【特許文献１】特開２０００−１１７０４９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１４３５１号公報
【特許文献３】特開２００１−３００２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の排気ガス処理装置をボイラ、ガスタービン等の固定燃焼装置あるいはディーゼル自動車等移動燃焼装置に適用する場合、効率が比較的低い、コストがかかる、大量の水を必要とする、装置が大型化する等の理由から、特許文献１に開示されている湿式ではなく、できる限り乾式の処理装置を使用することが望ましい。
【０００６】
また乾式選択触媒還元（ＳＣＲ）法等の触媒による処理法においては、触媒自体には貴金属を含み比較的高価で、埋蔵量も限られており、寿命も比較的短く、燃料中の硫黄による被毒の問題や、目詰まりによる背圧上昇による燃焼器性能低下等の問題があり、できればなくすことが望ましい。
【０００７】
またいわゆるディーゼルエンジンにおいては、軽油を燃料とし、高圧縮による自己着火が行われ、排気ガスには多量の酸素が含まれており、ガソリン自動車等用に利用され広く使用されている三元触媒の使用が困難である。
【０００８】
また、ＳＣＲ法及びＰＰＣＰ法等では触媒やプラズマと併用して、通常、アンモニア等がＮＯｘ処理に使用されるが、取り扱いが困難で、人体に有害であり、装置からの漏れや未反応分のアンモニアガスが大気中に放出される危険性があり、使用しない方法が望ましい。
【０００９】
さらには、ＰＰＣＰ法においては、可燃性の硫酸アンモニウムの微粒子が大量に発生するので、ディーゼル自動車等移動燃焼装置に適用する場合、その回収処理インフラの問題等制約が多い。
【００１０】
一般に燃焼装置等からの排気ガス中には、通常２〜１０％程度の体積濃度の酸素が含まれている。このようなガスをプラズマリアクタに流し、プラズマを印加するだけでは、燃焼ガス中に含まれるＮＯがＮＯ2へ酸化されるだけで、ＮＯｘ（＝ＮＯ＋ＮＯ2）自体はほとんど減少せず、公害の処理にはならない。発生したＮＯ2を除去するためには、必ずハイブリッド法、ＰＰＣＰ法等の付加的な処理が必要となるという課題があった。
【００１１】
また前記特許文献２の方法は、ＮＯｘ等を対象にして酸素（Ｏ2）を含むプラズマで脱着を行おうとすると、脱着量が低く効率が低いという課題があった。また、脱着したガスを処理する手段として、揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）等の可燃性のガスの場合、引火燃焼処理することが考えられるが、不燃性のガスの場合、その処理方法も確立されていないという問題があった。
【００１２】
また前記特許文献３の方法は、排気ガスを一旦冷却し、排気ガスに含まれる有害ガスを吸着剤に吸着しこれを排ガス中に発生させたプラズマにより直接分解するが、被処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生処理がなされておらず、窒素プラズマを使用していないため、処理効率は高くなく、吸着剤の長期使用にも問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、窒素ガスを用いて電離しプラズマ化することにより活性度を高め、この性質を有効に利用し、吸着、窒素を主成分とするプラズマ脱着と窒素プラズマ処理を組み合わせ、酸素を含む排気ガス中の被処理成分除去処理を有効にできる排気ガス処理方法及び処理装置を提供する。
【００１４】
本発明の排気ガス処理方法は、排ガスラインに第１のプラズマリアクタと第２のプラズマリアクタを直列に設け、前記第１のプラズマリアクタ内で、排気ガス中のＮＯxを含む被処理成分を吸着剤に吸着し、その後、酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを前記吸着剤に流入し、放電を発生させ前記窒素ガスの第１の非熱プラズマを吸着剤に印加し、前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤の再生を行い、その後、下流に接続又は一体化して配置された第２のプラズマリアクタ内で、前記窒素ガスの第１の非熱プラズマにより脱着した被処理成分に、さらに第２の前記窒素ガスのプラズマを印加することにより、ＮＯxをＮ2に還元することを特徴とする。
【００１５】
本発明の排気ガス処理装置は、第１のプラズマリアクタ内に、排気ガス中のＮＯxを含む被処理成分を吸着剤に吸着させる吸着部と、酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを吸着剤に流入させるガス流路と、前記吸着剤に第１の非熱プラズマを印加する装置を含み、前記第１のプラズマリアクタでは、前記排気ガス中の前記被処理成分を吸着剤に吸着し、前記窒素ガスを吸着剤の存在する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの第１の非熱プラズマを吸着剤に印加し、前記被処理成分の脱着処理及び吸着剤を再生し、前記第１のプラズマリアクタの下流に第２のプラズマリアクタを接続又は一体化して配置し、前記第１の非熱プラズマにより脱着した被処理成分に、第２の前記窒素ガスのプラズマを印加することにより、ＮＯxをＮ2に還元することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の被処理成分を吸着剤に吸着（吸収とも言う）させ、被処理成分の脱着（脱離とも言う）を、窒素ガスを主成分とするプラズマにより急速かつ高効率に行う。これにより被処理成分を高濃度化すると同時に、吸着剤の再生を行う排気ガス処理方法、ならびにその下流でさらに、窒素ガスを主成分とするプラズマにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の被処理成分を高効率に除去して大気中に排出する排気ガス処理方法、ならびに以上の技術を利用し、吸着剤の切り替え、排気ガスの循環処理を行い、高効率、省エネルギーな排気ガス処理方法と装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、以下の方法又は装置を提供することで、高効率かつ省エネルギーで排気ガスを処理し、地球環境の保全に資するものである。
【００１８】
本発明において用いる「非熱プラズマ」とは、ガス温度が通常の気体の燃焼温度（７００〜１０００℃程度）より相当低い電離状態のプラズマをいい、通常３００℃以下のプラズマをいう。特に好ましい条件は、温度：１００℃以下、圧力：大気圧程度、相対湿度：６０％以下、印加電圧：１〜５０ｋＶ、ピーク電流１〜１００Ａの範囲である。
【００１９】
本発明では、ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着させる工程と、酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを吸着剤に流入させる工程、及び前記吸着剤に非熱プラズマを印加する工程を備え、ガス中の被処理成分を吸着剤に吸着後、前記窒素ガスを吸着剤の存在する流路に流し、放電を発生させ前記窒素ガスの非熱プラズマを吸着剤に印加し、被処理成分の脱着（脱離ともいう）処理、吸着剤の再生を行う（第１の発明と呼ぶことがある）。
【００２０】
前記処理後に、下流又は一体化して配置された、非熱プラズマリアクタにより前記窒素ガスのプラズマを脱着した被処理成分に印加し除去する工程をさらに備えても良い（第２の発明と呼ぶことがある）。
【００２１】
前記吸着剤は、平均細孔直径０．１〜５ｎｍのゼオライトであることが好ましい。
【００２２】
前記ガスが燃焼排気ガスであり、その被処理成分が、ＮＯ，ＮＯ2，Ｎ2Ｏ，Ｎ2Ｏ5，ＳＯ2，ＳＯ3，揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ），ダイオキシン類に代表される環境汚染物質，炭化水素，ＣＯ，ＣＯ2及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）から選ばれる少なくとも一つが好ましい。例えばＮＯ，ＮＯ2，Ｎ2Ｏ，Ｎ2Ｏ5等の窒素酸化物（ＮＯx）は窒素ガス（Ｎ2）に還元できる。また、ＳＯ2，ＳＯ3等の硫黄酸化物（ＳＯx）、炭化水素，ＣＯ，ＣＯ2、トルエン、ベンゼン、キシレン等の揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）や、ダイオキシン類、ハロゲン化芳香族物質、高縮合度芳香族炭化水素等の環境汚染物質は、無害な物質に分解又は変換できる。
【００２３】
前記酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスは、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの一部とすることもできる。この場合は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを有効利用できる。
【００２４】
前記窒素ガスのプラズマガス温度が１０００Ｋ以下が好ましい。温度の下限値はとくになく、室温（２７℃）はもちろん可能で、−１００℃でも−２００℃でも実施可能である。
【００２５】
前記プラズマを印加する工程は、交流又は直流電圧によるパルス放電方式、無声放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バリア放電方式、ハニカム放電方式、ペレット充填層放電方式、又はこれらの結合を用いるのが好ましい。
【００２６】
前記プラズマを印加する工程は、交流又は直流電圧によるアーク放電方式、誘導結合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放電方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合を用いるのが好ましい。
【００２７】
前記吸着剤内部、又はプラズマリアクタ内部、又はその下流のうち、少なくとも一個所に、触媒が配置されているのが好ましい。
【００２８】
本発明の装置は、吸着剤プラズマリアクタ及び被処理成分除去プラズマリアクタがガス流入口から排気口に向かい直列に配置された流路を複数準備し、切り替えできるように配置する。排気ガスを上流より導入し、その中の被処理成分を吸着剤に吸着させる。その後、流路の切り替えを行い、純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスを吸着後の吸着剤に流し、脱着、再生させる。脱着後の吸着剤は新たに排気ガスの吸着に利用する。放出されたＮＯｘ等の被処理成分は高濃度化され、下流に配置された被処理成分除去プラズマリアクタを用いて低いエネルギーで除去処理される。以上の性能をもつ乾式の排気ガス処理装置（第３の発明と呼ぶことがある）である。
【００２９】
前記流路の切り替え方式が、弁切り替え方式又は回転式ロータ方式であることが好ましい。
【００３０】
前記被処理成分の脱着、無害化処理時の流路が、ガス循環式（ＥＧＲ）であることが好ましい。吸着された有害成分を脱着させ、再度燃焼器内に導入し、無害化することも可能である。
【００３１】
前記排気ガス処理装置自体に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは以上に変化させて、吸着及び脱着を促進することのできる排気装置をさらに備えたことが好ましい。
【００３２】
前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス又は窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着及び脱着を促進することのできる装置をさらに備えたことが好ましい。
【００３３】
前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス中の酸素濃度センサ等のガス計測装置をさらに備えたことが好ましい。
【００３４】
前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス中のエアロゾル及び微粒子捕集装置をさらに備えたことが好ましい。
【００３５】
前記排気ガス処理装置自体に、排気ガス又は窒素ガスの湿度調整手段をさらに備えたことが好ましい。
【００３６】
本発明の装置は、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃焼システムの中に設置して使用できる。
【００３７】
本発明方法及び装置においては、非熱プラズマを吸着剤に印加し、被処理成分の脱着処理した後、下流で窒素プラズマによる被処理成分の除去を行うのが好ましい。
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の排気ガス処理装置の実施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、発明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。
【００３９】
本発明では、排気ガスに含まれるＮＯｘ等の被処理成分を吸着剤に吸収させ、吸着後、被処理成分の脱着を窒素を主成分とするプラズマにより高効率に行い、吸着剤の再生を行い、被処理成分を高濃度化する方法（第１の発明）、さらにその下流で、窒素を主成分とするプラズマにより排気ガス中の被処理成分を高効率に除去して大気中に排出する排気ガス浄化方法（第２の発明）、及び、以上の技術を応用し、吸着剤の切り替え、排気ガスの再循環を行うことで排気ガス処理を高効率、省エネルギーに行う排気ガス処理装置（第３の発明）に関する。
【００４０】
図１は第１の発明の実施形態の一例で、石英管１の両端部をシリコンゴム栓２，３で封止した反応器を用い、左上の供給口４より流入した排気ガスａ中の被処理成分を、反応器の内部に設置したペレット状吸着剤５に長時間吸着除去させ、排出する。吸着後、窒素ガスを流入させ、反応器の内部に設置した放電線６と反応器の外側周囲に設置した銅網電極７間に電源８から高電圧パルス電圧を印加する。これによりプラズマを発生させ、吸着剤にプラズマを印加し、排気ガスの短時間脱着及び吸着剤の再生を行う。処理されたガスｂは排出口９より排出される。反応器の石英管１の内直径２０ｍｍ、外直径２６ｍｍ、石英管全長４５０ｍｍ、ペレット及び銅網電極の長さは５６ｍｍであった。
【００４１】
吸着剤は被処理成分を有効に吸収し、脱着可能であれば種類を問わないが、平均細孔直径０．１〜５ｎｍのゼオライト、活性炭、アルミナ、コージェライト、ポリエステル繊維を好適例として挙げることができる。また、導電性はできるだけ低いことが望ましく、誘電率は高い方が強力なプラズマが発生できるため好ましい。また形状は、ペレット状もしくは流動圧力損失を少なくするためにハニカム状のものであることが好ましい。
【００４２】
図２は脱着させた被処理成分を窒素プラズマで分解するための被処理成分除去プラズマリアクタの模式図であり、図１の吸着剤プラズマリアクタ及びその下流に位置する図２の被処理成分除去プラズマリアクタにより、第２の発明の一例が構成される。図１と同一の符号は同一物を示すので説明を省略する。図２では左上より流入した被処理成分を含む脱着ガスを、放電線と同網電極間に高電圧パルス電圧を印加し、プラズマを発生させ、被処理成分の除去処理を行う。排気ガス中の被処理成分が一酸化窒素（ＮＯ）である場合には、窒素プラズマにより形成された窒素ラジカルと高速電子による反応により、発生するＮＯをほぼ１００％Ｎ2まで還元できる。
【００４３】
本発明では前記排気ガスの主な被処理成分が、ＮＯ，ＮＯ2，Ｎ2Ｏ，ＳＯ2，ＳＯ3，ＣＯ，ＣＯ2，ＶＯＣｓ，ＨＣ，Ｈ2Ｏのいずれかであること主に想定しているが、他のガス成分に対しても有効である。
【００４４】
前記被処理成分除去プラズマリアクタで発生させるプラズマの種類は特に限定されないが、難分解性のガス（ＣＯ2等）に関しては１０００℃程度の高温（熱、高温、サーマル）非平衡プラズマを使用するのが有効である。これ以上のガス温度ではエネルギー効率の低下は避けられない。その他、前記プラズマを印加する工程は、交流又は直流電圧によるパルス放電方式、無声放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、バリア放電方式、ハニカム放電方式、ペレット充填層放電方式、アーク放電方式、誘導結合型放電方式、容量結合型放電方式、マイクロ波励起放電方式、レーザ誘起放電方式、電子線誘起放電方式、粒子線誘起放電方式、又はこれらの結合方式が使用できる。
【００４５】
なお、本発明で使用される吸着剤プラズマリアクタ及び被処理成分除去プラズマリアクタは、図１、図２の構造に限定されるものではなく、プラズマを印加する各方式に従って、それに適した、考え得る種々の方式を採用することができる。
【００４６】
前記吸着剤プラズマリアクタ内部、又は被処理成分除去プラズマリアクタ内部、又はその下流のうち、少なくとも一個所に、還元を活性化するため触媒を配置することもできる。なお、触媒は、本処理装置の性能を向上させる補助的な手段であり、不可欠なものではない。
【００４７】
以上の排気ガス処理方法にもとづく排気ガス処理装置をディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉のいずれかの燃焼システム中に設置する場合には、出力の一部を発電機により、電力に変え、プラズマリアクタを駆動することができる。
【００４８】
図３は第３の発明の実施形態の一例である。第２の発明に基づく、吸着剤プラズマリアクタ１３及び被処理成分除去プラズマリアクタ１４がガス流入口から排気口に向かい直列に配置された流路を複数準備し、切り替えできるように配置する。排気ガス１１を上流より導入し、その中のＮＯｘ等の被処理成分を吸着剤プラズマリアクタ１３内の吸着剤に吸着させる。なお、本発明では吸着剤プラズマリアクタ１３のみでも実施できるが、被処理成分除去プラズマリアクタ１４を用いるとさらに効率が良くなる。
【００４９】
その後、図４に示すように流路の切り替えを行い、排気ガス１１を別の吸着剤で処理する一方、純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガス１２を吸着後の吸着剤に流し、プラズマ電源１５のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで脱着、再生させる。脱着後の吸着剤は新たに排気ガスの吸着に利用する。放出されたＮＯｘ等の被処理成分は高濃度化され、下流に配置された被処理成分除去プラズマリアクタ１４を用いて低いエネルギーで除去処理され、浄化排気ガス１６として排気される。以上の方式により、排気ガス１６は常に浄化された状態に保たれる。
【００５０】
なお、吸着剤プラズマリアクタと被処理成分除去プラズマリアクタ一体化されていても良い。
【００５１】
前記流路の切り替え方式は、図３、図４に示したような、弁切り替え方式あるいは図５に示すような、回転式ロータ１７を用いた切り替え方式でも良い。これにより流路切り替えが容易になる。
【００５２】
図６は被処理成分除去時の流路が、単一のガス循環式であるような実施形態の一例である。排気ガス２１を上流より導入し、その中のＮＯｘ等の被処理成分を三方向弁２８で２個の吸着剤２３のいずれかに吸着させる。吸着後、三方向弁２８で流路の切り替えを行い、純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガス２２をバルブ２７を用いて、吸着後の吸着剤２３に流し、プラズマ電源２５をＯＮすることで、吸着剤を脱着、再生させる。脱着後の吸着剤２３は新たに排気ガスの吸着に利用する。放出されたＮＯｘ等の被処理成分は高濃度化され、一時的にガスタンク３０に蓄えられる。その後、ポンプ２９により被処理成分除去プラズマリアクタ２４の出口から入り口へと循環し、同時に電源２５をＯＮすることによってプラズマが発生し、被処理成分が２４により除去処理され、最終的に浄化排気ガス２６となって排出される。前記において、排気ガス２１を上流より導入し、吸着剤２３に吸着させ、その後、純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガス２２を吸着剤２３に流し、プラズマ電源２５をＯＮすることで、吸着剤を脱着、再生させるが、純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガス２２の供給方向は、排気ガス２１の供給方向と同一方向（並流）であっても良いし、反対方向（向流）であっても良い。どちらかというと向流のほうが吸着物を脱離しやすく好ましい。
【００５３】
なお、排気ガス処理装置自体に、ガス圧力を変化させて大気圧以下あるいは以上に変化させて、吸着及び脱着を促進することのできる排気装置を備えることができる。
【００５４】
また、窒素ガスを加熱又は冷却して、吸着及び脱着を促進することのできる装置をさらに備えることができる。
【００５５】
プラズマ処理は排気ガス中の酸素濃度等に敏感に依存するので、排気ガス流路中に、酸素濃度センサ等のガス濃度を制御するためのセンサを備えることが望ましい。その計測結果によりプラズマを制御する。
【００５６】
吸着剤、被処理成分除去プラズマリアクタの目づまりを防ぐため、エアロゾル又は微粒子フィルタ等を、処理装置内に備えることが望ましい。ただし静電捕集、フィルタ等の効果により吸着剤プラズマリアクタがその性能を持つ場合は兼用することもできる。
【００５７】
脱着、プラズマ反応は湿度、温度に依存するので、排気ガス又は窒素ガスの除湿、加熱及び冷却手段を処理装置内に備えることが望ましい。その構造として一般的なミストトラップや、電気ヒータによる加熱、ブロアによる空気冷却があげられる。
【００５８】
本排気ガス処理装置をディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃焼システム中に設置する場合には、出力の一部を発電機により、電力に変え、両プラズマリアクタを駆動することができる。
【００５９】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００６０】
本発明により、低濃度で酸素を多量に含む燃焼装置からの排気ガス処理を吸着、脱着、窒素ガスの非熱プラズマ処理を組み合わせることにより、簡単な装置で原則として触媒や、付加的な処理を行わず乾式で高効率に処理できる。
【実施例】
【００６１】
本実施例の実験装置の概略図を図７に示す。乾燥窒素ガス（純度９９％、以下窒素と呼ぶ）３１、乾燥空気（以下空気と呼ぶ）３２、乾燥窒素希釈２％ＮＯガス（以下ＮＯと呼ぶ）３３を混合して、３台のマスフローコントローラ３４で所定の流量及び酸素、窒素、ＮＯ濃度に調整し、混合したモデル排気ガスを、三方向弁３５ａを通過させ、未使用のゼオライト吸着剤ペレット（ＭＳ−１３ Ｘ、Ｍｅｒｃｋ ＫＧａＡ社製）を充填した吸着剤プラズマリアクタ３６内に流し込み、吸着させた。その後、窒素又は空気を流しながら吸着剤プラズマリアクタ３６にパルス高電圧電源３８により電圧を印加して、非熱プラズマを発生させ、吸着したＮＯを脱着させた。また、３個の３方向弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを開閉して、下流の被処理成分除去プラズマリアクタ３７に脱着したＮＯを導入し、プラズマによる浄化処理を行った。
【００６２】
吸着剤プラズマリアクタ３６の外形は図１に示したものと同様な石英管で、内直径２０ｍｍ、外直径２６ｍｍ、石英管全長４５０ｍｍ、ペレット及び銅網電極の長さは５６ｍｍであった。また被処理成分除去プラズマリアクタ３７の外形は図２に示したものと同様な石英管で、内直径２０ｍｍ、外直径２６ｍｍ、石英管全長４５０ｍｍ、銅網電極の長さは２６０ｍｍであった。
【００６３】
ＮＯ，ＮＯ2，ＮＯｘ，Ｏ2の濃度は、ガス分析器（堀場製作所製、ＰＧ−２３５）３９を用いて測定した。処理後のガスは排気路４０から排気した。４１はオシロスコープ及び電流電圧プローブである。
【００６４】
プラズマ電源３８にはＩＧＢＴパルス高電圧電源（増田研究所製、ＰＰＣＰ Ｐｕｌｓａｒ ＳＭＣ(３０／１０００）を使用した。図８にその回路図を示す。図８において、４２は直流電源であり、ＡＣ２００Ｖ、最大７Ａまでの出力が可能である。４３はゲート駆動回路、４４は高電圧タンクであり、ＣＯはコンデンサである。ＩＧＢＴにより１．５〜１．９ｋＶの電圧がスイッチングされる。４５はパルストランスであり、その比率は１：２０とした。４６は磁気パルス圧縮手段である。４７は高電圧出力であり、９Ｈｚ〜１ｋＨｚ、３５ｋＶとした。両プラズマリアクタへの印加電圧、電流、瞬時電力の波形をオシロスコープ（横河電機社製 ＤＬ １７４０）と高電圧プローブ、電流プローブ（Ｓｏｎｙ Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ 社製、Ｐ６０１５Ａ及びＰ６０２１）で測定し、瞬時電力の積分値から消費電力を求めた。
【００６５】
吸着プロセスでは、空気とＮＯを混合して５００ｐｐｍに調整したガスを流量２．０Ｌ／ｍｉｎで１２０分間、吸着剤プラズマリアクタ３６内のＭＳ−１３Ｘに吸着させた。ＮＯの排気濃度を図９に示す。１２０分に渡って８０％以上吸着が続いた。
【００６６】
吸着後、吸着剤プラズマリアクタ３６による脱着プロセスでは、空気２．０Ｌ／ｍｉｎ又は窒素２．０Ｌ／ｍｉｎのプラズマを流して行った。パルス高電圧の周波数は４２０Ｈｚ、ピーク電圧を３１〜３３ｋＶである。図１０に結果を示す。脱着したＮＯの一部は酸化されておりＮＯ2になっているため、図１０ではＮＯｘ（＝ＮＯ＋ＮＯ2で定義する）の濃度も併記した。図１０から窒素プラズマを用いた方が、空気プラズマを流した場合と比べて、より高濃度で大量に脱着していることが分かる。
【００６７】
なお、吸着剤プラズマリアクタ３６の種類によっては、ガス中の酸素と窒素の反応により、１００℃程度の低温でも、ＮＯｘが新たに発生する場合もあることが知られているが、本実施例で使用した吸着剤プラズマリアクタ３６では、ＮＯの吸着を行わない場合には、ＮＯｘの排出は起こらないことを、あらかじめ確認している。すなわち、図１０のＮＯｘは脱着により発生したものと確認した。
【００６８】
図１１に窒素で脱着したＮＯｘを下流の被処理成分除去プラズマリアクタ３７で処理した場合の結果を示す。消費電力３６Ｗで、９５％以上の除去が可能である。
【００６９】
図１２及び図１３にそれぞれ、空気及び窒素を用いた場合の吸着剤プラズマリアクタ３６への印加電圧、電流、瞬時電力の波形を示す。瞬時電力は、Ｖ＞０となる領域でＶとＩをかけ合わせて表示した。両図ともほぼ同様の波形を示し、瞬時電力の積分値から求めた消費電力は１１Ｗ程度であり、ほぼ同じ値であった。
【００７０】
以上の結果から、同じ電力で大量の脱着が可能な、窒素プラズマの有効性が確かめられた。
【００７１】
図１４は窒素プラズマ２．０Ｌ／ｍｉｎによる種々の条件でのＮＯｘ還元の実験結果である。電圧、周波数、メッシュの長さを変えて、エネルギー密度比ＳＥＤと除去可能な最大のＮＯｘの濃度を計測した。ここでＳＥＤとは単位処理ガス体積あたりの投入エネルギーであり、ＳＥＤ＝６０Ｐ／Ｑ（Ｊ／Ｌ）で定義される。ここで、Ｐ：放電電力（Ｗ）、Ｑ：ガス流量（Ｌ／ｍｉｎ）である。図から５００ｐｐｍ濃度のＮＯなら２５０Ｊ／Ｌ（電力換算８．３Ｗ）で、１０００ｐｐｍ濃度のＮＯなら約５００Ｊ／Ｌ（電力換算１６．７Ｗ）で、ＮＯをＮ2に１００％還元できることがわかる。
【００７２】
図１５は酸素濃度がプラズマ反応に与える影響を調べた結果である。実験条件は、電源の周波数４２０Ｈｚ、Ｖ＝３０ｋＶ、Ｑ＝２．０Ｌ／ｍｉｎ、ＮＯ初期濃度５００ｐｐｍである。プラズマ電力は図１４から計算される最小の電力値より大きい２８Ｗを投入している。空気と窒素を混合することで酸素濃度を調節した。図１５より、酸素濃度が０％の時には、ほぼ１００％のＮＯ除去が達成できているが、酸素濃度が増加するにつれてＮＯ除去量は低下し、ＮＯ2あるいは、図には示していないが少量のＨＮＯ3，Ｎ2Ｏ5，Ｎ2Ｏ等に変換される割合が大きくなる。酸素濃度が６％以上で１０％に近づくとＮＯの大部分はＮＯ2等に変換され、実質的な公害の処理はほとんど行われていない。
【００７３】
以上から、酸素を少なくても１０％含むガス、あるいは純度９０％以下の窒素ガスでは、ＮＯｘの１００％に近い除去はプラズマのみでは困難なことがわかる。この結果から、酸素濃度１０ｖｏｌ％以下で純度９０ｖｏｌ％以上の窒素ガスとして、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの一部を適用することができる。この場合は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを有効利用できる。
【００７４】
そもそも実際の燃焼ガスを窒素プラズマ（非酸素プラズマ）で直接処理することは、その中に数％程度の酸素がもともと含まれている場合が多いので、以上の結果から困難である。被処理成分を一度吸着させて、窒素で脱着、処理する本発明の優位性はこの点にある。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の装置は、ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、焼却炉等の燃焼システム中に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は本発明の吸着脱着による排気ガス処理方法の一実施形態を模式的に示す模式図である。
【図２】図２は本発明のプラズマ排気ガス処理方法の一実施形態を模式的に示す模式図である。
【図３】図３は本発明の排気ガス処理装置の一実施形態を模式的に示す模式図である。
【図４】図４は本発明の排気ガス処理装置の一実施形態における排気ガスと窒素ガスが切り替えられた状態を模式的に示す模式図である。
【図５】図５は本発明の排気ガス処理装置の別の実施形態におけるハニカム吸着剤ロータを備えた状態の模式図である。
【図６】図６は本発明の排気ガス処理装置の別の実施形態における排気ガス循環処理装置を備えた状態の模式図である。
【図７】図７は本発明の実施例における排気ガス処理装置の各種測定を行うための全体概要構成図である。
【図８】図８は本発明の実施例におけるプラズマ印加用電源の回路図の概要図である。
【図９】図９は本発明の実施例における吸着時の吸着剤出口での、ＮＯの濃度と経過時間の関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は本発明の実施例における空気プラズマ及び窒素プラズマ脱着時の、吸着剤出口での、ＮＯ及びＮＯｘの濃度と経過時間の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は本発明の実施例における窒素プラズマ脱着後に、プラズマ処理を行い、リアクタの出口での、ＮＯｘの濃度と経過時間の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は本発明の実施例における排気ガス処理装置内の空気プラズマ発生電極に掛かる印加電圧と、その際に流れる電流及び瞬時電力を示したグラフである。
【図１３】図１３は本発明の実施例における排気ガス処理装置内の窒素プラズマ発生電極に掛かる印加電圧と、その際に流れる電流及び瞬時電力を示したグラフである。
【図１４】図１４は本発明の実施例におけるプラズマ処理を行った際の、ＳＥＤとＮＯｘの除去率の関係を示すグラフである。
【図１５】図１５は本発明の実施例におけるプラズマ処理を行った際の、酸素濃度とＮＯｘ減少量、酸素濃度とＮＯ減少量、酸素濃度とＮＯ2増加量の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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