(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを導くガス排出路と、
このガス排出路に設けられ、上記排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電部と、
上記ガス排出路に設けられ、排気ガスに放電処理を行なって化学種を生成する放電反応部と、
この放電反応部で生成された化学種により活性化される触媒剤を有する触媒反応部とを備え、
前記ガス排出路に、還元作用を有する添加ガスを注入するガス添加手段が設けられ、前記電気エネルギが回収された排気ガスに前記ガス添加手段で添加ガスの供給により、前記排気ガスに含まれる有害物質の分解処理が促進される一方、
前記排気ガスを活性化触媒の触媒反応で浄化・処理したことを特徴とする発電浄化システム。
【請求項２】
前記排気ガスは、窒素酸化物、ダイオキシン類、一酸化炭素、炭化水素、気体悪臭成分のうちの少なくとも１つの気体物質を有することを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項３】
前記触媒剤は、オゾン分解作用を有する触媒剤を有することを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項４】
前記触媒剤は、窒素酸化物の還元作用を有する触媒剤を有することを特徴とする請求項１または３に記載の発電浄化システム。
【請求項５】
前記添加ガスは、炭化水素ガスあるいは水素の還元ガスを有することを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項６】
前記発電部は放電反応部の上流側に設置されたことを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項７】
前記放電反応部の下流側に排気ガスの排熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項８】
前記発電部で回収された電気エネルギが放電反応部に供給され、上記放電反応部は前記電気エネルギの少なくとも一部を放電処理に用いたことを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項９】
前記発電部は、熱電気素子、熱電子素子およびタービンのうちの少なくとも１つを備えた熱電発電装置であることを特徴とする請求項１に記載の発電浄化システム。
【請求項１０】
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して回収するエネルギ回収工程と、
排気ガスから回収される電気エネルギの回収前あるいは回収後に、前記排気ガスを放電処理して化学種を生成させる放電反応工程と、
生成された化学種により、触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを有し、
前記エネルギ回収工程で電気エネルギが回収された排気ガスに、ガス添加手段により還元作用を有する添加ガスを供給し、排気ガスに含まれる有害物質の分解処理を促進させる一方、
前記排気ガスを活性化した触媒の触媒反応により浄化処理することを特徴とする発電浄化方法。
【請求項１１】
前記エネルギ回収工程で回収された電気エネルギを、放電反応工程における放電反応に直接あるいは間接的に使用することを特徴とする請求項１０に記載の発電浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガスに含まれる熱エネルギを回収して排ガス処理・浄化を行なう発電浄化システムおよび発電浄化方法に係り、特に、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収し、排気ガス中に含まれる有害物質を無害化あるいは基準値以下に処理し、浄化する発電浄化システムおよび発電浄化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人類のエネルギ消費量は歴史的に例を見ない程加速された結果、ＣＯ２などの温暖化ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。ＣＯ２発生をできるだけ抑制するため、現在捨てられている排気ガスのような未利用の排熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電システムの出現が待望されている。
【０００３】
一方、排熱エネルギを有する排気ガスは、自動車やトラック等の装置または火力発電プラントや化学プラント、廃棄物焼却炉等のプラント施設から大気中に排出される不用となったガスであり、例えば、廃棄物焼却炉の排ガス、ディーゼルエンジン排ガス、ガソリンエンジン排ガス、焼却炉や下水処理場の排ガス等がある。近年、これら排気ガス中の窒素酸化物、ダイオキシン類、一酸化炭素、炭化水素、悪臭成分、重金属、粉塵等に関して、各種有害物質の排出規制が次第に強化されつつある。
【０００４】
こうした背景下、従来の有害物質の処理・浄化システムとしては、以下の２タイプが主に提案されている。
【０００５】
（１）燃焼排気ガスのガス排出路に触媒装置を設け、この触媒装置によって、ダイオキシン類やＮＯｘ等を除去するガス浄化システム。
【０００６】
（２）排気ガスの排出路に放電プラズマ発生装置を設け、この放電プラズマ発生装置によって、ダイオキシン類を分解処理するガス浄化システム。
【０００７】
他方、焼却炉の排ガスの熱エネルギからの電力回収装置としては、A. Tsuyoshi, et al, “EFFECTIVE THERMOELECTRIC GENERATION BY USE OF HEAT STORED IN A THERMAL ACCUMULATOR”, Proceedings ICT98(1998)．やティー・アイ・シー社刊「新クリーンエネルギ開発とセラミックス」（第１９頁〜第２７頁参照）に記載されているものがあった。また自動車の排気ガスの熱エネルギからの電力回収装置としては、特開平９−３２９０５８号公報等に開示されるようなものがある。
【０００８】
これらの電力回収装置は、焼却炉やエンジンからの排気を導出する排気管の外表面に、発電手段として熱電気素子の一側面を直接接触させて取り付けたり、あるいは、ヒートパイプにより熱エネルギを排気管外部に取り出し、排気管外部のヒートパイプに熱電気素子の一側面を直接接触させて取り付け、上記熱電気素子の他側面を水冷式や空冷式の冷却部に接触させ、前記熱電気素子のゼーベック効果を利用し、前記熱電気素子の一側面と他側面との温度差に応じた起電力を発生させるものであり、前記温度差が大きいほど発電効率が良く、電気出力も大きくなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
触媒装置を用いて排気ガス中のＮＯｘ処理やダイオキシン処理においては、触媒を活性化させるために、少なくとも２５０℃以上の温度が必要であるのに対して、例えば廃棄物焼却炉の排ガス処理・浄化システムでは、特にダイオキシン類の再生成抑制の観点から、触媒の動作温度は２００℃以下にすることが必須となっている。このため、触媒活性温度が足りず、結果的にダイオキシン類やＮＯｘは効率良く触媒反応処理できないのが現状である。
【００１０】
また、プラズマ発生装置を用いたガス浄化においては、２００℃以下の放電プラズマによってダイオキシン類が分解され、排気ガス中に含まれるＮＯｘ中のＮＯはＮＯ２に効率良く酸化され得る。
【００１１】
しかしながら、ＮＯ２を更にプラズマ発生装置の放電処理により酸化しようとすると、多大な電力が必要となり、効率良い酸化処理を行なうことができない。
【００１２】
このため、従来の放電プラズマ装置によるガス処理システムを改良したものとして、放電プラズマ発生装置の下流側に薬品添加タイプの湿式スクラバや吸着層を設けたガス浄化システムが提案されている。このようなガス浄化システムでは、比較的少ない電力消費下の放電処理でＮＯをＮＯ２に酸化後、さらにＮＯ２を酸化処理するために湿式スクラバ装置や吸着装置を用いている。
【００１３】
このガス処理システムを用いた場合、排水処理や薬品代、吸着剤等の維持管理、運転費の増加、といったコスト面での問題が大きい。
【００１４】
また、ディーゼルエンジンから発生するＮＯｘの処理・浄化に関しては、炭化水素を還元剤としたＮＯｘ還元触媒が主に使用される。しかし、ＮＯｘ還元触媒の動作温度は３００℃以上と高く、エンジン始動時などの排気ガス温度が低い温度域では、ＮＯｘ還元触媒の活性が低く、充分なＮＯｘ処理・浄化が実現できないという問題がある。
【００１５】
従来の触媒装置を用いたガス処理システムで排気ガス中の有害物質を処理・浄化するには、触媒を活性化させるために、２５０℃〜３００℃の高温が不可欠である。触媒装置においては、排気ガス温度が２５０℃〜３００℃以下の場合は触媒が充分に活性化せず、触媒反応が促進されない。このため、触媒を活性化させるべく外部より熱エネルギを与えて加熱を行なっている。また排気ガス温度が２５０℃〜３００℃以上の場合はダイオキシン類の再生成防止の観点から、積極的に外部に熱エネルギを放出させて冷却をしなければならず、いずれにしてもガス処理システムは排ガス処理に直接無関係な温度調節の仕事をするためのエネルギが必要となるという問題もある。
【００１６】
これに対し、熱エネルギを効果的に電気エネルギに変換する発電手段をガス排出路に配置すると、発電手段により排気熱が奪われるために、発電手段通過後の排気ガスの温度は、高くとも百数十℃に低下する。このため、発電手段の下流側で排気ガス中の有害物質の処理・浄化が非常に困難となり、排気ガス中の熱エネルギを回収する発電と有害物質の処理・浄化の両立は極めて困難であり、二律相反の問題があった。
【００１７】
この問題の解決には、発電手段より上流側で排ガス温度が高いうちに排気ガス中の有害物質の処理・浄化を行なう必要がある。しかし、触媒の温度には上限値があるため、発電手段入口の排ガス温度は触媒温度の上限値で制限されてしまい、排気ガスに含まれる熱エネルギを効率良く電気エネルギとして回収することができず、やはり発電と有害物質の処理・浄化の両立は困難であるという問題が残る。
【００１８】
さらに、従来の一般的な自動車の車両では、触媒の温度が上限値を超えないようにするために、エンジンの出力が制限されるという問題もあった。
【００１９】
特開２０００−２９７６３２号公報には、特に自動車の排気ガスに含まれる熱エネルギを電気エネルギとして回収する自動車用排熱発電装置が開示されている。この排熱発電装置は、発電手段として熱電気素子を、エンジンの排気通路に介装される触媒よりも上流側の排気通路に設ける一方、触媒の不活性状態において熱電気素子に対して強制的に電力を供給するよう構成している。
【００２０】
かかる排熱発電装置の構成によると、触媒上流側に熱電気素子を配置することで、触媒上流側の排熱エネルギが電気エネルギとして熱電気素子により回収されるが、触媒の不活性状態においては、前記熱電気素子により発電を行なわせるのではなく、逆に、熱電気素子に電力を供給して熱電気素子を発熱させ、触媒に流入する排気ガスの温度を熱電気素子の発熱により高め、触媒温度が早期に活性温度にまで上昇するようにしている。
【００２１】
熱電気素子は、発電状態では熱を吸収することになるが、電力を供給することで発熱させる可逆性を有する。このため、熱電気素子は、触媒の不活性状態においては排気ガスを加熱するヒータとして機能し、触媒が活性化した後、初めて通常の発電が可能となる。
【００２２】
特開２０００−２９７６３２号公報に開示の自動車用排熱発電装置の構成では、触媒の不活性状態において熱電気素子に強制的に電力を供給する必要があり、エンジン始動後、触媒の温度が活性温度に到達するまでの間は、バッテリから電力を供給し続けなければならないという問題があった。
【００２３】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして効率よく回収する一方、放電反応で生成される化学種により触媒剤を活性化させ、排気ガスの温度如何に拘らず、排気ガスに含まれる有害物質の浄化処理を有効的に効率よく行なうことができる発電浄化システムおよび発電浄化方法を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明の他の目的は、発電部で排気ガスに含まれる熱エネルギを電気エネルギに効率よく変換することができる発電浄化システムおよび発電浄化方法を提供するにある。
【００２５】
本発明のさらに他の目的は、発電部で回収された電気エネルギを放電反応に必要なエネルギとして供給し、外部電源が不要な発電浄化システムおよび発電浄化方法を提供するにある。
【００２６】
本発明の別の目的は、自動車等の熱機関からの排気ガスが低温の始動時にも、有害成分の排出量を抑制し、触媒を保護することができる発電浄化システムおよび発電浄化方法を提供するにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発電浄化システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、排気ガスを導くガス排出路と、このガス排出路に設けられ、上記排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電部と、上記ガス排出路に設けられ、排気ガスに放電処理を行なって化学種を生成する放電反応部と、この放電反応部で生成された化学種により活性化される触媒剤を有する触媒反応部とを備え、前記ガス排出路に、還元作用を有する添加ガスを注入するガス添加手段が設けられ、前記電気エネルギが回収された排気ガスに前記ガス添加手段で添加ガスの供給により、前記排気ガスに含まれる有害物質の分解処理が促進される一方、前記排気ガスを活性化触媒の触媒反応で浄化・処理したものである。
【００２８】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る発電浄化システムは、請求項２に記載したように、前記排気ガスは、窒素酸化物、ダイオキシン類、一酸化炭素、炭化水素、気体悪臭成分のうちの少なくとも１つの気体物質を有するものであったり、さらに請求項３に記載したように、前記触媒剤は、オゾン分解作用を有する触媒剤を有するものであったり、また請求項４に記載したように、前記触媒剤は、窒素酸化物の還元作用を有する触媒剤を有するものである。
【００２９】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る発電浄化システムは、請求項５に記載したように、前記添加ガスは、炭化水素ガスあるいは水素の還元ガスを有するものである。
【００３０】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る発電浄化システムは、請求項６に記載したように、前記発電部は放電反応部の上流側に設置されたものであったり、さらに請求項７に記載したように、前記放電反応部の下流側に排気ガスの排熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電部を設けたものである。
【００３１】
またさらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る発電浄化システムは、請求項８に記載したように、前記発電部で回収された電気エネルギが放電反応部に供給され、上記放電反応部は前記電気エネルギの少なくとも一部を放電処理に用いたものであったり、請求項９に記載したように、前記発電部は、熱電気素子、熱電子素子およびタービンのうちの少なくとも１つを備えた熱電発電装置であることを特徴とするものである。
【００３２】
一方、本発明に係る発電浄化方法は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載したように、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して回収するエネルギ回収工程と、排気ガスから回収される電気エネルギの回収前あるいは回収後に、前記排気ガスを放電処理して化学種を生成させる放電反応工程と、生成された化学種により、触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを有し、エネルギ回収工程で電気エネルギが回収された排気ガスに、ガス添加手段により還元作用を有する添加ガスを供給し、排気ガスに含まれる有害物質の分解処理を促進させる一方、前記排気ガスを活性化した触媒の触媒反応により浄化処理する方法である。
【００３３】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る発電浄化方法は、請求項１１に記載したように、前記エネルギ回収工程で回収された電気エネルギを、放電反応工程における放電反応に直接あるいは間接的に使用する方法である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発電浄化システムおよび発電浄化方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係る発電浄化システムの第１実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００３６】
この発電浄化システム１０は、廃棄物焼却炉の排ガス、ディーゼルエンジン排気ガス、ガソリンエンジン排気ガス、焼却炉や下水処理場の排ガス、火力発電プラントや化学プラント、鉄鋼プラントからの排ガスのように、燃焼や化学反応により生成され、装置またはプラント施設から大気中に排出される不用となった排気ガスａを対象とし、排気ガスａに含有される熱エネルギを電気エネルギとして回収し、排気ガスａ内に含まれる有害物質を無害化あるいは基準値以下に処理・浄化して処理ガスｂとするガス処理浄化システムである。
【００３７】
発電浄化システム１０は、排気ガス排出源としての装置またはプラント施設１１からの高温の排気ガスａを導くガス排出路１２を備える。
【００３８】
ガス排出路１２には、排気ガスが含有する熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電部１３と、排気ガスに放電処理を行なってオゾンやＯＨラジカル等の化学種（化学的活性種）を生成する放電反応部１４とが順次設けられる。放電反応部１４の下流側には、放電反応部１４で生成された化学種により活性化される触媒剤１５を有する触媒反応部１６が設けられる。
【００３９】
発電浄化システム１０の処理対象ガスは、窒素酸化物、ダイオキシン類、一酸化炭素、炭化水素、悪臭成分等の有害物質を含む排気ガスであり、この排気ガスには、さらに硫黄酸化物や重金属、粉塵を含むものでもよい。
【００４０】
発電部１３は、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置で構成され、この熱電発電装置には熱電気素子、熱電子素子等の熱電変換素子およびタービンのうち少なくとも１つを備えた熱電変換機関が用いられる。熱電変換素子は、熱と電気との相互作用として現われるゼーベック効果、トムソン効果、ペルチェ効果などを利用した熱電素子、熱電気素子等の熱電素子であり、具体的には、熱起電力が大で電気抵抗と熱伝導率が小さい半導体が用いられ、ゼーベック効果による起電力を利用して熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子である。熱電気素子としては、Ｓｉ−Ｇｅ，Ｆｅ−Ｓｉ，Ｂｉ−Ｔｅ等の熱電素子がある。
【００４１】
発電部１３は、熱電発電装置により排気ガスが有する熱エネルギを効率よく電気エネルギに変換して、電力を発生させるようになっている。
【００４２】
また、放電反応部１４は、パルス状電圧や交流電圧が外部電流あるいは発電部１３からの発電電圧で印加される放電用電極（図示せず）を有し、発生したプラズマによる放電化学反応を利用したものである。放電反応部１４は、放電用電極のアーク放電やグロー放電、コロナ放電などの放電によって生じる電子のみを効率よく加速し、荷電粒子を間欠的に発生させてプラズマを生成し、生成されたプラズマの電気エネルギにより、排気ガス中に化学的活性種が効率よく生成されるようにしたものである。この化学的活性種には、オゾンやＯＨラジカル等の化学種がある。
【００４３】
この発電浄化システム１０は排気ガスａの有する熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収しつつ、放電反応で得られた化学種を利用して触媒を活性化させ、極めて高効率な発電と排ガス中有害物質の処理・浄化を両立させる発電浄化システム１０を提供でき、発電部１３には、熱電気素子、熱電子素子、タービンのうちの少なくとも１つを備えた熱電変換装置が設けられる。
【００４４】
次に、発電浄化システムの作用を説明する。
【００４５】
自動車等の装置または廃棄物焼却炉や下水処理場等のプラント施設１１から排出された高温の排気ガスａは、ガス排出路１２を通って発電部１３に案内される。排気ガスａには、窒素酸化物、硫黄酸化物、ダイオキシン類、一酸化炭素、炭化水素、悪臭成分、重金属、粉塵等の有害物質が含まれている。
【００４６】
有害物質を含む排気ガスは、熱電発電装置としての発電部１３を通過する際に、保有する熱エネルギを電気エネルギに変換し、電力として回収する熱電変換素子等を備えた熱電発電装置により発電に供され、電力が回収されるため、排気ガスａが保有する熱エネルギは低下せしめられる。
【００４７】
発電部１３に案内されて熱エネルギが低下した排気ガスは続いて放電反応部１４に案内され、この放電反応部１４を通過する際に、放電反応部１４で発生したプラズマの放電化学反応によりオゾンやＯＨラジカル等の化学的活性種（化学種）が生成される。
【００４８】
これらの化学的活性種は、放電反応部１４にてＮＯをＮＯ２に酸化処理したり、ダイオキシン類を酸化分解させたり、また、悪臭成分を無臭な酸化物質、無害ＣＯ２に変換する酸化反応が行なわれる。
【００４９】
また、化学活性種の中には、例えば長寿命のオゾン（Ｏ３）も存在し、このオゾンは排気ガスａの流動に伴って排気ガスａとともに触媒反応部１６に流入せしめられる。この触媒反応部１６に案内されたオゾンにより触媒剤１５が活性化され、この活性化された触媒の触媒反応により、排気ガスａ中に含まれる有害物質の浄化処理が促進される。このとき、有害物質の浄化処理は、活性化触媒の触媒反応により行なわれ、排気ガスの保有する熱エネルギに依存せず、放電処理反応に重畳して促進される。
【００５０】
触媒反応部１６における触媒処理反応のプロセス例を図２に説明する。
【００５１】
この発電浄化システム１０の触媒反応部１６における触媒活性化は、排気ガス温度ではなく、放電化学反応で生成した化学種（化学的活性種）によるために、排気ガス温度に依存することなく、排気ガスに含まれる有害成分を浄化して除去し、排気有害成分の排出量を大幅に低減させ、規制値以下に抑制することができる。なお、発電浄化システム１０において、ガス排出路１２の適宜位置に機械的あるいは電気的フィルタ装置を設けてもよい。
【００５２】
この発電浄化システム１０によれば、排気ガスａの熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収しつつ、放電反応で得られた化学種を利用して触媒を活性化するため、極めて高効率な発電と排気ガスａ中の有害物質の処理・浄化を両立する発電浄化システム１０を提供できる。
【００５３】
すなわち、この発電浄化システム１０では次のステップで排気ガスに含まれる有害物質の浄化・処理が行なわれる。
【００５４】
この発電浄化システム１０の発電浄化方法は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収するエネルギ回収工程と、排気ガスから電気エネルギを回収した後に、排気ガスを放電処理して化学種を生成したり、酸化反応を生じさせる放電反応工程と、放電反応工程で生成された化学種（化学活性種）により触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを少なくとも有し、触媒反応工程で活性化触媒の触媒反応により排気ガスをそのガス温度に依存することなく浄化処理させたものである。
【００５５】
図１に示された発電浄化システム１０を用いて、発電と臭気成分の分解例に関する試験結果を説明する。
【００５６】
試験（実験）例では、模擬臭気ガスとして空気と硫化水素（Ｈ２Ｓ）の混合ガス（Ｈ２Ｓ濃度：２０ｐｐｍ）を５００℃に加熱して発電部１３に導いた。
【００５７】
発電部１３には、熱電発電装置に備えられる熱電変換素子としてプレート状の熱電気素子を用いた。この熱電気素子は、スクッテルダイト、ハーフホイスラ、ゲルマニウム−シリロン、鉛−テルルまたはビスマス−テルル−アンチモンを主成分としたｐ型およびｎ型の熱電素子であり、プレート状のｐ型およびｎ型の熱電気素子を発電部１３の排ガス流路に貼付して試験したところ、排気ガス温度と外気温との温度差により電気エネルギを得、電力を回収することができる。
【００５８】
発電部１３で混合ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、電力として回収した後、混合ガスは放電反応部１４に案内されるが、放電反応部１４に案内される発電後の混合ガスは熱エネルギを失い１５０℃程度となって放電反応部１４に導かれる。
【００５９】
放電反応部１４では、放電電極からの放電により生成されたプラズマの放電化学反応により化学的活性種であるオゾンが化学種として生成される。このオゾンは混合ガスとともに触媒反応部１６に導かれ、この触媒反応部１６の触媒剤１５を活性化させる。活性化されたオゾン分解触媒により、混合ガスの臭気成分は殆ど、例えば９５％以上確実に分解処理され、無臭化かつ無害化することができた。
【００６０】
一方、発電部１３にて混合ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換した後、熱エネルギが低下した混合ガスを触媒剤１５のみで試験処理したところ、混合ガス中の臭気成分の分解率は、約４０％程度であり、大部分の臭気成分がそのまま残留した。このことから、触媒反応部１６の触媒剤１５を、放電反応部１４で生成されたプラズマによる放電化学反応で得られた化学的活性種（オゾン）を用いて活性化させることで、排気ガス温度に依存することなく、臭気成分の分解率を大幅に向上させ得ることを知見した。
【００６１】
以上の試験結果から、発電部１３で排気ガスの熱エネルギを充分に電気エネルギとして回収しても、図２に示す反応プロセスで予想されるように、放電反応部１４におけるプラズマの放電化学反応で生成されたオゾン（化学的活性種）による触媒剤１５の活性化により、１５０℃という温度的に触媒が充分に機能しない低温度においても、臭気成分を効率よく分解させ、無臭化させることができることがわかった。
【００６２】
図３は、本発明に係る発電浄化システムの第２実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００６３】
図３に示された発電浄化システム１０Ａは、放電反応部１４を発電部１３の上流側に設け、発電部１３の下流側に触媒反応部１６を設けたガス処理システムであり、発電部１３と触媒反応部１６を入れ換えた以外の他の構成および作用は、図１に示された発電浄化システム１０と実質的に異ならないので、共通部分には同じ符号を付して説明を省略する。放電反応部１４におけるプラズマによる放電化学反応処理や酸化反応処理、発電部１３におけるエネルギ回収処理、ならびに触媒反応部１６における触媒の活性化および触媒反応処理は、図１に示された発電浄化システム１０と異ならない。
【００６４】
第２実施形態の発電浄化システム１０Ａは、高温状態の排気ガスａが放電反応部１４で放電反応処理された後、発電部１３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収したガス処理システムである。
【００６５】
すなわち、この発電浄化システム１０Ａでは、次のステップで排気ガスに含まれる有害物質の浄化・処理が行なわれる。
【００６６】
この発電浄化システム１０Ａの発電浄化方法は、排気ガスの熱エネルギと電気エネルギに変換して電力として回収する回収工程と、排気ガスから電気エネルギを回収する前に、高温状態の排気ガスを放電処理して化学種を生成したり、酸化反応を生じさせる放電反応工程と、放電反応工程で生成された化学種（化学的活性種）により触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを少なくとも有し、触媒反応工程で活性化触媒の触媒反応により排気ガスをそのガス温度に依存することなく浄化処理させたものである。
【００６７】
本実施形態の発電浄化システム１０Ａのように発電部１３を放電反応部１４の下流側に設置しても、発電量および排気ガス中の臭気成分の分解率は、図１に示した発電浄化システム１０の場合と同じであり、排気ガスａの熱エネルギを充分に電気エネルギとして回収しつつ、臭気成分の分解を効率よく行なうことができる。
【００６８】
この発電浄化システム１０Ａによれば、初めに高温状態の排気ガスに放電処理を行なって化学種を発生させ、酸化反応を行なう一方、前記化学種により触媒を活性化した後、排気ガスの排熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収してから、排ガス中有害物質の処理・浄化を行なうため、極めて高効率な発電と排ガス中の有害物質の処理・浄化を両立するガス処理システムを提供できる。
【００６９】
図４は、本発明に係る発電浄化システムの第３実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００７０】
図４に示された発電浄化システム１０Ｂは、発電部１３を触媒反応部１６の下流側に設置した構成が図１に示された発電浄化システム１０と基本的に異なり、他の構成は、実質的に異ならないので同一符号を付して説明を省略する。
【００７１】
第３実施形態の発電浄化システム１０Ｂは、排気ガスａが高温の状態で放電反応部１４による放電化学反応および酸化反応触媒反応部１６による触媒反応を行なった後、発電部１３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収し、処理ガスとして外部に放出するようにしたものである。
【００７２】
この発電浄化システム１０Ｂによれば、触媒は、排ガス温度に加えて、放電化学反応で得られた化学的活性種によっても活性化するため、排気ガス中の臭気成分の分解率は９５パーセント以上となる。
【００７３】
この発電浄化視システム１０Ｂのように発電部１３を触媒反応部１６の下流側に設置すると、排気ガスａ中の臭気成分の分解率は図１に示した構成の場合以上となる上、臭気成分の分解後、排気ガスの熱エネルギを充分に電気エネルギとして回収することが可能となる。
【００７４】
この発電浄化システム１０Ｂは、排気ガスａの有する熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収しつつ、放電反応で得られた化学種を利用して触媒を活性化し、極めて高効率な発電と排気ガスａ中の有害物質の処理・浄化を両立する発電浄化システムであって、発電部１３は放電反応部１４の下流側に設置されたものである。
【００７５】
すなわち、この発電浄化システム１０Ｂにおける排気ガスの発電浄化方法は、次のステップで行なわれる。
【００７６】
この発電浄化システム１０Ｂの発電浄化方法は、初めに、高温状態の排気ガスを放電処理により化学種（化学的活性種）を生成したり、酸化反応を生じさせる放電反応工程と、この放電反応工程で生成された化学種により触媒剤を活性化させる触媒反応工程と、この触媒反応工程での活性化触媒の触媒反応により排気ガスを処理・浄化した後、排気ガスが含有する熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収するエネルギ回収工程とを少なくとも有する方法である。
【００７７】
発電浄化システム１０Ｂは、初めに高温状態の排気ガスａに放電処理を行なって化学種を発生させ、温度ではなく化学種により触媒剤を活性化し、排ガス中有害物質の処理・浄化後に、排気ガスの排熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収したガス処理システムである。
【００７８】
図５は本発明に係る発電浄化システムの第４実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００７９】
この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｃは、図１に示された発電浄化システム１０の発電部１３の下流側であって放電反応部１４の上流側に添加ガスを注入するガス添加手段２０を設けたものであり、他の構成は、図１に示された発電浄化システム１０と実質的に異ならないので、同一符号を付して説明を省略する。
【００８０】
ガス添加手段２０は添加ガスを還元剤として添加する還元ガス添加手段であり、このガス添加手段２０による添加ガスの上流側で発電を行なうことにより、添加ガス流入による排気ガスの温度低下に起因する、発電量の低下を避けることができる。
【００８１】
添加ガスとしては、還元剤である低コストの炭化水素または水素である。具体的には、例えば都市ガス、メタンガス、プロパンガス、ブタンガス等の炭化水素ガスである。
【００８２】
本実施の形態の発電浄化システム１０Ｃで示したように、炭化水素を還元剤として添加することにより、排気ガスに含まれる有害物質の分解処理を促進させることができる。例えば、添加ガスの供給により、放電反応部１４において、ＮＯからＮＯ２への酸化反応を促進して酸化処理効率およびダイオキシン分解処理効率の向上を図ることができる。排気ガス温度１８０℃で、炭化水素としてプロパンまたはエチレンを使用した試験では、ＮＯからＮＯ２への酸化処理効率は、プロパン添加およびエチレン添加の場合、双方とも無添加の場合の２倍、またダイオキシン分解処理効率は、プロパン添加の場合、無添加の場合の１．５倍と向上した。すなわち、これら炭化水素を還元剤として添加することで炭化水素を介しての放電処理反応に重要な役割を果たすＯＨラジカルが再生成されるためである。
【００８３】
すなわち、この発電浄化システム１０Ｃにおける排気ガスの発電浄化方法は次のステップで行なわれる。
【００８４】
この発電浄化システム１０Ｃの発電方法は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収するエネルギ回収工程と、電気エネルギが回収された排気ガスにガス添加手段２０により炭化水素等の添加ガスが供給されるガス添加工程と、添加ガスが供給された排気ガスを放電処理して化学種を生成したり、酸化反応を生じさせる放電反応工程と、放電反応工程で生成された化学種（化学的活性種）により触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを少なくとも有し、触媒反応工程で活性化触媒の触媒反応により排気ガスをそのガス温度に依存することなく浄化処理させたものである。
【００８５】
炭化水素を還元剤としたＮＯ／ＮＯ２（ＮＯｘ）還元反応プロセスを図６に示す。
【００８６】
すなわち、図６に示すように、装置またはプラント施設１１、例えば自動車からの高温の排気ガスａは発電部１３で熱エネルギが電気エネルギとして回収され、排気ガスａの温度が低下する。この排気ガスａには有害物質としてＮＯｘが含有されている。このＮＯｘを含む排気ガスａには、発電部１３の下流側でガス添加手段２０により還元剤として例えば炭化水素ガス（添加ガス）が添加され、混合せしめられる。
【００８７】
続いて、排気ガスａは放電反応部１４に案内され、この放電反応部１４の放電反応で生じたプラズマにより放電化学反応を促進させる。有害物質（ＮＯやダイオキシン）の分解処理が行なわれる。例えば、放電化学反応によりオゾンやＯＨラジカル（ＣＨＯ）の化学的活性種を生成させる一方、有害物質のＮＯからＮＯ２の酸化処理や、ダイオキシンの分解処理が促進される。
【００８８】
放電反応部１４で生成されたＯ３やＣＨＯの化学的活性種は、続いて、排気ガスａとともに触媒反応部１６に送られ、ここで触媒剤１５を活性化させて触媒反応を促進させ、有機ニトロ化合物が生成され、生成された有機ニトロ化合物（［ＣＨＯＮ］ｅｔｃ．）はＮＯｘやＮＯ２と反応し、無害なＮ２，ＣＯ２や水を発生させる。排気ガスａは触媒反応部１６での触媒反応やＮＯｘ還元反応により無害なＮ２やＣＯ２の処理ガスとなって外部に放出される。
【００８９】
この発電浄化システム１０Ｃによれば、ガス排出路１２に、炭化水素等の添加ガスを注入するためのガス添加手段２０が設けられ、添加ガスとして、好ましくは、炭化水素ガスあるいは水素の還元ガスを用いたので、この発電浄化システム１０Ｃでは排気ガスの有する熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収しつつ、放電反応で得られた化学種を利用して触媒を活性化し、極めて高効率な発電と排ガス中有害物質の処理・浄化を両立させる発電浄化システム１０Ｃを提供でき、発電部１３は放電反応部１４の上流側に設置されたガス処理システムである。
【００９０】
図７は、本発明に係る発電浄化システム１０Ｄの第５実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００９１】
この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｄは、ガス排出路１２の放電反応部１４の上流側に発電部１３が設けられる一方、放電反応部１４の下流側にも発電部２２を設けた構成が、図１に示された発電浄化システム１０と基本的に相違する。他の構成は、実質的に異ならないので同一符号を付して説明を省略する。
【００９２】
図７に示された発電浄化システム１０Ｄは、放電反応部１４の上流側に高温発電部１３を、放電反応部１４の下流側に低温発電部２２をそれぞれ設けたものである。放電反応部１４の下流側に設けられる低温発電部２２は、具体的には、触媒反応部１６の下流側に設けられる。
【００９３】
この発電浄化システム１０Ｄにおいては、装置またはプラント施設１１からの排気ガスは、排ガス温度が高い上流側で、例えば高温で熱電変換性能の高い発電部１３の熱電子素子あるいは熱電気素子等の熱伝達変換素子またはタービンにより排気ガスａに含まれる熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収される。熱電気素子は、シリコン−ゲルマニウム、スクッテルダイトあるいは鉛−テルルを主成分としたｐ型およびｎ型の熱電素子である。
【００９４】
また、排気ガスａは、放電反応部１４での放電反応後に、低温で熱電変換性能の高い発電部２２のタービン、熱電子素子あるいはビスマスーテルルを主成分としたｐ型およびｎ型の熱電気素子により、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【００９５】
図８は、本発明に係る発電浄化システム１０Ｅの第６実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【００９６】
この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｅは、ガス排出路１２の放電反応部１４の下流側に発電部１３が、さらに、触媒反応部１６の下流側に発電部２２が設けられた構成が、図１に示す発電浄化システム１０と基本的に相違する。また、図８に示された発電浄化システム１０Ｅは、図７に示された発電浄化システム１０Ｄとは、高温発電部１３と放電反応部１４を入れ換えた構成が基本的に相違し、他の構成は、図１および図７に示された発電浄化システム１０，１０Ｄと実質的に異ならないので、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９７】
図８に示された発電浄化システム１０Ｅは、放電反応を排ガス温度が高いまま放電反応部１４で行ない、その下流側で、例えば高温で熱電変換性能の高い高温発電部１３の熱電変換素子あるいはタービンにより電気エネルギを回収し、触媒反応部１６での触媒反応後に、低温で熱電変換性能の高い低温発電部２２の熱電変換素子あるいはタービンにより電気エネルギを回収するようにしたものである。
【００９８】
高温発電部１３の熱電変換素子には、高温で熱電変換性能の高い熱電子素子やシリコン−ゲルマニウム、スクッテルダイトあるいは鉛−テルルを主成分としたｐ型およびｎ型からなる熱電気素子の熱電素子が用いられ、低温発電部２２の熱電変換素子には、低温で熱電変換性能が高い、例えばビスマス−テルルを主成分としたｐ型およびｎ型からなる熱電気素子が用いられる。
【００９９】
本発明に係る発電浄化システム１０Ｆの第７実施形態を図９を参照して説明する。
【０１００】
図９は、本発明に係る発電浄化システム１０Ｆの第７実施形態を示す概略ブロック構成図である。この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｆは、発電部１３で得られる電力を電力供給系統としての電力供給手段２４により放電反応部１４に供給する構成とした内容が、図１に示された発電浄化システム１０と基本的に相違する。他の構成および作用は実質的に異ならないので、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１０１】
この発電浄化システム１０Ｆは、ガス排出路１２の放電反応部１４の上流側に設けられた発電部１３によって排気ガスａが含有する熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収するように構成され、この発電部１３で回収された電力は、電力供給系統２４を介して放電反応部１４に供され、放電処理用電力として用いられる。
【０１０２】
この発電浄化システム１０Ｆでは、放電反応部１４で放電反応に必要な電気エネルギを排気ガスａの熱エネルギから得ることにより、外部電源が不要あるいは外部電源への依存が極めて小さな省エネルギ型発電浄化システム１０Ｆが実現できる。
【０１０３】
この発電浄化システム１０Ｆは、排気ガスの有する熱エネルギを電気エネルギとして高効率で回収しつつ、放電反応で得られた化学種を利用して触媒を活性化し、極めて高効率な発電と排ガス中有害物質の処理・浄化を両立する発電浄化システムであって、放電反応に必要な電気エネルギは、発電部１３から供給されるようにした省エネルギ型発電浄化システム１０Ｆである。
【０１０４】
すなわち、この発電浄化システム１０Ｆでは次のステップで排気ガスに含まれる有害物質の浄化・処理が行なわれる。
【０１０５】
この発電浄化システム１０Ｆの発電浄化方法は、発電部１３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収するエネルギ回収工程と、エネルギ回収工程で回収された電力を放電処理用に供給する内部電力供給工程と、排気ガスから回収された電力を利用して、排気ガスを放電処理して化学種を生成したり、酸化反応を生じさせる放電反応工程と、放電反応工程で生成された化学種（化学的活性種）により触媒剤を活性化させる触媒反応工程とを少なくとも有し、発電部１３で回収された電力を放電処理に利用し、生成された化学種で触媒剤を活性化させ、触媒反応工程で活性化触媒の触媒反応により排気ガスを、そのガス温度に依存することなく、浄化処理させたものである。
【０１０６】
この発電電浄化システム１０Ｆによれば、排気ガスの放電処理に必要となる電気エネルギは、これまで利用されず排出されていた排気ガス自体の熱エネルギから取り出したものであって、外部からの電力供給が軽減もしくは不要となる極めて高効率な発電と排ガス中有害物質の処理・浄化を両立する発電浄化システム１０Ｆを提供することができる。
【０１０７】
図１０は、本発明に係る発電浄化システム１０Ｇの第８実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【０１０８】
この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｇは、発電部１３によって得られる電力を電力供給系統としての電力供給手段２４を介して電力制御装置２５に入力させ、電力制御装置２５で放電反応部１４の放電反応に適した電気条件（電力）に調節制御した後、電力供給手段２６により放電反応部１４に供給するようにした構成が、図１に示された発電浄化システム１０と基本的に相違する。他の構成および作用は、図１に示した発電浄化システム１０と実質的に異ならないので、共通部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０９】
図１０に示された発電浄化システム１０Ｇは、ガス排出路１２の上流側発電部１３によって得られた電力を電力制御装置２５により調節制御した後、発電部１３下流側の放電反応部１４に、電力供給手段２４，２６を介して供給するようにした省エネルギ型ガス処理システムである。
【０１１０】
電力制御装置２５により、発電部１３で回収された電力は、放電反応部１４の放電反応に必要な電力に調節制御して放電反応部１４に供給することができるので、放電反応部１４での放電反応を効率よく、能率的に行なうことができる。また、排気ガスａの熱エネルギから放電反応に必要な電気エネルギを得ることにより、外部電源を不要あるいは外部電源への依存が小さな発電浄化システム１０Ｇを提供できる。
【０１１１】
図１１は、本発明に係る発電浄化システム１０Ｈの第９実施形態を示す概略ブロック構成図である。
【０１１２】
この実施形態に示された発電浄化システム１０Ｈは、発電部１３によって得られる電力を電力供給系統としての電力供給手段２４を介して電力制御装置２５に入力させ、入力された電力を電力制御装置２５で放電反応に適した電気条件に調節制御した後、電力供給手段２６を介して放電反応部１４に供給する一方、余剰電力は電力供給手段２７からバッテリ２８に供給したり、また、発電浄化システム１０Ｈの系統外の電機機器３０に電力供給手段２９を介して供給可能な構成としたものであり、他の構成および作用は、図１に示された発電浄化システム１０と異ならないので、共通部分には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１３】
図１１に示された発電浄化システム１０Ｈは、図１に示された発電浄化システム１０に電力供給手段２４，２６と電力制御装置２５とバッテリ２８とを加えた省エネルギ型発電浄化システム構成としたものである。
【０１１４】
この発電浄化システム１０Ｈは、放電反応部１４の上流側に設けた発電部１３で排気ガスａの熱エネルギを電気エネルギに変換して電力として回収し、回収された電力を電力制御装置２５に供給している。電力制御装置２５では、放電反応部１４の放電反応に必要な電力に調節制御し、放電反応に必要な電力を放電反応部１４に供給し、放電反応に供するようになっている。
【０１１５】
電力制御装置２５は、放電反応部１４の放電反応に必要な電気条件に調節制御して、放電反応部１４に供給し、余剰電力は電力供給手段２７を介してバッテリ２８へ、また、電力供給手段２９を介して系統外の電機機器３０に供給される構成となっている。
【０１１６】
図１１に示された発電浄化システム１０Ｈは、放電反応部１４で放電反応に必要な電気エネルギを排気ガスａの熱エネルギから得ることにより、外部電源が不要あるいは外部電源への依存が極めて小さな発電浄化システム１０Ｈが実現できる。また、排気ガスａの熱エネルギから得る電力が放電反応に必要な電気エネルギを上回った場合は、放電反応に適した電気条件に調整するか、もしくはバッテリ２８や発電浄化システム１０Ｆの系統外の電機機器３０に供給できる構成とすることで、外部電源が不要な発電浄化システム１０Ｆが実現できる。
【０１１７】
なお、本発明に係る発電浄化システムの第７ないし第９実施形態においては、放電反応部１４の上流側に発電部１３を設け、この発電部１３で排気ガスから回収した電力を放電反応部１４に直接あるいは電力制御装置２５を介して間接的に供給する例を示したが、発電部を放電反応部１４や触媒反応部１６の下流側に設け、下流側の発電部の排気ガスから回収した電力を上流側の放電反応部に直接あるいは間接的に供給してもよい。さらに、発電部を排気ガスの高温側と低温側にそれぞれ設けてもよい。
【０１１８】
また、図７および図８に示された発電浄化システムの実施形態のように、高温発電部１３と低温発電部２２を備えたガス処理システムでは、両発電部１３，２２を通る排気ガスから回収された電力を直接あるいは間接的に放電反応部の放電処理用として供給してもよい。
【０１１９】
さらに、この発電浄化システムは、自動車等の熱機関の排気系に適用することができ、自動車等の熱機関に適用した場合には、熱機関からの排気ガスが低温の始動時にも、触媒を活性化させて触媒反応を積極的に働かせることができ、排気ガスの有害成分の排出量を抑制するとともに、触媒の機能保護が図れる。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明に係る発電浄化システムおよび発電浄化方法においては、排気ガスの熱エネルギを発電部により電気エネルギとして回収しても、放電反応部の放電反応により生成された化学種により、触媒剤を活性化させ、排気ガスの温度如何によらず、活性化触媒により、有害物質を含む排気ガスの浄化、処理を有効的に効率よく行なうことができる。
【０１２１】
また、本発明に係る発電浄化システムにおいては、発電部で排気ガスに含まれる熱エネルギを電気エネルギとして効率よく最大限に回収できる高効率な排気ガスの発電浄化システムを提供することができる。
【０１２２】
さらに、本発明に係る発電浄化システムおよび発電浄化方法では、発電部で回収された電気エネルギを直接あるいは間接的に放電反応部に供給し、放電反応に必要な電気エネルギを排気ガスの熱エネルギから得、外部電源が不要な発電浄化システムを提供でき、余剰電気エネルギはバッテリや発電浄化システムの系統外の電機機器に供給することができ、省エネルギ型発電浄化システムを提供できる。
【０１２３】
さらに、本発明に係る発電浄化システムを自動車等の熱機関の排気系に適用しても、排気ガス温度が低温の始動時にも、触媒を活性化させて触媒反応を効率よく行なわせ、有害成分の排出量を大幅に抑制するとともに、触媒を保護することができる発電浄化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電浄化システムの第１実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図２】図１の発電浄化システムにおける熱電発電プロセスとオゾンによる触媒活性による臭気成分処理反応プロセスを示す図。
【図３】本発明に係る発電浄化システムの第２実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図４】本発明に係る発電浄化システムの第３実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図５】本発明に係る発電浄化システムの第４実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図６】図５の発電浄化システムにおける炭化水素を還元剤としてＮＯｘ還元反応プロセスを示す図。
【図７】本発明に係る発電浄化システムの第５実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図８】本発明に係る発電浄化システムの第６実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図９】本発明に係る発電浄化システムの第７実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図１０】本発明に係る発電浄化システムの第８実施形態を示す概略ブロック構成図。
【図１１】本発明に係る発電浄化システムの第９実施形態を示す概略ブロック構成図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ  発電浄化システム
１１  装置またはプラント施設
１２  ガス排出路
１３  発電部（熱電発電装置、熱電変換機関）
１４  放電反応部
１５  触媒剤
１６  触媒反応部
２０  ガス添加手段（還元ガス添加手段）
２２  発電部
２４，２６，２７，２９  電力供給手段（電力供給系統）
２５  電力制御装置
２８  バッテリ
３０  （系統外）電機機器
【図１】
0004204247.tif 000002
【図２】
0004204247.tif 000003
【図３】
0004204247.tif 000004
【図４】
0004204247.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004204247.tif 000007
【図７】
0004204247.tif 000008
【図８】
0004204247.tif 000009
【図９】
0004204247.tif 000010
【図１０】
0004204247.tif 000011
【図１１】
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